Immer mehr dezentrale, flexible Einheiten erzeugen Strom und sind dabei von fluktuierenden Faktoren wie der Sonneneinstrahlung oder dem Windaufkommen abhängig. Dies verursacht erhebliche zusätzliche Schwankungen im Stromnetz, welche zur Erhaltung der Netzstabilität permanent ausgeglichen werden müssen. Wegen des zukünftig zu erwartenden, einschneidenden Wegfalls konventioneller Kraftwerke, die bisher diesen Ausgleich vorgenommen haben, müssen neue Lösungen gefunden werden. In diesem Kontext fällt den Energiespeichern eine besondere Rolle zu, da diese sowohl als temporäre Lasten als auch als Quellen dienen können und somit eine besondere Flexibilität im Hinblick auf Systemdienstleistungen zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes aufweisen.
Wissenschaftszentrum für Elektromobilität, Leistungselektronik und Dezentrale Energieversorgung
Brennstoffzellentechnik
Wasserstoff-Brennstoffzelle
Brennstoffzellen-Stack
h-tec-education.com
Methanol-Brennstoffzelle
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.
Dezentrale Energieversorgung
Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung des Fachgebietes Elektromobilität und Leistungselektronik 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.
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.
Power 400 - Hochleistungsladesystem mit integriertem Pufferspeicher
Die intelligente Kombination von stationären und speziell konzipierten mobilen Speichersystemen, die optimal aufeinander abgestimmt sind, wird effektiv dazu beitragen, dass erneuerbare Ressourcen den öffentlichen Strombedarf decken. Dadurch wird es möglich, den Einsatz emissionsfreier Elektrofahrzeuge in städtischen Gebieten auf nachhaltige und effiziente Weise zu fördern.
Ziel ist es, Ladestationen konzeptionell so zu gestalten, dass jederzeit eine Vielzahl von Elektrofahrzeugen gleichzeitig und schnell geladen werden können, ohne das öffentliche Stromnetz zu destabilisieren. Für jede Ladestation ist eine maximale Ladeleistung von 400 kW vorgesehen. Wenn mehrere Fahrzeuge gleichzeitig aufgeladen werden müssen, verringert sich die Ladeleistung pro Fahrzeug.
Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer in Fahrzeugen installierten Batterietechnologie, die ein schnelles Aufladen innerhalb eines Zeitraums ermöglicht, der mit einem "klassischen Tankstopp" von weniger als zehn Minuten vergleichbar ist. Die mit Schnellladevorgängen verbundenen Nachteile hinsichtlich Batterielebensdauer und Sicherheit werden durch diese neuartige Technologie drastisch reduziert.
Im Projekt Power400 arbeiten Hersteller für Batteriezellen, Forschungseinrichtungen und Hochschulen eng zusammen. Dieses Verbundprojekt ist ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung des öffentlichen Verkehrssystems und damit zum Klimaschutz.
Forschungsladesystem FE alpha
Forschungsladesystem FE alpha
Ein Schwerpunkt des Fachgebiets EMLE ist die Entwicklung und Umsetzung hochleistungsfähiger Ladesysteme für Elektrofahrzeuge. Neben AC-Ladetechnologien wird hier besonders an DC-Schnellladesystemen geforscht. Ein Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit ist die DC-Schnellladestation FE alpha, die in der nebenstehenden Abbildung dargestellt wird.
Die Kenndaten dieses Ladesystems lauten:
- 100 kW DC (CCS oder CHAdeMO)
- 22 kW AC (Lademodus 3, Typ 2)
- 0 - 1000 Volt Ausgangsspannung
- Remotefähigkeit
- Kommunikationsschnittstellen
- Installation am Niederspannungsnetz
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PilUDE – Pilot zum Umbau von Dieselbussen auf Elektroantrieb
Bei der Einführung von E-Mobilität im ÖPNV-Bereich stellt der Engpass bei der Produktion von
batterieelektrischen Bussen momentan das große Hindernis dar. Wenn Lieferfähigkeit besteht, dann mit
Kapazitätsproblemen und aufgrund der starken Nachfrage mit hohen Preisen. Der Umstieg wird daher
für viele ÖPNV-Betreiber erschwert. Das Verbundprojekt PilUDE ist im Oktober 2018 gestartet und
adressiert diesen Bedarf, indem im Rahmen eines Demonstrationsvorhabens ein Dieselbus umgerüstet
wird. Das erwartete Ergebnis soll dazu genutzt werden, ÖPNV-Betreibern die Umrüstung bestehender
Dieselbusflotten anhand dieses TÜV-zertifizierten Pilotbusses anzubieten.
Die I SEE Electric Busses GmbH ist federführend bei der Herstellung und Entwicklung der
Umrüstkomponenten im Projekt engagiert. Die GreenTEC Campus GmbH übernimmt die
Umrüstaufgabe sowie die Tests auf dem GreenTEC Campus und schließlich die Abnahme durch den
TÜV. Die Autokraft GmbH ist Schleswig-Holsteins größtes Busunternehmen. Sie stellt das Fahrzeug
zur Umrüstung zur Verfügung und übernimmt die Erprobung der Busse im ÖPNV. Als
Unterauftragnehmer kümmert sich die MOTEG GmbH um alle Nebenaggregate. Unterstützt wird das
Vorhaben durch die Technische Hochschule Lübeck.
Laden während des Fahrens
Im Zusammenhang mit der Errichtung des sogenannten eHighways auf einem Abschnitt der Bundesautobahn A1, hat sich die Fachgebiet EMLE mit der Thematik des Ladens während des Fahrens auseinandergesetzt.
Für den eHighway wird eine Teststrecke zwischen dem Autobahnkreuz Lübeck und der Anschlussstelle Reinfeld einspurig in beiden Fahrtrichtungen mit Oberleitungen ausgerüstet. Diese sollen Hybrid-Lkws erlauben, auf dieser Teststrecke zeitweise einen Elektromotor anstatt eines Verbrennungsmotors als Antrieb zu benutzen.
Die Fachgebiet EMLE hat sich dieses Projekt zum Anlass genommen, das Laden während des Fahrens von E-Lkws zu untersuchen und ein technisches Konzept zu erstellen. Ziel ist die Reichweitenverlängerung von E-Lkws bei gleichbleibenden Transportzeiten. Zudem kann durch dieses Konzept das städtische Energieversorgungsnetz entlastet werden, da der Bedarf an elektrischer Energie auf den Bundesautobahnen gestillt werden kann und einen großen Teil an urbaner Ladeinfrastruktur somit ersetzt.
Das folgende Kurzvideo soll das beschriebene Konzept verdeutlichen.
EMLE PrintLab
Druckvorgang des Ultimaker 3
Zur Umsetzung von Laboraufbauten sowie zur Erstellung von Prototypen wurde in der Fachgebiet EMLE ein 3D PrintLab aufgebaut. Die zuvor entwickelten CAD-Modelle können so hergestellt und unter realistischen Bedingungen untersucht werden. So wurden beispielsweise Gehäuse für Platinen, Parkpositionsbuchsen, Kabelaufhängungen und Gerätehalterungen entwickelt und für den jeweiligen Einsatzbereich optimiert.
