Forschungsarbeiten
Forschung am Fachgebiet
Unsere langjährige Arbeit in der Messung von Hochspannung und der Prüfung von dessen Betriebsmittel spiegelt sich in unseren Forschungsarbeiten wieder. Neben unserem Einsatz im Hochspannungslabor spielt auch die praktische Anwendung, z.B. die Leistungsflussbestimmung oder die Qualitätsbewertung vieler Betriebsmittel eine zentrale Rolle. Für diese Zwecke ist eine präzise Messung der Hochspannung und den Effekten, die diese mit sich bringt, notwendig. Mit unseren diversen Forschungsarbeiten entwickeln wir Messmethoden und Betriebsmitteln weiter und verbessern dadurch stetig die Aussagen über die Qualität der in der Hochspannung eingesetzten Geräte.
Im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit forschen wir aktuell besonders an Effekten, welche durch die klassischen Messungen der Störaussendung und -festigkeit nicht erkannt werden. Diese können jedoch im späteren Einsatz von Geräten zu Problemen führen. Unser Ziel ist es, zu untersuchen, wie stark der Einfluss in der Praxis wirklich ist und wie die klassischen Messmethoden anzupassen sind, damit die Verträglichkeit zwischen elektrischen Geräten garantiert werden kann.
Die Einführung der Leistungselektronik eröffnet, durch Senkung der Verlustenergie, neue Chancen zur Bekämpfung des Klimawandels und bietet viele neue Möglichkeiten des Energietransportes. Dazu gehört z.B. die kabellose Übertragung von elektrischer Energie. Auch wenn diese Methode bereits seit vielen Jahren bekannt ist, so entwickeln wir diese Systeme kontinuierlich für höhere Energien weiter und wollen dadurch z.B. dem Verschleiß von Schleifringen und der damit verbundenen Verschwendung von Ressourcen mindern.
Laufende Forschungsprojekte
Spannungs-Mess-System für HGÜ 4.0 (SMS4HGÜ)
Kontakt: tobias.kaluza@uni-due.de
Bei immer größeren Anteilen erneuerbarer Energien wird es zunehmend schwieriger, dass Stromnetz stabil zu halten und die gewonnene Energie verlustarm von weit entfernten Erzeugern zu den Verbrauchern zu leiten. Situationen mit hoher Last im Süden und der starken Winderzeugung im Norden sind problematisch für das Netz. Die räumliche Verlagerung der Erzeugung ist der Faktor, der das Stromnetz herausfordert. Die Zukunftsszenarien für 2035 gehen davon aus, dass in Deutschland die konventionelle Erzeugerkapazität im ambitioniertesten Szenario bei 75 GW liegt, während insgesamt 170 GW Leistung aus regenerativen Energien installiert sind. Ohne Netzausbaumaßnahmen wächst die Gefahr von Blackouts. Die wirtschaftlichen Schäden eines Produktionsausfalls aufgrund der Unterbrechung in der Energieversorgung wären für den Produktionsstandort Deutschland immens. Die aktuellen Entwicklungen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs(HGÜ)-Technologie ermöglichen auch in der Zukunft eine hohe Versorgungssicherheit. Und ganz wichtig: Auch wenn die Entwicklung von Speichern mit nennenswertem Speichervermögen erfolgreich ist, lässt sich der Netzausbau nicht vermeiden.
Mit dem vorliegenden Projekt wird ein Spannungs-Mess-System entwickelt, mit dem zum ersten Mal eine schnelle und effiziente Messung von der Gleichspannung überlagerten, hochfrequenten Spannungsanteilen in der neuesten Generation von HGÜ-Anlagen ermöglicht wird. Auf der Grundlage der Spannungsmessung soll der Schutz der modernen HGÜ-Energieanlagen vor Ausfällen gewährleistet und die Erfassung der Spannungsqualität (Power Quality) in Wechselspannungsnetzen verbessert werden. Das sichert die Netzstabilität sowie die Spannungsqualität und somit die Versorgungssicherheit. Die technische Herausforderung des Projektes besteht in der Lösung der Anforderungen an die Messung von Gleichspannungen und Wechselspannungen bis 550 kV mit einer sehr hohen Bandbreite von mind. 150 kHz (im ± 3 dB Bereich) für die überlagerten, hochfrequenten Spannungsanteile (AC) und gleichzeitig an eine sehr hohe Genauigkeit der Messung im Bereich der Gleichspannung (DC) von ± 0,1 %, um dadurch eine präzise Energieabrechnung in vermaschten DC-Netzen möglich zu machen.
