Forschungsprojekte

Unsere Kernkompetenz ist die anwendungsnahe Forschung und Entwicklung. Gemeinsam mit unseren Partnerunternehmen entwickeln neuartige Methoden, Verfahren und Vorgehensweisen im Bereich der Hochspannungstechnik, Messtechnik, Analytik und Diagnostik. Basierend auf neusten Erkenntnissen und unter Anwendung moderner Mess-

und Simulationssysteme sollen diese nach Möglichkeit unmittelbar Anwendungen in der Technik und den Unternehmen finden. Die folgenden exemplarischen Themenstellungen vermitteln einen Überblick über unsere derzeitigen Forschungsvorhaben:

Überblick über unsere aktuellen Forschungsprojekte

Forschungsprojekte

Arbeitsgruppe: von Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl

Steuerung und Vermarktung von Akteuren in Stromverteilnetzen – Verknüpfung von Elektromobilität und Power-to-X-Anwendungen mit einem Smart Grid

Im Rahmen des Projektes sollen wirtschaftlich tragfähige Systemlösungen für die „Grünstromversorgung“ von steuerbaren Verbrauchern, die integrativ und geschlossen im Energiesystem anwendbar sind und die Möglichkeit neuer Geschäftsmodelle erschließen, entwickelt und weitergehend untersucht werden. Diese erfordern eine system- und marktorientierte Ansteuerung und Regelung von steuerbaren Verbrauchern und/oder Prosumern. Hierfür sind einerseits Kommunikationsschnittstellen als Bindeglied zwischen den steuerbaren Verbrauchern, dem Stromnetz, der Stromerzeugung und dem Strommarkt notwendig, andererseits eine Lokalisierung der Energieanwendung. Durch den flexiblen Einsatz von steuerbaren Verbrauchern soll dabei eine Reduktion des Energieaustauschs zu anderen Netzebenen oder -bereichen sowie eine gezielte und optimierte Nutzung regenerativer Energien in bestehenden Netzstrukturen ermöglicht werden. Darüber hinaus wird eine Unterstützung der innerhalb der Netze notwendigen Systemdienstleistungen sowie eine Vermeidung bzw. Reduktion von temporären Überlast-Situationen untersucht.

Entwicklung und Applikation eines Systems zur künstlichen beschleunigten Alterung und zur diagnostischen Analyse von Betriebsmitteln im Mittelspannungsbereich

Im Rahmen des Promotionsprojekts an der Hochschule Coburg sollen Verfahren entwickelt und optimiert werden, die eine verbesserte Beschreibung des Alterungsverhaltens von im Netzbetrieb befindlichen Energieversorgungskabeln ermöglichen. Ein Hauptziel der umfangreichen, mehrjährigen empirischen Untersuchungen ist die Ableitung und Bewertung von diagnostischen Methoden, die bei späteren Feldstudien eine zerstörungsfreie Zustandsevaluierung und Restlebensdauerprognose spezifischer Trassen ermöglichen.
Zur Identifikation und wissenschaftlichen Analyse des Alterungsverhaltens ist in einem ersten Schritt ein System zu entwickeln und zu realisieren, das eine künstliche beschleunigte und realitätsnahe Alterung von neuen und aus dem Mittelspannungsnetz entnommenen Papier-Masse-Kabelprüflingen ermöglicht. Die Auswahl der Prüflinge ist von hoher Bedeutung, da die notwendigen Alterungsfaktoren und -verläufe nur mit hinreichender Genauigkeit und statistischer Zuverlässigkeit abgeleitet werden können, wenn sich das Prüflingsfeld aus Gruppen unterschiedlicher Voralterung mit einer jeweils entsprechend großen Prüflingszahl zusammensetzt.
Während des Versuchs werden die Prüflinge realitätsnah aber forciert thermo-elektrisch gealtert. Zudem werden alle relevanten dielektrischen Größen prüflingsselektiv bei unterschiedlichen Versuchs- und Umgebungsbedingungen (Prüfspannungen, -ströme, Alterungstemperatur ect.) in regelmäßigen zeitlichen Intervallen gemessen. Aus den resultierenden Mess- und Betriebsgrößen soll ein Datenbanksystem aufgebaut werden, das nachfolgend eine Ermittlung aller die Alterung kennzeichnender Parameter und Verläufe zulässt. Basierend auf diesen und weiteren kennzeichnenden Größen der Alterungsdatenbank sollen dann Messverfahren qualifiziert und bewertet werden, die verbesserte und physikalisch basierte Zustands- und Restlebensdauerprognosen bei Felduntersuchungen von im Betreib befindlichen Kabeln ermöglichen.

