Die Energiewende erfordert die Entwicklung neuer Netzstrukturen. Das Gewinnen von Energie aus erneuerbaren Quellen und das Nutzen dieser Energie in verbrauchsintensiven Anwendungen wie der Elektromobilität werden erst mit leistungselektronischen Frequenzumrichtern möglich. Durch das hochpräzise Einstellen von Spannungen und Stromstärken ermöglichen sie das bedarfsgerechte Bereitstellen von Energie. Zum frühzeitigen Testen neu entwickelter Frequenzumrichter unter realen Betriebsbedingungen entwickeln Wissenschaftler des KIT deshalb ein Power-Hardware-in-the-Loop-System (PHiL). Als Prüfumgebung ermöglicht es das zuverlässige Nachbilden des elektrischen Energienetzes und aller darin auftretenden Fehlerfälle. Die kontinuierlich verbesserte Hard- und Software des Testfelds erlaubt dabei ein flexibles Anpassen und Abstimmen aller Komponenten des Gesamtsystems.

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Die Energiewende braucht technische Lösungen, mit denen sich die Energie aus der Solar- und Windstromproduktion dezentral speichern und schwankende Produktionskapazitäten ausgleichen lassen. Neben der etablierten Lithium-Ionen-Technologie, bietet die Redox-Flow-Batterie, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichert, dafür eine innovative Lösung. Die Flow-Batterie bietet eine Reihe von Vorteilen, welche sie für mittlere bis große Speicherprojekte prädestiniert: So können Leistung (kW) und Energie (kWh) unabhängig voneinander skaliert werden. Ein einfaches Beispiel für die Anwendung ist das „Verschieben“ von Sonnenenergie in die Nacht. Wissenschaftler des KIT forschen an Möglichkeiten, die Flow-Batterie-Technologie günstiger und zuverlässiger zu machen. So musste bisher jede zu installierende Batterie für ein spezifisches Anwendungsszenario manuell angepasst werden. Mit einer neuen am KIT entwickelten Steuerung lassen sich dagegen ganze Batterie-Cluster dezentral managen. Damit können Batterie-Module vorgefertigt werden, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden müssen. 

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Mit dem Fortschreiten der Energiewende steigt die Zahl der Verbraucher, die gleichzeitig dezentral Strom aus Wind- und Sonnenenergie produzieren. Sie ersetzen immer größere Teile der Erzeugungskapazität, übernehmen aber nur begrenzt netzdienliche Aufgaben wie das Stabilisieren der Spannung und das Bereitstellen von Regelenergie. Smart Grids sollen diese Aufgaben künftig übernehmen. Grundlage für deren Konzeption und Steuerung sind präzise Systemmodelle und hochaufgelöste Messdaten aus dem laufenden Netzbetrieb. Elektrotechniker des KIT haben dafür einen Electrical Data Recorder (EDR) entwickelt. Im Stromnetz in der Nähe des Endverbrauchers oder in industriellen Anlagen installiert, kann dieser Netzspannung und Lastströme punktgenau aufzeichnen. Der EDR soll künftig mit einer messdatengetriebenen Modellierung von Netzsegmenten und Betriebsmitteln die Qualität von Systemmodellen und damit zum Beispiel die Steuerung von Smart Grids erheblich verbessern.

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Thermoelektrische Generatoren bieten autarken Kleinstverbrauchern für Anwendungen im Internet of Things und der Industrie 4.0 eine Alternative: Statt aus Batteriespeichern oder Kabelleitungen können die Mikro-Generatoren der aus dem KIT ausgegründeten otego GmbH direkt aus umliegenden Wärmequellen elektrische Energie gewinnen und so eine kontinuierliche Versorgung gewährleisten. Das reduziert den Wartungsaufwand und schont Ressourcen. Auf den Einsatz von Schwermetallen wie Tellur wird sogar vollständig verzichtet. Ihre kompakte Bauform, das Fehlen mechanisch beweglicher Teile und die Verwendung von Kunststoffen als Basismaterial macht sie zudem besonders robust und zuverlässig. Mit der so bereitgestellten Energie lassen sich verschiedenste Sensoren, Auswerteelektronik und Funkanbindungen betreiben: von einfachen Produkten wie einem elektronischen Heizkörperthermostat bis hin zur Versorgung von Sensorknoten in größeren Anlagen.

Am 23.04. um 12.30 Uhr, wird Frederick Lessmann, einer der otego-Gründer, beim „Forum Young Tech Enterprises“ (Halle 17, Stand A58) einen Vortrag zum Thema „Industrie 4.0 – Wer wird da eigentlich smart gemacht?“ halten.

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Wesentlich für die Elektromobilität ist das intensive Weiterentwickeln elektrischer Antriebe. Benötigt werden zum einen kompakte und leistungsfähige Motoren, zum anderen müssen die Auswirkungen auf die Umwelt sowie die Herstellungskosten reduziert werden. An diesen Herausforderung arbeitet die 2017 aus dem KIT ausgegründete SciMo – Elektrische Hochleistungsantriebe GmbH. SciMo entwickelte bereits mehrere erfolgreiche Motoren, die etwa dem Team „KA Racing“ des KIT zum Sieg bei der „Formula Student Electric 2016“ verhalfen sowie als Antrieb für den siegreichen Prototypen der TU München beim Hyperloop-Wettbewerb von SpaceX 2017 dienten. Die Motoren zeichnen vor allem zwei Merkmale aus: Sie sind besonders klein und besonders leistungsfähig. Die kompakte Bauweise wird durch ein erhöhtes Drehzahlniveau erreicht, wobei die Drehzahl durch ein nachgeschaltetes Getriebe für verschiedene Antriebsszenarien ideal angepasst werden kann. Durch innovative Kühlverfahren wiederum, wie die von SciMo weiterentwickelte indirekte Nutkühlung, lassen sich besonders große Dauerstromdichten erreichen, was die Leistungsfähigkeit der Motoren erhöht. Mit diesen Eigenschaften könnten sie sich künftig auch als Generatoren für Flugwindkraftwerke nutzen lassen.

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