Unsere Forschungsfelder

Hybrid- elektrische Systemintegration

In hybrid-elektrischen Antriebssystemen werden elektrische Antriebe mit weiteren Energiewandlern kombiniert, wobei die benötigte Energie zum einen in einem elektrischen Speicher (Batterie) und zum anderen in einem zusätzlichen Speichermedium mitgeführt wird, das je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt sein kann. Als zweite Energiewandler werden oftmals mit fossilen oder nicht-fossilen Treibstoffen angetriebene Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Denkbar sind zudem Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie zum Einsatz, etwa aus Wasserstoff. Beides wird derzeit für die Luftfahrt, den Verkehr zur See und auf dem Land entwickelt. Zu hybrid-elektrischen Antrieben zählen aber ebenso e-bikes, wobei menschliche Muskelkraft den batteriegespeisten elektrischen Antrieb ergänzt. Im Bahnsektor werden teilweise auch Batterietriebzüge als Spezialfall hybrid-elektrischer Systeme bezeichnet. Auf nicht elektrifizierten Teilstrecken fahren diese Züge im Batterie- und auf elektrifizierten Strecken im Oberleitungsbetrieb.  Die koordinierte Kombination unterschiedlicher Energiequellen und Antriebssystemen mit ihren jeweiligen Stärken und Schwächen zu einem einzigen Gesamtsystem ist die Aufgabe der hybrid-elektrischen Systemintegration. Das Hauptziel besteht darin, die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern sowie den Energieverbrauch, das Gewicht und die Emissionen zu reduzieren.

Elektrische Systeme und Komponenten

Die elektrischen Systeme und Komponenten decken die elektrische Seite der hybrid-elektrischen Antriebe ab.

Sie umfassen grundlegende Bausteine der modernen Elektrotechnik, etwa Motoren, Generatoren, Leistungselektronik und elektrische Speicher (Batterien). Im elektrischen System ermöglichen sie es, elektrische Energie zu speichern, zu übertragen, zu steuern, zu wandeln, und zu nutzen. Erst sie ermöglichen die Funktionalität elektrisch angetriebener Geräte, Maschinen, und Fahrzeuge. Im chesco werden elektrische Komponenten- und Systemtechnologien entwickelt und kontinuierlich verbessert. Ihnen bieten sich somit erweiterte Einsatzmöglichkeiten als innovative Antworten auf heutige technologische Herausforderungen.

Gastrubinen und Brennstoffzellen

Gasturbinen und Brennstoffzellen sind Technologien zur Energiewandlung, die vielfältige Anwendungen von der Stromerzeugung bis zur Antriebstechnik abdecken. Im chesco kommt ihnen bei der Entwicklung hybrid-elektrischer Antriebssysteme eine besondere Bedeutung zu.

Gasturbinen sind thermische Maschinen, die durch Verbrennung von Brennstoff, zukünftig vermehrt Wasserstoff oder Sustainable Aviation Fuels (SAF), Luft erhitzen, um einen kontinuierlichen Gasstrom zu erzeugen, der die eigentliche Turbine antreibt. Sie saugen Luft an, komprimieren sie, erhitzen sie durch Verbrennung von Treibstoff und treiben dann die expandierenden Abgase durch eine Turbine an, die wiederum den Verdichter und im Flugtriebwerk oft auch den Fan oder den Propeller antreibt, um den notwendigen Schub zu erzeugen und das Flugzeug voranzutreiben. Gasturbinen sind in der Lage, relativ schnell in Betrieb zu gehen und haben einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Brennstoff in elektrische Energie oder in Schub.

Brennstoffzellen sind Geräte, die einen Brennstoff (meist Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (meist Sauerstoff aus der Luft) in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie und Wärme umwandeln, wobei der elektrische Strom direkt genutzt werden kann und Wasser entsteht. Der Prozess läuft bei einer niedrigeren Temperatur ab als bei einer Verbrennung. Brennstoffzellen bieten hohe Wirkungsgrade, geringe Emissionen und niedrige Geräuschpegel. Wasserstoff-Brennstoffzellen können als leise, emissionsarme und hocheffiziente Stromquelle dienen, die elektrische Energie für elektrische Triebwerkspropeller oder -fans erzeugen. Dies soll zu einem geräuscharmen und umweltfreundlichen Flugbetrieb mit reduzierten Emissionen von Kohlendioxid und Schadstoffen beitragen.

Hybrid-elektrische Antriebskonzepte integrieren oft sowohl Gasturbinen als auch Brennstoffzellen und erlauben es, die Vorteile beider Technologien kombinieren, die Effizienz und Reichweite zu verbessern, und gleichzeitig die Umweltauswirkungen zu minimieren.

