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/
coverage of electricity demand trough campus
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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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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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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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QR-Codescannen:WaspassiertinderKammer?/scanQRcode:Whathappensinsidethechamber?