Die Zukunft der Energieversorgung

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Professur für Elektrische Energiesysteme entwickeln innovative Ideen in Schlüsseltechnologien

Gut ein Dutzend bereits bewilligter oder im Antragsverfahren befindlicher Projekte, verschiedene internationale Patente, ein stetig wachsender Stamm von Mitarbeiter*innen und Forschungsetats in Millionenhöhe: An der Professur für Elektrische Energiesysteme forscht ein Team junger, engagierter Wissenschaftler*innen um Professor Dr.-Ing. Detlef Schulz nach innovativen Lösungen für eine nachhaltige Energieversorgung von morgen.

Unter dem Dach des „Distributed Energy Laboratory“ – kurz DLab – betreibt die Professur verschiedene Labore zur Untersuchung von Schlüsseltechnologien in den Elektrischen Energiesystemen. „Die sehr gut ausgestatteten, vielseitig nutzbaren und vernetzbaren Einrichtungen bieten uns die im internationalen Vergleich seltene Möglichkeit, eine Idee von der anteiligen Grundlagenforschung über die Patententwicklung bis hin zur anschließenden angewandten Forschung mit Prototypentwicklung in vergleichsweise kurzen Zeiträumen zu verfolgen“, sagt Detlef Schulz. Die Expertise wird in Forschung und Wirtschaft weltweit anerkannt. Für neue Forschungsprojekte zu künftigen Brennstoffzellen-Technologien sowie zur Elektromobilität wurden gerade sechs wissenschaftliche Mitarbeiter eingestellt. Ein neuer Forschungscampus zur Energieeffizienz entsteht, mit Möglichkeiten zur autarken Energieversorgung und Tanksäulen für Elektrofahrzeuge.

„Wir haben das Glück, hier perfekte Bedingungen vorzufinden. Durch die Unterstützung von Hochschulleitung und Verwaltung können wir uns voll auf unsere Arbeit konzentrieren“, so Detlef Schulz. Parallel werden wichtige Ergebnisse in die Wirtschaft transferiert. Mit morEnergy gründete sich 2015 ein erstes Start-Up. Es wird die an der Universität in mehreren Projekten entwickelte und patentierte Messtechnik für Energieversorgungsnetze am Markt etablieren. Es ist ein Anfang.

Brennstoffzellenlabor

Im gerade eröffneten Wasserstoff- und Brennstoffzellenlabor erforschen vier Doktoranden und Mitarbeiter an Einzelzellen- sowie Stack-Testständen Lösungen für ebenso effiziente wie kostengünstige Hybrid-Technologien der Zukunft. Mit der Entwicklung elektrisch steuerbarer Membraneinheiten in kleinsten Brennstoffzellen wollen die Wissenschaftler die Lebensdauer dieser Zukunftstechnologie künftig nachhaltig verlängern – bei deutlich verminderten Kosten. In einem zweiten Projekt arbeiten sie an einer Minimierung bisher hoher Wirkungsgradverluste, indem sie die Methanisierung Erneuerbarer Energien intern in den Gasaustrittskanal einer Elektrolysezelle verlegen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Kooperations-Projekt mit städtischen Unternehmen bis 2021 mit knapp 2,2 Millionen Euro.

Mittelspannungsforschungslabor

Im Mittelspannungsforschungslabor nebenan untersuchen zwei Doktoranden unter strengen Sicherheitsauflagen die Spannungsfestigkeit einer Leistungselektronik bis 30 kV mit Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern. Durch die Anpassung bekannter Schaltungstechniken an die Erfordernisse von Mittelspannungsnetzen sollen sie Prototypen für künftige Messgeräte zur Bestimmung der Netzimpedanz entwickeln.

Messcontainer zur Netzimpedanzbestimmung

Ausgehend von Prototypen der Niederspannungsebene entstanden diese weltweit einzigartigen Messcontainer für die Mittelspannung bis 20 kV sowie die Hochspannung bis 110 kV. Diese können an Anschlusspunkten großer Windparks und Photovoltaikanlagen frequenzabhängige Netzimpedanzen messen. Damit kann die Eignung der Netzanschlusspunkte geprüft und Fehler bei der Auswahl der richtigen Technologie zur Netzkoppelung vermieden werden. Im Rahmen zweier Verbundprojekte zur Steuerung der Energiewende in der Metropolregion haben die leistungsfähigen Messaufbauten ihr Validität mehr als belegt. Ihre Entwicklung wurde vom Bund mit insgesamt fünf Millionen Euro gefördert. Ein internationales Patent auf Schaltungen und Verfahrensweise wechselte 2018 an das Start-Up morEnergy.

