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Sta­bi­le Strom­net­ze für Afri­ka

Forscher der Universität Paderborn entwickeln moderne Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung in ländlichen Regionen Afrikas – Intelligente „Microgrids“ integrieren erneuerbare Energien und leisten einen wichtigen Beitrag zur regionalen Entwicklung

Fast neun von zehn Menschen weltweit haben heute Zugang zu Elektrizität. Dennoch leben im Zeitalter von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz immer noch 789 Millionen Menschen ohne Strom, wie aktuelle Zahlen der Vereinten Nationen belegen. Beinah 70 Prozent davon allein in Afrika südlich der Sahara. Das hemmt die Entwicklung: Die fehlende oder instabile Stromversorgung ist immer noch ein Haupthindernis dafür, dass sich die Lebensbedingungen in abgelegenen Regionen Afrikas verbessern können.

Um eine Lösung für das afrikanische Energieversorgungsproblem zu finden, arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Paderborn in einem interdisziplinären Team an einer länderübergreifenden Lehr-, Lern- und Forschungsplattform. „Das Konzept eines »Energiezugangs für alle« ist wichtig, möchten wir eine nachhaltige Entwicklungshilfe leisten“, so der Projektkoordinator Prof. Dr.-Ing. Stefan Krauter von der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik. „Durch intelligent gesteuerte, lokale Stromnetze auf Basis von erneuerbaren Energiequellen wollen wir eine praxistaugliche und robuste Stromversorgung ermöglichen. Vor allem in ländlichen Gebieten ist das eine Voraussetzung dafür, dass die Menschen dort Zugang zu modernen Technologien und dem Internet erhalten.“ Das auf drei Jahre angelegte Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 2,3 Millionen Euro unterstützt. Projektträger ist das Forschungszentrum Jülich GmbH.

Langfristiges Ziel der afrikanischen und deutschen Projektpartner ist es, den Menschen vor Ort die eigenständige und dauerhafte Nutzung des gemeinsam entwickelten Energiekonzepts zu ermöglichen. Dafür erarbeiten die Wissenschaftler moderne Schulungsprogramme, durch die sie das erforderliche praxisrelevante Wissen an regionale Fachkräfte und Bildungsinstitutionen weitergeben.

Entwicklung benötigt Energie

Bezahlbare, verlässliche und saubere Energie für alle – so lautet eines der nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen. Prof. Dr.-Ing. Stefan Krauter, Lehrstuhlinhaber für „Elektrische Energietechnik − Nachhaltige Energiekonzepte“ an der Universität Paderborn, kennt die Folgen von „Energiearmut“ genau und weiß, welche Gebiete besonders betroffen sind: „Den überwiegend ländlichen Gemeinschaften in Ostafrika mangelt es bis heute an einer unterbrechungsfreien Energieversorgung“, erklärt Krauter und gibt zu bedenken, dass sich dieser Umstand unmittelbar auf die Lebensbedingungen der Menschen vor Ort auswirke. Nicht nur Einzelhaushalte seien betroffen, sondern insbesondere auch Schulen und Krankenhäuser. „Kein Stromanschluss bedeutet, dass Schulkinder abends nicht mehr lernen, dass die Menschen keine wettbewerbsfähigen Unternehmen führen und wichtige Medikamente nicht gekühlt werden können“, resümiert der Paderborner Wissenschaftler.

Lokale, nachhaltige und intelligente Lösungen

Ziel des jüngst gestarteten internationalen Projekts ist es, neue Möglichkeiten der Elektrifizierung von abgelegenen Regionen in Ostafrika zu erschließen. Krauter erklärt: „Wir entwickeln moderne Mini-Stromnetze. Dabei sollen kleine, voneinander getrennte Stromnetze, sogenannte »Microgrids«, jeweils ein räumlich begrenztes Gebiet wie eine Nachbarschaft oder einen Krankenhauskomplex mit Energie versorgen.“ Jedes dieser Mikronetze verfüge dabei über eigene Energiequellen und Versorgungsoptionen, beispielweise Solaranlagen und lokale Speicher. Der Vorteil solcher Inselnetze: Da nicht ein einziges großes Kraftwerk den Strom zu den Verbrauchern liefert, können sich Störungen auch nicht über ein großes Übertragungsnetz ausbreiten. Lokale Netze ermöglichen daher eine stabile, unterbrechungsfreie Versorgung mit Energie. „Denn auch dort, wo Strom eigentlich zur Verfügung steht, gibt es immer wieder massive Energieengpässe. Stromausfälle legen regelmäßig die Versorgung ganzer Städte lahm“, schildert Krauter das afrikanische Energiedilemma. Zu einem späteren Zeitpunkt könnten diese Microgrids jedoch in das Hauptnetz einer Stadt oder einer Region integriert werden.