Querschnittstechnologien

Thermalmanagement

Thermalmanagement bezeichnet die Disziplin und die Techniken, die zur effizienten Kontrolle und Regulation der Temperatur in elektrischen Geräten, Systemen oder Prozessen eingesetzt werden. Aktuell werden elektrische Maschinen und Elektronik immer kompakter und leistungsfähiger. Effektives Thermalmanagement gewinnt deshalb zunehmend an Bedeutung, um eine sichere und zuverlässige Betriebsumgebung zu gewährleisten. Im chesco wird an innovativen Lösungsansätzen gearbeitet, um die Sicherheit elektrischer Komponenten und Systeme zu gewährleisten.

Die Aufgabe des Thermalmanagements besteht darin, entstehende Wärme effizient abzuleiten, um eine Überhitzung zu verhindern, aber auch eine Mindesttemperatur und damit etwa die Funktionstüchtigkeit von Batteriespeichern zu gewährleisten. Eine Überhitzung kann die Leistungsfähigkeit von elektronischen Komponenten beeinträchtigen oder zu dauerhaften Schäden führen. Dabei wird zwischen aktiven und passiven Thermalmanagement unterschieden. Aktives Thermalmanagement beschreibt Methoden, die Energie benötigen, um die Wärme abzuleiten, z.B. Lüfter oder Ventilatoren. Passive Methoden beanspruchen keine externe Energie, um Wärme abzuleiten. Ein Beispiel hierfür sind Wärmerohre oder Kühlkörper, die die Wärme bei möglichst großer Oberfläche ableiten.

Effiziente Fertigungstechnologien

Effiziente Fertigungstechnologien sind Ansätze, die darauf abzielen, die Produktionsprozesse zu optimieren, um eine erhöhte Produktivität, Kostenersparnis und Qualitätsverbesserung zu erreichen. Sie zielen darauf ab, den Ressourcenverbrauch zu minimieren, die Fertigungszeiten zu verkürzen und gleichzeitig die Produktqualität zu maximieren. Ein wichtiges Ziel von chesco ist, die Innovationszyklen vom Entwurf über die Fertigung hin zum Test drastisch zu verkürzen und schnellstmöglich einen verbesserten Entwurf zu erlauben. Hierfür sind effiziente Fertigungstechnologien unerlässlich.

Ein zentrales Prinzip effizienter Fertigungstechnologien ist die Reduzierung von Verschwendung in Form von Zeit, Material und Energie. Dazu gehören verschiedene Ansätze, wie zum Beispiel die Automatisierung von Prozessen, die Integration von Industrie 4.0, Nutzung von additiven Fertigungstechnologien und Lean Manufacturing. Additive Fertigung schafft ein Umfeld, in dem Prozesse ständig an neue Anforderungen und Bedürfnisse angepasst werden müssen. Es wird in offenen Teams gearbeitet, um Probleme effizienter lösen zu können. Effiziente Fertigungstechnologien spielen eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologien ist von großer Bedeutung, um den ständig wechselnden Anforderungen in der modernen Industrie gerecht zu werden.

Digitale Technologien

Digitale Technologien umfassen verschiedene innovative Ansätze, die auf elektronischer Datenverarbeitung und digitaler Kommunikation basieren. Sie haben bereits heute einen Einfluss darauf, wie wir kommunizieren, wie wir arbeiten, und sie bestimmen einen großen Teil der Informationsverarbeitung. Sie sind der Antrieb für den Fortschritt in einer zunehmend vernetzten und digitalisierten Welt. Zu Digitalen Technologien gehören beispielsweise neben der künstlichen Intelligenz auch Big Data und digitale Zwillinge. Der digitale Zwilling schafft ein virtuelles Abbild zu physischen Objekten oder funktionellen Prozessen. Er ermöglicht es, in Echtzeit Umwelteinflüsse auf ein Produkt wirken zu lassen. So können die Funktionalität und die Produkteigenschaften unter bestimmten Bedingungen getestet werden. Die Nutzung von Augmented und Virtual Reality verändert zusätzlich das Arbeiten in virtuellen Umgebungen. Hierfür steht im chesco eine CAVE zur Verfügung.

Durch die Einbindung moderner Technologien will chesco sich an die neue Art zu arbeiten anpassen und den Arbeitsalltag digitalisieren. Dies schafft neue Chancen für Innovation, Effizienzsteigerung und personalisierte Erfahrungen, erfordert jedoch auch eine sorgfältige Planung, um potenzielle Herausforderungen anzugehen und die Vorteile dieser Technologien in vollem Umfang zu nutzen.