Labor für Elektromobilität

Das Trendthema Nummer Eins im Fahrzeugbau, im ÖPNV, aber auch im Stadtmanagement beschäftigt auch die Wissenschaftler an der HSU. Auf dem neuen Energieeffizienz-Campus erforschen sie nicht nur innovative technische Konzepte, Alternativlösungen, Anschlussbedarfe, Ladeinfrastruktur- und -managementsysteme sondern auch deren Integration in bestehende Netze. Aktuell begleiten sie die Umrüstung zweier Betriebshöfe von Hamburger Hochbahn AG (HVV) und Verkehrsbetriebe Hamburg-Holstein GmbH (VHH) mit bald weit über 300 Linienbussen auf Elektromobilität. Ziel ist, Konzepte für Ladeinfrastrukturen konzeptionell abzusichern und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der Energieeffizienz so zu bewerten, dass eine Übertragbarkeit auf weitere Busbetriebshöfe sowie andere Verkehrsunternehmen möglichen wird.

Flugzeugbordnetzlabor

Technologieumbrüche im Flugzeugbau erfordern innovative Ideen bei der Entwicklung neuer Antriebe, neuer Materialien, vor allem aber neuer, intelligenterer Leistungsmanagementsysteme. Im Labor für Flugzeugbordnetze analysieren und evaluieren Wissenschaftler der HSU verschiedene neuartige Topologien und Systeme, unter anderem für gewichtsoptimierte und lasteneffizientere Bordnetze. So entstand im Rahmen einer Promotion ein Lastmanagement, das heute im Airbus A350 eingesetzt wird. Neben der Forschung an neuen strukturintegrierten Leitern und vermaschten Netzen gilt das Interesse innovativen Schalt- und Schutzkonzepten sowie dem Einsatz von 3D-Druckbauteilen für elektrische Systeme.

Windenergielabor

Windkraft boomt. Durch den Bau neuer, leistungsstärkerer Anlagen steigen Anforderungen unter anderen an Netzanschlüsse, aber auch an die Einspeisung Erneuerbarer Energien ins Netz. Verschiedene selbst konzipierte Prüfstände und Messgeräte ermöglichen Mitarbeitern im Windenergielabor auch außergewöhnlichste Problemanalysen und Untersuchungen mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator und permanent erregtem Synchrongenerator. „Wir können hier im Labor nahezu alle Probleme, die in Windenergieanlagen auftreten, eins zu eins nachbilden und analysieren. Und das auch in Fällen, die unter Realbedingungen aufgrund von Strömen von mehreren Tausend Ampere nur sehr schwer analysierbar sind.“

Netzlabor

Windenergieforschung geht einher mit der Forschung an Netzen. Deshalb analysieren die Forscher an der HSU neben aktuellen Störungen und bestehenden Problemen „mögliche Störquellen und Fehler in Bezug auf Entwicklungen, die erst in fünf bis fünfzehn Jahren stattfinden werden, sobald immer mehr Erneuerbare Energien ins Netz gelangt“, sagt Detlef Schulz. Kern ist die praktische wie mathematische Analyse des transienten Verhaltens, also die Frage, inwieweit Fehler künftig noch beherrschbar sein werden – oder können. Mithilfe hochmoderner Generatoren und Messapplikationen simulieren die Forscher künftige Energieversorgungs- und autarke Inselnetze mit hohem Anteil an grüner Energie. Zusätzlich entwickeln sie innovative Schutztechniken für zukünftige Netze.

Hochspannungslabor

Im Hochspannungslabor werden anhand von Versuchsbauten im Baukastensystem Tests mit Wechsel-, Gleich- und Stoßspannungen bis 140 kV sowie Messung von Teilentladungen durchgeführt. Sie haben einen festen Platz in Forschung und Lehre. Das Labor verfügt über vier hochmoderne Kabinen plus Trafo, in denen jeweils in kleinen Strömen Spannungen von bis zu 140 kV eingestellt werden können. Sie werden unter anderem für Durchschlagversuche genutzt.

„An vielen Universitäten und Forschungseinrichtungen werden die Hochspannungs- und die Netztechnik getrennt betrachtet. Wissenschaftler bearbeiten ihre Gebiete voneinander getrennt. Sie erarbeiten und legen sie entsprechend aus. Glücklicherweise können wir beides vereinen.“ Das daraus resultierende Alleinstellungsmerkmal birgt einmalige Forschungserkenntnisse, die beispielsweise die Entwicklung der Messcontainer zur Netzimpedanzbestimmung ermöglichten.

Text: Susanne Hansen