Versuchsfeld Intelligente Energie NetzeEinführungDie Energiewende ist ein zentrales Thema unserer Gesellschaft. Sie umschreibt den

Transformationsprozess von einem Energieversorgungssystem, das auf fossilen Ener-

gieträgern beruht, hin zu einem nachhaltigen System auf Basis erneuerbarer Energien.

Die damit einhergehende Ausbilanzierung eines anteilig zunehmend wetterabhängi-

gen Stromangebots und schwankender Stromnachfrage wird immer komplexer.

Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung liegt in der Verbesserung der

Steuerung und Automatisierung von Stromerzeugern, -speichern und -verbrauchern

durch moderne Kommunikations- und Informationstechnik. So soll das Zusammen-

spiel zwischen einem fluktuierendem Angebot – bereitgestellt durch erneuerbare

Einspeiser – und einer schwankenden Nachfrage besser abgestimmt und optimiert

werden.

Das Stromnetz der Zukunft wird also zunehmend dezentraler und seine Energieflüsse

müssen „intelligenter“ gesteuert werden. Ein solches Netz wird als „Smart Grid“ bezeichnet.

Genau daran forschen wir.

Dazu haben wir hier auf dem Campus unterschiedliche Stromerzeuger, -speicher und

-verbraucher miteinander verknüpft. Ein solch lokal begrenztes Smart Grid nennt man

Micro-(Smart)-Grid.

Ob Strom, Wärme oder Elektromobilität: Folgen Sie den Schildern des Versuchsfeldes

„Intelligente Energie Netze“ und erhalten Sie einen Einblick in unsere Forschungsarbeit.

Viel Spaß dabei!

Test Field Smart Energy Grids IntroductionEnergy Transition is a central issue of our society. It involves the transformation process

of an energy system based on fossil fuels towards a sustainable system that is relying on

renewable energy sources.

One of the major tasks involved in this transition is how to balance an increasing weather-

dependent electricity supply coming from renewable sources with a fluctuating demand.

A way to solve this complex issue lies within linking up energy providers, storage facilities

and consumers in terms of communication and controlling. This helps in coordinating and

optimizing the interaction of fluctuating energy supply (from renewable sources) and

demand.

The “grid of the future” becomes more decentralized and its energy flows have to be

operated in a “smarter” way – it turns into an automatized grid, a so-called “Smart Grid”.

This is exactly what we are working on.

In order to do so, we have linked up different energy producers, storage facilities and

consumers on campus.

Such a locally limited Smart Grid is referred to as a Micro-(Smart)-Grid.

Whether it is electric power, heat or mobility: Follow the signs of the test field

“Smart Energy Grids” and get an insight into our research.

Enjoy!

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1. Netzleitstelle/Grid Control Center2. Smart Meter3. Blockheizkraftwerk (BHKW)/Combined Heat and Power Plant (CHP)4. Power to Heat (P2H)5. Absorptionskälteanlage/Absorption Cooling Unit6. Power to Gas (P2G)7. Mess -, Steuer- und Regelungsraum (MSR)/Instrumentation & Control Room (I&C)8. Photovoltaik-Anlage/Photovoltaic System9. Stationäre Batterie/Stationary Battery

10. DC Ladestation/DC Charging Station11. AC Ladesäulenpark/AC Charging Station Park12. Elektrofahrzeuge/Electric Vehicles13. EMV-Kammer/EMC Chamber

Micro-GridElektromobilität/E-Mobility

Lageplan/Site Map

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QR-Code scannen und Prof. Dr.-Ing. Schwarz kennelernen / scan QR code and meet Prof. Dr.-Ing. Schwarz

1. NetzleitstelleSteckbrief•2Bedien-undSystemarbeitsplätze•Netzleittechnik-Plattform:Siemens„SpectrumPower5“•Online-MessungderelektrischenundthermischenEnergieflüsseimMicro-Grid undCampus-Netz•SteuerungundAutomatisierungdieserEnergieflüsseimMicro-Grid•ZentraleErfassungvonLeistungsflüssenindenNetzenvon50HertzTransmission, E.DIS,MITNETZSTROMundStromnetzBerlin

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridDieMessdatenausMicro-GridundCampus-Netzwerdenonlineanalysiertundausgewertet.BasierenddaraufwerdenVisualisierungenundVorgabenfürdieEnergieflusssteuerungerstellt.MitdemNetzleitsystemwerdendieAnlagenimMicro-GridferngesteuertunddieVorgabenfürdieEnergieflüsseübermitteltundüberwacht.

UnsereAkteuresind:PV-Anlage(8)undBHKW(3)alsErzeugerundBatteriespeicher(9),Elektroautos(12),PowertoGas(6)undPowertoHeat(4)alssteuerbareAbnehmer.FürdiesesollendurchSoftware-ApplikationenenergieoptimierteVorgabenautomatischerstelltunddurchdieNetzleittechnikabgefahrenwerden.

Forschungsschwerpunkte•AnforderungenannetzdienlicheBetriebsführungvonErzeugern,VerbrauchernundSpeichern•RegelkonzepteundOptimierungsstrategienfürdieEnergieflusssteuerungimMicro-Grid•SpartenübergreifenderVerbundbetriebvonelektrischenundthermischenErzeugern, SpeichernundAbnehmern

1. Grid Control CenterCharacteristics•2operatorandsystemworkplaces•Platformfornetworkcontroltechnology:Siemens“SpectrumPower5”•OnlinemeasuringofelectricalandthermicenergyflowswithinourMicro-Grid andtheCampusGrid•ControlandAutomationofelectricalandthermicenergyflowsofMicro-Grid•Centralrecordingofpowerflowsfromgridsofnetworkoperators50HertzTransmission, E.DIS,MITNETZSTROMandStromnetzBerlin

Mode of operation & task within Micro-GridThemeasureddataofMicro-GridandCampusGridareanalyzedandevaluatedonline.Basedonthis,visualizationsandinputrequirementsfortheenergyflowcontrolarerealized.ThecomponentsoftheMicro-Gridareremotecontrolledwiththegridcontrolsystem.Thelatteralsotransmitsandsupervisesinputrequirementsfortheenergyflows.

