Center für Elektrische Energiesysteme und erneuerbare Energien

Die Umsetzung der vereinbarten politischen Ziele zur Transformation unserer Energieversorgung hin zu einem klimaneutralen System bis Mitte dieses Jahrhunderts bedingt ein modernes, resilientes, partizipatives und zukunftsfähiges Energiesystem – eine inhärent stabile und leistungsfähige Infrastruktur, die emissionsfreie Energie­umwandlung, verlustarme sowie normgetreue Energieübertragung und -verteilung, und die fortschreitende Elektrifizierung hin zu einer All Electric Society ermöglicht.

Es wird im Rahmen der weitgehenden Elektrifizierung vieler Lebens­bereiche ein Paradigmenwechsel in der Energieversorgung stattfinden müssen, im Rahmen dessen zuvor axiomatische Strategien und Methoden in Energiewirtschaft, Netzplanung sowie -dimensionierung, Netzführung, Netzschutz, Kommunikationsanwendungen und Digit­alisierung hinterfragt und verbessert werden.

Das Energiesystem der Zukunft erfährt Trends aus politischen Vor­gaben, gesellschaftlichem Engagement und wirtschaftlichen Interessen und wird durch verschiedenste Aspekte geprägt sein (nur eine Auswahl der möglichen Bedingungen):

  • ein zugleich dezentralisiertes und zelluläres Energiesystem auf VN-Ebene und ein zentralisiertes Energiesystem mit überlagertem Transportnetz und weitreichendem Markt auf ÜN-Ebene,
  • die Kommunikationstechnologien sind ein essenzieller Teil der Energieversorgung und weisen eine hohe Interdependenz zur physikalischen Bereitstellung von Leistung auf,
  • die Endverbraucher werden durch Möglichkeiten in der variablen Nachfrage, durch Einsatz von Energiespeichern und verteilten Einspeisungen zu aktiven, partizipativen Netzkunden,
  • Sektorenkopplung trägt erheblich die Leistungsfähigkeit hinsichtlich Energiespeicherung und -übertragung (multimodales System mit Interdependenzen: Wasserstoff, Gas, Wärme, Kälte),
  • die Methoden der KI beeinflussen das Energiesystemverhalten und tragen maßgeblich zu einem resilienten System bei.

Der Kompetenzschwerpunkt am IEHT trägt im Rahmen ver­schiedener Aktivitäten zur Umsetzung einer nachhaltigen Energie­system­trans­formation in das Zeitalter der All Electric Society bei und fokussiert sich dabei auf die leitungsgebundene Elektrizitätsversorgung im Über­tragungs- und Verteilnetzbereich sowie auf das interaktionelle, dyn­am­ische Zusammenspiel aller Netzteilnehmer unter Berücksichtigung oben genannter Entwicklungen.

Kompetenzschwerpunkte

Monitoring und Diagnostik von Hochspannungsgeräten

Für die Energieversorgungsunternehmen ist die kostenoptimierte Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie von entscheidender Bedeutung. Eine der Möglichkeiten dieses Ziel zu erreichen, ist die verbesserte Ausnutzung bereits vorhandener Betriebsmittel hinsichtlich ihrer Auslastung und Gesamtbetriebsdauer sowie die Reduktion der Wartungskosten bei gleichbleibend hoher Versorgungssicherheit. Moderne Überwachungs- und Diagnosetechniken von Betriebsmitteln der elektrischen Energietechnik können dazu einen wesentlichen Beitrag leisten.

Der Ausfall von Hochspannungsgeräten, z.B. Durchführungen, Kabel, und Transformatoren verursachen immensen Kosten. Großtransformatoren sorgen als Bindeglieder zwischen Kraftwerken und dem elektrischen Energieversorgungsnetz oder Netzen mit unterschiedlichen Spannungsebene für die wirtschaftliche Verteilung elektrischer Energie. Ihre ständige Verfügbarkeit ist deshalb die Grundlage für eine zuverlässige elektrische Energieversorgung.

