Kleinste Verluste sichtbar machen

In modernen Anwendungen werden Elektromotoren meist nicht direkt aus dem Stromnetz gespeist, sondern über sogenannte Umrichter. Diese wandeln elektrische Energie, etwa aus dem Netz oder aus Batterien, so um, dass Drehzahl und Leistung des Motors flexibel geregelt werden können. Das ermöglicht hohe Effizienz und Anpassungsfähigkeit, bringt aber auch Nebenwirkungen mit sich.

„Durch das Ein- und Ausschalten der Umrichter entstehen elektromagnetische Schwingungen, die zusätzliche Verluste im Motor verursachen – insbesondere bei großen Differenzen zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Spannungspegel“, erklärt der Promovend. Die wirtschaftliche Verringerung dieser Verluste ist bisher kaum erforscht. Genau hier setzt Lukas Gallus seine Forschung an und nimmt dabei Umrichter und Motor als Gesamtsystem in den Blick. 

Untersucht wird, wie stark unterschiedliche Umrichterkonzepte die Verluste und die Wärmeentwicklung in unterschiedlichen Motoren beeinflussen. Erste Abschätzungen zeigen: Auch scheinbar kleine Effekte können relevant sein. „Schon ein halber Prozentpunkt zusätzlicher Verlustleistung kann bei leistungsstarken Motoren mehrere Hundert Watt ausmachen – Energie, die letztlich als Wärme verloren geht und auch abgeführt werden muss“, so Gallus. 

Von der Elektromobilität bis zur Medizintechnik

Relevant ist dieser Verlust in den verschiedensten Bereichen. Etwa in der Elektromobilität: „Weniger Verluste bedeuten mehr Reichweite oder kleinere Batterien bei gleicher Leistung“, sagt der Promovend. Gleichzeitig reduziert eine geringere Wärmeentwicklung den Kühlaufwand und eröffnet neue konstruktive Freiheiten für kompaktere und leistungsdichtere Motoren. „Zum Beispiel in der Medizintechnik: Elektrisches Werkzeug wie es bei Zahnärzt*innen oder in Operationssälen zum Einsatz kommt, muss präzise, leicht und leistungsstark sein. Gleichzeitig darf es während des Einsatzes nicht heiß werden in der Hand.“

Auch in der Industrie oder bei mobilen Anwendungen wie Bahn- oder Spezialantrieben kann eine optimierte Auslegung des Gesamtsystems Energie sparen und Ressourcen schonen. Langfristig trägt die Forschung damit auch zu Klimaschutz, Ressourceneffizienz und technologischer Unabhängigkeit bei. „Auch wenn die einzelnen Effekte klein erscheinen mögen, entfalten sie durch die enorme Verbreitung elektrischer Antriebe eine große Wirkung“, sagt Prof. Dr. Hans-Jürgen Pfisterer, Professor für Elektrische Antriebe an der Hochschule Osnabrück und Betreuer der Promotion. 

Kooperative Promotion

Das Promotionsprojekt entsteht in Kooperation mit der Universität der Bundeswehr München. Während dort der Fokus auf der Leistungselektronik liegt, bringt die Hochschule Osnabrück ihre Expertise in der elektrischen Antriebstechnik und Simulation ein. Die Kombination ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung des Systems.

Dafür sind experimentelle Untersuchungen an Motorprüfständen im Antriebslabor der Hochschule sowie umfangreiche Simulationen geplant. So soll eine allgemeine Bewertungsgrundlagen entwickelt werden: Welche Motoren reagieren besonders empfindlich auf Umrichtereinflüsse wie zusätzliche Oberschwingungsverluste? Wo lohnt sich der Einsatz aufwendigerer Technik – technisch wie wirtschaftlich?

Lukas Gallus, der schon seinen Bachelor und seinen Master an der Hochschule Osnabrück gemacht hat, sagt über seine persönliche Motivation: „Es ist die Freude am Verstehen, wenn man diesen Aha-Moment erlebt“.

Weitere Informationen: 
Prof. Dr. Kim Werner
Professorin für Betriebswirtschaftslehre, insbesondere Veranstaltungsmanagement
Telefon: 0541 969-7268
E-Mail: k.werner@hs-osnabrueck.de

Prof. Dr. Kai Michael Griese
Professor für Marketing
Telefon: 0541 969-3880
E-Mail: k-m.griese@hs-osnabrueck.de
 

Die Hochschule Osnabrück bringt ihre Expertise in drei der vier sogenannten agri:labs ein. Dies sind praxisnahe Reallabore, in denen gemeinsam mit Partnern aus der Praxis konkrete Lösungen entwickelt und erprobt werden. Thematisch reichen die Beiträge von nachhaltigen Wertschöpfungssystemen über zukunftsfähige Nutztierhaltung und die Nutzung von Nebenströmen bis hin zur integrierten Agrarlandschaftsentwicklung. Für ihre Forschung erhält die Hochschule Osnabrück Fördermittel in Höhe von knapp 2,2 Millionen Euro.

