Lecture Series "Current Challenges in Electrical Engineering" in Wintersemester 2023/24

Dr.-Ing. Christian Bornkessel, Technische Universität Ilmenau, Institut für Informationstechnik, Fachgebiet Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Der derzeitige Aufbau des 5G-Mobilfunknetzes wird in Teilen der Bevölkerung wegen möglicher gesundheitsschädigender Effekte mit Sorge betrachtet. Ursachen sind hier fehlende oder falsche Informationen zu den durch Mobilfunk-Basisstationen hervorgerufenen Immissionen und deren biologische Wirkungen auf den Menschen.

Im Vortrag sollen folgende Aspekte diskutiert werden:

Wo tritt im Mobilfunknetz elektromagnetische Strahlung auf?
Wie groß ist sie?
Wie werden Grenzwerte für Mobilfunkstrahlung gebildet?
Wie ist der Forschungsstand zu biologischen Wirkungen?

M.Sc. Diana Zahn, Technische Universität Ilmenau, Institut für Biomedizinische Technik und Informatik

Magnetische Nanopartikel bieten dank ihrer einzigartigen Eigenschaften vielfältige innovative Einsatzmöglichkeiten in der Medizin. Der Vortrag gibt einen Einblick zum Einsatz der Nanopartikel in Mikrosphären für therapeutische Wärmebehandlungen (Hyperthermie), die gezielte Freisetzung von pharmakologischen Wirkstoffen und die Separation von Pathogenen. Es werden aktuelle Forschungsarbeiten am Institut BMTI der TU Ilmenau rund um das Thema magnetische Nanopartikel und Mikrosphären vorgestellt und Aspekte beleuchtet, wie die nötige Anpassung und Optimierung der Mikrosphären an das jeweilige Anwendungsszenario erreicht werden kann.

Dipl.-Ing. Frank-Helmut Wehner, Microgrid Special Sales Nordics&Baltics, DACH, CEEI, Digital Energy Division, Energy Management Business Schneider Electric Operations Consulting GmbH

Die Energielandschaft unterliegt zurzeit dem größten Wandel der letzten 100 Jahre. Gleichzeitig ist politisch gewollt, dass sich Verbraucher zu sogenannten Prosumenten wandeln und aktiv am Energiemarkt beteiligt sind. Microgrids sind Energiesysteme an einem Endverbraucher-Standort und bestehen aus verteilten lokalen Erzeugungseinrichtungen, Speichern und Lasten. Mit ihrer Hilfe werden die Endverbraucher befähigt, ihre Energieressourcen so zu orchestrieren, dass den Verbrauchern die kostengünstigste und grünste Energie, die möglich ist, bereitgestellt wird. Darüber hinaus helfen diese, die Resilienz der Energieversorgung zu verbessern und ggf. einen Betrieb auch bei einem Netzausfall aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig bieten sie die Möglichkeit, vorhandene Flexibilitäten zu vermarkten.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Friedrich Schiller University Jena, Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena)

Organische Materialien, insbesondere organische Polymere, die als aktive Materialien in Batterien eingesetzt werden, sind derzeit ein intensiv untersuchtes Forschungsthema. Die Verwendung dieser Materialien stellt einen vielversprechenden Ansatz unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit, z. B. durch niedrigere Temperaturen bei der Herstellung sowie der Vermeidung von toxischen Elementen und Substanzen sowie von Schwermetallen, der Verarbeitbarkeit, z. B. durch druckbare Batterien, sowie der Leistung, z. B. durch eine hohe Leistungsdichte (Schnellladefähigkeit),dar. 
Herr Prof. Dr. Schubert zeigt in seinem Vortrag auf, was wir in Deutschland dazu praktisch bereits erreicht haben.

Carsten Wolff, Vice President High Voltage Projects, NKT GmbH & Co. KG Kölln

Im Rahmen der Energiewende ist ein beschleunigter Ausbau der elektrischen Netzinfrastruktur erforderlich. Neben vorhandenen konventionellen Lösungen bieten sich insbesondere sehr kompakte supraleitende HTS-Hochleistungskabelsysteme als neue Lösungen an, die Kernthema des Vortrages sind. Heutige HTS-Hochleistungssysteme sind für den Einsatz in Hochspannungsnetzen geeignet (z.B. 110 kV) und bieten die Möglichkeit, eine Leistung von 500 MVA zu übertragen. Diese verlustarme Übertragung bei sehr kompakten Abmessungen ist eine Erweiterung der Toolbox und adressiert eine nachhaltige Lösung mit geringerem Einfluß auf die Stakeholder.

