Die Abkehr von endlichen und die Hinwendung zu erneuerbaren Energien ist heute eine der grossen Herausforderungen für Ingenieurinnen und Ingenieure. Die ZHAW School of Engineering trägt mit dem neuen Renewable Electrical Energy Laboratory (REE-Lab) Rechnung. Mit der Infrastruktur, die Forschenden und Studierenden im REE-Lab zur Verfügung steht, können die brennendsten Fragestellungen der Energiewende fundiert bearbeitet werden: Wie können Netze mit der schwankenden Einspeisung erneuerbarer Energien umgehen? Wie speichert man Produktionsspitzen effizient? Und wie lässt sich der Eigenverbrauch sowie der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen optimieren?

Die grösste Maschine der Welt

Diese Themen in Laborumgebung erforschen zu können, ist unerlässlich, um die elektrischen erneuerbaren Energien weiterzuentwickeln. Petr Korba, Fachgruppenleiter Elektrische Energietechnik und Smart-Grids, erklärt: «Das elektrische Energiesystem ist die grösste Maschine, welche die Menschheit je gebaut hat. Eine Maschine, die sich von Portugal bis Griechenland erstreckt, ist schlicht zu gross – und deren Betrieb zu wichtig  – als dass wir unsere Untersuchungen direkt daran vornehmen könnten.» Hierfür steht den angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie ihren Dozierenden ein Hardware-Emulator eines Energiesystems zur Verfügung; sämtliche Komponenten – von konventionellen und erneuerbaren Erzeugern über Leitungen bis hin zu Verbrauchern, Speichern und Schutzgeräten – sind darin in skalierter Spannung 1:1000 hardwaretechnisch nachgebildet. 

Spannungsregelung und Speichergrössen

Ein Beispiel eines solchen Forschungsprojekts ist die Zusammenarbeit mit ABB und EKS: «Idealerweise verfügt das Stromnetz über eine konstante Spannung. In der Realität aber kommt es zu unerwünschten Schwankungen, die sich mit der erwünschten Erhöhung des Anteils an Photovoltaik noch verstärken. Schliesslich wird ja je nach Wetter und Jahreszeit mehr oder weniger Strom ins Netz eingespeist», erklärt Petr Korba. Der Hardware-Emulator erlaubt es nun, nach Lösungen für die Neutralisierung dieses Effekts zu suchen. Die Forscherinnen und Forscher arbeiten zum Beispiel an Lösungen für die intelligente Spannungsregelung in den Verteilnetzen oder suchen Algorithmen, welche Grösse und Platzierung von Speichermöglichkeiten – zum Beispiel Batterien oder Power-to-Gas – optimieren.

Sonneneinstrahlung simulieren

Die Forschung beschränkt sich aber nicht nur auf die Netze, sondern untersucht auch die Prozesse und Verläufe der Stromproduktion bei Photovoltaik, deren lokale Speicherung sowie die Steigerung des Eigenverbrauchs. Andreas Heinzelmann, Fachgruppenleiter für Elektrische Speichersysteme, erklärt, wie das REE-Labor die Forschung unterstützt: «Wir verfügen im Labor über Photovoltaik-Simulatoren. Das heisst, dass wir nicht auf diese oder jene Witterungsbedingungen warten müssen, um zum Beispiel den Wirkungsgrad einer Anlage bei einem bestimmten Eigenverbrauch untersuchen zu können. Wir können die Sonneneinstrahlung, den Strahlungsverlauf und die Aussentemperatur elektrisch nachbilden und diese Daten – für Fragestellungen aus dem Unterricht – direkt auf die rund 20 Arbeitsplätze der Studentinnen und Studenten spielen.»

Projekt- und Bachelorarbeiten

Dank verschiedener elektrischer Speichersysteme, die teilweise so noch nicht am Markt erhältlich sind, werden im Rahmen von Forschungs- oder Studierendenprojekten praxisnahe Fragestellungen zur Effizienz von Speichersystemen und das Zusammenspiel zwischen Photovoltaikanlage, Batteriespeicher und den elektrischen Verbrauchern behandelt. «Das hat den Vorteil, dass wir alle möglichen Konfigurationen und Verläufe virtuell vorgeben, vollautomatisch am realen System ausmessen, den optimalen Wirkungsgrad der Anlagen bei fast beliebigen Bedingungen errechnen und somit auch neue Algorithmen entwickeln können», sagt Andreas Heinzelmann. Neben verschiedenen Forschungsprojekten mit Partnern aus Wirtschaft und Industrie laufen bereits mehrere Projekt- und Bachelorarbeiten – allen voran im neusten Bachelorstudiengang Energie- und Umwelttechnik.