Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz

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Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz

Helmut-Schmidt-Universität
Fakultät für Elektrotechnik; Elektrische Energiesysteme

Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz

Helmut-Schmidt-Universität
Fakultät für Elektrotechnik; Elektrische Energiesysteme

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Elektrische Energietechnik avanciert immer mehr zum Ermöglicher der Klimaoffensive: von der Stromerzeugung mittels Erneuerbarer Energien, über neue Speichermedien bis hin zu zuverlässigen Bereitstellungsverfahren – die Energietechnik ist zu einem unerlässlichen Grundpfeiler für eine klimaneutrale Zukunft geworden. Möglich machen dies Expert:innen wie Professor Detlef Schulz von der Fakultät Elektrotechnik der Helmut-Schmidt-Universität, der mit seinem Team nicht nur zukünftige Strukturen von Energiesystemen erforscht, sondern auch nachhaltig prägt. Seine Forschungsergebnisse ermöglichen beispielsweise eine unkomplizierte Netzintegration von konventionellen oder dezentralen Stromerzeugern und führen dadurch zu optimierten Übertragungs- und Verteilungsnetzen. Gleichzeitig entwickelt er innovative Energie-Speichermethoden und setzt sich gemeinsam mit seinen Kooperationspartner:innen aus Wissenschaft und Wirtschaft für eine moderne Sektorenkopplung ein.

Netzstabilität und Versorgungssicherheit dank mobiler Netzimpedanzmessungen

Um Erneuerbare Energieanlagen und Speichersysteme in bestehende Versorgungsnetze zu integrieren und gleichzeitig die eingespeiste Energie optimal bereitzustellen, entwickelte Professor Schulz für die Analyse der Netzimpedanz mobile Messgeräte. Diese Messgeräte eignen sich von der Nieder- und Mittelspannungsebene bis hin zum 110 kV-Hochspannungsbereich. Professor Schulz kann dank der von ihm neu entwickelten mobilen Container selbst im Höchstspannungsbereich bewegliche Messinstrumente anbieten, um Netzzustände zu evaluieren und eine Bewertung der Anschlusskapazität vorzunehmen. Die so gewonnenen Informationen sind grundlegend für die Netzstabilität, den gesicherten Betrieb der Verteilnetze und die Versorgungssicherheit.

Brennstoffzellsysteme der nächsten Generation

Wasserstoff gilt als einer der nachhaltigen Energieträger der Zukunft, da sich durch diesen Stoff die Energieversorgung sicher und flexibel aufrechterhalten lässt. Professor Schulz forscht deshalb intensiv an innovativen Brennstoffzellsystemen: So realisierte er zum Beispiel die erste steuerbare Membraneinheit, um Reaktionsgeschwindigkeiten von PEM-Brennstoffzellsystemen zu erhöhen und heutige Spannungs- und Leistungseinbrüche zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Membran geschont und die Lebensdauer erhöht. Darüber hinaus entwickelte Professor Schulz eine Brennstoffzelle mit integrierter Methanisierungseinheit, die als Elektrolyseur fungiert und Energie in Form von Methan speichert. Das Methan wird direkt in das Gasnetz einspeist – und zwar mit einem höheren Wirkungsgrad als bei bisher nachgeordneten Verfahren. Auch in weiteren Branchen gewinnt die Brennstoffzelle immer mehr an Bedeutung:  Für den Einsatz in Flugzeugen forscht Professor Schulz an neuartigen Brennstoffzellsystemen, um herkömmliche Gasturbinen zu ersetzen.

Innovative Konzepte für Flugzeugbordnetze und Elektromobilität

Neben seiner Forschung an Brennstoffzellsystemen unterstützt Professor Schulz die Modellbildung und Konzepterstellung von Flugzeugbordnetzen. Neben der Gewichtsoptimierung von Bordnetzen, erforscht er das Power Management, zukünftige Spannungsebenen sowie neue Schalt- und Schutzkonzepte. Darüber hinaus erfordert die Elektromobilität innovative Energiekonzepte, da beim Aufbau von Ladeinfrastrukturen sowie deren Integration in das Versorgungsnetz durch die zusätzliche Belastung des Stromnetzes neue Herausforderungen entstehen. Professor Schulz begleitet Vorhaben wie den Aufbau von Ladeinfrastrukturen, um mithilfe seiner Expertise eine Versorgungssicherheit zu gewährleisten ohne dabei bestehende Stromnetzkomponenten anpassen zu müssen. Auf diese Weise soll der Mehrbedarf durch das Aufladen von Elektrofahrzeugen reibungslos gedeckt werden.

