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Nutzung der Wasserkraft

<p>Die Kraft des Wassers zu nutzen hat eine lange Tradition und ist bis heute als erneuerbare Energiequelle von Bedeutung. Gleichzeitig hat die Energiegewinnung aus Flüssen vielfältige sozioökonomische und ökologische Wirkungen, die es zu beachten gilt.</p><p>Vom Wasser zum Strom</p><p>Das physikalische Grundprinzip der Wasserkraftnutzung ist, die Bewegungsenergie und die potenzielle Energie des Wassers in nutzbare Energie umzuwandeln. Der Energiegewinn aus Wasserkraft ist umso höher, je mehr Wasser aus möglichst großer Fallhöhe auf die Schaufeln einer Turbine oder eines Wasserrads trifft. Bergige Landschaften mit viel Wasser aus Niederschlägen sind daher besonders für die Wasserkraftnutzung geeignet.</p><p>Bei der Erzeugung von Wasserkraft wird zwischen Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken unterschieden. Ein Laufwasserkraftwerk nutzt die augenblicklich verfügbare Wassermenge eines Flusses oder Bachs. Speicherkraftwerke halten das Wasser zurück. Es wird dann zu Zeiten höheren Strombedarfes durch die Turbinen geleitet.</p><p>Pumpspeicherkraftwerke sind eine Sonderform der Speicherkraftwerke. Hierbei wird Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt, um es bei Strombedarf nutzen zu können.</p><p>Auswirkungen der Wasserkraftnutzung auf die Gewässerökologie</p><p>Die Wasserkraftnutzung greift erheblich in Natur und Landschaft ein. Aus der Berichterstattung zur EU-⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Wasserrahmenrichtlinie#alphabar">Wasserrahmenrichtlinie</a>⁠ ist bekannt, dass in 37 Prozent aller berichteten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Wasserkrper#alphabar">Wasserkörper</a>⁠ – das sind über 51.000 Flusskilometer – die Wasserkraftnutzung Gewässer signifikant belastet. Dadurch werden die Gewässerschutzziele – der gute ökologische Zustand – nahezu vollständig verfehlt. Zu den gravierendsten Auswirkungen der Wasserkraft auf die Gewässer und Auen zählen:</p><p>Wasserkraftanlagen neu zu bauen oder zu betreiben, ist deshalb kritisch zu bewerten. Die Mehrzahl der existierenden Anlagen in Deutschland ist aus ökologischer Sicht dringend modernisierungsbedürftig. In den kommenden Jahren müssen Durchgängigkeit, Mindestwasserführung, hydrologische Situation und Fischschutz verbessert werden – auch um die gesetzlichen Ziele der Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen.</p><p>Leitplanken für die Stromerzeugung aus Wasserkraft und Erneuerbare Energien Gesetz</p><p>Das Umweltbundesamt empfiehlt folgende Leitplanken für die Stromerzeugung aus Wasserkraft:</p><p>Mit dem „Gesetz zu Sofortmaßnahmen für einen beschleunigten Ausbau der erneuerbaren Energien und weiteren Maßnahmen im Stromsektor“ wurde dem Ausbau der erneuerbaren Energien ein überragendes öffentliches Interesse eingeräumt. Im Rahmen der Abwägung verschiedener Interessen und Schutzgüter erhalten die erneuerbaren Energien damit ein besonders hohes Gewicht. Insgesamt verfolgt das EEG dennoch einen einheitlichen Ansatz, um ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/k?tag=Klima#alphabar">Klima</a>⁠-, Umwelt- und Naturschutz miteinander zu verbinden. Wichtige Belange sollen nicht gegeneinander ausgespielt werden. Zur Frage wie weit das überragende Interesse reicht hat das Umweltbundesamt ein<a href="https://www.umweltbundesamt.de/dokument/die-besondere-bedeutung-der-erneuerbaren-energien">Factsheet</a>erstellt.</p><p>Wasserkraftnutzung in Deutschland</p><p>Die Wasserkraft ist mit einem Anteil von etwa 15 Prozent an der weltweiten Stromversorgung eine bedeutende erneuerbare Energiequelle. Im globalen Vergleich zählen China, Kanada, Brasilien, USA, Russland und Indien zu den größten Erzeugern von Strom aus Wasserkraft. In Europa sind Norwegen, Frankreich, Schweden, Türkei und Italien die größten Produzenten.</p><p>In Deutschland wird Wasserkraft vorwiegend in den abfluss- und gefällereichen Regionen der Mittelgebirge, der Voralpen und Alpen sowie an allen größeren Flüssen genutzt. Daher werden über 80 Prozent des Wasserkraftstroms in Bayern und Baden-Württemberg erzeugt. Etwa 86 Prozent des gesamten Leistungsvermögens der großen Wasserkraftanlagen liegt an neun großen Flüssen vor: Inn, Rhein, Donau, Isar, Lech, Mosel, Main, Neckar und Iller.</p><p>Wasserkraftanlagen in Deutschland</p><p>Gegenwärtig werden in Deutschland etwa 8.300 Wasserkraftanlagen betrieben. Vor allem kleine Anlagen mit einer installierten Leistung von höchstens einem Megawatt dominieren den Anlagenbestand mit 95 Prozent; ihr Anteil an der Stromerzeugung ist jedoch gering (s.u.). Den verbleibenden Anteil teilen sich große Wasserkraftanlagen mit einer installierten Leistung über einem Megawatt (436 Anlagen) und Pumpspeicherkraftwerke (31 Anlagen).