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Energieeffiziente, sichere und leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur im Metro- und Kernnetz für die hypervernetzte Gesellschaft, Energieeffiziente, sichere und leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur im Metro- und Kernnetz für die hypervernetzte Gesellschaft - HYPERCORE

Umsetzung der Ressourcenwende in der chemischen Industrie durch biotechnologische CO2 Nutzung in regionalen Wertschöpfungsketten, Teilprojekt H

Beschichtungen für Spezialanwendungen

Untersuchung spezieller Anwendungsfälle für Beschichtungen um Anwendungsempfehlungen zu formulieren, Merkblätter zu erstellen sowie neue Prüfungsrichtlinien zu erarbeiten. Reperaturbeschichtungen (Smart Repair), die Beschichtung nichtrostender Stähle und Oberflächennitrierung stehen im Fokus der Untersuchungen. Aufgabenstellung und Ziel Die wässrigen Umgebungen, welchen Wasserbauten ausgesetzt sind, stellen häufig besonders hohe Ansprüche an den Bauwerksschutz. Das gilt insbesondere für den Korrosionsschutz von Stahlkomponenten. Organische Beschichtungsstoffe wie Epoxide und Polyurethane aus Erdölerzeugnissen bieten für einen überwiegenden Teil an Anwendungsfällen eine effektive Methode zum flächigen Korrosionsschutz. Durch die Adaption technischer Neuerungen und Lösungen, die bisher im Stahlwasserbau keine Anwendung finden, ist es denkbar, die bisherigen Korrosionsschutzstrategien sinnvoll zu ergänzen. Bereiche mit Optimierungspotenzial sind die Kosten, die Ökobilanz und die Vermeidung häufig auftretender Probleme. Ziel ist es daher, alternative Oberflächenbehandlungen eingehend zu untersuchen, um den Korrosionsschutz zukünftig effizienter gestalten zu können. Die BAW reagiert damit auf den allgemeinen Bedarf seitens der WSV bzw. der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter. Der konkrete Fokus liegt auf den Themen: - Verbesserte Reparaturkonzepte (Smart Repair / Spot Repair) - Einsatz von (Plasma-)Nitrierungen als Korrosionsschutz - Adressierung von Haftungsproblemen auf nichtrostenden Stählen Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Kleinflächige Schadstellen am Korrosionsschutz und das daraus resultierende Auftreten von Korrosion sind ein häufiges Bild bei Inspektionen von Bestandsbauten. Sie wirken sich zwar negativ auf die Substanz aus, rechtfertigen aber oft nicht den Aufwand einer vollständigen Erneuerung der Beschichtung. In solchen Fällen stellt die lokale Instandsetzung geschädigter Stellen mit SpotRepair-Beschichtungen eine angemessene Gegenmaßnahme dar (BAW 2020). Diese stellen den Korrosionsschutz wieder her und unterbinden die weitere Korrosion, bis eine Erneuerung des gesamten Korrosionsschutzes wirtschaftlich sinnvoll ist. Gleichzeitig haben Spot-Repair-Beschichtungen i. d. R. den Vorteil, dass sie schnell und einfach angewendet werden können und nicht von Fachfirmen ausgeführt werden müssen. Das Interesse der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter an dieser Technik zeigt sich deutlich an der Nachfrage nach Spot-Repair-Schulungen, welche die BAW bereits seit einigen Jahren anbietet. Eine große Hürde für die Adaption der Reparaturtechniken in der WSV ist die Auswahl geeigneter Systeme. Für den flächigen Korrosionsschutz kann ein geeigneter Beschichtungsstoff aus der „Liste der zugelassenen Systeme“ der BAW ausgewählt werden. Ein entsprechendes Verfahren für Reparatursysteme wird im Rahmen dieser Untersuchung erarbeitet. Das Nitrieren von Stählen für die Härtung von Werkstücken bewährt sich bereits seit über 100 Jahren. Es ist ebenfalls bekannt, dass bestimmte Verfahren auch für den Korrosionsschutz unter atmosphärischen Bedingungen geeignet sind. Welche Verfahren sich jedoch auch im Stahlwasserbau für die WSV bewähren und sich als wertvolle Ergänzung zu den bisherigen Korrosionsschutzstrategien erweisen könnten, ist bisher kaum untersucht worden (Baier et al. 2011). Nichtrostende Stähle (NiRoSta) sind selbst gegenüber typischen korrosiven Einflüssen im Stahlwasserbau weitgehend inert, können jedoch durch Bimetallkorrosion die Korrosion anderer in Kontakt befindlicher Metalle beschleunigen. Daher kann auch eine Beschichtung von NiRoSta sinnvoll sein. Allerdings treten insbesondere bei Beschichtungen auf NiRoSta in Gegenwart von Wasser oder bei dauerhaft hoher Luftfeuchtigkeit häufig Enthaftungsprobleme auf (Funke und Zatloukal 1978). Daher sollen verschiedene Vorbehandlungen von NiRoSta untersucht werden, um diesem Problem im Wasserbau zukünftig besser vorbeugen z

Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung von Binnenschiffsemissionen

In einer Forschungskooperation mit dem Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme der Universität Duisburg-Essen wird eine Software (BinEm) entwickelt, die mithilfe der Messung von Luftschadstoffen auf Binnenschiffen unter realen Betriebsbedingungen kalibriert und validiert werden soll. Aufgabenstellung und Ziel Die Schifffahrt soll nach Vorgaben der EU bis zum Jahr 2050 klimaneutral werden. Zur zwischenzeitlichen Reduktion der Treibhausgas- und Schadstoffemissionen werden verschiedene Technologien (z. B. Abgasreinigung) eingesetzt. Um den Einfluss von neuen Technologien auf die Schiffsemissionen abschätzen zu können, sind realistische Angaben zu den emittierten Schadstoffen durch die Binnenschifffahrt notwendig. Die bisher veröffentlichten Emissionsdaten, die der Binnenschifffahrt zugerechnet werden, basieren auf Modellen mit vielen Annahmen, die die Betriebsparameter im realen Einsatz sehr vereinfacht abschätzen. Aus diesem Grund wurde im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsvorhabens der BAW und der Universität DuisburgEssen ein Verfahren zur Berechnung der Binnenschiffsemissionen entwickelt. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Mit der im Rahmen der Forschungskooperation mit dem Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (ISMT) entwickelten Software können Emissionen der Binnenschifffahrt für beliebige Regionen und Schiffsflotten modelliert werden. Damit steht der BAW eine Methode zur Verfügung, die es ermöglicht, den Anteil der Binnenschifffahrt an den Luftschadstoffen abzubilden und den Erfolg von Emissionsminderungsmaßnahmen zu bewerten. Auf Basis dieser Ergebnisse können Entscheidungsträger im BMDV und in der GDWS erfolgversprechende Maßnahmen zur Minderung von Binnenschiffsemissionen gezielt ableiten, geltende Vorschriften anpassen oder neue erlassen. Untersuchungsmethoden Das entwickelte Verfahren besteht aus mehreren Modulen. Zunächst wird der Schiffswiderstand in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit über Grund und der Strömung berechnet (Noß und Kossmann 2021). In dem aktuellen Verfahren wird nun auch der zusätzliche Widerstand bei Kurvendrift berücksichtigt. Hierfür greift das Programm auf einen äquivalenten Geradeauswiderstand zurück und addiert in Abhängigkeit des Driftwinkels einen in einer Datenbank hinterlegten Beiwert für den zusätzlichen Widerstand durch Schräganströmung. Anschließend werden der Gütegrad der Propulsion und die Propellerdrehleistung ermittelt. Mithilfe charakteristischer Propellerfreifahrtdiagramme und Motorenkennfelder sowie leistungsbezogener Faktoren werden final der Kraftstoffverbrauch und die Schiffsemissionen berechnet (Noß und Kossmann 2022). Die Spannweite an Schiffs- und Motorenparametern ist sehr groß. Basierend auf Simulations- und Modellversuchsergebnissen charakteristischer Schiffe (Noß und Kossmann 2021, 2022; Kossmann und Wierczoch 2022) wurden einzelne Widerstandsbeiwerte und der Gütegrad der Propulsion in Abhängigkeit von Schiffsgeschwindigkeit und Wassertiefenverhältnis zu Abladetiefenverhältnis berechnet. Der für die Propulsion verwendete Propeller ähnelt in seiner Geometrie einem charakteristischen Binnenschiffs-Düsen-Propeller. In Abhängigkeit von der berechneten Propulsions- bzw. Bremsleistung, der Schiffsgröße und der Anzahl der Propeller wählt das Verfahren einen passenden Motor in einer Datenbank aus. Diese beinhaltet für schnelllaufende Dieselmotoren mit Leistungen zwischen 400 und 1200 kW Daten zur Motorleistung, Drehzahl und zum spezifischen Kraftstoffverbrauch. Der gewählte Ansatz ist für den Großteil der Flotte sowie Betriebspunkte während einer typischen Streckenfahrt anwendbar. Situationen wie Ausweichmanöver, Ausweichmanöver, Schleusenfahrten oder An- und Ablegemanöver lassen sich mit diesem Ansatz jedoch nicht abbilden.

