Forschungsprojekte

Der Energieverbrauch von Industrie und Privathaushalten fällt oft nicht zeitlich mit der Energieerzeugung durch Wind, Sonne oder Wasser zusammen. In Ländern mit großen topographischen Höhenunterschieden helfen technisch etablierte Pumpspeicherkraftwerke, einen Teil der Energie nach Bedarf zwischenzuspeichern. Das Projekt ALPHEUS, an dem auch die Technische Universität Braunschweig mit dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau - Abteilung Hydromechanik, Küsteningenieurwesen und Seebau und dem Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen (elenia) beteiligt ist, arbeitet nun an Lösungen, damit auch Gebiete im Flachland von dieser eigentlich bekannten Technologie profitieren können.

Derzeitige Stromnetze sind aufgrund des langsamen Netzausbaus noch nicht in der Lage, die Schwankungen erneuerbarer Energiequellen wie der Windenergie abzufangen, ohne auf fossile Kraftwerke mit Ausstoß von klimaschädlichem CO2 zurückzugreifen oder deren Einspeisung immer wieder zeitweise zu drosseln. In Bergregionen wie den deutschen Mittelgebirgen und den Alpen entlasten Pumpspeicherkraftwerke (PSK) die Netze. Dabei wird Wasser bei überschüssiger Stromerzeugung in Speicherbecken auf höhere Topographie gepumpt. Bei steigendem Stromverbrauch fließt das Wasser durch Turbinen wieder zu Tal. Dieses Verfahren ist die derzeit am besten ausgereifte und kostengünstigste Art der Energiespeicherung.

Was aber machen Länder wie die Niederlande und Belgien? Sie verfügen nicht über die für PSK erforderliche natürliche Topografie mit großen Höhenunterschieden in der Landschaft. Das Energie-Backup besteht somit fast ausschließlich aus fossilen Brennstoffen und Wärmekraftwerken. Trotz großer Fortschritte in der Batterieforschung hinsichtlich Effizienz und Anfangskosten gelten Lithiumionenbatterien nicht als wirtschaftliche Speicheralternative. Ihre Lebensdauer steht verglichen mit der für die Herstellung benötigten Energie in einem deutlich schlechteren Verhältnis als bei PSK.

Im Rahmen des Projektes ALPHEUS werden konzeptionelle Entwürfe für neue und nachgerüstete PSK-Becken mit niedriger Förderhöhe entworfen. Eine umfassende Beurteilung der mechanischen, elektrischen und strukturellen Komponenten ermöglicht es, die Kosten dieser Systeme zu bestimmen und die Risiken zu bewerten. Tools zur Informations- und Entscheidungsunterstützung werden entwickelt, um das Wissen in die Gesellschaft zu tragen.

Neben der Entwicklung der passenden Turbinen-Technologie, die sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb bei niedrigen Förderhöhen effizient arbeiten kann und der Erkundung des Standortpotentials für neue und nachzurüstende Pumpensysteme und Becken, untersucht das elenia vor allem die Auswirkungen auf die Stabilität des Stromnetzes.

Projektkonzept von 'ALPHEUS'

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom elenia an der TU Braunschweig modellieren hierfür spezielle Umrichtereinheiten zur Einspeisung der erzeugten Leistung in das Verbundnetz. Anschließend messen sie dessen Auswirkungen auf das Netz und evaluieren, inwiefern solche Stromrichter neben der bloßen Einspeisung auf vielfältige Weise zur Stabilisierung des Verbundnetzes beitragen können. Dies ermöglicht eine Bewertung, wie größere Stromnetze auf die dezentrale Energiespeicherung reagieren.

Das Projekt „C2T – Connect to Transform“ zielt darauf ab innovative Lösungen für die klimaneutrale Wärme und Kälteversorgung der Braunschweiger Bahnstadt zu entwickeln. Diese Lösungen werden modular ausgestaltet, sodass eine übertragbarkeit auf andere Städte in Deutschland gewährleistet wird – ein Projekt mit Modellcharakter!

Die Bahnstadt Braunschweig ist ein 300 Hektor großes Viertel um den Hauptbahnhof und dient als unmittelbare Demonstratorplattform. Dank der Beteiligung lokaler Partner können bestehende Strom- und Wärmeversorgungsnetze transformiert werden und somit ein wichtiger Beitrag für die Erreichung der Klimaschutzziele im urbanen Raum Braunschweig geleistet werden.

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Projektseite

Partner:	Stadt Braunschweig
	siz-energieplus
	Technische Universität Braunschweig - elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme
	Technische Universität Braunschweig - Institut für Städtebau und Entwurfsmethodik
	Technische Universität Braunschweig - Institut für Psychologie
	RWTH Aachen - Lehrstuhl für Software Engineering
	BS|Energy
	synavision GmbH
	CUBOS GmbH
Assoziierte Partner:	SMA Solar Technology AG
Laufzeit:	01.10.2025 – 30.09.2027
Verantwortliche(r) im elenia:	Lily Kahl
	Eike Niehs
	Henrik Wagner
	Carsten Wegkamp
Projektleiter:	Dr. Stefan Plesser (synavision)
	Thomas Wilken (siz energie+)

Das Projekt FastChargeLongLife thematisiert die „Modellbasierte Bewertung der Betriebsgrenzen verschiedener Zellsysteme zur Auslegung von adaptiven Schnellladestrategien entlang der gesamten Nutzungsphase“. Zur modellbasierten Bewertung der Schnelladefähigkeit werden im Projekt verschiedene elektro-thermische und physikochemische Simulationsmodelle entwickelt. Diese erlauben die Vorhersage der sicheren Betriebsgrenzen bzw. Prädiktion von sicherheitskritischen internen Alterungseffekten. Ein gekoppelter Modellansatz erlaubt die Bewertung der maximalen Betriebsgrenzen von verschiedenen Zellmaterialsystemen zur Ableitung optimierter Schnellladestrategien. Dabei werden diese entlang der gesamten Nutzungsphase adaptiv angepasst, sodass es zu keinen kritischen Alterungseffekten wie dem Lithium-Plating kommt, welche die Lebensdauer verschlechtern und die Sicherheit beeinträchtigen. Zu periodischen Alterungszuständen werden Batteriezellen geöffnet und hinsichtlich Materialdegradationen untersucht. Die Ergebnisse werden genutzt, um die Modelle zu optimieren und die Methodik der alterungsabhängigen Anpassung zu verifizieren. Der gekoppelte Modellansatz erlaubt dabei eine schnelle Bewertung verschiedener Zellmaterialsysteme hinsichtlich der Schnellladefähigkeit entlang der gesamten Nutzungsdauer. Dadurch können Anforderungsprofile frühzeitig bewertet werden und Innovationszyklen beschleunigt werden. Zudem können die optimierten Schnellladestrategien dazu beitragen die Ladezeit sowie Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien durch eine höhere spezifische Energie, umweltfreundlicheren Komponenten und geringeren Materialkosten aus. Der derzeit vorwiegend eingesetzte Flüssigelektrolyt in der Batterietechnik birgt jedoch aufgrund seiner Brennbarkeit besonders in Transportanwendungen ein Sicherheitsrisiko. Eine vielversprechende Materialklasse stellen feste Elektrolyte dar, die zum einen die Sicherheit von Batteriezellen erhöhen, aber auch die Energiedichte weiter verbessern können. Polymerbasierte Festelektrolyte im speziellen sind ein attraktiver materialwissenschaftlicher Ansatz, der sowohl die Sicherheit erhöht als auch den Shuttle-Effekt unterdrückt. Durch die Hinzugabe von funktionalisierten Füllstoffen in die Polymer-Matrix können die Materialparameter sehr flexibel angepasst werden, um zum Beispiel die ionische Leitfähigkeit zu verbessern. Diese hybriden polymerbasierten Festelektrolyte haben das Potential einer skalierbaren Synthese sowie einer einfachen Prozessierung, und sind daher für den industriellen Einsatz vielversprechend.

