Im Kontext des gesamt Forschungsleuchtturms e4ships 2.0 Hybridisierung der Gesamt-Energieversorgung, inklusive dem Schiffsantrieb, alternativen Treibstoffen für Flusskreuzfahrtschiffe entwickelt und in einer Versuchsanlage an Land sowie anschließend in einer Test-Installation an Bord eines Flusskreuzfahrtschiffs erprobt. RiverCell2 ist die geplante, praktische, Fortsetzung von RiverCell 1 und baut auf den darin entwickelten Grundkonzepten und Erkenntnissen auf. Zu Projektende sollen aus Bau und Erprobung der Testinstallationen weiterführende Erkenntnisse zu Eignung und Anwendung, zu möglichen Weiterentwicklungen, sowie auch zur Wirtschaftlichkeit eines Hybridantriebs im Allgemeinen und der speziellen Komponenten im Einzelnen, gewonnen sein. Wesentlicher Erfahrungsgewinn hinsichtlich Konstruktion, Bau wie auch dem Betrieb von Systemen mit alternativem Brennstoff mit niedrigem Flammpunkt werden erwartet. Der sichere Betrieb soll in der konkreten Anwendung erprobt und demonstriert werden. Die TU Berlin beteiligt sich vor allem in den Arbeitspaketen 4 und 5 des Vorhabens.
Der hybride Einsatz von Energiespeichermöglichkeiten in Kombination mit nachhaltiger Energieerzeugung mit Brennstoffzellen bietet hinsichtlich Emissions-, und Effizienz- und Sicherheitsverbesserungen im Schiffsbetrieb großes Potential. Der Entwicklung von hybriden Energie- und Antriebssystemen auch auf Schiffen wird eine große Bedeutung für die Mobilität der Zukunft zugeschrieben. Im Kontext des Forschungsleuchtturms e4ships 2.0, werden in RiverCell2 die modulare Hybridisierung der Gesamtenergieversorgung mit Brennstoffzellen und alternativen Treibstoffen für Flusskreuzfahrtschiffe erstmalig im Detail entwickelt und in einer Versuchsanlage an Land erprobt. RiverCell2 ist die geplante, praktische, Fortsetzung von RiverCell1 und baut auf den darin entwickelten Grundkonzepten und Erkenntnissen auf. Zu Projektende sollen aus Bau und Erprobung weiterführende Erkenntnisse zu Eignung und Anwendung sowie auch zur Wirtschaftlichkeit eines Hybridantriebs gewonnen sein. Die Projektpartner erwarten zudem einen wesentlichen Erfahrungsgewinn im Umgang mit neuen Brennstoffen mit niedrigem Flammpunkt. Der sichere Betrieb soll in der konkreten Anwendung demonstriert werden und die Erkenntnisse sollen zu der Entwicklung von Vorschriften beitragen. Das Forschungsprojekt 'RiverCell' nimmt damit die Herausforderung an, eine komplexe aber vor allem zukunftsfähige Energieversorgung an Bord herzustellen. Das dabei entstehende Produkt soll der Öffentlichkeit gerade im Hinblick auf den Hybrid-Antrieb mit der Brennstoffzelle die Machbarkeit und Ökologie komplexer Schiffantriebe zeigen und einen Anstoß für Folgeprojekte geben.