Praxisnahe und nachhaltige Energiesysteme

Professor Schulz Arbeitsweise ist davon geprägt, aktuelle Herausforderungen bei elektrischen Energiesystemen zu erkennen, innovative Lösungen zu entwickeln und diese gemeinsam mit Kooperationspartner:innen umzusetzen. Dabei ist er stets an einem Austausch und neuen Impulsen interessiert. Neben seinem Expert:innen-Team kann er bei seiner Arbeit auf sein sehr gut ausgestattetes ‚DLab‘- Labor zurückgreifen. Dieses verfügt über Spezial-Equipment zum Evaluieren verschiedenster Netze. Professor Schulz engagiert sich zudem bei NEIS, der Konferenz für nachhaltige Energieversorgung und Integration von Speichern, die er jährlich organisiert, sowie durch aktive Mitgliedschaften in verschiedenen Organisationen wie der Energietechnischen Gesellschaft oder der IEEE Power & Energy Society.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

‚NetzHarmonie‘ – Entwicklung effizienterer Ermittlungsverfahren von Oberschwingungsemissionen

Gemeinsam mit 20 Verbundpartnern verfolgt Professor Schulz in dem national geförderten Forschungsprojekt ‚NetzHarmonie‘ das Ziel, neue Bewertungsverfahren für Oberschwingungsemissionen von Erzeugereinheiten zu entwickeln, die in Form von Normen und Publikationen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden sollen. Die aktuelle Praxis besteht häufig noch darin, dass die Netzintegration von dezentralen Stromerzeugern auf Basis von Abschätzverfahren erfolgt. Durch die Entwicklung neuer Ansätze zur Modellierung des Netzes insbesondere hinsichtlich bestehender Vorbelastungen und Resonanzen ließen sich die Oberschwingungs-Bewertungsverfahren bedeutend verbessern. Ermöglicht wird dies durch einen von Professor Schulz entwickelten Messcontainer, der die zeit- und frequenzabhängige Netzimpedanz auf der Mittelspannungsebene bis 20 kV messen kann. Durch die Erschließung ungenutzter Netzkapazitäten in allen Netzebenen bei gleichzeitiger Vermeidung störender Oberschwingungen, könnte so die Netzqualität deutlich gesteigert werden.

‚Wissenschaftliche Begleitforschung zum Aufbau von Ladeinfrastrukturen auf Busbetriebshöfen‘

Wie neue Energieversorgungs- und Ladeinfrastrukturkonzepte bei einer systematischen Neuausrichtung zweier Busbetriebshöfe auf Elektromobilität in einer Großstadt wie Hamburg aussehen könnten, erforschen gerade die Hamburger Hochbahn AG und die Verkehrsbetriebe Hamburg-Holstein GmbH. Durch die Förderung vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur hat dieses Projekt das Potenzial, zu einem Referenzvorhaben für einen öffentlichen Personalverkehr mit emissionsfreien Antrieben zu avancieren. Professor Schulz übernimmt hierbei die Bewertung nach wissenschaftlichen Kriterien, wie die Beurteilung der realisierten Lösungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, der Beschreibung der Eingangsvoraussetzungen für die Umsetzung (z.B. Netzkapazitäten) oder die Definition unterstützender technischer Lösungen. Als Ergebnis werden übertragbare standardisierte Ladeinfrastrukturkonzepte erwartet, die die Umstellung anderer Verkehrsflotten erleichtern und beschleunigen sollen.

‚Entwicklung und Test von elektrisch steuerbaren Membraneinheiten in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren mit interner Methanisierung im Auslasskanal‘

Das enorme Potenzial von Brennstoffzellen wird in diesen beiden vom BMWi geförderten Teilforschungsvorhaben von Professor Schulz und der Firma Altran deutlich: Im ersten Teilprojekt geht es um die Modifizierung und Verbesserung des stationären und dynamischen Betriebsverhalten von PEM-Brennstoffzellen. Mittels einer steuerbaren Membraneinheit können die Reaktionsgeschwindigkeiten und Leistungsdichten von PEM-Brennstoffzellsystemen erhöht und Spannungseinbrüche vermieden werden. Gleichzeitig wird die Membran geschont und die Lebensdauer verlängert. Im zweiten Teilprojekt wird eine Brennstoffzelle entwickelt, die die Reaktionen eines Elektrolyseurs mit denen einer Methanisierung vereint. Vorteile eines solchen Power-to-Gas-Verfahrens liegen im hohen Wirkungsgrad, da Temperatursynergien genutzt werden können und zugleich Kosten gespart werden, da kein zusätzlicher Apparaturaufwand für nachgelagerte Prozesse nötig ist. Die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie erfolgt direkt in der Brennstoffzelle und kann gespeichert oder direkt ins Erdgasnetz geleitet werden. Mit solchen Eigenschaften können Brennstoffzellen besonders für die Sektorenkopplung oder mobilen Anwendungen interessant werden.

