Fachgruppe Dezentrale Energieversorgung
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Zu den genannten Themenfeldern gehören unter anderem: dezentrale Energienetze, Ladeinfrastruktur, Energiewende, Wasserstoff, Brennstoffzellensysteme, Energiespeicher, Netzanalysen, Netzsimulationen, Energiemanagementsysteme, Systemdienstleistungen, Mobilitätswende, bidirektionale Leistungsübertragung, AR und VR in Forschung und Lehre, Leistungselektronik, Interdisziplinäre und ganzheitliche Systembetrachtung, Künstliche Intelligenz, Forschungsgetriebene Lehre. Einige Begriffe sind fett oder unterstrichen hervorgehoben, etwa „Energiespeicher“, „Netzanalysen“, „Netzsimulationen“ und „Energiemanagementsysteme“
Herzlich willkommen bei der Fachgruppe dezentrale Energieversorgung! Wir sind ein Zusammeschluss mehrerer interdisziplinärer Forschungsteams, die Ihre seit vielen Jahren aufgebaute Expertiese in dem Schwerpunkt der dezentralen Enrgieversorgung bündeln wollten. Die Fachgruppe dezentrale Energieversorgung (dezE) bündelt die Expertiesebereiche des Wissenschaftszentrums für intelligente Energienutzung (WiE), des Wissenschaftszentrum für Elektromobilität, Leistungselektronik und Dezentrale Energieversorgung (EMLE), der Fachgruppe Wasserstoffsysteme und Energiespeicher (H2E) sowie einem eigens für den Transfer gegründeten Arbeitskreis für die Lehre.
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Das Bild ist eine komplexe, zweigeteilte Grafik, die den Aufbau und die Vernetzung eines modernen Energiesystems mit Energiemanagement illustriert:
Obere Hälfte:
- Links: Verschiedene Energiequellen wie Strommasten, Solarpanel, Windräder und eine Biogasanlage.
- Mitte: Ein Umspannwerk, das über einen Doppelpfeil mit einem Block „Weitere Energiespeicher“ verbunden ist. Im Speicherblock sind Symbole für Batterien und Wasserstoff (H₂) dargestellt.
- Rechts: Verschiedene Verbraucher wie E-Autos an Ladesäulen, Wohnhäuser, ein Krankenhaus, Fabriken und Windräder.
- Über der Grafik verläuft ein gelber Pfeil mit der Beschriftung „Datenkommunikation und Monitoring“, der die Verbindung und Überwachung aller Komponenten symbolisiert.
Untere Hälfte:
- Links: Darstellung der Netzebenen: Höchstspannung (220/380 kV), Hochspannung (110 kV) und Mittelspannung (1–50 kV), die in die Niederspannungsebene (400/230 V) übergehen.
- Mitte: Blockdarstellung mit mehreren Umrichtern (AC/DC, DC/DC), Speichern (Batterien, Wasserstoff, thermische Speicher), die über das EMS (Energiemanagementsystem) gesteuert werden.
- Rechts: Verzweigtes Blockdiagramm, das verschiedene Verbraucher (z. B. Ladesäulen/EVSE, PV-Anlagen, weitere Erzeuger, WKEK) und deren Vernetzung zeigt.
Das Schaubild verdeutlicht die Integration erneuerbarer Energien, Speicher, Netzmanagement und Verbraucher im Rahmen eines intelligenten Energiemanagementsystems.
Unser Handlungsfeld lässt sich am besten durch die von uns ins Leben gerufene Initiative dezentrales Energieversorgungsnetz, auch IDEEN-Initiative genannt, erklären. In der IDEEN-Initiative geht es um die Inegration von unterschiedlichen Speichersystemen in das Energieversorgungsnetz. Dieses soll dabei über Systemdienstleistungen (SDL) gestärkt werden können. Ein wesentlicher Aspekt ist der Inselbetrieb dieses dezentralen Energieversorgungsnetzes, der die Ausfallsicherheit erhöht und kritische Infrastruktur zuverlässig versorgt. Gesteuert und geregelt werden dabei alle an das Energieversorgungsnetz angeschlossenen Komponenten durch ein intelligentes Energiemanagementsystem (EMS).
