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Wissenschaftliche Unterstützung zu Instrumenten- und Maßnahmen zur Beschleunigung des Ausbaus erneuerbarer Energien für Klimaneutralität bis 2045

Das Klimaschutzgesetz sieht eine Treibhausgasneutralität in 2050 u.a. durch den Ausbau an Erneuerbaren Energien vor. In dem Vorhaben soll untersucht werden, wie der aus Klimaschutzsicht erforderliche EE-Ausbau erreicht und Potenziale gehoben werden können. Es wird davon ausgegangen, dass der weitere Leistungszubau maßgeblich im Bereich der Windenergie und Photovoltaik stattfindet. Dies bringt dauerhaft eine Vielzahl technischer, wirtschaftlicher und fachplanerischer sowie zum Teil rechtlicher Fragestellungen mit sich. Im Rahmen der fortzuführenden Diskussionen, Gesetzesnovellierungen und Planungs- und Abstimmungsprozesse besteht für BMU und UBA Bedarf an hochspezialisierter wissenschaftlicher Unterstützung zu Rechts-, Technik-, und Fachfragen. Im Zuge dieser Beratung sollen auch konkrete Vorschläge für modifizierte Instrumente und neue oder flankierende Maßnahmen erarbeitet werden, um die Voraussetzungen für einen aus Klimaschutzsicht robusten und stetigen Ausbau der erneuerbaren Energien zu gewährleisten. Demgegenüber stellen sich im Bereich der Bioenergie vermehrt Fragen, wie eine klimagerechte Nutzung des nur begrenzten nachhaltigen Biomassepotenzials insbesondere im EEG-Kontext ausgestaltet werden kann. Auch hierzu besteht Bedarf für hochspezialisierte wissenschaftliche Unterstützung zu Rechts-, Technik-, und Fachfragen. Inhaltlich werden voraussichtlich folgende Aspekte im Fokus stehen: 1. finanzielle Bürger- oder Gemeindebeteiligung bei Windenergie und insbesondere bei Photovoltaik angesichts zunehmender Anlagengrößen, 2. Anforderungen und Auswirkungen 'besonderer Solaranlagen' (Agrar-PV, schwimmende PV, Parkplatz-PV) im Rahmen der Innovationsausschreibungen, 3. Ausbaupfade , Ziel- und Flächensteuerung, Monitoring, 4. Geschäftsmodelle ohne EEG-Förderung oder andere staatliche Finanzierung, 5. Planungs- und Genehmigungsrahmen für Windenergieanlagen und PV-Freiflächenanlagen, 6. Klimagerechtere Ausrichtung des EEG mit Blick auf die Bioenergie.

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung, Teilvorhaben: Methoden zur Lastenüberwachung und Schätzung des Lebensdauerverbrauchs

Aufgrund bestehender Regularien (fehlende Zertifizierung und feste Einspeisevergütungen) und technischer Limitierungen werden Windparks derzeit kollektiv mit dem Ziel geregelt, den Ertrag zu maximieren. Die flexible Regelung einzelner Anlagen hat das Potential Windfarmen optimal zu betreiben. Da jedoch da der Betrieb in direktem Zusammenhang mit der Materialermüdung steht, muss der Ermüdungsfortschritt der Turbinen-Tragstruktur für eine ganzheitliche Betrachtung mit einbezogen werden, um einen optimalen Betrieb über die gesamte Lebenszeit zu erreichen. Momentan zeigen Diskussionen über Lebenszeitverlängerungen für Windfarmen das Potential einer deutlichen Gewinnsteigerung. So kann sich beispielsweise das Ausnutzen kurzzeitiger Starkwind-Ereignisse oder eine stark gedrosselte Produktion auf lange Sicht durch hohen Materialverschleiß negativ auf die Struktur, und letztendlich auf den Gewinn, auswirken. Das zusätzliche Einbeziehen von Anforderungen aus dem Netz führt zu einem komplexen Optimierungsproblem. Die übergeordneten Ziele von FlexiWind bestehen aus der Erforschung des Potenzials und des Einflusses von flexiblen Regelungsstrategien an WEA bzw. Windparks. Dies soll in einer echtzeitfähigen Simulationsumgebung (digitaler Windparkzwilling) umgesetzt werden, mit der die Potenziale und Konsequenzen optimaler Regelungsstrategien analysiert werden können. Die Simulation von Ermüdungsfortschritt und erwarteter Restlebensdauer, abhängig vom gewählten Szenario, der Anlagen sind hierbei wichtige Eingangsparameter für die Regelung. Hierdurch kann der Einfluss von Strukturbelastung auf den erwarteten Gewinn theoretisch erfasst werden. Zusätzlich werden Messdaten in Betrieb befindlicher Windfarmen verwendet, um das Potential eines flexiblen Betriebs zu beziffern und die Relevanz des Themas für heutige Farmen zu verdeutlichen.