Dipl.-Ing. Stefan Kämpfer, Phoenix Contact Deuschland GmbH Blomberg, Industriemanagement Energie

Der fortschreitende Ausbau der erneuerbaren Energien führt zur weiteren Dezentralisierung und Volatilität in der elektrischen Energieversorgung. Die Energiewende findet somit zu einem Großteil im Verteilnetz statt. Gleichzeitig digitalisiert sich der Netzbetrieb zunehmend. Um den Herausforderungen in den Mittel- und Niederspannungsnetzen zu begegnen, finden digitalisierte Ortsnetzstationen immer weitere Verbreitung. Des Weiteren wurde in den aktuellen VDE-Anwenderregeln den Anforderungen an den Netzanschluss Rechnung getragen.  
Der Vortrag stellt beide Bausteine in den folgenden Schwerpunkten vor:

• Hintergründe und Historie
• Digitalisierung im Verteilnetz
• Konzepte digitalisierter Ortsnetzstationen
• Grundlagen und Anforderungen für Kundenstationen aus der Anschlussregel VDE AR-N-4110
• Konzepte und Systemlandschaft für den zukunftsfähigen Betrieb
• Technische Lösungen
   

Dipl.-Ing. Eric Markweg, VP Innovation Management, avateramedical Mechatronics GmbH

„avatera ist der Name des ersten deutschen Systems, welches Ärzten und Patienten den Zugang zu den Vorteilen minimal-invasiver, robotisch-assistierter Chirurgie ermöglichen wird. Basierend auf dem aktuellen Stand der robotergestützten Chirurgie wurde das avatera-System exakt auf die Bedürfnisse seiner Nutzer zugeschnitten und ermöglicht somit ein Höchstmaß an Komfort, einfache Kommunikation im Hörsaal und präzises, sicheres Operieren.“  

Abert, P.; Dr. Veit Zöppig, CTO, MOTEON GmbH Ilmenau

Einleitend wird das Arbeitsgebiet “Regelung von Elektromotoren in mobilen Systemen” vorgestellt und aktuelle Herausforderungen, die sich aus den Umwälzungen der Automobilindustrie (alternative Antriebe, neue Geschäftsmodelle, neu E/E-Architektur) ergeben.Speziell wird auf die Prozesse und Methoden in der Funktions- und Softwareentwicklung eingegangen.
In einem zweiten Teil teilen wir die Sicht eines Berufsanfängers in diesem Bereich, insbesondere mit einem Blick auf Dinge, die er heute benötigt und ob und wie diese in seiner Ausbildung an der TU Ilmenau berücksichtigt wurden.

M.Sc. Maximilian Schima, Technische Universität Ilmenau, Institut für Elektrische Energie und Steuerungstechnik

Um die Netze der Zukunft, z.B. DC-Microgrids, sicher betreiben zu können, müssen Erzeuger, Speicher, Anlagen und Verbraucher zuverlässig zu- und abgeschaltet werden. Hier können mechanische, hybride und leistungselektronische Schaltgeräte zum Einsatz kommen. Diese müssen in Zukunft größere Leistungen noch schneller als bisher zuverlässig schalten können. An allen drei Schaltprinzipien wird momentan geforscht. Im Verbundprojekt „FASS – fast and selective switching“ wird beispielsweise das Lichtbogenlaufverhalten in mechanischen Schaltgeräten bei kleinen Kontaktabständen untersucht.

Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider, Technische Universität Ilmenau, Institut für Elektrische Energie und Steuerungstechnik,
Sebastian Flemming (Senior Scientist) Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB

Zum Gelingen der Energiewende können Quartiersenergiekonzepte einen wichtigen Betrag leisten, um lokale Energieressourcen effizient und gezielt zu nutzen. Eine auf lokalen erneuerbaren Energiequellen beruhende sektorenübergreifende Energieversorgung im Quartier, kann bei der Transformation hin zu einem CO₂-neutralen Gesamtenergiesystem einen wichtigen Baustein darstellen. Eine wesentliche Voraussetzung für diese Transformation ist die Nutzbarmachung von Flexibilitätspotenzialen zur Anpassung des sektorenübergreifenden Energieverbrauchs an die fluktuierende Energiebereitstellung erneuerbarer Quellen. Im Rahmen des Vortrags werden unterschiedliche Betriebsführungsansätze für Wohnquartiere in Verbindung mit Nutzungsmöglichkeiten von Flexibilitätsoptionen am Beispiel eines realen Quartiers dargestellt, verglichen und bewertet.

