Zuverlässige Druckentlastungsberechnungen in der Niederspannung

IGF-Vorhaben Nr. 22533 BG Laufzeit:               01.08.2022 - 31.07.2024 Schwerpunkte: #Gleichstromsysteme #Untersuchung von Fehlerströmen und Störlichtbögen #Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Personenschäden und zur Verringerung von Schäden und Ausfallzeiten der Stromversorgung

Inhalt:

Elektroenergieversorgungssysteme basieren bisher vor allem auf Wechselspannung. Durch den verstärkten Einsatz dezentraler und alternativer Energieerzeuger steigt der Anteil an Komponenten, die Gleichspannung benötigen. Ein Feld, in dem bereits heute Gleichspannung genutzt wird, stellen Zwischenkreise drehzahlvariabler Antriebe in z.B. Fertigungsstrecken und Kompressionsmaschinen industrieller Anlagen dar. Außerdem etablieren sich zunehmend Batteriespeicherlösungen, die ebenfalls Gleichspannungssysteme voraussetzen. Für Gleichspannungssysteme müssen die gleichen Ansprüche an Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllt werden wie im vorhandenen Wechselspannungsnetz; sowohl im Hinblick auf den Anlagen- als auch auf den Personenschutz. Für Wechselspannungs-Netze existieren bewährte Schutzsysteme und persönliche Schutzausrüstungen. Es ist zu untersuchen, ob diese auch in Gleichspannungs-Netzen anwendbar sind. Die Untersuchungen sind auf Hochstromgleichspannungslichtbögen bei Kurzschlüssen in Niederspannungsgleichstromsystemen ausgerichtet. Neben der Untersuchung von gleichrichtergespeisten Störlichtbögen liegt der Fokus auf der Untersuchung von Batterieanlagen. Basierend auf aus Messungen abgeleiteten Modellen wird eine Gefährdungsbeurteilung für unterschiedliche Anlagentypen durch Störlichtbögen abgeleitet. Die ermittelten Risiken werden beschrieben und mögliche Schutzmaßnahmen aufgezeigt. Die angestrebten Forschungsergebnisse sind insbesondere von kleineren und mittleren Unternehmen aus vielfältigen Bereichen der Energieerzeugung und -verteilung nutzbar, z.B.:

Hersteller von Schaltanlagen (in Deutschland sind eine Vielzahl davon KMU)

Hersteller von Batterien

Betreiber von Gleichstromnetzen (z.B. in Industriebetrieben)

Betreiber von Batterieanlagen

Verteilnetzbetreiber

Ingenieur- und Architekturbüros für die Bereiche

- Anlagen- und Gebäudeplanung

- Netzberechnungen für Verteilungsnetze

- Anlagen- und Personenschutz

Handwerksbetriebe, die Schaltanlagen installieren

Zuverlässige Druckentlastungsberechnungen in der Niederspannung

IGF-Vorhaben Nr. 20914 BG Laufzeit: 01.11.2019 - 30.06.2022 Schwerpunkt: #Ermittlung von Fehlerströmen als Basis für Druckberechnungen #Handlungsempfehlungen bei Störlichtbögen im Netz #Verringerung von Schäden und Ausfallzeiten der Stromversorgung

Inhalt:

Die FGH forscht seit Ende des vergangenen Jahres zur „Sicherheit bei Störlichtbögen in der Niederspannung". Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt das IGF-Vorhaben über die AiF. Den Rahmen bildet das Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF). Störlichtbögen im Niederspannungsbereich sind ungewollte elektrische Luftstreckenverbindungen zwischen Leitern unterschiedlichen Potentials. Die energiereiche physikalische Erscheinung des Lichtbogens besitzt in Schalt- und Verteilanlagen ein hohes Zerstörungspotential – und stellt eine Gefährdung für Personen, Anlagen und die Versorgung mit elektrischer Energie dar.

