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Forschungsbereich Verteilnetze

Viele Experten sind sich einig: „Die Energiewende findet im Verteilnetz statt“. Tatsächlich findet sich die Mehrheit der dezentralen Erzeugungsanlagen auf Niederspannungsebene wieder – und mit dem erwarteten Elektromobilitäts-Boom wird sich durch die Integration der Ladeinfrastruktur weiterhin viel im Verteilnetz bewegen. Die Forschungsgruppe Verteilnetze leistet mit ihren Forschungstätigkeiten einen Beitrag zum stetigen Wandel des Energieversorgungssystems hin zum Smart Grid. Die Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich der Regionalisierung der Energieversorgung durch Kopplung von Strom-, Gas- und Wärmenetzen sowie der Integration von Erneuerbaren Energien, Batteriespeichern und variablen Verbrauchern, v.a. Elektrofahrzeuge und Smart Homes. Die Kompetenzen im Bereich der simulationsbasierten Systemmodellierung, Netzplanung und Betriebsoptimierung sowie das Knowhow in der Kopplung von Simulation und Hardwareaufbauten werden in verschiedenen Forschungsprojekten und Industriekooperationen fortwährend eingebraucht und vertieft. Vor allem in der Betriebsoptimierung werden die Schnittstellen zur Forschungsgruppe Transportnetze genutzt. Mit Realisierung des Power Hardware-in-the-Loop Aufbaus wird die Schnittstelle zur Forschungsgruppe Komponenten vertieft.

 

 

Forschungsschwerpunkte im Bereich Verteilnetze
Integration stationärer und mobiler Batteriespeicher in die Verteilnetze
Regionalisierung der Energieversorgung auf Verteilnetzebene
Realisierung eines Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Aufbaus zum Anschluss elektrischer Betriebsmittel
Der zellulare Ansatz im Verteilnetz
 

 

 

Integration stationärer und mobiler Batteriespeicher in die Verteilnetze

 

Dass Speicher eine tragende Rolle bei der Umsetzung der Energiewende einnehmen, steht außer Frage. Auch ist unbestritten, dass die Elektromobilität eine ebenso wichtige Schlüsseltechnologie zur Verringerung der Emissionen klimaschädlicher Gase im Mobilitätssektor ist. Aufgrund hoher Kosten und weiterhin nötigem Entwicklungsbedarf, verzögert sich der Markthochlauf der Technologien jedoch. Der erste Forschungsschwerpunkt leitet sich aus der Frage ab, wie die Verteilnetze und Speicherkomponenten technisch und wirtschaftlich optimal auszulegen sind, damit die Integration stationärer Batteriespeicher in Kombination mit dezentralen Erzeugungsanlagen in die Verteilnetze möglichst reibungslos erfolgen kann. Dabei richtet sich der Fokus auf die Auslegung und den Betrieb von Batteriespeichern im kombinierten Einsatz mit PV-Anlagen als Komponente im Smart Home, sowie Einsatzmöglichkeiten von Batteriespeichern im Smart Grid. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bildet die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge im Smart Home, auf halböffentlichen Parkplätzen und in Parkhäusern. Neben deren optimaler Auslegung werden die Auswirkungen einer zunehmenden Zahl an Elektrofahrzeugen auf das Verteilnetz untersucht. Dabei werden verschiedene Ansätze zur intelligenten Steuerung der Ladevorgänge erprobt, mit dem Ziel einer bestmöglichen Integration mobiler Speicher in die Verteilnetze.

Ansprechpartner:

 

 

Regionalisierung der Energieversorgung auf Verteilnetzebene

 