Entwicklung und Untersuchung anreizgesteuerter Kommunikations- und Regelungsverfahren zur Lastflussvergleichmäßigung in Verteil- und Übertragungsnetzen

Ziel des Projektes ist der Entwurf, die Entwicklung und die Modellierung neuartiger Methoden und anreizgesteuerter Verfahren zur Netzebenen übergreifenden Reduktion und Optimierung der Netz- und Betriebsmittelbelastungen. Die im Zuge der zunehmenden Integration erneuerbarer Energien steigenden Auslastungsgrade sollen durch neuartige clusterbasierte, hierarchische und an den Netzstrukturen orientierte Kommunikationsprinzipien und die durch die Netzteilnehmer vorgenommenen Nutzungsänderungen reduziert werden. Ziel ist es, dass zusätzliche Investitionen ins Verteil- und Versorgungsnetz reduziert werden können, die dann als Anreize für eine Lokalisierung der Energieanwendungen und somit zur Netzentlastung dienen können. Hierfür soll ein spezifisches Direct-Response-Konzept (DR) entwickelt und anhand eines aufzubauenden Systemsimulators verifiziert werden.
DR-Systeme sind Systeme, die auf Grundlage von räumlich verteilten Messwerten des beobachteten Netzes den Verbrauch, die Erzeugung und Speicherung durch gezielte Anreize steuern. In den meisten Fällen soll das Verhalten der Kunden hierbei durch Preisanreize bzw. Pönalen gesteuert werden.
Bei dem neu zu entwickelnden Konzept steht hierbei eine ganzheitliche Systemsicht im Vordergrund, welche die Lastflüsse und Auslastungsgrade von der untersten bis zur höchsten Spannungsebene entsprechend der Netztopologie berücksichtigt. Zudem soll eine Kommunikationsstruktur mit einem Minimum an Informationsaustausch entworfen werden, die in geschlossener Weise die Systemsicherheit und die Ausfallsicherheit garantiert.
Um die neu entwickelten Methoden verifizieren zu können, soll ein mehrschichtiger Systemsimulator entwickelt werden, der es ermöglicht, auf Basis vorab bestimmter, typisierter Netz- und Ereignisstrukturen die unterschiedlicher DR-Konzepte zu analysieren und zu bewerten.

Entwicklung eines Messsystems zur dielektrischen Diagnose von 20kV-Mittelspannungskabeln und weitergehende Methoden zur Zustandsbeurteilung

In Zusammenarbeit mit einem großen deutschen Netzbetreiber und mit Unterstützung eines europäischen Industriepartners wurde ein neuartiges mobiles Mess- und Prüfsystem zur Ermittlung des Verlustfaktors und weiterer diagnostischer Kenngrößen von 20kV-Mittelspannungskabeln entwickelt und in einen Messwagen integriert. Das einzigartige und hochgenaue Diagnosesystem wurde am Energie Campus Nürnberg entwickelt und durch einen industriellen Partner nach internationalen Standards in ein Fahrzeug nebst der notwendigen Sicherheitstechnik integriert. Die im Rahmen des Projekts entworfenen und in den Laboren realisierten Komponenten konnten selektiv um industrielle Anlagenteile ergänzt werden, die neben den entwickelten Methoden auch Standardverfahren zur Prüfung von Betriebsmitteln erlauben. Somit konnte ein eigenständiges Prüf- und Diagnosesystem geschaffen werden, das derzeit in dieser Form am Markt nicht verfügbar ist und das neben Inbetriebsetzungsprüfungen hochgenaue Diagnosemessungen unterschiedlicher Kenngrößen ermöglicht.
Durch die softwaretechnische Ansteuerung aller Einzelkomponenten ist es erstmalig möglich, dass komplexe Diagnosemessungen vollständig automatisiert ablaufen, von der Prüfspannungswahl über die messtechnische Erfassung bis hin zur Speicherung der Daten in einem SQL-Serversystem. Der Diagnosewagen wird bereits seit der Fertigstellung zu Reihenuntersuchungen im Netz des Kooperationspartners eingesetzt. Anhand der Messergebnisse soll zukünftig eine deutlich verbesserte Beurteilung des Zustands der untersuchten Kabelstrecken möglich werden.