Prüfungen für fabrikfertige Niederspannungsschaltanlagen sind aufwendig und aufgrund der Inanspruchnahme von Hochleistungsprüffeldern mit hohen Kosten verbunden. In vielen Fällen sind Prüfungen der Druckauswirkung in Anlagengebäuden nicht möglich, z.B. in bereits bestehenden Gebäuden, in denen vorhandene Schaltanlagen ersetzt werden sollen, sowie in der Planungsphase von Anlagen. In den Standards und Normen gibt es keine Bestimmungen zur Gebäudesicherheit bei Störlichtbögen in Niederspannungsanlagen. Betreiber dieser Anlagen bestehen jedoch zunehmend auf dem Nachweis der Störlichtbogensicherheit in ihren Gebäuden. Dieser kann nur über Berechnungen erfolgen. Anders als in der Mittel- und Hochspannung fehlen in der Niederspannung jedoch die dazu erforderlichen Eingangsdaten.

Ziel des Projektes ist es, durch zuverlässige Druckberechnungen zur Auslegung von Entlastungsmaßnahmen die Sicherheit in Niederspannungsanlagen bei Störlichtbogenereignissen zu erhöhen. Als Ergebnis wird ein Verfahren angestrebt, dass Fehlerströme als Basis für Druckberechnungen ermittelt sowie Handlungsempfehlungen bei Störlichtbögen im Netz ableitet. Damit soll neuen Herausforderungen an Schutz und Sicherheit beim Auftreten von Störlichtbögen in der Niederspannung begegnet werden.

Mit schnellen und zuverlässigen Schutzsystemen können Schäden und Ausfallzeiten der Stromversorgung verringert oder verhindert werden. Mit der Möglichkeit, Druckentlastungssysteme über verbesserte und erweiterte Druckberechnungsverfahren dimensionieren zu können, kann die Anzahl von kostenintensiven und zeitaufwendigen Störlichtbogenprüfungen verringert werden. Daraus ergibt sich ein hoher Nutzen gerade für KMU. KMU, die zwar über eine hohe Anzahl von Anlagen aber über keine eigenen zuverlässigen Druckberechnungsverfahren verfügen, gewinnen die Möglichkeit, wettbewerbsneutral Druckberechnungsergebnisse zu erhalten. Somit wird mit den Ergebnissen die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit von KMU - insbesondere von Herstellern der Niederspannungs-Schaltanlagen, Ingenieur- und Planungsbüros sowie Handwerksbetrieben - gestärkt.

Projektphase zwei: Wir entwickeln Prüfvorschriften für die neuen ENSURE-Technologien

ENSURE II Laufzeit: 01.02.2020 - 31.07.2023 Schwerpunkt: #Transformation des Energiesystems, #Prognoseunsicherheiten im Verteilnetz und Übertragungsnetz #Sektorenkopplung

Akkreditierte Labore müssen die in ENSURE entwickelten Technologien streng prüfen. Der Grund sind Auflagen und das erhöhte Risiko ungeprüfter Komponenten im Netz. 
Damit wird das Risiko eines Fehlerfalls im Demonstrationsbetrieb weitestgehend ausgeschlossen. Die FGH erstellt für die in ENSURE bislang entwickelten Technologien und Lösungen Prüfvorschriften ausgehend von bestehenden Normen. Durch den Neuheitscharakter der innovativen Entwicklungen sind größtenteils keine umfassenden Vorschriften für eine Prüfungsprojektierung und -durchführung vorhanden. Somit müssen wir bestehende Vorschriften durch geeignete Passagen erweitern oder komplett neu entwickeln.

Aufbauend auf den entwickelten Prüfvorschriften und geeigneten Prüfszenarien werden die entsprechenden Prüfungen in geeigneten Laboren projektiert und von der FGH begleitet. Die Ergebnisse bereiten wir auf und analysieren sie mit Blick auf die Demonstration im Netz.

