ENSURE – Neue EnergieNetzStruktURen für die Energiewende

Was ist eine sowohl technisch/wirtschaftlich als auch unter gesellschaftlichen Aspekten sinnvolle Struktur aus wie viel zentraler und dezentraler Versorgung? So lautet die Kernfrage bei ENSURE. Die Forschungsschwerpunkte der Bergischen Universität liegen dabei auf der Untersuchung neuartiger Betriebskonzepte in den Stromverteilnetzen sowie der Kopplung zum Gasverteilnetz. „Letzteres wird mittels sogenannter Power-to-Gas-Anlagen realisiert“, erklärt Prof. Dr. Zdrallek. „Durch einen strombetriebenen Elektrolyseprozess kann Wasserstoff erzeugt und ins Gasnetz eingespeist werden.“ Der Vorteil: Die Anlagen können in Zeiten von Engpässen gezielt eingesetzt werden, um das Stromnetz zu entlasten und so einen möglichen Netzausbau zu vermeiden.

Um einen koordinierten Einsatz dieser Anlagen zu ermöglichen, entwickeln die ENSURE-Wissenschaftler ein intelligentes Strom- und Gasnetzautomatisierungssystem, das die Strom- und Gasverteilnetze überwacht und Entscheidungen über den Einsatz verschiedener Aktoren trifft. Prof. Dr. Zdrallek: „Mit dem Einsatz der Power-to-Gas-Anlagen soll das Automatisierungssystem erkannte Grenzwertverletzungen innerhalb der Netze autark beheben und somit eine hohe Versorgungszuverlässigkeit gewährleisten.“ Abbildung 1 zeigt dazu die Sektoren Strom, Gas und Wärme, welche durch die sogenannten Kopplungselemente – nämlich Power-to-Gas-Anlagen (PtG), Power-to-Heat-Anlagen (PtH), Gas-to-Power-Anlagen (GtP) und bivalente Anlagen (PoGtH) – als Technologien zur Energieumwandlung miteinander verbunden werden.

Ein weiterer neuer Untersuchungsaspekt sind vermaschte Netztopologien in der Mittelspannungsebene. Dabei werden Stromleitungen zusammengeschaltet, um eine höhere Verteilungskapazität zu erzielen. „In diesem Zusammenhang wird ein Betriebskonzept zur automatisierten Zusammenschaltung von Stromleitungen durch das Öffnen und Schließen von steuerbaren Schaltern entwickelt“, erläutert Prof. Dr. Zdrallek. Durch einen erhöhten Vermaschungsgrad im Stromnetz würden sich aber auch neue Forschungsfragen ergeben: Reicht die bestehende Schutztechnik der Netze noch aus? Und welche Entscheidungskriterien sind für eine automatisierte Schaltung zu Grunde zu legen?

ENavi – Energiewende-Navigationssystem zur Erfassung, Analyse und Simulation der systemischen Vernetzungen

Ziel von ENavi ist es, eine gesamtgesellschaftliche Betrachtung des zukünftigen Energiesystems durchzuführen und Transformationspfade daraus abzuleiten. „Dabei spielt transdisziplinäres Arbeiten eine zentrale Rolle“, geht Prof. Dr. Zdrallek ins Detail. „Für eine erfolgreiche Energiewende muss das Zusammenspiel zwischen Technik, Wirtschaft, Politik, Bürgerinnen und Bürgern funktionieren.“

Am Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgungstechnik wird das Konzept von Zellularen Energiesystemen untersucht und auf die bestehende Energieinfrastruktur angewandt. „Zellulare Energiesysteme sind ein Ansatz die Volatilität der Erneuerbaren Energien auf der möglichst niedrigsten Ebene auszugleichen“, erläutert Prof. Dr. Zdrallek. „Dies ist besonders wichtig, da bei einer Energieversorgung aus fast ausschließlich erneuerbaren Energien ein gut ausgebautes Übertragungsnetz nur bedingt hilft.“ Das Stromnetz könne die elektrische Energie nur zu einem anderen Ort bringen, wo die Energie benötigt wird, jedoch müsse sie ohne Speicher augenblicklich genutzt werden.

Um die Energiezellen zu betrachten, implementieren die Wissenschaftler ein sektorenübergreifendes Gesamtsystem (Strom, Gas und Wärme) in wabenähnlichen Strukturen. Dabei werden u.a. folgende Fragestellungen untersucht: Wie kann eine große Anzahl von Photovoltaikanlagen in die bisherigen Stromnetze integriert werden? Wie können Batteriespeicher optimal dimensioniert werden, um die Energie, die tagsüber durch die Sonneneinstrahlung zur Verfügung steht, abends zu nutzen, um beispielsweise Elektroautos zu laden?

Die Beantwortung dieser Forschungsfragen unterstützt sowohl eine effiziente Nutzung der Erneuerbaren Energien als auch die Klimaneutralität von Quartieren und Städten. Für die Untersuchungen werden sowohl städtische, vorstädtische sowie ländliche Gebiete betrachtet und verschiedene Anforderungen miteinbezogen.