Wir leiten dabei immer konkrete Fragestellung aus der Forschung und Wirtschaft ab, entwickeln Lösungsansätze und realisieren diese. Dafür legen wir sehr viel Wert auf unser interdisziplinäres Team und Netzwerk. Zudem ist die Übertragung und Validierung der Theorie in die Praxis für uns sehr wichtig. Wir sind die, die machen!
Struktur der Fachgruppe
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Das Bild zeigt ein Organigramm zur Struktur der Fachgruppe „Dezentrale Energieversorgung“ und deren Vernetzung mit weiteren Wissenschaftszentren und Projekten.
Die Grafik ist in drei horizontale Bereiche unterteilt:
- Oben: Fachgruppe
- Mitte: Expertisefelder
- Unten: Verwertung der Forschungsergebnisse und deren Transfer
Zentrale Elemente:
- In der Mitte oben steht das Logo „Dez – Dezentrale Energieversorgung“.
- Rechts auf der mittleren Ebene steht „H2E – Wasserstoffsysteme und Energiespeicher“ (blau).
- Links auf der mittleren Ebene steht „WiE – Wissenschaftszentrum für intelligente Energienutzung“ (grün).
- Mittig darunter steht „EMLE – Wissenschaftszentrum Elektromobilität, Leistungselektronik, dezentrale Energieversorgung“ (rot).
- Ganz unten steht „Sail2See – Seamless and inquiry-based learning about distributed energy systems“ (orange).
Die Verbindungen:
- Zwischen „Dez“ und den drei Wissenschaftszentren (WiE, H2E, EME) verlaufen gestrichelte Pfeile.
- Von „Dez“ und den drei Wissenschaftszentren führen gestrichelte Pfeile nach unten zu „Sail2See“.
- Rechts am Rand sind die Bereiche „Fachgruppe“, „Expertisebereiche“ und „Verwertung der Forschungsergebnisse und für den interdisziplinären Transfer“ vertikal beschriftet.
Das Schaubild zeigt die Zusammenarbeit und den Wissenstransfer zwischen der Fachgruppe, den Wissenschaftszentren und dem Projekt Sail2See.
Besuchen Sie gerne unsere Expertisebereiche
Hier finden Sie Informationen zu den jeweiligen Schwerpunkten.
Befindet sich derzeit in der Gründung
Befindet sich derzeit in der Gründung
Dezentrale Energieversorgung
Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung dieses Fachgebietes ist die dezentrale Energieversorgung. Durch die Fortschritte auf den Gebieten der Batterietechnologie, der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität gewinnt dieses Themengebiet zunehmend an Bedeutung. Die dezentrale elektrische Energieversorgung ist sinnvoll bei der Energieversorgung von Einfamilienhäusern, Wohnsiedlungen oder Wohnregionen. Hierbei kann das Stromnetz zur Stabilisierung verwendet werden, genauso ist aber auch ein völlig autonomer Betrieb denkbar. Dies wäre zum Beispiel besonders sinnvoll für Entwicklungsländer, die nicht auf eine Netzinfrastruktur zurückgreifen können.
Das Prinzip der dezentralen Energieversorgung ist für ein Einfamilienhaus in der Abbildung dargestellt.
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Das Schaubild zeigt das Prinzip eines dezentralen Energiekonzepts für ein Haus.
Das Haus ist als Umriss dargestellt und enthält verschiedene Energiequellen, Speicher und Verbraucher:
- Oben auf dem Dach: Photovoltaik-Anlage (links) und Windkraftanlage (rechts).
- Im Haus:
- Ein Block „Brennstoffzellen oder Generator (z. B. Biodiesel)“ ist mit grünen Linien an das Batteriesystem angeschlossen.
- Das „Batteriesystem“ ist zentral platziert und über grüne und blaue Linien mit weiteren Komponenten verbunden.
- Ein „BMS“ (Batterie-Management-System) und ein „EMS“ (Energie-Management-System) steuern die Energieflüsse.
- „Modul Input“ (blau) verbindet die Energiequellen mit den Systemen.
- „Modul Output“ (rot) verteilt die Energie an die Verbraucher.
