Eine Brennstoffzelle als Primärenergiequelle mit einem Doppelschichtkondensator (Supercap) als Zwischenspeicher zu kombinieren ist ein vielversprechender Ansatz für zukünftige Elektrofahrzeuge. In Kooperation mit einem Fahrzeughersteller wurden verschiedene Strategien für ein Energiemanagement für die Kombination einer Brennstoffzelle mit einem Doppelschichtkondensatormodul entworfen und verglichen. Basierend auf der aktuellen Geschwindigkeit und Beschleunigung werden verschiedene Fahrzeugzustände bezüglich kinetischer Energie und Leistungsbedarf unterschieden. In Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung von Supercaps und Brennstoffzelle wird eine optimale Leistungsaufteilung zwischen den beiden Energiequellen ermittelt. In Bremsphasen wird durch Rekuperation Energie zurückgewonnen und in den Supercaps gespeichert. Wenn die Supercaps vollgeladen sind oder ihre maximale Ladeleistung erreicht haben, übernehmen mechanische Bremsen die übrige Ladeleistung. Da diese Situation zu einem Energieverlust führt, sollte sie möglichst vermieden werden. Um immer die notwendige Beschleunigungsleistung und gleichzeitig auch ein Maximum an Rekuperation zu garantieren, wird der Ladezustand der Supercaps kontinuierlich und dynamisch an die kinetische Energie des Fahrzeugs angepasst. Verschiedene Strategien wurden in Matlab/Simulink mit einem Stateflow-Chart zur Abbildung der Zustände implementiert. Die verfügbare Supercapleistung wird mit Hilfe eines impedanzbasierten Modells für Supercaps berechnet. Mit diesen Strategiemodellen können die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Strategien verglichen und die Einflüsse von Parametern untersucht werden. Ziel eines Energiemanagements ist es, den Wasserstoffverbrauch zu minimieren und die notwendige Leistung zu jeder Zeit sicherzustellen. Bei der Bewertung der Strategien wird der Wasserstoffverbrauch, die verlorene Bremsenergie und eine mögliche Geschwindigkeitsreduzierung verglichen. Mit einer optimalen Strategie können bis zu 23 Prozent Wasserstoff während eines definierten Fahrprofils gespart werden.
Beim Projekt ReTrans handelt es sich um eine Durchführbarkeitsstudie zur Reduktion von Leistungstransiten im Verteilnetz mit einem PMU-Monitoring-System für eine optimale und verbesserte Integration von erneuerbaren Energien im Verteilnetz. Hierfür soll ein PMU-Monitoring-System entwickelt und im Netz zur Beobachtung der Leistungstransite umgesetzt werden. Zur Identifizierung und Bewertung der Leistungstransite soll dieses System mit einem Netzmodell sowie der Leitwarte eines Netzbetreibers gekoppelt werden. Darauf aufbauend werden mit geeigneten Gegenmaßnahmen die Leistungstransite reduziert und mit einer Optimierung des Blindleistungspotenzials im Netz die Übertragungsverluste verringert. Ausgehend hiervon soll ein Konzept zur Vorhersage der Leistungstransite und deren Reduktion im vorausschauenden Netzbetrieb entwickelt werden. Abschließend werden die notwendigen Modellierungsschritte in einem Leitfaden als Hilfestellung für die Umsetzung des Konzepts zusammengefasst.
Anlass und Hintergrund:
Wasserkraft ist eine regenerative Energiequelle, die in vorindustrieller Zeit direkt zum Antrieb von Anlagen wie Maschinen und Pumpen genutzt wurde, heute jedoch fast ausschließlich in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Sind die Ausbaupotenziale der Wasserkraftnutzung auch insbesondere unter Berücksichtigung der EU-Wasserrahmenrichtlinie gering, so bestehen jedoch ein großer Modernisierungsbedarf von teilweise bis zu hundert Jahre alten Anlagen sowie ein großes Reaktivierungspotenzial. Viele bestehende kleinere Staustufen sind nicht oder nicht mehr mit Anlagen zur Wasserkraftnutzung versehen, jedoch ein Rückbau wegen des erforderlichen Erhalts der eingestellten Grundwasserstände nicht in Betracht gezogen wird. An vielen dieser Standorte ist eine Reaktivierung der Wasserkraftnutzung mit moderner und fischfreundlicher Technik grundsätzlich möglich.
Neben der Nutzung der Wasserkraft zur Stromerzeugung kann auch die thermische Energie von Oberflächengewässer genutzt werden. Bisher ist diese Art der energetischen Nutzung jedoch nur gering verbreitet, wobei in der Regel das zu nutzende Wasser aus dem Gewässer entnommen, dem Wärmetauscher zugeführt und dann wieder in das Gewässer rückgeführt wird. Möglich ist auch eine direkte Nutzung durch Einbringen des Wärmetauschers in das Gewässer und dessen Befestigung am Ufer, an der Sohle oder an strömungsfesten Einbauten (z.B. Fischrechen), für die mit dem maxloidlverfahren eine Technologie mit Patentschutz vorliegt. Das Wärmetauschermedium wird in diesem Fall mit Hilfe einer angeschlossenen Umwälzpumpe über Rohrleitungen dem Wärmepumpenkreislauf zugeführt. Der vor Ort durch Wasserkraft erzeugte Strom kann dann hierbei ohne die üblichen Leitungsverluste des überregionalen Leitungsnetzes zum Betrieb der Wärmepumpe verwendet werden. Durch eine synergetische Nutzung der Wasserkraft und der thermischen Energie des Oberflächenwassers kann ein höherer Wirkungsgrad der energetischen Nutzung erzielt werden. Zudem kann eine ggf. vorhandene erhöhte Wärmelast des Gewässers durch die thermische Nutzung verringert werden.
