Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz

Dieser Applikationshinweis beschreibt die Gefahr, die bei unzureichender Überstrom-Absicherung von DC-SPDs in DC-Schnell-Ladesystemen besteht. DC-Schnell-Ladesysteme verbinden sich direkt mit der Traktionsbatterie eines elektrischen Kraftfahrzeuges. Tritt ein niederohmiger Kurzschluss des DC-SPD‘s auf, speist die Traktionsbatterie den entstehenden Kurzschlussstrom. Aufgrund der hohen Kurzschlussströme von Traktionsbatterien im Kiloampere-Bereich entsteht bei unzureichender Überstrom-Absicherung des DC-SPD‘s eine Brandgefahr innerhalb des DC-Schnell-Ladesystems. In diesem Beitrag werden zwei Maßnahmen zur Überstrom-Absicherung der DC-SPDs vorgestellt, um die Brandgefahr zu vermeiden.

Die Topologie elektrischer Schiffsbordnetze verändert sich aktuell, denn die konventionellen Wechselspannungsverteilnetze werden durch Gleichspannungsnetze überlagert. Dieses Paper verdeutlicht die verschiedenen Topologien mit ihren jeweiligen Anwendungsbeispielen. Zuletzt wird ein Ausblick auf die zukünftige Topologie gegeben werden. Dazu werden Kriterien zur Auslegung elektrischer Schiffsbordnetze eingeführt.

Der Alterungszustand der Batterie von elektrischen Fahrzeugen, State of Health (SOH) genannt, ist eine fundamentale Größe, da von ihr die Reichweite des Fahrzeugs abhängt. Zusätzlich können durch eine Überwachung dieser Größe Wartungsmaßnahmen geplant werden. Im öffentlichen Nahverkehr ist von dem Busbetrieb neben einer hohen Zuverlässigkeit auch die Planbarkeit des Betriebseinsatzes gefordert, welche im direkten Zusammenhang mit dem SOH der Batterie steht. Derzeit gibt es keine frei verfügbaren Lösungen, den SOH von Busbatterien zu bestimmen, daher wird in dieser Arbeit geprüft, ob die Größe über die Messdaten von Ladesäulen ermittelt werden kann. Die Messdaten werden über das Open Charge Point Protocol (OCPP) übertragen und zentral in einem Charge Point Management System (CPMS) gespeichert. Die Datengrundlage dieser Arbeit sind die Ladedaten von zwei verschiedenen Busmodellen mit Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) und Lithium-Metall-Polymer Technologie. Drei unterschiedliche Methoden, den SOH zu bestimmen, werden gegenübergestellt, mit Referenzdaten verglichen und bewertet. Eine deutlichere Alterung ist aus den Daten der Busse mit NMC-Technologie abzulesen. Außerdem wird diskutiert, welchen Einschränkungen die Messdaten aus einem CPMS und die angewendeten Methoden unterliegen. Daraus werden Vorschläge für eine verbesserte OCPP-datenbasierte Ermittlung des SOH abgeleitet.

Die Auswirkungen des Klimawandels sind weltweit spür- und messbar. Langanhaltende Dürrephasen in Frankreich, Überschwemmungen in Italien, wochenlange Waldbrände in den Vereinigten Staaten und Kanada sind nach verschiedenen Experten, wie bspw. des IPCC, Auswirkungen eines sich verschiebenden Klimas. In Deutschland wirken sich die Folgen auf die Umwelt und die Wirtschafts- und Lebensbereiche aus. Auch die Strukturen der Energielogistik sind betroffen. Speziell in Großstädten sind die Auswirkungen spürbar. Klimatische Faktoren wie Temperaturerhöhungen zur Luft und im Boden, Häufigkeit von Niederschlägen und deren Menge aber auch Vegetationsveränderungen oder Extremwetter wirken sich besonders aus. Speziell in der elektrischen Infrastruktur und hier mit dem Fokus auf Übertragung und Verteilung, wird eine Wirkungskette und deren Auswirkungen untersucht. Grundlage ist eine Zusammenarbeit mit der Stromnetz Hamburg GmbH (SNH), bei welchem die Betroffenheit der Verteilnetze und die techno-ökonomischen Auswirkungen und Anpassungsoptionen auf wichtige Assets in zwei Berichten untersucht werden. Nachfolgend werden anonymisierte Auszüge aus den Ergebnissen vorgestellt und die Auswirkungen des Klimawandels beschrieben. Ziel des Papers ist die Darstellung des aktuellen Forschungsstandes auf dem Gebiet der klimatischen Auswirkungen auf Assets von Netzbetreibern.