- Verbraucher:
- „Verbraucher Haus“ (z. B. Herd, etc.)
- „Heizung“ (z. B. Wärmepumpe)
- Eine Wallbox für das Laden eines Elektroautos, das rechts außerhalb des Hauses steht.
- Optional: Anschluss an das öffentliche Stromnetz.
Am unteren Bildrand werden die Abkürzungen erklärt:
BMS = Batterie-Management-System, EMS = Energie-Management-System.
Die Energie wird mit Solarzellen und aus Wind erzeugt. Des Weiteren kann es zur Absicherung des Energiebedarfs zusätzlich sinnvoll sein, Brennstoffzellen oder einen durch Diesel o. ä. betriebenen Generator zu verwenden.
Die erzeugte Energie wird in dem zentralen Batteriesystem gespeichert.
Aus dem Batteriesystem wird das Haus mit herkömmlichem Wechselstrom 230/400 Volt versorgt. Hiermit können die gängigen Haushaltsgeräte wie Herd, Waschmaschine usw. betrieben werden.
Des Weiteren speist das zentrale Batteriesystem das Elektroauto bidirektional. Das bedeutet, dass einerseits das Elektrofahrzeug geladen werden kann, es ebenso möglich ist, mit dem Elektrofahrzeug das Batteriesystem des Hauses aufzuladen. Aus dem zentralen Batteriesystem kann ebenfalls eine Wärmepumpe betrieben und damit das Haus beheizt werden.
Je nach Bedarf kann das Haus bidirektional mit dem Stromnetz verbunden werden.
Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projektes Power 400 leisten wir auf dem Gebiet der dezentralen Energieversorgung Grundlagenforschung.
Brennstoffzellentechnik
Wasserstoff-Brennstoffzelle
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Die Grafik zeigt den Querschnitt einer einzelnen Brennstoffzelle vor einem hellgrauen Hintergrund. Der Aufbau gliedert sich von links nach rechts in drei Hauptbereiche: Anode (Minuspol), Elektrolyt-Membran und Kathode (Pluspol).
- Linke Seite (Anode):
Zwei Wasserstoff-Moleküle (2H₂) treffen auf die Anode. Der Wasserstoff wird aufgespalten. Die Reaktionsgleichung lautet: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻. Es entstehen vier positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) und vier negativ geladene Elektronen. - Mitte (Membran):
Eine gelbe Trennschicht befindet sich zwischen Anode und Kathode. Sie ist beschriftet mit „PEM = Polymer Electrolyte Membrane“. Diese Membran ist nur für die positiven Protonen (H⁺) durchlässig, die von links nach rechts wandern. - Äußerer Stromkreis:
Die Elektronen (4e⁻) können die Membran nicht passieren. Sie fließen über einen externen Leiter von der Anode oben über eine leuchtende Glühbirne zur Kathode. Dies symbolisiert den Stromfluss. - Rechte Seite (Kathode):
Ein Sauerstoff-Molekül (O₂) trifft auf die Kathode. Die Elektronen aus dem Stromkreis, die Protonen durch die Membran und der Sauerstoff treffen zusammen. Sie reagieren zu zwei Wasser-Molekülen (2H₂O). Die Reaktionsgleichung lautet: 4H⁺ + 4e⁻ + O₂ → 2H₂O.
Brennstoffzellen-Stack
h-tec-education.com
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Die Grafik zeigt einen sogenannten „Stack“ (Stapel), bei dem mehrere flache Brennstoffzellen wie in einem Sandwich hintereinander angeordnet sind.
- Aufbau:
Der Stapel besteht abwechselnd aus grauen Platten (Bipolarplatten mit Kanälen) und den eigentlichen elektrochemischen Zellen (gelb/orange und blau dargestellt). Ein goldener Bügel verbindet die erste und die letzte Platte des Stapels elektrisch mit einer leuchtenden Glühbirne, was die Energieerzeugung demonstriert. - Stoffströme:
Rote Pfeile an der linken Seite zeigen, dass Wasserstoff (H₂) in die Zwischenräume der Platten eingeleitet wird.
Hellblaue Pfeile von oben zeigen, dass Luft (O₂) in den Stapel strömt.