Ortsaufgelöste Evaluierung dielektrischer Eigenschaften von Energieversorgungskabeln

Insbesondere bei räumlich ausgedehnten Betriebsmitteln (z. B. Energieversorgungskabeln) können sich die qualitativen Eigenschaften der Isolation lokal erheblich unterscheiden. Innerhalb dieses Forschungsvorhabens sollen technologische Mess- und Diagnoseverfahren entwickelt, untersucht und für den Feldeinsatz qualifiziert werden. Sie ermöglichen, die dielektrischen Kenngrößen sowie die qualitativen Eigenschaften von MS-Energieversorgungskabeln ortsaufgelöst, d. h. über deren Länge hinweg, zu ermitteln.
Durch neu entwickelte Verfahren soll es möglich werden, mittels einer ortsaufgelösten Evaluierung der dielektrischen Eigenschaften eine Zustandsdiagnose einzelner Kabelsegmente oder sogar die Identifizierung verstärkt gealterter Bereiche zu erreichen. Eine der Zielstellungen ist, alle relevanten Leitungsparameter eines untersuchten Prüflings ortsaufgelöst darstellen zu können. Auf der Basis Hardware naher Simulationsrechnungen konnten komplexe Algorithmen abgeleitet werden, die zwischenzeitlich auch durch erste Labormessungen an realen Kabelprüflingen bestätigt wurden. Die erreichbare Sensitivität und Ortsauflösung übertrifft die aktuell am Markt verfügbaren Lösungen erheblich. U. a. wegen des zu erwartenden sehr hohen Marktpotentials wurde eine Patentierung des Verfahrens zusammen mit der industriellen Partnerfirma eingeleitet.
Zur weitergehenden Analyse wurden für das entwickelte Verfahren verschiedene Versuchsaufbauten sowohl im Labor als auch im Feld realisiert. Mit den Laboraufbauten konnten empirische Untersuchungen durchgeführt werden, die die Grundlage für die Ableitung und Korrelation ortsauflösender Diagnosekenngrößen bilden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass das neuentwickelte Verfahren detailliertere Informationen über den dielektrischen Zustand bereitstellt und bereits sehr geringe Veränderungen des Dielektrikums detektieren kann. In ersten Feldmessungen an Mittelspannungskabeln wurden die Funktionsfähigkeit des Verfahrens erfolgreich getestet, sowie Umweltbedingungen und Störeinflüsse untersucht und abgeschätzt. Das Fernziel ist ein ortsauflösendes Diagnosesystem, das eine physikalisch orientierte und fundierte Zustandsbewertung einzelner Abschnitte von Energieversorgungsnetzen ermöglicht und so wichtige Eingangsgrößen für eine selektive und kostenoptimierte Instandhaltungsplanung zur Verfügung stellt.

Evaluierung der Lebensdauer von Energieversorgungsnetzen, -anlagen und -komponenten unter Berücksichtigung moderner Mess- und Diagnoseverfahren

Basierend auf bestehenden Laboruntersuchungen zur Alterung von 20kV-Papier-Massekabeln und den daraus abgeleiteten Datenbanksystemen soll ein im Feld nutzbares, eigenständiges Messsystem zur Ermittlung des Verlustfaktors und weiterer diagnostischer Kenngrößen von 20 kV-Mittelspannungskabeln entwickelt werden. Für den Einsatz des Messsystems im Feld wird ein Kabelmesswagen realisiert, der Prüfspannungsquellen mit 50 und 0,1 Hz umfasst. Insgesamt ist die Durchführung von Feldmessungen an 250 Kabelstrecken, d.h. 750 Einzelprüflingen geplant. Sie werden im Wesentlichen im Rahmen von Inbetriebnahmeprüfungen gemessen und nachfolgend diagnostiziert. Unter Einbeziehung der Alterungsdatenbank sollen dabei Aussagen zu Zustand und Restlebensdauer der untersuchten Strecken getroffen werden. Zusätzlich sollen Methoden analysiert und erarbeitet werden, die sich thematisch durch den Gesamtkomplex „Zustandsprognose basierend auf Lebensdauermodellen“ darstellen lassen. Fernziel ist eine Integration von aus dem Netzleitsystem entnommenen, realen Lastgängen bzw. Auslastungsgraden.

Forschungsprojekte

Arbeitsgruppe: Prof. Dr.-Ing. Michael Rossner

Untersuchungen der Degenerationsmechanismen an PEM Membranen in Abhängigkeit der Betriebsführung von Elektrolyseur oder Brennstoffzelle

Dem Wasserstoff kommt im Bereich der Speicherung von elektrischer Energie eine immer größere Bedeutung zu. In Kooperation mit der Bayerischen Forschungsstiftung, der Universität Bayreuth, der Proton Motor und den Stadtwerken Neustadt wurde an der Hochschule Coburg eine 5 kW Brennstoffzelle in Verbindung mit einem 2,5 kW Elektrolyseur und einem 10 Nm3 Wasserstofftank erstellt, um die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien des Energiespeichersystems im Hinblick auf unterschiedliche Membranmaterialien zu untersuchen. Im Vordergrund stehen dabei der Einsatz untergelagerter Batterie-Pufferspeicher zur Reduzierung membranstrapazierender Schwachlastphasen und zur Abfederung von Lastsprüngen, kurzeitigen Überlastszenarien wie sie im realen netzstützenden Betrieb einer solchen Speicheranordnung auftreten können.