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung, Teilvorhaben: Optimierung von flexiblen Windparkregelungsstrategien unter Berücksichtigung der Unsicherheiten

Aufgrund bestehender Regularien (fehlende Zertifizierung und feste Einspeisevergütungen) und technischer Limitierungen werden Windparks derzeit kollektiv mit dem Ziel geregelt, den Ertrag zu maximieren. Zukünftig ist eine stärkere Flexibilisierung der Regelung im Hinblick auf optimalen Betrieb und Netzstabilisierung notwendig, um den steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger besser zu integrieren. Dies bedeutet neben einem hohen Ertrag eine Ausschöpfung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten der Windenergieanlagen (WEA) sowie deren Regelung aufgrund der Anforderungen aus dem Netz. Dies kann beispielsweise durch die Steuerung der Nachläufe von WEA geschehen, bei der tiefer im Windpark stehende WEA eine höhere Stromproduktion erreichen. Die übergeordneten Ziele von FlexiWind bestehen aus der Erforschung des Potenzials und des Einflusses von flexiblen Regelungsstrategien an WEA bzw. Windparks. Im Teilvorhaben soll dazu die Strömungsmodellierung im Windpark für den Einsatz in aeroelastischen Simulationen weiterentwickelt werden. Dies soll zu einer erhöhten Genauigkeit und Recheneffizienz der Strömungssimulation führen, um möglichst viele Betriebsbedingungen im Windpark abzudecken. Mit recheneffizienten aeroelastischen Simulationen soll eine umfangreiche Datenbank erstellt werden, mit welcher Ersatzmodelle für die Strukturbelastung der Turbinen abgeleitet werden können. Flexible Regelungsstrategien für den Windpark werden im Teilvorhaben für aeroelastische Simulationen adaptiert und in einer Langzeitbetrachtung unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen (z.B. Strompreisinformationen) sowie Nutzung der Ersatzmodelle optimiert. Schlussendlich wird eine umfangreiche Analyse der Unsicherheiten (z.B. resultierend aus der Strömungsmodellierung, Abschätzung der Strukturlasten, Strompreis, Reglerverhalten) durchgeführt und Empfehlungen für die Implementierung von flexiblen Windparkregelungsstrategien abgeleitet.

Bedarfsgerechte Speicherung erneuerbarer (Wind-) Energien zur Erzeugung grünen Erdgases unter CO2-Bindung mittels biologischer Methanisierung, Teilvorhaben 2: Errichtung und Betrieb einer Pilotanlage im GICON®Rieselbettverfahren

Bedarfsgerechte Speicherung erneuerbarer (Wind-) Energien zur Erzeugung grünen Erdgases unter CO2-Bindung mittels biologischer Methanisierung, Teilvorhaben 3: lanung und Inbetriebnahme einer Pilotanlage im GICON Rieselbettverfahren

Bedarfsgerechte Speicherung erneuerbarer (Wind-) Energien zur Erzeugung grünen Erdgases unter CO2-Bindung mittels biologischer Methanisierung, Teilvorhaben 1: Wissenschaftliche Begleitung bei der Umsetzung einer Pilotanlage

