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Windschutzstreifen zur Leistungssteigerung von Windenergieanlagen im komplexen Terrain, Teilvorhaben: Entwicklung und Einsatz drohnengestützter Messtechnik für die Vermessung der Windcharakteristiken von Windenergieanlagen und Windschutzstreifen

Der Ausbau der Windenergie im Binnenland ist entscheidend, um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen. Die Windgeschwindigkeiten sind im Vergleich zu Standorten auf See geringer und die Anströmung komplexer. Das Forschungsvorhaben WINDbreaks soll dabei helfen die Volllaststunden der Windenergieanlagen im komplexen Terrain zu erhöhen. Hierfür sind messtechnische und numerische Untersuchungen an Windenergieanlagen (WEA) und an Baumreihen, die als Windschutzstreifen (WSS) dienen, geplant. Die Überströmung der WSS führt zu einer Beschleunigung der Windgeschwindigkeit und diese geht pro-portional zur dritten Potenz in den Leistungsertrag von WEA ein. Ein zusätzlich positiver Nebeneffekt ist das flachere Geschwindigkeitsprofil in Höhe der Rotorblätter, welches eine gleichmäßigere Verteilung der angreifenden Kräfte zur Folge hat. Im Teilprojekt erfolgen die Entwicklung der Drohnen-Windmesstechnik und deren umfangreicher Einsatz zur Generierung von Messdaten für die CFD-Analysen des Projektpartners Hochschule Ansbach (HSA). Der assoziierte Projektpartner N-ERGIE stellt die Messorte zur Verfügung. Es wird eine synchrone Steuerung von einer optimierten Windmess-Drohne und einer neu aufgebauten Windmess-Drohne entwickelt und für Messflüge eingesetzt. Zur markanten Verlängerung der Flugzeiten der Drohnen erfolgt die Entwicklung einer drahtgestützten Energieversorgung der Drohnen. Das mit zwei Referenz-Bodenstationen ergänzte Messsystem wird an WEA und WSS bei verschiedensten lokalen und meteorologischen Randbedingungen eingesetzt.

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojekt SMS: Auslegung, Konstruktion, additive Fertigung und numerische Untersuchung des NH3-Oxy-Fuel-Brennersystems

Der Klimawandel ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wobei die durch die Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Treibhausgas(THG)-Emissionen, insbesondere CO2, einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Wasserstoff wird importiert werden müssen, um die benötigten Energiemengen für die Industrie in Deutschland bereitzustellen. Grünes NH3 kann als CO2-freier Brennstoff neben H2 eine bedeutende Rolle spielen. Bezogen auf Transportvolumina hat H2 einen geringeren spezifischen Heizwert als NH3: NH3 lässt sich dagegen bereits bei -33 °C unter Normdruck verflüssigen, was den Transport erheblich vereinfacht. Bewährte Transport- und Speicheroptionen für NH3 sind vorhanden. Bei der NH3-Verbrennung ist jedoch mit hohen NOX-Emissionen zu rechnen, zudem neigen NH3-Flammen zur Instabilität. Mit Hilfe von reaktionskinetischen Untersuchungen, CFD-Simulationen und experimentellen Untersuchungen im semi-industriellen Maßstab sollen typische Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung mit dem Brennstoff NH3 erprobt und in ein zu entwickelndes Oxy-Fuel-Brennersystem integriert werden. Durch die Oxy-Fuel-Verbrennung soll die feuerungstechnische Effizienz erhöht sowie die Stabilisierung der NH3-Verbrennung erreicht werden. Das zu entwickelnde Brennersystem soll im Anschluss an die Entwicklungsarbeiten in einem industriellen Wärmebehandlungsofen mit Ammoniak im realen Betrieb getestet werden.

