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Energieprobleme des 21. Jahrhunderts: Globale Erwärmung und knappe Ressourcen

In diesem Forschungsprojekt sollen zwei gegenläufige Aspekte der zukünftigen Entwicklungen auf den Energiemärkten untersucht werden: Energieknappheit momentan (Energiearmut charakteristisch für den Großteil der Weltbevölkerung) und vor allem in der Zukunft durch das einerseits rasante Bedarfswachstum (vor allem in China, Indien und anderen Schwellenländern) und andererseits der begrenzten Ressourcen an fossiler Energie. Globale Erwärmung und andere externe Effekte durch die Verwendung fossiler Energieträger. Daher sind aus umweltpolitischer Sicht eigentlich zu viele fossile Energieträger vorhanden. So unterschiedlich die beiden Probleme scheinen, deren Lösung ist durch einen gemeinsamen Nenner charakterisiert: ein relativ schneller Übergang zu alternativer und erneuerbarer Energie. In dieser Studie soll dieser Übergang aus unterschiedlichen Gesichtspunkten und auch mit interdisziplinären Ansätzen analysiert werden. Eine Fragestellung ist die; ob Preis- oder Mengeninstrumente (wie Zertifikate) geeigneter sind CO2-Emissionen zu reduzieren. Ein anderer Aspekt ist der der Gestaltung von Anreizen für die Bereitstellung von erneuerbarer Energie. Dabei sollen auch auf mögliche Skalenerträge berücksichtigt werden, wie sie auch im Vorschlag Desertic (Solarstrom aus der Sahara) implizit zum Ausdruck kommen. Dieses exemplarische Projekt unterstreicht auch noch andere wichtige Aspekte wie die einer geopolitischen Dimension und das Problem, dass sich Regierungen nicht binden können, die versprochenen Anreize zu streichen. Weitere Vorhaben sind die Analyse der Konkurrenz von Biotreibstoffen mit Lebensmitteln um landwirtschaftlich nutzbare Flächen und die strategische Wahl der russischen Erdölförderung (Angebotsdynamik, der russische 'Oil Peak, Konkurrenz mit Erdgas, Energieeffizienz und damit verbunden das Problem lokal niedriger Preise und der Übergang zu erneuerbarer Energie). Zur Analyse wird eine breite Palette von Methoden wie Gleichgewichtsmodelle, dynamische Optimierung und Spiele (deterministisch und stochastisch), Anreizmechanismen, Ansätze der Neuen Politischen Ökonomie, etc. zur Anwendung kommen.

WindEnergy Studie 2006 - Markteinschätzung der Windenergiebranche bis zum Jahr 2014

Die Industrie schätzt die Entwicklung des internationalen Windenergiemarktes in den kommenden Jahren als sehr positiv ein - das ist das wichtigste Ergebnis der WindEnergy-Studie 2006, die die Hamburg Messe und Congress GmbH im Vorfeld der WindEnergy 2006 - International Trade Fair in Auftrag gegeben hat. So wird für das Jahr 2010 weltweit mit 132.000 MW (derzeit: 59.000 MW) installierter Leistung gerechnet. Ergänzt werden diese Zahlen durch ein Szenario des deutschen Windmarktes bis zum Jahr 2030. Dazu wurden vom beauftragten Deutschen Windenergie-Institut im Dezember 2005 in der Windenergie international tätige Firmen zu deren mittelfristiger Markteinschätzung befragt und deren Antworten ausgewertet. Das Umfrageergebnis signalisiert eine positivere langfristige Einschätzung als vor zwei Jahren. Die in der WindEnergy-Studie 2004 veröffentlichte Wachstumsprognose bis 2010 kann um bis zu 12 Prozent nach oben korrigiert werden. Auf diesen Zahlen aufbauend ergäbe sich bis zum Jahr 2014 eine weltweite Installation von rund 210.000 MW.

