Dieses Vorhaben adressiert als Bestandteil des Verbundvorhabens 'TurboHyTec - Turbomaschinen für Hydrogen-Technologien' wesentliche technologische Fragestellungen von Turbomaschinen, die eine Schlüsselstellung zu einer nachhaltigen Energieversorgung mittels erneuerbarer Energien einnehmen. Turbomaschinen sind Kernelemente in vielen Energiespeichersystemen und Industrieprozessen und finden auch Verwendung in Prozessen zur Erzeugung synthetischer grüner Brennstoffe. Wasserstofftechnologien sind ein zentraler Baustein für das Gelingen der Energiewende. Nachhaltig hergestellter Wasserstoff ist ein umweltschonender Energieträger, der zur Speicherung von überschüssiger erneuerbarer Energie eingesetzt werden kann. Voraussetzung für den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien ist eine deutliche Ausweitung der Speicherkapazitäten basierend auf neuartigen Speichertechnologien. Unter verstärkter Digitalisierung und Virtualisierung sind sowohl für die Speicherung als auch die Verteilung geeignete Verdichtungs- und Expansionsaggregate zu entwickeln. Das Vorhaben widmet sich drei thematisch übergeordneten Themen zur Entwicklung von Turbokomponenten für Anwendungen im Rahmen der Energiewende. Für die Realisierung einer wasserstoffbasierten Energieinfrastruktur wird im HAP 'Wasserstoff-Anwendungen' eine aerodynamische Bewertungsfähigkeit von Radialverdichtervoluten für die Luftversorgung von Brennstoffzellen erarbeitet (AP 1.4b). Im HAP 'Energiespeicher' erfolgt zum einen eine Modellanalyse für ein elektro-thermisches Energiespeichersystem für die zukünftige Sektorenkopplung und Ausgleich der Volatilität regenerativer Stromgewinnung (AP 2.1). Zum anderen wird ein transsonischer Radialverdichter für Anwendungen in zukünftigen dekarbonisierten Energiewandlungsprozessen optimal ausgelegt (AP 2.3b). Im HAP 'Digitalisierung' werden hochgenaue skalenauflösende Strömungssimulation für einen virtuellen Kaskadenprüfstand im Rahmen der Produktauslegung qualifiziert (AP 4.6d).
Für die Medizinische Hochschule Hannover hat das GeothermieZentrum Bochum gemeinsam mit der GeoDienste GmbH (Garbsen) im Zeitraum von August 2007 bis März 2008 eine Vorstudie zur Einbindung der Geothermie in das Energiekonzept des Klinikums erstellt. Im Anschluss an diese Vorstudie wurde eine Wirtschaftlichkeitsanalyse erstellt, welche die petrothermale und hydrothermale Versorgung betrachtete. Vorstudie: Die Medizinische Hochschule Hannover (MHH) wird derzeit von den Stadtwerken Hannover mit den Medien Gas, Strom und Fernwärme zur Erzeugung ihrer dreigliedrigen Energieversorgung, bestehend aus Dampf, Raumwärme und Klimakälte, versorgt. Aufgrund der hydrogeologischen Situation am Standort der MHH in Hannover wird eine Einbindung der Geothermie sowohl in den Heizkreislauf (direkte Integration über Wärmetauscher) als auch in den Kälteklimakreislauf (modular betriebene Absorptionskältemaschinen) vorgeschlagen. Ziel der Einbindung ist es konventionelle, preislich fluktuierende und primärenergetisch nachteilige Energieträger, wie in erster Linie elektrischen Strom und nachrangig Fernwärme oder Gas, durch den Einsatz der Geothermie vollständig, oder im Rahmen der Leistungsfähigkeit des geothermischen Reservoirs teilweise, zu ersetzen. Wirtschaftlichkeit, CO2-Bilanz und Versorgungssicherheit stehend dabei im Vordergrund. Die Grundlastfähigkeit der Geothermie wird in der vorgeschlagenen Anlagenkonfiguration vollständig ausgenutzt. Im Bereich der Spitzenlastdeckung spielt die Geothermie daher keine Rolle. Die geothermisch unterstützte Dampferzeugung findet im betrachteten Szenario keinen Eingang. Dies liegt in der internen Wärmerückgewinnung im Dampferzeuger durch den Economizer zur Vorwärmung des Speise- und Verbrauchswassers begründet. Da die Geothermie bei der Dampfherstellung nur einen geringen energetischen Beitrag leisten kann und Investitionen für ihre Anbindung an das Dampferzeugersystem entstehen, wird von der Betrachtung dieser Systeme abgesehen. Übersteigt die Bereitstellung von geothermischer Energie im Heiz- oder Kühlfall die Energienachfrage, lassen sich Pufferspeicher integrieren um diese überschüssig Energie effizient zu speichern. Bei Lastspitzen kann die Energie zurückgewonnen werden. Somit erhöht sich der geothermische Anteil an der Gesamtenergiebereitstellung. Wirtschaftlichkeitsanalyse: Hier wurden 9 verschiedene Szenarien untersucht, welche sich aufgrund ihrer Art (petrothermal / hydrothermal), der Bohrtiefe (4500 / 3000 m), ihrer Schüttung (15-50 l/s), Temperatur (115 / 160 Grad C) oder Bereitstellung (Wärme / Strom+Wärme) unterscheiden. Die höheren Investitionskosten für die petrothermalen Systeme werden durch die höhere Energieausbeute (Schüttung und Temperatur) abgefangen und diese somit wirtschaftlicher als die hydrothermalen Systeme, welche sich in der Amortisationsrechnung nur aufgrund der steigenden Energiepreise nach einigen Jahren rechnen.