Entwicklung von energieeffizienten Koaleszenzfiltermedien für CO2-Einsparung bei der Verdichtung von Wasserstoff mittels eines neuartigen Herstellprozesses, Teilvorhaben: Numerische Modellierung und Simulation von Filtersystemen basierend auf Machine Learning und CFD-Methoden

Der zukünftig erhöhte Wasserstoffbedarf rückt den Transport über Pipelines in den Vordergrund. Durch lange Transportwege muss dieser regelmäßig auf seinen Ausgangsdruck verdichtet werden. Zur Komprimierung sind entsprechende Kompressoren notwendig, welche mit Koaleszenzfiltern ausgestattet werden müssen, um die Reinheit des Wasserstoffs beim Transport zu gewährleisten. Das Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung und Realisierung einer neuartigen Technologie zur Fertigung von Koaleszenzfiltermedien, welche mittels Schaumauftragsverfahren hergestellt werden. Ein gezieltes Design der Filtermedien ermöglicht eine Verringerung des Druckverlustes und somit ein enormes CO2-Einsparpotential. Um das CO2-Einsparpotential unter realen Bedingungen zu ermitteln, wird für Testzwecke ein Wasserstoffteststand aufgebaut. Parallel zu den Experimenten werden numerische Untersuchungen, die zu einem auf klassischen CFD-Verfahren basieren, als auch auf Machine-Learning basierten Ansätzen beruhen. Durch geeignete Co-Simulationen können Modelle für unterschiedliche Skalen berechnet werden. Die validierten Modelle werden für die Optimierung komplexer Filterstrukturen eingesetzt und erlauben eine Effizienz-Steigerung der Filtermedien.

Lösungsansätze zur Vermeidung von Kabelschäden im Nahbereich von Offshore-Gründungsstrukturen unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Boden Interaktion, Teilvorhaben: Untersuchung der Entstehung und Maßnahmen zur Vermeidung von Kabelschäden mit Fokus auf die Strukturantwort

In letzter Zeit ist es bei Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) vermehrt zu beginnenden Auskolkungen im Bereich des Seekabelanschlusses gekommen. Zudem waren bei einem Teil der Anlagen deutliche Abriebspuren an der Kabelummantelung zu sehen. Zum Zeitpunkt der Antragstellung ist daher zu vermuten, dass bei bestimmten Umgebungsbedingungen eine dynamische Wechselwirkung zwischen der Gründungsstruktur, dem Kabel und dem Seeboden dazu führt, dass eine Bewegung des Kabels angeregt wird und die Schutzummantelung durch Reibung am Bodenkontakt beschädigt wird. Ohne Maßnahmen zur Reduzierung der Kabelbewegung würde auf Dauer nicht nur der Kabelschutz, sondern auch das Kabel versagen. Bisher begegnen die Betreiber von OWEA diesem Problem, indem sie die Folgen und nicht die Ursachen behandeln: Bei Beobachtung einer beginnenden Kabelauskolkung wird meist eine Kolkschutzmatte oder eine zweite Steinschüttung als Lagesicherung aufgebracht. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht nur ökologisch bedenklich und unwirtschaftlich, sondern birgt u.a. das Risiko, dass das Kabel bei einer zweiten Schüttung beschädigt wird. In dem Gesamtvorhaben CableProtect sollen daher zunächst die Ursachen, die zur Anregung der Kabelbewegung führen, numerisch und experimentell untersucht und die wesentlichen Einflussparameter identifiziert werden. Um die Interaktion zwischen der Fluid-, Struktur- und Bodenmechanik erfassen zu können, werden dafür bewährte numerische Methoden (CFD/FEM/DEM) der einzelnen Fachgebiete verwendet, durch eine Schnittstelle gekoppelt und experimentell validiert. Anschließend werden mit dem numerischen Modell verschiedene Maßnahmen zur Verhinderung der Kabelanregung untersucht und Empfehlungen in Form eines technischen Merkblattes gegeben. Die ESOS Wind GmbH wird sich mit dem Teilvorhaben aufgrund ihrer praktischen Erfahrungen insbesondere an der Zustandsanalyse (AP1), den numerischen Untersuchungen (AP3) und der Entwicklung von Lösungsansätzen (AP4) des Vorhabens beteiligen.

