Zwei Studenten sitzen vor einem Computerbildschirm, auf dem ein Simulationsprogramm läuft — Bild: Tassilo Letzel / TUM

Themen & Projekte

Der weltweit steigende Bedarf an elektrischer Energie, die Endlichkeit der fossilen Primärressourcen und die Risiken des Klimawandels erfordern einen drastischen Wandel unseres elektrischen Energiesystems. Die Energietechnik beschäftigt sich mit der Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Nutzung von elektrischer Energie. In diesem Bereich arbeitet das Department Energie- und Verfahrenstechnik an Antworten auf folgende Forschungsfragen.

Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Ressourcen

Das System der Stromerzeugung, das bisher hierarchisch von Grundlast- zu Spitzenlastkraftwerken auf Basis fossiler Primärenergieträger organisiert war und dem variablen Lastbedarf folgte, wird sich zu einem System wandeln, das hauptsächlich auf Wind- und Photovoltaik-Energie basiert und die volatile Erzeugung und die variable Last koordinieren muss. Zur Bewältigung dieser neuen Aufgaben müssen Systeme für kurz-, mittel- und langfristige Speicherfähigkeit entwickelt und hinsichtlich Steuerung und Betrieb optimiert werden. Darüber hinaus helfen Demand Side und Supply Side Management.

Von Großkraftwerken zu dezentraler Stromerzeugung

Das gesamte elektrische Energiesystem, das bisher auf großen zentralen Kraftwerken mit hoher Leistungsdichte und auf einer Top-Down-Struktur der Stromnetze basierte, muss sich ändern. Ein dezentrales System, bestehend aus kleinen Erzeugungsanlagen, die als verteilte Systeme oder als virtuelles Kraftwerk agieren, muss den Bedarf in den Lastzentren sowie in ländlichen Gebieten mit geringer Nachfragedichte decken. Die dezentralen Erzeugungseinheiten müssen in Zukunft auch Netzdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungsregelung erbringen, die bisher von großen thermischen Kraftwerken erbracht wurden. Die Optimierung eines solchen verteilten Systems erfordert neben der Netzinfrastruktur auch ein ausgeklügeltes Kommunikationssystem.

Umstrukturierung elektrischer Übertragungs- und Verteilungssysteme

Durch die Erzeugung aus erneuerbaren Energien fernab der Lastzentren, z.B. Offshore-Windkraft, werden neue hohe Stromübertragungskapazitäten benötigt. Für die Entwicklung von unterirdischen Übertragungssystemen für höchste Wechsel- und Gleichspannungen stellen sich Fragen nach der Spannungsfestigkeit, der Langzeitstabilität von Isoliermaterialien und der Isolationskoordination. Neben der Herausforderung der Massenstromübertragung über große Entfernungen muss auch der lokale Blindleistungsbedarf berücksichtigt werden, der heute durch konventionelle Wärmekraftwerke gedeckt wird.

Für neue Lastflussszenarien braucht es erweiterte elektrische Übertragungs- und Verteilungsnetze. Es gibt keine reinen Erzeugungs- oder Verbrauchsnetze mehr, Verbraucher:innen wandeln sich zu Prosumer:innen, die produzieren und konsumieren. Neue Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, die als passive (Last) und aktive (Speicherung, Bereitstellung von Netzdiensten) Elemente fungieren, beeinflussen das System. Dies verändert die klassische Verteilungsstruktur und ermöglicht den Markteintritt einer großen Anzahl von Erzeugern und Verbrauchern. Hierfür müssen neue Marktmodelle entwickelt werden (Smart Market).

Ausgewählte Projekte der Professuren

Am TUM Department of Energy and Process Engineering sind zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte in Bearbeitung. Die Spannweite der Themen reicht von der Energiegewinnung durch erneuerbare Ressourcen über eine dezentrale Stromerzeugung bis hin zur Umstrukturierung der elektrischen Übertragungs- und Verteilungssysteme. Eine Auswahl aktueller Forschungshighlights:

BioH2Log

Innovative Produktion, Speicherung und Verteillogistik von biogenem Wasserstoff aus dezentralen Quellen.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Anlagen- und Prozesstechnik

Hochgradienten-Magnetseparation (HGMS)

Innovative Hochgradienten-Magnetseparation zur effizienten Fest-Flüssig-Trennung und direkten Isolierung von Wertprodukten aus viskosen, feststoffhaltigen Fermentationsbrühen mit hohen Durchsätzen.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Bioseparation Engineering

Digitalisierte Bioprozessentwicklung

Einsatz intelligenter Software-Komponenten zur wissensbasierten Versuchsplanung, zur Ablaufsteuerung von parallelisierten und automatisierbaren Laborexperimenten in Echtzeit und zur Online-Datenauswertung für eine drastische Verkürzung der Entwicklungszyklen in der Bioprozessentwicklung.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Bioverfahrenstechnik

Storage MultiApp

Verbesserung der Performance von gewerblich genutzen Energiespeichersystemen.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Elektrische Energiespeichertechnik

LINDA 2.0

Lokale (teil-)automatisierte Inselnetz- und Notversorgung mit dezentralen Erzeugungsanlagen bei großflächigen Stromausfällen.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Elektrische Energieversorgungsnetze

OSkit

Optimierte Sektorkopplung in Quartieren durch intelligente thermische Prosumernetze.

Weitere Forschungsprojekte des Professur für Energiemanagement-Technologien

REDEFINE H2E

Grundlagenforschung für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft durch innovative Hochtemperatur-Elektrolyse, Vergasung und Syntheseprozesse.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Energiesysteme

Induktives Laden – Wireless Power Transfer

Forschung an kontaktlosen, induktiven Ladesystemen (WPT – Wireless Power Transfer) für die Elektrifizierung des Automobils.

Weitere Forschungsprojekte des Professur für Energiewandlungstechnik

Labor für nachhaltige Energiesysteme (SES Lab)

Steigerung des Verständnisses bei Studierenden und Erweiterung des Wissens und der Erfahrungen bei Schülerinnen und Schülern sowie Lehrkräften in den entsprechenden Fachbereichen für die geplante und notwendige Reduktion von CO₂-Emissionen, und den daraus resultierenden Veränderungen und Anpassungen der Energiesysteme.

Weitere Forschungsprojekte des Lehrstuhls für Erneuerbare und Nachhaltige Energiesysteme