Energiesparen und Energieeffiziente Systeme sind aufgrund der Kyoto-Beschlüsse von 1997 und verschiedener EU-Programme wie z.B. der EU-Richtlinie 'Energy Using Products' (EUP) von steigender Bedeutung. Dabei sollen nicht nur die Großverbraucher und die Industrie, sondern auch die Haushalte einen entsprechenden Beitrag leisten. Einphasen-Asynchronmotoren werden aufgrund der Robustheit und des geringen Kaufpreises sehr häufig vor allem dort eingesetzt, wo ein Antrieb mit konstanter Drehzahl laufen soll. Im Haushalt sind typische Anwendungsbereiche z.B. die Pumpen und Lüfter im Heizungsbereich. Laut der 'Wilo-Herbstkampagne: Mit Hocheffizienz gegen CO2' ist eine ungeregelte Heizungspumpe mit 605kWh/Jahr nach dem Elektro-Herd mit 876kWh/Jahr der zweitgrößte Verbraucher im Haushalt. Bei ungeregelten Heizungspumpen läuft die Pumpe mit konstanter Drehzahl, die Fördermenge wird über meist elektrisch betätigte Stellventile verändert. Dies ist in höchstem Grade ineffizient. Eine Verbesserung kann erreicht werden, indem auf die Stellventile verzichtet und die Drehzahl der Pumpe entsprechend der gewünschten Fördermenge verändert wird. Im vorliegenden Forschungsgebiet werden die Konzepte Phasenanschnittsteuerung, Schwingungspaketsteuerung (als Voll- oder Halbschwingungssteuerung ausgeführt) und Erweiterte Schwingungspaketsteuerung (Halbwellensteuerung mit der Möglichkeit eine Halbschwingung umzupolen) hinsichtlich des dabei erzielbaren Wirkungsgrades untersucht.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Das Übergangsmetall Tantal ist ein Element mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Technik. Sein sehr hoher Schmelzpunkt von ca. 3000 °C und seine Korrosionsbeständigkeit machen es zu einem begehrten Werkstoff in der chemischen Industrie und der Medizintechnik. Das Hauptanwendungsgebiet liegt jedoch im Bereich Elektronik. Als namensgebender Bestandteil in Tantal-Kondensatoren ermöglicht das Übergangsmetall durch seine besonderen elektrischen Eigenschaften die Konstruktion von Bauteilen, die bei geringem Volumen eine sehr hohe elektrische Kapazität besitzen. Der Einsatz von Tantal-Kondensatoren erlaubt deshalb die Miniaturisierung von Elektrogeräten.
Allerdings erfolgt die Förderung von Tantal zu erheblichen Teilen aus der politisch instabilen 'Große-Seen-Region' in Afrika und der Tantal-Abbau wird hier teilweise zur Finanzierung von kriegerischen Auseinandersetzungen genutzt. Deshalb wird dieses Tantal von der US-Börsenaufsichtsbehörde SEC als konfliktfördernd eingestuft. Um unbedenkliches Tantal verwenden zu können, muss entsprechend zertifiziertes - wie z.B. durch die OECD und die Conflict-Free Sourcing Initiative - erworben werden. Außerdem liegt die Recyclingquote von Tantal aus Altgeräten bei unter einem Prozent, da es auf dem herkömmlichen Kupferrecyclingweg verloren geht.
Das Projekt IRETA, 'Entwicklung und Bewertung innovativer Recyclingwege zur Rückgewinnung von Tantal aus Elektronikabfällen', das mit rund 700.000 Euro im Rahmen der 'KMU-Innovationsoffensive Ressourcen- und Energieeffizienz' des BMBF gefördert wird, erforscht deshalb Recyclingwege, bei denen vollkommen neue Prozesswege im Zusammenhang mit Tantal zur Anwendung kommen. Dadurch soll eine Sekundärproduktion aufgebaut werden, die den Importbedarf von Tantal entsprechend senken wird. Dies bringt ökonomische Vorteile für die Industrie und trägt entscheidend zur Versorgungssicherheit Deutschlands bei.
