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Skalierbare Produktions-Erforschung für kostengünstige Thermoelektrische Generatoren mit Realanwendungstests und Untersuchung von Modularisierungskonzepten, Teilvorhaben: Integration eines Thermoelektrischen Generators in einen Pelletkessel und Erprobung

Um den Klimawandel zu begrenzen, ist neben dem Ausbau erneuerbarer Energien, auch die Steigerung der Energieeffizienz ein zentraler Baustein. Ein hohes Potenzial für Einsparungen liegt bei thermischen Prozessen. Thermoelektrische Generatoren (TEG) bieten eine branchenübergreifende Lösung die Effizienz dieser Prozesse zu erhöhen. Durch einen Halbleitereffekt wandeln sie Wärme ohne bewegliche Bauteile in Strom und können so zur Abwärmenutzung oder Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Aktuelle Untersuchungen zeigen das hohe technische und wirtschaftliche Potenzial der Technologie. Jedoch kann durch die Vielfältigkeit der Anwendungen bisher kein Skaleneffekt bei der Produktion erreicht werden. Um den Zielkonflikt zwischen individuellen Anforderungen und hoher Produktionsmenge zu lösen, wird im Projekt ein modularisierter Herstellungsprozess untersucht. Es wird die gesamte Prozesskette von der Definition der Randbedingungen, über die (teil-)automatisierte Auslegung und Herstellung, bis hin zur Integration in verschiedene Anwendungen demonstriert. Der Herstellungsprozess und die Laboruntersuchungen der TEG finden am DLR Institut für Fahrzeugkonzepte mit Thermoelektrischen Modulen der Fa. Isabellenhütte statt. Die Projektziele werden durch die Integration in einen Pelletkessel der Fa. Ritter, in einen Bioreaktor der Fa. DMT und in ein Biogas-BHKW mit der Fa. BITZER demonstriert. Dabei wird das Einsparpotenzial der Herstellkosten um 55%, insgesamt 10.000 Betriebsstunden mit über 80% der elektrischen Leistung und die realen Einsparungen von bis zu 40 t/Jahr CO2 durch die drei Anwendungen nachgewiesen. Darüber hinaus werden virtuelle TEG für eine Abgasreinigung der Fa. Bayer, eine Zinkschmelzanlage der Fa. Föhl, eine Bioraffinerie zur Wasserstofferzeugung der Fa. ProCone und den Verkehrssektor aufgezeigt. So wird der Technologietransfer von TEG in die Praxis ermöglicht, wodurch die Effizienz von thermischen Prozessen erhöht und der Klimawandel abgemildert werden kann.

Entwicklung einer industrialisierbaren Hochleistungs-Hochdruck-Hochtemperatur-Elektrolyse-Technologie für Power-to-Chemicals, Teilvorhaben: Experimentelle Stackuntersuchungen und PtC-Integration

Entwicklung einer industrialisierbaren Hochleistungs-Hochdruck-Hochtemperatur-Elektrolyse-Technologie für Power-to-Chemicals, Teilvorhaben: Gen 3 Hochdruck-Stack-Verifikation & PtC Vorentwicklung

Methodik für integrierte, standortweite Transformationskonzepte industrieller Liegenschaften, Teilvorhaben: Integrierte Modellierung und Optimierung von Produktionsprozessen mit Energieinfrastruktur

MISTRAL betrachtet die Abhängigkeiten zwischen verschiedenen organisatorischen Einheiten eines Unternehmens bei der Transformation thermischer, industrieller Energieversorgungssysteme. Dabei werden zeitlich veränderliche und unsichere Rahmenbedingungen sowie zeitlich gestaffelte Investitionsentscheidungen in einem modellgestützten Verfahren integriert. Der Fokus der Betrachtung liegt dabei auf Produktionsstandorten, welche sich durch thermische Netze auf verschiedenen Temperaturniveaus aus auszeichnen, die durch zentrale Energiewandler versorgt werden. Die Energie wird vom Energieeinkauf beschafft und anschließend durch interne Netzstrukturen verteilt. Die bereitgestellte Wärme/Kälte wird dann in den Produktionsprozess eingebracht oder innerhalb der Produktionsbetriebe weiter verteilt. Die Planung der Transformation ist komplex, da verschiedene Maßnahmen von unterschiedlichen Bereichen initiiert werden müssen. Einige Beispiele verdeutlichen dies: 1. Versorgungsbedingungen: Die Integration regenerativer Energieerzeuger erfordert eine Anpassung der Vorlauftemperaturen, was eine Synchronisation der Transformationspläne von Energieversorgung und Produktion nötig macht. 2. Abwärmenutzung: Zentrale Abwärmepotenziale, etwa aus der Drucklufterzeugung, beeinflussen konventionelle Erzeuger und führen zu netzübergreifenden Abhängigkeiten. 3. Veränderliche Netzstrukturen: Veränderungen in Temperaturanforderungen und Produktportfolio erfordern eine langfristige Betrachtung der Energiesystemtransformation im Kontext der Standort- und Produktstrategie. 4. Erneuerbare Prozesswärmeerzeugung: Elektrifizierung von Hochtemperatur-Prozesswärme erfordert eine Integration thermischer und elektrischer Infrastruktur. Konventionelle Planungsverfahren reichen für diese ganzheitliche Betrachtung nicht aus, daher werden Methoden des Operations Research und der mathematischen Optimierung eingesetzt.

