Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

Das Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe befasst sich sowohl mit allen technischen als auch ökonomischen Fragen der Transformation, Dekarbonisierung und Dezentralisierung des derzeitigen Energiesystems. Dies inkludiert die optimale Beschaffung und den Einsatz von Primärenergieträgern zur Energie- bzw. Stromerzeugung, Übertragung, Verteilung und Bereitstellung von Energiedienstleistungen bei den Endkunden in den verschiedenen Sektoren. Dabei spielen die zunehmende Elektrifizierung vor allem auch im Industrie- und Transportsektor sowie neue Speichertechnologien eine entscheidende Rolle. Des Weiteren beschäftigt sich ein weiterer Forschungsschwerpunkt mit den klassischen Fragen der Antriebstechnik und Aktorik wie Maschinendesign und innovative Regelverfahren, neue Antriebs- und Magnetlagerkonzepte, Condition Monitoring und Stromrichtertechnik.

Forschung

Elektrische Energiesysteme und Netze

Das elektrische Energiesystem durchläuft eine Phase des beschleunigten Umbruchs. Während die Energiewende lange durch die schrittweise Ergänzung weniger Großkraftwerke um dezentral angeschlossene regenerative Einspeiser geprägt war, beginnt nun die technisch anspruchsvollere Phase, die einem vollständigen Systemumbau gleichkommt: Thermische Großkraftwerke werden zunehmend unwirtschaftlich, müssen jedoch infolge des zugrunde liegenden elektrischen Systemdesigns noch für geraume Zeit zur Verfügung stehen. Neue Erneuerbare werden in vielen Regionen die dominierende Erzeugungsform, speisen mit immer höheren Leistungen ein, verhalten sich aber elektrisch anders als traditionelle Kraftwerke. Das gesamte elektrische Design des Netzes ist zwar historisch auf die elektromechanischen Eigenschaften der Synchronmaschine ausgelegt, trotzdem wird die Erzeugung immer häufiger nicht mehr darüber an das Netz angeschlossen. Gleichzeitig steigen die Transportentfernungen und damit die Belastung im kontinentalen Übertragungsnetz, da Erzeugungsüberschüsse oft weitab der Verbrauchszentren entstehen.

Diese parallel ablaufenden Entwicklungen erhöhen die Komplexität und Datenintensität in Netzplanung und -betrieb auf allen Spannungsebenen sprunghaft und werfen Forschungsfragen auf, die es in dieser fundamentalen Form viele Jahrzehnte nicht mehr gegeben hat. In Kooperation mit Netzbetreibern und Erzeugern werden daher am Lehrstuhl Lösungen erarbeitet, die traditionelle Prinzipien zur Netzauslegung und Systemsicherheit hinterfragen. Neue Übertragungstechnologien, automatisierte Systemführungsverfahren und erweiterte Sensorik ermöglichen schrittweise Verbesserungen, ohne die zukünftige elektrische Stabilität des Systems zu gefährden.

Die Energiewende erfordert mehr als nur technische Anpassungen: Sie verlangt ein Umdenken in Lehre, Netzplanung und Netzbetrieb. Neue Kompetenzen müssen, aufbauend auf historischem Wissen, in der Forschung entwickelt und schnell in die Lehre eingeführt werden. Der Lehrstuhl bietet, aufbauend auf der Erfahrung vieler Jahrzehnte, eine klassische energietechnische Ausbildung sowie angewandte Forschungsaktivitäten zu fundamentalen Fragen des Umbaus des europäischen elektrischen Energiesystems.

Elektrische Antriebe und Maschinen

Betrachtet man ein nachhaltiges Energiesystem, so spielt die Effizienz auf der Verbraucherseite eine bedeutende Rolle. Elektromotoren verbrauchen einen großen Anteil der elektrisch erzeugten Energie. Eine Auslegung auf hohen Wirkungsgrad ist in Zukunft eine zentrale Forderung an Antriebe, sei es in der Industrie oder im Verkehr im Rahmen der Elektromobilität. Eine wichtige Forderung für viele Applikationen ist möglichst hohe Kompaktheit bzw. Leistungsdichte. Der Fachbereich „Elektrische Antriebe und Maschinen“ entwickelt gemeinsam mit der Industrie innovative Antriebslösungen, die Effizienz und Kompaktheit mit strategischen und ökologischen Aspekten verbinden – also beispielsweise Antriebe mit Recyclingfähigkeit und unter Vermeidung seltener Erden. Dies wurde in Industrieprojekten mit Synchronreluktanzmotoren erfolgreich realisiert. Bei drehzahlvariablen Antrieben werden Wechselrichter mit neuen verlustarmen Halbleitermaterialien eingesetzt, die hohe Schaltfrequenzen ermöglichen. Dies ermöglicht Ansteuerkonzepte mit höchster Dynamik und optimierter Betriebsweise, etwa im Hinblick auf Verlustminimierung. Durch Verwendung leistungsstarker Prozessoren können komplexe Regelungs- und Identifikationsalgorithmen implementiert werden, die beispielsweise den Ersatz mechanischer Geber durch mathematische Algorithmen oder ein Condition Monitoring ermöglichen. Das Institut hat auf diesem Gebiet völlig neue Algorithmen (z.B. das „INFORM-Verfahren“ für drehgeberlose Regelungen) entwickelt, die gemeinsam mit internationalen Industriepartnern in hoch innovative Produkte umgesetzt wurden. Die umgesetzten Projekte spannen einen weiten Bogen – von Medizintechnik über klassische Industrieanwendungen bis zu Antrieben in Flugzeugen. Die Überwachung von Alterungsprozessen, etwa in Isolationssystemen von Bahnmotoren, konnte mit Partnern aus der Schienenfahrzeugindustrie erfolgreich entwickelt und implementiert werden. Ein weiteres Standbein der Arbeitsgruppe sind Entwurf und Aufbau von Magnetlagersystemen für Hochdrehzahlantriebe. Dabei konnten neue Regelungsverfahren entwickelt werden, die mechanisch komplexe schnell drehende Antriebe berührungslos mit höchster Dynamik auf Basis aktiver Magnetlager betreiben.