Um alle verfügbaren Ressourcen möglichst effizient zu managen und den Strom dorthin zu verteilen, wo er gebraucht wird oder gespeichert werden kann, muss das Stromnetz in hohem Maße flexibel sein. „Intelligente Stromnetze, sogenannte »Smart-Grids«, verbinden die verschiedenen Akteure des Energiesystems auch kommunikativ. Der Informationsaustausch innerhalb der Netze ermöglicht es, den Stromfluss dynamisch zu steuern und so Erzeugung, Verbrauch und Speicherung zu jedem Zeitpunkt präzise aufeinander abzustimmen“, erläutert der Paderborner Elektrotechnik-Professor. So könne beispielsweise Energie aus einer Photovoltaik-Anlage automatisch und je nach Bedarf über Batterien auf die verschiedenen Endverbraucher verteilt werden. Für die Zukunft plant das internationale Projektteam, auf diese Weise nicht nur ländliche Gebiete mit Strom zu versorgen, sondern auch große nationale Stromnetze erheblich zu stabilisieren.

Auf die Bedürfnisse und Kapazitäten der ostafrikanischen Gesellschaft abgestimmt

Damit die Menschen vor Ort die neuen Technologien auch dauerhaft und selbstständig nutzen können, bildet der Wissenstransfer einen zentralen Bestandteil des neuen Projekts. Afrikanische Fachleute und Bildungsinstitutionen sollen direkt von den in Paderborn entwickelten technischen Lösungen profitieren, aber auch dazu beitragen, dass diese Technologien den Gegebenheiten vor Ort gerecht werden. Das Team um Krauter arbeitet deshalb Schulungskonzepte aus, die offen für lokale Partner und Nutzer sind. So sollen etwa in Graduiertenkollegs und auch in einfachen Praktika Grundlagenkenntnisse vermittelt werden: „In unserem Projekt orientieren sich Forschung und Ausbildung gezielt an den Bedürfnissen der afrikanischen Gesellschaften, anstatt sich an den Hightech-Maßstäben der Industrieländer auszurichten“, hebt Krauter hervor.

Interdisziplinäre Arbeit für innovative Ansätze

Um zukunftsorientierte und nachhaltige Lösungen zu finden, bringen sowohl erfahrene Forscher als auch Nachwuchswissenschaftler aus unterschiedlichen Fachbereichen sowie deutschen und afrikanischen Institutionen ihre Expertise in das Projekt ein. Neben Wissenschaftlern der Fachgebiete „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“, „Sensorik“ und „Technikdidaktik“ arbeiten auch Kultur- und Wirtschaftswissenschaftler der Universität Paderborn an der innovativen Lösung zur Energieversorgung. Denn nicht nur technische Aspekte seien für den Erfolg maßgeblich, sondern auch ein passgenaues Bildungskonzept, betont die Paderborner Erziehungswissenschaftlerin Prof. Dr. Christine Freitag: „Eine »Bildung für nachhaltige Entwicklung« ist unser Maßstab. Durch diesen Ansatz sollen Menschen dazu befähigt werden, die Zukunft aktiv, eigenverantwortlich und verantwortungsbewusst zu gestalten. Gemeinsam mit unseren afrikanischen Partnern nehmen wir daher auch die Zusammenhänge von Bildung und Geschlecht, beispielsweise bei Fragen der Chancengerechtigkeit und Konfliktpotenziale hinsichtlich ökologischer, ökonomischer und sozialer Herausforderungen in den Blick.“

An dem Projekt sind außerdem Universitäten in Südafrika, Uganda und Tansania beteiligt, ebenso wie afrikanische Energieerzeugungs- und Energieversorgungsunternehmen als Industriepartner, das ECOLOG-Institut für sozial-ökologische Forschung und Bildung, das Photovoltaik-Institut Berlin und Asantys Systems. Auch wenn der Forschungsschwerpunkt auf Ostafrika liege, sollen die Ansätze und Ergebnisse künftig weltweit anwendbar sein, betont Krauter.

Vor­ha­ben­ziel

Ziel des Vorhabens ist es, zusammen mit den afrikanischen und den deutschen Partnern neue Wege für die Elektrifizierung von abgelegenen Regionen in Ostafrika durch Microgrids und deren Koppelung zu entwickeln, die zum einen dem Bedürfnis ländlicher Gemeinschaften nach einer robusten und weitgehend unterbrechungsfreien Energieversorgung, zum anderen dem politisch motivierten Bedürfnis nach einer zentral gut verwaltbaren Stromversorgung im  Rahmen eines nationalen Stromnetzes entgegenkommen. Langjährige Erfahrungen haben gezeigt, dass für ein solches Vorhaben ein interdisziplinäres Vorgehen sinnvoll ist, da der nachhaltige Betrieb von Infrastruktursystemen nicht nur von einer soliden Technologie abhängt, sondern vor allem auch soziale und ökonomische Sachverhalte den nachhaltigen Betrieb beeinflussen. Das geplante Projekt zielt darauf ab, einen Ansatz zu entwickeln, der interdisziplinär viele relevante Aspekte adressiert und ganzheitliche Lösungen aufzeigt. Insbesondere relevant ist der Know-How-Transfer in die lokalen Märkte und Bildungsinstitutionen. Hierfür werden über die Projektlaufzeit interdisziplinäre Graduiertentrainings angeboten, die zum einen Grundlagen vermitteln, zum anderen aber auch die aktuellen Forschungsergebnisse kommunizieren. Außerdem werden Bildungskonzepte entwickelt und evaluiert, die offen für die Partner wie auch für interessierte Stakeholder, aber auch für die Nutzer sind.