Zunächst sind jedoch nachvollziehbare und zuverlässige quantitative Analysen für das vollständige Verständnis der Transport- und Konversierungsprozesse erforderlich, um die Materialparameter der festen Elektrolyte zu verbessern. Multidimensionale operando-Methoden und ex-situ-Untersuchungen auf breiter Skala sowie spektroskopische Untersuchungen an den Grenzflächen Elektrode/Elektrolyt sind weit verbreitete Ansätze, um wichtige Einblicke in die komplexen Reaktions- und Transportmechanismen zu erhalten. Das Gesamtziel dieses Projektes ist die Herstellung von hochperformanten Li/S-Pouchzellen (mehrlagig) mit fortschrittlichen hybriden Festelektrolyten auf Polymerbasis und einer kinetisch optimierten Kathode.

Ziel des Forschungsvorhabens zur Ermittlung von Prozess-Qualitäts-Beziehungen für die Zellformierung und des End-of-Line Tests zur funktionsintegrierten Gesamtprozessoptimierung (FormEL) ist die Optimierung und Zusammenführung der finalen Produktionsschritte von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Herkömmliche Formierungen und End-of-Line-Tests (EOL-Tests) dauern mehrere Stunden bis zu mehrere Tage. In FormEL werden state-of-the-art Prozeduren der Formierung und des EOL-Tests hinsichtlich Zeit, Kosten und Qualität verbessert. Durch das Projekt sollen die Wechselwirkungen zwischen der Formierprozedur und dem End-of-Line Test in Bezug zur resultierenden und diagnostizierten Zellqualität ermittelt werden. Diese Prozess-Qualitäts-Beziehungen werden zur Entwicklung detaillierter Modelle und Optimierung der beiden Prozessschritte, mit dem Ziel einer funktionsintegrierten Zusammenführung, genutzt. Die experimentellen Tests und detaillierten Simulationsmodelle ermöglichen systematische Untersuchungen und Sensitivitätsanalysen zur Identifikation der entscheidenden Prozessparameter während der Formierung und des EOL-Tests. Anschließend können diese gezielt optimiert und hinsichtlich einer Funktionsintegration ausgelegt werden. Durch die optimierte Formierung inklusive EOL-Test kann die Zellqualität gesteigert und sowohl die Prozesszeit als auch –kosten verringert werden. Das MEET und elenia sind für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Formaten zuständig. Die Zellen werden vom elenia und PEM experimentell hinsichtlich einer optimierten Formierung und Funktionsintegration untersucht. Die experimentelle Optimierung des EOL-Tests wird durch das EES und MEET durchgeführt. Die Optimierungen und Funktionsintegration der Einzelprozesse werden dabei durch detaillierte Modelle und Simulationen vom InES (Formierung) und EES (EOL-Test) unterstützt. Durch diese Vorgehensweise werden die Prozess-Qualitäts-Beziehungen sowohl experimentell als auch modellgestützt ermittelt und analysiert. Das PEM entwickelt einen Warenträger, der die Anforderungen aller Projektpartner für die funktionsintegrierte Formierung inkl. EOL-Test berücksichtigt und an dem die Validierung durchgeführt wird.

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Im Rahmen der aktuellen politischen Ziele und der damit verbundenen zunehmenden Abhängigkeit von elektrischer Energie, getrieben durch die Sektoren Transport und Wärme, erfolgt ein signifikanter Wandel in der Stromerzeugung: weg von großen Erzeugungsanlagen mit Synchrongeneratoren hin zu kleineren, stromrichterbasierten Erzeugungsanlagen. Diese Verschiebung wird maßgeblich durch den zunehmenden Einsatz von Photovoltaik- und Windkraftanlagen vorangetrieben, die zudem häufig in das Verteilnetz integriert sind. Diese Entwicklung stellt das Energieversorgungssystem vor große Herausforderungen, birgt jedoch auch Chancen in Bezug auf Systemdienstleistungen wie Regelenergie, Momentanreserve oder Spannungshaltung. Das Forschungsprojekt "Fuchstal leuchtet" widmet sich dieser Problematik. Im Reallabor der Energiezukunft Fuchstal wird erforscht, ob unter der Bedingung, dass die Frequenz- und Spannungsstabilität ohne übergeordnete Kommunikation zur Netzdynamik gewährleistet werden kann, ein stabiler Netzbetrieb in der Praxis mit Anlagen nach dem heutigen Stand der Technik möglich ist. Zusammen mit dem elenia Institut der Technischen Universität Braunschweig, der Hochschule München, der Gemeinde Fuchstal und der LEW Verteilnetz soll folgende Forschungsfrage beantwortet werden:

Wie ist in der Praxis ein stabiler Netzbetrieb in einem Netz ohne zentrale Regelungsstruktur möglich, das ausschließlich von Stromrichtern gespeist und belastet wird?

Das Forschungsprojekt besteht aus den folgenden Teilbereichen:

• Entwicklung von Regelungsstrategien für netzbildende Stromrichter mit integrierten Batteriespeichern
• Untersuchungen zu unerwünschten Wechselwirkungen und der Analyse des Zusammenspiels von Stromrichterregelungen
• Betrachtung der Systemstabilität in Reaktion auf Laständerungen
• Untersuchung der Schutztechniken und selektive Abschaltmechanismen und Evaluierung von Anpassungen zur Erfüllung der Anforderungen im Inselnetzbetrieb
• Kritische Überprüfung der bestehenden Netzparallelbetriebsparameter im Hinblick auf zukünftige Netzstabilität und Überprüfung notwendiger Anpassungen oder Überarbeitungen gemäß technisch geltender Anschlussregeln
• Konzipierung und Evaluierung eines Regelungskonzepts für stromrichterbasierte Verbundnetze auf Basis des untersuchten stromrichterbasierten Mittelspannungsnetzes

Partner:	Hochschule München
	Technische Hochschule Augsburg
	Gemeinde Fuchstal
	TU Braunschweig
Assoziierte Partner:	LEW Verteilnetz
Laufzeit:	August 2023 - Juli 2026
Verantwortliche(r) im elenia:	Till Garn
Projektleiter:	Prof. Dr. Georg Kerber (Hochschule München)

Das Ziel des Forschungsprojektes GFI-Pilot ist die Pilotierung von netzbildenden Batteriestromrichtern in allen Spannungsebenen des Verteilnetzes sowie die Entwicklung von Betriebsstrategien für diese Batteriespeichersysteme zur Bereitstellung von Momentanreserve zur Vorbereitung des allgemeinen Rollouts dieser neuen Technologie. Dieses Forschungs- und Feldtestvorhaben wird einen wesentlichen Beitrag zum Roll-out von netzbildenden Batteriestromrichtern im Verteilnetz leisten. Die Pilotierung solcher Anlagen ist ein essentieller Bestandteil notwendiger Untersuchungen, um die Systemstabilität trotz zukünftiger Herausforderungen eines Systems mit 100% erneuerbarer Energiedurchdringung zu gewährleisten. Ein Teilnetz im Gebiet der Thüringer Energienetze, in dem schon erfolgreich der Schwarzstart und die Inselnetzbildung erprobt wurden, soll für die Pilotierung von GFI-Anlagen genutzt werden. Alle Betriebsarten (Normalbetrieb, Inselnetzbetrieb, Netzwiederaufbau) werden in einem realen Netz durchgeführt, um die Erprobung von GFI-Anlagen im Netz möglichst umfassend zu gestalten.

Das elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme konzentriert sich hierbei auf Untersuchungen netzbildender Wechselrichter in der Niederspannung sowie mögliche Betriebsstrategien. Vor der Pilotierung im Feld sind hierfür betriebliche Voraussetzungen zu analysieren und ein Mess- und Untersuchungsprogramm zu planen. Anschließend werden Simulationsstudien durchgeführt, um Netzregionen bei verschiedenen Störereignissen zu untersuchen und den Parallelbetrieb mehrerer Anlagen zu prüfen. Hierbei werden Modelle zur Modellierung von Momentanreservebereitstellung entwickelt und Laboruntersuchungen an Einzelanlagen geplant. Anschließend werden die netzbildenden Batteriestromrichter im Feld sowohl im Normalbetrieb als auch im Inselnetzbetrieb mit Netzwiederaufbau getestet. Die Ergebnisse sind im Folgenden zu analysieren, um Empfehlungen zur Einführung von GFI-Anlagen abzuleiten.

