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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.

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.

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.

Integrierte und beschleunigte Prozessoptimierung zur Herstellung prälithiierter Elektroden für Energiespeicher mit Methoden des Maschinellen Lernens

Energieoptimiertes Reallabor Jena mittels in Echtzeit skalierbarer Energiespeicher, Teilvorhaben: Stadt- und Quartiersentwicklung im Kontext eines virtuellen Kraftwerkes

JenErgieReal versteht sich als 'Blaupause' für die zukünftig ganzheitliche Versorgung mit elektrischer und thermischer Energie sowie der Integration der Mobilität als Bindeglied. Dabei werden die Haupttreiber des Energieverbrauchs Verkehr, Industrie, Gewerbe und Wohnen sektorenübergreifend betrachtet. JenErgieReal wird als Reallabor der Energiewende die für die deutsche Energiepolitik wesentlichen systemischen Herausforderungen in einem klar umrissenen Großvorhaben exemplarisch angehen und die Rolle der Infrastrukturbetreiber im Energiewendeprozess verdeutlichen. JenErgieReal hat Pioniercharakter für die Transformation des Energiesystems und widmet sich Forschungsfragestellungen, die eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung der Energiewende einnehmen. Die Demonstration der Ergebnisse erfolgt als Reallabor in der Stadt Jena. Das primäre Ziel des Teilprojektes 5 (TP 5) im Verbundprojekt JenErgieReal liegt in der Stadt- und Quartiersentwicklung im Kontext des Virtuellen Kraftwerks. Die langfristigen Ziele sollen sein, das aufgebaute Virtuelle Kraftwerk vom Labormaßstab auf die Stadt Jena zu skalieren um die Energiewende die Region klimafreundlich, wirtschaftlich, nachhaltig und somit zukunftssicher zu gestalten.

Energieoptimiertes Reallabor Jena mittels in Echtzeit skalierbarer Energiespeicher, Teilvorhaben: Smart Living und spezifisches Nutzerverhalten im Virtuellen Kraftwerk

JenErgieReal versteht sich als 'Blaupause' für die zukünftig ganzheitliche Versorgung mit elektrischer und thermischer Energie sowie der Integration der Mobilität als Bindeglied. Dabei werden die Haupttreiber des Energieverbrauchs Verkehr, Industrie, Gewerbe und Wohnen sektorenübergreifend betrachtet. JenErgieReal wird als Reallabor der Energiewende die für die deutsche Energiepolitik wesentlichen systemischen Herausforderungen in einem klar umrissenen Großvorhaben exemplarisch angehen und die Rolle der Infrastrukturbetreiber im Energiewendeprozess verdeutlichen. JenErgieReal hat Pioniercharakter für die Transformation des Energiesystems und widmet sich Forschungsfragestellungen, die eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung der Energiewende einnehmen. Die Demonstration der Ergebnisse erfolgt als Reallabor in der Stadt Jena. Das primäre Ziel des Teilprojektes 3 (TP 3) im Verbundprojekt JenErgieReal liegt in der Umsetzung der mit den Projektpartnern entwickelten wissenschaftlichen und technischen (Wohn-) Quartierspeicherlösungen, ausgehend von der kleinsten Zelle Wohnung zum smarten Quartier. Durch den Einsatz von Smart-Home-Komponenten werden die Wohnungen Teil des Virtuellen Kraftwerkes. Es sollen neue Prozesse und Formen des Zusammenlebens für eine Verbesserung der Lebensqualität und attraktiven Lebensraumgestaltung entwickelt und erprobt werden. Das Wohnen soll einfacher und angenehm erlebbar und ein langes (eigenständiges) Wohnen durch smarte Anwendungen ermöglicht werden. Somit soll nachhaltig die Wohn- und Lebensqualität der Bewohner verbessert, eine Senkung der Betriebskosten durch die Reduzierung der Stromverbräuche, z.B. Photovoltaik am Gebäude (Mieterstrom) und der Heizkosten sowie eine zukunftssichere Ausstattung der Wohnungen und nachhaltige Immobilienbewirtschaftung unter Berücksichtigung von sozialen, technischen, ökonomischen und ökologischen (CO2-Einsparung) Parametern erreicht werden.

Geologische und verfahrenstechnische Möglichkeiten der Erdwärmenutzung am Standort der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH)

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.

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 Universität Dresden: Kommunikationstechnologien

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.

Hocheffiziente, kostengünstige und langlebige Natrium-Ionen-Batterie Zellen

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. Fazit: In diesem Projekt wurde eine Methode entwickelt, um Mangan-dotiertes preussisch Weiss deutlich langlebiger zu machen - mit Zyklenzahlen, die man auch von Lithium-Eisen-Phosphat Akkus kennt, die schon bisher als sehr langlebig gelten. Durch die Erhöhung Spannung können der wesentliche Nachteil der geringeren Energiekapazität von preussisch Weiss mitigiert werden. Das so entstandene Material kann nicht nur LFP, sondern auch NiCd und Blei-Säure Batterien ersetzen.

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