Dunklere blaue Pfeile treten unten aus und symbolisieren das „Abgas“: Luft (O₂) und Wasser (H₂O).
Drei rote Pfeile auf der rechten Seite zeigen aus dem Stapel heraus und sind mit „Wärme“ beschriftet, was die Abwärme als Nebenprodukt der Reaktion verdeutlicht.
Methanol-Brennstoffzelle
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Diese Grafik zeigt den Querschnitt einer Direktmethanolbrennstoffzelle. Der Aufbau (Anode, Membran, Kathode) ähnelt der Wasserstoff-Brennstoffzelle, nutzt aber Methanol als Brennstoff.
- Linke Seite (Anode):
Zwei Methanol-Moleküle (2CH₃OH) und zwei Wasser-Moleküle (2H₂O) reagieren an der Anode. Dabei wird Kohlendioxid (2CO₂) freigesetzt. Es werden 12 Elektronen (12e⁻) freigesetzt, die über den externen Stromkreis (mit Glühbirne) fließen. Gleichzeitig wandern 12 Protonen (12H⁺) durch die gelbe Membran. - Mitte (Membran):
Die gelbe Membran in der Mitte ist beschriftet mit „PEM = Proton Exchange Membrane“. Sie lässt die positiv geladenen Teilchen zur anderen Seite durch. - Rechte Seite (Kathode):
Drei Sauerstoff-Moleküle (3O₂) treffen auf die Kathode. Der Sauerstoff reagiert mit den 12 Elektronen und den 12 Protonen. Es entstehen sechs Wasser-Moleküle (6H₂O), die nach rechts abgeführt werden.
Für die dezentrale Energieversorgung ist der Einsatz von Elektrolyseuren, Wasserstoffspeichern und Brennstoffzellen unumgänglich, da Batteriespeicher zwar den Tagesgang von Wind- und Sonnenenergie ausgleichen können, für den Ausgleich von jahreszeitlichen Schwankungen aber zu groß, schwer und teuer wären. Kombinierter Einsatz von Wind- und Sonnenenergie kann hier einen gewissen Ausgleich schaffen, da PV-Anlagen im Sommer mehr Strom liefern, Windkraftanlagen in den anderen Jahreszeiten, aber nicht für alle Versorgungsszenarien sind beide Energieformen einsetzbar.
Hier kommen Elektrolyseure zur Gewinnung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom ins Spiel, und Brennstoffzellen zur Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffs. Insbesondere im großen Maßstab lässt sich Wasserstoff sehr günstig in Salzkavernen speichern, eine bei Erdgas seit langem erprobte Technologie. Für den Einsatz in Häusern, Industriebetrieben und Quartieren bieten sich Druckgasspeicher mit bis zu 45 bar oder Stahlflaschenbündel mit bis zu 300 bar an. Wir prüfen auch den Einsatz von Metallhydridspeichern, die das geringste Volumen aller Wasserstoffspeicher in Anspruch nehmen, sogar nur etwa die Hälfte von flüssigem Wasserstoff, der wegen seiner niedrigen Siedetemperatur von -253 Grad Celsius schwer handhabbar ist und hohen Aufwand zur Verflüssigung braucht.
Auch der Einsatz von Methanolbrennstoffzellen ist denkbar, dann allerdings eher als Ersatz für herkömmliche, mit Diesel oder Erdgas betriebene Notstromaggregate bzw. Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen. Methanol ist preiswert und als flüssiger Kraftstoff leicht zu lagern. Die Herstellung aus Wasserstoff und Kohlendioxid ist möglich, aber aufwändig.
Weitere Inhalte folgen.
Veröffentlichungen: J.-Christian Töbermann
- Integrated Planning of Multi-energy Grids: Concepts and Challenges
M. Mostafa, D. Vorwerk, J. Heise, A. Povel, N. Sanina, D. Babazadeh, J.-C. Töbermann, A. Speerforck, C. Becker, D. Schulz
NEIS 2022 - Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, Hamburg (Germany), 2022 - iNeP – Integrierte Netzentwicklungsplanung für die Energieträger Strom, Gas und Wärme,
D. Vorwerk, D. Schulz, S. Micheely, O.H. Koch, C. Cosler, J. Heise, M. Mostafa, A. Povel, J.-C. Töbermann,
in Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz, 2021 - Energiewendepotenziale von Quartieren und Quartiersgrößen,
J.-C. Töbermann, Y.J. Yu,
in EKSH (Hrsg.): „Forschungsberichte zum Energiesystem X.0“, 2021
Veröffentlichungen: Saeed Milady
- Switching behaviour of digitally controlled crystal oscillators.