Partner:	TEAG Thüringer Energie AG
	Fraunhofer IEE
	p&m Power Consulting GmbH
	Vattenfall Wasserkraft GmbH
	TU Braunschweig
Assoziierte Partner:	VDE FNN
	SMA Solar Technology AG
	50Hertz Transmission GmbH
Laufzeit:	01.01.2025 – 31.12.2028
Verantwortliche(r) im elenia:	Merle Ferk
	Timo Sauer
Projektleiter:	Dr. Matthias Sturm (Thüringer Energie AG)

Bei dem Projekt Graduiertenkolleg CircularLIB handelt es sich um ein standortübergreifendes interdisziplinäres Graduiertenprogramm auf der Schnittstelle zwischen Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften zur Etablierung einer wirtschaftlich effizienten und ökologisch nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.

Neben nachhaltiger Systemgestaltung (Lifecycle-Betrachtungen, ökonomischer/ökologischer Bewertung und Aufbau eines datengetriebenen Ansatzes) werden in den Forschungsthemen zur gesamtheitlichen und abgestimmten Abbildung der Batteriematerial-Kreislaufführung systematisch erforscht. An den Schnittstellen greifen Prozess- und/oder Zwischenprodukte ineinander.

Das Projekt gliedert sich in die vier Forschungsfelder nachhaltige Systemgestaltung, Material-/Zellalterung, Recyclingprozesse und Materialrückgewinnung (Hydrometallurgie, Resynthese/Rekonditionerung von Aktivmaterial). Zusätzlich zur interdisziplinären Forschung in einem Schlüsseltechnologiebereich bietet das Graduiertenkolleg fachliche und überfachliche Förderung im Rahmen eines Qualifizierungsprogrammes. So werden die Promovierenden auf Aufgaben in Industrie und Forschungseinrichtungen vorbereitet und der Batteriecluster der Region Braunschweig nachhaltig gestärkt.

Zielsetzung Projekt 2-2 am elenia: Zustandsermittlung und Charakterisierung der Zellperformance von verunreinigten und gealterten Batterien

1. Beurteilung der Formierung und Alterung von Batteriezellen mit verunreinigten bzw. recycelten Materialien
2. Etablierung von Charakterisierungsmethoden für Batteriezellen nach der Herstellung und während der Alterung
3. Kalendarische und zyklische Alterungsstudien
4. Untersuchung des endgültigen End of Life von Batteriezellen für entsprechende Recyclingwege

Gefördert durch die SPRUNG der Volkswagen Stiftung.

Mit dem nationalen Ziel Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 zu erreichen, stehen Fragen der Nachhaltigkeit speziell im Energiesektor an zentraler Stelle der deutschen Politik (vgl. Koalitionsvertrag 2021-2025). Im Hinblick auf eine sich wandelnde und zunehmend dezentrale Netzstruktur und Herausforderungen durch Faktoren wie die zunehmende Elektromobilität oder den Ausbau der erneuerbaren Energien, sehen sich Hersteller und Betreiber für zukünftige nachhaltigere Anlagen der Energieverteilung speziell im Bereich der Mittelspannungsnetze großen Herausforderungen bzgl. Effizienz und Versorgungssicherheit bei gleichzeitig steigendem Kostendruck gegenübergestellt. Eine wesentliche Komponente dieser Verteilungsnetze stellen Schaltanlagen dar. Als zentrales Element für Knotenpunkte zwischen Verteilung und Verbraucher, garantieren Sie einen zuverlässigen und sicheren Betrieb, meist über mehrere Jahrzehnte.

Ziel des beantragten Fördervorhabens ist es, das konstruktive Design von Mittelspannungs-Schaltanlagen als wesentliche Komponenten des Energieverteilungssystems über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg neu zu denken und nachhaltiger zu gestalten, um so einen substantiellen Beitrag zur Energiewende in Deutschland zu leisten.

Partner:	ABB AG Forschungszentrum Deutschland
	Forschungsinstitut für Rationalisierung e.V. (FIR), RWTH Aachen
	Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
	Albert-Ludwigs-Universität Freiburg - Institut für Nachhaltige Technische Systeme – INATECH
Wirtschaftspartner:	SÜC Energie und H20 GmbH
	Jakob Becker Entsorgungs-GmbH
Verantwortliche(r) im elenia:	Nils Rosebrock
	Timo Meyer
Projektleiter:	Samuel Rader (ABB AG Forschungszentrum Deutschland)

Die größte Herausforderung der Energiewende bleibt der Transport und die Speicherung erneuerbarer Energien so-wie deren Nutzung in den Sektoren Wärme und Mobilität. Ein Lösungsweg zeichnet sich in Verbindung mit der Wasserstofftechnologie ab. Überschüssige regenerative Erträge können durch Power to Gas in Wasserstoff (H2) umgewandelt und damit speicherfähig gemacht werden. Durch den Einsatz von Brennstoffzellen wird Energie wieder bereitgestellt.

Das Verbundvorhaben H2-Terminal unter Leitung des Steinbeis-Innovationszentrums energieplus hat das Ziel ein Wasserstoff-Kompetenzzentrum am Campus der TU Braunschweig aufzubauen. Hierbei soll eine ganzheitliche Modellierung, Simulation und Testung von Technologien im Reallabor entlang der Wasserstoff-Wandlungskette ermöglicht werden. Dadurch ist eine anwendungsnahe Grundlagenforschung in dem neu geschaffenen Zentrum bzw. Forschungslabor möglich. Das Gesamtvorhaben untergliedert sich hierbei in zwei Teilvorhaben:

Das elenia koordiniert im Rahmen des H2-Terminal das Teilvorhaben II der wissenschaftlichen Begleitung des Aufbaus des Wasserstoff-Kompetenzzentrums durch die sieben Universitätsinstitute und den Geschäftsbereich 3 der TU Braunschweig. Im Weiteren ist das elenia für den Arbeitsbereich der Netz- und Systemintegration des Wasserstoff-Kompetenzzentrums verantwortlich. Untersuchungsschwerpunkt ist dabei der im Wasserstoff-Kompetenzzentrum zu installierende Batteriespeicher und die Ausgestaltung möglicher Betriebsweisen mit dem primären Ziel der Gewährleistung einer stetigen Produktion von grünem Wasserstoff.

Das Projekt „HVBatCycle“ hat das übergeordnete Ziel, innovative, nachhaltige und energie-effiziente Prozesse entlang der Wertschöpfungskette von Hochvoltbatterien aus Elektrofahrzeugen zu entwickeln, um in naher Zukunft die geschlossene Kreislaufführung von Batteriematerialien zu ermöglichen. Insbesondere werden die Prozesse zur sortenreinen Demontage, zum ökologisch effizienten Recycling von Altbatterien und zur Herstellung neuer Batteriematerialien aus den zurückgewonnenen Sekundärrohstoffen entwickelt. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts ihre Skalierbarkeit und wirtschaftliche Tragfähigkeit nachgewiesen. Durch ein interdisziplinär aufgestelltes und hochqualifiziertes Konsortium sollen Prozesse einer verketteten End-to-End Wertschöpfungskette entwickelt und aus dem Labor in eine prototypische Umsetzung geführt werden. Ergänzend wird geprüft, ob die hergestellten Sekundärmaterialien auch für einen erneuten Einsatz in der Batteriezelle geeignet sind. Zudem werden über eine Batterieanalyse eingehenden Batterien hinsichtlich einer möglichen Weiternutzung im 2nd Life vorsortiert. Das elenia arbeitet an einer detaillierte Bestimmung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen zwischen dem Einfluss von Sekundärmaterialien auf die elektrochemische Zellperformance. Hierzu werden spezielle kleinformatige Testzellen als auch großformatige Pouchzellen mit gezielt verunreinigten Materialien sowie Sekundärmaterialien elektrochemisch charakterisiert und bewertet. Auf Basis der Ergebnisse soll ein Diagnose-Tool entwickelt werden, um die Zellperformance aus Sekundärmaterialien bewerten zu können.

