Elektrische Energiesysteme

This dissertation examines how Electric Vehicles (EVs) can be integrated into Low Voltage (LV) distribution grids, focusing on Hamburg, Germany. Using real-world data and simulations, it analyzes EV charging patterns, proposes communication-based demand response strategies, and demonstrates methods to reduce grid congestion while improving energy efficiency and system resilience.

Elektrische Übertragungs- und Verteilnetze zählen zur kritischen Infrastruktur (KRITIS). Ausfälle in diesen Netzen können, je nach betroffener Region, Schweregrad und Ausfalldauer, zu langanhaltenden Versorgungs-unterbrechungen, massiven Störungen der öffentlichen Ordnung und erheblichen wirtschaftlichen sowie gesellschaftlichen Schäden führen. Vor dem Hintergrund zunehmender hybrider Bedrohungen ist ein wirksamer Schutz dieser Infrastrukturen ein zentrales Element staatlichen Risiko- und Krisenmanagements. Die vorliegende Studie führt eine Risikoanalyse für den Großraum Hamburg durch, um Betriebsmittel zu identifizieren, die durch gezielte physische Angriffe mit geringem technischen Aufwand – etwa Brandanschläge, Vandalismus oder mechanische Beschädigungen – erheblich gestört oder außer Betrieb gesetzt werden können. Die Analyse zeigt, dass öffentlich zugängliche Quellen (Open-Source Intelligence, OSINT) ausreichen, um kritische Schwachstellen zu lokalisieren und potenzielle Ziele zu identifizieren. Zur Bewertung der Bedrohungslage wurde eine Matrix entwickelt, welche den erforderlichen Aufwand sowie die potenziellen Auswirkungen verschiedener Angriffsszenarien systematisch gegenüberstellt. Darauf aufbauend werden Schutzmaßnahmen vorgeschlagen, die in Feldversuchen validiert wurden. Besonders exponiert und angreifbar zeigen sich dabei Freileitungen sowie Umspann- und Umschaltwerke als zentrale Knotenpunkte der Netzinfrastruktur.

Electrification of aviation with fuel cells requires a redundant and fail-safe system design. To achieve this, multi-3phase systems can offer advantages through segmentation and redundancy. Fuel cell systems, directly coupled to the machine segments without additional batteries, enable additional increases in energy and power density. In this work, multi-source multi-3-phase propulsion system architectures are presented, tested and validated, which show advantages regarding the redundancy of propulsion systems. It is shown that the system is able to compensate multiple failing segments during partial loading.

The focus on electrification in urban public transit has been strengthened by the global shift towards sustainable transportation. A promising solution to reduce emissions and dependence on fossil fuels is electric buses. However, the widespread implementation of electric buses requires a robust charging infrastructure capable of meeting the operational demands. This work addresses many challenges and limitations facing the spread of electric buses using optimization methodologies. It includes varies parameters, which affect the planning of the required charging infrastructure such as available area, charging capacity, and optimum total costs. Also, this work examines the robustness of the charging infrastructure, where many possible failure scenarios of the components are considered. In this part, potential effects on planned routes and buses are used as an indicator for the severity of failures. Additionally, the ability of bus depots to supply ancillary services is analyzed. In this context, the advantages of implementing either load management or stationary batteries or even both are evaluated.

Der Luftfahrt stehen in naher Zukunft einige notwendige Veränderungen bevor. Während die Flugkilometer voraussichtlich weiter steigen werden, müssen die Emissionen global drastisch gesenkt werden. Neben Antriebssystemen, die die Emissionen reduzieren, scheint das Ziel des emissionsfreien Fliegens nur durch elektrische Antriebe realisierbar zu sein. Eine hier untersuchte Möglichkeit stellt das Fliegen mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen dar. Mithilfe von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien kann ein Antriebssystem ohne CO₂ oder NOₓ Emissionen verwirklicht werden. Dazu wird ein neuartiges Antriebssystem nach dem H₂-to-Torque-Konzept vorgestellt, wodurch auf eine vereinfachte Elektronik ohne Gleichspannungswandler zurückgegriffen werden kann. Durch ein Multisegment-System enthält das Antriebssystem eine inhärente Redundanz, die im Fehlerfall den sicheren Betrieb weiterhin gewährleistet. Die elektronische Architektur beinhaltet Motor String Power Control Units, welche den hybriden elektrischen Energiefluss aus Brennstoffzelle und Batterie regeln. Nachgeschaltet sind jeweils Motor Control Units, die die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, um den Elektromotor anzutreiben.

