Energie und Mobilität
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A prototype of a thermal insulation system to offer high selectivity of the solar gain regarding the solar incidence angle (SATIS) was applied to a typical solid brick masonry for existing buildings in Germany. Light conducting elements (LCEs) inclined at 19 ° were incorporated in SATIS, which equals the average solar noon angle in southern Germany during winter. The entire wall construction was experimentally investigated in a differential climatic chamber test bench at four different irradiation angles according to a dynamic test procedure. In addition, a conventional wall construction (CWC) has been measured. At SATIS’ design angle of 19 °, the SATIS wall construction shows a solar gain (SG) of 394.5 Wh/m², while the SG of the CWC amounts to only 25.4 Wh/m². The validated transient model of the SATIS wall construction showed that, at the end of the irradiation period of the dynamic test procedure (8 h), the solar heat penetrates to a depth of 253 mm and 111 mm inside the 385 mm thick brick wall masonry at the irradiation angles of 19 ° and 50 °, respectively. During the same time, the stored solar energy at 50 ° amounts to only 24.4 % of that stored at 19 °.
Mit der Energiewende geht eine starke Dezentralisierung der Energieeinspeisung einher. So sind im Deutschland des Jahres 2020 rund 31.000 Windenergieanlagen (WEA) in Betrieb, während bei der Solarenergie vor kurzem die zweimillionste Photovoltaik-Anlage (PVA) installiert wurde. Fast alle diese dezentralen Energieressourcen (DER) sind nach den Einspeiserichtlinien der Vergangenheit und der Gegenwart in der Lage, Blindleistung bereitzustellen, um die Spannung im Netz zu regeln und zum Blindleistungsausgleich beizutragen. Weitere potentielle dezentrale Blindleistungsquellen wie Blockheizkraftwerke, Kompensationsanlagen und perspektivisch sogar Verbraucher und Speicher sind im Verteilnetz zu finden. Durch den stetigen Rückbau konventioneller Großkraftwerke, welche dem Übertragungsnetz bisher als Blindleistungsquellen zur Verfügung standen, bedarf es einer Untersuchung mit der Fragestellung, in welchem Maß die neue Erzeugungslandschaft auch in diesem Feld als Ersatz dienen kann. Ein mögliches Hindernis für einen breitangelegten Einsatz von DER zu Zwecken des spannungsebenenübergreifenden Blindleistungsmanagements ist mangelndes Wissen über die Regeldynamik dieser verteilten Blindleistungsquellen. Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber, die DER aktiv für Blindleistungsausgleich oder statische Spannungsregelung einsetzen, geben in der Regel ihre Blindleistungsanforderungen in kleineren Stufen mit erheblichen Latenzzeiten zwischen zwei Schritten weiter. Befürchtet wird, dass schnellere Sprünge in der Blindleistungsvorgabe zu instabilen Betriebszuständen oder anderweitigen Fehlfunktionen im Netz führen können. Eine genauere Kenntnis der dynamischen Fähigkeiten vorhandener Blindleistungsquellen sowie der Auswirkungen auf die Netzstabilität und den Netzschutz könnte dazu beitragen, die Geschwindigkeit der Blindleistungsbereitstellung zu optimieren und somit temporäre Spannungsschwankungen und -verluste zu minimieren und die Spannungsstabilität insgesamt zu verbessern. Durch eine entsprechende Regelungs- und Einsatzstrategie kann ein optimales Zusammenspiel der verschiedenen Technologien zur Deckung der Blindleistungsbedarfe für unterschiedliche Zeitbereiche erzielt werden. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Blindleistungsstellgeschwindigkeiten und des dynamischen Regelverhaltens erforderlich. Dieser Beitrag stellt dazu Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „Q-Integral“ vor. Um die relevanten Zeitkonstanten der Blindleistungsbereitstellung vollständig aufzuführen, werden zunächst typische Kommunikationszeiten für die Übermittlung von Sollwerten diskutiert. Anschließend werden Untersuchungen zu theoretischen und praktischen Reaktionszeiten verschiedener Blindleistungsquellen vorgestellt. Dafür werden verschiedene Technologien wie Umrichter für PVA, Batteriespeicher und WEA sowie Synchrongeneratoren, die bei thermischen Kraftwerken die dominierende Technologie sind, betrachtet. Abschließend werden diese Werte mit realen Blindleistungsstellgeschwindigkeiten von ausgedehnten Wind- und Solarkraftwerken verglichen.