Die sich während der Formierung bildenden Grenzschichten (SEI und CEI) sind maßgeblich für die Performanz, Sicherheit und Langlebigkeit einer Batterie entscheidend. Die Formierung ist allerdings ein enorm zeit-, energie- und daraus folgend kostenintensiver Produktionsschritt in Forschung als auch Industrie. Da die Formierung an Zellchemie und individuelle Zellparameter gebunden ist, ist auch eine individuelle Optimierung der Formierung nötig. Diese individuelle Optimierung kann mittels einer KI realisiert werden. Diese intelligente beschleunigte Formierung kann die Anlaufzeit reduzieren, den Ausschuss an Zellen verringern, kürzere Belegzeiten zur Folge haben und insgesamt zu einer höheren Energieeffizienz, auch beim Endverbraucher, führen.

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Das Forschungsprojekt KEMAL „Kundenorientiertes Energiemanagement mit autonomer Lastregelung“ befasst sich mit der Weiterentwicklung und Erprobung existierender Standards rund um das Smart Meter Gateway (SMGW) und das intelligente Messsystem als Ganzes. Der Fokus liegt dabei auf Funktionalitäten, die ein innovatives Energiemanagement im Haushalt des Kunden ermöglichen. Hierbei können zukünftig Möglichkeiten zur Priorisierung einzelner Verbrauchseinrichtungen, sowie ereignisvariable Tarife im SMGW ein wichtiges Instrument zur gleichzeitigen Berücksichtigung netz- und marktdienlicher Interessen als auch der des Kunden bereitstellen.

Das elenia beschäftigt sich innerhalb dieses Verbundvorhabens mit der Entwicklung eines Home Energy Management System (HEMS), welches die normgerechte Anbindung vollflexibler Prosumer an das intelligente Messsystem gewährleistet. Das entwickelte System wird anschließend im Labor und unter Realbedingungen erprobt. Die Verwendung der vom Projektpartner EMH metering weiterentwickelten SMGW, sowie die Erprobung eines von der Hochschule Biberach konzipierten Mehrwehrproduktes zum priorisierten Laden von Elektrofahrzeugen sichert einen hohen Innovationsgrad.

Das Forschungsprojekt LISA4CL (Laden – induktiv, schnell, autonom für City Logistik) beschäftigt sich mit den Entwicklungen eines induktiven Ladesystems mit Ladeleistungen von mindestens 22 kW. Die Realisierung dieses Systems erfolgt in Anlehnung an bestehende Normen für das induktive Laden mit niedrigeren Leistungen. Dadurch soll diese Ladeinfrastuktur abwärtskompatibel sein.

Das zweite Kernthema dieses Projektes ist die Netz- und Systemintegration dieser Ladeinfrastruktur. Ohne eine aktive Steuerung und/oder Regelung der Ladeinfrastruktur kann ein sicherer Netzbetrieb nicht mehr 100 prozentig gewährleistet werden. Dafür werden entsprechende Ansätze entwickelt und in Simulationen sowie im Labor getestet.

Die Erprobung des induktiven Ladesystems sowie der Ansätze zur Netz- und Systemintegration erfolgen im Rahmen eines Feldtestes beim City Logistik Unternehmen Fairsenden in Berlin.

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Projektseite

Das Forschungsprojekt MELANI „Mehrfach genutzte Energiespeicher im Mehrfamilienhaus nachhaltig integrieren“ verfolgt das Ziel, den Geschosswohnungsbau für die Speichernutzung in Kombination mit der Nutzung regenerativer Energien sowie neuen Verbrauchern aus dem Wärme- und Mobilitätssektor zu erschließen. Die Haushalte eines Mehrfamilienhauses teilen sich dabei die Erzeugungsanlage und den Speicher. Zur eichrechtskonformen Messung sowie rechtssicheren Abrechnung ist die Entwicklung von Hard- und Software notwendig, da die unterschiedlichen Energiebezüge aus Speicher, EE-Anlage und Netz erfasst werden müssen. Die Softwarelösung soll darüber hinaus eine Portalanbindung bieten, über die Wohnungsnutzer ihre Anteile an Erzeugungsanlage und Speicher selbst bewirtschaften können. Dadurch sollen insbesondere Mieter aber auch Wohnungseigentümer der Zugang zu nachhaltiger, lokal erzeugter Energie ermöglicht werden. Darüber hinaus können Ausgleichseffekte netzentlastend wirken.

Das elenia ist im Vorhaben zuständig für die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Speichernutzungskonzepts mittels Umsetzung neuartiger Betriebs- und Optimierungsstrategien für Gebäudeenergiemanagementsysteme in Mehrfamilienhäusern. Die Arbeit umfasst neben Simulationsstudien einen Demonstratoraufbau in den Laboren des elenia. Im Zentrum steht die Entwicklung einer zentralen Daten- und Steuerungsplattform, über die auch die Nutzerschnittstelle realisiert wird. Des Weiteren sollen die entwickelten Lösungen in einem Feldtest untersucht werden, um die Vorteile von MELANI nachweisen zu können.

Das Projekt MetroSDL hat zum Ziel, die metrologischen Grundlagen für neuartige Systemdienstleistungen (SDL) zu erforschen, die im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) entwickelten und 2023 veröffentlichten Roadmap Systemstabilität gefordert werden. Ein wichtiger Teil dieser Roadmap ist der Erhalt der Systemstabilität bei Ersatz der Trägheit rotierender Massen in konventionellen Kraftwerken durch stromrichterbasierte Erzeugungsanlagen wie Wind-, Photovoltaik- und Batteriekraftwerke. Aus diesem Grund wird im Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) in §12h die "Trägheit lokaler Netzstabilität" als neue "nicht-frequenzgebundene" Systemdienstleistung definiert, die künftig von den Übertragungsnetzbetreibern am Markt beschafft werden soll.

Die marktbasierte Beschaffung dieser Systemdienstleistungen erfordert die messtechnischen Grundlagen zur Bestimmung zahlreicher aus Strom und Spannung abgeleiteter Größen, darunter die Bestimmung der Trägheit und der Anlaufzeitkonstanten für netzbildende Regelverfahren sowie dynamische Frequenzbestimmungen. Darüber hinaus können frequenzgebundene Systemdienstleistungen, wie die schnelle Primärregelleistung, eine bedeutende Ergänzung zur von Wechselrichtern bereitgestellten Momentanreserve darstellen. Dazu müssen die bestehenden netzfolgenden Regelungskonzepte weiterentwickelt und um hochdynamische Messverfahren ergänzt werden. Hierbei muss ihr netzdienliches Verhalten nachgewiesen werden.

Diese messtechnischen und regelungstechnischen Arbeiten sind essenziell für die Präqualifikation, Zertifizierung und Abrechnung neuer Systemdienstleistungen durch wechselrichterbasierte Anlagen im Netz, welche die oben genannte Momentanreserve und schnellen Primärregelleistung bereitstellen sollen. Im Rahmen von MetroSDL werden diese Grundlagen erarbeitet, verschiedene Regelungskonzepte entwickelt und auf Funktionsmustern im Labor implementiert und evaluiert.

Dabei liegt der Fokus von MetroSDL auf:

• Verfahren zur Bestimmung von aus Strom- und Spannung abgeleiteten Netzgrößen wie Netzfrequenz, Phasenwinkel und Frequenzgradient / RoCoF für den echtzeitfähigen Einsatz in Regelkreisen sowie zur Auswertung von Messdaten
• Entwicklung von Mess- und Regelungskonzepten für die Bereitstellung schneller Primärregelleistung durch netzfolgende Stromrichter als Ergänzung zur Momentanreserve
• Bestimmung der Anlaufzeitkonstante und der bereitgestellten Momentanreserve von netzbildenden Wechselrichtern
• Validierung und Verifikation der entwickelten, prototypischen Mess- und Regelungskonzepte auf Funktionsmuster im Labor
• Nachweisverfahren für neuartige Systemdienstleistungen wie die Bereitstellung von Momentanreserve und schneller Primärregelleistung für Präqualifikation und Zertifizierung von elektrischen Erzeugungsanlagen

Partner:	Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Laufzeit:	Juli 2023 - Juni 2026
Verantwortliche(r) im elenia:	Frederik Tiedt
	Stefan Klöpping
	Stefanie Walujski
Projektleiter:	Dr. Florian Schilling (PTB)

Die neuen Anforderungen (höhere Spannungsebenen, Schalthäufigkeit) erfordern eine Weiterentwicklung der Vakuumschaltertechnologie. Dazu sind durch Simulationen und Experimente neue Erkenntnisse zu generieren, um die Ausbreitung der Metalldampfplasmen und die Bewegung der Brennflecke besser zu verstehen. Im Vordergrund steht die Erfassung der Stromverteilungen im Kontaktspalt. Zusammen mit der Lichtbogenspannung und den Fallgebieten können aus den Stromverteilungen die Stromdichten und die Plasmaleitfähigkeiten ermittelt werden. Diese geben zusammen mit der Strahlung und ihrer spektralen Verteilung Informationen über die Temperatur und den Druck sowohl in der Plasmasäule als auch in den Brennflecken. Damit kann das Wissen über das Verhalten von Metalldampf-Plasmen weiterentwickelt und vervollständigt werden.