Weitere ausführliche Informationen zu diesem Forschungsprojekt finden Sie als Download.
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RHeNoHaft
Kontakt: thorsten.klauke-queder@uni-due.de
Innerhalb des BMWK geförderten Verbundforschungsprojekts RHeNoHaft zusammen mit der Rhenotherm GmbH wird ein neuartiger Schichtaufbau einer Kalander-Heizwalze entwickelt. Im Zentrum dieses spezialisierten Schichtaufbaus steht eine neuartige Antihaftschicht mit einer in den Schichtaufbau integrierten elektrischer Widerstandsheizung. Bisherige Kalander-Heizwalzen wurden aufgrund der extremen Betriebsbedingungen mit heißem Thermoöl betrieben. Bei der neuen Variante soll, statt dem extern erwärmten und in die rotierende Walze injiziertem Thermoöl eine elektrische Heizschicht in die Oberfläche der Heizwalze integriert werden, welche außerdem effizient und wartungsarm versorgt werden soll.
Für dieses Vorhaben sind neben der Entwicklung der Materialien und des Applikationsprozesses für den Schichtaufbau, dem Schichtaufbau selbst, auch die elektrische Kontaktierung zur Energiezufuhr auf den rotierenden Körper der Heizwalze sowie der zugehörigen Regelung zum Betrieb des Systems zu entwickeln.
Ziele des Projekts sind, die Erhöhung der Standzeiten von Heizwalzen durch die neuen Materialien, die Vermeidung von umweltschädliches Thermoöl und weiteren Chemikalien als Spüllösung zur Aufbereitung durch Integration einer elektrischen Heizschicht und das Einsparen von Energie und CO₂ durch Effizienzsteigerung des Betriebs und thermischen Entkopplung zum Walzenkörper hin.
Am Lehrstuhl ETS der Universität Duisburg-Essen wird sich mit den folgenden Teilaufgaben dieses Projekts auseinandergesetzt:
1. Thermische und elektrischen Charakterisierung der eingesetzten Materialien
2. Dimensionierung des Schichtaufbaus und Integration einer geeigneten Heizschicht
3. Kontaktierung/Versorgung der Heizwalze und Regelung des Heizwalzenbetriebs.
Für die verwendeten Materialien des Schichtaufbaus stehen Keramiken und Polymere zusammen mit diversen Additiven im Fokus der Forschung. Bei der Untersuchung der thermischen Materialeigenschaften werden sind die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit betrachtet. Bei den elektrischen Eigenschaften sind es die Spannungsfestigkeit, die Leitfähigkeit und die Permittivität.
Zur Dimensionierung des Schichtaufbaus soll der Wärmestrom der Heizschicht nach Möglichkeit ausschließlich in den zu bearbeitenden Werkstoffs fließen. D. h. der Stahlkörper der Heizwalze sollte durch einen hohen thermischen Widerstand von der Heizschicht entkoppelt werden. Die Antihaftschicht ist dabei so zu dimensionieren, dass zum einen eine elektrische Isolation für die Antihaftschicht besteht und zum anderen aber eine gute Wärmeleitung zum zu bearbeitenden Werkstoff der Heizwalze (Papier, Folie oder Textil) besteht. Darüber hinaus ist ein Konzept für die Heizschicht zu entwerfen, welches sich in den Schichtaufbau integrieren lässt.