</p><p>Die Nutzung der Wasserkraft erfolgt in Deutschland vor allem über Laufwasserkraftwerke. Speicherkraftwerke haben demgegenüber einen viel geringeren Anteil von etwa 2,5 Prozent.</p><p>Stromproduktion aus Wasserkraft in Deutschland</p><p>In das öffentliche Stromnetz speisen etwa 7.300 Wasserkraftanlagen ein. Sie decken über die Jahre je nach Wasserführung 2,9 bis 3,8 Prozent des jährlichen Bruttostromverbrauchs bei. Über 90 Prozent des Wasserkraftstromes stammt aus großen Wasserkraftanlagen.</p><p>Der Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ist über die Jahre gesunken und liegt gegenwärtig noch bei ca. 8 Prozent. Dieser Anteil wird in Zukunft weiter sinken, da die Potenziale der Wasserkraftnutzung in Deutschland weitgehend erschlossen sind, während andere erneuerbare Energieträger größere Potenziale aufweisen und weiter ausgebaut werden. Darüber hinaus kann sich die durch den ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/k?tag=Klimawandel#alphabar">Klimawandel</a>⁠ bedingte Zunahme von Trockenperioden negativ auf den Energieertrag von Wasserkraftanlagen auswirken.</p><p><a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen">Aktuelle Zahlen</a>zur Wasserkraftnutzung werden regelmäßig von der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) veröffentlicht. Über die Umsetzung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Bereich Wasserkraft unterrichten die<a href="https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Downloads/S-T/schlussbericht-wasserkraft-231027.pdf?__blob=publicationFile&amp;v=6%20l">EEG-Erfahrungsberichte</a>. Anlagendaten sind über das Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur recherchierbar.</p><p>Wasserkraftpotenzial in Deutschland</p><p>Das technisch-ökologische Potenzial der Wasserkraftnutzung in Deutschland wird auf etwa 25 Terawattstunden (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=TWh#alphabar">TWh</a>⁠) Strom pro Jahr beziffert. In den vergangenen zehn Jahren wurden bereits bis zu 23 TWh Strom pro Jahr aus Wasserkraft gewonnen. Damit ist das Wasserkraftpotenzial zu großen Teilen erschlossen. Zwischenzeitlich haben viele Bundesländer die Potenziale der Energiegewinnung aus Wasserkraft weiter konkretisiert. Dafür wurden fast 40.000 Standorte bestehender Querbauwerke und Wasserkraftanlagen sowie auch frei fließende Gewässerstrecken in Hinblick auf noch zu erschließende Wasserkraftpotenziale analysiert. Auf dieser Basis gehen die Länder derzeit von einem grundsätzlich noch erschließbaren Wasserkraftpotenzial von 1,3 bis 1,4 TWh aus. Etwa 70 Prozent dieses Potenzials entfallen auf die Modernisierung bestehender Wasserkraftanlagen.</p><p>Die Rolle der Wasserkraft bei der Energiewende</p><p>In den letzten Jahren wurden die Rahmenbedingungen einer vollständig auf erneuerbaren Energien basierenden Stromversorgung in Deutschland in verschiedenen Studien analysiert, so auch in der Studie "<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/szenarien-konzepte-fuer-die-klimaschutz/rescue-wege-in-eine-ressourcenschonende">RESCUE – Wege in eine ressourcenschonende Treibhausgasneutralität</a>" des Umweltbundesamtes. Sowohl die progressiven als auch die konservativen Szenarien unterscheiden sich hinsichtlich der künftigen Entwicklung der Wasserkraft nur geringfügig. Demnach wird die Wasserkraft keinen großen Beitrag zur deutschen ⁠Bruttostromerzeugung⁠ leisten. Alle Szenarien zeigen einheitlich, dass die Wasserkraft ihr technisch-ökologisches Potenzial im Großen und Ganzen bereits ausschöpft.</p><p>Wasserkraft und Klimawandel</p><p>Bei der Abschätzung der zukünftigen Stromerzeugung aus Wasserkraft ist der ⁠Klimawandel⁠ mit zu betrachten, denn die Höhe des Stromertrags hängt u.a. von der Wassermenge ab. Das Umweltbundesamt hat die möglichen Effekte des Klimawandels auf die Ertragssituation der Wasserkraft<a href="https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/klimafolgen-fuer-wasserkraftnutzung-in-deutschland">untersuchen lassen</a>. Demnach kann bis zur Hälfte des 21. Jahrhunderts mit einer Mindererzeugung aus Wasserkraft um ein bis vier Prozent und für den Zeitraum danach um bis zu 15 Prozent gerechnet werden.