Das Hauptziel ist, die Stromverteilung im Kontaktspalt als auch die Stromdichte-Verteilungen in der Plasmasäule aus den magnetischen Flussdichte-Profilen und den optischen Strahlungsintensitäts-Profilen zu ermitteln. Das bedeutet die Kopplung und Weiterentwicklung von magnetischer und optischer Messmethode. Die gleichzeitige Messung von Magnetfeld und optischer Strahlung ermöglicht somit die Klärung der Frage, wo genau der Strom fließt, im Kern oder auf der Hülle der Plasmasäule. Aus den Strahlungsmessungen sind Aussagen über Ladungsträgerdichten und Elektronenbeweglichkeiten in der äußeren Hülle möglich, da sich die Strahlung innerhalb der Plasmasäule diffus wie in einem Nebel ausbreitet. Dazu sind die Erstellung eines gemeinsamen Versuchsaufbaus, die jeweilige Weiterentwicklung der Messmethoden und die Anpassung der Auswertemethoden erforderlich, um die Kombination beider Methoden zu ermöglichen.

Im Projekt Netflexum werden neue Möglichkeiten zur Erbringung von Netzdienstleistungen, insbesondere die Momentanreserve-Bereitstellung durch neuartige netzdienliche Prosumersysteme erforscht. Hierfür werden die Use-Cases aus Netz- und Anwendersicht ermittelt und die Anforderung an Prosumersysteme, bestehend aus Photovoltaik, 2nd-Life-Speicher und Elektrofahrzeug abgeleitet. Weiter werden im Projekt neuartige Betriebsanwendungen einzelner leistungselektronischer Schaltungen im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer für neue Topologien erprobt. Bei der Leistungselektronik stehen isolierende, nicht galvanisch trennende Systeme im Vordergrund. Im Fall des Momentanreserve-Abrufs muss die Leistungselektronik kurzzeitig überlastet werden können. Für die eingesetzten Leistungshalbleiter muss daher nachgewiesen werden, dass kurzzeitige Leistungsspitzen die Lebensdauer nicht negativ beeinflussen. Für die bereits gealterten 2nd-Life-Fahrzeugbatterien stellen diese Leistungssspitzen ebenfalls eine potentielle Belastung dar. Hierfür soll eine Restlebensdauerbetrachtung für Batterien erfolgen, ein DC-Schutzkonzept entwickelt und dieses in einem DC-Demonstrationsnetz bei direkter und indirekter Anbindung des Batteriesystems getestet werden. Nur durch die Betrachtung des Gesamtsystems ist eine wirtschaftliche Optimierung ohne Zuverlässigkeits- und Sicherheitsverluste möglich.

NEWBIE adressiert die 3 übergeordneten Ziele (1), Reduktion der Ladezeit (2) Material- und Kosteneinsparungen im Batteriedesign und (3) Energie- und Kosteneinsparungen in der Produktion. Alle Ziele führen zu einer Reduktion der CO2-Emissionen im Batterielebenszyklus und wirken sich somit positiv auf die Nachhaltigkeit von Batteriezellen aus.

Die Schnellladung von Batteriezellen, sowohl im Herstellungsprozess als auch im Betrieb, stellt eine Schlüsselfunktion in der Elektromobilität dar und wirkt sich auf alle drei Projektziele wesentlich aus. Das übergeordnete Ziel ist daher die spezifische Schnellladefähigkeit der Zellmaterialsysteme zu ermitteln, um maximale Betriebsgrenzen festzulegen. Damit gelingt es die Ladezeit deutlich zu reduzieren ohne Einbußen in der Lebensdauer zu haben.

Ein übergeordnetes Ziel ist die CO2-Emissionsreduktion und Prozesskostensenkung durch die Entwicklung innovativer und skalierfähiger Herstellungsmethoden von Elektroden. Unter der Verwendung erhöhter Feststoffanteile bei der Suspensionsherstellung wird der Lösungsmittelanteil und somit auch die Trocknungsenergie deutlich reduziert. Zugleich führt das auf dem Zweiwellenextruder basierende kontinuierliche Mischsystem zu einer Einsparung von 60% der prozessspezifischen Mischenergie und einer signifikanten Durchsatzerhöhung pro Maschineneinheit im Vergleich zum Chargenmischen (Stand der Technik). Weiter kann durch den hohen Feststoffanteil (hochviskose Pasten) kann eine weitere Durchsatzerhöhung durch die Maximierung des anlagenspezifischen Durchsatzes Mischen/Beschichten ermöglicht werden.

Die in den Produktionsprozessen eingesetzte Prozessatmosphäre hat einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Zwischen- und Endprodukte, da zahlreiche Materialien chemische Reaktionen mit den Elementen der Atmosphäre (insbesondere Wasser) eingehen, deren Reaktionsprodukte zu einer signifikant reduzierten elektrochemischen Leistungsfähigkeit führen. Die aus diesem Grund eingesetzte Konditionierung der Prozessatmosphäre, wie z. B. Trockenraum oder Inertgas sowie Reinraumumgebungen, ist sowohl energie- als auch kostenintensiv, weshalb im Rahmen des Teilvorhabens eine den entwickelten Materialien und Prozessen gerechte und gleichzeitig energieeffiziente Konditionierung der Prozessatmosphäre ermittelt wird.

Das Projekt PICNIC wird die praxisnahe und technologieoffene Ausgestaltung sowie die Anforderungen einer effizienten Spannungsqualitätsregelung unter Berücksichtigung dezentraler Komponenten (Ladeinfrastruktur und Speichersystemen) und dezentraler intelligenter Messsysteme unter Berücksichtigung der sich hiermit ergebenden digitalen Ansteuerungsmöglichkeiten untersuchen. Hierzu werden für verschiedene Spannungsqualitätsmerkmale wie Flicker, Oberschwingungen, Unsymmetrie und schnelle Spannungsänderungen neue Regelungen sowie Verknüpfungen von Regelungen untersucht und Regelungskonzepte sowie Anwendungsfälle definiert.

Für die genannten Komponenten werden die Regelungen auf Prosumer-Haushalte zugeschnitten und unter Berücksichtigung statischer und dynamischer Grenzen bzw. Gradienten ein netzdienliches und entstörendes Komponentenverhalten erzeugt. Einen zentralen Fokuspunkt stellt die Verknüpfung der intelligenten Messsysteme mit dem Smart Meter Gateway zur Kommunikation der dezentralen Komponenten mit den Netzbetreibern dar.

Im Projekt werden eine Vielzahl an Regelungskonzepte in dezentralen (auf Komponentenebene), dezentral-koordinierten (auf Prosumer-Ebene) und zentralen (über Netzbetreiber) Einsatzmöglichkeiten untersucht und kommunizierende Ansteuerungsmöglichkeiten verglichen. Die Untersuchungen analysieren die besten Einsatzmöglichkeiten und vergleichen die Regelungen dergestalt, dass die Projektergebnisse in technologieoffenen praktischen Regelungen für die Komponenten über alle Untersuchungsebenen und die bestmöglichen Ansteuerungsmöglichkeiten (dezentral-koordiniert und zentral) münden. Durch eine praxisnahe Umsetzung werden bestehende praktische Restriktionen und Weiterentwicklungsbedarfe identifiziert.

