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Nutzung von Wasserstoff als Energieträger in der Produktionskette Milchvieh zur Minderung von Treibhausgasemissionen, Teilprojekt A

KI unterstützte Kommunikationstechnologien zur dynamischen Optimierung von Mobilität und Energiespeichern zur Frequenzstabilisierung und Energieversorgung, Teilvorhaben SachsenEnergie: Bidirektionales Alltagsladen

Das Ökosystem der Stromnetze ist auf dem Weg zu einem dezentralisierten Energieversorgungs- und Verteilungssystem. Haushalte können mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren oder Windgeneratoren, als verteilte Energieressourcen (DERs - Distributed Energy Resources) bezeichnet, unabhängig von den Stromanbietern operieren und Energie zurück an das Hauptnetz verkaufen. Für die Realisierung dieser Transformation des Stromnetzes wird eine kompetente Kommunikationsinfrastruktur benötigt. Die Einführung des Standards 5G in Mobilfunknetze erleichtert die Entwicklung zukünftiger Energieverwaltungslösungen. Weiterhin ermöglichen neue Technologien die Entwicklung intelligenter Algorithmen für die Steuerung zukünftiger Stromnetze. Hierzu gehören das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), Vernetzung über Mesh-Netzwerke zur Fernüberwachung des Netzstatus und die Künstliche Intelligenz (KI) für Management und Koordination. In Dymobat wird ein Single-User-Controller für die Verwaltung der einzelnen DERs entwickelt. Anschließend wird eine zentrale Steuerungseinheit für die Synchronisierung und Optimierung des Netzbetriebs innerhalb einer kleinen Gruppe von DERs, Microgrid, entworfen. Im Anschluss werden Mobilitätsalgorithmen für die Nutzung von batterieelektrischen Fahrzeugen als mobile Energiespeicher entwickelt, die temporäre Selbstversorgung von Teilnetzen ermöglichen. Die entwickelten Algorithmen werden virtuell in einem Testbed-Modell anhand von realen Eingangsparametern erprobt, optimiert und validiert. Im zweiten Schritt wird ein reales Testfeld konzipiert, installiert und die Leistungsfähigkeit der modellhaft erprobten Algorithmen in einer realen Testumgebung bewertet und anhand des dadurch erarbeiteten Know-hows weiter verbessert. Das übergeordnete Ziel des Projektes DymoBat ist die Entwicklung von marktfähigen Lösungen für die zukünftige Stromnetzverwaltung zur Nutzung von verteilten Energieressourcen auf Basis der Anwendung von 5G-Technologien.

Entwicklung und Validierung von geothermischen Modellen und Anlagenkonzepten mit innovativen oberflächennahen Elementen für dynamisch geregelte Wärmepumpensysteme, Teilvorhaben: Verbesserung des Wärmetransfers aus dem Erdreich

Im Projekt lnnoFlaG sollen neuartige oberflächennahe Wärmetauscherelemente in Kombination mit Latentwärmespeichern, Energiespeichern und Hydraulikmodulen als funktionsfähige Einheit vom Firmenkonsortium entwickelt, getestet und in Wechselwirkung mit dem oberflächennahen Erdreich modelliert werden. Hierbei geht es um erhöhte Planungssicherheit bezüglich der Erträge, aber auch um Schadensvermeidung, denn gerade bei flachen Geo-Kollektoren sind in der Vergangenheit durch Gefrieren des Bodens Schäden entstanden. Ein Herzstück der Neuentwicklung der WKG Energietechnik GmbH ist ein zertifizierter, erdeinbaufähiger, doppelwandiger, wärmegedämmter, skalierbarer und in der Handhabung unkomplizierter Latentwärmespeicher, der gegenüber handelsüblichen Fabrikaten 30 % mehr Leistungskapazität aufweist. Als zusätzliche Komponente wird hierzu auch ein neuartiger Erdwärmemanteltauscher konzipiert, der um die erdeinbaufähige Außenwand des Latentwärmespeichers angebracht wird. Als weitere Komponente zur Optimierung des Gesamtsystems wird von der WKG Energietechnik GmbH zur Leistungsoptimierung über verbesserte Wärmeleiteigenschaften des Bodens und zur Verhinderung starker Geländeveränderungen im Zuge einer möglichen Eisbildung bei zu hohem Wärmeentzug aus dem Boden ein kostengünstiges Be- und Entwässerungssystem entwickelt werden. Zudem übernimmt die WKG Energietechnik GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem SIJ und der GeoCollect GmbH die Neuentwicklung eines zwangsdurchströmten Trennwärmetauschers zur Wärmerückgewinnung aus Oberflächen-, Ab- und Grundwasser bis zu einem Funktionsmuster. Eine weitere Neuentwicklung stellt der vertikale WKG-Rohrschlangenabsorber dar, der als Rollenware mäanderförmig im Erdreich ohne Schweißverbindungen verlegt werden kann. Dieses System wird von der WKG Energietechnik GmbH an einem noch festzulegenden Standort eingebaut und getestet.