Wir stimmen uns mit den Netzbetreibern ab und geben die Komponenten zum Einbau frei – oder spielen die Ergebnisse an die jeweiligen Entwickler zurück. Erlangte Erkenntnisse aus den Definitionen der Prüfvorschriften sowie den Prüfungsresultaten tragen wir in entsprechende Normungsgremien – zusammen mit den weiteren beteiligten Partnern (vorrangig Hersteller und Netzbetreiber).

Kopernikus: So geht Energiewende

„Wie viel Netz brauchen wir in Deutschland und wie können wir die optimale Netzstruktur bauen? Noch weiß keiner, wie diese Netzstruktur aussehen muss, wenn wir 80 bis 90 % des Stroms aus Erneuerbaren Energien realisieren. Darauf sucht das Projekt ENSURE jetzt Antworten“, sagte die damalige Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei einer Rede am 13. Oktober 2016 in Jülich.

Das Kopernikus-Projekt ENSURE verfolgt mit einem ganzheitlichen systemischen Ansatz das Ziel, neue Energienetzstrukturen für die Energiewende zu erforschen und bereitzustellen. 2019 begann die Theorie, 2020 folgen eine Simulation und erste Pilotanalgen, ab 2022 startet der Realbetrieb in der Praxis. Denn die bis zum Jahr 2050 angestrebten energiepolitischen Bestrebungen und Klimaschutzziele der Bundesregierung („50-80-80“) machen den Transformationsprozess der derzeitigen Energielandschaft unumgänglich. Diese veränderten Rahmenbedingungen erfordern einerseits tiefgreifende Anpassungen der elektrischen Energieversorgung, andererseits eine Kopplung verschiedener Energieträger. Und damit eine Kopplung von Strom-, Gas-, Wärme- und Verkehrssektor. Im Rahmen von ENSURE optimieren Industrieunternehmen, zivilgesellschaftliche Organisationen, die FGH und weitere Wissenschaftler hierfür das Energiesystem. Dabei berücksichtigen wir alle relevanten Energieträger und die dazugehörige Infrastruktur.

Den massiven dezentralen Zubau von erneuerbaren Energieanlagen meistern

Unsere Hauptfrage dabei: Wie müssen zentrale und dezentrale Energieversorgungselemente im Gesamtsystem ausgestaltet sein, um eine zuverlässige und sichere Energieversorgung zu gewährleisten? Eine Rolle spielen dabei nicht nur technische und sozioökonomische Aspekte. Auch muss die Gesellschaft die Energieversorgungselemente akzeptieren. In den Fokus rückt:

Die Erforschung neuartiger stabiler Systemführungskonzepte auf Basis innovativer Informations- und Kommunikationstechnologien.

Die Etablierung neuer Technologien zur Leistungsübertragung, Produktion, Beschaffung, Verteilung und Verarbeitung von Daten/Informationen.

Wir denken im Projekt ENSURE neue Energienetzstrukturen. Gründe sind der dezentrale, massive Zubau von erneuerbaren Energieanlagen (EE-Anlagen), der zunehmende Stromverbrauch, u.a. durch E-Mobility und Power-to-X-Anwendungen in den unterlagerten Spannungsebenen und dass wir die häufig dezentralen, aber auch verbleibenden zentralen bzw. überlagerten Stromversorgungselemente sinnvoll miteinander verbinden wollen. Zu Letzterem zählen insbesondere große Verbraucher und Übertragungsnetze für gesamtheitlich zweckmäßigen Stromhandel und Bilanzausgleich

Die genannten Entwicklungen auf der Lastseite und beim EE-Ausbau sind dabei im Besonderen zu berücksichtigen. Sie führen neben dem Kohle- und Kernenergieausstieg dazu, dass zukünftige Flexibilitätspotentiale aus Erzeugung und Verbrauch hauptsächlich dezentral angeschlossen sind. Dadurch verschieben sich diese Flexibilitätspotentiale aus dem Übertragungsnetz (ÜN) in die Verteilnetze.