Partner:	RWTH Aachen IAEW
	FGH e. V.
	VIVAVIS AG
Assoziierte Partner:	Bayernwerk Netz GmbH
	BS|NETZ
	SMA Solar Technology AG
	Phoenix Contact Electronics
	PION Technology AG
Laufzeit:	01.06.2024 – 31.05.2027
Verantwortliche(r) im elenia:	Julien Essers
	Robin Herman
	Gian-Luca Di Modica (bis 2025)
	Cornelius Biedermann (bis 2025)
Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

Forschungsprojekt zu Metall-Polymer-Stromkollektoren zur Steigerung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

Das Ziel von PolySafe besteht, die spezifische Energie und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch den Einsatz neuartiger Stromkollektoren zu steigern. Im Fokus der Untersuchungen stehen Metall-Polymer-Komposit-Stromkollektoren, die das thermische Durchgehen von Batteriezellen erschweren und die Brandgefahr damit gleichzeitig verringern.

Die Kombination von Metallschicht und Polymersubstrat erlaubt sowohl Gewichts-/Dickenvorteile als auch den sparsamen Einsatz von Materialressourcen. Zusätzlich kann der Metall-Polymer- Komposit-Stromkollektor eine intrinsische Sicherheitsfunktion ermöglichen, indem das Polymer bei einem internen Kurzschluss erweicht bzw. schmilzt, dadurch der elektronische Leitpfad zerstört wird, was letztendlich das Ereignis lokal begrenzt und das thermische Durchgehen der gesamten Zelle verhindert.

Die Machbarkeit der Herstellung der Metall-Polymer-Stromkollektoren wurde bereits gemeinsam von der VON ARDENNE GmbH und dem Fraunhofer FEP im Rahmen des sächsischen Forschungsvorhabens PolyCollect demonstriert. Denn durch das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung konnten bis zu 1 Mikrometer dicke Aluminiumschichten auf Polymersubstraten mit Dicken bis 8 Mikrometer erzeugt werden. Die anwendungsnahe Evaluation dieser Technologie geschieht nun im Rahmen von PolySafe. Ziel dieses Forschungsprojektes ist, eine an die neuartigen Metall-Polymer-Stromkollektoren angepasste Prozesskette zur Herstellung von Batteriezellen in verschiedenen Formaten (Rundzelle, Pouchzelle) zu qualifizieren und den Sicherheitsvorteil in unterschiedlichen Zelldesigns anwendungsnah zu untersuchen.

Neben der Integration der hergestellten Metall-Polymer-Stromkollektoren in Batteriezellen passen die Projektpartner Aluminium- bzw. Kupfer-Polymer-Stromkollektoren dediziert an die Anforderungen des jeweiligen Zelldesigns an. Eine Herausforderung besteht darin, die Polymersubstrate und den Beschichtungsprozess so auszulegen, dass eine zu aktuellen Metallfolien vergleichbare Dicke sowie eine optimale elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht gewährleistet ist. Desweiteren sollen die Produktionskosten der Stromkollektoren auf ein konkurrenzfähiges Niveau gebracht werden.

Verbundprojekt im Rahmen der BMBF-Förderrichtlinie „Batterie 2020 Transfer“

Das Forschungsprojekt „SiNED – Systemdienstleistungen für sichere Stromnetze in Zeiten fortschreitender Energiewende und digitaler Transformation“ hat zum Ziel, die notwendigen Anpassungen der Systemdienstleistungen an die durch Digitalisierung und fortgeschrittene Energiewende veränderten Anforderungen zu untersuchen. Es werden Lösungen für den sicheren Betrieb der zukünftigen Stromnetze – unter Berücksichtigung der besonderen Situation in Niedersachsen – entwickelt und überprüft. Gerade für die windstarken Regionen Niedersachsens ist es von besonderer Bedeutung, verbesserte Lösungen für Systemdienstleistungen zur Bewältigung fluktuierender Einspeisung und für das Engpassmanagement durch Stromspeicherung und zuschaltbare Lasten zu finden.

Die bisherigen Systemdienstleistungen (SDL) für einen sicheren Betrieb der Stromnetze – z. B. Regelleistung, Blindleistungsbereitstellung, und weitere netzstützenden Dienstleistungen (Momentanreserve, Kurzschlussleistung) – wurden seit Jahrzehnten vorwiegend von den Synchrongeneratoren der Großkraftwerke bereitgestellt. Diese Systemdienstleistungen müssen zukünftig durch eine Vielzahl dezentraler Erzeuger und Lasten in den Verteilungsnetzen im Sinne einer sektorenübergreifenden Energiewende erbracht werden. Die hierdurch ansteigenden Anforderungen an den Umfang und die Resilienz der Digitalisierung des Energiesystems führen ebenfalls zu neuen Anforderungen an die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen des zukünftigen Energieversorgungssystems.

Alle notwendigen Anpassungen werden dank eng vernetzter interdisziplinärer Kompetenzbereiche untersucht. So können sowohl die system- und netztechnischen sowie die informationstechnischen Aspekte der Systemdienstleistungsbereitstellung als auch die damit einhergehenden wirtschaftlichen und energierechtlichen Fragen beleuchtet werden.

Im Zuge der Energiewende gewinnen Gleichstromnetze bei der Integration erneuerbarer Energien und der Energieversorgung moderner industrieller Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Schutzsysteme für Gleichstromnetze durch den Wandel von einer zentralen hin zu einer dezentralen Versorgungsstruktur, woraus sich neue Herausforderungen wie bspw. bidirektionale Lastflüsse, schnelle Fehlerstromanstiege und der bisher kaum untersuchte Einfluss der auftretenden Fehlerstromcharakteristiken ergeben.

Das Forschungsprojekt SMS II - Smart Modular Switchgear II hat die Entwicklung und Integration eines intelligenten Schalt- und Schutzkonzeptes zum Ziel, welches an diese neuen Herausforderungen angepasst ist. Es soll im Fehlerfall eigenständig die Fehlerdetektion, -charakterisierung, -lokalisierung und Koordination der Schalthandlung (selektives Schalten) durchführen.

Zur Untersuchung des Gesamtsystems wird am elenia ein industrieähnliches, spannungsebenen-übergreifendes Demonstrationsnetz bis hin zur Mittelspannungsebene (3 kV) aufgebaut. Anhand dessen erfolgt die Charakterisierung des Gleichstromnetzes und in diesem wird das Schutzsystem schlussendlich in verschiedenen Betriebsszenarien getestet. Weitere wichtige Teilziele des Projektes sind der Entwurf, die Entwicklung und Optimierung von effizienten MVDC-Hybridschaltgeräten als Aktoren für das Schutzsystem sowie der Aufbau geeigneter Sensorik zur Detektion schnell transienter, als auch stationärer Ereignisse. Da leistungselektronische Komponenten häufig in modernen Gleichstromnetzen eingesetzt werden und diese hochfrequente und Breitbandige EMV-Störungen verursachen können, erfolgt zusätzlich eine Charakterisierung und Bewertung der HF-Eigenschaften des MVDC-Netzes.

Das Projekt SysStab2030 beschäftigt sich mit der Frage, wie das europäische Verbundsystem auch in Zukunft mit bis zu 100% Erneuerbaren Energien stabil betrieben werden kann. Dabei begleitet es die 2023 von der Bundesregierung beschlossene Roadmap Systemstabilität.

Mit der Energiewende und dem damit verbundenen Wandel in der Erzeugungs- und Verbraucherstruktur sind Herausforderungen verbunden, die verschiedenen Aspekte der Systemstabilität betreffen. Historisch baut das Verbundnetz auf große Kraftwerke mit Synchrongeneratoren auf, deren Eigenschaften prägen das System. Mit der Energiewende werden diese allerdings mehr und mehr ersetzt durch Erneuerbare Energien, die auf allen Spannungsebenen zu finden und meist leistungselektronisch angeschlossen sind. Die stabilisierenden Eigenschaften müssen daher in Zukunft alternativ bereitgestellt werden.

