DLR eröffnet Emulationszentrum für Vernetzte Energiesysteme (NESTEC) am Standort Oldenburg

Emulation mit originalgetreuer Hardware

Während reine Computer-Simulationen immer vereinfachend sind und Experimente am echten Netz naturgemäß engen Grenzen unterliegen, enthält das NESTEC emulierte, also sozusagen miniaturisierte Stadtquartiere mit Gebäuden, Netzen und Ladestationen. Es schließt im Werkzeugkasten der Forschung daher auf neuartige Weise die Lücke zwischen Computer-Simulation und Reallabor. „Das Emulationszentrum für Vernetzte Energiesysteme ist das neue Herzstück der systemorientierten Energieforschung im DLR“, betont Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr. „Es bietet eine ideale Labor-Infrastruktur für die Gestaltung der Energiewende. Insbesondere die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr verschafft uns die erforderliche Flexibilität für ein effizientes, auf erneuerbaren Energien basierendes System.“ Durch die Emulation wird im NESTEC die laborbasierte Abbildung des Verhaltens realer Akteure durch untereinander vernetzte elektrotechnische Komponenten ermöglicht. Dies werde, so Lemmer, ergänzend zur Simulation und zum Reallabor wichtige Erkenntnisse zur Gestaltung der Energiewende liefern.

Für die Wissenschaftler bietet das NESTEC eine Plattform, mit der komplexe Verteilnetzstrukturen mit realen Energieflüssen in realen Dimensionen dargestellt werden können. „Wir bewegen uns hier also nicht mehr in der virtuellen Welt, sondern können unter realitätsnahen Bedingungen forschen“, sagt Dr. Karsten von Maydell, Abteilungsleiter Energiesystemtechnologie am Institut für Vernetzte Energiesysteme. „Viele Faktoren, die im realen Betrieb auftreten, können in der Simulation nicht erfasst werden. Diese physikalischen Effekte können wir künftig in der NESTEC-Umgebung berücksichtigen.

Trotz der großen Realitätsnähe findet die Forschung im NESTEC in einem abgeschirmten System statt: Der rund 180 Quadratmeter große Laborkomplex ist über einen eigenen 650-Kilovoltampere-Trafo an das Mittelspannungsnetz angeschlossen, ist also weder mit den übrigen Bereichen des Institutsgebäudes, noch mit dem umgebenden Verteilnetz verbunden. Somit haben auch Versuche mit Extrembelastungen im NESTEC keinerlei Auswirkungen auf die Außenwelt.

Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr

Große Vorteile bringt die neue Labor-Infrastruktur vor allem bei der Gestaltung von Lösungen für die Energieversorgung, die die Sektorenkopplung berücksichtigen und die auf erneuerbaren Energien basieren: Im Vergleich zu heute wird die Verteilnetzebene künftig durch zahllose neue Stromverbraucher wie Elektroautos oder stromgeführte Heizungen geprägt sein, ebenso durch dezentrale Stromerzeuger wie Photovoltaikanlagen und rückspeisende Autobatterien. „Auf diese Anforderungen ist das heutige Stromnetz ganz einfach nicht ausgelegt. Doch bevor wir mit dem Umbau unserer Infrastruktur beginnen, sollten wir sehr genau berechnen, welche Belastungen tatsächlich auf einzelne Leitungsabschnitte zukommen. Alles andere wäre für Stromkunden und Steuerzahler unbezahlbar. Das NESTEC eröffnet uns erstmals die Möglichkeit, diese künftigen Verteilnetzarchitekturen wirklich realitätsnah zu erforschen“, erklärt von Maydell.

Konkret lassen sich im NESTEC bis zu 18 Häuser durch 18 voneinander unabhängige Netzsimulatoren darstellen, die jeweils reale oder genormte Nutzerprofile wiedergeben. Auf gleiche Art können bis zu 18 Batteriespeicher und 15 Elektroautos mit einbezogen werden, dazu Photovoltaik- und Windkraftanlagen sowie bis zu zwei Kilometer lange Stromleitungen – also genau die Komponenten, die das Energiesystem eines typischen Wohnquartiers des Jahres 2050 nach heutigen Erkenntnissen beinhalten wird. Zudem lassen sich reale technische Komponenten aus dem Wärmebereich berücksichtigen: Dafür können Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmepumpen an zwei Testständen des Instituts direkt in das geschlossene Energiesystem des NESTEC eingebunden werden.