Beschleunigung der Energiewende durch Grid Forming mit Windparks und Strategien für kritische Netzsituationen zur Ablösung von Synchronmaschinen, Teilvorhaben: Technologielösungen für Grid Forming mit Windenergieanlagen

Erneuerbare Energien Anlagen werden perspektivisch die Energieerzeugung dominieren. Um bei zunehmend dezentraler Erzeugung, der Außerbetriebnahme fossiler Kraftwerke und flexiblem Systembetrieb eine zuverlässige Stromversorgung sicherzustellen, müssen dezentrale Erzeugungsanlagen wie z.B. Windenergieanlagen (WEA) einen signifikanten Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes leisten. Insbesondere die Bereitstellung netzbildender Eigenschaften aus WEA steht hierbei im Fokus der Forschung und Entwicklung. Das 8. Energieforschungsprogramm sieht die Entwicklung netzbildender Eigenschaften von Stromrichtern als wesentliche Voraussetzung auf dem Pfad in Richtung 100% erneuerbare Energien. Die im Dezember 2023 veröffentlichte 'Roadmap Systemstabilität' beschreibt netzbildende Eigenschaften von Umrichtern als Schlüsseltechnologie zum Erreichen dieser Ziele. Allerdings erfordert diese neue Technologie umfassende und tiefgreifende Anpassungen und Neuentwicklungen auf der Anlagenseite. Das Projekt BesGASa stellt sich der Herausforderung und will mit der Entwicklung von WEA mit netzbildenden Eigenschaften einen notwendigen Beitrag zur Beschleunigung der Energiewende leisten. Für die Formulierung der Anforderungen an dezentrale Erzeugungsanlagen mit netzbildenden Umrichtern, welche in Zukunft die Netzanschlussregeln (Grid Codes) darstellen sollen, ist abgeschlossenes Wissen über die Fähigkeiten und Möglichkeiten der Technologie vonnöten. Derzeit liegt dieses Wissen in der gesamten Windenergiebranche nicht vor. Weder bei den WEA-Herstellern, noch bei den Windpark-Betreibern oder bei den Netzbetreibern. Fortschritte sind schwer zu erzielen, da jede Partei auf die Erkenntnisse der anderen Parteien angewiesen ist. Hier liegt ein klassisches 'Henne-Ei'-Problem vor. Das Vorhaben möchte den Zirkelbezug durch die wissenschaftliche Begleitung des Projektes bereits während der WEA-Entwicklungsphase aufbrechen, es sollen Erkenntnisse publiziert und die Standardisierung unterstützt werden.

Beschleunigung der Energiewende durch Grid Forming mit Windparks und Strategien für kritische Netzsituationen zur Ablösung von Synchronmaschinen, Teilvorhaben: Netzdynamische Stabilitätsbewertung für Grid Forming mit Windenergieanlagen

Erneuerbare Energien Anlagen werden perspektivisch die Energieerzeugung dominieren. Um bei zunehmend dezentraler Erzeugung, der Außerbetriebnahme fossiler Kraftwerke und flexiblem Systembetrieb eine zuverlässige Stromversorgung sicherzustellen, müssen dezentrale Erzeugungsanlagen wie z.B. Windenergieanlagen (WEA) einen signifikanten Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes leisten. Insbesondere die Bereitstellung netzbildender Eigenschaften aus WEA steht hierbei im Fokus der Forschung und Entwicklung. Das 8. Energieforschungsprogramm sieht die Entwicklung netzbildender Eigenschaften von Stromrichtern als wesentliche Voraussetzung auf dem Pfad in Richtung 100% erneuerbare Energien. Die im Dezember 2023 veröffentlichte 'Roadmap Systemstabilität' beschreibt netzbildende Eigenschaften von Umrichtern als Schlüsseltechnologie zum Erreichen dieser Ziele. Allerdings erfordert diese neue Technologie umfassende und tiefgreifende Anpassungen und Neuentwicklungen auf der Anlagenseite. Das Projekt BesGASa stellt sich der Herausforderung und will mit der Entwicklung von WEA mit netzbildenden Eigenschaften einen notwendigen Beitrag zur Beschleunigung der Energiewende leisten. Für die Formulierung der Anforderungen an dezentrale Erzeugungsanlagen mit netzbildenden Umrichtern, welche in Zukunft die Netzanschlussregeln (Grid Codes) darstellen sollen, ist abgeschlossenes Wissen über die Fähigkeiten und Möglichkeiten der Technologie vonnöten. Derzeit liegt dieses Wissen in der gesamten Windenergiebranche nicht vor, weder bei den WEA-Herstellern noch bei den Windpark-Betreibern oder bei den Netzbetreibern. Fortschritte sind schwer zu erzielen, da jede Partei auf die Erkenntnisse der anderen Parteien angewiesen ist. Hier liegt ein klassisches 'Henne-Ei'-Problem vor. Das Vorhaben möchte den Zirkelbezug durch die wissenschaftliche Begleitung des Projektes bereits während der WEA-Entwicklungsphase aufbrechen; es sollen Erkenntnisse publiziert und die Standardisierung unterstützt werden.