Klimaforschungsplan KLIFOPLAN, Potentiale für eine weitergehende Elektrifizierung (PowEr)

Aus Gründen der Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Treibhausgas-Minderung zeichnet sich ab, dass die Verkehrsarten möglichst elektrifiziert werden sollten. Sofern das nicht möglich ist, muss der Endenergiebedarf durch andere Kraftstoffe gedeckt werden, die langfristig treibhausgasneutral her- und bereitgestellt werden müssen. Batterien wurden in den letzten Jahren deutlich leistungsfähiger (gravimetrische und volumetrische Energiedichte) und werden auch absehbar noch besser und günstiger. Zukünftig sollten dadurch weitere Verkehrsmodi batterieelektrisch betrieben werden können und andere noch umfassender als bisher. Dies ermöglicht geringere Bedarfe an anderen Endenergieträgern und einen geringeren Energiebedarf. Im Vorhaben sollen die jetzigen und insbesondere zukünftigen Möglichkeiten der Batterie-Technik in Anwendungen des Verkehrs detailliert untersucht werden. Die verkehrsträgerseitigen Anforderungen der jeweiligen charakteristischen Segmente der Verkehrsarten (z.B. Fähren, Binnenschiffe, Zweiräder, Linienbusse) an die Energieversorgung müssen dazu detailliert aufgeschlüsselt werden, um diese anschließend ggf. wieder clustern zu können. Welche Arten von Energiespeichern werden dafür benötigt bzw. jetzt schon entwickelt, welche Kostenentwicklungen sind zu erwarten? Batterietechnisch sind alle Ansätze zu identifizieren, die in den nächsten 2 bis 3 Dekaden aus heutiger Sicht relevant werden könnten. Die Beurteilung erstreckt sich auch auf die Risiken der Technik und die Kritikalität von Rohstoffen. Für die auch zukünftig nicht realistisch elektrifizierbaren Verkehrsträger wäre zu untersuchen, welche Energieträger (PtG-H2, PtG-Methan, PtL) und Antriebe dann, unter Berücksichtigung der Energieeffizienz, Ressourcen und THG-Minderung, als geeignete Alternative erscheinen. Diese Arbeiten sind die Grundlage für eine Abschätzung des zukünftigen Endenergie- und Primärenergiebedarfs im Verkehr, was in drei Szenarien ermittelt werden soll.

Flexibilität Nutzung für Wohn-, Gewerbe- und Industriegebiete, Teilvorhaben: Netto-Null Energie-Tertiärsystem

Nachhaltige Festivalmobilität und -logistik im Mitteldeutschen Braunkohlerevier, Teilvorhaben: Energieavantgarde Anhalt e.V

Entwicklung eines Leichtbau-Tanks für kryogenen Wasserstoff zum Einsatz in einer modularen, container-basierten Versorgungseinheit, TVH: Entwicklung der Tankstruktur mittels Strukturanalyse und -Optimierung unter Berücksichtigung der Fertigungssimulation und Materialmodellierung

Die Anwendung von Wasserstoff als Energiespeicher und Energieträger wird als ein Schlüsselelement für das Gelingen der Energiewende eingeschätzt, wie in der nationalen Wasserstoffstrategie beschrieben. Ein wichtiger Aspekt ist dabei der Aufbau einer Infrastruktur für den Transport von Wasserstoff. Neben dem großmaßstäblichen Transport über Pipelines besteht in nahezu allen Branchen auch ein signifikanter Bedarf an Lösungen für örtlich flexible Wasserstofftransporte in kleinerem Maßstab, z.B. im Bereich der Tankstellenversorgung, im Rangierbetrieb von Schienenfahrzeugen sowie in der Hafen- und Flughafenlogistik. Für größere Mengen und längere Transportstrecken erlauben Flüssigwasserstofftanks deutliche Effizienzsteigerungen, auch wenn ein zusätzlicher Energieverbrauch für die Verflüssigung anfällt. Bisherige Lösungen mit Tanks aus Edelstahl haben sich jedoch noch nicht breit durchsetzen können. Ziel des Projektes ist es daher, einen kostengünstigen und gleichzeitig hochfesten Leichtbau-Wasserstofftank aus Faserverbundwerkstoffen für Flüssigwasserstoff zu entwickeln mit dem Anwendungsziel des Einsatzes in einer neuen, branchenübergreifend einsetzbare Logistiklösung in Form einer containerbasierten Transport- und Versorgungseinheit. Daneben betrachtet das branchenübergreifend aufgestellte Konsortium aber auch die Adaption der entwickelten Technologien für Tanks in den Bereichen Straßenverkehr, Schifffahrt, Schienenverkehr und Luftfahrt. Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung von kryogenen Faserverbundtanks ist die Dichtigkeit, die durch thermisch induzierte Mikrorisse im Material beeinträchtigt wird. Dies soll im Projekt durch einen neuartigen Ansatz verhindert werden: Die Verwendung thermoplastischer Materialien in Kombination mit der Anwendung der Dünnschichttechnologie. Hierfür werden neue Fertigungsmethoden für das Halbzeug, Prüfmethoden, Konstruktions- und Berechnungsmethoden sowie entsprechende Fertigungstechnologien entwickelt.