</p><p>So zeigen Berechnungen an ausgewählten Wasserkraftanlagen an Hochrhein, Lech und Main Schwankungen in der Stromerzeugung von plus/minus neun Prozent in Abhängigkeit des Wasserdargebots. Um mögliche Mindererzeugungen der Wasserkraft zu kompensieren, empfiehlt es sich, die Anlagen zu optimieren und die Vorhersagemodelle für den Oberflächenabfluss weiter zu verbessern.</p><p>Wasserkraftwerk bei Griesheim im Main von oberstrom fotografiert.</p><p>Wasserkraftwerk bei Griesheim im Main von unterstrom fotografiert.</p><p>Wasserkraftanlage in der Sieg (Unkelmühle).</p><p>Demonstration der Nutzung von Wasserkraft.</p><p>Wasserkraftanlage in der Saale bei Öblitz.</p><p>Wasserkraftanlage in der Saale unterhalb von Jena.</p><p>Wasserkraftnutzung im Bayerischen Wald.</p><p>Ausleitungswehr für die Wasserkraftnutzung bei Tübingen.</p><p>Literatur</p><p>Anderer Pia, Dumont Ulrich, Linnenweber Christof, Schneider Bernd (2009): Das Wasserkraftpotenzial in Rheinland-Pfalz. In: KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2009 (2) Nr. 4. 223-227.</p><p>Anderer, Pia; Heimerl, Stephan; Raffalski, Niklas; Wolf-Schumann, Ulrich (2018): Potenzialstudie Wasserkraft in Nordrhein-Westfalen. WasserWirtschaft 5 – 2018. 33-39.</p><p>⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=BMU#alphabar">BMU</a>⁠ (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) (2010): Potentialermittlung für den Ausbau der Wasserkraftnutzung in Deutschland als Grundlage für die Entwicklung einer geeigneten Ausbaustrategie. Aachen. 2010.</p><p>Helbig, Ulf; Stiller, Felix (2020): Potentialstudie WKA Brandenburg. Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik TU Dresden. Vortrag. (Unveröffentlicht).</p><p>International Hydropower Association (IHA) 2022: Hydropower Status Report. Sector trends and insights.</p><p>Kraus Ulrich, Kind Olaf, Spänhoff Bernd (2011): Wasserkraftnutzung in Sachsen – aktueller Stand und Perspektiven. 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Wasserkraft – mehr Wirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen. 11-18.</p><p>LANUV (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen) [Hrsg.] (2017): Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW Teil 5 – Wasserkraft. LANUV-Fachbericht 40. Pia Anderer, Edith Massmann (Ingenieurbüro Floecksmühle GmbH), Dr. Stephan Heimerl, Dr. Beate Kohler (Fichtner Water &amp; Transportation GmbH), Ulrich Wolf-Schumann, Birgit Schumann (Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbH). Recklinghausen 2017.</p><p>LfU - Bayerisches Landesamt für Umwelt (2020). Energieatlas Bayern.<a href="https://www.energieatlas.bayern.de/thema_wasser/daten.html">https://www.energieatlas.bayern.de/thema_wasser/daten.html</a>. Zugriff am 04.05.2021.</p><p>MWAG - Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern [Hrsg.] (2011): Landesatlas Erneuerbare Energien Mecklenburg-Vorpommern 2011. Projektbearbeitung: Energie-Umwelt-Beratung e.V./Institut Rostock. Schwerin – Neubrandenburg.</p><p>Naumann, S. (2022): Aktueller Gewässerzustand und Wasserkraftnutzung. In Korrespondenz Wasserwirtschaft 2022 (15) Nr. 12. 743-748.</p><p>Radinger, J., van Treeck R., Wolter C. (2021). Evident but context-dependent mortality of fish passing hydroelectric turbines. conservation biology. Volume36, Issue3. DOI: 10.1111/cobi.13870.</p><p>Reiss, J.; Becker, A.; Heimerl S. (2017): Ergebnisse der Wasserkraftpotenzialermittlung in Baden-Württemberg. In: WasserWirtschaft 10/2017. 18-23.</p><p>Theobald, Stephan (2011): Analyse der hessischen Wasserkraftnutzung und Entwicklung eines Planungswerkzeuges „WKA-Aspekte“. Universität Kassel. Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft. Erläuterungsbericht i.A. Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, Wiesbaden. August 2011.</p><p>TMWAT - Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie [Hrsg.] (2011): Neue Energie für Thüringen Ergebnisse der Potenzialanalyse. Thüringer Bestands- und Potenzialatlas für erneuerbare Energien. Studie im Auftrag des Thüringer Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Technologie 2010–2011.</p><p>⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠ - Umweltbundesamt [Hrsg.] (1998): Umweltverträglichkeit kleiner Wasserkraftwerke – Zielkonflikte zwischen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/k?tag=Klima#alphabar">Klima</a>⁠- und Gewässerschutz. Meyerhoff J., Petschow U.. Institut für ökologische Wirtschaftsforschung GmbH, Berlin, UFOPLAN 202 05 321, UBA-FB 97-093, In: UBA Texte 13/98, 1-150.</p><p>UBA -Umweltbundesamt [Hrsg.] (2001): Wasserkraftanlagen als erneuerbare Energiequelle –rechtliche und ökologische Aspekte. BUNGE T. et. al.. In: UBA Texte 01/01, 1-88.</p>

