Bachelorarbeiten

Die deutsche Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2050 drastisch zu senken. Aus diesem Grund werden Potentiale zur Reduktion des CO2-Ausstoßes durch die bestehenden Energieversorgungsnetze gesucht, durch die es möglich ist die Zielsetzung zu erreichen. Diese Entwicklungsmöglichkeiten liegen nicht nur bei der Erzeugung von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien, sondern auch in einer effizienten Nutzung und Verteilung der bestehenden Ressourcen. Bestandteil dessen ist die Kopplung des Strom- und Wärmenetzes. Mit Hilfe von Power-to-Heat-Technologien können sektorenübergreifend überschüssige und fehlende Energiebeträge ausgeglichen werden. Ebenso kann die Kopplung der Sektoren, durch Bereitstellung von Regelenergien aus erneuerbaren Energiequellen, zu einer Stabilisierung der Energienetze führen. Mit Hilfe von dynamischen Simulationsmodellen ist es möglich, die Potentiale der sektoren-übergreifenden Energienutzung zu untersuchen. In dieser Arbeit wird überprüft, inwiefern mit einem Echtzeitsimulator in Kombination mit einem Hardware-in-the-Loop-Testsystem, die Kopplung eines Fernwärmenetzes mit einem Stromnetz, simuliert werden kann. Ebenso werden die Vor- und Nachteile gegenüber den heutzutage üblichen "offline"-Simulationen thematisiert. Dazu werden die Voraussetzungen analysiert, die das Modell erfüllen muss, um auf dem Echtzeitsimulator implementiert werden zu können und inwiefern die Theorie in der Realität umgesetzt werden kann. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Sektorenkopplung eine mögliche Stütze für ein stabiles Stromnetz sein kann. Der steigende Regelleistungsbedarf, aufgrund des sich vergrößernden Anteils an erneuerbaren Energien im Elektroenergienetz, kann über eine Kopplung zum Wärmesektor gemindert werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein Arduino Due für eine Hardware-in-the-loop-Simulation in Echtzeit genutzt werden kann.

Damit Deutschland die festgelegten Klimaziele erreichen kann, ist es essenziell, die Treibhausgasemissionen in allen Bereich zu verringern. Der bisherige Fokus zur Verringerung der Treibhausgasemissionen im Stromsektor liegt bei der Energieerzeugung. Durch den Rückbau konventioneller Kraftwerke und einem gleichzeitigen Ausbau erneuerbarer Energien nimmt die Fluktuation in der Energieerzeugung zu. Eine Lösung der Herausforderung der steigenden Fluktuation der Energieerzeugung zu begegnen und Systemdienstleistungen CO2-minimal bereitzustellen, ist ein sektorengekoppeltes Energiesystem. Dadurch ist es möglich, Leistungsdefizite oder -überschüsse im Stromsektor mit auszugleichen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen bei der Bereitstellung von Regelleistung zu verringern. Mögliche Kopplungstechnologien zwischen Strom- und Gassektor sind z.B. Elektrolyse-Anlagen oder Brennstoffzellen. Um die Potentiale von sektorengekoppelten Energiesystemen genauer zu untersuchen und zu analysieren, müssen komplexe Modelle erstellt und simuliert werden. Inhalt dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, zu untersuchen, inwiefern die Simulation dieser Modelle über eine Echtzeitrechner Vorteile gegenüber der "offline"-Simulation hat und wie die Modelle anzupassen sind, um sie auf einen Echtzeitrechner zu implementieren. Um diese Fragen beantworten zu können, wird ein Modell der Topologie Thüringens, bestehend aus einem gekoppelten Strom- und Gassektor, für die Simulation auf einem Echtzeitrechner angepasst und an verschiedenen Fallbeispielen simuliert.

Durch den stetigen Wandel des deutschen Strommix von konventionellen Kraftwerken zu erneuerbaren Energien wird auch das deutsche Stromnetz immer weiter an seine Grenzen gebracht. Eine besonders wichtige Aufgabe für die Übertragungsnetzbetreiber stellt die Überwindung des Nord-Süd-Gefälles der Erzeugung und Einspeisung dar. Mithilfe von Hochspannungsgleichstromübertragung kann über weite Strecken mit verhältnismäßig geringen Verlusten Energie übertragen werden. In dieser Bachelorarbeit soll nun ein Model für die Betriebsführung eines AC-DC-Netzes mit mehreren Übertragungsnetzbetreibern erstellt werden. Dazu wird unter Zuhilfenahme eines Optimal Power Flows eine geschachtelte Optimierung durchgeführt. Die entworfene Methode wird auf Funktionalität getestet und die Ergebnisse werden präsentiert.