Milady, S., et. al. (2017).
In 19th VDE Analog Workshop, March 2nd and 3rd, Berlin 2017. - Noise Analysis of Circuits containing 2-(n)port models.
Milady, S., et. al. (2016).
In 19th VDE Analog Workshop, March 2nd and 3rd, Berlin 2017. - On the Influence of Layout Parasitics on the Design of a CMOS LNA at 5.5 GHz.
Dang, J., Milady, S., Hinz M., and Meinerzhagen, B. (2013).
In 13. ITG/GMM-Fachtagung Analog 2013, March 4th-6th, Aachen, German - Design of On-Chip Inductors with Optimized Quality Factor for a 24GHz LNA.
Dang, J., Milady, S., and Meinerzhagen, B. (2012).
In 8th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics \& Electronics, 2012. Prime 2012. - Simulation studies and modelling of short circuit current oscillations in IGBTs.
Milady, S., Silber, D., Pfirsch, F., and Niedernostheide, F.-J. (2009).
In IEEE Int. Symposium on Power Semiconductor Devices \& IC'S, 2009. ISPSD 2009. - Different types of avalanche-induced moving current filaments under the influence of doping inhomogeneities.
Milady, S., Silber, D., Niedernostheide, F.-J., and Felsl, H. (2008).
Microelectronics Journal. - Influences of inhomogeneities and cooling mechanisms on the movements of avalanche-induced current filaments.
Milady, S., Silber, D., Niedernostheide, F.-J., and Felsl, H. (2006).
In 8th Int. Seminar on Power Semiconductors (ISPS '06). - Electro-thermal simulation of current filamentation in 3.3-kV silicon $\mathrm{p}+-\mathrm{n}$ - $\mathrm{n}+$ diodes with different edge terminations.
Felsl, H., Falck, E., Niedernostheide, F., Milady, S., Silber, D., and Lutz, J. (2006).
In IEEE Int. Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's, 2006. ISPSD 2006. - A new method for a fast detection and seamless restoration of line Scratches in motion pictures.
Milady, S., Kasaei, S. (2004).
In Proceedings of the 15th IASTED (Int. Conference on Modelling and Simulations, Marina del Rey, CA, USA, March 2004. - Detection and restoration of line scratches in motion picture films.
Milady, S., Kasaei, S. (2003).
In Proceedings of the 11th Iranian Conference on Electrical Engineering, Shiraz, Iran, April 2003.