Die Integration von DC Betriebsmitteln auf Verteilungsnetzebene ist eine Möglichkeit, um die vor dem Hintergrund der Energiewende notwendige Flexibilisierung des elektrischen Energiesystems zu unterstützen. In Abhängigkeit der gewählten Topologie erschließen die entstehenden hybriden AC/DC Verteilungsnetze zusätzliche planerische und betriebliche Anwendungsfälle. Eine spezielle Formulierung der Optimal Power Flow Methode kann die Umsetzung eines optimalen Parallelbetriebs multipler Anwendungsfälle ermöglichen und damit den potenziellen Mehrwert der Integration von DC Betriebsmitteln im Verteilungsnetz steigern. Ein Anwendungsbeispiel illustriert die Verwendung dieser Methode.

Die fortlaufende Elektrifizierung der Busflotten führt zu neuen Herausforderungen, sowohl für den Flottenbetreiber als auch für das bestehende Energieversorgungssystem. Ein detailliertes Verständnis der Lastprofile der entsprechenden Busbetriebshöfe kann eventuelle Risiken mildern und zusätzlich eine Reihe von unterschiedlichen markt- und netzorientierten Use Cases ermöglichen. Die synthetischen Lastprofile bieten sich hierbei als eine gute Grundlage für die relevanten Design-, Betrieb- oder Optimierungsanalysen. Dieses Paper definiert synthetische Lastprofile der elektrischen Busbetriebshöfe, basierend auf der Analyse der 17 bestehenden Busbetriebshöfe in der Metropolregion Hamburg. Mithilfe einer Clustering-Analyse konnten drei unterschiedliche synthetische Lastprofile definiert werden, abhängig von den Charakteristiken der Busbetriebshöfe und den dazugehörigen Umläufen.

Die Untersuchung physisch großer oder ausgedehnter Systeme in Laborumgebungen erfordert häufig eine Reduktion ihrer Komplexität und Dimension, um den räumlichen Kapazitäten gerecht zu werden. Die Reduktionen und Anpassungen müssen system- und untersuchungsspezifisch gewählt werden, um das relevante Verhalten nicht unproportional zu verändern. Es wird dargestellt, welchen Einfluss die Anordnung langer Energieübertragungskabel auf deren elektrische Eigenschaften hat und inwiefern an Labormaßstäbe angepasste Untersuchungen in Laborumgebungen valide Rückschlüsse auf Realsysteme zulassen. Dazu wurden zwei 500 m lange Koaxialkabel unter Berücksichtigung von drei unterschiedlichen Aufbauarten vermessen. Dabei wurde festgestellt, dass die aufbauabhängigen Systemeigenschaften vorrangig durch die Veränderung der Gegeninduktivität und Systemgeometrie beeinflusst wurden. Die Frequenz der Resonanzstelle und deren Höhe haben sich durch diese Einflüsse verändert. Die qualitative Beschreibung der gemessenen Effekte liefert wichtige Hinweise für die valide Abbildung von Realsystemen in Laborumgebungen.