Zielstellung:
Im Kooperationsprojekt SynTHERM sollen Prototypen eines sogenannten Thermorechens zur Nutzung der thermischen Energie von Oberflächengewässern in Kombination mit Anlagen- oder Fischschutzrechen an Klein- oder Großwasserkraftanlagen entwickelt werden. Die Prototypen sollen hinsichtlich Materialwahl, Konstruktion, Funktion, Design und Fertigung die Grundlage für eine nachfolgende Serienproduktion bilden. Zur Entwicklung und Konstruktion konnten in diesem Zusammenhang die Industriepartner SEAB GmbH und Tegelbeckers GmbH sowie der externe Berater Max Loidl gewonnen werden.
Im Anschluss an das Kooperationsprojekt SynTHERM sollen die entwickelten Thermorechen schließlich durch den TÜV für ihren Einsatzbereich zertifiziert werden.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:
Windenergie spielt in Deutschland eine große Rolle in der erneuerbaren Stromerzeugung und damit auch bei der Erreichung der Klimaziele. Im Jahr 2017 geht laut dem Umweltbundesamt 48,9 % der Stromerzeugung zurück auf erneuerbare Energien aus der Windenergie entsprechend einer Energieerzeugung von 106,6 Mrd. kWh. Die meisten Windturbinen stehen im Flachland oder in Küstenregionen. Aber auch in den hügeligen oder gar bergigen und vielerorts bewaldeten Gebieten wird die Windkraft zunehmend ein Thema. Die lokale Erzeugung von Strom reduziert Übertragungsverluste und den Aufwand, die Infrastruktur für die Stromerzeugung aufzubauen. Auch kann durch eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Anlagen auf alle geeigneten Standorte in Deutschland, eine Anhäufung von Windkraftanlagen vermieden und so die Akzeptanz bei den Bürgern erhalten werden. Dies gilt ebenso für den Ausbau von Stromtrassen für den Transport des Stroms von Nord nach Süd. Außerdem kann die Windenergienutzung in unterschiedlichen Regionen Deutschlands zu einem Lastausgleich durch sich regional unterscheidende Wetterlagen beitragen. Generell muss das Ziel sein, mit möglichst wenigen Windkraftanlagen und Übertragungsinfrastruktur die Stromversorgung sicherzustellen, um so den Natur- und Ressourcenverbrauch zu minimieren. Allerdings gestaltet sich die Suche nach geeigneten Standorten mit einem ausreichenden Windpotenzial und einem akzeptablen Turbulenzgrad bedingt durch die Orographie und Topographie Süddeutschlands (komplexes Gelände) sehr viel schwieriger als im Flachland. Windatlanten können hier nur einen ersten Anhaltspunkt liefern. In vielen Fällen ist jedoch ihre räumliche Auflösung viel zu gering. Meteorologische Messdaten sind sehr selten an potenziellen Windkraftstandorten verfügbar. Die Interpolation der Windsituation aus umliegenden Messstationen kann zu schlechten Korrelationen oder sogar irreführenden Informationen führen. Messungen mit meteorologischen Messmasten sind sehr teuer und in der Höhe begrenzt. Dabei ist es häufig nicht möglich, das gemessene Strömungsfeld in komplexem Gelände über der Höhe zu interpolieren, weil die atmosphärische Grenzschicht dort nicht vollständig ausgebildet ist. Ein innovativer Ansatz zur Lösung der Problematik ist die Verwendung von Simulationsmethoden zur Vorhersage des Windpotenzials. Diese Verfahren werden durch die stetig wachsenden Leistungen der Computer und die Verfügbarkeit von hochgenauen digitalen Höhen- und Landschaftsmodellen immer interessanter. Es gibt diesbezüglich ganz unterschiedliche physikalische Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Detaillierungsgraden. Schwierigkeiten bereitet hier sehr häufig jedoch die Auswahl der geeigneten Modelle für die gegebenen Randbedingungen am zu untersuchenden Standort in Verbindung mit der dezidierten Fragestellung für die Projektierung der Windkraftanlagen. Grund ist eine fehlende Kosten-Nutzen-Analyse für die verfügbaren Modelle mit entsprechender Bewertung der Modellgenauigkeit. Ziel des Projekts ist deshalb, die Entwicklung eines für die Industrie geeigneten Prozesses mit dem allgemeingültig, schnell und objektiv Modelle zur Simulation der Windströmung an potenziellen Standorten von Windkraftanlagen ausgewählt werden können. Es soll dabei erreicht werden, ein Optimum aus Genauigkeit der Ergebnisse in Verbindung mit dem geringsten Berechnungsaufwand zu finden. Der Fokus liegt hierbei auf der Betrachtung von komplexem Gelände also auf hügeligen oder bergigen Windkraftstandorten mit heterogener Topographie durch verschiedene Landschaftsnutzung.