Wettbewerb auf Energiemärkten

Das Vorhaben untersucht Ursachen und Wirkungen des Wettbewerbs auf leistungsgebundenen Energiemärkten, vor allem Elektrizität und Gas. Analysiert werden zu dem regulatorische und energiepolitische Maßnahmen zur Belebung des Wettbewerbs, sowie deren gesamtwirtschaftliche Vor- und Nachteile.

Primärenergieeinsparung in der dezentralen Energieversorgung

Durchführen innovativer Forschungen zur Primärenergieeinsparung und Reduzierung der Kohlendioxidemission in der dezentralen Energieversorgung; - Untersuchen von Blockheizkraftwerken, Wärmepumpen und evtl. Brennstoffzellen; - Kernpunkte: Zusammenwirken der Komponenten in komplexer Einheit aus Energetik, Hydraulik und Regelungstechnik, Teillastverhalten und Schadstoffemissionen. - Errichten einer einzigartigen Versuchsanlage in der Art einer 'kleinen Energiezentrale' im Labor 'Dezentrale Energiesysteme' der FH Erfurt, Durchführung umfangreicher experimenteller/meßtechnischer Untersuchungen; - Ziel: neue Methoden zum Bewerten, Optimieren und Planen von Anlagen der dezentralen und kommunalen Energieversorgung, intensive Öffentlichkeitsarbeit; - Resultate: Erstmalige Untersuchungen zum Teillastverhalten von Klein- BHKW; Entwickeln eines dynamischen Wärmepumpentests unter variablen Feldbedingungen; Ausloten der Potentiale zum Optimieren der Regelung von dezentralen Energieerzeugern, inklusive Versuchen; Entwurf einer Total-Energie-Anlage für liberalisierte Energiemärkte; Aufbau eines System zum übergeordneten Steuern und Regeln von dezentralen Energieerzeugern mit PC (dezentrales Energiemanagement).

Entwicklung von Lehreinheiten für die Energiebildung

Forschungsschwerpunkt: - Entwicklung differenzierter Materialien und E-Learning-Konzeptionen zur Qualifizierung von Zielgruppen, die in energiebezogenen Bereichen tätig sind bzw. entsprechende Qualifikationen anstreben - systematische mediendidaktische Fortentwicklung bestehender Blended-Learning-Konzeptionen. Ziele: - Vermittlung grundlegende energiewirtschaftliche Zusammenhänge für Nicht-Ökonomen, die in der Energiebranche tätig sind bzw. entsprechende Qualifikationen anstreben - Ziel ist das Erlangen vertiefter Einsichten in die verschiedenen Facetten der Energieversorgung und -nutzung, um ein breiteres Verständnis für die vielschichtigen Aufgaben und Anforderungen an Unternehmen in der Branche. Beschreibung: - Im Rahmen der ersten Projektphase wurde ein internetgestützter Qualifizierungsbaustein 'Energy Economics' entwickelt und eine internetgestützte Lehreinheit konzipiert. Diese wurde im Wintersemester 2013/2014 im Studiengang 'Engineering Physics' erprobt und evaluiert. Das Feedback der Teilnehmer fiel sehr positiv aus. - In der zweiten Projektphase (2014) ein weiterer internetgestützter Qualifizierungsbaustein entwickelt, auf dessen Basis ebenfalls eine Veranstaltung konzipiert, durchgeführt und evaluiert wird. Im Mittelpunkt steht darin die Auseinandersetzung mit den erneuerbaren Energien, insbesondere im Hinblick auf ihren Einsatz in Entwicklungs- und Schwellenländern. Die Lehrveranstaltung wird ausschließlich onlinebasiert durchgeführt werden. Ergebnisse/Materialien: Qualifizierungsbaustein 'Energy Economics', der sich thematisch mit den Schwerpunkten - grundlegende Strukturen internationaler Energiemärkte (insb. Erdöl, Erdgas, Kohle), - Besonderheiten der Märkte für leitungsgebundene Energieversorgung, - Bedeutung energiepolitischer Rahmensetzung auf den Märkten sowie - Förderung erneuerbarer Energien und ihrer Wirkung auf Märkten auseinandersetzt.