Dieser fünfte Band der „Hamburger Beiträge zum Technischen Klimaschutz“ wurde mit Forschungs- und Anwendungspartnern von der Hamburger Hochbahn AG, der Gasnetz Hamburg GmbH, der Stromnetz Hamburg GmbH, den Verkehrsbetrieben Hamburg-Holstein GmbH und der Capgemini Engineering Germany, Hamburg gestaltet. Es werden Lösungen für herausfordernde Energie-Zeiten benötigt. Die Entwicklungen in der Elektromobilität, bei den Wärmepumpen und die Planung von Elektrolyseuren erfordern schnelle Lösungen von allen Beteiligten. Die Beiträge dieses Sammelbands bilden somit einen sehr guten Themenquerschnitt ab. Das konstruktive Miteinander von Wissenschaft und Industrie kann und wird viele neue Lösungen für die Energieprobleme dieser Zeit und darüber hinaus erschließen, testen und umsetzen. Dieser Band widmet sich insbesondere Forschungsperspektiven für Wasserstoff, Elektromobilität und Netzinnovationen. Darüber hinaus finden sich hier Beschreibungen zu Energiemarkt-Prognosen und die Ergebnisse einer Studie zum Einfluss von Klimafaktoren auf Assets im Bereich Umspannwerke und Hochspannung. Die Beiträge sind den folgenden vier Kapiteln zugeordnet: 1. Wasserstoff und Energieinfrastruktur 2. Elektromobilität 3. Elektrische Netze und Energieverteilung 4. Prognosen und Umweltauswirkungen

In diesem Beitrag wird der Einsatz hybrider neuronaler Netze für Zeitreihenprognosen in verschiedenen Bereichen wie Energie, Verkehr, Finanzen und Umweltüberwachung untersucht. Es werden die grundlegenden Bausteine hybrider neuronaler Netze und die Verwendung struktureller Lösungen wie der Bidirektionalität vorgestellt. Außerdem werden die Genauigkeit, Anwendbarkeit und Nutzbarkeit von vier Hybridmodellen bewertet, die Faltungsschichten und rekurrente Einheitenblöcke zur Vorhersage zukünftiger Werte von Zeitreihendaten verwenden. Das Papier zeigt die Funktionalität des Modells, um automatisch zeitliche Muster aus historischen Daten zu extrahieren und zeitliche Vorhersagen zu treffen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse von Open-Loop-Simulationen von Szenarien unterschiedlicher Komplexität vorgestellt sowie Schlussfolgerungen und Perspektiven für die weitere Forschung beurteilt. Dieses Paper dient als Übersicht für Forscher und Praktiker, die an der Verwendung neuronaler Netze für Zeitreihenprognosen interessiert sind.

Für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ist die Errichtung einer effizienten Infrastruktur erfolgsentscheidend. So soll bereits im Jahr 2027 das erste Cluster des Hamburger Wasserstoff-Industrie-Netzes (HH-WIN) durch Gasnetz Hamburg in Betrieb genommen werden. Im Vergleich zu Erdgasverteilnetzen können in Wasserstoffverteilnetzen neue Dynamiken im Zusammenspiel von Angebot und Nachfrage entstehen. Daher wird in diesem Beitrag der Frage nachgegangen, welche Flexibilisierungsbedarfe in einem Wasserstoffverteilnetz entstehen können und mit welchen Maßnahmen diesen begegnet werden kann. Dazu wird das Ökosystem rund um das Wasserstoffverteilnetz auf Grundlage von dreizehn durchgeführten Experteninterviews beschrieben. Darauf basierend werden stündliche Einspeise- und Lastprofile in ein Python-basiertes Modell eingelesen, um für unterschiedliche Szenarien Flexibilisierungsbedarfe zu ermitteln und die Flexibilisierungsmöglichkeiten Netzpufferung, Speicher und Lastmanagement zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Flexibilisierungsbedarfe in HH-WIN maßgeblich vom Verhältnis der Höhe der Gesamt-Einspeisungen und -Ausspeisungen sowie von deren Volatilität abhängen. Insbesondere bei volatilen Einspeisungen in ähnlicher Höhe der Ausspeisungen kann es zu einer schwankenden Residuallast mit mehrfachen Wechseln zwischen vorgelagerter Versorgung und potenziellen Rückeinspeisungen in das Fernleitungsnetz kommen. Flexibilisierungsmöglichkeiten auf Verteilnetzebene können Flexibilisierungsbedarfe abmildern, allerdings ist das Fernleitungsnetz immer mit einzubeziehen.