Ourcomponentsare:PVSystem(8)andCHP(3),bothareservingasenergyproducers,whereasStationaryBattery(9),E-Cars(12),PowertoGas(6)andPowertoHeat(4)installa-tionsserveascontrollableloads.Inthefuture,softwareapplicationsareexpectedtogenerateenergy-optimizedinputrequirementsforallcomponentsautomaticallyandwillthenbeappliedbythenetworkcontroltechnology.

Research priorities•Requirementsforanetwork-beneficialoperationalmanagementofenergyproducers, loadsandstorages•Controlconceptsandoptimizationstrategiesforthecontrolofenergyflowswithinthe Micro-Grid•Cross-divisionalinterconnectednetworkoperationofelectricalandthermalproducers, storagesandconsumers

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FotoI:Netzleitstelle in BIENe / Grid Control Center in BIENe FotoII: Netzleitstelle in Taucha / Grid Control Center in Taucha

©MITNETZSTROM

QR-CodescannenundmehrüberdieNetzleitstelleerfahren/scanQRcodeandlearnmoreabouttheGridControlCenter

2. Smart Meter Steckbrief•25SmartMeterverteiltimCampus-Netz•ZeitlicheMesswerterfassung∆t=30s•MessungvonStrom,SpannungundLeistung•ÜbertragungderMesswerteandieNetzleitstelle(1)zurDarstellung,AuswertungundArchivierung

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridSmartMetersindelektronischeMessgerätezurautomatischenErfassungvonEnergieflüssen.ImGegensatzzukonventionellenMessgerätenerlaubensieeinebidirektionaleKommunikati-onzwischenZählerundEnergieverteilnetz.

AufdemZentralcampusderBTUCottbus–SenftenbergwerdendurchSmartMeterdieLast-profileundEnergieverbräuchewichtigerBüro-undLaborgebäudeerfasst,zwischengespei-chertundandieNetzleitstellezurArchivierungübertragen.

WeiterhinkönnendieLeistungsflüsseimMittel-undNiederspannungsnetzdesCampus-Netzesüberwachtwerden.ImAnschlusswerdencharakteristischeEnergieflussprofileerstellt.SobestehtdieMöglichkeitdiesesteuerbarenLasten(„Verbraucher“)ineinübergeordnetesManagementsystemeinzubinden.

Forschungsschwerpunkte •PotentialanalysefürsteuerbareLastenaufdemCampusderBTUCottbus–Senftenberg

2. Smart MeterCharacteristics•25SmartMeteraredistributedthroughouttheCampusGrid•Temporalmeasurementvalueacquisition∆t=30s•Measurementofelectricity,voltageanddemand•TransferofmeasureddatatowardstheGridControlCenter(1)forpurposesof vizualisation,evaluationandarchiving

Mode of operation & task within Micro-GridSmartMetersareelectronicmeasurementdevicesthatautomaticallyrecordenergyflows.Incontrasttoconventionalmeters,theyallowforabidirectionalcommunicationbetweenboth:themeterandtheenergydistributionnetwork.

TheSmartMetersinstalledonthecentralcampusofBTUCottbus–Senftenbergrecordtheloadprofilesandenergyconsumptionsofimportantofficeandlaboratorybuildings.TheythenbufferthemandtransferthedatatotheGridControlCenterforarchiving.Thepowerflowsofthemedium-andlowvoltagenetworkoftheCampusGridarealsosupervisedthisway.

Subsequently,characteristicpowerflowprofilesarecreated.Thus,oneisabletointegratethemascontrollableloadsintoagreatermanagementsystem.

Research priorities•PotentialanalysesforcontrollableloadsoncampusofBTUCottbus–Senftenberg

Uhrzeit/time 24

Gesamte PV-Erzeugung total PV-generation

Überschuss PV-Erzeugung (Rückspeisung ins Campus-Netz)/

surplus from PV-generation (feed-back into campus grid)

Strombedarf Micro-Grid/ electricity demand of micro-

grid

Strombedarfsbedeckung durch PV/coverage of

electricity demand trough PV

Strombedarfsdeckung aus Campus-Netz/

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Rückspeisung/feed-back Bezug/supply

Laden/charging

Rück- speisung/ feed-back

PV-Anlage/PV-station Ladesäulenpark mit eCars/

charging station park with e-cars

Campus-Netz/campus grid

Einspeisung/ feed-in

Smart Meter auf dem Campus / Smart Meter on Campus

Durch Smart Meter erfasste Leistungsflüsse / Power Flows recorded by Smart Meter

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QR-CodescannenundmehrüberSmartMetererfahren/scanQRcodeandlearnmoreaboutSmartMeter

3. Blockheizkraftwerk (BHKW)Steckbrief•30kWmechErdgasmotor•50kVAdirektnetzgekoppelterDrehstromsynchrongenerator•27kWelektrischeWirkleistung•-13..+24kvarelektrischeBlindleistung•Elektroenergie-AbführungimInsel-oderNetzbetrieb•80kWthermischeLeistung•WärmenutzungzumBeheizenoderzurKühlungderangrenzendenFMPA-Halle

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid Blockheizkraftwerke(BHKWs)sindErzeugungs-Allrounder,diemittelsVerbrennungsmotordiechemischeEnergieimGasoderimBiodieselinWärmeundElektrizitätwandeln.DazuerzeugtderVerbrennungsmotoreinemechanischeArbeit,diedurcheinenGeneratorinelek-trischeEnergiegewandeltwird.GleichzeitigwirddievomVerbrennungsmotorabgegebeneWärmegenutzt.

BHKWsgehörendamitzurTechnologiederKraft-Wärme-Kopplung(KWK).DasBHKWinunseremVersuchsfeld„IntelligenteEnergieNetze“nutztErdgasalsBrennstoffunddientalsBackupfürdieregenerativeWärme-undStromerzeugungimAnlagenverbund.