In diesem Vorhaben wurde der Einfluss des Elektrolyten auf die Sicherheit sowie die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Batterien untersucht. Im Zuge dessen sollten ionische Flüssigkeiten (IL) als innovative Elektrolytbasis synthetisiert werden. Ferner sollte die Viskosität des Elektrolyten durch Variation der funktionellen Gruppen sowie der Leitsalzkonzentration und durch Mischung verschiedener ionischer Flüssigkeiten angepasst werden. Die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten auf der Basis ionischer Flüssigkeiten sollte durch Anpassung der Leitsalzkonzentration erfolgen. Die Zyklenstabilität von Testzellen mit den innovativen Elektrolyten sollte demonstriert werden. Insgesamt sollte die Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien durch Substitution der leicht entflammbaren, konventionellen Elektrolyte auf Basis organischer Carbonate verbessert werden bei gleichzeitiger Anhebung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu bekannten Untersuchungen von Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten. Die Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Elektrolyt stellte sich jedoch als nachteilig für die elektrochemische Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Batterien heraus. Zwar konnte die Sicherheit durch signifikante Anhebung des Flammpunktes im Vergleich zu konventionellen Elektrolyten erhöht werden, aber durch limitierte Benetzung der Zellkomponenten sowie einer geringeren ionischen Leitfähigkeit wurde ein rascher Abfall der erzielbaren Entladekapazitäten sowie ein erheblicher Anstieg des Unterschiedes zwischen den Lade- und Entladepotentialen am Beispiel LiFePO4 und Li4Ti5O12 basierter Elektroden beobachtet. Mischungen von verschiedenen ionischen Flüssigkeiten wurden zwar erstellt, aber die Viskosität der Mischungen konnte im Vergleich zu den Einzelkomponenten nicht deutlich reduziert werden. Ferner wurde durch die Mischungserstellung verschiedener ionischer Flüssigkeiten keine signifikante Anhebung der ionischen Leitfähigkeit erzielt. Infolge der gewonnen Erkenntnisse wurden diese Mischungen nicht in Testzellen implementiert. Mittels Mischungen von konventionellen Elektrolyten mit ionischen Flüssigkeiten wurde im Vergleich zur Verwendung reiner ionischer Flüssigkeiten allerdings eine Kapazitätserhöhung sowie eine deutliche Reduzierung des Unterschiedes zwischen den jeweiligen Lade-und Entladepotential von LiFePO4 bzw. Li4Ti5O12 basierten Elektroden erreicht. Im Vergleich zu den konventionellen Elektrolyten wurde die Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien durch Anhebung des Flammpunktes verbessert. Eine wirtschaftliche Nutzung der Ergebnisse ist jedoch aufgrund der reduzierten Leistungsparameter im Vergleich zu Elektrolyten nach dem aktuellen Stand der Technik nicht zu erwarten.
Die Schaffung von geeigneten Voraussetzungen für die Nutzung von Brennstoffzellen auf Schiffen in den nächsten zehn Jahren ist das Ziel des Clustermanagements e4ships 2. Dazu gehören zum einen alle Kommunikationsmaßnahmen, die eine stärkere Wahrnehmung für diese klimafreundliche Technologie erreichen sowie die Schaffung geeigneter rechtlicher europäischer und internationaler Rahmenbedingungen. Schiffbau und Schifffahrt sind durch völkerrechtliche Vorschriften sicherheitstechnisch stark reguliert, so dass Innovationen im Antriebsbereich nicht ohne weiteres in international operierenden Schiffen implementiert werden können. Treibstoffe mit niedrigem Flammpunkt, wie Wasserstoff oder andere Primärenergieträger, die im Rahmen der Brennstoffzellentechnologie eingesetzt werden können, erfordern eine Zulassung durch die International Maritime Organization (IMO, für den Einsatz auf Seeschiffen) bzw. Zentralkommission für die Rheinschifffahrt (ZKR, für den Einsatz auf Binnenschiffen). Daher stehen diese im Mittelpunkt des im Rahmen des Clustermanagements zu schaffenden Anpassungen. Sie ergänzen ihrerseits die im Verbundvorhaben e4ships durch die Partner zu leistenden technischen Entwicklungsschritte bis zur weitgehenden Einsatzreife. Im Clustermanagement werden somit konkret Themen wie die Sicherung der landseitigen Voraussetzungen (Genehmigung von Gasen als Schiffsbrennstoffe in Häfen) und technischen Standards sowie die Darstellung gegenüber den potenziellen Kunden bzw. den für Häfen und seegängige Schiffe zuständigen Instanzen wie der International Maritime Organisation (IMO) oder den für die Binnenschifffahrt in Deutschland zuständigen Behörden des Bundesverkehrsministeriums (ZKR / CESNI) bearbeitet. Darüber hinaus umfasst die Tätigkeit im Clustermanagement e4ships 2 die übergeordnete Öffentlichkeitsarbeit und die gesamte administrative Steuerung und Dokumentation des Verbundprojektes.