„Alternative Antriebe für den Schienenverkehr“

Dipl.-Ing. Jan-Thomas Walther, DB Energie GmbH Frankfurt am Main, Netz- und Systemtechnik (I.ETZ3)

Die Bahnelektrifizierung stellt einen wichtigen Meilenstein in der Verkehrswende dar. Die Hauptachsen des europ. Eisenbahnnetzes sind weitestgehend elektrifiziert. Auf den weniger belasteten Nebenstrecken und Elektrifizierungslücken sind schnelle (Zwischen-)Lösungen ohne lange und kostenintensive Planungs- und Bauprozesse von der Öffentlichkeit gefordert. Derzeit werden in Deutschland eine Reihe von Projekten mit Fahrzeugen mit elektr. Batterieantrieb oder Wasserstoffantrieb realisiert, für die auch eine besondere Versorgungsinfrastruktur aufgebaut werden muss. Dabei ergeben sich für die Industrie und die Betreiber völlig neue Herausforderungen bei der Sicherstellung eines hochverfügbaren und  sicheren Betriebes und der Gewährleistung der Systemkompatibilität zwischen Fahrzeugen, stationärer Versorgungsinfrastruktur und der Sicherungs- und Signaltechnik entlang der Strecke.

Prof. Dr.-Ing. Markus H. Zink, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, I·E·H·T Institut für Energie- und Hochspannungstechnik

Spätestens seit dem Krieg in der Ukraine gewann die Energiepolitik im Allgemeinen und die Energiewende im Speziellen bei uns enorm an Aufmerksamkeit. Es wurde allen schlagartig bewusst, wie abhängig wir von einer zuverlässigen Energieversorgung sind und wie unsere Energietechnik aufgebaut ist. Dieser Vortrag soll das Thema Energietechnik möglichst umfassend beleuchten und insbesondere die Dimensionen, um die es geht, greifbar machen und durch aktive Mitmach-Fragen bei den Hörern „Aha-Erlebnisse“ produzieren.

Reiko Sänger, Director European Sales, MICATU

Die Stromnetze unterliegen drastischen Veränderungen, die noch zunehmen werden. In diesem Vortrag wird beleuchtet, was Stand der Mess-Technik war/ist, welche Auswirkungen die Energiewende auf die Messtechnik hat und was die bessere Alternative ist.
Ein seit langem bekanntes Grundprinzip hat die Kinderschuhe abgelegt und den Weg in die industrielle Verfügbarkeit gefunden – nun gilt es, dieses Wissen zu verbreiten und den Netzausbau endlich voranzubringen, denn ohne diesen kann die Energiewende nicht gelingen.

Dr. Sven Müller, Siemens Healthcare GmbH Rudolstadt

Der Vortrag gibt eine Einführung in den Aufbau von Linearbeschleunigern.
Diese Beschleuniger werden in der onkologischen Therapie und der industriellen Bildgebung verwendet.
Der Schwerpunkt des Vortrags ist die mathematisch, physikalische Beschreibung eines Beschleunigers und die technische Auslegung des Designs.
Des weiteren wird ein Überblick der fertigungstechnischen Herstellungsprozesse gegeben.

apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Keller, Technische Universität Ilmenau

Die Wechselwirkungen der Röntgenstrahlen mit dem durchstrahlten menschlichen Körpergewebe und mit dem Bildwandler generieren Anforderungen an die Parameter des mit der Röntgenröhre erzeugten Nutzstrahlenbündels. Mit zwei technischen Entwicklungssprüngen wurden die heute nutzbaren  Parameter erreicht: Die Elektronenröhren mit Glühkathode erlaubten erstmalig eine getrennte Einstellung von Hochspannung und Strom. Die strahlungsgekühlten Hochtemperatur-Drehanodenröhren ermöglichten kurze Aufnahmezeiten. Vor allem der letzte, entscheidende Schritt soll als ingenieurwissenschaftliche Lösung vorgestellt werden.