Forschungsschwerpunkte •AusgleichvonLeistungsfluktuationendurchregenerativeEinspeisungsanlagen•BereitstellungvonfolgendenSystemdienstleistungen,diefürdenBetriebelektrischerNetzeerforderlichsind: —BeitragzurFrequenzhaltungdurchWirkleistungsregelung —BeitragzurSpannungshaltungdurchBlindleistungsregelung —BeitragzurKurzschlussleistungdurchseparatesErregersystem

3. Combined Heat and Power Plant (CHP)Characteristics•30KWmechnaturalgasengine•50kVAdirectlygrid-connectedACsynchronicgenerator•27kWelectricalactivepower•-13..+24kvarelectricalreactivepower•Electricalenergyeductioninisolatedorgridoperation•80kWthermaloutput•UseofproducedheatforheatingorcoolingthenearbyFMPAhall

Mode of operation & task within Micro-GridCombinedHeatandPowerPlants(CHP)arecalled“productionallrounders”:Byusingacom-bustionengine,theyconvertthechemicalenergyofgasorbiodieselintoheatorelectricity.Todoso,thecombustionengineproducesmechanicalworkwhichisthenconvertedintoelec-tricalenergybyusingagenerator.Theheatproducedbythecombustionengineisalsoused.

ThatiswhyCHPsbelongtoatechnologyreferredtoascogeneration.TheCHPthatispartofourtestfield“SmartEnergyGrids”isusingnaturalgasasafuelandservesasabackupfortheregenerativeheatandpowergenerationwithinourplantnetwork.

Research priorities•Balancingthepowerfluctuationofregenerativefeed-inplants•Providingthefollowingsystemservicesthatarenecessarytorunelectricalgrids: —Contributiontofrequencystabilitythroughactivepower —Contributiontovoltageestabilitythroughreactivepower —Contributiontoshort-circuitcapacitythroughaseparateexcitationsystem

BHKW / CHP Prozessschema BHKW / Process Scheme CHP

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4. Power to Heat (P2H)SteckbriefWärmespeicher•ca.230kWhSpeicherkapazität(ΔT=20K)•SpeichermediumWasser:10.000LiterSpeicherinhaltHeizpatronen•RegelbareWärmezufuhrüber3µ19kWHeizkonvektoren•RegelbareWärmenutzungdurch2µ40kWAbsorptionskältemaschine(5)•RegelbareWärmenutzungdurch15kW

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid PowertoHeat(P2H)stehtfür„StromzuWärme“undbezeichneteinedirekteWärme-erzeugungausStrom(-überschüssen).

Beispiel:InunseremVersuchsfeld„IntelligenteEnergieNetze“entstehteinÜberschussanelektrischerEnergie,weilderLadesäulenpark(11)nichtgenügendabnimmt.Überschuss-energiekanndanndurchdieelektrischenHeizpatroneninWärmeumgewandeltwerden.

AusSichtdesStromnetzesstellendieseHeizpatronensteuerbareVerbraucherdar.

DiesoimMicro-GriderzeugteWärmewirdzurGebäudeheizungbzw.-kühlung–überdieKältemaschine(5)–genutztoderfüreinespätereVerwendungimWärmespeichergepuffert.

Forschungsschwerpunkte •KopplungStrom-undWärmenetze•PraktischeErprobungvonPowertoHeat(P2H)alssteuerbareStromlastinSmartGrids

4. Power to Heat (P2H) CharacteristicsThermalEnergyStorage•approx.230kWhstoragecapacity(ΔT=20K)•storagemediumwater:10,000literstoragecapacityCartridgeHeaters•controllableheatsupplywiththehelpof3µ19kWConvectorHeaters•controllableheatusewiththehelpof2µ40kWAbsorptionCoolingUnit(5)•controllableheatusewiththehelpof15kW

Mode of operation & task within Micro-GridPowertoHeat(P2H)describesdirectheatgenerationfrompowersurpluses.

Forexample:Ifapowersurplusoccurswithinourtestfield“SmartEnergyGrids”,whichmightbearesultoftheACChargingStationPark(11)notconsumingsufficientelectricalenergy,thissurpluscanbetransformedintoheatbyusingcartridgeheaters.

Fromthegridpointofviewtheseheatersarecontrollableloads.

TheheatproducedwithintheMicro-GridcaneitherbeusedforwarmingthenearbybuildingorforcoolingitwithaCoolingUnit(5).Itcanalsobestoredwithinthethermalenergystorageforalateruse.

Research priorities•Couplingofpowerandheatnetworks•PracticaluseofPowertoHeat(P2H)asacontrollableloadwithinSmartGrids

Wärmespeicher (Beispielanlage) / Thermal energy storage unit (example) Prozessschema P2H / Process Scheme P2H

©thermoflux.info

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5. AbsorptionskälteanlageSteckbrief•15kWKälteleistung•21kWHeizleistung(Wärmelast)•35kWRückkühlleistung(Trockenrückkühler)•Wärmeverhältnis(CoefficientofPerformance,COP)0,71

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridÜberschuss-EnergiekannimWärmespeicher(4)zwischengepuffertwerden.DochwaspassiertmitdiesemHeizwasser,wennz.B.imSommereineKühlungnotwendigwird?HierkommtdieKälteanlageinsSpiel.InihrentstehtineinemständigenthermodynamischenProzessausHeizwasserKaltwasser:

DazubefindensichinderKälteanlagezweiBehälter.DarinsorgteinkombinierterLösungs-mittel-undKältemittelkreislauffürdiethermischeVerdichtung.DurchdieZufuhrvonWär-meundunterhohemDruckwirdimerstenBehälterdasKältemittelverdampftundsovomLösungsmittelgetrennt.

NachderKondensierungwirddasKältemittelindenzweitenBehältergeleitetundbeinied-rigeremTemperaturniveauundimVakuumverdampft.DurchdieVerdampfungwirddemKaltwasserkreislaufWärmeentzogen.DasverdampfteKältemittelwirdanschließendvomLösungsmittelabsorbiertundindenerstenBehältergepumpt.VondortbeginntderKreislaufwiedervonvorn.

