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„Blue Battery“ mit Ultraschallsensoren

Mit kompakten Abmessungen machen Sensoren in zahlreichen Anwendungen den Unterschied. Beispielsweise die Blue Battery von AquaBattery, ein Speichersystem für Strom.

Mit kompakten Abmessungen machen Sensoren in zahlreichen Anwendungen den Unterschied. Beispielsweise die Blue Battery von AquaBattery, ein Speichersystem für Strom, in dem Membrantechnik, Wasser und Kochsalz zum Einsatz kommen. Zur Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten in diversen Tanks wurden am eigenen Arbeitsplatz Tests mit UItraschallsensoren von Elobau durchgeführt. Robuste Messvorrichtungen mit der richtigen IP-Schutzklasse, der erforderlichen Messgenauigkeit und der Möglichkeit zum Ablesen durch entsprechende Steuerung.

AquaBattery wurde vor ein paar Jahren von fünf jungen Männern gegründet, die eine eigene Vorstellung davon hatten, Strom ebenso preiswert wie zielgerichtet zu speichern. Ein wichtiges Thema in einer Zeit, in der angesichts zu hoher Produktion von Photovoltaik-Modulen ein Energie-Überschuss droht und Retouren entweder nicht immer möglich oder nicht (mehr) lukrativ sind.

Pilotprojekt im „Green Village“

Es gibt viele Möglichkeiten, Energie zu speichern, wobei der herkömmliche Akku – der mit Blei- oder Lithiumzellen arbeitet – die bekannteste ist. Ein großer Nachteil von Akkus: die darin eingesetzten Materialien sind teilweise giftig, außerdem teuer und brennbar, was die Explosionsgefahr erhöht. Wie kann man dies ändern?

Aufgrund des ausgeprägten Hintergrundes, den Blue Battery beim Thema „Wasser“ hat, lag hier die Energiespeicherlösung in der Nutzung des Potentialgefälles zwischen Salz- und Süßwasser. „Das Verfahren zur Elektrizitätsgewinnung mit Salz- und Süßwasserströmen an Membranen ist schon seit den 1960er Jahren bekannt“, bemerkt COO Emil Goosen. „Durch Umkehrung des Prinzips ist es allerdings möglich, mit derselben Membrantechnologie auch Energie zu speichern. Genau das passiert in unserer Blue Battery. Ein System aus zwei bis drei Tanks, kombiniert mit Rohrleitungen, Pumpen und Membransätzen. Die Steuerung erfolgt auf Basis der Leitfähigkeit der Medien, dem Füllstand in den Tanks und dem Druck, unter dem Flüssigkeiten in eine bestimmte Richtung strömen müssen, um den Akku nach Wunsch zu laden bzw. zu entladen.“

Am eigenen Arbeitsplatz im niederländischen Leiderdorp wurden zahlreiche Tests mit Membranpaketen und Leistungen bis zu ca. 1 kW durchgeführt. Daraus entwickelte sich letzten Endes die Anlage, die im Rahmen eines ersten Pilotprojektes bei „The Green Village“ in Delft getestet wurde. Emil Goosen sagt: „Dieses Projekt diente vor allem ‚Upscaling‘-Zwecken. Ein wichtiger Schritt, da ein solches Projekt den Beweis erbringen muss, dass sich das erfolgreiche Funktionieren im Labor auch auf größere Systemen gut und zuverlässig anwenden lässt. Dieses erste Pilotprojekt setzt 10 Kubikmeter Salzwasser ein, die auf verschiedene Tanks verteilt sind. Mittlerweile läuft alles ganz nach Wunsch, weshalb nun bereits am zweiten und dritten Pilotprojekt gearbeitet wird, bei dem auch größere Leistungsklassen getestet werden.“

Füllstandsmessung

Um den Füllstand in den Tanks zu messen, wird vor allem mit kapazitiven Sensoren experimentiert. Diese erwiesen sich jedoch nicht als präzise genug und fluktuierten außerdem zu stark. Auf der Aquavakbeurs im März 2018 erfuhr Elobau von dem AquaBattery-Projekt und schlug dann vor, Ultraschallsensoren anzuwenden.

Ultraschallsensoren

Dieser Sensortyp umfasst sowohl einen Sender, der Ultraschalltöne erzeugt, als auch einen Empfänger, der die reflektierten Töne wieder aufnimmt. Auf Basis der Zeit, die vergeht, bis das Geräusch reflektiert wird, ermittelt der Sensor den Abstand zum zu entdeckenden Gegenstand auf der Oberfläche. Abgesehen davon, dass wir hier stets von kontaktloser Messung sprechen, sammeln Ultraschallsensoren ihre Daten unabhängig von Form und Farbe. Dies bedeutet, dass sie auch reflektierende und durchsichtige Gegenstände auf Oberflächen genauso erkennen wie glatte oder sehr ungewöhnliche Varianten. Dadurch eignen sich Ultraschallsensoren für ganz unterschiedliche Anwendungen, und sicher auch für die Blue Battery.