Konkret sollen in SysStab2030 Systembedarfe ermittelt werden, die aufgrund des beschriebenen Wandels entstehen. Außerdem sollen die Potentiale verschiedener Anlagen erforscht werden, um diese Bedarfe zu decken.
Das elenia konzentriert sich dabei auf die Momentanreserve. Dabei handelt es sich um eine sofort zur Verfügung stehende Leistungsreserve, die klassisch von Synchrongeneratoren dank ihrer Massenträgheit bereitgestellt wurde. In Zukunft müssen hier auch sogenannte netzbildende Wechselrichter eingesetzt werden, deren Eigenschaften und Auswirkungen auf die Stabilität im Netz Gegenstand der Forschung sind.

Durch das große, steakholderübergreifende Konsortium wird außerdem der Austausch über viele involvierte Gruppen hinweg angeregt.

Partner:	Amprion GmbH
	TransnetBW GmbH
	50Hertz Transmission GmbH
	Tennet TSO GmbH
	Fraunhofer IEE – Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
	Universität Kassel - Fachgebiet Energiemanagement und Betrieb elektrischer Netze
	Universität Stuttgart – Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)
	Universität Rostock - Institut für elektrische Energietechnik
	HTW Berlin – Fachbereich 1 Energie und Information
	FGH e.V. - Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft
	FGH Zertifizierungsgesellschaft mbH
	DIgSILENT GmbH
Assoziierte Partner:	Avacon Netz GmbH
	Bayernwerk Netz GmbH
	E.DIS GmbH
	Enercon GmbH
	Netze BW GmbH
	RWE Generation SE
	SMA Solar Technology AG
	Westenergie AG
	Westnetz GmbH
Laufzeit:	Juli 2024 - Dezember 2026
Verantwortliche(r) im elenia:	Sofie Brammer
Projektleiter:	Dr. Moritz Mittelstaedt (Amprion)

Das Forschungsprojekt TEN.efzn baut die interdisziplinäre und standortübergreifende Energieforschung in Niedersachsen massiv aus. Gegliedert in sechs Forschungsplattformen arbeiten 18 Forschungspartner mit etwa 180 Forschenden an innovativen Forschungsfeldern um die Transformation des Energiesystems voranzubringen.

Das elenia Institut der TU Braunschweig ist Teil der Plattform „Vertrauenswürdige Digitalisierung sicherheitskritischer Energiesysteme“. Hier untersucht das Institut Störungsszenarien und Schwachstellen, die durch die zunehmende Digitalisierung auftreten können. Weiterhin werden Schnittstellen zwischen Mensch und Technik aufgebaut, um die Einflussnahme auf den Betrieb für unterschiedliche Akteure mit Zielvorgaben und die Transparenz gewährleisten zu können. Der Fokus liegt auf dem Wohnsektor, für den innovative Energiemanagementalgorithmen entwickelt werden, die Fehler automatisiert erkennen und Rückfallstrategien einleiten.

Das fünfjährige Projekt wird durch zukunft.niedersachsen gefördert, ein gemeinsames Programm des Landes Niedersachsen und der Volkswagen-Stiftung. Mit einer Fördersumme von 58,2 Millionen Euro, der höchsten je bewilligten Summe für ein standortübergreifendes Forschungsprogramm in der Energieforschung, wird die strategische Weiterentwicklung der niedersächsischen Energieforschung bis 2030 unterstützt.

Partner:	Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
	Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
	Fraunhofer - Institut für Windenergiesysteme (IWES)
	ForWind – Zentrum für Windenergieforschung
	Georg-August-Universität Göttingen
	Leibniz Universität Hannover
	Helmholtz-Zentrum Hereon
	HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaften und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen
	Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln (ISFH)
	LIAG-Institut für Angewandte Geophysik
	OFFIS – Institut für Informatik
	Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
	Steinbeis-Innovationszentrum energieplus
	Technische Universität Braunschweig
	Technische Universität Clausthal
	Universität Vechta
Verantwortliche(r) im elenia:	Michel Meinert
	Marcel Lüdecke
Projektleiter:	Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff
Gefördert durch:

Verschleißarmer und kompakter Hybrid-Leistungsschalter hoher Leistungsdichte für den Einsatz in Verteilnetzen für Gleich- und Wechselstrom zur Systemintegration erneuerbarer Energien.

Der Umbau der deutschen Energieversorgung erfordert die Integration erneuerbarer Energien. Für einen effizienten Betrieb muss die wachsende Anzahl der Großanlagen in geeigneten Energiemanagementstrategien zu- und abschaltbar sein. Zum Erreichen hoher Wirkungsgrade werden in solchen Anlagen Erzeuger- und Speichermodule, wie PV-Anlagen, Brennstoffzellen, Batterie- und RedoxFlow-Speicher mit zentralen DC- und AC-Netzstrukturen hoher Spannungsebenen gekoppelt. Um den sicheren Betrieb zu gewährleisten, sind kompakte, leistungsfähige und wartungsarme Leistungsschaltererforderlich.
Vorhabenziel:
In einem Verbundprojekt aus Industrie und Wissenschaft wird in UPS ein optimierter Leistungsschalterentwickelt. Der Hybridschalter stellt ein neues Konzept aus mechanischem Schaltgerät und Leistungshalbleiter in einem lichtbogenarmen Schalter dar. Dieser besitzt gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten Vorteile bezüglich Lebenserwartung (Verschleiß), Schaltvermögen (Leistungsdichte) und Baugröße.

Im Projekt Verteilnetz2030+ werden innovative Lösungen für den sicheren und effizienten Betrieb von Stromnetzen erarbeitet, insbesondere unter den Bedingungen hoher Umrichterdurchdringungen im Nieder- und Mittelspannungsnetz. Der erste Schwerpunkt liegt auf der Anpassung des Netzschutzes und der Sicherstellung einer hohen Spannungsqualität. Angesichts der veränderten Netzcharakteristik durch hohe Umrichterdurchdringungen können traditionelle Schutzmechanismen beeinträchtigt werden. Daher zielt das Projekt darauf ab, Lösungen zu entwickeln, die die Systemstabilität und Zuverlässigkeit gewährleisten. Dazu gehören Untersuchungen des Netzverhaltens unter Bedingungen wie hoher Unsymmetrie oder ungewollter Teilnetzbildung, um geeignete Maßnahmen zur Abschaltung dieser Teilnetze zu entwickeln und umzusetzen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts ist die Umrüstung und Parametrierung von Umrichtersystemen. Um die Netzstabilität auch unter extremen Bedingungen sicherzustellen, werden die Stabilität und die Parametrierung netzbildender Umrichter analysiert und an das Verteilnetz angepasst. Zu diesem Zweck werden Methoden und dynamische Lösungen, die bisher auf Übertragungsnetzebene eingesetzt wurden, auf die unteren Spannungsebenen übertragen. Dies stellt sicher, dass diese Lösungen für die anspruchsvolleren Anforderungen der Verteilnetze funktionieren können und die leistungsfähigen Systeme stabil bleiben.

Der dritte wesentliche Bereich betrifft die ungewollte Bildung von Teilnetzen und die Systemstabilität. Durch die autonomen Betriebseigenschaften netzbildender Umrichter besteht die Gefahr der Bildung unabhängiger Inselnetze, die für Netzbetreiber schwer zu überwachen sind. Das Projekt entwickelt zuverlässige Abschaltungslösungen, um diese Risiken zu minimieren. Gleichzeitig wird auch der potenzielle Vorteil der dezentralen Netzbildung bei großflächigen Netzausfällen untersucht, um die Resilienz und den sicheren Betrieb unter diesen Bedingungen zu fördern. Werden die verschiedenen Aspekte des Systems ganzheitlich betrachtet, kann eine wirtschaftliche Optimierung erzielt werden, ohne Sicherheit und Zuverlässigkeit des Netzes zu beeinträchtigen.

Digitalisierung ist ein globaler Megatrend, der branchenübergreifend und -vernetzend neue Funktionen und Prozesse ermöglicht. Im sicherheitskritischen Energiesystem entstehen durch die Digitalisierung neue Wechselwirkungen und sensible Abhängigkeiten, die einerseits einen effizienteren und nachhaltigeren Betrieb versprechen, jedoch hinsichtlich ihrer technischen Herausforderungen und ihrer Stabilität systemisch und großskalig weitgehend unerforscht sind. Zur Erforschung dieser Thematik wurde daher durch das Zentrum für digitale Innovationen Niedersachsen (ZDIN) das Zukunftslabor „Digitalisierung Energie“ (ZLE) eingerichtet.