Forschungsschwerpunkte •UntersuchungundpraktischeErprobungvonsteuerbarenWärmelastenin wärmebedarfsschwachenZeiten

5. Absorption Cooling UnitCharacteristics•15kWcoolingcapacity•21kWthermalabsorptioncapacity(thermalload)•35kWre-coolingpower(dry-cooler)•CoefficientofPerformance(COP)0,71

Mode of operation & task within Micro-GridPowersurplusescantemporarybestoredinthethermalenergystorage(4).However,whatistheuseofhotwater,whenforexampleduringthesummermonthsitbecomesmorene-cessarytocoolthenearbybuildinginsteadofheatingit?Forthisveryreason,weareusinganAbsorptionCoolingUnitaswell.Init,coldwaterisgeneratedfromhotwaterbyapplyingaconstantthermal-dynamicprocess:

Theunitconsistsoftwocontainersinwhichacombinedsolventandrefrigerantcircuitleadstoathermalcompression.Withinthefirstcontainer,heatissuppliedandpermanentpressureisused.Thus,therefrigerantisbeingevaporatedandseparatedfromthesolvent.

Aftercondensationisdone,therefrigerantisleadintothesecondcontainerwhereitisbeingvaporizedunderavacuumandatalowtemperaturelevel.Duetotheevaporationprocess,thermalenergyisextractedfromthecoldwatercircuit.Inanextstep,theevaporatedrefrige-rantisabsorbedbythesolventandisbeingpumpedintothefirstcontainerfromwherethecircuitstartsalloveragain.

Research priorities•Researchandpracticaluseofcontrollablethermalloadsintimeswhenheat isnotrequired

Prozessschema Absorptionskältemaschine / Process Scheme Absorption Cooling UnitKältemaschine / Cooling Unit

©EAWAnlagenbau

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QR-Codescannenundlosgeht́ smitderAnimation/scanQRcodeandstartthecomputeranimation

6. Power to Gas (P2G)Steckbrief•InstallierteLeistung:145kWel•Max.Gasproduktionsleistung:30Nm3/h•AlkalischeDruckelektrolyse-Anlage•SpeicherinhaltdesWasserstoffspeichers: 2.000Nm3bei43barSpeicherdruck(entsprichtca.6MWhEnergieinhalt)•MaximalerLeistungsgradient:2,3kW/s•Betriebsdruck:biszu60bar•Betriebstemperaturen:70°C•BetreuungundForschungdurchdenLehstuhlKraftwerkstechnik

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid AusSichtdesStromnetzesstellteinePowertoGasAnlageeinesteuerbareelektrischeLast(Verbraucher)dar.Überschüssige,regenerativerzeugteEnergiewirdhierdurcheinenWasserelektrolyse-ProzessinWasserstoffumgewandelt.DerWasserstoffwirdz.B.inTanksoderineinemGasnetzinFormvonchemischerEnergiegespeichertundkanndannentwe-derrückverstromtoderimWärme-oderMobilitätssektorverwendetwerden.PowertoGas(P2G)isteinBindegliedzwischenStrom-undGasnetz(Verbundbetrieb).

Forschungsschwerpunkte ImBereichderSmartGridsdurchdenLehrstuhlEnergieverteilungundHochspannungstechnik:•VerbundbetriebderAnlagemitfluktuierendeinspeisendenregenerativenErzeugungs- anlagenundweiterensteuerbarenLasten(Verbrauchern)•UntersuchungderEignungderP2G-TechnologiefüreinedynamischeFahrweise entsprechenddenRegelanforderungenfüreinennetzdienlichenBetrieb

6. Power to Gas (P2G)Characteristics•Installedcapacity:145kWel•Max.gasproducingcapacity:30Nm3/h•Alkalinepressureelektrolysisapparatus•Storagecapacityofhydrogenstorage: 2,000Nm3with43barstoragepressure(equivalentto6MWhenergycontent)•Max.outputgradient:2,3kW/s•Operatingpressure:upto60bar•Operatingtemperature:70°C•OperationandresearchiscarriedoutthroughtheChairofPowerPlantTechnology

Mode of operation & task within Micro-GridConsideringthegridpointofview,aPowertoGasplantrepresentsasacontrollableelectricalload(consumer).Itusesawater-electrolysisprocesstoconvertrenewableenergysurplusestohydrogen,whichcanthenbestoredintanksorintheformofchemicalenergyinagasgrid.Hydrogencanbere-convertedintoelectricalpoweroritcanbeusedintheheatingormobi-litysector.PowertoGas(P2G)technologyisanimportantinterfacebetweenelectricityandgassector(interconnectedoperation).

Research prioritiesInthefieldofSmartGridsascarriedoutbytheChairofPowerDistributionandHighVoltageEngineering:•Interconnectedoperationofplantwithfluctuatingpowerregenerationplantsand furthercontrollableloads(consumer)•InvestigationofwhetherP2Gtechnologyissuitableforadynamicoperation modeaccordingtothestandardrequirementsofgrid-beneficialuse

FotoII:Wasserstoffzentrum /Hydrogen CenterFotoI: Elekrolyse-Anlage / Electrolysis Apparatus

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QR-CodescannenundFilm-beitragzumWasserstoffzen-trumsehen/scanQRcodeandwatchafilmaboutthehydrogencenter

7. Stationärer BatteriespeicherSteckbrief•Lade-/Entladeleistung(dauer):60kW•NutzbareBatteriekapazität:500kWh•Batterietyp:Blei-SäureBatterien•Zellenzahl:288Stück•4µ3Umrichter

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid DieBatteriedientalsstationärerSpeichervonüberschüssigerElektroenergieundfürderenRückverstromunginZeitenvonEnergiemangel.AufgrundderschnellenUmschaltbarkeitzwischenLadenundEntladeneignetsichdieBatteriesehrgutzumAusgleichvonEnergie-schwankungenimMicro-Grid,diez.B.durchWolkenzügeüberderPhotovoltaikanlage(8)oderaufgrunddesTag-Nacht-Zyklusentstehen.

DerBatteriespeicherkommtalsoalssteuerbarerhochdynamischerErzeuger(beimEntladen)bzw.Verbraucher(beimLaden)zumEinsatz.

DieinstallierteSpeicherkapazitätumfasst2.000kWh.DaeinevollständigeEntladungdieBatteriezuschnellalternlassenwürde,werdennur500kWhgenutzt.SokanneineLebens-dauervonca.4.000Lade/Entladezyklenerreichtwerden.

ZumVergleich:MitderSpeicherkapazitätvon500kWhkönnenalle15Elektroautos(12)1,5-malvollständiggeladenwerden.

