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Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Lithium-Schwefel-Batterien für eine nachhaltige Energiewende, LiSSy - Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Lithium-Schwefel-Batterien für eine nachhaltige Energiewende

2030 Szenario für Deutschland bei verzögertem Netzausbau

Ecofys hat im Auftrag der Smart Energy for Europe Platform (SEFEP) untersucht, wie sich ein verzögerter Ausbau der Stromübertragungsnetze bei unterschiedlicher geografischer Verteilung Erneuerbarer Energien-Anlagen auswirkt. Wird das Netz nicht optimal ausgebaut, müssen regional mehr Speicher und flexible Kraftwerke eingesetzt, und Erneuerbare Energie Anlagen häufiger abgeregelt werden. Die dadurch verursachten Kosten sinken, wenn die Anlagen zur Nutzung erneuerbaren Energiequellen gleichmäßiger verteilt sind.

KI unterstützte Kommunikationstechnologien zur dynamischen Optimierung von Mobilität und Energiespeichern zur Frequenzstabilisierung und Energieversorgung, Teilvorhaben CampusGenius: Automated Integration with the 5G-Core

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 auch unter Einsatz von privaten 5G-Netzwerken entwickelt. Anschließend wird eine zentrale Steuerungseinheit für die Synchronisierung und Optimierung des Netzbetriebs innerhalb einer kleinen Gruppe von DERs, einem Microgrid, entworfen. Die Kommunikation zwischen und innerhalb der DER soll mittels Mobilfunktechnologie erfolgen. Dabei soll die Energieoptimierung mittels KI-Algorithmen erfolgen und auch den Energietransport mit Fahrzeugen berücksichtigen. Die softwareseitige Integration der KI-Algorithmen und des Energiemanagementsystems in das Kommunikationssystem ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Projektes. 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.

Metabolische und energetische Kosten des mikrobiellen Substratabbaus zum Abbau von Phosphor

Stoff- und Energieumwandlungen im Boden hängen vom Aktivitätszustand der Mikroorganismen und ihrem Stoffwechsel ab. Der mikrobielle Abbau von Phosphor (P) kann nicht nur durch P, sondern auch durch Kohlenstoff- (C) und Energiemangel angetrieben werden, da energiereiche Phosphoesterbindung zu den wichtigsten Energiespeichern und -überträgern in Zellen gehört. In diesem Projekt werden wir den von „EcoEnergeticS“ entwickelten thermodynamisch-metabolischen Ansatz zur Bioenergetik des P-Abbaus aus organischen Quellen vertiefen. Unser Ziel ist es, die Energiekosten der Enzymproduktion für den P-Abbau zu ermitteln, mittels derer C, Energie und Nährstoffe aus Substraten unterschiedlicher Komplexität gewonnen werden können. Wir werden erstmals die Parameter der mikrobiellen P-Immobilisierung (Pmic-Bildung), des ATP-Spiegels, der Dynamik der Speichesubstanzen (PHBs), des PLFA- und DNA-Gehalts und deren Verhältnisse sowie die Enzymaktivität mit Wärmefreisetzung und CO2-Emission als Stellvertreter der Stoffwechselaktivität zu kombinieren. Wir nehmen an, dass die Energiekosten zur Produktion P-hydrolysierender Enzyme durch Mikroorganismen mit zunehmender Substratkomplexität steigen. Eine weitere Hypothese lautet, dass Mikroorganismen entweder bei C- oder P-Mangel Verbindungen mit hochenergetischen Phosphoesterbindungen (z. B. ATP) eher als Quelle für entweder C oder P verwenden. Ohne P-Mangel kann C aus ATP in zur Energiespeicherung in Speicherstoffe (z. B. PHB) eingebaut werden, während hydrolysiertes P freigesetzt wird. In WP1 werden wir die Investition von Mikroorganismen in die Enzymproduktion zur Gewinnung von Energie und Nährstoffen aus organischen P-Substanzen unterschiedlicher Komplexität ermitteln, was die Hydrolyse durch entweder eine oder mehrere Phosphatasen (Phosphomono- und Phosphodiesterasen, Phytasen) erfordert. Weiterhin werden wir in WP2 die Energiekosten von i) anorganischer P-Aufnahme und anaboler Verwendung, ii) Mineralisierung von organischen P-Verbindungen mit zunehmender Komplexität entschlüsseln. Das Verwendung von hochenergetischen, C- und P-haltigen Organo-Phosphoestern durch Mikroorganismen bei Nährstoff- und/oder Energielimitierung wird in WP3 untersucht. Insbesondere zielen wir darauf ab, den Einbau von ATP in Zellkomponenten als Indikator für den metabolischen Zustand von Zellen zu definieren, die in der Lage sind, i) energielimitierte, ii) C-limitierte oder iii) P-limitierte mikrobielle Gemeinschaften in Böden zu differenzieren. Insgesamt wird dieses Projekt untersuchen, wie Nährstoffmangel und die Notwendigkeit der Phosphatasebildung die Energie- und C-Speicherung beeinträchtigen und welche dieser P- und C-Wege abhängig von der mikrobiellen Aktivität angetrieben werden. Das Verständnis dieser Mechanismen kann dazu beitragen, die mikrobielle Effizienz bei der P-Umwandlung aus organischer Substanz zu erhöhen, was besonders angesichts des zukünftigen Mangels an Phophordüngemitteln von besonderer Bedeutung ist.

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.

