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 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.

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

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.

Die Einbindung von Energiewandlern in zukünftig gekoppelte Multi-Energiesysteme benötigt eine koordinierte Steuerungsinfrastruktur, um kritische Netzzustände zu vermeiden. In solchen Steuerungsinfrastrukturen können Anlagen wie das neuartige umschaltbare Brennstoffzellen-Elektrolysesystem aufgrund ihrer Fähigkeit zur Sektorenkopplung eine Schlüsselrolle spielen. Dies erfordert eine robuste gemeinsame Ansteuerung der Anlage. Hierzu werden in diesem Beitrag die grundlegenden Aspekte einer dazu erforderlichen Schnittstelle definiert, beschrieben und untersucht. In diesem Zusammenhang werden die verwendeten Übertragungsprotokolle erläutert und ein Simulationsnetzwerk aufgebaut und untersucht. Definierte Anforderungen an die Ansteuerung solcher Anlagen werden in einem Simulationsszenario getestet. Eine optimale Fahrweise bei unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Sektoren wird durch die Implementierung eines Leitrechners realisiert.

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.

The classical prime energy sources of electrical energy are planned to be replaced by renewable clean energy sources. To meet this purpose, new merging of electrical power systems with hydrogen gas network is planned to store the storing electrical energy. Hydrogen has a great potential as a promising clean energy carrier, a storage medium and is considered a suitable alternative future fuel. Only 4% of the industrial global hydrogen production is produced by water electrolysis. This motivates the pace of the scientific research in the direction of improving the current technologies of water electrolysis technologies, especially the proton exchange membrane PEM electrolysis process. PEM electrolysis copes with the fluctuating nature of the renewable energy sources like photovoltaics PV as it shows less performance degradation. This study investigates the integration of PV grid-connected system with an electrolyzer system. A Simulink model to present the mentioned electrolyzer, subjected to sudden current variations, when it is supplied by a PV while connecting to the main grid. A Simulink model is designed by using MATLAB/Simulink to analyze the plotted results of hydrogen production.

Verfahren zur optimierten Netzanschlussplanung basierend auf dem impedanzbasierten Stabilitätskriterium liefern neue Daten in der Planung von wechselrichterbasierten Kraftwerken. Mit dem Verfahren der Impedanzspektroskopie von Wechselrichtern wurde bereits eine Methode zur Bestimmung des wirksamen Impedanzverlaufs und der internen OS-Quellen von Wechselrichtern entwickelt, womit sich das frequenzabhängige Verhalten einzelner Einheiten beschreiben lässt. Die zeit- und frequenzabhängige Netzimpedanz am Netzanschlusspunkt (NVP) konnte ebenfalls bereits erfolgreich in mehreren Messkampagnen an Mittel- und Niederspannungsnetzen gemessen werden. Durch koordinierte Anwendung der beiden Messverfahren soll zukünftig eine prädikative Oberschwingungsbewertung und dadurch eine hohe Planungssicherheit und Netzqualität, auch in Netzen mit einer hohen Durchdringung leistungselektronisch gekoppelter Anlagen, gewährleistet werden. In dem im April 2023 gestarteten Projekt „ImaStabil“ soll nun die Methode der Impedanzspektroskopie zur Analyse von Resonanzen und Oberschwingungen von der Einheiten- auf die Anlagenebene weiterentwickelt werden. Durch Feldmessungen in realen PV-Kraftwerken und Netzen soll der Nutzen der Verfahren für die Qualitätssicherung bei der Planung von PV-Kraftwerken validiert werden.