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung, Teilvorhaben: Modellierung virtueller Offshore Windparks zur Betriebs-, Last und Performanceoptimierung

Der Status quo in der Regelung von Windparks ist die Maximierung des Ertrags. Dies liegt einerseits an einer festen Einspeisevergütung nach EEG für Windparks in den ersten Betriebsjahren, zum anderen existieren keine zertifizierten Regler, die einen Betrieb bspw. in Abhängigkeit der ertragenen Lasten von Windenergieanlagen (WEA) zulassen. In diesem Projekt baut das IWES eine Echtzeitsimulation für Windparks auf, sodass die Windparkregelung effizient angepasst werden kann, dass ein Optimum aus Betriebslasten und Ertrag zu erzielt wird. Die Echtzeitsimulation erlaubt es hierbei, ohne Eingriff in einen realen Park, die Funktionsweise der Regelung zu testen und somit bspw. den Einfluss von 'Wake-Steering' oder Abregelung der Leistung einzelner WEA zu untersuchen. Hierbei wird durch die Echtzeitsimulation auch ein Abschätzen der bereits ertragenen Lasten eines Windparks ermöglicht. Dadurch kann der Betrieb der Turbinen so angepasst werden, dass stärker belastete WEA durch Lastreduzierung geschont und schwachbelastete WEA durch eine erhöhte Ertragsvorgabe mehr belastet werden. Hierbei kann durch die Echtzeitsimulation vom IWES dynamisch auf sich ändernde Umgebungsbedingungen des Windparks reagiert und ein Windparkregler getestet werden. Somit wird durch den digitalen Windparkzwilling ein Optimum aus Lasten und Ertrag ermöglicht.