Entwicklung und Qualifikation einer PROzesskette zur industriellen Herstellung Hochtemperatur ThermoElektrischer Module zur Abwärmenutzung, Energieeffizienzsteigerung und Senkung von CO2- Emissionen, Teilvorhaben: Effizientes Trennen der TE-Quader mittels Vieldrahtsägetechnologie

Ziel ist die Entwicklung einer Pilotlinie zur automatisierten Herstellung von Hochtemperatur - thermoelektrischen (TE-) Modulen (TEM). TEM wandeln Wärme direkt in Elektrizität. Durch Abwärmenutzung mittels TEM ist eine Senkung der CO2 - Emission und eine Steigerung der Energieeffizienz möglich. Dies ist nur realisierbar, wenn die Herstellung von TEM auf ein kosteneffizientes industrielles Niveau gehoben wird. In ProTEM ist eine Senkung der Produktionskosten um 80% und ein Durchsatz von 12500 TEM/Jahr vorgesehen. Mit dem angestrebten, auf die elektrische Leistung bezogenen Preis von kleiner als 1 €/W stellen TE-Generatoren eine wirtschaftliche Alternative zur indirekten Abwärmenutzung dar. Das Konsortium bietet die Chance für eine Umsetzung der Ergebnisse sowie einen Technologietransfer und eine wirtschaftliche Verwertung und Vermarktung nach Projektende. Für kostengünstige TEM eröffnen sich zahlreiche Anwendungsfelder, da in Europa keine Technologie dieser Art existiert. Durch Nutzung industrieller Abwärme in Deutschland könnten jährlich 5 Milliarden € an Energiekosten eingespart werden.

Errichtung einer Anlage zur Beheizung der Gewächshäuser einer Gärtnerei mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen, die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme nutzbar machen

Bei dem Pilotvorhaben der OCER Energie GmbH im niedersächsischen Zetel (Kreis Friesland/Niedersachsen), wird die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme genutzt, um Gewächshäuser einer Gärtnerei ganzjährig, kontinuierlich mit Wärme zu versorgen. Damit kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Erdgasheizung rund die Hälfte des Brennstoffs eingespart werden. Der Ausstoß an klimaschädlichem Kohlendioxid wird um rund 368 Tonnen pro Jahr verringert. Die im Rahmen des Vorhabens benötigte Wärmeenergie soll mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen Brunnenwasser aus rund 30 Meter Tiefe, das ganzjährig ca. 10 Grad Celsius warm ist, gewonnen werden. Zusätzlich soll auch die Abwärme der Gasmotoren genutzt werden. Da an sonnenscheinreichen Tagen eine Beheizung der Gewächshäuser nicht nötig ist, wird die Wärme in dieser Zeit in Wassertanks gespeichert und je nach Bedarf zugeführt. Das Vorhaben kann ein Modell für eine Vielzahl von anderen Gärtnereien und Einrichtungen sein, bei denen die benötigte Energie oft die größten Kosten verursacht und Grundwasser in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Biomassebefeuertes Heizkraftwerk Warendorf

