Im Projekt 'SoLAR' soll demonstriert werden, wie die Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien im Rahmen eines dezentral organisierten Energiesystems auf besonders einfache, allgemein akzeptierte und wirtschaftliche Weise maximiert werden kann. Mit ca. 7000 Einwohnern, einer Einwohnerdichte von 260 Personen/km2, die dem deutschen Durchschnitt entspricht, und einer ebenso Deutschland-typischen Gebäudestruktur im Wohn- und Dienstleistungsgewerbebereich bietet sich Allensbach als Modell für die Energiewende in diesem Sektor an. Das demonstrierte System stellt dabei keine Insellösung dar, sondern ein auch allgemein im europäischen Netzverbund netzzonenübergreifend anwendbares Prinzip.
Allensbach ist eine Gemeinde am Bodensee mit 7000 Einwohnern und ehrgeizigen Klimaschutzzielen. Wegen seiner repräsentativen Bevölkerungsdichte und Gebäudestruktur kann und möchte sie ein Beispiel für eine erfolgreiche Energiewende in Deutschland sein.
Im vom Baden-Württembergischen Umwelt- und Energieministerium geförderten Demonstrationsprojekt SoLAR werden in einer Liegenschaft 22 Haushalte mit der Technologie von Easy Smart Grid ausgestattet. Lokale Stromerzeugung mit PV und einem kleinen Blockheizkraftwerk wird mit Wärmepumpen, Stromtankstellen für E-Fahrzeuge und besonders ausgestatteten Hausgeräten zusammengefasst, um die schwankende Erzeugung Erneuerbarer auszugleichen. Die Technologie von Easy Smart Grid schafft einen lokalen Energiemarkt, der einerseits maximale Nutzung lokal erzeugter Energie und andererseits geringste Speicher- und Steuerungskomplexität und damit -kosten ermöglicht. Das Stadtwerk Haßfurt unterstützt dieses Projekt als assoziierter Partner und trägt mit Fachwissen aus bisherigen Pilotprojekten und zu Entwicklungen der Energiewirtschaft bei.
Erste Simulationen lassen Einsparungen von 75 % der CO2-Emissionen der Gebäude bei Nutzung verfügbarer Technologie und ohne höhere Energiekosten erwarten. Übertragen auf die Gemeinde Allensbach können durch Ersatz herkömmlicher Brennstoffe für Heizung und Verkehr durch Strom, sowie intelligentes, dezentrales Energiemanagement, rund 80 % der benötigten Energie aus erneuerbaren Quellen lokal erzeugt und mit dem bestehenden Verteilnetz transportiert werden.
Das Gesamtziel des Vorhabens ist die verständnisgetriebene Identifikation und Charakterisierung von stabilen und aktiven edelmetallfreien Katalysatorsystemen für die Kopplung von elektrochemischer Wasserspaltung mit der direkten reduktiven Umwandlung von CO2 in einfache Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen. Es wird eine Steigerung der Stromdichte einer CO2/H2O Elektrolysezelle um 50% und eine Steigerung der Ausbeute an kohlenstoffhaltigen Produkte um 30% gegenüber einer Referenzzelle mit herkömmlichen Katalysatoren angestrebt. Es ist ein spezifisches Ziel des FUB-Vorhabens in wissensbasierten Iterationsschritten kosten- und energiegünstige Elektrodepositionsverfahren (Elektrosynthesen) zur Herstellung edelmetallfreier Katalysatorfilme (für Wasseroxidation und CO2-Reduktion) zu entwickeln, um die Energie- und Materialkosten der Katalysatorsynthese gegenüber herkömmlichen Systemen auf Edelmetallbasis um 50-80% zu verringern. Auch die Optimierung des Elektrolytsystems ist ein zentrales Ziel. Hierbei soll eine energetische Effizienz der edelmetallfreien Wasseroxidationskatalyse von über 70% erreicht werden. Im Rahmen des Verbundprojekts werden an der FUB (Freie Universität Berlin) Funktionsparameter mit Synthese- und strukturellen Parametern von mindestens 50 Katalysatormaterialien korreliert, um so grundlegende Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu erhalten, die verständnis-getriebene Syntheseiterationen ermöglichen. Weiterhin wird der gemeinsame Elektrolyt beider Halbzellen optimiert. Die Katalysatoren (eigene und die der Verbundpartner) im FUB Teilvorhaben werden mittels Röntgenspektroskopie in Messkampagnen am Berliner Elektronensynchrotron bezüglich ihrer atomaren Struktur untersucht. Elektrochemische Belastungstest und Untersuchungen zur belastungsinduzierten Strukturveränderungen in der Demonstratorzelle sind ebenfalls Teil des Arbeitsprogramms.