Für die Kontaktierung der Heizwalze gibt es mehrere Ansätze. Schleifringanordnungen beispielsweise, sind eine seit Langem bekannte und etablierte Lösung zur Versorgung elektrischer Systeme auf rotierenden Körpern. Allerdings weisen diese trotz ihrer Einfachheit einige Nachteile auf. Dazu zählen unter anderem die Standzeiten und somit der Wartungsbedarf solcher direkt kontaktierenden Lösungen. Weitere Probleme mit Schleifringanordnungen stellt die Funkenbildung dar, welche den Abrieb der Kontaktelemente nochmals erhöhen und zusätzlich störende Funkentstörungen aussenden. Um den Problemen mit solchen direkt kontaktierenden Methoden auszuweichen, stehen berührungslose Verfahren im Fokus dieses Projekts. Im Speziellen wird dabei die Methode des Wireless-Power-Transfer (WPT) betrachtet. Dabei wird ähnlich zu Generatoren Energie induktiv übertragen. Allerdings entfällt durch die Ausrichtung des magnetischen Feldes des Übertragungssystems die mechanische Kopplung, wodurch es gelingt, nicht in den Regelkreis der Gesamtmaschine (Kalander) eingreifen zu müssen. Nachteilig ist allerdings, dass hier über eine komplexe Leistungselektronik die Energie hochfrequent (resonant) im Bereich einiger 10 bis 100 kHz Übertragen werden muss. Dafür bedarf es neben der Leistungselektronik auch einer komplexen Regelung. Zur Regelung der Energieübertragung werden hocheffiziente leistungselektronische Stellglieder untersucht.
Abgeschlossene Forschungsprojekte
Smart Technology Planning (STeP)
Abgeschlossen am 28.02.2022
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Durchdringung dezentraler Erzeugungsanlagen und neuer Lasten in Verteilungsnetzen steigen die Herausforderungen für einen sicheren Netzbetrieb. Um unzulässige Netzbetriebszustände zu vermeiden, können innovative Betriebsmittel (bspw. regelbare Ortsnetzstationen, netzdienliche Speichertechnologien) und Betriebsführungskonzepte (bspw. Einspeise- und Lastmanagement, Bildleistungsmanagement) eingesetzt werden. Die Lösungsoptionen basieren häufig auf einer sicheren und zuverlässigen Informations- und Kommunikationstechnik zur Anbindung von Sensoren und Aktoren. Dies muss zukünftig für wirtschaftlich und nachhaltig optimale Lösungen in die Netzplanungsprozesse der Netzbetreiber Einfluss finden. Der Einsatz von Powerline Communication (PLC) ermöglicht dabei die Nutzung der vorhandenen Energiekabelinfrastruktur zur Kommunikation und gewährt dem Netzbetreiber Unabhängigkeit seitens Dritter. Durch die direkte physikalische Kopplung können jedoch Veränderungen der Netzstruktur oder Last-/Einspeiseanlagen einen potentiell negativen Einfluss auf die Performance der PLC haben. Zeitvariante Phänomene hinsichtlich der Störaussendung oder Impedanzen von Betriebsmitteln können in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt auftreten. Hierdurch ist eine Einschätzung der Langzeitzuverlässigkeit von PLC-Strecken auf Basis kurzzeitiger Feldmessungen für den Netzplanungsprozess nicht garantiert übertragbar. Bereits vor Einsatz dieser Technologie im Feld sollte durch vorausschauende Planungsichergestellt sein, dass Betriebsmittel und Kommunikationstechnik sich in Ihrer Funktion nicht gegenseitig beeinflussen.
Das Gesamtziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung eines Verfahrens zur integrierten Planung von Netzausbaumaßnahmen, innovativen Netzbetriebsmitteln und -konzepten unter Einsatz einer modellgestützten PLC-Planungsmethodik zur Sicherstellung der erforderlichen Kommunikationsverfügbarkeit. Zur Sicherung der Praxis- und Realitätsnähe werden die Entwicklungen gezielt von Feld- und Laboruntersuchungen begleitet. Negative Effekte auf PLC-Strecken (bspw. durch leistungselektronisch angeschlossene Betriebsmittel) werden im Laborverteilungsnetz der RWTH Aachen umfangreich anhand unterschiedlichster realer Betriebsmittel untersucht und bei der Netzplanung direkt berücksichtigt. Weiterhin wird zur physikalischen Analyse der Übertragungsqualität problematischer PLC-Strecken ein mobiles und praxistaugliches PLC-Langzeitmessgerätes entwickelt und anschließend im Rahmen der Feldtests erprobt und validiert.