Für die Arbeitsgruppe Elektrische Antriebssysteme ergeben sich somit folgende Forschungsschwerpunkte:

• Drehgeberlose Regelung von Drehstrommaschinen  mit höchster Dynamik im gesamten Betriebsbereich einschließlich Stillstand und Überlast (Einsparung von Komponenten, Reduktion der Baugröße, Erhöhung der Zuverlässigkeit)
• Fehlererkennung bei elektrischen Antrieben (optimale Planung von Wartungsarbeiten)
• Finite-Elemente-Berechnung von elektrischen Maschinen (Optimierung des Entwurfs in Richtung Effizienz oder Kompaktheit)
• Auslegung und Aufbau von Magnetlagern sowie Entwurf komplexer Regelalgorithmen für rotordynamisch anspruchsvolle Strukturen

Energiewirtschaft

Bei der Transformation des Energiesystems Richtung Klimaneutralität sind Wirtschaftlichkeits-aspekte von entscheidender Bedeutung, um die Implementierung von zukünftigen Technologien bzw. Technologieportfolios skalierbar zu machen. Basierend auf einem fundierten Verständnis der technischen und ökonomischen Zusammenhänge im Energiesystem bzw. den möglichen energiepolitischen Lenkungsinstrumenten ist die modellbasierte Abbildung und Simulation des zukünftigen Energiesystems bzw. Teilbereichen eines solchen Energiesystems ein zentraler Arbeitsschwerpunkt des Forschungsbereiches (auch in der Lehre und Betreuung von Abschlussarbeiten), um robuste Entscheidungsgrundlagen für die praktische Umsetzung zu liefern. Das gesamte Energiesystem kann dabei sowohl die Kopplung aller Sektoren (Haushalt, Öffentlich, Gewerbe, Industrie, Transport) als auch die gesamte Lieferkette von den Ressourcen (Rohstoffen, Mineralien, Primärenergieträgern), Großhandelsmärkten, Übertragung, Verteilung und Endkunden umfassen. Dabei spielen vor allem auch die zunehmende Elektrifizierung des gesamten Energiesystems sowie die dezentrale und lokale (Eigen-)Erzeugung und die damit verbundenen Energietechnologien (inkl. Batteriespeicher) eine entscheidende Rolle. Die entsprechende Weiterentwicklung der Strommärkte (inkl. lokaler bzw. Flexibilitätsmärkte) sowie die Berücksichtigung von Instrumenten zur Dekarbonisierung des Energiesystems sind in diesem Zusammenhang von entscheidender Bedeutung. All diese Anforderungen gilt es in einer angepassten zeitlichen und räumlichen Granularität in der modellbasierten Energiesystemoptimierung abzubilden, um praxistaugliche aktive Beiträge zur Entscheidungsfindung bei der Transformation des Energiesystems liefern zu können.

Lehre

Im Rahmen des Bachelorstudiums wird das Modul Energie- und Antriebstechnik abgehalten: In der Vorlesung Elektrische Energiesysteme werden die Grundlagen zum Verständnis der Zusammenhänge im Energiesystemgelegt. Neben den wichtigsten Berechnungs- und Analysewerkzeugen werden dabei auch die Komponenten des Energiesystems von Energiewandlung, Energieübertragung und -verteilung bis zur Energieanwendung vorgestellt.

In der Vorlesung Maschinen und Antriebe• werden die Strukturen von elektrischen Antrieben (Gleichstrom- und Drehstrommaschinen) und einfachen Stromrichterschaltungen gezeigt.

In den Masterstudien Elektrische Energietechnik und nachhaltige Energiesysteme (schwerpunktmäßig) sowie Automatisierung und robotische Systeme (unterstützend) ist das Institut in zahlreichen Modulen vertreten. Als Auszug seien die Vorlesungen Energieübertragung und -verteilung, Regenerative Energiesysteme, Elektrische Antriebe und Maschinen, Energieökonomie sowie Energiemodelle und Analysen genannt. Durch die Kooperation mit externen Lektorinnen und Lektoren aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen sowie zahlreichen Exkursionen wird der Praxisbezug in den Vordergrund gerückt.

Mitwirkende