Kollisionsgeschweißte Hybrid-Leichtbaustrukturen

Numerische Modellierung zur Grundwasserbilanzierung in ausgewaehlten Stadtteilen Berlins mit Hilfe moderner geostatistischer Verfahren

In dem Projekt soll ein neuer wissenschaftlicher Ansatz zur Klaerung des raum-zeitlichen Zusammenhangs zwischen den Grundwasserspiegel-Schwankungen in Berlin und der natuerlichen Grundwasserneubildung durch versickernde Niederschlagswaesser getestet werden, der ueber bisher angewandte Methoden hinausgeht. Es wird der Einfluss der Deckschichten-Geologie, des Flurabstandes, der Vegetation und des Grades der Versiegelung auf die Grundwasserneubildung an hinsichtlich dieser Parameter unterschiedlichen Testgebieten im Sueden Berlins untersucht. Dabei soll eine numerische Modellierung anhand von regionalisierten Eingabeparametern vorgenommen werden, die sowohl vorliegende punktbezogene Daten in verschiedene, in sich homogene Flaechen zusammenfasst, als auch auf die ungesaettigte Bodenzone beschraenkte Bodenwasserhaushaltsmodelle mit dem dreidimensionalen Grundwasserkoerper in Zusammenhang bringt. Dies ermoeglicht neben einer qualitativen Beurteilung der beteiligten Einflussgroessen auch eine Quantifizierung von lateralen und vertikalen Wasserfluessen sowie von Grundwasserentnahmen und -einspeisungen, was einer Wasserhaushaltsbilanzierung zugute kommt.

Teilprojekt BODEN: Wasser und Stofftransport heterogener urbaner Standorte

Ziel ist die Erfassung des Wasserhaushalts und der Stoffdynamik heterogener urbaner Standorte. Kernpunkt ist dabei die Kombination mit den geophysikalischen Messungen zur räumlichen Flächenvariabilität und Wasserhaushalt in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt GEO. Feldversuche mit Tracern und Infiltrationsexperimente sind zur inversen Bestimmung von Transportparametern sowie zur Dektierung von hydrophilen und -phoben Bodenbereichen geplant. Laborexperimente dienen zur Bestimmung der räumlichen Verteilung der hydraulischen Funktionen, der Desorptionscharakteristiken sowie der wassergehalts- und temperaturabhängigen CO2-Freisetzung. Die Experimente werden vertieft mit bodenchemischen und biologischen Detailuntersuchungen der anderen Teilprojekte. In der ersten Projektphase steht die bodenphysikalische und -chemische Standortcharakterisierung, der Aufbau und die Betreuung von Meßfeldern. Die Versuche werden auf drei Standorten durchgeführt: Einem Transekt von einer stark befahrenen Straße in eine Parkfläche, einer teilversiegelten Fläche sowie einer ehemaligen Rieselfeldfläche. Zusammen mit den Laboruntersuchungen stehen Grundlagenprozesse zum bodenphysikalischen Verhalten (ungesättigte Wasserleitfähigkeit, Hydrophobizität) und zu den -chemischen Eigenschaften (Sorption-Desorption, CO2-Freisetzung) im Mittelpunkt. Darauf aufbauend sollen in der nächsten Projektphase numerische Modelle weiterentwickelt werden, um in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung das langfristige Verhalten des Wasser- und der Stoffhaushalts für unterschiedliche urbane Standortbedingungen zu berechnen.

BBS: Developing methods to simulate biome boundary shifts

Frame: The project is part of the GLP (Global land project) fast track action (http://bbs2008.wikidot.com) Decreasing uncertainty in predicting biome boundary shifts which aims at improving the simulation of biome boundary shifts at large spatial scales, working group Migration . The long-term goal is to improve existing vegetation models or to develop new models that are reliable and robust and can be included in Earth System models for studying biosphere-atmosphere feedbacks. Rationale: Because of the nature of terrestrial plant population and community dynamics and dispersal, and the pace of climate change, predicting the future distribution of plant species is challenging. Many coupled GCM's assume simply that the boundaries between major terrestrial biomes are either static, or adjusted non-mechanistically to follow the change of climate without time lags. In some DGVM's, a non-mechanistic treatment of biome boundaries is employed with assumed delays. Recent model simulations with both explicit seed dispersal and population and community dynamics suggest that range shifts of forest biomes will be both complex and extremely delayed (several millennia delay for centennial warming). Research topics: the effect of plant population processes and dispersal on migration, the effect of spatial heterogeneity (e.g. fragmentation or barriers) on dispersal and migration, methods to incorporate these effects into large scale models like such as DGVM's, the lags due to species migration and their effects on feedbacks to the earth system. Methods: Starting from the forest landscape model TreeMig which describes tree species migration by explicitly simulating seed dispersal on a grid of 1km wide cells, we develop numerical approaches to describe migration across heterogenous grid cells. These approaches are either aggregated models of within-cell migration speed, e.g. derived from meta-modelling, or simulating spread in a subset of smaller cells within each grid cell and then extrapolating to the larger cell. We test our methods with simulations on south-north transects in Siberia and assess the effect of species migration on the feedbacks to the earth system.

