Energiesysteme der Zukunft: Paderborner Wissenschaftler erforschen moderne und nachhaltige Konzepte der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung
Infektionskrankheiten und Versagen im Kampf gegen den Klimawandel: Das sind laut Weltrisikobericht 2021 des Weltwirtschaftsforums die folgenreichsten Gefahren für unsere Erde. Die Corona-Pandemie und aktuelle Umweltbelastungen hängen mitunter eng zusammen: Zwar hat Deutschland im vergangenen Jahr fast alle Klimaziele erreicht – ohne die Lockdowns hätte die Bundesrepublik diese jedoch verfehlt, warnte das Umweltbundesamt. Um den globalen Herausforderungen Klimawandel und Energiewende begegnen zu können, forschen Wissenschaftler am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn an innovativen Lösungen. Wie eng die Energiewende und die Elektrotechnik verzahnt sind, verdeutlicht ihre Arbeit an zukunftsfähigen Konzepten der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung.
Zukunftsorientierte Lösungen: regional und regenerativ
„Nachhaltige Energiekonzepte müssen weltweit umgesetzt werden, da Menschen weltweit Energie verbrauchen. Nichtsdestotrotz findet die Energiewende vor allem regional statt“, sagt Prof. Dr.-Ing. Henning Meschede, Leiter des Fachgebiets Energiesystemtechnik (EST). Man denke nur an den Gebrauch von E-Autos oder den Wärmebedarf. Auch die Nutzung erneuerbarer Energien sei regional unterschiedlich ausgeprägt.
„Die länderübergreifende Vernetzung wird ein wesentlicher Bestandteil von zukünftigen nachhaltigen Energiekonzepten sein, dennoch darf der Blick auf die einzelnen Regionen nicht fehlen“, so Meschede, der an der Universität Paderborn untersucht, wie regenerative Energien möglichst effizient eingesetzt werden können. „Regionale erneuerbare Energiesysteme sind besonders dann von Bedeutung, wenn es um den Ausbau von Erzeugungskapazitäten, Energieverteilungssystemen und die Umsetzung von Sektorenkopplungskonzepten geht. Beispielsweise wenn regenerativ erzeugter Strom aus der Region für die regionale Wärmeversorgung genutzt wird“, erklärt der Wissenschaftler. „Um die direkten und indirekten Folgen des Klimawandels wie Dürre, Überflutung oder Klimamigration zu begrenzen, muss unsere Energienutzung schnellstmöglich vollständig auf erneuerbare Energien wie Wind- oder Solarenergie umgestellt werden – neben Strom auch die Wärmeversorgung und der Verkehr“, betont Meschede.
Leistungselektronik für die Energiewende
Für moderne Konzepte der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung ist die Leistungselektronik eine Schlüsseltechnologie, ohne die die Integration erneuerbarer Energien kaum gelingen kann, erklärt Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Leiter des Fachgebiets Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA). „Es gibt nicht nur eine Form von elektrischer Energie, sondern jeder Verbraucher benötigt eine passende elektrische Versorgung“, schildert er. „Das betrifft sowohl die Höhe der Spannung als auch die Frage nach Gleich- oder Wechselspannung. Auch die Energieerzeuger generieren elektrische Energie ganz unterschiedlicher Art: Photovoltaik-Anlagen liefern Gleichspannung, Windkraftanlagen zwar Wechselspannung, aber leider nicht die zum Wechselspannungs-Stromnetz passende Frequenz. Für Energieübertragung und -verteilung wiederum sind 50Hz-Hochspannungssnetze vorherrschend. Hinzu kommen immer mehr Hochspannungs-Gleichstromübertragungen, z. B. zur Anbindung der Offshore-Windkraftanlagen oder zur Kopplung der deutschen und norwegischen Stromnetze über Seekabel“, erläutert Böcker.
All diese Umformungen der elektrischen Energiearten – ob für LEDs oder den Motor eines E-Autos – ermöglicht heute die Leistungselektronik. Die früher praktizierte Umformung mittels großer und teurer rotierender Maschinensätze ist damit überholt. „Die Leistungselektronik bewältigt diese Aufgaben nicht nur mit früher unvorstellbar hohen Wirkungsgraden, oft im Bereich von 96 bis 99 Prozent, sondern bietet darüber hinaus die Möglichkeit, den Energiefluss gezielt zu steuern, und schafft dadurch die Voraussetzung für intelligente Energiesysteme“, so Böcker weiter.