Automobil-Abgaskatalysatoren und Partikelfilter werden heute in sämtliche Neufahrzeuge verbaut. Ca. 90% des Katalysatorenmarktes teilen sich die Unternehmen - Johnson Matthey (London, Großbritannien), - BASF Catalysts LLC (Iselin, New Jersey, USA) und - Umicore (Brüssel, Belgien). Zum Herstellungsprozess der Auto-Katalysatoren gehört unter anderem der Beschichtungsprozess, bei dem der eigentliche Katalysator auf einen keramischen Grundkörper zunächst als wässrige Mischung ( Washcoat') aufgebracht und dann in einem aufwändigen thermischen Prozess in den endgültigen Zustand überführt wird. Die bisher eingesetzten Ofenprozesse wurden in Zusammenarbeit der Katalysatorenhersteller und der Anlagenbauer empirisch entwickelt. Maßgebliches Kriterium war hierbei nicht die Entwicklung eines für die Katalysatoren und Partikelfilter bzw. die Anlagenbetreiber energetisch optimalen Prozesses. Die Katalysatorenhersteller wählten vielmehr ein empirisches Auslegungskriterium. Für die Beströmung wurde als Bedingung eine Strömungsgeschwindigkeit von 3-17m/s im freien Querschnitt des Ofens gefordert, bei der davon ausgegangen wurde, dass die Trocknungs- und Kalzinierungsprozesse nach einem vollständigen Ofendurchlauf auch im Inneren der Wabenkörper vollständig abgeschlossen sind. Ein deutlich zu hoher Energieverbrauch sowie zu große Anlagen wurden indirekt in Kauf genommen. Das Gesamtziel des beantragten Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer für die Wärmebehandlung von Autoabgaskatalysatoren und Dieselpartikelfiltern (siehe auch Bild 3) optimalen Prozesstechnik, mit deren Hilfe es möglich werden soll, bei sehr guter Produktqualität - einen optimal an die Wabenkörper angepassten und sicheren Prozess mit niedrigen Ausschussraten bereitzustellen, - die Durchsatzleistung der Öfen durch auf die jeweiligen Produkte maßgeschneiderte, optimale Aufheizraten an den Wabenkörpern gegenüber herkömmlichen Anlagen deutlich anzuheben, - Ofenstraßen bei gleichbleibender Durchsatzleistung sehr kurz zu bauen und auf diesem Weg niedrige Investitions- sowie Energiekosten zu realisieren - bestehende Altanlagen technologisch so nachzurüsten, dass auch hier die Durchsatzleistung deutlich angehoben bzw. Energie eingespart werden kann. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung einer neuen, auf die Produkte maßgeschneiderten Beströmungstechnik, die - die hohen Bypassvolumenströme den Durchsätzen in den Wabenkörpern angleicht, - innerhalb der Wabenkörper gleichmäßige, thermisch optimale Bedingungen schafft und dadurch - im Vergleich zu konventionellen Anlagen kurze Prozesszeiten bzw. hohe Durchsätze ermöglicht. (Text gekürzt)
Nach Schätzungen unterschiedlicher Energieagenturen und Institutionen gehen heutzutage weltweit mehr als 50 % des für die technische Nutzung gewandelten Energieaufkommens in Form von Abwärme verloren. Die anfallende Abwärme liegt dabei insbesondere im Niedertemperaturbereich und damit als ungenutzte thermische Energie vor. Das Projekt PyroConvert hat das Ziel, diese Abwärme nutzbar zu machen. Im Fokus der Arbeiten stehen die wissenschaftliche Untersuchung, Entwicklung und technische Erprobung innovativer Ansätze zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme für Energie- und Stoffwandlungsprozesse durch Anwendung neuartiger pyroelektrischer Funktionsmaterialien. Für herkömmliche technische Anlagen liegt thermische Energie des Niedertemperaturbereichs im nicht mehr arbeitsfähigen Zustand vor. Sie geht daher selbst bei modernen Prozessen in großen Mengen verloren. Mit dem Einsatz von pyroelektrischen Funktionsmaterialien werden mit dem Projekt PyroConvert völlig neue Ansätze der Nutzung von Niedertemperaturabwärme erforscht. Pyroelektrika treten in einer breiten Vielfalt auf, sodass ihnen ein großes Potenzial für Energie- und Stoffwandlungsprozesse zugewiesen werden kann. Neben dem direkten Anwendungsbezug laufen zahlreiche Untersuchungen, die sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette von pyroelektrischen Funktionsmaterialien einordnen lassen. Folgende weitere Ziele leiten sich daraus ab: - Etablierung und Aufbau einer Technologieplattform, - Untersuchung, Synthese und Charakterisierung von pyroelektrischen Funktionsmaterialien, - Ausarbeitung und Erprobung innovativer Verfahren zur Nutzbarmachung von Niedertemperaturabwärme, - Konsequenter Ausbau der Forschung und Entwicklung in den betreffenden Themenfeldern, - Überführung der entwickelten Konzepte in die Industrie, - Förderung von Qualifizierung und Weiterbildung.