Energieeffizienteres Recyclingverfahren von Altpapier

Die Papierfabrik Palm GmbH & Co. KG, mit Unternehmenssitz in Aalen (Baden-Württemberg), plant Wellpappenrohpapier aus Altpapier zukünftig äußerst energieeffizient bei hoher Qualität herzustellen. Im Vergleich zu konventioneller Technik wird der Energieverbrauch mit einer neuen Technologie um 27 Prozent reduziert. Das Pilotprojekt wird aus dem Umweltinnovationsprogramm mit über 770.000 Euro gefördert. Wellpappenrohpapiere, die das Ausgangsprodukt für Verpackungen sind, werden in einem ständig optimierten Recyclingprozess zu 100 Prozent aus verschiedenen Sorten Altpapier hergestellt. Dabei kommt es vor, dass auch noch wertvolle verwertbare Fasern gemeinsam mit den im Altpapier vorhandenen Störstoffen aussortiert werden und dem Prozess verloren gehen. Daher ist es sinnvoll, die Auflöseaggregate den jeweiligen Festigkeitseigenschaften der verwendeten Altpapiere anzupassen. Mit einer neuartigen Zerfaserungstechnologie für Altpapier soll das bei der Papierfabrik Palm umgesetzt werden. Ziel des innovativen Projektes ist es, die Faserausbeute bei geringerem Energieeinsatz auf nahezu 100 Prozent zu erhöhen. Die technische Lösung hinter dem optimierten Recyclingprozess ist das 'Green Pulping Concept', bei dem zwei Pulpingtechnologien miteinander verknüpft werden. Bei einer jährlichen Produktionsmenge von 750.000 Tonnen Wellpappenrohpapiere kann das Familienunternehmen so 7.440 Megawattstunden Energie einsparen und als Folge dessen den Ausstoß von CO2-Emissionen um 2.403 Tonnen verringern. Bedingt durch die hohe Festigkeit des aufbereiteten Papiers werden zudem weniger chemische Additive eingesetzt und das Kreislaufwasser wird entlastet. Die innovative Technologie ist grundsätzlich auch auf andere Papierfabriken übertragbar, sodass ein Multiplikatoreffekt für die gesamte Branche möglich ist. Mit dem Umweltinnovationsprogramm wird die erstmalige, großtechnische Anwendung einer innovativen Technologie gefördert. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

KI unterstützte Kommunikationstechnologien zur dynamischen Optimierung von Mobilität und Energiespeichern zur Frequenzstabilisierung und Energieversorgung, Teilvorhaben CampusGenius: Automated Integration with the 5G-Core

Das Ökosystem der Stromnetze ist auf dem Weg zu einem dezentralisierten Energieversorgungs- und Verteilungssystem. Haushalte können mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren oder Windgeneratoren, als verteilte Energieressourcen (DERs - Distributed Energy Resources) bezeichnet, unabhängig von den Stromanbietern operieren und Energie zurück an das Hauptnetz verkaufen. Für die Realisierung dieser Transformation des Stromnetzes wird eine kompetente Kommunikationsinfrastruktur benötigt. Die Einführung des Standards 5G in Mobilfunknetze erleichtert die Entwicklung zukünftiger Energieverwaltungslösungen. Weiterhin ermöglichen neue Technologien die Entwicklung intelligenter Algorithmen für die Steuerung zukünftiger Stromnetze. Hierzu gehören das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), Vernetzung über Mesh-Netzwerke zur Fernüberwachung des Netzstatus und die Künstliche Intelligenz (KI) für Management und Koordination. In Dymobat wird ein Single-User-Controller für die Verwaltung der einzelnen DERs auch unter Einsatz von privaten 5G-Netzwerken entwickelt. Anschließend wird eine zentrale Steuerungseinheit für die Synchronisierung und Optimierung des Netzbetriebs innerhalb einer kleinen Gruppe von DERs, einem Microgrid, entworfen. Die Kommunikation zwischen und innerhalb der DER soll mittels Mobilfunktechnologie erfolgen. Dabei soll die Energieoptimierung mittels KI-Algorithmen erfolgen und auch den Energietransport mit Fahrzeugen berücksichtigen. Die softwareseitige Integration der KI-Algorithmen und des Energiemanagementsystems in das Kommunikationssystem ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Projektes. Die entwickelten Algorithmen werden virtuell in einem Testbed-Modell anhand von realen Eingangsparametern erprobt, optimiert und validiert. Im zweiten Schritt wird ein reales Testfeld konzipiert, installiert und die Leistungsfähigkeit der modellhaft erprobten Algorithmen in einer realen Testumgebung bewertet.