Smarte Schnittstellen
Doch die Anforderungen steigen: Um regenerative Energien so effizient wie möglich zu nutzen, sind intelligente Energiesysteme gefragt. Durch sie sollen Informationen über Erzeugungsleistungen, Energienachfrage, Anlagen- und Netzzustände transparent und kontinuierlich erfasst werden, um das System optimiert betreiben zu können. Kernelement ist hierbei der Ausbau von Messtechnik. „Um erneuerbare Energien ökonomisch und ökologisch vorteilhaft zu nutzen, ist es wichtig, dass ein intelligentes Energiesystem alle Bereiche von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Nutzung abdeckt. Dazu zählen also auch die Bereiche Wärme und Mobilität“, so Meschede. Sektorenkopplungskonzepte, also die Verzahnung dieser einzelnen Bereiche, seien daher ein essentieller Bestandteil eines intelligenten Energiesystems.
Erheblicher Handlungsbedarf
Die beiden Wissenschaftler sind sich einig: Beim Thema erneuerbare Energien liege der Fokus bisher zu stark auf dem Stromsektor. Hier könnten regenerative Energien vergleichsweise leicht genutzt werden. Sie vermuten, dass Strom im Zuge der Energiewende, etwa durch E-Mobilität, eine noch stärkere Rolle einnehmen werde. Mit Blick auf die weiteren Sektoren bestehe aber noch deutlicher Handlungsbedarf: „Mehr als ein Fünftel der in Deutschland nachgefragten Endenergie wird für die Bereitstellung von Prozesswärme in Industrie und Gewerbe genutzt – häufig bereitgestellt durch fossile Energieträger. Auch die Versorgung mit Raumwärme und der Verkehrssektor haben hohe Anteile. Zusätzlich zur Stromwende gehören also zwingend auch die Wärme- und Verkehrswende zu nachhaltigen Energiekonzepten“, sagt Meschede. In Zeiten der Corona-Pandemie stünden zwar viele andere Probleme im Mittelpunkt, doch der Wissenschaftler betont: „Die Herausforderung Klimawandel bleibt und duldet keinen Aufschub.“
Die Begrenzung der Erderwärmung sei ein gesamtgesellschaftliches Vorhaben, bekräftigt Meschede, das über die technischen Dimensionen hinausgehe: Für gesellschaftliche Analysen, ökologische Folgenabschätzungen oder die Erforschung neuer Materialien müsse ebenso Expertise aus dem Maschinenbau, der Informatik und den Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften einbezogen werden. „Ohne interdisziplinäre Vernetzungen und Kooperationen wird weder die Aufgabe Energiewende noch die Begrenzung der Erderwärmung gelingen“, schlussfolgert der Paderborner Wissenschaftler.
Am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik die Energiewende mitgestalten
Bei vielen aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen ist die Elektrotechnik Teil der Lösung. An der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik der Universität Paderborn forschen Wissenschaftler*innen an neuen Konzepten und auch Studierende finden hier verschiedene Angebote, die das Thema Energiewende in den Fokus rücken.
Wissenschaftler des erst kürzlich eingerichteten Fachgebiets „Energiesystemtechnik“ (EST) erforschen regionale erneuerbare Energiesysteme und beschäftigen sich mit industriellen und gewerblichen Sektorenkopplungskonzepten sowie Datenanalysen im Kontext erneuerbarer Energiesysteme. Die interdisziplinären Forschungsarbeiten haben insbesondere Schnittstellen zum Maschinenbau, zur Informatik sowie zu den Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften. Weitere Informationen zum neuen Fachgebiet Energiesystemtechnik: ei.uni-paderborn.de/est.
Im Fachgebiet „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“ (LEA) forschen Wissenschaftler*innen rund um die Themen Leistungselektronik, Elektrische Antriebstechnik und intelligente Energiesysteme. Die Forschungsarbeiten finden zu einem großen Teil in Kooperationen mit Industriepartnern statt. Seit diesem Sommersemester bietet das Fachgebiet den Master-Kurs „Leistungselektronik für die Energiewende“ an. Weitere Informationen zum Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik: ei.uni-paderborn.de/lea.