Eine Reduktion der Wartungskosten für Betriebsmittel der elektrischen Energietechnik ließe sich durch eine neue Strategie bei der Wartung und Instandhaltung erreichen. Der Einsatz moderner Monitoring- und Diagnosetechniken könnte dazu führen, dass Instandhaltungsmaßnahmen zukünftig weniger prophylaktisch, sondern überwiegend an der technischen Notwendigkeit orientiert durchgeführt werden.

Zur Entwicklung von Diagnosetechniken können alle physikalischen und chemischen Effekte dienen, die entweder eine Degradation des Gerätezustandes verursachen oder die infolge der Degradation entstehen. Zur Erkennung thermisch bedingter Defekte oder zur Erkennung von Schäden der Isolation existierten Diagnosetechniken, die z.T. schon seit Jahren vor Ort oder im Prüffeld im Einsatz sind. Beispiele dafür sind die Gas-in-Öl-Analyse oder die Teilentladungsmesstechnik.

Aus den bisherigen Überlegungen kann man die Ziele für eine zukünftige Diagnostik ableiten:

  • Gesellschaftliche Ziele:
    • Reduktion der Risiken für die Umwelt durch frühzeitiges Erkennen von sich entwickelnden Fehlern,
    • technische Informationen durch bewusstes Handeln
    • Erhöhung der Sicherheit für das Betriebspersonal,
    • geringerer Stress für das Personal.
  • Wirtschaftliche Ziele:
    • Adaptive Wartung sollte zur Reduktion von Betriebskosten führen,
    • Reduktion des Aufwands für Wartungspersonal,
    • Betriebsunterbrechungen (für Wartung) besser planbar, mit dem Ziel geringerer Ausfallkosten, sowie
    • Planung von Ersatzinvestitionen auf der Basis des Zustandes der Betriebsmittel (Restlebensdauer abschätzbar)
  • Technische Ziele:
    • Optimierung der Betriebsmittel und eines Systems durch bessere Kenntnis der Belastungen im Betrieb,
    • Erfassung von sporadischem Fehlverhalten durch kontinuierliche Diagnostik, quantitative Informationen über die Entwicklung und das Verhalten bestimmter Messgrößen, z.B. Teilentladung, sowie
    • Korrelationen der Messgrößen mit Wartungsintervallen und Restlebensdauer.

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Auslegung von Netzkomponenten

Eine elektrische Netzkomponente, wie z.B. Generator, Transformator, Drossel, Kabel kann im Netz in Betrieb genommen werden, nur wenn es korrekt ausgelegt ist und unter allen möglichen Vorgängen im Netz fehlerfrei funktioniert. Funktionale Anforderungen an Netzkomponenten müssen im ersten Schritt identifiziert werden, die dann in eine Spezifikation aufgenommen werden können. Das fängt mit der korrekten Identifizierung von Nenngrößen, insbesondere Nennspannung und Nennleistung, an. Alle möglichen Belastungen, beispielsweise unsymmetrischer Belastungen, Sternpunktbelastungen und Oberschwingungen sollten dann genau festgestellt werden. Zusätzliche Systemanforderungen, insbesondere Isolationskoordination und Kurzschlussfestigkeit, spielen eine große Rolle bei der Auslegung jeder Komponente.

Durch die Digitalisierung und den Klimawandel entstehen neue Herausforderungen in Zusammenhang mit der Auslegung der Komponenten. Ein Beispiel dafür sind die sogenannten Umweltanforderungen, insbesondere Temperaturanstiegsgrenzen und Kühlanforderungen.

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Analyse von elektrischen Netzen

Netzanalysen sind ein wesentlicher Bestandteil der Auslegung elektrischer Netze. Berechnungen und Simulationen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass das elektrische System, einschließlich der Systemkomponenten, korrekt spezifiziert sind, um wie vorgesehen zu funktionieren, erwarteten Belastungen standzuhalten und vor Ausfällen geschützt zu sein.

Internationale Standards und lokale Vorschriften werden als Grundlage für robuste Systemdesigns verwendet. Sie beinhalten Anforderungen und Empfehlungen zum Schutz von Personal und Ausrüstung, Systemverhalten und Geräteleistung. Vorschriften und Normen bilden zusammen mit Gerätekennzahlen die Grundlage für die Bewertung von Berechnungs- und Simulationsergebnissen. Mehrere Software-Tools, z.B. PSS®SINCAL, PSS®NETOMAC, PSS®E, PSCAD, ETAP, PowerFactory, werden für Energiesystemanalysen verwendet.