Prof. Dr.-Ing. Ronald Plath, Technische Universität Berlin

Im Rahmen der Energiewende entstehen in Deutschland zur Zeit HGÜ-Übertragungssysteme außerordentlicher Länge, die oft als „Korridorprojekte“ (A-Nord, Ultranet, SuedLink und SuedOstLink) bezeichnet werden. Diese Systeme dienen insbesondere zum Energieaustausch der Windenergie (vorwiegend im Norden, onshore und offshore) mit den Lastschwerpunkten und den Solaranlagen (vorwiegend im Süden). Erstmals weltweit werden diese Systeme größtenteils als HVDC 525 kV kunststoffisolierte Erdkabel ausgeführt. Die Inbetriebnahme dieser Kabel wird aktuell in den Jahren 2027-2030 erwartet. Der Vortrag geht kurz auf den aktuellen Stand der deutschen Korridorprojekte ein, widmet sich dann dem Verhalten von Polymerisolierungen unter dem Einfluss hoher Gleichspannungen und schließt mit den besonderen Herausforderungen an die Inbetriebnahmeprüfungen gemäß der Norm DIN IEC 62895:2019.

Prof. Dr.-Ing. habil. Hannes Töpfer, Technische Universität Ilmenau

Quantentechnologien sind derzeit in aller Munde. Kaum eine Woche vergeht, in der nicht in Elektronik- und Technologieportalen Mitteilungen über neue Ergebnisse, Entwicklungen, Trends oder Erwartungen kommuniziert werden. Die zugrundeliegenden Forschungsaktivitäten an Universitäten, in den Forschungsabteilungen großer Unternehmen oder in wissenschaftlichen Instituten laufen auf Hochtouren. Nach Jahren der Suche nach geeigneten physikalischen Strukturen zur praktischen Umsetzung von Quanteninformationstechnik ist der Stand des Erreichten so, dass die Schwelle zur Anwendbarkeit erreicht bzw. überschritten scheint. Konkret geht es um die Domänen Quantensensorik, Quanten-Computing und Quantenkommunikation.  Für die praktische Umsetzung haben sich supraleitende oder optische Komponenten als besonders erfolgsversprechend herausgestellt. Wegen der in Thüringen zu beiden Varianten bestehenden langjährigen Expertise hat sich 2021 der Quantum Hub Thüringen formiert, in welchem auch forschende Teams der TU Ilmenau Detailfragen zur Systemintegration betreiben.

Herr Konstantin Konson, IBM Böblingen

Im Vortrag wird ein Überblick über Motivation, Entwicklung und Perspektiven von Quantum Computing vermittelt. Die prinzipielle Funktionsweise des Quantum Computers wird erläutert. Anschliessend wird eine Live-Demo mit IBM Quantum präsentiert.

• Einführung Quantum Computing
• Was brauchen wir, um Fortschritt in Quantum Computing zu sichern (incl. Highlights Deutschland)
• Zukunftsblick Quantum Computing – Neuigkeiten in der IBM Quantum Roadmap
• Neue Initiativen um Industrie auf Quantum vorzubereiten „Quantum Safe“ & „Quantum Accelerator“

Dr.-Ing. Ralf Petri, VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik, Informationstechnik e.V. Offenbach

• Green Deal, Zero 2050 und die Zukunft der Mobilität: Welche Erwartungen haben Politik und Wirtschaft an die Antriebstechnologien der Zukunft (Batterie, Brennstoffzelle, E-Fuels) und teilen sie die gleiche Auffassung?
• Wie kann Deutschland angesichts der Konkurrenz aus den USA und China seinen Spitzenruf als Wirtschafts- und Technologienation halten, Arbeitsplätze sichern und gleichzeitig die Bevölkerung mitnehmen?
• Der VDE hat hierzu erstmals die Einschätzungen und Erwartungen von Meinungsführenden aus der Politik (parteienübergreifend) und der Wirtschaft (bspw. Autohersteller, OEMs, Zulieferer und Energieversorger) eingeholt.

Die Hauptbotschaft: Nur mit einem intelligenten, technologieoffenen Mix aus allen verfügbaren klimaneutralen Antriebstechnologien – Batterie, Brennstoffzelle und E-Fuels – kann das ambitionierte Klimaziel der EU „Zero Emission“ erfüllt werden.

