Ziele

Die weltweit steigende Nachfrage nach elektrischer Energie, die Endlichkeit der fossilen Energieträger, die Gefahren des Klimawandels sowie die gesellschaftliche und politische Abkehr von der Kernenergie verlangen nach einer drastischen Veränderung unseres elektrischen Energieversorgungssystems, also nach einer Energiewende.

Das Gesamtsystem der elektrischen Energieerzeugung, -übertragung und –verteilung, das bisher auf zentralen Großerzeugungsanlagen mit hohen Energiedichten mit entsprechenden top-down Netzstrukturen basierte, muss umgebaut werden in ein System von Kleinerzeugungsanlagen mit niedrigeren Energiedichten, die als verteilte Systeme agieren und als virtuelle Kraftwerke (Schwarmkraftwerke) die Lasten in den Zentren wie auch in der Fläche decken. Die verteilten Erzeugungsanlagen müssen neben der Energiebereitstellung auch Netzdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungshaltung bereitstellen, die bislang im Wesentlichen von Großkraftwerken übernommen wurden. Für eine Optimierung eines solchen verteilten Systems sind neben den Leistungsnetzstrukturen auch Kommunikationsnetze notwendig.

Das Erzeugungssystem, das bisher hierarchisch geordnet war nach Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerken und dem Lastgang folgte, verändert sich in ein angebotsorientiertes, volatiles System basierend auf Wind- und Sonnenenergie, bei dem variable Erzeugung mit variablen Lasten koordiniert werden müssen.  Intelligente Last- und Erzeugungssteuerung (Demand Side Management, DSM und Generation Side Management, GSM) werden hierbei helfen. Neuartige Speichersysteme für Kurz-, Mittel- und Langzeitspeicherung erlauben eine zeitliche und räumliche Entkopplung von Energieangebot- und –nachfrage. Die Strategien für einen optimalen Einsatz dieser zusätzlichen Netzkomponenten sind aber noch Gegenstand der Forschung.

Aufgrund der lastfernen Erzeugung aus regenerativen Energiequellen, z.B. durch Offshore-Windenergie, sind neue Höchstleistungs-Übertragungskapazitäten notwendig. Für die Entwicklung von unterirdischen Systemen für höchste Gleich- und Wechselspannungen sind grundlegende Fragen der elektrischen Festigkeit und des Langzeitverhaltens von Werkstoffen und Isoliersystemen sowie der Isolationskoordination zu beantworten. Neben der Herausforderung der Hochleistungs-Wirkleistungs-Übertragung über große Entfernung ist die Anforderung an den Blindleistungshaushalt zu berücksichtigen, der bisher aus konventionellen Kraftwerken lokal gedeckt wurde.

Energieversorgungsnetze müssen aus- und umgebaut werden, um den neuen Lastflussszenarien Rechnung zu tragen. Klassische Zuordnungen wie Erzeugungsnetze in der Hoch- und Höchstspannung und Verbrauchsnetze in der Mittel- und Niederspannung existieren nicht mehr, der heutige klassische Bezugskunde wird zum Produzenten und Konsumenten (Prosumer). Infolge der erwarteten  Effizienzsteigerung von Energy harvesting Systemen wird die autarke Versorgung von Klein- und kleinstlasten zunehmend stimuliert und die Entkopplung von bestehenden Netzen forciert. Neue Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, die als passive (Last) und aktive (Speicher, Spitzen- und Reserveleistungsbereitstellung) Elemente am Elektroenergiemarkt teilnehmen, werden das System beeinflussen. Dies wird die heutigen klassischen Versorgungsstrukturen verändern und eine Marktteilnahme von einer Vielzahl von Erzeugern und Verbrauchern ermöglichen. Neue Marktmodelle sind hierfür zu entwickeln (Smart Market).