Die Struktur des Energieversorgungsystems ist maßgeblich historisch bedingt. Das bedeutet, dass das System früher und in gewisser Hinsicht auch heute noch durch eine zentrale Erzeugerstruktur gekennzeichnet ist. Durch die aktuell stattfindende zunehmende Abkehr von fossilen Energieträgern, gewinnen regenerative Energiequellen zusehends an Bedeutung. Dieser, als Energiewende bezeichnete Vorgang führt zu einem massiven Zubau von dezentralen Erzeugungsanlagen und somit zu einer Veränderung der oben genannten Struktur. Diese Entwicklung ist vor allem im Bereich der Verteilnetze zu beobachten. Die von den entsprechenden Netzbetreibern verwendeten Netzleitsysteme sind durch diese veränderten Randbedingungen vor besondere Herausforderungen gestellt. Diese besitzen weiterhin die Aufgabe eine sichere und zuverlässige Energieversorgung zu ermöglichen. Um Kenntnis darüber zu erhalten, inwiefern die von ihnen verwendeten Netzleitsysteme dazu imstande sind, oder einer entsprechenden Ertüchtigung zu unterziehen sind, ist es notwendig, sie zu erproben. Diese Erprobung ist sinn-vollerweise in einer geschützten Umgebung, auf Grundlage einer Simulation durchzuführen, um Gefahren für elektrische Anlagen und Personen zu vermeiden. Innerhalb dieser Testumgebung ist die Kommunikation zwischen Netzleitsystem und Netzsimulation unerlässlich. Aus diesem Grund widmet die Arbeit sich der Entwicklung einer Methodik um eine wechselseitige Kommunikation beziehungsweise Datenbereitstellung zwischen den beiden oben genannten Komponenten zu ermöglichen. Dabei sollen zunächst Messdaten aus der Simulation bereitgestellt werden. Anschließend sollen die auf Grundlage dieser Daten getroffenen Entscheidungen als Stellbefehl an die Simulation zurückgegeben werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik wird mit Hilfe einer Netzsimulation auf ihre Anwendbarkeit und Funktion geprüft.

Die durch Gesetzesbeschlüsse geförderte Energiewende führt zu einem Wandel in der Erzeugungsstruktur der elektrischen Energieversorgungssysteme. Die Leistungsbereitstellung von wenigen großen Kraftwerken in den Hoch- und Höchstspannungsebenen weicht einer dezentralen Einspeisung vieler Anlagen mittlerer und kleiner Leistung in der Verteilnetzebene. Einhergehend reduzieren sich die Möglichkeiten zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen aus den Übertragungsnetzen. Es werden neue Potentiale in der Verteilnetzebene gesucht. Um einen sicheren Netzbetrieb zu gewährleisten, bedarf es neuer Konzepte, die die zunehmenden Herausforderungen der Erneuerbaren-Energie-Anlagen geeignet berücksichtigen. Dabei ist deren volatiler Einspeisecharakter und ihr dezentraler Anschluss in den Verteilnetzen einzubeziehen. Diese Bachelorarbeit untersucht, welche Anforderungen an Leitsysteme zur Umsetzung des Vertikalen Netzbetriebs gestellt werden und wie diese zu erfüllen sind. Dazu wird die vorhandene Leittechnik auf ihre Funktionen und die Erfassung von Daten, die eine Aussage über den aktuellen Systemzustand erlauben, analysiert. Die erarbeiteten Ansätze werden auf ihre Funktionalität unter dem Einfluss verschiedener Hemmnisse überprüft. Eine Validierung erfolgt durch Netzberechnungen an einem gewählten Referenznetz. Im Ergebnis steht eine Modularchitektur der notwendigen Leitsystemerweiterungen und benötigten Schnittstellen, die eine Realisierung des Vertikalen Netzbetriebs erlauben.