Forschungsschwerpunkte •EinbeziehungvonBatteriespeichernzurEnergieflussoptimierunginMicro-Grids•AusgleichvonEnergieflussschwankungen•ErmittlungdesAlterungsverhaltensstationärerBatterien

7. Stationary BatteryCharacteristics•Charginganddischargingefficiency(duration):60kW•Usablestoragecapacity:500kWh•Batterytype:leadacidbattery•Numberofcells:288•4µ3converters

Mode of operation & task within Micro-GridThebatteryservesasstationarystorageforrenewablesurplusenergyandforitsrecon-versionintimesofenergyshortage.Duetoitsabilitytorapidlyswitchbetweencharginganddischarging,thebatteryhelpstobalancetheenergyfluctuationsoftheMicro-Grid.ThiscanbecausedbycloudscapesoverthePhotovoltaicStation(8)orsimplybearesultoftheday-nightcycle.

Thestationarybatteryservesasacontrollablehighlydynamicpowerproducerwhendischargingorasaconsumer(load)whencharging.

Theinstalledstoragecapacityis2,000kWh.However,completelydischargingthebatterywouldseverelyloweritsperformanceandlongevityresultinginshortbatterylife.Thatiswhyonly500kWhareused.Thus,alife-spanofapprox.4,000chargeanddischargecyclescanbereached.

Incomparison:Withacapacityof500kWhall15e-cars(12)couldbechargedtothemaximum1.5times.

Research priorities•UsingbatterystoragestooptimizeenergyflowsinMicro-Grids•Compensatingenergyflowfluctuations•Agingbehaviorofstationarybatteries

FotoII:Batteriespeicher / Stationary BatteryFotoI:Umrichter / Converters

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8. Photovoltaik-AnlageSteckbrief•InstallierteelektrischeLeistung:110kWpeak•GesamtflächederModule:~850m2•Modultyp:AlgatecSolarASMpoly1-6/220(Pr=220W)•530Modulemitje60Zellen•Wechselrichter:7Wechselrichter(12-17kW)•„Messpilz“:33MesszellenineinerHalbkugelausgerichtet

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridDiePV-AnlagewandeltsolareStrahlungsenergiedirektinelektrischeEnergieum.IhreModulesindmitunterschiedlichenAnstellwinkelnaufverschiedenenDach-undFassaden-flächenderForschungs-undMaterialprüfanstalt(FMPA)verteilt.

ZurAnpassungderSpannungsformfürdasEnergieversorgungsnetz,vonGleich-aufWechselspannung,sindimGebäudeWechselrichterinstalliert.DiePV-AnlagewirdvonderNetzleittechnikangesteuertundüberwacht.

UmdirekteundreflektierteSonnenstrahlungzuerfassen,isteinsogenannter„Messpilz“installiert.DabeihandeltessichumPV-MesszelleninFormeinerHalbkugel.InzeitlichkurzenAbständenfindethiereinekontinuierlicheVermessungderSonneneinstrahlungstatt.

Forschungsschwerpunkte•SteuerungundOptimierungderEnergieerzeugungvonPV-Anlagen•KontinuierlicheLangzeitmessung(MessauflösungΔt=1s)derPV-Einspeisung zurSchaffungeinerumfangreichenDatenbasis•„Messpilz“dientderErforschungdesEinflussesvonAusrichtung,Neigungund NutzbarmachungindirekterSonneneinstrahlungamStandort

8. Photovoltaic SystemCharacteristics•Installedchargingcapacity:110kWpeak•CollectorareaofPVmodules:~850m2•Typeofmodules:AlgatecSolarASMpoly1-6/220(Pr=220W)•530modules,eachwith60cells•Powerinverters:7powerinverter(12–17kW)•“MeasuringMushroom”:33measuringcellsalignedintheshapeofahemisphere

Mode of operation & task within Micro-GridThePVSystemdirectlyconvertssolarradiationenergyintoelectricalenergy.PVmodulesareplacedindifferentattackanglesonvariouspartsoftheroofandfrontoftheResearchandMaterialTestingFacility(FMPA).

Toadaptthevoltagewaveformoftheenergydistributionnetworkfromdirectcurrent(DC)toalternatingcurrent(AC)powerinvertersareinstalledinthebuilding.GridcontroltechnologyoperatesandmonitorsthePVSystem.

Inordertomeasuredirectandreflectedsolarradiation,asocalled“measuringmushroom”hasbeeninstalled.ItconsistsofPVmeasuringcellsshapedinahemisphericalway.Thus,acontinuousmeasuringofsolarradiationtakesplaceinshortintervals.

Research priorities•OperationandoptimizationofenergygenerationthroughPVsystems•Continuouslong-termmeasuring(measuringresolutionΔt=1s)ofPVfeed-ins tocreateanextensivedatabase•“MeasuringMushroom”isusedtoresearchtheinfluenceofdirection,inclination andutilizationofindirectsolarradiationonlocations

FotoII:„Messpilz“ / „Measuring Mushroom“FotoI:PV-Anlage / PV System

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QR-CodescannenundüberdiePVAnlagefliegen/scanQRcodetakeaflightuptothePVSystem

9. Mess-, Steuer- und Regelungsraum (MSR)Steckbrief•SchaltanlagezurEnergiefllusssteuerung: SIEMENSSivaconS8(55kAKurzschlussfestigkeit)•Schaltanlage: SMAAutomaticSwitchboxXL•12Batterie-Umrichter: SunnyBackup5000•SteuerungseinheitundleittechnischeKomponenten

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridImMSR-RaumsinddieSchaltanlagenzurSteuerungundVerteilungderelektrischenEnergieflüssezwischenCampus-Netz,PV-Anlage(8),BHKW(3),Batterie-Speicher(9),Elektroautos(12),P2G(6)undP2H(4)untergebracht.HierkönnendieAkteuredesVer-suchsfeldes„IntelligenteEnergieNetze“wahlweiseansCampus-NetzimNetzbetrieboderalseigenständigesInselnetzgeschaltenwerden.

DieVerbindungzurNetzleittechnikwirdüberMesstechnikundüberSchnittstellenzurProzesserfassunghergestellt.SiedienenderÜberwachungundSteuerungderAnlagen.EinentsprechendesSicherungskonzeptschütztPersonenundelektrischenAnlagen,besondersimInselbetrieb.