Technische Innovation und Recht - Antrieb oder Hemmnis?

Das Forschungsvorhaben beschaeftigt sich mit der Frage, wie das Recht auf technische Innovationen wirkt. Der Forschungsansatz ist dabei weit gespannt und reicht auf der einen Seite von der Behauptung nachhaltiger 'Innovationshemmnisse durch Recht' bis hin zu der Vermutung einer grundsaetzlichen 'Innovationsfoerderung durch Recht' auf der anderen Seite. Das Forschungsvorhaben setzt sich zum Ziel, dieses Spektrum sowohl im grundsaetzlichen als auch im besonderen auszuleuchten. Als Referenzgebiet der allgemeinen Analyse wird der Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie in den Blick genommen, wobei es vor allem um die nationalen wie internationalen rechtlichen Rahmenbedingungen neuen Entwicklungen in diesem Bereich geht. Ausgehend vom Thema des Forschungsvorhabens liegt der Schwerpunkt der Analyse auf der Frage, wie sich Regelungen zur Informations- und Kommunikationstechnik auf Innovationen auswirken. Als erster Schritt in diesem Forschungsvorhaben hat in der Zeit vom 27. bis 29. September 1995 ein internationales und interdisziplinaeres Symposium zum Thema 'Technische Innovation und Recht' in Dresden stattgefunden.

Beschleunigung der Energiewende durch Grid Forming mit Windparks und Strategien für kritische Netzsituationen zur Ablösung von Synchronmaschinen, Teilvorhaben: Strategien und Regelungskonzepte für Grid Forming mit Windenergieanlagen

Erneuerbare Energien Anlagen (EE-Anlagen) werden perspektivisch die Energieerzeugung dominieren. Um bei zunehmend dezentraler Erzeugung, der Außerbetriebnahme fossiler Kraftwerke und flexiblem Systembetrieb eine zuverlässige Stromversorgung sicherzustellen, müssen dezentrale Erzeugungsanlagen wie bspw. Windenergieanlagen (WEA) einen signifikanten Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes leisten. Insbesondere die Bereitstellung netzbildender Eigenschaften aus umrichterbasierten EE-Anlagen steht hierbei im Fokus der Forschung und Entwicklung. Das 8. Energieforschungsprogramm sieht die Entwicklung netzbildender Eigenschaften von Stromrichtern als wesentliche Voraussetzung auf dem Pfad in Richtung 100% erneuerbare Energien. Die im Dezember 2023 veröffentlichte 'Roadmap Systemstabilität' beschreibt netzbildende Eigenschaften von Umrichtern als Schlüsseltechnologie zum Erreichen dieser Ziele. Stand der Technik ist, dass kommerzielle Windenergieanlagen weltweit heute netzfolgende Eigenschaften haben. Die genannten netzbildenden Eigenschaften sind eine neue Technologie, die umfassende und tiefgreifende Anpassungen in der Windenergieanlage erfordert. Das Projekt BesGASa stellt sich der Herausforderung und will mit der Entwicklung von netzbildenden Eigenschaften durch WEA mit Vollumrichtern einen notwendigen Beitrag zur Beschleunigung der Energiewende leisten. Die netzbildenden Eigenschaften der WEA sind ferner die Voraussetzung für die Bereitstellung von weiteren Beiträgen zu Systemdienstleistungen wie Momentanreserve (Trägheit der lokalen Netzstabilität), Blindstromstützung, Kurzschlussstrom, Inselbetriebsfähigkeit und Schwarzstartfähigkeit. Quantitativ hängen netzbildende Eigenschaften nicht nur von den Umrichtern der WEA ab, sondern insbesondere auch vom primären Energiewandlungsprozess (Wind zu Elektrizität) und dessen Dynamik. Diese sollen im BesGASa-Projekt explizit für Windenergieanlagen mit Vollumrichter erarbeitet werden.

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