< Im Rahmen der Umsetzung der Energiewende rückt zunehmend eine möglichst regionale Nutzung dezentraler, regenerativer Energiequellen in den Fokus. Dabei ist insbesondere eine gesamtheitliche Betrachtung verschiedener Sektoren der Energieversorgung wie Strom, Wärme und Mobilität von großer Bedeutung, um die angestrebten Klimaschutzziele zu erreichen. Vor diesem Hintergrund soll untersucht werden, wie ein optimierter, gekoppelter Betrieb von Strom- und Gasverteilnetzen oder aber auch Nahwärmenetzen zu einer Regionalisierung der Energieversorgung beitragen kann. Als Kopplungselemente der einzelnen Energieverteilnetze dienen einerseits Power-to-Gas-Anlagen, die überschüssigen Strom in Gas umwandeln, zum anderen aber auch (µ-) Blockheizkraftwerke, deren Betriebspunkt situationsabhängig gesteuert werden kann. Neben der Entwicklung von geeigneten Berechnungsmodellen zur simulativen Untersuchung des gesamtheitlichen regionalen Energiesystems stehen insbesondere mögliche Betriebsstrategien eines optimierten Energiesystems im Fokus der Untersuchungen.

Ansprechpartner: Martin Zimmerlin, M.Sc.

 

 

Realisierung eines Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Aufbaus zum Anschluss elektrischer Betriebsmittel

 

Für frühzeitige Tests von sich in der Entwicklung befindlicher elektrischer Betriebsmitteln unter realen Betriebsbedingungen soll mithilfe eines Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Aufbaus eine kontrollierte Testumgebung geschaffen werden. Der Fokus wird dabei auf die realitätsgetreue Einbindung in ein simuliertes Energienetz gelegt. Insbesondere die Untersuchung des Fehler- und Schaltverhaltens sowie schnell ablaufende Vorgänge können durch klassische modellbasierte Simulationen nur mit eingeschränkter Genauigkeit abgebildet werden. Tests der aufgebauten Hardware sind daher unumgänglich, fordern jedoch von der PHIL-Teststation eine hohe zeitliche Auflösung. Schaltvorgänge und Regelungen finden im Bereich von Millisekunden statt, so dass hier schnellst mögliche Reaktionszeiten des Systems erforderlich sind – die Rückkopplungszeit durch die verwendete Hardware-/Software-Schnittstelle sowie durch die Berechnung des simulierten Systems jedoch nur eingeschränkt reduzierbar ist. Eine daraus resultierende Problemstellung stellt auch die Stabilität des Gesamtsystems dar, die bei der Rückführung diskreter Messgrößen des Betriebsmittels entsteht. Die stabile und hochauflösende Verwirklichung des PHIL-Systems nimmt bei diesem Forschungsthema eine zentrale Rolle ein.

 

Ansprechpartner: Sebastian Hubschneider, M.Sc.

 

Der zellulare Ansatz im Verteilnetz

 

Durch die Energiewende findet eine tiefgreifende Veränderung der Struktur der Energieerzeugung in Deutschland statt. Viele kleine Erzeugungsanlagen wie z.B. PV-Anlagen oder BHKWs kommen hinzu und müssen in das bestehende System integriert werden. Zusätzlich zur erhöhten Anzahl an Erzeugungsanlagen besteht eine weitere Herausforderung darin, dass die Energieerzeugung in vielen dieser Anlagen durch erneuerbare Energien erfolgt, welche naturgemäß volatil sind. Zukünftige Entwicklungen, wie zum Beispiel der erwartete Anstieg des Anteils von Elektrofahrzeugen im Verkehrssystem, werden zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität im Energieversorgungssystem führen. Eine Möglichkeit dieser erhöhten Komplexität zu begegnen ist die Aufteilung des Gesamtsystems in verschiedene kleinere Systeme, den sogenannten Energiezellen. Die Idee des zellulären Ansatzes besteht darin, die Systemaufgaben wie zum Beispiel die Einhaltung der Leistungsbilanz, in den Energiezellen zu gewährleisten. Nur in Ausnahmefällen wird Hilfe von anderen Energiezellen benötigt. Das reduziert den Kommunikationsbedarf zu übergeordneten Steuerungseinheiten deutlich und soll so die Problemlösung vereinfachen und beschleunigen. Im Fokus der Forschung zu diesem Thema steht der Aufbau von Simulationsmodellen zur simulativen Betrachtung der Energiezellen, um anhand dieser Modelle mögliche Regelungsstrategien der verschiedenen Komponenten einer Energiezelle zu erproben.

 

Ansprechpartner: Lukas Held, M.Sc.