Forschungsschwerpunkte•MinimierungderResiduallast,alsoderRestnachfrageanelektr.Energie,dienicht überEinspeisungenausErneuerbarengedecktwirdundüberkonventionelle Kraftwerkeerfolgt•HarmonisierungzwischensteuerbarenLastenundfluktuierendenErzeugern•AusgleichsvorgängebeiNetzparallel-undInselnetzbetrieb•OptimierungsbedarfbeiMassendaten

9. Instrumentation and Control Room (I&C)Characteristics•Switchboardforcontrollingenergyflows: SIEMENSSivaconS8(55kAshort-circuitstrength)•Switchboard: SMAAutomaticSwitchboxXL•12batteryinverters: SunnyBackup5000•Controlunitandinstrumentationcomponents

Mode of operation & task within Micro-GridTheinstrumentationandcontrolroomhousestheswitchboardstocontrolanddistributetheelectricalenergyflowsbetweenCampusGrid,PVStation(8),CHP(3),Battery(9),E-Cars(12),P2G(6)andP2H(4).Allcomponentsofthetestfield“SmartEnergyGrids”canbeoperatedeitherconnectedtotheCampusGridingridparalleloperationorindependentlyasanisolatedgrid.

Theconnectiontothegridcontroltechnologyismanagedthroughmeasuringtechnologyandwiththehelpofinterfacesforprocessmapping.Theyareusedtomonitorandcontrolthecomponents.Anappropriatesecurityconceptassuresthesafetyofpeopleandtechnicalcomponents,especiallyduringisolatedgridoperation.

Research priorities•Minimizationofresidualload,whichreferstotheelectricalenergythatcannot becoveredbyfeed-insfromrenewableenergysourcesandhastobegenerated byconventionalplants•Harmonizationbetweencontrollableloadsandfluctuatingproducers•Balancingprocessesduringgridparalleloperationandduringisolatedgridoperation•Needforoptimizationofmassdata

BHKW / CHP

Batterie / battery

PV PowerTo Heat

mobile Ladesäule /

mobile charging station

sonstige Verbraucher /other consumers

0,4 kV

20 kV

Micro-Grid

Stromnetz BTU-Campus / electricity grid BTU campus

Vorgelagertes Stromnetz (Stadtwerke Cottbus EVC) / upstream electricity grid

Lade-säulen-park /

charging station

park

sonstige Verbraucher /other consumers

Trafo / transformer

FotoI:MSR-Raum / I&C Room Aufbau Micro-Grid / Set-Up Micro-Grid

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10. DC Ladestation: „Schnell-Ladesäule”Steckbrief•Nennausgangleistung:75kW•MaximaleDC-Ladeleistung:60kW•MaximalerDC-Ladestrom:125A•DC-Ladespannung:225–760V•Wirkungsgrad:>95%•Rückspeisefähigkeit:VehicletoGridTechnologie(V2G)•Hersteller:Ekoenergetyka(Polen)

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridIndieserLadesäulesinddreiAnschluss-ArtenfürElektrofahrzeugevereint:Dasein-unddrei-phasigeLadenmitWechselstrom(AC)entsprichtunserenACLadesäulenimLadesäulen-park(11).ZudemkönnenFahrzeugeübereinenDC-AnschlusssteckerTypCombo2auchmitGleichstrom(DC)beladenwerden.DasBesondereanderDC-Ladesäule:ImGegensatzzudenLadesäulenimLadesäulenparkbefindetsichderUmrichterfürdasLadenderFahrzeug-batteriennichtimAuto,sonderninderLadesäuleselbst.DiedarausresultierendePlatz-undGewichtsersparniskannfüreinegrößereBatteriegenutztwerdenbzw.durcheinengrößerenUmrichterinderLadesäulekanndemAutomehrStromzurVerfügunggestelltwerden.DieReichweitedesFahrzeugeswirdsoerhöhtunddieLadezeitverkürzt(„Schnell-Ladesäule“).

MitGleichstromaufgeladenwirdhierz.B.einElektrobus,derimRahmendesProjektes„GrüneEnergie“zwischenderUniversitätZielonaGóraundderBTUCottbus–Senftenbergpendelt.Soermöglichtdie„Schnell-Ladesäule“nichtnureinumweltfreundlichesFahrenübergroßeReichweiten,sondernauchdenAustauschzwischendeutschenundpolnischenStudenten.

Forschungsschwerpunkte•Erprobungder„Schnell-Ladetechnologie“(DC)•KommunikationzwischenLadestationundElektrofahrzeug

10. DC Charging Station: “Fast Charging Station”Characteristics•Poweroutput:75kW•MaximumDCchargingcapacity:60kW•MaximumDCchargingcurrent:125A•DCchargingvoltage:225–760V•Efficiency:>95%•Bidirectionalcharging:VehicletoGridtechnology(V2G)•Producer:Ekoenergetyka(Poland)

Mode of operation & task within Micro-GridThechargingstationcombinesthreeconnectiontypesforelectronicvehicles:Singleandthreephasechargingwithalternatingcurrent(AC)whichequalsthechargingtypeaccessibleatourACChargingStationPark(11).Apartfromthat,vehiclescanalsobefueledwithdirectcurrent(DC)throughaDCconnectingplugCombo2.IncontrasttotheACChargingStations,theenergyconverterforchargingthecarbatteryisnotpartofthevehiclebutplacedwithintheDCChargingStationitself.Thus,weightisreducedandspaceissavedandcanbeusedforabiggerbattery.Abiggerenergyregenerationunitwithinthechargingstationalsoprovidesmorepower.Thus,therangecanbeextendedandthechargingtimereduced(“FastChargingStation”).

AnelectricbuscommutingbetweentheUniversityofZielonaGóraandBTUCottbus–Senftenbergaspartofthe“GreenEnergy“project,isfueledhere.Thus,the“FastCharging“StationenablesnotonlyenvironmentallyfriendlyjourneysoverlargedistancesbutalsoanexchangebetweenGermanandPolishstudents.

