Konzeption und Implementierung einer Power-System-Hardware-in-the-Loop-Laborumgebung zur systematischen Validierung von Komponenten, Technologien und Energiesystemen

Die tiefgreifende Transformation des Energiesystems hin zu einer klimaneutralen und resilienten Energieversorgung zählt zu den zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Im Zentrum steht das im Pariser Klimaschutzabkommen verankerte Ziel, die globale Erwärmung auf maximal 1,5¿°C zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, fordern internationale Organisationen eine vollständige Klimaneutralität des Energiesektors bis spätestens 2050. Dies erfordert einen massiven Ausbau erneuerbarer Erzeugungskapazitäten als auch neue Systemlösungen zur Netzstabilisierung und Flexibilitätsbereitstellung. Mit der zunehmenden Integration fluktuierender erneuerbarer Energien ¿ insbesondere Photovoltaik und Windkraft ¿ und steigende Lastspitzen durch Elektrifizierung des Endverbrauchs, steigen die Anforderungen an Speicherfähigkeit, Steuerbarkeit und Flexibilität des elektrischen Netzes. Diese Entwicklung erfordert einen Paradigmenwechsel vom klassischen lastfolgenden Betrieb hin zu einem residuallastgeführten und flexibilitätsorientierten Energiesystem, in dem steuerbare Verbraucher, Energiespeicher und Power-to-X-Technologien aktiv zur Netzstabilisierung beitragen. Die vorliegende Arbeit adressiert zentrale Herausforderungen bei der Entwicklung, Integration und Validierung dieser Flexibilitäts-Technologien moderner Energiesysteme. Hierzu wurde eine systematische Power-System-Hardware-in-the-Loop-Laborumgebung implementiert, die ein realitätsnahes Prüfen von Komponenten, Steuerstrategien und integrierten Multi-Energiesystem-Technologien unter dynamischen Betriebsbedingungen erlaubt. Kern der Arbeit ist die Entwicklung einer modularen, sektorenübergreifenden Laborarchitektur, die elektrische, thermische und informationstechnische Domänen koppelt und sowohl Bottom-up- als auch Top-down-Analysen zur Ableitung technischer Auslegungs- und Betriebsparameter erlaubt. Die Laborinfrastruktur vereint eine virtuelle Umgebung ¿ in der nicht physisch vorhandene Systemkomponenten wie elektrische Netze, Netzknoten, Erzeugungseinheiten und Verbrauchslasten modelliert werden ¿ mit realer Hardware. Dazu zählen Photovoltaik-Wechselrichter, steuerbare Gleichstrom-Quellen, ein thermisches Power-to-Heat-Modul sowie ein zentrales Kommunikations- und Steuerungssystem. Über eine flexible elektrische Schnittstelle können reale Testobjekte eingebunden und unter kontrollierten Randbedingungen evaluiert werden. Der Einsatz vereinfachter Durchschnittswertmodelle auf langsamen Zeitskalen ¿ etwa typischer elektrischer und thermischer Lastprofile ¿ erlaubt eine ressourcenschonende Simulation und verbessert die Skalierbarkeit der Infrastruktur. Dies ist insbesondere bei der Analyse von Systemen mit unterschiedlichen Trägheiten ¿ wie sie etwa bei der Kopplung elektrischer und thermischer Komponenten auftreten ¿ relevant. Die durchgeführten Labortests demonstrieren exemplarisch die Leistungsfähigkeit der entwickelten Infrastruktur bei der frühzeitigen Identifikation von Betriebsgrenzen, Interoperabilitätsproblemen und Optimierungspotenzialen von Komponenten, Technologien und Gesamtsystemen unter realitätsnahen Bedingungen. Mit der PSHIL-Infrastruktur wurde somit ein methodisches und technisches Fundament geschaffen, das zur gezielten Steigerung des technologischen Reifegrads beiträgt und eine essenzielle Grundlage für die beschleunigte Integration innovativer Technologien in ein sektorübergreifendes Energiesystem bildet.¿