Das Projekt geht das Problem des Transports von Wasserstoff an. Es wird ein Lösungsansatz mittels Ameisensäure erprobt. Ameisensäure lässt sich unkritisch transportieren und kann einfach und ohne Verluste zur Regenerierung von Wasserstoff genutzt werden. Im Bereich der Wasserstofflogistik (Produktion, Verteilung, Speicherung) besteht ein grosses Potential zur Kostenreduktion und Effizienzsteigerung. Formylsäure (Ameisensäure) ist eine interessante, bereits geprüfte Alternative zur Speicherung von reinem Wasserstoff als komprimiertes Gas (Kosten und Energieaufwand für Kompression, hohe CO2-Emissionen beim Transport in Druckgasflaschen, Logistik der Druckbehälter, Sicherheit) oder als kryogene Flüssigkeit (hoher Energieaufwand bei Verflüssigung, Abdampfverluste, Sicherheit). Formylsäure ist bei Raumtemperatur eine sichere und leicht handhabbare Flüssigkeit: Flammpunkt: 70 °C (Benzin: -30 °C). Das vorliegende Pilotprojekt soll aufzeigen, wie bei der heute bestehenden industriellen Wasserstofflogistik rund ein Drittel an CO2-Emission eingespart werden kann. Formylsäure kann künftig mit Überschussenergie aus erneuerbaren Quellen (Wind) und Extraktion von CO2 aus der Atmosphäre synthetisiert werden, um so einen komplett CO2-freien Kreislauf zu schliessen (HY-FORM 2). Hierzu wird vom Wasserstoffprogramm (F+E) eine Studie finanziert, welche die verschiedenen Wege zur Produktion von Formylsäure über erneuerbare Quellen aufzeigen soll. Mittelfrisitg hat die Technologie das Potential, als sicherer und leicht handhabbarer Wasserstoffspeicher in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt zu werden. Obwohl kein reiner Wasserstoff mitgeführt wird ('nur' 4.3 Gewichtsprozent, der Rest ist Sauer- / Kohlenstoff), ist das Systsem 'Tank+Treibstoff' ähnlich gut wie im von komprimiertem Wasserstoff, jedoch sicherer einfacher zu handhaben.
Ziel ist die Ausbildung einer Doktorandin / eines Doktoranden auf dem Gebiet der Containmentsicherheit und Verbrennungsmodellierung im Rahmen des KEK Programms. Bei schweren Störfällen in Kernkraftwerken kann es zur Freisetzung großer Mengen Wasserstoff kommen. Aufgrund der weiten Zünd- und Explosionsgrenzen von Wasserstoff- Luft Gemischen ist die Bildung von zündfähigen Gemischwolken höchst wahrscheinlich. Die numerische Modellierung der Flammenausbreitung in solchen Szenarien ist insbesondere für magere Wasserstoff-Luft Gemische höchst anspruchsvoll und bisher für deterministische Sicherheitsanalysen nicht ausreichend fortgeschritten. Bestehende Ansätze unterschätzen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Verbrennung und damit die entstehenden Drucklasten systematisch. Instabilitätsmechanismen der Flammenfront erschweren die Modellierung. Daher soll im Rahmen dieses Vorhabens eine Modellierungsstrategie erarbeitet und in ANSYS-CFX implementiert werden. Neben einer umfassenden Literaturrecherche werden Validierungsversuche durchgeführt, die durch hoch zeitaufgelöste optische Messtechniken eine Charakterisierung von Flammenfronten erlauben. Numerische Arbeiten: Nach einer umfassenden Literaturrecherche zu bestehenden Modellierungsansätzen und Brenngesetzen erfolgt eine Evaluierung der Ergebnisse. Geeignete Ansätze werden in ANSYS-CFX implementiert und mit GraVent-Versuchsanlage gewonnen Validierungsdaten verglichen. Abschließend wird die Gittersensitivität der Modellierung überprüft. Experimentelle Arbeiten: Um für die numerische Modellierung von magerer Wasserstoffverbrennung Validierungsdaten zu generieren, sollen Versuche an der GraVent-Versuchsanlage des Antragsstellers durchgeführt werden. Hierfür wird zunächst die optische Zugänglichkeit der Anlage verbessert, sodass OH PLIF Messungen in variablen Ebenen der Kanalquerrichtung erfolgen können. Diese Messungen bieten Einblick in die Dynamik von Flammenfronten in mageren Wasserstoff-Luft Gemischen.
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