Research priorities•Testingof„fastchargingtechnology“(DC)•Communicationbetweenchargingstationandelectricvehicles

FotoII:E-Bus aus „Grüne Energie“ / “Green Energie“ E-Bus

©Ekoenergetyka

FotoI:„Schnell-Ladesäule“/ “Fast Charging Station“

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QR-CodescannenundaufderProjekt-Webseitemehrerfahren/scanQRcodetovisitthe“greenenergy“webside

11. AC LadesäulenparkSteckbrief •15Ladesäulen:15µ22kWLade-undEntladeleistung•UngesteuertesundgesteuertesLadenundEntladen•KommunikationsverbindungzwischenAuto,LadesäulensteuerungundEnergiemanage-ment-SystemallerLadesäulen

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid BeidenWechselstrom(AC)LadesäulenbefindetsichdieUmrichter-TechnikfürdasLadenderBatterieimElektrofahrzeug.DieAnbindungandasöffentlicheAC-NetzerfolgtüberdieLade-säule.ZweiAnbindungsartenstehenzurVerfügung:EinedreiphasigeDrehstrom-AnbindungundeineeinphasigeVerbindungzumNot-Laden.

DasBesonderederLadesäulenistihreSteuerbarkeit:NichtkommunikationsfähigenFahrzeu-genkanndurcheinübergeordnetesEnergiemanagement,undinAbhängigkeitderBelastungallerLadesäulen,einmaximalerLadestromzugewiesenwerden.KommunikationsfähigeFahr-zeuge(12)könnenderLadesäulemitteilen,wannsiewievielEnergiebenötigen.DieseVor-gabenwerdendannumgesetzt.SokönnenFahrzeugbatterienfüreingezieltesEntladenan-gesteuertwerden.ImProjekt„e-SolCar“gelangeserstmalseineKommunikationsverbindungzwischenE-Car,LadesäuleundEnergiemanagementherzustellen,LeistungsflüsseoptimiertereinzustellenunddieeigentlicheLadesteuerungimElektrofahrzeugstattfindenzulassen.Die„e-SolCars“wurdensozu„rollendenEnergiespeichern“.

Forschungsschwerpunkte •AnforderungenanLadeinfrastrukturzurNutzungvonElektrofahrzeugenalsKurzzeit-speicherimStromnetz,VehicletoGridTechnologie(V2G)•OptimierungdesLade-undEntladeverhaltens•KommunikationzwischenElektrofahrzeugundLadesäule&zwischenLadesäuleund Energiemanagement

11. AC Charging Station ParkCharacteristics•15chargingstations:15µ22kWcharginganddischargingcapacity•Uncontrolledandcontrolledcharginganddischarging•Connectionofcommunicationbetweene-car,chargingstation,controlsystemandenergymanagementsystemofallchargingstations

Mode of operation & task within Micro-GridWhenusingoneofthealternatingcurrent(AC)chargingstations,theenergyregenerationunitforchargingthebatteryhastobepartofthecar.Throughthechargingstation,thevehiclesareconnectedtothepublicACnetwork.Twotypesofconnectionsareavailable:Athree-phaseACconnectionandasingle-phaseconnectionforemergencycharging.

WhatmakestheACchargingstationsuniqueistheircontrollability:Vehiclesthatarenotabletocommunicatewiththem,willreceiveamax.chargingcurrentdependingonthecapacityusedatallstations.Thisprocessiscontrolledbythehigher-levelenergymanagementsystem.Vehiclescapableofcommunicatingwiththechargingstation(12)informthestationatwhattimetheywillneedwhichamountofenergy.Thosespecificationsarethenprocessed.Thebatteriesofthevehiclecanalsobedischargedinatargetedway.The“e-SolCar“projectwasthefirstonetosucceedinestablishingacommunicationconnectionbetweene-car,chargingstationandenergymanagementinordertoset-upmoreoptimizedpowerflowswhilethechar-gecontroltakesplacewithinthecaritselfs.Thus,thecarsturninto“rollingenergystorages“.

Research priorities•Requirementsofcharginginfrastructuretouseelectronicvehiclesasshort-time energystorages,VehicletoGridtechnology(V2G)•Optimizationofcharginganddischargingbehaviour•Communicationbetweene-carandchargingstation&betweenchargingstation andenergymanagementsystem

FotoII:e-SolCar beim Laden / e-SolCar during ChargingFotoI:Energiemanagement-System / Energy Managment System

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QR-Codescannen:Prof.Dr.-Ing.SchwarzzumThemaElektromobilität/scanQRcodeandlistentoProf.Dr.-Ing.Schwarztalkingaboutelectro-mobility

12. ElektrofahrzeugeSteckbrief 1 µ German E-Cars Plantos (Basis Mercedes Sprinter)•Batteriekapazität:38,8kWh•Leistung:85kW•Reichweite:120km•Höchstgeschwindigkeit:130km/h

15 µ German E-Cars Cetos (Basis Opel Corsa)•Batteriekapazität:21,4kWh•Leistung:60kW•Reichweite:120km•Höchstgeschwindigkeit:130km/h

AlleFahrzeugesindkommunikations-undrückspeisefähigzurLadesäule,d.h.siekönnenbeiBedarfelektrischeEnergieinsNetzzurückgeben,VehicletoGridTechnologie(V2G).

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-GridDieAutosstammenausdem„e-SolCar“VerbundprojektzwischenBTUCottbus-Senftenberg,VattenfallEuropeGenerationundGermanE-CarsR&D.GermanE-Carsentwickeltedasuni-undbidirektionaleLadenfürdieFahrzeugesowiedieKommunikationzwischenAutosundLadesäule.Alle16FahrzeugewurdenvonVerbrennungs-aufElektroantriebumgerüstetundineinemanschließendenzweijährigenFeldversuchgetestet.Zusammenmitdenkommunika-tionsfähigenLadesäulen(11)unddemEnergiemanagement-SystemistderBTU-FuhrparkderersteseinerArt.DurchdieübergeordneteProzesssteuerungwerdenLade-undEntladebefeh-leandasBatteriemanagementsystemübermitteltunddieAutossozuKurzzeitspeichernimStromnetz.