Diese Veröffentlichung beschreibt den Aufbau, die Vermessung und die Bewertung von Netzimpedanznachbildungen zur Analyse von Störaussendungen von elektrischen Verbrauchern der Niederspannungsebene. Grundlage für den Amplituden- und Phasengang der Netzimpedanz ist die Norm DIN IEC/TS 62578, die für Frequenzen bis 9 kHz gültig ist. Da die Impedanznachbildung aus einem Netzwerk aus passiven Bauteilen besteht, wird der Einfluss von Bauteiltoleranzen auf den Amplituden- und Phasengang der Impedanz untersucht. Dafür werden mittels Parametervariation alle Kombinationen der Toleranzen simuliert, um die maximalen Abweichungen vom definierten Verlauf zu bestimmen. Aus dem Vergleich der Vermessung mit den Simulationen der Bauteiltoleranzen sind Optimierungspotentiale für die Netznachbildung ableitbar.

Durch die zunehmende Elektrifizierung der Schiffskomponenten gewinnt die Betrachtung der Power Quality in Schiffsbordnetzen an Signifikanz. Diese Forschungsarbeit untersucht die Power Quality verschiedener kommerzieller elektrischer Verbraucher im Zusammenspiel mit Generatoren auf Schiffen. Dabei wurden Luftverdichter, eine Lüftungsanlage mit Zulüfter, ein Klimagerät, ein Sanitärgerät mit externem elektrischen Nachheizregister, ein Ablüfter für die Kombüse und ein Kaltwassersatz für die Klimatisierung untersucht. Die Untersuchung umfasst die Analyse dreiphasiger Spannungs- und Stromverläufe sowohl vor als auch während des Betriebs der Geräte. Aus diesen Verläufen werden die Power Quality-Kriterien direkt oder nachträglich ausgewertet. Eine Einschränkung der Messungen bestand darin, dass keine reine Sinus-Spannung als Versorgungsspannung zur Verfügung stand, da in Realumgebung gemessen wurde. Diese Einschränkung wird zukünftig durch die Auswertemethode und Vergleichsmessung mit einzelnen Verbrauchern an idealer Sinus-Spannung migriert.

Der Klimawandel und seine Folgen wirken sich sowohl auf die Umwelt als auch auf die Strukturen der Energielogistik aus. Die Transformation der Mobilität ist dabei ein Treiber, um die Herausforderungen zu bewältigen. Hierzu zählt auch die Elektrifizierung des Güterverkehrs. Dazu müssen in den kommenden Jahren umfangreiche Ausbauten bei Megawatt-Charging-Systemen (MCS) bzw. auch dem Wasserstofftankstellen-Netz erfolgen. Dieses Papier beschäftigt sich mit ersten Ansätzen zur Einordnung der geplanten MCS in die bestehende Ladeinfrastruktur sowie mit Ausführungen zur Umsetzung dieser MCS in Form von Großladeinfrastrukturen und versucht einen Einblick in die aktuellen Ansätze zu geben.

Proton exchange membrane fuel cells have been established as a viable technology to convert energy stored in a fuel, namely hydrogen, into electricity and heat. Especially for mobile applications this technology offers a number of advantages over other types of fuel cells, specifically a high power density and low operating temperatures. However, to facilitate proper conductivity of the membrane, the water content within needs to be maintained at a high level, balancing diffusion and electroosmotic drag within the membrane against one another and supplying water through humidified gas streams. This paper presents a methodology based on hydrogen pumping operation of membrane electrode assemblies to analyse the effect of different operating conditions on the membrane resistance. Further, in order to evaluate the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data obtained from the measurement procedures a post processing algorithm is used to filter noisy EIS data. Measurements are performed under fully humidified conditions at varying operating temperatures and at a fixed operating temperature using asymmetric humidification to study the influence of the electroosmotic drag. Surprisingly, no significant influence of the direction of the asymmetry is found.