Bidirektionales Lademanagement der nächsten Generation im massenfähigen Realbetrieb, Teilvorhaben: Bidirektionale (Vehicle to Grid) Wallbox (EVSE) mit interoperabler Kommunikation zum Elektrofahrzeug (EV), HEMS und Backend

Windkraft im Wald

Zahl der Windräder im Wald sowie Leistung aufgegliedert nach Staats-, Privat- und Körperschaftswald, Ausbauziel, Lokalisierung sowie Bewertung neuer Standorte, Modelle für die Positionierung der Flächen am Markt und für die Realisierung des Baus der Anlagen, Höhe der Einnahmen aus Windkraft im Staatswald und Beteiligung der Standortgemeinde; Berichterstattung der Landesregierung im Ausschuss für Klima, Energie und Mobilität

Netzwerk erneuerbare Energien, Konkrete Einbeziehung erneuerbarer Energiequellen in die Energieversorgung von Kommunen

Umsetzungsstrategien fuer erneuerbare Energien in sechs europaeischen Staedten: Ziel dieses Forschungsprojektes war es, die nutzbaren Potentiale von erneuerbaren Energien auf kommunaler Ebene zu analysieren und konkrete Handlungsvorschlaege und Anlagenkonzepte zu deren verstaerkten Integration zu entwickeln. Die Untersuchung erstreckte sich auf sechs Staedte/ Stadtwerke in drei EU-Laendern (Deutschland: Pforzheim, Ettlingen; Frankreich: Besancon, Rochefort; Portugal: Funchal, Braganca). Fuer jede Stadt wurde ein umfassendes integratives Konzept zur maximalen Nutzung der erneuerbaren Energiequellen bis zum Jahre 2010 entwickelt. Darin wurde das konkrete Ziel gesetzt, bis zum Jahre 2010 15 Prozent des dann zu erwartenden Primaerenergiebedarfes durch erneuerbare Energien bereitzustellen. Besonderes Augenmerk lag auf dem lokalen Energiemarkt und den 'Makro-Akteuren', die bei der Foerderung der erneuerbaren Energien eine wichtige Rolle spielen. Diese Akteure wurden gezielt angesprochen und in die Entwicklung des Konzeptes einbezogen, um die Umsetzungschancen zu verbessern.

Methoden für die koordinierte Optimierung von Wasserversorgungssystemen in zukünftigen Energiesystemen unter tiefen klimatischen Unsicherheiten