Forschungsschwerpunkte•KommunikationsinfrastrukturimElektrofahrzeug•Ladeinfrastruktur•AnalysedesNutzerverhaltensundAbleitungtypischerLadeprofilefürElektrofahrzeuge•Hardware-undSoftwaretests

12. E-CarsCharacteristics1 µ German E-Cars Plantos (based on Mercedes Sprinter)•Batterycapacity:38,8kWh•Output:85kW•Range:120km•Maximumspeed:130km/h

15 µ German E-Cars Cetos (based on Opel Corsa)•Batterycapacity:21,4kWh•Output:60kW•Range:120km•Maximumspeed:130km/h

Allvehiclesareabletocommunicatewiththechargingstationandarecapableoffeedingenergybackintothegridifneeded,VehicletoGridtechnology(V2G).

Mode of operation & task within Micro-GridThecarsweredevelopedwithinthe“e-SolCar“project:ajointresearchprojectbetweenBTUCottbus-Senftenberg,VattenfallEuropeGenerationandGermanE-CarsR&D.GermanE-Carsdevelopedtheuni-andbidirectionalchargingofthee-cars,aswellas,thecommuni-cationbetweene-carandchargingstation.All16carswereconvertedfromcombustiontoelectricdriveandweretestedwithinatwoyearfleettest.Thevehiclefleet,thechargingsta-tionscapableofcommunicationandtheenergymanagementssystemhaveturnedtheBTUACChargingStationPark(11)intooneofakind.Thehigher-levelprocesscontrolmakesitpossibletogiveoutcharginganddischargingcommandstothebatterymanagementsystem.Thus,thecarsturnintorollingenergystorageswithinthegrid.

Research priorities•Communicationinfrastructurewithintheelectronicvehicle•Charginginfrastructure•Analysisofuserbehavioranddeductionoftypicalchargingprofilesforelectronicvehicles•Hardwareandsoftwaretest

FotoII:Kommunikationweg / Way of Communication FotoI:Blick unter die Motorhaube (e-SolCar) / View under the hood (e-SolCar)

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QR-CodescannenundVattenfall-Filmzu„e-SolCar“sehen/scanQRcodeandwatchaVattenfallfilmabout“e-SolCar“

13. EMV-PrüfanlageSteckbrief•Abmaße:13.2µ4.6µ5.7m³[LµWµH]•elektrischeFeldstärke:150V/m•Frequenzbereich:100MHz–1GHz•Schirmdämpfung:≥40dB•TestVolume:5µ3µ3m³

•PrinzipderModenverwirbelungmitbeweglichenWänden.EineModeisteineEigenwelle,diesichdurchdieÜberlagerungmehrererWellen,sogenannterInterferenzen,verstärkt.

Funktionsweise & Aufgabe im Micro-Grid Die„Modenverwirbelungskammer“isteinePrüfanlageimBereichderElektromagnetischenVerträglichkeit(EMV).EshandeltsichdabeiumeinenRaummitleitfähigenWänden,welcheauseinemmetallischenGewebebestehen.

Funktionsweise:MitHilfeeinerAntennemitSendeanlagewirdeinestehendeelektromagne-tischeWelleimRaumerzeugt.UmfüreinegleichmäßigeFeldstärkeimgesamtenVersuchs-raumzusorgen,wirddiestehendeWelledurchdieBewegungderWändeverschoben.SoverteiltsichdaselektromagnetischeFeldgleichmäßigimRaumundeskönnenauchgrößerePrüfobjekte(z.B.Elektroautos)getestetwerden,ohnedassdieseneuausgerichtetwerdenmüssen.DasObjektwird–wieauchunterrealenBedingungen–ausverschiedenenRich-tungengleichzeitigbeeinflusst.DieQuaderformderKammerermöglichtzudemdieVer-gleichbarkeitmitanderenPrüfräumenund-verfahren.Zielistes,daselektromagnetischeAbstrahlungsverhaltenderAutoszuerfassenbzw.dieAuswirkungeinerelektromagnetischBestrahlungaufdieFahrzeugelektronikzuruntersuchen.

Forschungsschwerpunkte •GrundlagenforschungEMV•VergleichEMV-Testräume(Absorberkabinevs.MV-Kammer)•EMV-StörfestigkeitundEMV-StöraussendungvonElektrofahrzeugen

13. EMC Testing FacilityCharacteristics•Dimensions:13.2µ4.6µ5.7m³[LµWµH]•AchievableE-Fieldstrength:150V/m•Frequencyrange:100MHz÷1GHz•Shieldingdamping:≥40dB•TestVolume:5µ3µ3m³

•Principleofmode stiring throughvibratingwalls.Amode isan“Eigenwelle”whichis amplifiedduetothesuperpositionofseveralwaves,asocalledinterference.

Mode of operation & task within Micro-GridThe“mode-stirredchamber”isatestfacilityforElectromagneticCompartibility(EMC).Itconsitsofaroomwithconductivewallsthataremadeofafleixible,metallizedfabric.Modeofoperation:Theroomisirradiatedwithanelectromagneticwavebymeansofanantennaandtransmittionsystem.Duetomultiplereflections,theelecromagneticenergyisstoredintheroom.Thiscausesstandingwaves.Inordertoachieveauniformlydistributedelectroma-gneticfieldwithinthechamber,thestandingwavesaresetinmotion(“mode-stirring”,MS).Themotioniscarriedoutbythevibratingwalls.MSallowsforauniformcoatingoflargescaletestobjects,suchascars,withouthavingtorotatethemduringthetest.Theequipmentbeingtestedisaffectedsimultaneouslyfromdifferentdirections.Thisalsoincreasesthesimilarityofthetestprocedurewithrealconditions.Therectangularshapeofthetestingchambermakesitpossibletocompareitwithothertestroomsandtestprocedures.ThechamberisusedtotestEMC-emissionaswellasEMC-immunity(impactofelectromagneticradiationonthevehicleelectronics).

Research priorities•FundamentalstudiesofElectromagneticCompatibility(EMC).•ComparisonofEMCtestingchambers(Anechoicchambervs.MSchamber)•EMC-immunity&EMC-emissionofelectricvehicles

FotoI:e-SolCar beim Test / e-SolCar during a Test Prinzip der Modenverwirbelungskammer / Principle of Mode-Stirring Chamber

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