Zielsetzung:
Batterien spielen eine entscheidende Rolle in der Transformation der (Strom-)Wirtschaft zu einer CO2 neutralen Zukunft. Die Emissionsreduktion hängt primär vom vorliegenden Strom- bzw. Energiemix ab. Einerseits für den Energieaufwand während der Erzeugung, andererseits während ihres Betriebs. Überdies dürfen CO2 Emissionen für die Erzeugung, Raffinierung und den Transport von Grundmaterialien nicht vernachlässigt werden. Hier setzen die in diesem Projekt beschriebenen Innovationen an. Aktuelle State-of-the-Art LIB Batterien verwenden einerseits nicht weltweit geläufige Rohstoffe, wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Diese Rohstoffe werden primär in China raffiniert. Die so hergestellten Ausgangsmaterialien werden dann ihrerseits erneut über weite Strecken transportiert. Anodenseitig wird aktuell Graphit verwendet. Beispielsweise stammen sowohl natürlicher (74%) als auch synthetischer Graphit (51%) primär aus China, weswegen chinesische Exportrestriktionen auf diesen essentiellen Zellbestandteil ein zusätzliches Hemmnis für die europäische LIB Technologie darstellen. Zusätzlich bedürfen LIB Batterien deutlich mehr CO2 in der Herstellung aufgrund der Anforderung an die Trockenräume, was bei NIB zumindest mit zusätzlicher Forschung deutlich reduzierbar wäre. Im Gegensatz dazu beruhen die Materialien für hier entworfene NIB auf weltweit geläufigen Mengenrohstoffen, was sowohl Kosten, CO2 Emissionen, Umweltbelastungen, und eben auch Abhängigkeiten von außereuropäischen Ländern minimiert.
Für eine Transformation hin zu einer nachhaltigen, erneuerbaren Wirtschaft sind billige Energiespeicher essenziell. Seit langem werden in den Roadmaps NIB als die beste Zukunftstechnologie bezeichnet, um möglichst kostengünstige Energiespeicher zu bauen. Daher wurde ein Konzept der vertikalen Integration entlang der Wertschöpfungskette erarbeitet, dass mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit, binnen von zwei Jahren zu einem NI-Batteriepack Prototyp führen soll. Der große Vorteil darin besteht in der raschen Weitergabe von Innovationssprüngen an den Prototypen und eventuellen Produkten. Die Zielsetzung ist eine Zelle mit einer Energiedichte von 180 Wh/kg zu entwickeln, welche dann in Endanwendungen wie Gabelstapler, Heimspeicher, und stationäre Speicher eingesetzt werden kann. Durch den angestrebten niedrigen Preis pro kWh für NIB’s sind alle Anwendungen mit einer niedrigen bis mittleren Energiedichte denkbar.
Die nationale Wasserstoffstrategie sieht bis 2030 einen Wasserstoffbedarf von 90-110 TWh/a vor. Auch die Erwartungen der in Bearbeitung befindlichen Neufassung der Wasserstoffstrategie sind in dieser Größenordnung. Ammoniak wird daher als zukünftiges und besser transportables Wasserstoffimportmedium diskutiert. In der für Herbst 2023 angekündigten Importstrategie wird eine entsprechende Berücksichtigung von Ammonika erwartet. Es ist infolgedessen von deutlichen Steigerungen der derzeit importierten Ammoniakmengen auszugehen. Bei der Beantwortung eines BMUV-Erlasses zum Thema 'Umweltwirkungen von Ammoniak als Energiespeicher und Brennstoff' in 02/2023 wurden Wissenslücken in der Importkette von Ammoniak nach Deutschland identifiziert. So ist die Quantität der Emissionen aus Ammoniakterminals in Luft und Wasser weitgehend unbekannt. Zudem ist die Wasserstoffgewinnung durch das Spalten von Ammoniak großtechnisch noch nicht umgesetzt, an dieser Stelle auftretende Emissionen somit nicht bekannt und neuartige sicherheitsrelevante Anlagenteile werden erwartet. Darüber hinaus sind durch die vorraussichtlich deutlich größeren Anlagen und Stoffmengen u.a. Auswirkungsberechnungen des diffundierenden Gases Wasserstoff noch nicht ausreichend betrachtet. Das Vorhaben soll diese Aspekte beleuchten und Wissenslücken füllen. Dazu sollen anhand von verschiedenen Importmengen Beispielterminals (Größe, Standorte) betrachtet und die potentiellen Emissionen in die Umweltmedien analysiert werden. Zudem soll auch eine Betrachtung von Ereignissen und Störfällen für die unterschiedlichen Beispielstandorte erfolgen. Basierend auf den abgeschätzen Emissionen, welche an Ammoniakterminals und beim möglchen Cracking des Ammoniaks zu Wasserstoff entstehen, sollen potentielle Wirkungen auf die Umwelt untersucht und bewertet werden. (...)