Auswirkungen der veränderten Netznutzungsfälle im Verteilnetz

Das mit der Forschungsinitiative „Zukunftsfähige Stromnetze“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundvorhaben wird in Zusammenarbeit mit der TU Braunschweig (Leitung), TU München sowie RWTH (IAEW), Aachen, durchgeführt.

Die Spannungsqualität im Verteilnetz ist abhängig von den im Netzgebiet angeschlossenen Erzeugern und Verbrauchern. Die aktuellen Veränderungen dieser sogenannten Netznutzungsfälle im Rahmen der Energie-, Mobilitäts- und Wärmewende haben somit einen großen Einfluss auf die Spannungsqualität. Diese sollen die Verteilungsnetzbetreiber aufrechterhalten – das ist eine ihrer zentralen Aufgaben. 

Im Rahmen des Projektes U-Quality untersuchen wir, welchen Einfluss der Wandel der Netznutzungsfälle auf die Spannungsqualität in Verteilungsnetzen hat – und welche Komponenten, Technologien und Verfahren die Wahrung der Spannungsqualität sicherstellen können. Das Konsortium besteht aus vier Forschungsinstituten sowie sechs Verteilnetzbetreibern und vier Industriepartnern, die den Instituten die Möglichkeiten eines direkten Feedbacks zu ihren Ergebnissen geben. Sie ermöglichen es, ihre Simulationen unter realen Bedingungen zu testen.

Das Projekt U-Quality wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt. Darin passen wir als FGH die Verfahren und Komponenten derart an und entwickeln sie so weiter, dass sie die Spannungsqualität nicht nur hinsichtlich der statischen Spannungshaltung, sondern u. a. auch hinsichtlich Unsymmetrie, Flicker und Oberschwingungen verbessern.

Normen, Anwendungsregeln und Prüfvorschriften: Von der Theorie direkt in die Praxis
Wir erarbeiten gemeinsam sowohl Handlungsempfehlungen für Verteilnetzbetreiber und Hersteller wie auch für die zukünftige Überarbeitung von Normen, Anwendungsregeln und Prüfvorschriften. Wie? Durch ein dreistufiges Vorgehen mit Simulationen, Laborversuchen und Feldtests. Wir wollen die Bewertung von realistischen Szenarien mit einer initialen Messkampagne fördern. So können wir die Ist-Situation erfassen. Die Mitarbeit innovativer Partner aus Industrie und Netzbetrieb gewährleistet eine hohe Praxisnähe und eine rasche Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse. Durch die Mitarbeit der Projektpartner in verschiedenen Normungsgremien fließen die Projektergebnisse direkt in künftige Normen und Richtlinien ein. 

Fazit: Folgenden Hauptfragen gehen wir gemeinsam nach:

• Welche Auswirkungen haben zukünftige Netznutzungsfälle der Niederspannung (Photovoltaik, Elektrofahrzeuge, Batteriespeichersysteme und Power-to-Heat-Anwendungen) und ihre Betriebsweise auf die Spannungsqualität?
• Wie können wir diese Auswirkungen wirksam, effizient und kostengünstig beherrschen? Antworten folgen.

Datenmodell und Kommunikationsstack für den FlexHub

FlexHub Laufzeit: 01.01.2019 – 30.06.2022 Schwerpunkt: #Flexibiltätsdatenregister #flexible Verbraucher #flexible Erzeuger

Im BMWi-Forschungsprojekt FlexHub entwickelt die FGH unter anderen mit der RWTH Aachen ein verteiltes Flexibilitätsdatenregister mit einem Energiemarkt für flexible Verbraucher und Erzeuger. Dezentrale, flexible Verbraucher und Erzeuger werden dabei über eine sichere Infrastruktur angebunden und deren verfügbare markt- und netzdienliche Flexibilitäten mit den dafür relevanten Mess- und Prognosedaten über ein verteiltes System zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht die Kontrahierung von Flexibilität zwischen den beteiligten Marktrollen in der jeweiligen Ampelphase über eine verteilte, offene, dynamische und diskriminierungsfreie Plattform, die als Datendrehscheibe und Steuerungseinheit für intelligente Netze dient.