Development of Enhanced Extension Possibilities for Micro Turbine Drilling in Mauerstetten, Teilvorhaben: Vorbereitung der Bohrung

Die wirtschaftlich bislang nicht nutzbare Tiefbohrung Mauerstetten soll für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt werden. Mit der vom Fraunhofer IEG entwickelten Technologie Micro Turbine Drilling - MTD lassen sich vergleichsweise kostengünstige, kleinkalibrige Ablenkbohrungen aus einer bestehenden Bohrung heraus in Formationen aus Hartgestein herstellen, um permeable Zonen anzuschließen und so die Durchlässigkeit im Falle nicht ausreichender Produktivität zu erhöhen und damit das Fündigkeitsrisiko zu minimieren. Bislang fehlende Mechanismen können in der Bohrung Mauerstetten in einer realitätsnahen Umgebung getestet und demonstriert werden, um den für industrielle Anwendungen benötigten Nachweis der zuverlässigen und wirkungsvollen Funktionalität zu erbringen. Die Bohrung Mauerstetten wird technisch vorbereitet, um die Befahrbarkeit mit dem MTD-System zu gewährleisten. Im Anschluss erfolgt die Demonstrationsphase. Im Rahmen des Vorhabens wird ein Konzept für eine mögliche Nachnutzung mit einer tiefen Erdwärmesonde erstellt, welches die Möglichkeit miteinbezieht, dass sich mit Hilfe des MTD-Systems die für die Wärmeübertragung benötigte Gesteinsoberfläche vergrößern lässt.

Laermentstehung und Laermminderung an Turbinenstufen mit Kuehlluftausblasung an den Turbinenleitschaufeln

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen Ergebnisse von Untersuchungen der Laermentstehungsmechanismen bei Geblaesen und Verdichtern auf den Anwendungsfall der Turbine mit Kuehlluftausblasung uebertragen werden. Ziel des Vorhabens ist es, Auslegungskriterien fuer die Wahl der Kuehlluftausblasung bei gekuehlten Turbinenstufen festzulegen, die zu einer Laermminderung von Turbinen beitragen.

Modellierung virtueller Offshore Windparks zum flexiblen Betrieb sowie zur Last- und Performanceoptimierung

Der Status quo in der Regelung von Windparks ist die Maximierung des Ertrags. Dies liegt einerseits an einer festen Einspeisevergütung nach EEG für Windparks in den ersten Betriebsjahren, zum anderen existieren keine zertifizierten Regler, die einen Betrieb bspw. in Abhängigkeit der ertragenen Lasten von Windenergieanlagen (WEA) zulassen. In diesem Projekt baut das IWES eine Echtzeitsimulation für Windparks auf, sodass die Windparkregelung effizient angepasst werden kann, dass ein Optimum aus Betriebslasten und Ertrag zu erzielt wird. Die Echtzeitsimulation erlaubt es hierbei, ohne Eingriff in einen realen Park, die Funktionsweise der Regelung zu testen und somit bspw. den Einfluss von 'Wake-Steering' oder Abregelung der Leistung einzelner WEA zu untersuchen. Hierbei wird durch die Echtzeitsimulation auch ein Abschätzen der bereits ertragenen Lasten eines Windparks ermöglicht. Dadurch kann der Betrieb der Turbinen so angepasst werden, dass stärker belastete WEA durch Lastreduzierung geschont und schwachbelastete WEA durch eine erhöhte Ertragsvorgabe mehr belastet werden. Hierbei kann durch die Echtzeitsimulation vom IWES dynamisch auf sich ändernde Umgebungsbedingungen des Windparks reagiert und ein Windparkregler getestet werden. Somit wird durch den digitalen Windparkzwilling ein Optimum aus Lasten und Ertrag ermöglicht.

