Masterstudiengänge

Energietechnische Themen haben im Zuge der Energiewende mit dem europäischen Ziel einer klimaneutralen Energieversorgung bis 2050 in den letzten Jahren enorme politische und gesamtgesellschaftliche Bedeutung gewonnen. Aus Gründen des Klimaschutzes, aber auch zur Reduktion von Abhängigkeiten bei der Energieträgerbeschaffung durch Kohle und Gas ist insbesondere in Deutschland ein Transformationsprozess mit Abkehr von konventionellen Kraftwerken hin zu erneuerbaren Energien (EE) im Gange. Um die hierzu beschlossenen Ausbauziele mit 2% der Landesfläche für Windkraftanlagen bis 2032 über das „Wind-an-Land-Gesetz“ sowie die Verdopplung des Stromanteils von EE bis 2030 in Deutschland zu erreichen, ist neben der Planung, Herstellung und Platzierung der EE-Anlagen auch die Sicherstellung stabiler Netze, Beherrschung von Netzunsicherheiten sowie eine lange Lebensdauer der Anlagen durch optimale Regelungs- und Designmaßnahmen notwendig.

In allen Technologiebereichen ergeben sich hierbei zahlreiche Herausforderungen. Ein Beispiel ist die Netzstabilität durch den Rückgang konventioneller Kraftwerke: Aus Netzsicht treten schwache bzw. masselose Netze (Zero-Inertia) auf, Netzfehler und Netzauftrennungen (System Split) müssen beherrscht, veränderliches Resonanzverhalten beachtet sowie Intelligente Maßnahmen wie Energiemanagement und Speicherintegration zur Reduktion notwendigen Netzausbaus genutzt werden. Ein weiteres Beispiel sind Windkraftanlagen im Megawattbereich: Hier müssen auf der mechanischen Seite Strukturbelastungen und Anregungen von Eigenfrequenzen wie das Schwingen der Flügelspitze und des Turmkopfes um einige Meter und deren Rückwirkungen auf den Antriebsstrang berücksichtigt und regelungstechnisch gedämpft werden.

Um das Betriebsverhalten beliebiger elektromechanischer Systeme optimieren zu können, ist im Design und in der Reglerauswahl die Berücksichtigung von Kopplungsmechanismen von elektrischen und mechanischen Komponenten sowie das Schwingungs- und Eigenverhalten des Gesamtsystems zu berücksichtigen. Auch Interaktionen mit der Umwelt wie z.B. das Wärme- oder EMV-Verhalten oder nichtdeterministische Anregungen wie Sonneneinstrahlung und Windeinströmung müssen beachtet werden. Die Verwendung von Umrichtern mit modernen Hochleistungs-Halbleiterbauelemente eröffnet in diesem Umfeld hervorragende Möglichkeiten zur präzisen und schnellen Beeinflussung der Energieflüsse. Jedoch ist nur durch interdisziplinäres Verständnis eine passende Auslegung und Ansteuerung dieser Systeme im Sinne eines optimalen Einzel- bzw. Gesamtsystems möglich.

Im Studienschwerpunkt „Energiesystemtechnik“ werden aufbauend auf dieser Erkenntnis die Bereiche der Erzeugung, Verteilung und Anwendung elektrischer Energie gelehrt und Kopplungsmechanismen erarbeitet. Interdisziplinäres Wissen der Elektrotechnik und des Maschinenbaus mit den Teilbereichen der Messtechnik, Regelungstechnik, Computertechnik und über elektronische Bauelemente und Schaltungen wird angewandt. Im Pflichtbereich des Studienschwerpunkts wird die Funktion, Ansteuerung, Regelung und Modellbildung elektrischer Antriebe und leistungselektronischer Stellglieder sowie mechatronischer Systeme gelehrt. Neben den EE-Anlagen und weiterer leistungselektronischer Netzteilnehmer wird zudem die Funktionsweise und Regelung konventioneller Kraftwerke betrachtet. Im Wahlpflichtbereich werden Vorlesungen zur Beherrschung von elektrischen Netzen, Elektronik und Schaltungstechnik, Elektromobilität und Speichertechnologie, Bahntechnik, Energiewirtschaft und weitere Vertiefungen in Maschinenregelung und Antriebsstrangauslegung angeboten. Zudem lassen sind Vertiefungsveranstaltungen in den Bereich der Regelungstechnik, Hardwareprogrammierung und Mechatronik in Rücksprache ebenfalls im Wahlpflichtbereich integrieren.