‚Inselnetzerkennung in Niederspannungsnetzen‘

Im Auftrag des Forums ‚Netztechnik und Netzbetrieb‘ (FNN) im VDE erforschte Professor Schulz aktuelle und zukünftige Anforderungen an die Inselnetzerkennung. Die Herausforderung liegt darin, dass mit der steigenden Anzahl an dezentralen Erzeugungsanlagen im Niederspannungsnetz sich Leistungsbilanzen stark verändern, dabei jedoch keiner Steuerung durch Netzbetreiber unterliegen. Gleichzeitig sollen durch verschärfte Vorgaben die Energieerzeuger zunehmend zur Netzstabilität beitragen. Professor Schulz fand bei seinen Untersuchungen heraus, dass Systemdienstleistungen das Verhalten von Inselnetzerkennungen beeinflussen, weshalb bei Änderung der Vorgaben die Wechselwirkungen zwingend mitberücksichtigt werden sollten. Darüber hinaus ist eine dynamische Netzstützung im Niederspannungsnetz mit der Inselnetzerkennung kombinierbar. Inselnetze könnten sogar gezielt für eine optimierte Versorgungssicherheit oder einem Netzwiederaufbau nach Blackouts genutzt werden.

Teilprojekt NEW 4.0 – ‚Bestimmung der Netzimpedanz in Mittel- und Hochspannungsnetzen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien‘

Das Förderprojekt NEW 4.0 verfolgt das Ziel, die Gesamtregion Schleswig-Holstein und Hamburg bis 2025 mit 70 %, bis 2035 sogar mit 100 % sicher und zuverlässig mit Strom aus erneuerbaren Energien zu versorgen. Um dies zu erreichen, erforschen verschiedene Verbundpartner interdisziplinär sowohl technische, regulatorische und marktrechtliche Aspekte. Professor Schulz steuert mit seiner Expertise zur Netzplanung und Netzintegration von erneuerbaren Energien und Energie-Speichern zum Projektziel bei. Mithilfe eigens entwickelter Messgeräte evaluiert er die Netzimpedanz im Mittelspannungsnetz und erstmalig auch auf der Hochspannungsebene. Die Ergebnisse liefern Rückschlüsse auf den Netzzustand und der Anschlusskapazität. Die Auswertung der Netzimpedanz ermöglicht somit eine optimierte Netzintegration von dezentralen Energieerzeugern.

Zukunftsvision

Die sukzessive Weiterentwicklung von technischen Möglichkeiten ist für Professor Schulz Vision und Motivation zugleich, damit die Energiewende ohne Einbußen im Versorgungsnetz nachhaltig gelingt. Seine Forschungsprojekte zeigen, wie notwendig das Ingenieurwesen für eine nachhaltige Zukunft ist und dass Nachwuchswissenschaftler:innen der Energietechnik einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft haben.

Schwerpunkte

  • Elektrische Energiesysteme und -versorgung
  • Netzintegration von konventionellen und dezentralen Erzeugungsanlagen
  • Netzidentifikation über frequenzabhängige Netzimpedanzmessungen
  • Elektromobilität im Verteilnetz
  • Neuartige Brennstoffzellensysteme und Wasserstoff-Anwendungen in der Sektorenkopplung
  • Zukünftige Strukturen der Energieversorgung
  • Elektrische Flugzeugbordnetze

Kooperationen

  • Diverse (internationale) Forschungsinstitutionen
  • Forschungsnetzwerke und Verbünde
  • Akademie der Wissenschaften in Hamburg
  • Partner des Clusters Erneuerbare Energie Hamburg

Interessiert an

  • Gemeinsamen Projektvorhaben mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft
  • Wirtschaftsunternehmen von Großkonzernen bis KMUs
  • Langfristige Kooperationsprojekte von der Ideenfindung bis zur Realisierung
  • Innovativen Forschungstätigkeiten im Kontext der Energietechnik
  • Verbesserungen von Flugzeugbordnetzen
  • Evaluation von Versorgungsnetzen
  • Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses

Professor Schulz ist stets an einem fachlichen Austausch und gemeinsamen Forschungsvorhaben interessiert. Da er branchenoffen agiert, freut er sich sowohl über Impulse aus der Energietechnik als auch über interdisziplinäre Projekte und Herausforderungen, die er in seine Forschungsarbeit einfließen lassen kann.

Wissen entdecken, Expertise finden &

gemeinsam Ideen verwirklichen