Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. Im beantragten Teilvorhaben soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Univ. Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.
Im Water JPI StARE werden u.a. Auswirkungen von Abwasserbehandlungen auf Microbiome und Resistome untersucht. Das beschriebene Vorhaben ist das Teilprojekt 2 im WP 4: Ziel ist die Simulation von Konzentration und Ausbreitung ausgewählter chemischer Inhaltsstoffe und physikalischer Parameter (z.B. O2, Phosphat, pH, BSB, CSB) sowie mikrobiologischer Organismengruppen (antibiotikaresistente Bakterien) von Kläranlagenausläufen im Vorfluter mittels eines hydrodynamischen 1D/2D-Modells. Zur Anwendung kommt das Hydrodynamische Wellenablaufmodell HDWAM, mit dem instationäre 1D/2D-Simulationen für das Hauptbett und für die Vorländer gerechnet werden. Für die spezielle Fragestellung erfolgen entsprechende Programmanpassungen für das HDWAM, mit denen Änderungen der Partikel- bzw. Parameterkonzentration für definierte Ausgabepunkte entlang des Modellgewässers simuliert werden können. Weiter können instationäre Simulationsläufe für verschiedene Abflusssituationen wie Hochwasser definierter Jährlichkeiten, Hochwasser infolge Starkregen sowie Mittel- und Niedrigwasserzustände erfolgen. Die Simulationsergebnisse sollen, soweit möglich, anhand von chemisch/physikalischen Proben entlang der Simulationsstrecke sowie von entsprechenden Proben zur Bakterienkonzentration im Fließgewässer verifiziert werden.
Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung einer instationären Methode, welche mit Hilfe bildgebender Systeme die Ermittlung der Haftungseigenschaften keramischer Wärmedämmschichten (englisch: Thermal Barrier Coatings, TBCs) für den Einsatz in Kraftwerksturbinen ermöglicht. Dazu werden am ZAE Bayern die Zusammenhänge zwischen der Haftung bzw. Delamination von Schichten und der Temperatur- bzw. Reflexionsgradänderung untersucht und qualitativ erfasst. Die zu entwickelnde Methode kann sowohl bei der Schichtherstellung als auch während des Betriebs der Turbinen eingesetzt werden. Durch eine Verbesserung der Schichteigenschaften können höhere Betriebstemperaturen gefahren werden, was den Wirkungsgrad der Turbine und damit deren Energieeffizienz erhöht. Die zerstörungsfreie Überwachung der Schichten reduziert außerdem die Anzahl der Wartungsintervalle in denen die Turbine stillsteht und die Schaufeln evtl. ausgetauscht werden müssen, wodurch auch die Ressourcen- und Kosteneffizienz erhöht wird. Die Arbeiten des ZAE Bayern umfassen im Wesentlichen die spektrale Charakterisierung der optischen und infrarot-optischen Eigenschaften von TBCs, um die Kamerasysteme auf die verschiedenen Spektralbereiche anzupassen, die experimentelle Bestimmung von Heizparametern zur Induzierung einer Temperaturvariation, die theoretische Modellierung des Zusammenhangs von Haftungs-, Temperatur- und Reflexionsgradänderungen, sowie die Charakterisierung von Schichtsystemen mit dem im Vorhaben entwickelten Messverfahren. Die Aktivitäten des ZAE Bayern ergänzen dabei die der FHWS synergetisch. Während der Schwerpunkt der FHWS auf zweidimensional messenden Kamerasystemen liegt, wird das ZAE Bayern punktuelle, spektral-auflösende Verfahren zur umfassenden Charakterisierung der keramischen Wärmedämmschichten einsetzen. Darüber hinaus werden am ZAE Bayern Messungen zur Erfassung der Delamination von Schichten an den von Rauschert präparierten Proben durchgeführt.
Die Wärmeabfuhr aus Lagerbecken von Brennelementen kann mit Hilfe von Wärmerohren von einer aktiven auf eine passive Kühlung umgestellt werden. Zur Bewertung der Machbarkeit dieser Umstellung fehlen jedoch zum einen numerische Simulationsmodelle, zum anderen Validierungsdaten von Wärmerohren mit anwendungsbezogenen Rohrlängen (mehr als 10 m). Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Validierung von Rechenprogrammen zur Auslegung und Begutachtung der passiven Nachwärmeabfuhr aus Brennelementlagerbecken und Nasslagern mit Wärmerohren. Hierzu werden die Reaktorsicherheitscodes RELAP und ATHLET anhand von in diesem Vorhabenrahmen am IKE Universität Stuttgart durchzuführenden Experimenten modelltechnisch erweitert und validiert, sodass diese die passive, wärmerohrgestützte Abfuhr der Nachwärme aus Lagerbecken simulieren können. Das Vorhaben, das in Kooperation mit der GRS durchgeführt wird, ist in vier Arbeitspakete (AP) aufgeteilt: Im AP1 werden vom IKE Spezifikationen eines generisches Nasslagers für Brennelemente erstellt. Im AP2 werden am IKE auf Basis der o.g. Spezifikationen Wärmerohrexperimente durchgeführt. Es werden max. 50 Wärmerohre gebaut, die in einem Laborversuchsstand getestet werden. Bei den stationären und instationären Experimenten werden Druck, Temperatur und Wärmeleistung gemessen, weiterhin die Leistungsgrenzen für Wärmerohre experimentell ermittelt. Da die Wärmeabfuhr auf der Luftseite die gesamte, aus dem Lagerbecken abgeführte Wärme limitiert, wird ein 'Dachversuchsstand' errichtet und ausgesuchte Wärmerohre in diesem Versuchsstand über 1 Jahr lang getestet. Die Daten werden den Codeentwicklern zur Validierung zur Verfügung gestellt. Im AP3 wird vom IKE ein parametrisches Wärmerohrmodell für RELAP entwickelt und die Implementierung überprüft. Es ist beabsichtigt, die Arbeiten im AP1 und 3 im Rahmen eines Unterauftrags bearbeiten zu lassen. Die IKE-Arbeiten werden in AP4 dokumentiert.
Der übergeordnete Verbund verfolgt das Ziel, die Vorhersage der kritischen Wärmestromdichte mit CFD-Methoden zu verbessern. In diesem Zusammenhang besteht das erste Ziel des Vorhabens in der Aufklärung der Relevanz instationärer Effekte für das Auftreten der Siedekrise und ggfls. deren Modellierung in einer für stationäre CFD-Berechnungen kompatiblen Weise. Das zweite Teilziel ist, die bisher üblichen, das Berechnungsergebnis präjudizierten Annahmen durch besser fundierte Vorstellungen zu ersetzen. Im experimentellen Teil des Arbeitsprogramms ist eine bestehende Versuchsanlage auf die neuen Fragestellungen anzupassen und zu erweitern. In der ersten Phase ist das Verhalten der Dampfphase sowie die Geschwindigkeitsfelder im quadratischen Kanal mit wandbündigem Heizer sind zu erfassen und zu analysieren. Danach wird das Verhalten der Dampfphase im Kanal mit Einzelstab untersucht und es werden für die Konfiguration die kritischen Wärmestromdichten gemessen. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit der Untersuchung der Instabilität der Phasengrenzfläche. Danach wird das Modell zuerst um Verdampfung und Kondensation und dann um den variablem Dampfgehalt erweitert, um schließlich die periodischen Strukturen in der Nähe der Siedekriese auch numerisch zu studieren. Im Verbund soll ein mechanistisches Siedemodells entwickelt werden, das auf der Basis der experimentell und numerisch gewonnenen Erkenntnisse im Verlauf des Vorhabens verbessert wird.