Mit dem wachsenden Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien im Rahmen der Energiewende ändern sich die Anforderungen an bestehende Stromnetze. Aus diesen Gründen müssen Stromnetze entsprechend effektiver und leistungsfähiger ausgebaut werden. Der Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) forscht daher an flexiblen, automatisierten Gleichspannungsnetzen (DC-Netzen) für die zukünftige Energieversorgung. Diese sollen das klassische Wechselspannungsnetz ergänzen, um bei stetig steigender Zahl dezentraler und erneuerbarer Energiequellen eine sichere und flexible sowie für den Verbraucher kostengünstige Versorgung zu gewährleisten.

Die Veränderung des derzeitigen elektrischen Versorgungssystems durch eine Wechselstrominfrastruktur (AC) hin zur vermehrten Nutzung von effizienten flexiblen Gleichstrom-Technologien (DC) ist jedoch ein Prozess, der sich nur sukzessive realisieren lässt. Der Forschungscampus FEN mit seinem transdisziplinären Forschungsansatz und dem Konzept der Forschung von Industrie und Wissenschaft unter einem Dach hat in den beiden vergangenen Förderphasen der Förderinitiative „Forschungscampus“ des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt wesentliche Meilensteine auf dem Weg zur Flexibilisierung der elektrischen Netze erzielt.

Als Pionier startete der Forschungscampus FEN die Planung und den Aufbau eines MVDC-Forschungsnetzes am Campus Melaten der RWTH Aachen. Seit Inbetriebnahme im Jahr 2019 stellt es bis heute eine europaweit einmalige Forschungsinfrastruktur für die Entwicklung und Erprobung von MVDC-Komponenten und -Verfahren dar. So konnte mit den Industriepartnern Eaton, Kiepe Electric und OPAL-RT das mit der RWTH entwickelte Verfahren für eine stabile und robuste Kommunikation, Betriebsführung sowie Regelung unter Berücksichtigung von Cyber-Security mit dem Forschungsnetz in realer Umgebung getestet werden.

In der dritten Förderphase des Forschungscampus FEN (FEN 3.0) kommt dem Transfer in unterschiedliche gesellschaftliche Gruppen neben der Erforschung weiterer technologischer Fragestellungen und der Standardisierung eine zentrale Rolle zu. Aufbauend auf den Ergebnissen der vorherigen Förderphasen wird der Forschungscampus FEN den Transformationsprozess mit Hilfe dreier Forschungsvorhaben, die als lokale Demonstratoren dienen beschleunigen.

Forschungsvorhaben

Living Lab Hub (LLH)
Das Vorhaben „Living Lab Hub“ (LLH) stellt das Bindeglied zwischen den Forschungs- und Transfermaßnahmen dar. Hier fließen die wissenschaftlichen und praktischen Erkenntnisse und Erfahrungen zusammen. Darauf aufbauend entwickelt das Konsortium geeignete Konzepte, um relevanten Zielgruppen die Verfügbarkeit der DC-Technologie zu demonstrieren und DC als technische Standardlösung in allen sinnvollen Bereichen zu etablieren.

Modelllösungen und Regelungsverfahren für vermaschte, herstellerübergreifende, gleichstrombasierte Mittelspannungs-Verteilnetze (MV2DC)
In dem Projekt MV2DC konzipiert der Forschungscampus FEN miteinander verbundene (vermaschte) Stromnetze im mittleren Spannungsbereich für herstellerübergreifende, gleichstrombasierte Mittelspannungs-Verteilnetze konzipiert. So können die Forschenden verschiedene Teile eines Gleichstromnetzes steuern und mit einander verbinden, auch wenn sie von verschiedenen Herstellern stammen. Das Ziel ist es, Modelllösungen und Regelungsverfahren für eine effiziente und zuverlässige Stromversorgung in diesen Netzwerken zu entwickeln.

Zuverlässige und modulare Niederspannungs-Gleichstrominfrastruktur (ModuLo)
Das Projekt ModuLo zielt darauf ab, eine zuverlässige und modulare Niederspannungs-Gleichstrominfrastruktur zu entwickeln. Die Forschungsthemen reichen von der Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Wandlern im Netzbetrieb bis hin zu der Bewertung der Umweltverträglichkeit von Komponenten. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler prüfen die Umweltverträglichkeit anhand einer Lebenszyklusbewertung, die eine systemische Betrachtung der Komponenten ermöglicht. Dabei berücksichtigen sie Ressourcenverbrauch, Emission und Abfallproduktion. Die Projektpartner planen den sicheren und automatisierten Betrieb von Niederspannungsnetzen und Handlungsempfehlungen, um modulare Niederspannungsnetze in existierende Verteilnetzinfrastrukturen zu implementieren. Die Standardisierung von Techniken und Prozessen spielt dabei eine wichtige Rolle. Das Vorhaben liefert somit einen wichtigen Beitrag für die Transformation der öffentlichen Stromversorgung bis zu Endkunden.

Transfer

Die Vorhaben in FEN 3.0 sind eng miteinander verzahnt, so dass Transfer als ein ständiger Prozess zu verstehen ist, in den nicht nur Ergebnisse der vorherigen Förderphasen einfließen, sondern auch Erkenntnisse der Vorhaben, die in FEN 3.0 vorgesehen sind.

Test & Training Center
An einem eigens am Standort Aachen entstehenden Test & Training Center (TTC) werden die Partner des Forschungscampus FEN die aus den Forschungsvorhaben und den Transfermaßnahmen gewonnene Expertise zielgruppengerecht an Adressaten aus Wissenschaft, Industrie, Handwerk und Politik vermitteln. Verschiedene Partner des Forschungscampus FEN, wie die Unternehmen Maschinenfabrik Reinhausen und Eaton sowie die RWTH Aachen entwickeln Einführungsveranstaltungen, Seminare zu unterschiedlichen Fragestellungen, praktische Übungen zum Umgang mit der Technik, Exkursionen zu „Reallaboren“ und zu weiteren Umsetzungsbeispielen der DC-Technologie.

DC-Tiny-House
In der dritten Förderphase des Forschungscampus FEN kommt dem sogenannten „DC-Tiny-House“ eine exponierte Rolle zu. Als rollendes „Pop-up-Reallabor“ ist es nicht ortsgebunden und es wird je nach Thema mit den im Forschungscampus FEN erprobten Komponenten eine flexible DC-Struktur modellhaft aufgebaut. Im Zentrum steht ein interaktives Netzmodell mit Software-Tools und Hardware-Komponenten, die der Forschungscampus FEN in seiner zweiten Förderphase entwickelt hat. Das DC-Tiny-House ist somit Ausstellungsraum und Exponat zugleich und soll zur gesellschaftlichen und politischen Akzeptanz einer sukzessiven Verteilnetztransformation mit mehr und mehr Gleichstrom-Lösungen beitragen.

Die dargestellten Maßnahmen sind wichtige Elemente in einer Transformationsstrategie, die neben der Forschung und Entwicklung durch gezielte Schritte darauf abzielt, die DC-Technologie positiv darzustellen, z.B. hinsichtlich der Kosten, des Wohnkomforts oder der Versorgungssicherheit. So trägt der Forschungscampus FEN 3.0 zur Akzeptanz der DC-Technologie und den damit verbundenen ökonomischen und ökologischen Vorteilen bei.