Der Klimawandel verschärft die Probleme der Verfügbarkeit von Trinkwasserressourcen, die bereits für 80% der Weltbevölkerung bedroht sind. Es ist von daher wichtig, Systeme sorgfältig zu konzipieren, die Wasser mit hoher Zuverlässigkeit, langfristiger Nachhaltigkeit und niedrigere Kosten bereitstellen können. Außerdem erzeugt die Energiewende in der nahen Zukunft stark schwankende Strompreise was sich auf die Gestaltung, den Betrieb und die Kosten von Wasserversorgungssystemen auswirken wird. In der Literatur sind erste koordinierte Planungsansätze für Wasser- und Energiesysteme aufgetaucht. Diese jedoch begrenzen sich hauptsächlich auf die Bewertung einzelner Wasseranlagen. Das Verständnis komplexerer (z.B. aus mehreren Quellen bestehender) Wassersysteme, die langfristige Investitionsplanung von gekoppelten Wasser-Energie-Systemen und die langfristige Nachhaltigkeit unter dem Einfluss des Klimawandels sind entscheidende Aspekte, die mehr Forschung erfordern. Unser übergreifendes Ziel ist die Verbesserung des Planungsprozesses der Infrastruktur und des Betriebs von Wasserversorgungssystemen, wobei der Schwerpunkt auf der Wasserentnahme und -produktion aus verschiedenen Quellen liegt. Diese Methoden zur Entscheidungsfindung werden auf die Ressourcenknappheit, die Klimaunsicherheit und die fortschreitende Energiewende zugeschnitten und gleichzeitig die Komplexität von Wassersystemen mit mehreren Quellen berücksichtigen. Unser Vorhaben ist in drei Arbeitspakete strukturiert. Im ersten werden wir Methoden zur Planung des kurzfristigen (Wochen) Betriebs komplexer Systeme der lokalen Wasserversorgung vorantreiben. Dafür werden wir neuartige multikriterielle Optimierungsmodelle (Wasserqualität, Kosten) für Wasserversorgungssysteme mit mehreren Quellen entwickeln, die in intelligente Energiemärkte eingebunden sind. Maschinelles Lernen zur Vorhersage des Wasserbedarfs und der Stromkosten für die Wasserproduktion wird in dieses Optimierungsproblem eingebettet. Im zweiten Arbeitspaket werden wir Optimierungsmodelle für eine koordinierte Investitionsplanung für die Infrastruktur von Wasser-Energie-Systemen entwickeln. Diese werden so konzipiert sein, dass sie gegen Dürren unterschiedlicher Intensität und Dauer abgesichert sind, wie die Megadürren, die vielen Ländern in jüngster Zeit widerfahren sind. Im dritten Arbeitspaket werden wir unsere Methoden erweitern, um mit tiefen (d.h. schwer quantifizierbaren) Unsicherheiten umzugehen, die das langfristige (Jahrzehnte) Wassermanagement prägen. Unsere dazu entwickelten Methoden werden sich auf adaptive Investitionsstrategien konzentrieren. Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung werden Konzepte und Methoden für ein nachhaltiges und kosteneffizientes Wassermanagement sein, einschließlich der Betriebs- und Infrastrukturplanung. Die Weiterentwicklung dieser Planungsmethoden wird dazu beitragen, die Wasserversorgungssysteme auf den Klimawandel und auf die Gefährdung der Versorgungssicherheit vorzubereiten.

FP4-NNE-THERMIE C, Variable speed technology for low heat hydropower systems

Objective: Aim is to modify two small hydropower plants to variable speed operation in order to increase annual energy output by improved part load efficiency and design flow. A 100 kW vertical axis Francis turbine (Kaltenburg, DE) and a new 18 kW waterwheel (Bettborn, LU) will be modified to variable speed operation by use of a AC-AC converter. There will be installed a movable free-overfall weir at the waterwheel. By an expected increase of the electricity production in the range of 10 to 20 per cent , the aim is to proof viability of improving existing low head hydro sites with this technology. Especially low head sites have high variation of head and flow. Variable speed technology allows the system to operate at maximum efficiency for a wide range of hydraulic conditions. Modern power electronics replaces complex mechanical control systems with a high need for maintenance. In wind energy, variable speed technology has already proven its advantages compared to other mechanical technologies. General Information: Unlike earlier approaches with a combination of double regulated turbines and variable speed in a new installation, in this project the combination of a Francis turbine (respectively a water wheel) in existing plants together with a frequency converter will be used to increase part load efficiency and design flow of the system. Only the new IGBT controlled converters which are now used in wind energy as well as in motive power industry appliances can guarantee a reliable variable speed operation of a normal asynchronous generator. The combination of the movable weir and variable speed operation of the water wheel will allow to optimise the power output of the plant under all conditions. The use of an IGBT converter makes it possible to compensate reactive power to improve the mains performance. Due to detailed theoretical analysis and according to the positive experience with variable speed operation in wind energy and motive power technology, the expected increase of the annual power output of the two plants is in the range of 10 to 20 per cent of the actual value. This will reduce the specific cost of the electricity by the same range. For the actual payback tariffs of many European countries, this will increase the number of feasible low head sites. The top water level control by variation of turbine speed (and so flow) will be demonstrated to show a simple, reliable and energy saving alternative to the old hydraulic systems, which are still installed in many sites. The success of the variable speed system in this plants will open a big European SME market for cheap technological improvement of small hydropower plants and low head sites. The monitored performance of the plants data will be stored in a data logger with a modem, to allow automatic down-loading from a server-PC via modem. ... Prime Contractor: Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, Institut für Elektrische Energietechnik - IEE; Kassel; Germany.

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