Veröffentlichungen: Roland Kral
- Dynamics of Crane Ships
Kral, R & Kreuzer, E. (1996)
In: van Dao, N. & Kreuzer, E. (eds), Proceedings of the International Conference on Applied Dynamics, Hanoi,Vietnam: Science and Technics Publishing House, pages 49-55. - "Nonlinear Oscilations of a Crane Ship"
Kral, R. ; Kreuzer, E. & Wilmers, C. (1996)
In: Proceedings of the 3rd International Conference on Industrial and Applied Mathematics, Hamburg. - "Multibody Systems in Nonlinear Waves"
Kral, R.; Kreuzer, E. & Schlegel, V. (1997)
In: Proceedings of the 4th International Symosium on Fluid-Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow-Induced Vibration and Noise. Dallas: ASME. - "2 ½ D Boundary Element Method Simulation of Nonlinear Ship Waves"
Zelenka, T.; Kral, R. & Schlegel, V. (1997)
In: Proceedings of CANCAM 1997, Pages 315-316. - "Mehrkörpersysteme im Seegang"
Kral, R.; Kreuzer, E. & Schlegel, V. (1997)
Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 79. Jahrgang, Suplement 2, Seiten 381-382. - "Multibody Systems and Fluid-Structure Interactions with Applications to Floating Structures"
Kral, R. & Kreuzer, E. (1999)
Multibody System Dynamics, Volume 3, pages 65-83. - "MARC im Intranet am Beispiel PTFE-Radialwellendichtring"
Kinzel, M.; Kral, R. & Heine, S. (2000)
In: MSC.Technologie Konferenz, Bad Kissingen. - "Abdichtung des Ventilraumes und Integrationsmöglichkeiten in Thermoplastventilhauben"
Seelandt, W.; Hacker, G., Johnen, R.; Kral, R.; Baron, R. & Leisner, H. (2004)
In: VDI-Berichte 1813, Ventiltrieb und Zylinderkopf, Seiten 185-202. - "Erstes Ölwannenmodul aus Kunststoff für PKW-Serienmotoren"
Zoll, G.B.; Kral, R.; Schnabel, D.; Wiesner, M. & Winnemann, D. (2008)
Kunststoffe, 98. Jahrgang, Ausgabe 11, Seiten 108-111. - "Verschleißverhalten additiv gefertigter Kunststoff-Kunststoff Gleitpaarungen"
Harden, F., Schädel, B., Kral, R., Siebert, L., Adelung, R., Jacobs, O.
GFT-Tagung 28.-30.09.2020 - "A non-assembly approach for an additively manufactured finger prothesis"
F. Harden, B.G. Förster, C. Damiani, R. Kral
Additive Manufacturing Meets Medicine, Lübeck, 2022 - "Precise Non-Assembly Mechanisms by Multi-Material Fused Layer Modeling and Subsequent Heat Treatment"
F. Harden, R. Kral, B. Schädel, R. Adelung, O. Jacobs - "Fabrication of precise non-assembly mechanisms by multi-material fused layer modeling and subsequent heat treatment"
F. Harden, R. Kral, B.Schädel, R. Adelung, O. Jacobs
Patente und Gebrauchsmuster:
DE 20 204 004 293 U1: Dämpfungsring für Kettenrad
DE 10 2007 024 522 und US020080289489: Schaltkolben mit Leckagekanal
DE 10 2008 032 572: Statisches Dichtprofil für große Dichspaltschwankungen
DE 10 2012 216 653: Ölabscheideranordnung für eineVerbrennungskraftmaschine
DE 10 2012 220 695: Drehverschlussanordnung zum Verschließen einer Öffnung in eines Gehäuseteil einer Verbrennungskraftmaschine
EP 14 187950: Entlüftungsmodul für einen Verbrennungsmotor
DE 10 2022 122 216: Non-Assembly-Mechanismen mit induziertem Selbsheilungseffekt
DE 20 2023 001 346: Mechatronische Einstiegshilfe
Veröffentlichungen: Clemens Kerssen
- Power 400 - High Power Charging System with Battery Buffer;
Peter Drews-Walkling, Clemens Kerssen, Roland Tiedemann;
in: IEEE Xplore ETG Kongress 2021
Sprecher der Fachgruppe Dezentrale Energieversorgung
| Prof. Dr.-Ing.
J.-Christian Töbermann | |
| Telefon: | +49 451 300 5184 |
| E-Mail: | christian.toebermann@th-luebeck.de |
| Raum: | F.9 21-0.07 |
| Prof. Dr.-Ing.
Roland Kral | |
| Telefon: | +49 451 300 5707 |
| E-Mail: | roland.kral@th-luebeck.de |
| Raum: | C.2b 9-0.04 |
| Prof. Dr.-Ing.
Anton Kersten | |
| Telefon: | +49 451 300 5304 |
| E-Mail: | anton.kersten@th-luebeck.de |
| Raum: | F.9 21-0.05 |
| Prof. Dr.-Ing.
Saeed Milady | |
| Telefon: | +49 451 300 5328 |
| E-Mail: | saeed.milady@th-luebeck.de |
| Raum: | G.3 18-2.06 |
| Clemens Kerssen
M.Sc.
| |
| Telefon: | +49 451 300 5428 |
| E-Mail: | clemens.kerssen@th-luebeck.de |
| Raum: | F.5 4-0.19 |