Intelligenz und Kommunikation, die bisher im Wesentlichen in den Höchstspannungsnetzen zur Sicherstellung der Systemstabilität installiert waren, werden auf das gesamte Energieversorgungs-system verteilt werden müssen (Smart Grid, Smart System). Hierzu gehört ganz wesentlich die Bereitstellung einer sicheren und zuverlässigen IT-Infrastruktur zur Netzregelung und –steuerung wie auch zur Abrechnung, Nutzerverwaltung, Absicherung gegen Angriffe und Störungen sowie insbesondere zur Wahrung des Datenschutzes und der Privatsphäre. Im Rahmen der Munich School of Engineering MSE wurde in diesem Kontext das „Zentrum für Energie und Information“ eingerichtet.

Die Systemstabilität und damit die Versorgungssicherheit und –zuverlässigkeit des heutigen Elektroenergiesystems basiert im Wesentlichen auf großen Synchrongeneratoren mit hohen Massenträgheiten und Kurzschlussleistungen. Neue Erzeugungsanlagen speisen ihre Wirkleistung über leistungselektronische Umrichtersysteme in die Netze ein und können so keinen nennenswerten Beitrag zur Kurzschlussleistung bieten. Daher sind neue Betriebs- und Regelkonzepte sowie Schutzsysteme notwendig, um die Systemstabilität zu gewährleisten sowohl für einen vollständigen Umbau zu einem stromrichtergespeisten System wie auch für den Übergangszustand mit einem häufigen Wechsel zwischen Zuständen mit überwiegender Einspeisung aus Synchrongeneratoren und aus Umrichtern.

Das CoC Power Systems of the Future bündelt die Expertise aus den verschiedenen betroffenen Wissenschaftsgebieten. Forschungsarbeiten mit verschiedenen Kooperationspartnern aus Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft adressieren die Zukunftsfragen der Versorgung mit elektrischer Energie.

Forschung

  • Integration von Erneuerbaren Energiesystemen
  • Innovative Netzkonzepte und Netzkomponenten
  • Elektroenergiespeichersysteme
  • Smart Grid
  • Smart System
  • Hochleistungsübertragungssysteme
  • Hochspannungs-Isoliertechnik
  • Elektrische Verbindungen
  • Netzdynamik
  • Netzregelung, Netzstabilität
  • Kraftwerkstechnik
  • Verlustarme Übertragung
  • Energieeffizienz
  • Verteilte Regelsysteme
  • Klein-und Mikro-KWK
  • Distributed Optimization in Power Grids
  • State Estimation in Power Distribution Networks
  • Kommunikationsnetze für die Koordination, Optimierung und den Netzbetrieb
  • Planung von Energie- und IKT-Netzen
  • Leistungselektronik für Regenerative Energiesysteme
  • Regelung von Photovoltaik-Modulen und Windkraftanlagen
  • Demand Side Management
  • Life Cycle Analysis
  • Elektromobilität
  • Hybride Solarzellen
  • Nanostrukturierte Materialien für Batterien und Supercapacitors

Projekte

  • BFS: Leiter und Kontaktierung zukünftiger Elektrofahrzeugbordnetze
  • KME: Einsatz von Aluminium in langzeitstabilen OEM-übergreifenden Hochvoltverbindungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge
  • Industrie: Hochleistungsübertragungssysteme
  • Industrie: Harzsysteme für Hochspannungsanwendungen
  • Verband: Aufnahmefähigkeit von Verteilnetzen für verteilte Erzeugung
  • VDE/VDI (Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft): Dezentrale Überwachung und Verbesserung der Netzqualität unter Einsatz von Leistungselektronik und neuen IKT Technologien - NetzQ
  • DSO: Netz der Zukunft
  • Industrie: Design and Control of Energy Distribution Systems characterized by a High Degree of Decentralized and Fluctuating Generation
  • TSO: Systemstabilität beim Übergang vom Schwungmassensystem zum Wechselrichtersystem
  • Stiftung: Langlebiges Energiespeichersystem für erneuerbare Energiesysteme
  • BMU: Photovoltaische Inselsysteme mit langlebigen Energiespeichersystemen auf Basis von Blei- und Lithium Ionen Batterien
  • NRF Singapur: TUM-Create-Electromobility in Megacities
  • IEA Implementing Agreement „Integration of Micro-Generation and related Energy Technologies in Buildings“
  • IGSSE: Integration regenerativer Stromerzeugung -- Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der wirtschaftlich optimalen Flexibilisierung im Stromsystem