Energiesystemanalysen umfassen: Lastflussanalysen, Kurzschluss- und Fehleranalysen, Schutzgerätekoordination und -einstellungen, Harmonische Analysen, Dynamische und transiente Analysen, Erdungsstudien, Schaltvorgänge und Isolationskoordination.

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Assistierte Netzplanung

Die klassische Planung elektrischer Netze mit ihrem kurz- bis langfristigen Zeithorizont ist bereits heute oftmals in einem Automatisierungsframework implementiert, so dass ein Netzplaner viele Planungsprämissen zunächst unabhängig von der Netzebene berücksichtigen kann:

  • Anwendungsfall-spezifische Bedingungen, z.B.
    • Anschlussgesuch von neuen Verbrauchern oder neuen Erzeugern
    • geplante Wartungs- oder Schaltmaßnahmen
  • verschiedene Netzausbauvarianten als mögliche Pfade der Entwicklung
  • langfristige Vorhersagen zu Entwicklungspfaden von Verbrauchern, Erzeugung und Speichern
  • Betriebsszenarien basierend auf Standard-Profilen, Vorhersagen oder Messdaten
  • optimierte Auslegungsparameter von Betriebsmitteln und Regeleinrichtungen
  • unterschiedliche Optimierungsziele hinsichtlich Spannungshaltung, Verlustminimierung, Autarkiegrad, Stabilitätsaspekten und anderen Kriterien
  • und andere…

Der Ergebnisraum der Kombination aus diesen Planungsprämissen ist jedoch selbst bei Anwendung eines kleinen Teils der Kombinatorik sehr groß und zwingt den klassischen Netzplaner automatisch in die Reduktion der Betrachtung hinsichtlich regionaler Netzabdeckung, zeitlichen Horizont, Berücksichtigung der Betriebs­szenarien und in anderen Dimensionen. Damit schafft es der Netzplaner zwar seinen Aufgaben gerecht zu werden, wird jedoch angesichts der momentanen Entwicklungen durch die vielen parallelen Entwicklungsstränge und politische bzw. gesellschaftliche Forderungen stark belastet. Zusätzliche Kollegen nehmen einen Teil der Arbeit ab, die erarbeiteten Maßnahmen müssen jedoch hinsichtlich der Optimierungsziele priorisiert und synchronisiert werden.

Eine dagegen vollständig automatisierte Netzplanung, aus der die gesamtoptimierten Entscheidungen zu Anschluss­gesuchen, Investitionen und Betriebsmittelparametrierungen direkt abgeleitet werden, scheint bisher jedoch weder realistisch noch zielführend zu sein. Der Faktor Mensch bzw. Ingenieur spielt auch in den kommenden Jahrzehnten eine wesentliche Rolle in elektrischen Energiesystemen und es ist nicht das Ziel diesen komplett zu ersetzen, sondern ihn möglichst zu befähigen seine Aufgaben ohne Überlastung durch die Anzahl derer effizient und gut zu erledigen. Die assistierte Netzplanung bietet dem Netzplaner:

  • Ableitung von Datensätzen und automatisierte Implementierung von Anwendungsfällen,
  • die effiziente und performante Berücksichtigung der Kombinatorik der Planungsprämissen,
  • Erarbeitung von passenden Maßnahmenvorschlägen basierend auf der Erfahrung klassischer Netzplanung und neuer Methoden,
  • effektive Verifikation der Maßnahmenvorschläge und Entscheidungsgrundlage für Umsetzung,
  • Synchronisation der umzusetzenden Maßnahmen aus mehreren Prozessen bzw. Regionen

Die Beurteilungs- und Entscheidungskompetenz verbleibt beim Netzplaner, gleichzeitig wird dieser in der Ausführung der Netzberechnungen deutlich entlastet und kann seine Erfahrung in gute Entscheidungen für die Netzbetreiber und die gesamte Energieversorgung einbringen.

Bei Interesse an unseren Tätigkeiten in diesem Themenbereich, kontaktieren Sie gerne den unten genannten Ansprechpartner.