Prof. Dr. Rik W. De Doncker, RWTH Aachen

Moderne Leistungselektronik ist in allen Bereichen des täglichen Lebens vertreten. In Handys, elektrischen Zahnbürsten, Elektroautos, Ladegeräten, PV-Wechselrichtern, Wind Turbinen, im Stromnetz und vielen weiteren Anwendungen ermöglicht Leistungselektronik eine effiziente und steuerbare Leistungsübertragung. Inbesondere bei Anwendungen in Stromnetzen ergeben sich hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit, da für eine sichere Versorgung hohe Betriebsdauern und geringe Ausfallraten erreicht werden müssen. Die nächste Generation der Leistungselektronik ist für diese Anwendungen bestens geeignet, da geringe Verluste, lange Lebensdauern und eine Online-Zustandserfassung einen zuverlässigen Betrieb ermöglichen und somit eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende darstellen. 

Dr. rer. nat. Jan Schnabel, Fraunhofer Institut für Produktonstechnik und Automatisierung IPA

Durch den rapide voranschreitenden technischen Fortschritt von Quantencomputing-Architekturen wird es zunehmend wichtiger, potenzielle Anwendungsgebiete dieser neuen Technologie zu evaluieren sowie Quantenalgorithmen neu- und weiterzuentwickeln. Parallel dazu ist durch die Klimakrise Wasserstoff als einer der Hauptenergieträger in aller Munde. Um allerdings den Energiebedarf zu decken, werden Hochleistungselektrolyseure im Gigawattbereich benötigt, wozu unter anderem es auch Fortschritte in der Materialforschung zum Auffinden geeigneter Elektrolysematerialien erfordert.
Der Vortrag wird sich im Superpositionszustand beider zukunftsweisenden Forschungsfelder bewegen und mit konkretem Anwendungsbezug aufzeigen, inwiefern quantengestütztes Maschinelles Lernen und Quantensimulationen die Wasserstoffforschung gewinnbringend ergänzen können. Im Zuge dessen werden zunächst allgemein die Paradigmen des Quantencomputings eingeführt, bevor verschiedene Aspekte des Quantum-Machine-Learnings beleuchtet und in einem Einblick Quantensimulationen diskutiert werden. Hierdurch bietet der Vortrag eine recht breitgefächerte Einsicht in verschiedene aktuell beforschte Themenfelder.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel, Technische Universität Braunschweig

Im Rahmen der Energiewende wird der Anteil der Erneuerbaren Energien (EE) bis 2030 auf möglichst 80% am Strommix erhöht. Schon heute kommt es in Deutschland stundenweise zu Verhältnissen, wo die Erzeugung aus EE die Last übersteigt. Dies bedeutet, dass Systemdienstleistungen zu Stabilisierung des Stromnetzes (z. B. Regelleistung, Blindleistung, Momentanreserve), die traditionell aus fossilen Kraftwerken erbracht wurden, jetzt von beispielsweise Photovoltaik- und Batterieanlagen kommen müssen. Der Vortrag gibt einen Überblick über die aktuellen technischen Möglichkeiten und die Handlungsbedarfe auf wissenschaftlicher, regulatorischer und wirtschaftlicher Seite.   

Dipl.-Ing. Stephan Schulz, 50Hertz Transmission GmbH

Die Systemstabilität des Stromsystems beruhte maßgeblich auf der Kopplung von den Massen der Synchronmaschinen mit dem Netz. Mit dem Wandel des Stromsystems von großen Stromerzeugern allein, über die Integration von vielen verteilten Stromerzeugern hin zu einer nahezu vollständigen Dezentralisierung wird die Sicherstellung der Systemstabilität zum Gemeinschaftswerk aller am Netz angeschlossenen Anlagen. Über die europäischen Network Codes, nationalen Anschlussregeln und spezifischen Anschlussbedingungen wird sichergestellt, dass die Anlagen die notwendigen Voraussetzungen mitbringen, um Systemdienstleistungen zu erbringen. Der Vortrag wird einen Überblick über die Regelungen und deren Entwicklungen geben, die für die Systemstabilität notwendigen Systemdienstleistungen kategorisieren und versuchen an einem Beispiel das Zusammenspiel der Systemdienstleistungen darzustellen.

Dipl.-Ing. Axel Roll, Neways Technologies GmbH Erfurt

Wie Medizingeräte entwickelt werden, ist stark durch Normen und Standards reglementiert.
Es wird beleuchtet welche normativen Anforderungen bei der Entwicklung von Medizingeräten gelten und in welchem Zusammenhang sie zueinanderstehen. Es wird gezeigt wie diese nicht nur die Entwicklung selbst sondern vor allem die Dokumentation beeinflussen.