Die Energiewende führt zu einem steigenden Zubau erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen im Verteilungsnetz. Ebenso ist mit einem verstärkten Zuwachs der Elektromobilität zu rechnen, der zu einer weiteren Ausreizung der zulässigen Spannungsbereiche und Leitungsauslastungen beitragen kann. Um die Aufnahmefähigkeit des Verteilungsnetzes zu erhöhen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen entwickelt und etabliert. Ein zusätzlicher Baustein zur Behebung von Netzengpässen und Spannungsproblemen sind zeitliche Verlagerungen von Einspeisungen und Verbrauchslasten in der Mittelspannungsebene. Diese sogenannten Flexibilitätsmaßnahmen sind derzeit noch nicht Stand der Technik. Um einen hohen Nutzen stiften zu können, indem sie zu einer effizienten Einsparung an Asset beitragen, müssen sie in der Netzplanung abbildbar gemacht werden. Dazu sind einerseits geeignete technische und zuverlässigkeitstheoretische Anforderungen an die Flexibilitätsmaßnahmen herauszuarbeiten, um eine möglichst hohe Gesamteffizienz bei Netz- und Anlagenbetreibern zu erzielen und andererseits ein Verfahren zu finden, mit dem Manipulationsmöglichkeiten (INC-DEC-Gaming) ausgeschlossen bzw. geringgehalten werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Untersuchung der wirkleistungsabhängigen Spannungssensitivität an den Knoten eines Mittelspannungsnetzstranges. Hierfür wird eine Reihe von Arbeitspunkten durch die Variation der Wirkleistungsentnahmen bzw. Einspeisungen an den Netzknoten sowie des Verschiebungsfaktors und der Spannungssollwertvorgabe am Bilanzknoten erzeugt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit von der Spannung des untersuchten Netzknotens. Hierbei steigt die Sensitivität bei fallenden Spannungswerten. Diese können sowohl durch Wirk- und Blindleistungsbelastungen als auch durch eine veränderte Referenzspannung am Umspannwerk bedingt werden. Darüber hinaus liegt eine Beeinflussung durch die Wirkleistungsbelastung und deren Verteilung über den Netzstrang hinweg vor. Je höher die Belastung der Leitung bis zum Knoten der Flexibilität ausfällt sowie je stärker sich die Last hin zu diesem Punkt verlagert, desto höher ist die Sensitivität. Dies gilt ebenfalls für Arbeitspunkte mit gleichbleibender Spannung in den betrachteten Knoten. Des Weiteren wird die Anpassung eines multiplen linearen Regressionsmodells vorgenommen. Dieses ermöglicht eine Abschätzung der Sensitivitätswerte durch die Kenntnis einiger, die Belastungssituation des Netzes bestimmender Parameter.
This paper shows how magnetic noises can be reduced with a wound field synchronous machine (WFSM) with magnetic
asymmetry compared to a permanent magnet synchronous machine (PSM), operating at base speed range and full load. In order to reproduce a real noise behavior, the two rotor types are operated in a complete electric drive unit (EDU) consisting of an electric motor, gearbox, inverter and overall housing. In the concept study, the noise characteristics of the two electric machines is evaluated and compared via mechanical finite element method (FEM) simulations using the equivalent radiated power (ERP) level and Campbell diagrams. Furthermore, it is shown that critical frequency orders can already be identified by the analysis of the magnetic force density from the electromagnetic design without computationally intensive ERP calculations. In this context, the ERP investigations have shown that the unique feature of the magnetically asymmetric WFSM is the reduction of the slot harmonics. At the current state of the art, the slot harmonics can only be reduced with a rotor skewing. The disadvantage of this is a reduction in performance and a more expensive production. It is also remarkable that the magnetic asymmetry reduces the slot harmonics more than the rotor skewing in the PSM. In addition, both machines are still considered with a short-pitched stator winding to optimize the overall noise level by reducing the 24th frequency order.
Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte für eine klimaverträgliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür die deutschen energiebedingten CO2-Emissionen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken müssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazitäten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Gebäudewärme hierzu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energiepflanzen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Landnutzung. Importe klimaneutral erzeugter Energieträger in sehr großem Umfang erfordern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft.
Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Windkraft in Deutschland. Schätzungsweise kann der Elektrizitätsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahezu vollständig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elektrifizierte Mobilität und Wärmeversorgung betreiben und ein Teil des benötigten "grünen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierfür ist ein jährlicher Zubau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft nötig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine gesellschaftliche Kraftanstrengung. Ein weiter verzögerter Ausbau müsste mit noch deutlich größeren gesellschaftlichen Anstrengungen für drastische Energieeinsparungen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt könnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Aufbau der Kapazitäten mehrere Jahre erfordert, ist es möglich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt für Importe entwickelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegenüber der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfolgen.
Grüner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abgeleitete Syntheseprodukte sind für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie für die Absicherung der Energieversorgung bei Dunkelflauten nötig. Ohne die genannten Ausbauziele für Wind und Solar noch drastisch weiter zu erhöhen, stehen diese Produkte für Straßenverkehr und Wärmeversorgung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Techniken zum Ausgleich zwischen Elektrizitätsangebot und -nachfrage sind verfügbar und sollten rechtzeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu gehören: Stromaustausch mit den Nachbarländern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. Für deren Integration sowie den Ausbau der Netze sollten zügig verbesserte rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen werden.
Die Kosten eines klimaverträglichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht höher als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitsplätze und Exportchancen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Gebäudesanierung. Die politischen Rahmenbedingungen entscheiden, ob eine klimaverträgliche Energieversorgung Deutschlands gelingt.