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Automatisierte Schwachstellenidentifikation und simulationsgestütztes Netzmanagement

Die Notwendigkeit von hochperformanten Assistenzsystemen in Netzplanung und -führung von elektrischen Energiesystemen wird nicht zuletzt bei Ereignissen wie den kontinentaleuropäischen Systemauftrennungen (system split) im Januar und Juli 2021 deutlich – mit der Prämisse solche kaskadierenden Fehlersequenzen zukünftig primär zu vermeiden, sekundär im Eintrittsfall eine sichere Handhabung vorzubereiten, und tertiär eine sichere und resiliente Resynchronisation zu ermöglichen. Das in der Folge solcher Ereignisse entstehende Risiko für großflächige Abschaltungen unter Beeinflussung jeglicher untergeordneten Netzebenen kann zu deutlich mehr gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und technischen Folgen als bisher führen und sollte deshalb mehr Aufmerksamkeit erfahren. Die Ermöglichung präventiver und kurativer Maßnahmen im teilautonomen Betrieb von großflächigen Übertragungsnetzen stellt eine Hauptzielstellung des Themenbereichs dar.

Im Rahmen unserer Forschungstätigkeiten arbeiten wir u.a. an einer automatisierten Schwachstellen­erkennung (Grid Vulnerabilities Identification) für den Einsatzbereich der mittelfristigen und operativen Netzplanung sowie an einem simul­ations­gestütztes Netz­management (Grid Operation Decision Support) für den Einsatzbereich einer teilautonomen Netzführung. Wir fokussieren uns dabei auf die dynamischen Netzzustände so wie diese mit dem etablierten Stabilitätsbegriff nach IEEE PES (Resonance, Converter-driven, Rotor Angle, Voltage, Frequency) eingeschlossen werden.

Die drei Kernkomponenten zur Ermöglichung der beiden oben genannten Anwendungsfälle, basierend auf der Verfügbarkeit von Rechenleistung sowie eines Automatisierungsframeworks, eines Netz­modell­managements und von technisch ausgereiften Kernalgorithmen der Simulation, sind:

  • geeignete Modellbildung von Betriebsmitteln elektrischer Energiesysteme,
  • Algorithmen zur Untersuchung dynamischer Zustände in elektrischen Energiesystemen und
  • Anwendung moderner Auswertungsmethoden für Zeit- und Frequenzbereichsreihen

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Projekte

Bachelorarbeit: „Untersuchung des Potentials eines Wärmenetzes zur nachhaltigen Wärmeversorgung der Ortschaft Schwebenried“

Eine nachhaltige Energieversorgung ist angesichts globaler Herausforderungen wie dem Klimawandel und der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Energieträger eine zentrale Aufgabe. Die ländliche Gemeinde Schwebenried im Landkreis Main-Spessart will diese große gesellschaftliche Herausforderung der Energiewende gemeinsam in die Hand nehmen und aktiv mitgestalten. So plant die neu gegründete Genossenschaft „Energieversorgung Schwebenried eG“ den Aufbau eines Nahwärmenetzes, um die Bürgerinnen und Bürger vor Ort nachhaltig mit Wärme zu versorgen. Die zentral mit Holzhackschnitzeln und Wärmepumpen erzeugte Wärme wird über Rohrleitungssysteme im Ort verteilt und erreicht so die einzelnen Haushalte. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Kooperation zwischen dem Institut für Energie- und Hochspannungstechnik der technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt und der Energiegenossenschaft wird dieses Projekt durch eine Bachelorarbeit wissenschaftlich begleitet und bietet somit eine Grundlage für eine weitere Zusammenarbeit in der Zukunft. In der aktuellen Abschlussarbeit wird das Nahwärmenetz und insbesondere der Betrieb mit einer Wärmepumpe, die mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen versorgt wird, analysiert. Das langfristige Ziel der Gemeinde ist es, den Betrieb des Wärmenetztes überwiegend mithilfe der Wärmepumpe und Strom aus nahegelegenen Windkraft- und Photovoltaikanlagen zu betreiben und nur bei Spitzenlasten mit Holzhackschnitzeln zu ergänzen. Um einen ganzheitlichen Blick auf die Energieversorgung des Dorfes zu werfen, sind neben der Wärmeversorgung auch die Themen Strom und Mobilität von Bedeutung und könnten in Zukunft detaillierter betrachtet werden.
 