Aktuell verursacht der Straßenverkehr etwa 20Prozent der gesamten CO2 Emissionen der Europäischen Union, rund zwei Drittel stammen dabei von PKWs. Gerade in diesem Bereich ist aufgrund des geringen Gesamtwirkungsgrades konventioneller PKWs (etwa 18Prozent für den Neuen Europäischen Fahrzyklus) eine deutliche Reduktion der Emissionen möglich. Ansätze dafür sind eine Hybridisierung von Fahrzeugen, womit theoretisch der optimale Wirkungsgrad aktueller Verbrennungskraftmaschinen erreicht werden kann (etwa 55Prozent Emissionsreduktion), und der Einsatz von Elektrofahrzeugen, die im Betrieb vollkommen emissionsfrei sind. Verglichen mit konventionellen Fahrzeugen sind aktuell verfügbare Hybrid- und Elektroautos jedoch nicht konkurrenzfähig, primär da die verwendeten elektrochemischen Energiespeicher (Batterie, Supercap) die Anforderungen in Bezug auf Leistungs- und Energiedichte, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Preis nicht erfüllen. Beispielsweise sind ca. 75 kg an Lithium-Ionen Zellen notwendig, um dieselbe Energie zur Verfügung zu stellen, die in einem Liter Dieselkraftstoff enthalten ist. Trotz intensiver Forschungsaktivitäten ist es nach aktuellem Wissensstand nicht möglich, eine Batterie zu entwickeln, die alle gestellten Aufgaben erfüllen kann. Erst durch die Aufteilung in einen Energie- und einen Leistungsspeicher ist es möglich, ein konkurrenzfähiges Elektrofahrzeug zu entwickeln. Der Energiespeicher ist hierbei eine auf möglichst hohe Energiedichte optimierte Batterie, für den Leistungsspeicher bietet ein mechanisches Schwungrad die besten Eigenschaften. Bei einem Hybridfahrzeug wird nur dieser Leistungsspeicher benötigt, da der Großteil der Antriebsenergie entweder durch eine Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Auch aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht sind Schwungradspeicher zielführend, da sie ohne hohen Aufwand recyclebar sind. Zusätzlich enthalten sie lediglich Werkstoffe, die auch für eine Massenfertigung ausreichend verfügbar sind. Im Rahmen des Projekts werden Realisierungskonzepte von Schlüsselkomponenten von Schwungradspeichern für den Einsatz im Individualverkehr erstellt. Geprüft werden speziell die Möglichkeiten der Lagerung zur Erfüllung der Lebensdauer unter den geforderten Randbedingungen, sowie die technischen Rahmenbedingungen (Wirkungsgrad, Leistung, Energieinhalt). Das Projekt umfasst demnach folgende Forschungsschwerpunkte: - Erfassung (Simulation, Messung) der elektrischen und mechanischen Belastungsprofile für Schwungradspeicher als hochdynamischer Energiespeicher im praktischen Einsatz eines Individualfahrzeugs. - Design und Optimierung des Lagers und der elektrischen Maschine des Flywheel-Systems unter Berücksichtigung der ermittelten Belastungsprofile. Verhalten im Falle eines technischen Defekts bzw. Unfalls.