Um eine flächendeckende Verfügbarkeit der Lösung zu gewährleisten, bringt das Projektkonsortium die Lösung in die Normierungsgremien des IEC-61850-Standards ein. Das Energiemarktdesign und die Standardisierung sorgen somit für eine umfassende Flexibilitäts-Lösung im Rahmen des Redispatch 2.0, die auch auf absehbare, zukünftige Engpassproblematiken - z.B. in der Niederspannung durch z.B. E-Mobilität - übertragbar ist.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt wird in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen, den Fraunhofer-Instituten FIT und FKIE, der HAW Hamburg, der Kiwigrid GmbH und der Mitnetz Strom GmbH durchgeführt.

Netze für die Stromversorgung der Zukunft

OVRTuere Laufzeit: 01.11.18 – 30.04.22 Schwerpunkte: #Netzstabilität #Versorgungssicherheit #Energiewende #OVRT #Netzmodelle

Das Stromnetz muss stabil und sicher sein – das ist für die Gesellschaft und Wirtschaft von entscheidender Bedeutung. Ein Thema, das dabei in den Fokus von Forschung und Netzbetreibern rückt: zeitweilige Überspannungsereignisse. Diese können beispielsweise als Folgeereignis von Netzstörungen auftreten, wenn es im Rahmen eines Fehlers zu einem Verlust von Einspeiseleistung oder Lastabwurf kommt.

Überspannungsereignisse sind zwar kein neues Phänomen, aber die Energiewende bewirkt eine zunehmende Dezentralisierung. Und die kann das Problem verkomplizieren.  

Das Forschungsvorhaben "OVRTuere (Over Voltage Ride Through – Zeitweilige Überspannungen und abgeleitete Regeln für einen effizienten und sicheren Netzbetrieb)" analysiert umfassend die technischen Ursachen für kritische großräumige Überspannungen im Stromnetz.

Die teilnehmenden Konsortialpartner 

• übernehmen vielfältige Aufgaben rund um die Analyse der Überspannungsereignisse
• untersuchen Gegenmaßnahmen
• erstellen eine Netzmodellierung und dynamische Simulation
• und entwickeln Konzepte, um die Stabilität im Stromnetz zu sichern und zu verbessern.

FGH e.V. und FGH GmbH sind beide Partner im vom BMWi geförderten Forschungsprojekt OVRTuere, in welchem Ursachen für zeitweilige Überspannungen sowie deren zu erwartende Profile hinsichtlich Höhe und Dauer analysiert und schließlich aus Systemsicherheit zu vermeidende Ereignisse abgeleitet werden. Darauf basierend soll ein gesamtheitlich effizientes Paket von Abhilfemaßnahmen unter Einbezug von netz- und kundenseitigen Maßnahmen abgeleitet werden. Für die kundenseitig erforderliche Störfestigkeit gegenüber den zeitweiligen Überspannungen (High-Voltage-Ride-Though) werden bestehende Testverfahren bewertet und bei Bedarf weiterentwickelt.

Die konkreten Projektschritte sind:

• Entwicklung eines Verfahrens zur Netzmodellierung und Simulation von Überspannungsereignissen auf Verteilnetzebene
• Modellierung von Netzeinspeisung und Lasten
• Ereignisrecherche und Szenarienbildung
• Analyse netzseitiger Maßnahmen zur Überspannungsbegrenzung und Konzeptentwicklung

Diagnose-Guide zur Behandlung der Auswirkungen von Verkabelung im deutschen Höchstspannungsnetz

CableCop Laufzeit: 01.09.2018-28.02.2022 Schwerpunkte: #Erdkabelausbau #Energiewende #Höchstspannung

Der Erdkabelzubau beeinflusst die Netzcharakteristika. Im Forschungsprojekt Code of Practise (CableCoP) werden reale Höchstspannungs-Netzbereiche hinsichtlich dieser Einflüsse modelliert und simuliert: Wie wirken sich Erdkabel auf den Verlauf der frequenzabhängigen Netzimpedanz aus, wenn wir betrachten, wie sich Resonanzen verschieben und ausbilden? Wie breiten sich transiente Überspannungen aus? 