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. H. Zink
Studierender: P. Stöhr
Projektpartner: Energieversorgung Schwebenried eG, Stadt Arnstein

EnerSat

Projektname: EnerSat

Projektlaufzeit: 04/2023 – 04/2024, Phase A

Projektpartner: Uni Würzburg, Zentrum für Telematik (ZfT); Uni Passau, Lehrstuhl für Rechnernetze und Rechnerkommunikation

Projektförderer: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Projektbearbeiter: Konstantin Schmitt, M. Sc.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Anatoli Wellhöfer

Das Forschungsvorhaben EnerSat hat zum Ziel, moderne Kom­munikations­technologien hinsichtlich der zukünftigen Anforderungen von auf erneuerbaren Quellen basierenden Energie­systemen zu evaluieren, zu erweitern und in einer ersten Demonstration die technische Umsetzung sowie die Wirtschaftlichkeit zu zeigen.

Durch die Transformation der Energieversorgung (der Fokus liegt auf dem Elektroenergiesystem, berücksichtigt werden sollen aber auch andere Sektoren) hin zu einem auf erneuerbaren Energiequellen basierenden System, das sich auszeichnet durch:

  • dezentralisiertes und zelluläres Energiesystem auf VN-Ebene,
  • zentralisiertes Energiesystem mit weitreichendem Markt auf ÜN-Ebene,
  • digitalisierte und interoperables Energiesystem (die Kommunikation ist elementar) und
  • multimodales Energiesystem (Sektorenkopplung).

Die Bedeutung von hochsicheren und hochverfügbaren Kommunikationssystemen in Bezug auf:

  • Versorgungssicherheit,
  • Cybersicherheit und
  • Resilienz

nimm enorm zu! Potenzielle Schwachstellen bei sicherheitskritischen Ereignissen, die mangelnde Resilienz der Kommunikationstechnik und unangemessene Verfügbarkeit von Kommunikations­kanälen mit unzureichendem Zugang wichtiger Stakeholder stellen vor dem Hintergrund der enormen Bedeutung des Energiesystems für alle Lebensbereiche essenzielle Gefahren für die Gesellschaft dar.

Die Grundlage des Vorhabens ist die Nutzung eines Kleinsatellitensystems (KSS) für zwei Aufgaben:

  • im Katastrophenfall soll eine sichere und exklusiv verfügbare Konnektivität vorhanden sein,
  • für den Normalbetrieb kann gleichzeitig für den Anwender ein Mehrwert z.B. durch Monitoring­dienste im Rahmen der Asset-Sicherung oder für die Netzüberwachung, z.B. Leitungsmonitoring generiert werden.

In der Phase A (bis April 2024) des Projekts soll ein Nachweis der Machbarkeit eines hoheitlichen Kommunikations­kanals zur hochsicheren und schwarzstartfähigen Kommunikation von Energienetz­betreibern auf der Basis einer Formation/Konstellation von Kleinstsatelliten erfolgen.

Das methodische Vorgehen des IEHT im Rahmen des Projekts umfasst inhaltlich u.a. die Ermittlung und Analyse von:

  • relevante Stakeholder für Anwendung eines KSS
  • Interdependenzen von Netz- und Kommunikationszuständen zu einem Systemzustand
  • potenzielle Anwendungsfälle für ein KSS in unterschiedlichen Systemzuständen
  • Anforderungen für die Anwendungsfälle im Rahmen von Workshops (Primärerhebung)
  • Advisory Board zur Validierung der Ergebnisse und Methodenverbesserung
  • Roll-out eines Fragebogens Netzbetreiber unterschiedlicher Sektoren (Sekundärerhebung)
  • Auswertung und Vorgabe der Anforderungen an Kooperationspartner

Bei studentischem Interesse an Mitarbeit im Projekt, melden Sie sich gerne bei Herrn Konstantin Schmitt, M. Sc. (konstantin.schmitt[at]thws.de).