Experimentelle Forschung in der Energietechnik

„Experimentelle Forschung in der Energietechnik“ wird am IEH durchgeführt, um Betriebsmittel der Energietechnik zu untersuchen und theoretische Thesen an verschiedenen Versuchsständen zu validieren. Durch das induktive Laden entfällt die Steckverbindung mit Kabel und Stecker, wodurch u.a. eine höhere Akzeptanz zur Elektromobilität zu erwarten ist. Die Weiterentwicklung und das Testen verschiedener Verfahren zur Umrichterregelung kann mittels einer Umrichteremulation durchgeführt werden. Die Verknüpfung einer frequenzvariablen Netznachbildung mit einem Vollumrichter ermöglicht die Nachbildung einer Windkraftanlage und die Untersuchung spannungseinprägender Regelverfahren. Neben der klassischen Aufteilung der Themen in Simulation und experimentelle Untersuchungen an Demonstratoren und Versuchsständen findet auch die innovative Hardware-in-the-Loop Technik als Brücke zwischen Simulation und Experiment Anwendung.

Smart Energy Office Building (SEOB)

Mit der Energiewende treten neue Erzeugungsmöglichkeiten (PV-Anlage, WEA) und neue Verbraucher (z.B. E-Auto, Wärmepumpe) in den Vordergrund. Das führt zu volatilen Energieflüssen im Netz, die durch Speichertechnologien (Li-Ionen-Batterie, Wasserstoff) ausgeglichen werden müssen. Eine mögliche Herangehensweise ist es, einzelne Gebäude oder Quartiere in Zukunft möglichst autark oder gar netzdienlich zu regeln, um die Netze dadurch zu entlasten.

Das IEH verwandelt das Institutsgebäude zur Erforschung der Regelung und Wechselwirkung solcher Komponenten derzeit in ein Smart-Energy-Office Building (SEOB). Der Fokus liegt dabei auf dem Aufbau und der Untersuchung eines DC-Microgrids, mit dem die Verluste der ständigen Umwandlung zwischen Wechselspannung und Gleichspannung bei den Erzeugern, Speichern und Verbrauchern reduziert werden können. Die Interaktionen zwischen verschiedenen DC-Komponenten, die an einem spannungsvariablen Bus betrieben werden und die Möglichkeit das DC-Microgrid im Inselbetrieb ohne Verbindung zum AC-Verteilnetz zu betreiben, sind Beispiele für experimentelle Fragestellungen.

Zusätzlich kann mithilfe einer Power-to-Gas-Anlage Wasserstoff gewonnen und längerfristig zwischengespeichert werden. Eine skalierbare Brennstoffzelle schließt den Kreis des Wasserstoff-Speichersystems und kann Schwankungen und Unterbrechungen im DC-Microgrid ausgleichen. Für das Gesamtsystem muss deshalb ein optimiertes Energiemanagement entwickelt werden, welches auch die Vorhersage der Erzeuger (PV-Anlage und Windkraftanlage) und den Lastgang der Verbraucher am Institut berücksichtigt.

Ansprechpartnerin DC-Microgrid: Daniela Eser M.Sc.
Ansprechpartner Wasserstoff-Speichersystem: Erik Wöhr M.Sc.

Bereitstellung von Momentanreserve durch netzbildende Regelung leistungselektronischer Erzeugungsanlagen

Aktuell wird bereits ein erheblicher Teil der elektrischen Energie durch regenerative Energiequellen bereitgestellt. Hiervon stellt in Deutschland die Windenergie den größten Teil bereit. Mit dem Ausbau regenerativer – meist leistungselektronisch basierter – Energiequellen geht die Reduktion der Anzahl konventioneller Kraftwerke einher.

Neben der Bereitstellung elektrischer Energie in ausreichender Menge zu einem jeden Zeitpunkt muss auch gewohnte Versorgungssicherheit weiterhin gewährleistet werden. Von besonderem Interesse ist unter anderem die Bereitstellung der Regelleistung im Subsekundenbereich – der Momentanreserve. Im Gegensatz zu Synchrongeneratoren leisten leistungselektronische Erzeugungsanlagen hierzu aktuell keinen Beitrag. Bei einem weiter ansteigenden Anteil ist dies zur Gewährleistung der Netzstabilität allerdings notwendig.

Am IEH werden daher unter anderem ganzheitliche dynamische Netzsimulationen des irischen Übertragungsnetzes mit einer sehr hohen Durchdringung an Windenergieanlagen untersucht. Auch experimentell werden netzbildend geregelte Umrichter in einem frequenzvariabelen Inselnetz getestet.

Ansprechpartner: Pascal Weber M.Sc. & Daniel Bohnet Millan M.Sc.

Bewertungsmethoden für Isoliersysteme in elektrischen Antriebssystemen

Die Weiterentwicklung der Elektromobilität erfordert zunehmend kompaktere und leistungsstärkere Elektromotoren. Innovationen wie  Flüssigkeitskühlung und  dünnere Isolierschichten  sind dabei unverzichtbar,  stellen jedoch neue  Herausforderungen an die  Isolationseigenschaften  der Motoren. Eine zentrale Problematik liegt in der chemischen Wechselwirkung zwischen Kühlflüssigkeiten und der Lackisolierung der Motorwicklungen. Diese Reaktionen führen zu einer fortschreitenden Verschlechterung der Isolation, beschleunigen die Alterung und erhöhen das Risiko eines Motorausfalls. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, ist eine systematische Bewertung unterschiedlicher Isolierstoffe und ihrer Kombinationen erforderlich. Hierzu werden die Verlustfaktormessung sowie die Teilentladungsmessung untersucht. Beide Messmethoden sind etablierte Verfahren in der Hochspannungstechnik, müssen jedoch auf ihre Verwendbarkeit für Isoliersysteme in elektrischen Antriebssystemen überprüft werden. Die Ergebnisse sollen zu einem besseren Verständnis der Alterungsmechanismen beitragen und Grundlagen für Grenzwerte bieten, die die Bewertung von Isolationssystemen und deren Kombinationen vereinfachen.

Ansprechpartner: Luca Zimmermann M.Sc.