Echtzeiterkennung von gesundheitszustandsrelevanten Prozessen in Lithiumionenbatterien durch KI-gestützte Charakterisierung zur ressourceneffizienten Erschließung des Nachnutzungspotenzials

Solar getriebene Energieversorgungskonzepte für die Keramikindustrie, Teilvorhaben: Techno-ökonomische Analyse von solar getriebenen Energieversorgungskonzepten für die Keramikindustrie

Aufbau der Austauschplattform: Geeignete Energiespeicher für den echten Norden, TP3

Waermespeicherung in Metallhydriden

Die Eigenschaft bestimmter Metalle, Wasserstoff chemisch als Hydrid zu binden stellt eine Alternative zu der Gas- und Fluessigspeicherung dar. Bei der Bildung des Metallhydrides werden Wasserstoffmolekuele gespalten und Wasserstoffatome an Zwischengitterplaetzen geeigneter Metalllegierungen eingebaut. Die Wasserstoff-Metall-Reaktion setzt in Abhaengigkeit des eingesetzten Metalls Bildungswaerme bis zu 30 Prozent des unteren Heizwertes von Wasserstoff frei. Im Verlauf der Rueckreaktion kann aufgrund der Hydridzersetzung Wasserstoff abgegeben und Waerme verlustlos gespeichert werden. Die Bildung von Hydriden als Funktion von Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration im Metall wird in Konzentrations-Druck-Isothermen erfasst. Die Umwandlung von Metall in Metallhydrid findet unter konstantem Wasserstoffdruck bei gleichbleibender Temperatur statt. Schwerpunktmaessig werden Magnesiumhydride, Hydride der 3 d-Uebergangsmetallreihe und Hydride auf Basis der seltenen Erden im Hinblick auf ihr thermodynamisches Verhalten, ihre Reaktionskinetik, ihre Waermeleitfaehigkeit, ihrer Speicher- und Zyklisierungsstabilitaet untersucht. Hierbei hat sich herausgestellt, dass Metallhydride technisch sinnvoll und wirtschaftlich einsetzbar sind, wenn die Reaktion der Metalle mit Wasserstoff nicht allein zur Wasserstoffspeicherung dient, sondern zusaetzliche Funktionen mit den Systemen erfuellt werden koennen. Die Waermetoenung empfiehlt Hydride nicht nur als Wasserstoff-, sondern auch als Waermespeicher. Die Kombination zweier Hydridspeicher auf unterschiedlichem Temperaturniveau kann als Waermepumpsystem funktionieren. Zur Zeit steht die Entwicklung verfahrenstechnischer Simulationsprogramme im Vordergrund, die es erlauben, die gemessenen thermodynamischen Daten als Basis fuer die Voraussagen des Betriebsverhaltens grosstechnischer Energiespeicher zu treffen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 2248: Polymer-basierte Batterien; Priority Program (SPP) 2248: Polymer-based batteries, Synthese, in-operando X-ray Spektroskopie und theoretische Modellierung von neuen Li-S Batterien mit zweifachen Redoxsystemen

Lithium-Schwefel Batterien sind aufgrund ihres geringen Gewichts, der Verfügbarkeit des aktiven Materials, ihrer hohen theoretischen Kapazität, ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu existierenden Li-Ionen Batterien, ihrer kurzen Ladungszeiten sowie ihrer langen Lebensdauer vielversprechend für Energiespeicher. Organische Polymere mit elektronisch isolierten Redoxzentren sind attraktive Materialien für Batterieelektroden aufgrund ihres vielfältigen strukturellen Designs, ihrer Verarbeitung aus Lösung, der Verfügbarkeit der entsprechenden Elemente, und ihrer Skalierbarkeit. Solche Redoxpolymere weisen definierte Redoxpotentiale auf und erlauben die Herstellung von Batterien mit stabilen Lade/ Entladepotentialen. Gleichzeitig sind jedoch spezifische Kapazität und Energie limitiert. In diesem project sollen daher neue Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel Batterien mit zusätzlichen Redoxeinheiten synthetisiert, charakterisiert, modelliert und mit hochanspruchsvoller in-operando X-ray Spektroskopie untersucht werden. Redox-aktive Comonomere mit unterschiedlichem Redoxpotential sollen als Vernetzer für die inverse Vulkanisierung von elementarem Schwefel verwendet werden. In den so hergestellten Schwefel-Copolymernetzwerken kann durch das Vorhandensein des redoxaktiven Vernetzers zusätzliche Ladung gespeichert werden. Für die neuen Schwefel-Copolymernetzwerke werden weiterhin maßgeschneiderte Gelelektrolyte verwendet werden, die innerhalb eines erweiterten Potentialfensters stabil sind. Als Kontrolle werden Schwefel-Copolymernetzwerke ohne redox-aktiven Vernetzer verwendet. Die Synthese, Charakterisierung, Elektrodenherstellung, Optimierung des Elektrolyten sowie elektrochemische Untersuchungen werden an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Die neuen Batterieelektroden werden weiterhin an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt mittels in-operando, synchrotron-basierter Röntgenspektroskopie untersucht. So sollen in-operando near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) Spektroskopie, X-ray emission spectroscopy (XES) und referenzefreie X-ray Fluoreszenzanalyse (XRF) verwendet werden, um sowohl den gegenseitigen Einfluss der beiden Redoxsysteme (Schwefel und Redoxmonomer), mechanistische Details sowie Nebenreaktionen während dem Batteriebetrieb zu untersuchen. Diese Untersuchungen werden weiterhin durch theoretische Berechnungen der Universität Freiburg untermauert, um die Stabilität und elektronische Struktur der beteiligten Spezies zu verstehen. Der theoretische Teil umfasst auch die Berechnung von NEXAFS Spektren auf einer absoluten Skala, wodurch eine verlässliche Identifizierung von Intermediaten durch NEXAFS und XES möglich wird. Die Synergien dieses kombinierten theoretischen und experimentellen Projekts werden zu einem verbesserten mechanistischem Verständnis, und zuletzt zu stabileren und effizienteren Materialien für LiS Batterien führen.

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