Konkrete Fragestellungen in der Praxis erproben 

Agri:change zeichnet sich nicht nur durch die große Zahl an beteiligten Akteurinnen und Akteuren aus Wissenschaft, Politik und Praxis aus, sondern vor allem durch die unmittelbare Praxisnähe, wie Prof. Dr. Nana Zubek, Professorin für Agrarökonomie der Hochschule Osnabrück erläutert: „Transformationsprozesse können nur dann erfolgreich sein, wenn sie von den betroffenen Akteurinnen und Akteuren mitgetragen werden.“ 

Das zeigt sich auch in den Teilprojekten, in denen Nana Zubek mit ihrem Team arbeitet. Gemeinsam untersuchen sie, wie gesellschaftlich akzeptiert tiefgreifende Veränderungen entlang der agrarischen Wertschöpfungskette überhaupt sind und welche Rolle dabei persönliche Kontakte, Austausch und Netzwerke spielen. Denn ob sich nachhaltigere Produktionsweisen durchsetzen, hängt oft davon ab, wie Landwirtinnen und Landwirte, Unternehmen und Bürgerinnen und Bürger darüber sprechen und welche Erfahrungen sie im eigenen Umfeld machen.

Gleichzeitig wird analysiert, wie sich eine nachhaltige Umgestaltung der Agrar- und Ernährungswirtschaft auf die Lebensqualität in Regionen auswirkt. Entstehen neue Arbeitsplätze und Geschäftsmodelle? Verändern sich Einkommen oder wirtschaftliche Strukturen? Was passiert, wenn sich Produktion verlagert? Wenn beispielsweise weniger Fleisch in Niedersachsen erzeugt würde: Wird dann anderswo mehr produziert? Und was wären verbundene ökonomische, ökologische sowie gesellschaftliche Konsequenzen? Solche überregionalen wirtschaftlichen Zusammenhänge werden mit in den Blick genommen. 

Hochschule Osnabrück thematisch breit aufgestellt 

Neben Zubek sind noch Prof. Dr. Guido Recke, Prof. Dr. Inga Tiemann, Dr. Kathrin Toppel sowie Prof. Dr. Diemo Daum mit ihren Teams im Gesamtprojekt vertreten und decken dabei unterschiedliche Themengebiete ab.

Das Team von Prof. Dr. Diemo Daum entwickelt neue Ansätze, um bislang ungenutzte Pflanzenbestandteile aus dem Freilandgemüsebau nachhaltig zu erschließen und ihr Potenzial für die Lebensmittelverarbeitung zu bewerten. Im Fokus stehen dabei vor allem Blätter von Wurzel-, Knollen- und Kohlgemüse sowie Gemüsefraktionen, die etwa aufgrund zu geringer Größe nicht als Frischware vermarktet werden. Gleichzeitig untersuchen die Forschenden, inwieweit entsprechende Verwertungsoptionen dazu beitragen können, Stickstoffverluste durch Nitratauswaschung und Lachgasemission aus Ackerböden zu verringern und damit Umwelt und Klima zu schützen.

Prof. Dr. Inga Tiemann und Dr. Kathrin Toppel beschäftigen sich mit ihren Kolleginnen und Kollegen mit Geflügel. Tiemann arbeitet im Teilprojekt „Geflügel ‚Low carbon line ‘ – regionale Produktion mit geringer Umweltwirkung.“ 
Die „Carbon Line – Huhn“ schafft die Datengrundlage für eine evidenzbasierte Bewertung von Klimawirkungen in der Geflügelhaltung. Ziel ist es, Ressourceneffizienz und Tierwohl systemisch zusammenzudenken und praktikable Transformationspfade für die Geflügelbranche aufzuzeigen.

Toppel erprobt und bewertet am Lehr- und Forschungsbetrieb Waldhof der Hochschule verschiedene Ansätze zur Reduzierung des Risikos von Hitzestress bei Masthühnern. Damit leistet das Team einen Beitrag dazu, Geflügelhaltung auch in einem sich wandelnden Klima tiergerecht und zukunftsfähig zu gestalten. Der inkludierte Praxisaustausch ebnet den direkten Weg für erfolgreiche Maßnahmen ins Controlling von Masthühnerbeständen.

Für die wirtschaftliche Nutzung bislang ungenutzter Rest- und Begleitstoffe in Deutschland besteht noch erheblicher Forschungsbedarf. Insbesondere sind die mengenmäßigen, technisch verfügbaren und ökonomisch verwertbaren Potentiale verschiedener Wertschöpfungsketten nicht bekannt. Diese Aspekte werden im Fachgebiet von Prof. Dr. Guido Recke untersucht. Ein weiterer Fokus liegt auf der ökonomischen Optimierung durch Nebenstrom-Upcyling von ausgewählten Lebens- und Futtermitteln und auf Akzeptanzanalysen bei den beteiligten Unternehmen.

Mit dem Engagement im Verbundprojekt agri:change unterstreicht die Hochschule Osnabrück ihren Anspruch, wissenschaftliche Erkenntnisse frühzeitig in die Praxis zu überführen und den Wandel der Agrar- und Ernährungswirtschaft aktiv mitzugestalten. So entstehen fundierte Entscheidungsgrundlagen und konkrete Lösungsansätze für eine nachhaltige Entwicklung in Niedersachsen und darüber hinaus.