Pu­bli­ka­ti­o­nen

LoRa Transceiver for Load Monitoring and Control System in Microgrids

I. Mwammenywa, D. Petrov, P. Holle, U. Hilleringmann, in: 2022 International Conference on Engineering and Emerging Technologies (ICEET), IEEE, 2023.

Combined Economic and Emission Dispatch of a Microgrid Considering Multiple Generators

G.H. Philipo, J.N. Kakande, S. Krauter, in: Proceedings of the 2023 IEEE PES/IAS PowerAfrica Conference, 2023.

Demand side management potential of refrigeration appliances

J.N. Kakande, G.H. Philipo, S. Krauter, in: Proceedings of the 2023 IEEE PES/IAS PowerAfrica Conference, 2023.

Demand-Side-Management for Optimal dispatch of an Isolated Solar Microgrid

G.H. Philipo, J.N. Kakande, S. Krauter, in: Proceedings of the 2023 IEEE AFRICON,  Nairobi, Kenya, 2023.

Work in Progress: Development of a Virtual and Interactive Microgrids Learning Environment for Microgrids Sustainability – The case of East Africa

P. Bogere, H. Bode, K. Temmen, in: M. E. Auer, W. Pachatz, T. Rüütmann (Eds.), Learning in the Age of Digital and Green Transition. ICL 2022. Lecture Notes in Networks and Systems, Springer Nature, ICL 2022, Wien, 2023, pp. 671–679.

Knowledge Transfer Concepts for Microgrids Sustainability - The Case of East Africa

P. Bogere, K. Temmen, H. Bode, in: 2023 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), IEEE, 2023.

LoRa-based Demand-side Load Monitoring and Management System for Microgrids in Africa

I. Mwammenywa, G.M. Kagarura, D. Petrov, P. Holle, U. Hilleringmann, in: 2021 International Conference on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), IEEE, 2022.

Local Power Control using Wireless Sensor System for Microgrids in Africa

U. Hilleringmann, D. Petrov, I. Mwammenywa, G.M. Kagarura, in: IEEE, Arusha, Tansania, 2021.

Low-Cost NB-IoT Microgrid Power Quality Monitoring System

D. Petrov, K. Kroschewski, I. Mwammenywa, G.M. Kagarura, U. Hilleringmann, in: 2021 IEEE Sensors, IEEE, 2021.

Local Power Control using Wireless Sensor System for Microgrids in Africa

U. Hilleringmann, D. Petrov, I. Mwammenywa, G.M. Kagarura, in: 2021 IEEE AFRICON, IEEE, 2021.

Load Data Acquisition in Rural East Africa for the Layout of Microgrids and Demand–Side–Management Measures

J.N. Kakande, G.H. Philipo, S. Krauter, in: Proceedings of the 38th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EUPVSEC 2021), 2021, pp. 1505–1510.

Projekt Art-D Grids: Nachhaltige und stabile Microgrids in Afrika - eine Plattform für Forschung und Lehre für die Entwicklung

S. Krauter, J. Böcker, C. Freitag, B. Hehenkamp, U. Hilleringmann, K. Temmen, T. Klaus, N. Rohrer, S. Lehmann, in: Tagungsband des 36. PV-Symposiums, 18.-26 Mai 2021, Conexio, Pforzheim, 2021, pp. 305–309.

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Pro­jekt­be­tei­lig­te

Universität Paderborn
Warburger Str. 100
33098 Paderborn

Prof. Dr.-Ing. Stefan Krauter (Koordinator)
Tel.: +49 5251 60-2301
E-Mail: stefan.krauter@upb.de

ECOLOG-Institut für sozial-ökologische Forschung und Bildung GmbH (gemeinnützig)
Nieschlagstraße 26
30449 Hannover
Tobias Klaus (Koordinator)
Tel.: +49 511 473915-0
E-Mail: tobias.klaus@ecolog-institut.de

Asantys Systems GmbH
Am Schneitbach 12
77716 Hofstetten
Nicolas Rohrer
Tel.: +49 8332 9254-733
E-Mail: contact@asantys.com

 

PI Photovoltaik-Institut Berlin AG
Wrangelstr. 100
10997 Berlin
Sven Lehmann
Tel.: +49 30 814 5264-0
E-Mail: lehmann@pi-berlin.com

As­so­zi­ier­te Ko­ope­ra­ti­ons­part­ner:

Forschung:

  • Makerere University
  • Nelson Mandela – African Institute of Science and Technology (NM-AIST)
  • University of the Witwatersrand


Praxis:

  • East African Centre of Excellence for Renewable Energy and Energy Efficiency (EACREEE)
  • Umeme Limited
  • Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH
  • MOTO Solar Power, Zanzibar