Neben den Inhalten der Vorlesungen erlernen die Studierenden in Seminaren, Praktika und Abschlussarbeiten weitere Methoden und Fähigkeiten, die zusätzlich zum Fachwissen wertvoll im Beruf und Berufseinstieg sind. Dazu gehören unter anderem:

• Strukturierte Vorgehensweise und eigenständiges Lösen komplexer Problemstellungen
• Recherche und Einarbeitung in bestimmte Themenbereiche mithilfe von Fachliteratur sowie aktuellen Forschungsergebnissen
• Modellierung und Analyse dynamischer Systeme
• Aufbauen von Simulationen, Ausführung und deren Auswertung
• Programmieren von Hardware, wie z.B. Mikrocontroller, FPGA oder Echtzeitrechner (einzeln oder im Verbund in einem großen Echtzeitrechencluster)
• Implementieren von Steuerungen, Regelungen, Managementsystemen oder Software (z.B. Apps)
• Vorbereiten, Durchführen und Auswerten von Versuchen an z.B. Maschinen-, Leistungselektronik- oder Batterieprüfständen
• Design und Layout von Platinen inkl. Löten, Aufbauen und Inbetriebnahme
• Mechanische 3D-Konstruktion
• Normgerechte Dokumentation

Besonders während der Abschlussarbeit haben die Studierenden die Möglichkeit, aktuelle und zukunftsweisende Themen in den Bereichen Umrichter-Regelung, Photovoltaik, Elektromobilität, Batteriespeicher, Bahn, Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) oder Windkraftanlagen als Einzel- oder auf der Windparkebene intensiv zu bearbeiten. Ziel ist die eigene Expertise spezifisch zu stärken und aktiv an aktuellen Forschungsprojekten des Instituts mitzuwirken. Bei sehr guten Ergebnissen besteht darüber hinaus prinzipiell die Möglichkeit, im Anschluss zu Teilen der Abschlussarbeit eine wissenschaftliche Publikation zu verfassen.

Das Berufsumfeld im Bereich der Energiesystemtechnik bietet zahlreiche Jobmöglichkeiten mit einem breiten Spektrum: Netzbetreiber im Übertragungs- und Verteilnetz, Anlagenbauer von EE-Anlagen und industriellen Anlagen (Bsp. Walzwerke, Stahlindustrie), Kraftwerks- und EE-Betreiber, Autobauer, Zulieferer mechatronischer Komponenten, Elektrische Bahnen und Züge, Energiewirtschaft, Dienstleister für Test, Zertifizierung oder Sonderlösungen. Zudem sind nach individueller Zielsetzung Jobs auf der Funktionsebene oder auf der Managementebene möglich. Zahlreiche offene Stellen mit überdurchschnittlicher Vergütung zeigen, dass Ingenieure überall in der Energiesystemtechnik gesucht werden und der Bedarf durch die politischen Zielsetzungen in Zukunft noch weiter steigen wird.

Die Elektromobilität hat gerade im Individualverkehr in den letzten Jahren immens an Bedeutung gewonnen. Im Zuge der Verkehrswende fokussieren sich immer mehr Fahrzeughersteller auf die Elektromobilität, ab 2035 sollen in der EU nur noch emissionsfreie Fahrzeuge zugelassen werden, einige EU-Staaten planen bereits ab 2030 keine neuen Benzin- und Dieselautos mehr zuzulassen. Ebenfalls ab 2030 sollen mindestens 30 Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen in der EU fahren; hierzu werden schätzungsweise drei Millionen öffentliche Ladestationen und 1.000 Wasserstofftankstellen benötigt. Im Schienenverkehr spielt die Elektromobilität bereits lange eine tragende Rolle, im öffentlichen Nahverkehr wird ihre Relevanz wie im Individualverkehr weiter steigen.