Holz, einschließlich Altholz, kommt eine wichtige Rolle als erneuerbarer Energieträger zu. Die energetische Nutzung von Biomasse kann wichtige Beiträge zur nachhaltigen Energieversorgung und zum Klimaschutz liefern. In Deutschland werden zur Zeit jährlich ca. 5 Mio. t Altholz ohne weitere stoffliche oder energetische Nutzung deponiert, rund 2 Mio. t werden exportiert. Es werden daher aus heutiger Sicht zusätzliche Kapazitäten zur energetischen Nutzung von Altholz benötigt. Hinzu kommt, dass nach Auslaufen der Übergangsregeln der TA Siedlungsabfall im Jahr 2005 die Deponierung von Altholz nicht mehr gestattet sein wird. Die Bio-Energiewerk Warendorf (BEW) GmbH & Co. KG beabsichtigt, regional anfallendes Aufkommen an unzerkleinertem Industrierestholz und Strauchschnitt in einem neu zu errichtenden 13 MW-Biomasse-Heizkraftwerk energetisch zu verwerten. Das emissionsseitig und energetisch optimierte Heizkraftwerk soll in einem Energieverbund mit dem ortsansässigen Industriebetrieb Warendorfer Hartsteinwerke, einer noch zu errichtenden Klärschlamm- und Strauchschnitttrocknungsanlage und der örtlichen, kommunalen Kläranlage betrieben werden. Das Biomasse-Heizkraftwerk wird die Warendorfer Hartsteinwerke mit Prozesswärme und Strom, die Kläranlage mit Strom und die Trocknungsanlage mit Niedertemperaturwärme versorgen. Überschussstrom wird in das öffentlich Stromnetz eingespeist. Zur Vermeidung von Geruchsemissionen wird die Abluft der Trocknungsanlage im Heizkraftwerk als vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt. Der in der Trocknungsanlage behandelte Strauchschnitt wird im Heizkraftwerk als Brennstoff eingesetzt, der getrocknete Klärschlamm wird an das örtliche Klärwerk zurückgeführt und extern verbrannt. Durch die energetische Verwertung von jährlich 27.000 t Industrierestholz und 3.000 t Strauchschnitt in der geplanten, dezentralen Anlage zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung sollen ca. 88 Mio. kWh/a fossile Energieträger substituiert und pro Jahr ca. 40.000 t CO2-, 10 t Staub-, 213 t SO2-, 85 t NOx- und 33 t CO-Emissionen vermieden werden. Das Vorhaben wird einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien leisten. Zudem trägt das Projekt zur Verminderung von Treibhausgasemissionen bei. Dabei ist insbesondere auf den vorgesehenen Energieverbund im Sinne einer kooperativen Kraft-Wärme-Wirtschaft hinzuweisen. Das Vorhaben wird durch ein umfangreiches Messprogramm begleitet und somit Erkenntnisse liefern, wie Altholz in feuerungs- und emissionsseitig optimierten, dezentralen Holzheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung im Verbund mit anderen Anlage genutzt werden kann und mit welcher Wirtschaftlichkeit dies machbar ist.

Weiterentwicklung und Erprobung eines Hochtemperaturwärmespeichers mit innovativer Füllkörpertechnologie und Luft als Wärmeträger in der Keramikindustrie, Teilvorhaben: Untersuchung zur Filtration und Zwischenspeicherung hochtemperierter Abwärme zur Nutzung im keramischen Brennprozess

Ziel des Teilprojektes ist die Untersuchung der Möglichkeit zur Nutzung der direkten Abluft aus den Brennprozessen der Comet Schleiftechnik GmbH. Die direkte Nutzung bringt Kostenvorteile, da Wärmeübertrager wegfallen und erhöht das Potential an rückgewonnener Energie, da Verluste durch Wärmeübertrager vermieden werden. Durch die direkte Nutzung der Abluft kann es jedoch über die Zeit zu Ablagerungen von Stäuben oder Kondensaten auf den Leitungen und Speicherkomponenten kommen, die die Performance des Speichers beeinträchtigen. Daher müssen zunächst die Verschmutzungsmechanismen analysiert werden. Im weiteren Verlauf muss die die Spezifikation für das Speichersystem inklusive gegebenenfalls erforderlichem Filtersystem erstellt werden. Darauf basierend koordiniert Comet den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Demonstrators. Im laufenden Betrieb untersucht Comet das Potential unterschiedlicher verfahrenstechnischer Betriebsführungen des Demonstrators und der Möglichkeit eines Power-To-Heat Moduls. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems bewertet.