Vergleichende analytische und numerische Berechnungen der Deckwerk-Versagensmechanismen gegen oberflächennahes Abgleiten

Die Standsicherheit einer Böschung ist gegen oberflächennahes Abgleiten zu untersuchen. Ergebnisse analytischer Ansätze sollen mit denen numerischer Berechnungen verglichen werden, um evtl. Verbesserungspotenziale der Ansätze zu identifizieren. Dazu werden die Programme Plaxis und OpenFOAM genutzt. Aufgabenstellung und Ziel Untersuchungen zur Deckwerksstabilität sind bereits seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse wurden in empirische bzw. analytische Ansätze zur Bemessung von Deckwerken überführt. Diese wurden für die Wasserstraßen in Deutschland in das BAW-Merkblatt „Grundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlsicherungen an Binnenwasserstraßen (GBB)“ (BAW 2011) aufgenommen. Als geotechnische Versagensmechanismen sind neben dem globalen Böschungsversagen auch die lokale Standsicherheit der Böschung gegen oberflächennahes Abgleiten und die hydrodynamische Bodenverlagerung zu untersuchen. DerNachweis gegen oberflächennahes Abgleiten basiert auf der Betrachtung des Kräftegleichgewichts an einer böschungsparallelen Gleitfuge. Diese analytische Betrachtung soll mit numerischen Berechnungen verglichen werden, um mögliche Verbesserungspotenziale der Ansätze zu identifizieren. Das Titelbild zeigt ein typisches Versagen durch böschungsparalleles Abgleiten. Parallel zu den Untersuchungen mit dem Programm Plaxis 2D soll eine vergleichende Berechnung mit OpenFOAM durchgeführt werden. Das Ziel der Untersuchungen ist es, die Ergebnisse der analytischen Berechnungen mit denen der numerischen zu vergleichen. Folgende Parameter sollen untersucht werden: - Höhe und Verteilung der Porenwasserüberdrücke im Boden - Form und Tiefenlage der in Plaxis 2D und OpenFOAM ermittelten Bruchkörper - Ermittlung der erforderlichen Deckschichtdicke - Parameterstudie für verschiedene Bodenarten nach MAR (BAW 2008) - Auswirkung der Variation des Sättigungsgrades auf die Ergebnisse Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Die WSV ist für den Schutz der Ufer an den Bundeswasserstraßen verantwortlich. Dies geschieht in der Regel durch Schüttsteindeckwerke. Die Mächtigkeit der Wasserbausteinschicht ergibt sich aus den Berechnungen nach GBB (BAW 2011). Diese beruhen auf bewährten und in der Praxis etablierten Methoden. Die Untersuchungen sollen zeigen, ob eine weitere Verbesserung der Berechnungsansätze möglich ist, um im Idealfall eine Optimierung der Deckschichtdicke zu erreichen. Das hätte sowohl wirtschaftliche Vorteile als auch einen positiven Einfluss im Sinne der Nachhaltigkeit. Untersuchungsmethoden Für die Untersuchung werden numerische Programme bzw. Methoden verwendet. Die Berechnungen sollen mit den Programmen Plaxis 2D und Open FOAM durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden untereinander und mit den bereits bekannten analytischen Methoden aus dem GBB verglichen.

CO2-Mineralisierung in Deutschland, Teilvorhaben: Life Cycle Assessment und globale Sensitivitätsanalyse der CO2-Mineralisierung in Deutschland

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