Untersuchung der katalytischen Prozesse in Elektrolyse- und Synthesereaktionen (im Verbundprojekt: Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese)

Im Rahmen der in Deutschland stattfindenden Energiewende werden zur Substituierung fossiler Energieträger zunehmend erneuerbare Energien eingesetzt. Die regelmäßige Verfügbarkeit dieser Energiequellen ist nur bei einem kleinen und kaum erweiterbaren Teil, hauptsächlich der Wasserkraft und der Biomasseverwertung, gegeben. Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger der erneuerbaren Energien (Wasserstoffwirtschaft) erscheint aufgrund hoher Anfangsinvestitionen zur Umrüstung der auf Kohlenwasserstoffen basierenden Energieinfrastruktur sowie der geringen volumetrischen Energiespeicherdichte des Wasserstoffs problematisch. Eine interessante Möglichkeit zur Lösung der Speicherproblematik bei gleichzeitiger Beibehaltung der vorhandenen Infrastruktur besteht in der Herstellung von Methanol aus Kohlendioxid und Elektrolyse-Wasserstoff, der mittels erneuerbarer Energien erzeugt wird. Durch eine stoffliche Nutzung von Kohlendioxid lassen sich in Folge CO2 ?Emissionen mindern, und CO2 wird dadurch in einem Kreislauf genutzt, ohne dass die Atmosphäre durch zusätzliche Emissionen belastet wird. Für die Umsetzung dieses Konzepts müssen geringe Systemkosten bei hohen Wirkungsgraden erreicht werden. Beide Kriterien sprechen für die Nutzung der Hochtemperaturelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff für eine anschließende Kohlenwasserstoffsynthese. Bisher wurden in Hochtemperatur?Elektrolyseuren sauerstoffleitende Elektrolyte verwendet. Das Teilvorhaben der Professur für Technische Thermodynamik innerhalb des Verbundprojektes umfasst die Charakterisierung der eingesetzten Katalysatoren sowie deren Wirkungsweise und die Untersuchung der katalytischen Prozesse mit experimentellen Methoden. Damit soll der Gesamtprozess hinsichtlich der Katalysatoren optimiert werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 2248: Polymer-basierte Batterien; Priority Program (SPP) 2248: Polymer-based batteries, Redox-aktive organische Bausteine in linear-amorphen Polymeren im Vergleich zu hoch-geordneten COFs als hierarchisch-strukturierte Batterie-Elektrodenmaterialien - PROMISE

Obwohl eine große Anzahl redox-aktiver Bausteine basierend auf kleinen Molekülen und Polymeren bekannt ist, wurde bisher wenig über deren relative molekulare Ausrichtung und Anordnung in Polymermaterialien untersucht. Jedoch haben nicht-kovalente Wechselwirkungen sowie der Einfluss von kristalliner Ordnung und hierarchische Strukturierung durch Mehrkomponentensysteme einen signifikanten Einfluss auf die Batterieleistung. In diesem gemeinsamen Projektvorschlag werden systematische Vergleichsstudien redox-aktiver Bausteine in linearen Polymeren gegenüber deren Einbau in kovalent-organischen Gerüsten (COFs) durchgeführt. Lineare Polymere haben den Vorteil, dass Sie durch ihre Flexibilität die geladenen Bausteine mit supramolekularen Wechselwirkungen (pi-Stapelung) durch interne Aggregation stabilisieren können. Dahingegen sind die analogen zweidimensionalen COFs bereits intrinsisch gestapelt, haben jedoch den Nachteil der mikrokristallinen Struktur mit nur limitierter Elektrolytendiffussion. Die Synthese neuer 2D-COFs (Arbeitsgruppe Dumele) und deren korrespondierende lineare Polymere (Arbeitsgruppe Esser), die jeweils direkt vergleichbare redox-aktiven Untereinheiten tragen, sollen innerhalb dieses SPP-Projekts realisiert werden. Dabei werden fundamentale Mechanismen der Ladungs- und Radikalstabilisierung mit spektroskopischen und elektrochemischen Methoden untersucht. Es werden vergleichbare Batteriezellen aus COFs und linearen Polymeren als aktives Elektrodenmaterial hergestellt (Arbeitsgruppe Esser) und eine ausführliche Struktur-Leistung-Beziehung ausgearbeitet. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden versprechende Materialtypen weiter an den entsprechenden Parametern gezielt verbessert. Zum Beispiel können bei zu niedrigem Ladungstransport in den COFs zusätzliche leitfähige Polymere in deren Poren eingebettet werden, um die Limitationen dieses Materials zu überwinden. Weiterhin werden DFT-Rechnungen zur Unterstützung dieser Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Verbundprojektes über Polymerbatterien basierend auf flexiblen und kristallinen Grundgerüsten wird bei der fundamentalen Entwicklung von zukünftigen Energiespeichern eine entscheidende Rolle spielen.

Im Projekt OMEI wird ein Ladekonzept für die Elektromobilität mit nachhaltigem Speichersystem realisiert, um das Konzept auf europäische Standorte zu übertragen. Hierzu werden reale Daten erhoben und frei zugänglich gemacht.

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