Bedarfsgerechte Speicherung erneuerbarer (Wind-) Energien zur Erzeugung grünen Erdgases unter CO2-Bindung mittels biologischer Methanisierung, Teilvorhaben 4: Standortbezogene Koordination bei der Umsetzung einer Pilotanlage

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung

Der Status quo in der Regelung von Windparks ist die Maximierung des Ertrags. Dies liegt einerseits an einer festen Einspeisevergütung nach EEG für Windparks in den ersten Betriebsjahren, zum anderen existieren keine zertifizierten Regler, die einen Betrieb bspw. in Abhängigkeit der ertragenen Lasten von Windenergieanlagen (WEA) zulassen. In diesem Projekt baut das IWES eine Echtzeitsimulation für Windparks auf, sodass die Windparkregelung effizient angepasst werden kann, dass ein Optimum aus Betriebslasten und Ertrag zu erzielt wird. Die Echtzeitsimulation erlaubt es hierbei, ohne Eingriff in einen realen Park, die Funktionsweise der Regelung zu testen und somit bspw. den Einfluss von 'Wake-Steering' oder Abregelung der Leistung einzelner WEA zu untersuchen. Hierbei wird durch die Echtzeitsimulation auch ein Abschätzen der bereits ertragenen Lasten eines Windparks ermöglicht. Dadurch kann der Betrieb der Turbinen so angepasst werden, dass stärker belastete WEA durch Lastreduzierung geschont und schwachbelastete WEA durch eine erhöhte Ertragsvorgabe mehr belastet werden. Hierbei kann durch die Echtzeitsimulation vom IWES dynamisch auf sich ändernde Umgebungsbedingungen des Windparks reagiert und ein Windparkregler getestet werden. Somit wird durch den digitalen Windparkzwilling ein Optimum aus Lasten und Ertrag ermöglicht.

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung, Teilvorhaben: Modellierung virtueller Offshore Windparks zur Betriebs-, Last und Performanceoptimierung

Der Status quo in der Regelung von Windparks ist die Maximierung des Ertrags. Dies liegt einerseits an einer festen Einspeisevergütung nach EEG für Windparks in den ersten Betriebsjahren, zum anderen existieren keine zertifizierten Regler, die einen Betrieb bspw. in Abhängigkeit der ertragenen Lasten von Windenergieanlagen (WEA) zulassen. In diesem Projekt baut das IWES eine Echtzeitsimulation für Windparks auf, sodass die Windparkregelung effizient angepasst werden kann, dass ein Optimum aus Betriebslasten und Ertrag zu erzielt wird. Die Echtzeitsimulation erlaubt es hierbei, ohne Eingriff in einen realen Park, die Funktionsweise der Regelung zu testen und somit bspw. den Einfluss von 'Wake-Steering' oder Abregelung der Leistung einzelner WEA zu untersuchen. Hierbei wird durch die Echtzeitsimulation auch ein Abschätzen der bereits ertragenen Lasten eines Windparks ermöglicht. Dadurch kann der Betrieb der Turbinen so angepasst werden, dass stärker belastete WEA durch Lastreduzierung geschont und schwachbelastete WEA durch eine erhöhte Ertragsvorgabe mehr belastet werden. Hierbei kann durch die Echtzeitsimulation vom IWES dynamisch auf sich ändernde Umgebungsbedingungen des Windparks reagiert und ein Windparkregler getestet werden. Somit wird durch den digitalen Windparkzwilling ein Optimum aus Lasten und Ertrag ermöglicht.

Energetische Nutzung von Gülle/Wirtschaftsdünger

Projekt :Perspektiven für Biogasanlagen in Sachsen AuRaSa-Biogas; Das Ergebnis des Projektes sind mögliche Folgekonzepte für einen wirtschaftlichen Weiterbetrieb nach Auslaufen der 20jährigen garantierten EEG-Vergütung für Biogasanlagen in Sachsen mit Würdigung des Klimaschutzbeitrages.

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