Der geplante Recyclingweg startet damit, dass die Tantal-Kondensatoren über eine optische Erkennungssoftware auf den Platinen von Elektroaltgeräten identifiziert und anschließend vollautomatisch demontiert werden. Anschließend folgt eine mechanische Aufbereitung der Kondensatoren zu einem Pulver. Mit drei verschiedenen innovativen Recyclingwegen, die auf chemischem Transport, funktionalisierten Nanopartikeln und elektrochemischer Abscheidung basieren, wird das Tantal aus diesem Pulver in Reinform wiedergewonnen. Eine vergleichende Bewertung der Recyclingwege unter ökonomischen und ökologischen Aspekten soll Aufschluss darüber geben, welcher dieser drei Prozesse für den Aufbau einer Pilotanlage infrage kommt.
Im Rahmen des Projektes H3Top soll ein anwendungs- und kostenoptimierter modularer Filmkondensator entwickelt werden. Die elektrischen und mechanischen Anschlüsse sind noch frei definierbar und werden in Zusammenarbeit mit den Partner optimiert entwickelt. Hierbei wird der Kondensator speziell für die 3-Level-Wechselrichter-Technologie angepaßt, was einen erhöhten internen Konstruktionsaufwand im Kondensator bedeuten wird. Besondere Anforderungen wie z.B. die Schwingungsfestigkeit müssen ebenfalls untersucht werden. Es wird zunächst durch eine Simulation ein theoretischer Kondensator entwickelt. Diese Ergebnisse fließen in das Design der Kondensatormuster ein. Es folgen sowohl Labor - wie auch Praxistest, um die Kondensatoren zu optimieren. Durch integrierte Temperaturfühler werden die Praxiswerte mit den theoretisch errechneten Werten überprüft. Alle Parameter des Kondensators werden in einer Nachuntersuchung analysiert, um das reagieren des Bauteils auf die Anforderungen der Demonstratoren zu erkennen und in Folgeschritten gegebenenfalls zu optimieren.
Ziel des Vorhabens ist es, die für die sicherheitstechnische Bewertung von passiven Wärmeabfuhrsystemen zur Verfügung stehenden Rechencodes wesentlich weiter zu entwickeln, indem die Einzelprozesse der Energieübertragung, wie Kondensation und Verdampfung, und die Systemstabilität im Detail betrachtet werden. Dazu ist unter anderem die Bereitstellung hochaufgelöster experimenteller Daten für Wärmeübertragungsprozesse bei 'Kondensation in geneigten Rohren bei hohem Druck', 'Verdampfung in geneigten Rohren bei niedrigem Druck' sowie 'Stabilitätsbewertung des zweiphasigen Naturumlaufs' erforderlich. Das beantragte Teilvorhaben des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf trägt mit zwei Schwerpunkten zum Vorhaben bei. Der erste Schwerpunkt widmet sich der experimentellen Untersuchung der Kondensationsprozesse in einem geneigten Einzelrohr als generisches Experiment für eine passive Wärmetauscherkomponente im primären Kühlkreislauf. Im zweiten Schwerpunkt erfolgt die Modellierung und Simulation der Kondensationsprozesse unter Berücksichtigung der zweiphasigen Strömung und der sich durch Kondensatfilmbildung verändernden lokalen Wandwärmeübertragungsleistungen. Das beantragte Vorhaben läuft in den zwei parallelen Strängen: Experiment und Modellierung/Simulation und ist eng mit den Arbeitspaketen der Partner verzahnt. Es werden folgende Arbeitspakete bearbeitet: AP1/Literaturstudien, AP2/Experimentvorbereitung, AP3/Experimentdurchführung, AP4/Modellentwicklung, AP5/Gesamtanalyse.