Das Konsortium des Projekts setzt sich aus den vier Übertragungsnetzbetreibern sowie der FGH zusammen. Wir ermitteln und diskutieren:

• wie sich zunehmende Kabel-Stromkreislängen auswirken
• was damit verbundene Risiken sind
• und wie wir Abhilfe schaffen.

Über einen Leitfaden verbessern wir entsprechende systemtechnische Auswirkungen der Kabelstrecken für die Netzplanung und ermitteln Kosten. Im Forschungsprojekt setzen wir das Berechnungsmodul unserer Software INTEGRAL ein, mit der wir die frequenzabhängige Netzimpedanz sowie den netzweiten Oberschwingungspegel berechnen.

Simulation und Bewertung effizienter Betriebskonzepte für aktive Verteilnetze

Ein SINTEG- Projekt: Wir gestalten die Stromnetze der Zukunft mit

Wie können zukunftsfähige Energiesysteme großflächig zum Einsatz kommen? Das untersuchen die FGH und 31 weitere Konsortialpartner im Rahmen von enera. Das Projekt ist Teil des Förderprogramms vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) „SINTEG – Schaufenster Intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“. 

Ziel ist es, in großflächigen „Schaufensterregionen“ skalierbare Musterlösungen für eine umweltfreundliche, sichere und bezahlbare Energieversorgung bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien zu entwickeln und zu demonstrieren. Im Zentrum stehen dabei die intelligente Vernetzung von Erzeugung und Verbrauch sowie der Einsatz innovativer Netztechnologien und -betriebskonzepte. Die gefundenen Lösungen sollen als Modell für eine breite Umsetzung dienen. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert die fünf Schaufenster mit insgesamt über 200 Mio. Euro. Zusammen mit den zusätzlichen Investitionen der Unternehmen werden über 500 Mio. Euro in die Digitalisierung des Energiesektors investiert. SINTEG ist damit ein wichtiger Beitrag zur Digitalisierung der Energiewende.

An den SINTEG-Schaufenstern sind über 200 Unternehmen und weitere Akteure, bspw. aus der Wissenschaft, beteiligt. Die FGH wird im Einzelvorhaben die Simulation und Bewertung von effizienten Betriebskonzepten für aktive Verteilnetze durchführen und untersuchen, wie die Vielzahl innovativer Lösungsansätze für Smart Grids beim Netzbetrieb und der Netzplanung berücksichtigt werden können. Hierdurch soll die gesteigerte Komplexität reduziert werden. 

Zu diesen innovativen Konzepten gehören zum einen Betriebsmittel wie der regelbare Ortsnetztransformator oder supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer. Zum anderen zählen auch neuartige Betriebskonzepte, bspw. die Nutzung von Flexibilität auf Kundenseite durch Last- und Einspeisemanagement, Blindleistungsbereitstellung oder Topologieoptimierungen durch steuerbare Trennstellen dazu. Einen besonderen Schwerpunkt stellt die Ausgestaltung der zukünftigen Betriebsplanungsprozesse im Verteilnetz sowie deren Abstimmung untereinander und mit vorgelagerten Netzbetreibern dar. Aus den zu konzipierenden und zu implementierenden Simulationsverfahren resultieren zudem Werkzeuge für Netzbetreiber, mit denen diese bei der Transformation von einem passiven zu einem aktiven Verteilnetz unterstützt werden. Mithilfe von Systemstudien wird außerdem aufgezeigt, welche Auswirkungen es auf das Gesamtsystem hat, wenn dieser Transformationsprozess flächendeckend erfolgt.

Wir

• entwickeln und erproben Konzepte
• gestalten zukünftige Stromnetze aus
• und leisten einen Beitrag zu wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen.