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Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung

Im Projekt 'Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung sind erste Ansätze zur energetischen Stadtplanung auf Basis des Energiemodells URBS entwickelt worden. Die Analyse erlaubt eine Einteilung der Stadt in Vorranggebiete bezüglich der Wärmeversorgung. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Analysemodulen. Der erste Schritt besteht in der Erstellung einer Gebäudedatenbank. Alle Gebäude der Stadt sollen hinsichtlich ihrer Geometrie, des Gebäudealters, der Bauweise, des aktuellen Energieverbrauches usw. enthalten sein. Diese Informationen werden dann genutzt, um den gegenwärtigen und zukünftigen Wärmeverbrauch zu bestimmen. Der zukünftige Gebrauch wird unter der Annahme verschiedener Sanierungsmaßnahmen bestimmt. Der erste Schwerpunkt der Arbeit liegt auf einer Analyse der Verdichtung und Ausweitung des bestehenden Fernwärmenetzes. Mit Hilfe der Gebäudedatenbank wird analysiert wo und zu welchen Kosten die Fernwärme ausgebaut werden könnte. Die Erhebungen aus dieser Analyse werden dann im nächsten Schritt an das Optimierungsmodell IJRBS übergeben. Im nächsten Schritt werden verschiedene Wärmeversorgungsmöglichkeiten hinsichtlich der technischen Realisierbarkeit und der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit untersucht. Der zweite Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf Wärmepumpen. Hierfür wurde ein eigenes Bodenmodell entworfen. Mit dem Modell kann bestimmt werden, wo welche Menge an Energie aus dem Boden entzogen werden kann, ohne bestimmte Nachhaltigkeitskriterien zu verletzten. All diese Informationen werden in das Energiemodell URBS-Augsburg eingepflegt. Neben der Warme- wird auch die Stromversorgung im Modell abgebildet. Anhand des Modells kann dann untersucht werden welche Technologien und Maßnahmen eingesetzt werden sollten um gesetzte Klimaschutzziele zu erreichen. Ein entscheidendes Ergebnis des Modells zeigt die starke Abhängigkeit der lokalen Entwicklung in Augsburg von der allgemeinen Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland. Wenn eine überregionale Lösung beispielsweise mit viel off-shore Wind und Ansätzen wie Desertec realisiert wird, dann wird in Augsburg durch die Optimierung wenig eigner Strom erzeugt, Kraft- Wärme-Kopplung und Fernwärme werden nicht ausgebaut. Städtische Klimaschutzziele sollten in diesem Fall durch Einsparungsmaßnahmen im Gebäude-Wärmebereich vorangetrieben werden. Ist die Entwicklung hin zu klimaneutralem Strom in Deutschland schleppend, dann muss in Augsburg viel mehr 'grüner ' Strom erzeugt werden. Hier kann dann der Kraft-Wärme-Kopplung eine zentrale Rolle zukommen. Die Ausweitung dieses Ergebnisses ist dringend notwendig, da sie für die aktuelle politische Diskussion von zentraler Bedeutung sind.

Demonstration eines voll-supraleitenden Generatorsystems, Teilvorhaben: Fertigung

Im Projekt SupraGenSys 1 wurde ein vollsupraleitend ausgeführter und direkt angetriebener Generator für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung entworfen und optimiert. In diesem Projekt sind bereits wesentliche Ergebnisse erzielt worden. In diesem Projekt zeigte sich der Generator bereits mit beeindruckenden Kennzahlen und verspricht durch Absenkung der Stromgestehungskosten ein wesentlicher Fortschritt für den Ausbau der Windenergie zu werden. In dem Folgeprojekt SupraGenSys 2 soll ein Demonstrationsgenerator ( DG ) konstruiert und gefertigt werden. Die Projektpartner übernehmen die Berechnung des Generators, die Konstruktion des Generators und der Einzelteile, sowie die Materialbeschaffung. Die Krämer Energietechnik GmbH & Co. KG übernimmt die Konstruktion, Materialbeschaffung und Fertigung aller erforderlichen Vorrichtungen. Die Fertigung der HTS-Spulen und der geblechten Kerne sowie die Montage von Rotor, Stator und Kyrostat wird ebenfalls bei Krämer erfolgen. Die Prüfung der tiefgekühlten Spulen wird mit Unterstützung des KIT bei Krämer durchgeführt. Anschließend erfolgt die Endmontage des Generators durch Krämer bei Fraunhofer IEE in Kassel.

Entwicklung offenporiger monolithischer Perowskitstrukturen als hybride thermische Speicher, Teilvorhaben: Keramikherstellung mittels 3D-Druck und Charakterisierung

Regelbare Kraftwerke, welche Strom je nach Bedarf liefern können, indem sie ihre Leistung anpassen und kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden können, gewinnen im Kontext der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Bei der direkten Stromgewinnung, z.B. mittels Photovoltaik oder Windkraft, muss die gewonnene elektrische Energie sofort in das Netz eingespeist werden, oder in großen Batteriespeichersystem gespeichert werden. Dafür benötigte Speichersysteme mit langfristiger Betriebszuverlässigkeit und wettbewerbsfähigen Kosten sind noch nicht kommerziell verfügbar. Wärme kann hingegen zu wesentlich geringeren Kosten als Strom gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. So kann aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme in großem Umfang und über lange Zeiträume gespeichert werden, aber auch einem CSP (Concentrated Solar Power)-Kraftwerk die notwendige Flexibilität verleihen, Wärme und Strom dann zu liefern, wenn eine große Nachfrage besteht. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für die weitere kommerzielle Nutzung von CSP. Durch leistungsfähige Wärmespeicher kann der Stromgewinnungsprozess weitestgehend von der Wärmegewinnung entkoppelt werden und so das Potential der Regelbarkeit und Flexibilität optimal genutzt werden. Kommerziell verfügbar sind im Bereich von Temperaturen über 700°C aktuell lediglich Wärmespeichersysteme, welche auf dem Prinzip der sensiblen, also nicht reaktiven, Wärmespeicherung basieren. Ein Einsatz von redoxaktiven Materialien birgt das Potential, die Speicherkapazität und Effizienz von Wärmespeichersystem bedeutend zu steigern. Bei der zyklischen Reduktion und Oxidation solcher redoxaktiver Materialien kann zusätzliche Wärme gespeichert (Reduktion) und wieder entnommen werden (Oxidation). Im Projekt Porotherm-Solar werden Speichermodule aus redoxaktivem Perowskit entwickelt und unter Realbedingungen in einem Demonstrator erprobt.

ZUverlässigkeit und Performance von PV-Modulen, Systemen und Anwendungen, Teilvorhaben: Technisch-ökonomische Bewertungskriterien

Durch beständige Kostensenkungen bei den Komponenten ist die Photovoltaik (PV) laut Internationaler Energieagentur (IEA) inzwischen die Energiequelle mit den niedrigsten Elektrizitätskosten der Geschichte. Mit diesen Kostensenkungen und sinkenden Anfangsinvestitionen steigt der Anteil der laufenden Kosten an den Stromgestehungskosten kontinuierlich. Die (anfängliche) Performance der PV-Systeme im laufenden Betrieb sowie die Entwicklung dieser Performance im Laufe der Lebensdauer gewinnen aus diesem Grunde ständig an Bedeutung. Die Zuverlässigkeit von PV-Komponenten stellt wiederum einen wichtigen Baustein für die Performance im Zeitverlauf und für die Höhe von Ersatzinvestitionen dar und wirkt sich damit direkt auf die Stromgestehungskosten aus. Performance und Zuverlässigkeit von PV-Modulen und -Systemen spielen damit eine wichtige Rolle, um weitere Fortschritte bei der Verbreitung der PV als klimaschonende Form der Energiegewinnung erzielen zu können. Neben diesen beiden Eigenschaften stehen dabei neue Anwendungsfelder der PV, wie schwimmende PV oder Agri-Photovoltaik zur Erschließung weiterer Potenziale im Fokus.

ZUverlässigkeit und Performance von PV-Modulen, Systemen und Anwendungen

Durch beständige Kostensenkungen bei den Komponenten ist die Photovoltaik (PV) laut Internationaler Energieagentur (IEA) inzwischen die Energiequelle mit den niedrigsten Elektrizitätskosten der Geschichte. Mit diesen Kostensenkungen und sinkenden Anfangsinvestitionen steigt der Anteil der laufenden Kosten an den Stromgestehungskosten kontinuierlich. Die (anfängliche) Performance der PV-Systeme im laufenden Betrieb sowie die Entwicklung dieser Performance im Laufe der Lebensdauer gewinnen aus diesem Grunde ständig an Bedeutung. Die Zuverlässigkeit von PV-Komponenten stellt wiederum einen wichtigen Baustein für die Performance im Zeitverlauf und für die Höhe von Ersatzinvestitionen dar und wirkt sich damit direkt auf die Stromgestehungskosten aus. Performance und Zuverlässigkeit von PV-Modulen und -Systemen spielen damit eine wichtige Rolle, um weitere Fortschritte bei der Verbreitung der PV als klimaschonende Form der Energiegewinnung erzielen zu können. Neben diesen beiden Eigenschaften stehen dabei neue Anwendungsfelder der PV, wie schwimmende PV oder Agri-Photovoltaik zur Erschließung weiterer Potenziale im Fokus.

ZUverlässigkeit und Performance von PV-Modulen, Systemen und Anwendungen, Teilvorhaben: Zuverlässigkeit von PV-Anwendungen

Durch beständige Kostensenkungen bei den Komponenten ist die Photovoltaik laut Internationaler Energieagentur inzwischen die Energiequelle mit den niedrigsten Elektrizitätskosten der Geschichte. Mit diesen Kostensenkungen und sinkenden Anfangsinvestitionen steigt der Anteil der laufenden Kosten an den Stromgestehungskosten kontinuierlich. Die Performance der PV-Systeme im laufenden Betrieb sowie die Entwicklung dieser Performance im Laufe der Lebensdauer gewinnen ständig an Bedeutung. Die Zuverlässigkeit von PV-Komponenten stellt wiederum einen wichtigen Baustein für die Performance im Zeitverlauf und für die Höhe von Ersatzinvestitionen dar und wirkt sich damit direkt auf die Stromgestehungskosten aus. Performance und Zuverlässigkeit von PV-Modulen und -Systemen spielen damit eine wichtige Rolle, um weitere Fortschritte bei der Verbreitung der PV als klimaschonende Form der Energiegewinnung erzielen zu können. Neben diesen beiden Eigenschaften stehen dabei neue Anwendungsfelder der PV, wie schwimmende PV oder Agri-Photovoltaik zur Erschließung weiterer Potenziale im Fokus.

Reduktion der Investitions-, Betriebs- und Entwicklungskosten von Meeresströmungsanlagen, Teilvorhaben: Load Monitoring System und modellbasierter Entwicklungsprozess für Gezeitenströmungsanlagen

Zentrales Ziel des Projekts ReCORD ist die Reduzierung der Stromgehstehungskosten von Gezeitenturbinen um mindestens 30 %. Auf diesem Wege wird die Wettbewerbsfähigkeit der vielversprechenden, aber bis dato nicht konkurrenzfähigen erneuerbaren Energiequelle erhöht. Das Erreichen der Projektziele trägt dazu bei, dass Gezeitenturbinen in Zukunft marktfähig werden und somit einen signifikanten Anteil an der regenerativen Stromerzeugung einnehmen können. Die hohen Stromgestehungskosten von Gezeitenturbinen werden durch hohe Anlagenkosten, sowie hohe Betriebskosten und insbesondere hohe Wartungskosten dominiert. Die Entwicklung eines Load Monitoring Systems für die Gezeitenturbine ist deswegen Projektziel. Das Load Monitoring System soll zur zukünftig besseren Terminierung von Wartungsarbeiten und somit zur Kostenreduktion beitragen. Um die Anlagenkosten und hohe Entwicklungskosten zu minimieren wird im Rahmen des Teilvorhabens außerdem ein modellbasierter Entwicklungsprozess für Gezeitenturbinen implementiert. Ziel ist dabei den Entwicklungsprozess auf Basis des wiederverwertbaren Systemmodells agiler zu gestalten. Im Systemmodell werden die Wechselwirkungen der Subsysteme, sowie Anforderungen und Funktionen von Gezeitenströmungsanlagen abgebildet. Resultierend daraus kann mit vergleichsweise geringem Aufwand in der Vorauslegung das optimale Triebstrangkonzept (Generator, Getriebe etc.) ermittelt werden.

Demonstration eines voll-supraleitenden Generatorsystems, Teilvorhaben: Siemens AG

Das Vorhaben baut auf die im Projekt SupraGenSys (Förderkennzeichen 03EE3010B) erarbeiteten Ergebnisse zum Entwurf und zur Optimierung eines vollsupraleitend ausgeführten und direkt angetriebenen Generators für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung auf. Die sich abzeichnende Verringerung der Stromgestehungskosten spielt eine wesentliche Rolle und verspricht den Ausbau der Windenergienutzung zu beschleunigen. Bisher durchgeführte Berechnungen berücksichtigen komplexe Systeme und deren Abhängigkeiten voneinander. Daraus ergibt sich die Wichtigkeit eines 'Proof-of-Concept', um anhand experimenteller Untersuchungen an einem Demonstrationsgenerator die ökonomische und technische Sinnhaftigkeit zu bestätigen und nachzuweisen, dass die Realität durch die Berechnungsmodelle hinreichend gut abgebildet wird. So kann das Vertrauen der Industrie in diese vielversprechende Technologie gestärkt werden. Ziel des Vorhabens ist somit die Entwicklung und der Aufbau eines 250-kW-Demonstrationsgenerators im Labor auf Basis des optimierten 10-MW-Voll-HTS-Generators. Mit Hilfe dieser Maschine werden die in SupraGenSys erarbeiteten Ergebnisse validiert und die entwickelten Berechnungsroutinen überprüft. Die Siemens AG trägt innerhalb des Konsortiums im Rahmen ihres Teilvorhabens zum Konzept und zum konzeptionellen Design des Demonstrationsgenerators bei. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Untersuchung und Optimierung von Wechselstromverlusten in den supraleitenden Spulen von Rotor und Stator des neuartigen Generators. Die langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Elektromaschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen fließt in die elektromagnetische Auslegung des 250-kW-Voll-HTS-Generators ein. Schließlich werden die Testergebnisse auf einen Multi-MW-Generatorentwurf übertragen.

Entwicklung offenporiger monolithischer Perowskitstrukturen als hybride thermische Speicher

Regelbare Kraftwerke, welche Strom je nach Bedarf liefern können, indem sie ihre Leistung anpassen und kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden können, gewinnen im Kontext der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Bei der direkten Stromgewinnung, z.B. mittels Photovoltaik oder Windkraft, muss die gewonnene elektrische Energie sofort in das Netz eingespeist werden, oder in großen Batteriespeichersystem gespeichert werden. Dafür benötigte Speichersysteme mit langfristiger Betriebszuverlässigkeit und wettbewerbsfähigen Kosten sind noch nicht kommerziell verfügbar. Wärme kann hingegen zu wesentlich geringeren Kosten als Strom gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. So kann aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme in großem Umfang und über lange Zeiträume gespeichert werden, aber auch einem CSP (Concentrated Solar Power)-Kraftwerk die notwendige Flexibilität verleihen, Wärme und Strom dann zu liefern, wenn eine große Nachfrage besteht. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für die weitere kommerzielle Nutzung von CSP. Durch leistungsfähige Wärmespeicher kann der Stromgewinnungsprozess weitestgehend von der Wärmegewinnung entkoppelt werden und so das Potential der Regelbarkeit und Flexibilität optimal genutzt werden. Kommerziell verfügbar sind im Bereich von Temperaturen über 700°C aktuell lediglich Wärmespeichersysteme, welche auf dem Prinzip der sensiblen, also nicht reaktiven, Wärmespeicherung basieren. Ein Einsatz von redoxaktiven Materialien birgt das Potential, die Speicherkapazität und Effizienz von Wärmespeichersystem bedeutend zu steigern. Bei der zyklischen Reduktion und Oxidation solcher redoxaktiver Materialien kann zusätzliche Wärme gespeichert (Reduktion) und wieder entnommen werden (Oxidation). Im Projekt Porotherm-Solar werden Speichermodule aus redoxaktivem Perowskit entwickelt und unter Realbedingungen in einem Demonstrator erprobt.

Entwicklung offenporiger monolithischer Perowskitstrukturen als hybride thermische Speicher, Teilvorhaben: Synthese und Validierung leistungsfähiger Perowskitmaterialien und Erprobung von Test-strukturen im Demonstrator

Regelbare Kraftwerke, welche Strom je nach Bedarf liefern können, indem sie ihre Leistung anpassen und kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden können, gewinnen im Kontext der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Bei der direkten Stromgewinnung, z.B. mittels Photovoltaik oder Windkraft, muss die gewonnene elektrische Energie sofort in das Netz eingespeist werden, oder in großen Batteriespeichersystem gespeichert werden. Dafür benötigte Speichersysteme mit langfristiger Betriebszuverlässigkeit und wettbewerbsfähigen Kosten sind noch nicht kommerziell verfügbar. Wärme kann hingegen zu wesentlich geringeren Kosten als Strom gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. So kann aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme in großem Umfang und über lange Zeiträume gespeichert werden, aber auch einem CSP (Concentrated Solar Power)-Kraftwerk die notwendige Flexibilität verleihen, Wärme und Strom dann zu liefern, wenn eine große Nachfrage besteht. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für die weitere kommerzielle Nutzung von CSP. Durch leistungsfähige Wärmespeicher kann der Stromgewinnungsprozess weitestgehend von der Wärmegewinnung entkoppelt werden und so das Potential der Regelbarkeit und Flexibilität optimal genutzt werden. Kommerziell verfügbar sind im Bereich von Temperaturen über 700°C aktuell lediglich Wärmespeichersysteme, welche auf dem Prinzip der sensiblen, also nicht reaktiven, Wärmespeicherung basieren. Ein Einsatz von redoxaktiven Materialien birgt das Potential, die Speicherkapazität und Effizienz von Wärmespeichersystem bedeutend zu steigern. Bei der zyklischen Reduktion und Oxidation solcher redoxaktiver Materialien kann zusätzliche Wärme gespeichert (Reduktion) und wieder entnommen werden (Oxidation). Im Projekt Porotherm-Solar werden Speichermodule aus redoxaktivem Perowskit entwickelt und unter Realbedingungen in einem Demonstrator erprobt.

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