Batteriediagnostik an Blei-Batterien

In einer Vielzahl von Messungen wurden Erfahrungen zur Beurteilung des SOC (State of Charge)-Punktes und zur Beurteilung von Kapazitätsverlusten durch Alterung (SOH) von Bleibatterien gesammelt. Im Fokus der Messungen standen dabei Bleigel- und AGM Batterien, wie sie in der Automobilindustrie und bei Energiespeichern eingesetzt werden.

Berechnung mechanischer und thermischer Belastungen von Generatorableitungen

Die elektrische Verbindung zwischen Generator und Hochspannungstransformator stellt im Kraftwerk ein sensibles Anlagenteil dar. Vor der Inbetriebnahme neuer Kraftwerke oder nach Um- oder Restrukturierung muss diese Verbindung hinsichtlich ihrer Kurzschlussfestigkeit sowohl mechanisch als auch thermisch evaluiert werden. Hier liegen Nachweis- und Berechnungserfahrungen aus einer Vielzahl von Anfragen vor.

Messung von Potenzialverteilungen an thermisch belasteten DC-Durchführungen

Als eine der Schwachstellen bei der Umstellung von AC- auf DC-Übertragungen gelten in der Höchstspannungstechnik Durchführungen. So genannte feldgesteuerte Durchführungen können dabei auch als Folien-Gasisolierte Konstruktionen ausgeführt werden. Hier führen Temperaturgradienten, die sowohl durch äußere als auch durch innere Belastungen hervorgerufen sein können, in Verbindung mit extrem langsamen Polarisationsvorgängen zu belastenden, ungleichmäßigen Feldverteilungen. Diese Feld-, Potential- und Temperaturverteilungen können in einem speziell dafür entwickelten Druckgefäß, auf dem die Durchführung montiert ist, unter realistischen Spannungsbeanspruchungen nachgemessen werden. Außerdem lassen sich in unserer Klimakammer in einer eigens entwickelten Schutzringanordnung Materialuntersuchungen an den Folienwerkstoffen unter definierten klimatischen Bedingungen durchführen (Polarisations-, Depolarisationsstrom- und Spannungswiderkehrmessungen).

Durchschlagsmessungen in Isoliergasen

Vor dem Hintergrund der Diskussion um SF6- freies Isolationsgas ist das Durchschlags- und Löschverhalten von alternativen Isoliergasen wieder vermehrt in den Fokus gerückt. In einem speziellen Druckgefäß führen wir Durchschlagsmessungen an definierten Kugel-Kugel-Anordnungen bei Drücken bis 25 bar und Spannungen bis 400 kV AC durch. Erfahrungen mit synthetischer Luft, Stickstoff, Sauerstoff, CO2, SF6 und einigen neuen Substitutionsgasen liegen vor. Begleitend zu den Messungen haben wir ein Berechnungsprogramm entwickelt, das Durchschlagsspannungen in schwach inhomogenen Anordnungen (EMax/EMitttel > 0,2) für die genannten Gase oder Mischungen aus diesen Gasen berechnen. Diese Ergebnisse lassen sich auf beliebige, schwach inhomogene Anordnungen übertragen, so dass Durchschlagsspannungen beliebiger Geometrien vorausberechnet werden können.

Messungen an biogenen Kraftstoffen

Vor dem Hintergrund eines immer größer werdenden Anteils biogener Zumischungen in Dieselkraftstoffen und der Verwendung von Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen bei gleichzeitig erhöhten Lagerungszeiten im Tank (Hybridantriebe) kommt der Alterungsproblematik dieser Kraftstoffe eine besondere Bedeutung zu. Ein wesentliches diagnostisches Hilfselement ist die Veränderung der bei Alterungsprozessen auftretenden elektrischen Permeabilität, die mit dielektrischen Sensoren erfasst werden kann. Dazu wurden am IHEA in mehreren Projekten mit der Automobilindustrie Sensoren entwickelt, die die Dielektrizitätszahl des Kraftstoffes unter Berücksichtigung seiner aktuellen Temperatur hochgenau ermitteln können, ohne dabei vorher mit Hilfsfluiden bekannter Dielektrizitätszahl kalibriert zu sein. In Zusammenarbeit mit dem ebenfalls an der Hochschule Coburg ansässigen Technologietransferzentrum Automotive TAC können so äußerst differenzierte Kraftstoffanalysen durchgeführt werden.

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