Gerard van de Griendt, Sales-Manager für den Bereich Industrial Applications bei Elobau: „Das Innovationsunternehmen AquaBattery hat selbst mit verschiedenen Ultraschallsensoren experimentiert, von denen wir Proben zur Verfügung gestellt haben. Nachdem sich bei den Tests gezeigt hatte, dass Ultraschallmessungen für diese Anwendung tatsächlich geeignet waren, widmeten wir uns der letztendlichen Ausführung des dazugehörigen Sensors. Somit muss man sich zwischen Kunststoff und rostfreiem Stahl mit Gehäuse entscheiden und abwägen, ob eine lange oder kurze Variante hier am besten passt. Darüber hinaus ist der Schutzgrad ebenso wichtig wie die Salzwasserbeständigkeit und natürlich auch das Messspektrum. Und Emil Goosen ergänzt: „Das Auslesen der Sensoren, auf deren Basis u.a. die Pumpen gesteuert werden, erfolgt über ein selbstgeschriebenes Programm und Industrie-PLCs. Letztere sind einfach zu programmieren und robust genug für den Einsatz in industriellen Anwendungen.“

Sicheres System

Mit dem letztendlichen Design der Blue Battery haben Endbenutzer nicht nur die Gewissheit, dass sie elektrische Energie effizient und sicher speichern, sondern sie profitieren außerdem von einem Produkt, das für Mensch und Umwelt risikofrei ist. Das Auslaufen von Flüssigkeiten stellt aber kein Risiko dar, weshalb diesen Batterien ohne Probleme und Sondergenehmigungen transportiert werden dürfen. Darüber hinaus können Akkus nicht „überladen´“ werden, und zudem hat das Laden bzw. Entladen von Batterien keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie.

Zweites Pilotprojekt

Nach dem erfolgreichen Pilotprojekt in Delft wird nun an einer größeren Anlage im niederländischen Gorinchem gearbeitet. Hierbei wird doppelt so viel Salzwasser eingesetzt (20 Kubikmeter), das gleichmäßig über miteinander verbundene Tanks verteilt ist. Das Fernziel: ein System mit insgesamt 2.000 Kubikmetern zu konstruieren. Emil Goosen sagt: „In Gorinchem war das System in einem Seecontainer untergebracht, wo derzeit die Montage von Komponenten beginnt. Diese Phase dürfte gegen Ende der März abgeschlossen sein. Hier werden Ultraschallsensoren von Elobau noch nicht eingesetzt, weil man sich für mehrere kleinere Tanks mit integriertem Sensor entschied. Diese Sensoren zeigen allerdings nur Extremwerte an. Bei der Endanwendung werden wir dann jedoch die Sensoren einbauen, die wir im Einvernehmen mit Elobau ausgesucht haben.“

Ich gehe davon aus, dass dies im dritten Pilotprojekt der Fall sein wird, doch hier sind wir auch von anderen Partnern abhängig, die mit uns im Rahmen des H2020-Projektes zusammenarbeiten. Andererseits ist das hier einfach die beste Lösung, weil wir dann auf ein größeres System mit größeren und höheren Tanks umsteigen. Die erforderlichen Sensoren müssen dann einen ausreichend großen Messbereich und eine Genauigkeit von ca. 0,1 % haben; und das ist vor allem bei den vorher von uns ausgewählten Ultraschall-Varianten möglich.“

Ultraschallsensor UC18PIC-220S

Die Ultraschallsensoren, die AquaBattery für seine „BlueBattery“ ausgewählt hat, sind im Katalog von elobau unter dem Kürzel „UC18PIC-220S“ verzeichnet. Es handelt sich hier um einen Kunststoff-Sensor (aus PBT) mit M18-Außendraht und einem Messbereich von 200 – 2.200 mm. Über den analogen 4 – 20 mA-Ausgang hinaus ist dieser Ultraschallsensor auch mit einem Push-pull-Ausgang ausgerüstet. Durch das relativ große Messspektrum eignet sich diese Variante auch für größere Tanks wie sie z.B. für das dritte Pilotprojekt geplant sind. Sein Kunststoffgehäuse macht den Sensor außerdem besonders geeignet für Salzwassertanks – zunächst hatte man hier Ausführungen aus rostfreiem Stahl eingesetzt.

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