Aus den ambitionierten Zielen ergeben sich zahlreiche Herausforderungen: einerseits bei den Fahrzeugen selbst, deren Alltagstauglichkeit, Reichweite, Energiespeicher, Ladetechnologie, Batterie-/Energiemanagement, Antriebsstrang und Regelungsstrategien optimiert und durch neue Technologien weiterentwickelt werden müssen. Die Netzintegration andererseits erfordert Netzausbau, intelligente Netze, flexibles Lademanagement, aktive Einbindung von Elektrofahrzeugen zur Netzstützung (Vehicle-to-Grid), leistungsfähige Ladepunkte und neuartige Ladeverfahren wie z.B. induktives Laden der Fahrzeugbatterien.

Im Studienschwerpunkt „Elektromobilitätsysteme“ werden die Grundlagen und vertiefende Inhalte zu allen oben genannten Bereichen vermittelt. Angefangen bei den unterschiedlichen Energiespeichern und ihren physikalischen Funktionsweisen (z.B. Batterien, Wasserstoff, Schwungrad), über die Energieumwandlung und -aufbereitung (z.B. Brennstoffzelle, Leistungselektronik), elektrische Maschinen, mechatronische Antriebsstränge und Fahrzeugdynamik zusammen mit Steuerung und Regelung werden alle relevanten Komponenten behandelt.

In mehreren Veranstaltungen zu elektrischen Netzen der Energieübertragung werden Grundlagen vermittelt sowie Aspekte der Netzintegration und des Stromnetzes der Zukunft tiefgehend untersucht. Wie können Netze intelligenter gemacht werden, statt sie kostenintensiv auszubauen? Wie lassen sich die Batterien von Elektrofahrzeugen als dynamische Speicher im Netz einsetzen? Wie lassen sich die Einflüsse von Ladeinfrastruktur auf das Netz berechnen?

Mit der großen Bandbreite aber auch der hohen Detailtiefe aller Themen wird eine umfassende Wissensbasis vermittelt, um den Herausforderungen in der Elektromobilität heute und in Zukunft zu entgegnen.

Neben den Inhalten der Vorlesungen erlernen die Studierenden in Seminaren, Praktika und Abschlussarbeiten weitere Methoden und Fähigkeiten, die zusätzlich zum Fachwissen wertvoll im Beruf und Berufseinstieg sind. Dazu gehören unter anderem:

• Strukturiere Vorgehensweise und eigenständiges Lösen komplexer Problemstellungen
• Recherche und Einarbeitung in bestimmte Themenbereiche mithilfe von Fachliteratur sowie aktuellen Forschungsergebnissen
• Modellierung und Analyse dynamischer Systeme
• Aufbauen von Simulationen, Ausführung und deren Auswertung
• Programmieren von Hardware, wie z.B. Mikrocontroller, FPGA oder Echtzeitrechner (einzeln oder im Verbund in einem großen Echtzeitrechencluster)
• Implementieren von Steuerungen, Regelungen, Managementsystemen oder Software (z.B. Apps)
• Vorbereiten, Durchführen und Auswerten von Versuchen an z.B. Maschinen-, Leistungselektronik- oder Batterieprüfständen
• Design und Layout von Platinen inkl. Löten, Aufbauen und Inbetriebnahme
• Mechanische 3D-Konstruktion
• normgerechte Dokumentation

Besonders während der Abschlussarbeit haben die Studierenden die Möglichkeit, ein spannendes Thema intensiv zu bearbeiten, die eigene Expertise spezifisch zu stärken und aktiv an aktuellen Forschungsprojekten des Instituts mitzuwirken. Bei sehr guten Ergebnissen besteht darüber hinaus prinzipiell die Möglichkeit, im Anschluss zu Teilen der Abschlussarbeit eine Publikation zu verfassen.

Das Berufsumfeld im Bereich der Elektromobilität bietet viele Einstiegsmöglichkeiten: Bei großen Autobauern, Automobilzulieferern oder Netzbetreibern, im Bereich der elektrischen Bahnen / Züge oder bei Dienstleistern für Test, Zertifizierung oder Sonderlösungen. Zahlreiche offene Stellen mit überdurchschnittlicher Vergütung zeigen, dass Ingenieure überall in der Elektromobilität gesucht werden und der Bedarf in Zukunft noch weiter steigen wird.