Weiterentwicklung des Campus Lichtwiese Energiesystems mit Integration erneuerbarer Energiequellen und Abwärme

Die TU Darmstadt strebt eine drastische und zeitnahe Reduktion der Treibhausgasemissionen an. Zu diesem Ziel wurden im Rahmen der Vorgängerprojekte EnEff Campus Lichtwiese I und II Maßnahmen theoretisch und praktisch untersucht und umgesetzt. Nachdem in Phase II bereits Einzelmaßnahmen umgesetzt und hinsichtlich ihres Einflusses auf die effiziente Energieversorgung des Campus bewertet wurden, erfolgt in Phase III die physische und digitale Integration dieser und weiterer Maßnahmen, die aufbauend auf den Erkenntnissen der Phase II geplant werden, in das Energiesystem des Quartiers. Der Fokus liegt dabei auf der Integration CO2-freier Energiequellen und wird aus drei verschiedenen Perspektiven untersucht. Durch die Umsetzung einer elektrischen Energiezelle wird eine PV-Anlage mit Flexibilitäten und einem Batteriespeicher kombiniert um deren Erzeugung effektiv in einem Subquartier und im gesamten Campus zu integrieren. In einem weiteren Subquartier steht der Verbund von Abwärme aus mehreren Quellen, Solarthermie und einem geothermischen Speicher zur Nutzung in Bestandsgebäuden im Fokus. Dabei wird auch bewertet, wie geringinvasive Maßnahmen im Gebäudebestand umgesetzt werden können, um Wärme aus CO2-freien Quellen dort nutzbar zu machen. Durch den aktiven Digitalen Zwilling werden einzelne Komponenten anhand einer mathematisch optimalen Betriebsstrategie automatisiert gesteuert. Neben der Integration der genannten Energiespeicher werden auch bereits vorhandene thermische und elektrische Flexibilitäten regelungstechnisch nutzbar gemacht. Alle Umsetzungsmaßnahmen und ihre Interaktion werden im realen Betrieb erprobt und auf ihr Skalierungspotential hin untersucht. Das Projekt wird von einem interdisziplinären Forschungsteam aus vier Fachrichtungen sowie dem Baudezernat bearbeitet. Durch die Beteiligung des Baudezernats ist die dauerhafte Nutzung der Projektergebnisse gewährleistet. Damit wird das Projekt die TU Darmstadt auf dem Weg zur Klimaneutralität unterstützen.

Solebasierte Kultivierungssysteme für binnenländische Makro- und Mikroalgen, Teilprojekt D

Um eine binnenländische Produktion von marinen Algen nachhaltig und industriell nutzbar zu gestalten, muss vor allem das meist kostenintensive Problem des Kultivierungsmediums gelöst werden. Unser innovativer Ansatz verwendet natürlich vorkommende Tiefensolen für die Algenkultivierung, die u.a. in Bad Saarow bereits gewonnen und aufbereitet werden. Im Projekt SolKubiM sollen Algenkultivierungssysteme in den Solekreislauf einer Therme integriert werden, um so möglichst energiesparend und nachhaltig (z.B. durch Nutzung von Abwärme und Absole) die Sole für eine hochwertige Biomasse-Produktion (hier forciert: Kosmetiksektor) erschlossen werden. Die direkte Kopplung eines Kultivierungssystems für Makroalgen mit einer Therme stellt ein neuartiges Konzept dar, welches eine Mehrfachnutzung der wertvollen Sole erlaubt und das Potential hat, den ländlichen Standort mit einem neuen Konzept und neuen Arbeitsplätzen zu stärken. Basierend auf den Vorarbeiten der vergangenen Jahre durch das food4future-Projekt (www.food4future.de) konnte Bad Saarow als idealer Standort für ein Pilotprojekt der Thermen-gekoppelten Algenproduktion identifiziert werden. Durch gezielte Vernetzung verschiedener Akteure der landbasierten Algenkultivierung (Makroalgen - Viva Maris GmbH und Mikroalgen- IGV GmBh) und dem IGZ als auch der Universität Bayreuth soll nun zielführend das Potential dieses neuartigen Kultivierungsansatzes erforscht werden. Das Gesamtziel des Projektes ist der Aufbau einer innovativen, Sole betriebenen Aquakulturanlage, zur landbasierten Produktion hochwertiger Algenbiomasse (SolKuBiM-Anlage) und somit die Erschließung neuer Nutzungsfelder (z.B. Kosmetik) für den Standort Bad Saarow. Zudem soll durch eine begleitende Zusammenarbeit mit dem food4future Konsortiums unter Nutzung verschiedener medialer Formate (z.B. Vorträge, Seminar, Berichte, social media Plattformen) der Aufbau einer überregionaler Informationsplattform zur Algenkultivierung und verwandter Thematiken stattfinden.

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