Das Ziel des ZLE ist die Untersuchung von Wechselwirkungen in hochintegrierten Quartiers-IKT- und -Energiesystemen sowie die Entwicklung einer Plattform zur Vernetzung von Forschern und Anwendern zur Unterstützung des Transfers dieser und perspektivisch weiterer Forschungsergebnisse. Hieraus ergeben sich für den Bearbeitungsbereich digitalisierter Energiesysteme folgende zwei Projektsäulen:

• I: Die Erforschung und Entwicklung digitalisierter Energiesysteme
• II: Die Digitalisierung der Energiesystemforschung und -entwicklung

• Link zum ZDIN

Gefördert im Niedersächsischen Vorab durch:
    

Betreut durch:

Im Rahmen des Forschungsprojekts BASIS (Building Automation with a Scalable and Intelligent System) wird ein System zu gewerkeübergreifenden Gebäudeautomation entwickelt. Dieses vom BMWi geförderte Projekt (über AIF VP) bildet mit 8 Projektpartnern ein leistungsstarkes Konsortium zur Entwicklung einer neuen Gebäudetechnik. Synergien zwischen Energiemanagement, technischer Gebäudeausrüstung (TGA), Ambient Assisted Living und Smart Home Funktionalitäten werden dabei betrachtet. Die technische Umsetzung erfolgt auf einem an der TU Braunschwieg entwickelten SmallCAN Bus System, welches sich unter anderem durch seinen Detailgrad und einen sehr geringen Energiebedarf der Steuerelektronik von bisher am Markt verfügbaren Systemen abgrenzt. Das elenia beschäftigt sich im Kontext dieses Forschungsprojekts mit Energiemanagement. Eine feingranulare Vernetzung mit Erzeugern, Speichern und Verbrauchern auf Haushaltsebene und der Datenaustausch mit den anderen Gewerken und externen Informationsquellen bilden die Datengrundlage. Es wird ein skalierbares System entwickelt, welches sowohl in Einfamilienhäusern einsetzbar ist, als auch Anwendungsfall spezifisch erweitert werden kann. Gemeinsam mit der Nibelungen Wohnbau werden im Laufe des Projektes Demonstratorwohnungen ausgerüstet, um das System in der Praxis zu erproben.

Das Ziel des Projekts „Sicherheitstechnische Auslegung von Pouchzellen mit zukünftigen High-Performance-Materialien – Standardisierung von Format und Prüfverfahren (BaSS - BatterieSicherheitsStandardisierung)“ ist es, eine Standardisierung der Pouchzellformate durch Harmonisierung der Anforderungen aus dem deutschen und chinesischen Markt zu erarbeiten und in Korrelation mit den zugehörigen Sicherheitstests zu bringen. Die Zusammenführung und Detaillierung von Standards im Hinblick auf die Zellgeometrie und die dazugehörigen Sicherheitstests führt zu folgenden wesentlichen Erkenntnissen: Zukünftige Materialentwicklungen (Aktiv- und Inaktivmaterial) sowie Änderungen von Produktions-prozessen und -parametern lassen sich in wesentlich höherem Maße vergleichen. Dies kann letztlich zur Reduktion von Entwicklungsaufwänden und somit zur Steigerung der Effizienz in der Produktentwicklung neuer Materialsysteme national und international genutzt werden. Ferner können länderübergreifend standardisierte Formate eine Steigerung der Sicherheit von Pouchzellen bei gleichzeitiger Vermeidung von Überdimensionierung ermöglichen. So kann die Verbreitung gesteigert und damit größere Absatzzahlen erzielt, Skaleneffekte genutzt und damit eine Serienentwicklung erst wirtschaftlich ermöglicht werden.

Im Rahmen des Projektes DaLion (DataMining in der Produktion von Lithium-Ionen Batteriezellen) werden seit Dezember 2015 die Wirkzusammenhänge und Wechselwirkungen innerhalb der Produktion von Lithium-Ionen Batteriezellen erforscht. Dazu werden alle relevanten Produkt- und Prozesseigenschaften sowie Stoff- und Energieströme im Produktionssystem systematisch erfasst und mittels Methoden des Data-Mining zu einem Expertensystem verknüpft. So entsteht eine Datenbasis, die im Hinblick auf die Qualitätssicherung und Effizienzsteigerung die Grundlage für eine Analyse, Bewertung und Entscheidungsunterstützung bei der Wahl der Eingangsparameter und Produktionsprozesse sowie deren Modellierung und Simulation darstellt. Der Fokus des elenia liegt bei diesem Projekt auf dem Prozessschritt der Formierung sowie der anschließenden Charakterisierung der Zellen hinsichtlich ihrer Leistungseigenschaften. Mittels einer standardisierten Formierungsprozedur werden die Zellen formiert und anhand eines definierten Katalogs von Qualitätskriterien bewertet. Das Ziel ist mittels der ganzheitlichen Datenerfassung, der Qualitätskriterien und der Data-Mining-Methoden schnelle Rückschlüsse auf Produktionseinflüsse zu erlangen.

Das Projekt „DaLion - 4.0“ zielt durch einen übergreifenden Ansatz auf die Abbildung der Batteriezellproduktion in cyber-physischen Systemen, die den wesentlichen inhaltlichen Kernpunkt von Industrie 4.0 darstellen. Das Projekt baut auf wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt „DaLion“ auf, in der das Forschungskonsortium der BatteryLab Factory (BLB) der Technischen Universität Braunschweig bereits wesentliche Arbeiten in Richtung größerer Transparenz bzgl. Einflussfaktoren in der Batteriezellproduktion durchgeführt hat. Thematisch werden im Projekt unterschiedliche, übergreifende Handlungsfelder erforscht. Es werden regelungsfähige Modelle entwickelt und im Sinne cyber-physischer Systeme geschaffen, die zur Planung und zielgerichteten Regelung der Batteriezellproduktion geeignet sind. Um die industrielle Anwendbarkeit der Ergebnisse zu steigern, werden geeignete Qualitätsmanagementstrategien, u.a. im Kontext von verbessertem Tracking & Tracing und der Festlegung von Quality Gates entwickelt. Prozessseitig werden komplementär zu den Vorarbeiten aus „DaLion“ Schwerpunkte auf die Elektrodenherstellung (Mischen, Beschichtung und Trocknung), die Elektrolytbefüllung sowie die Formierung gelegt. Ergänzend dazu werden auch neue Prozessansätze wie z.B. Laminieren/Stapeln und Suspensionsherstellung über Extrusion in die Betrachtung mit einbezogen. In diese und andere Prozesse wird die Integration neuartiger Messtechnik erforscht (z.B. Inline-Röntgen und andere bildgebende Verfahren, Suspensionscharakterisierung, Kontrolle von Lagerbedingungen und Eingangsqualität von Materialien), die weiterentwickelt bzw. qualifiziert und in das Data Warehouse integriert werden. Schließlich werden auf Basis der erweiterten Datenaufnahme und der zu erstellenden Modelle werde konkrete Prozessverbesserungen abgeleitet und prototypisch umgesetzt bzw. deren Wirksamkeit nachgewiesen. Zudem werden auf Basis der Modelle verbesserte Strategien zur Prozessführung entwickelt.

Mit dem e-home Energieprojekt wird die Energieversorgung der Zukunft unter realen Bedingungen erforscht. Dazu wurden 32 Haushalte mit Photovoltaikanlagen, moderner Klimatechnik, Elektroautos, intelligenten Zählern und Batteriespeichern ausgestattet. Mit dem regelbaren Ortsnetztrafo (rONT) kommt zusätzliche eine innovative Netztechnologie zum Einsatz. Das Zusammenspiel all diese Komponenten im Niederspannungsnetz wird in diesem Projekt untersucht. Das elenia untersucht hierbei in erster Linie die Technolgie „Batteriespeicher“. Neben wirtschaftlichen Betrachtungen werden auch Untersuchungen zu Verlusten im Labor sowie Auswirkungen auf das Netz untersucht.