Demonstration der emissionsarmen direkten H2-Verbrennung in Turbinen (für stationäre und mobile Anwendungen), Teilvorhaben: Prototypentests

Für die Nutzung von Wasserstoff in Luftfahrttriebwerken gibt es bisher keine geeigneten Brennkammerkonzepte. Der ASt untersucht das Verhalten einer neu konzipierten flugtriebwerks-tauglichen Düse zur direkten Wasserstoff (H2)-Verbrennung in einer Rich-Quench-Lean (RQL)-Brennkammer unter Hochdruckbedingungen und adressiert dabei auch den Einfluss der Wasserdampfinjektion auf das Betriebsverhalten. Die neue Technologie kann auch für stationäre Gasturbinen in der Energie eingesetzt werden. Dieses Projekt konzentriert sich darauf, eine erste Antwort auf die Frage zu liefern, ob eine Wasserstoffnutzung in typischen RQL-Brennkammern von modernen Turbofan-Triebwerken sinnvoll möglich ist. Der Ansatz dieses Projekts ist es, möglichst nah an bestehenden Brennkammerkonzepten zu bleiben; dadurch wird ein Retrofit möglich. Der im Verbund entwickelte Injektor wird dabei an die Versuchshardware des DLR-Hochdruckprüfstands adaptiert und die Eindüsung von Wasserdampf in den Versuchsträger implementiert. Mittels konventioneller, optischer und laserbasierter Messmethoden wird das Brennerverhalten im angestrebten Betriebsbereich grundlegend sowie detailliert charakterisiert. Diese Charakterisierung erfolgt sowohl für die reine Wasserstoffnutzung als auch für die zusätzliche Dampfinjektion mittels Abgassensorik, Druckpulsationssonden und wissenschaftlichen Kameras zur Ermittlung von Lage, Form und Ausdehnung der Flammenreaktion. Die Messergebnisse dienen der Identifikation und dem Verständnis der dominierenden Prozesse der H2-Hochdruckverbrennung sowie als Validierungsdaten für industrielle Entwicklungstools.

Demonstration der emissionsarmen direkten H2-Verbrennung in Turbinen (für stationäre und mobile Anwendungen), Teilvorhaben: Numerisch/experimentelle Untersuchungen in Hinblick auf zukünftige Turbinen

Zunächst soll ein H2 (Wasserstoff)-Prinzipversuch bei atmosphärischem Druck mit einer Wasserstoff tauglichen Düse in Kombination mit einem modular aufgebauten Brennkammerdesign durchgeführt werden. Darauf aufbauend wird eine geeignete Düse für gasförmigen Wasserstoff abgeleitet und in eine Modellbrennkammer integriert. Diese Brennkammer wird in wichtigen Betriebspunkten experimentell vermessen und numerischen Ergebnissen gegenübergestellt. Mit dem innovativen WET-Konzept (Turbofan-Flugtriebwerk mit Wassereinspritzung und - Rückgewinnung) wurde bereits ein neuartiges Antriebskonzept mit hohem Potenzial zur Reduktion der Klimawirkung des Fliegens vorgestellt. Das Konzept soll mit einer H2-Verbrennung kombiniert werden (H2-WET), um die Emissionen nochmals deutlich abzusenken. Im Fokus stehen hier Experimente mit H2-Verbrennung und Wassereinspritzung sowie konzeptionelle und numerische Aufgaben.

Demonstration der emissionsarmen direkten H2-Verbrennung in Turbinen (für stationäre und mobile Anwendungen)

Zunächst soll ein H2 (Wasserstoff)-Prinzipversuch bei atmosphärischem Druck mit einer Wasserstoff tauglichen Düse in Kombination mit einem modular aufgebauten Brennkammerdesign durchgeführt werden. Darauf aufbauend wird eine geeignete Düse für gasförmigen Wasserstoff abgeleitet und in eine Modellbrennkammer integriert. Diese Brennkammer wird in wichtigen Betriebspunkten experimentell vermessen und numerischen Ergebnissen gegenübergestellt. Mit dem innovativen WET-Konzept (Turbofan-Flugtriebwerk mit Wassereinspritzung und - Rückgewinnung) wurde bereits ein neuartiges Antriebskonzept mit hohem Potenzial zur Reduktion der Klimawirkung des Fliegens vorgestellt. Das Konzept soll mit einer H2-Verbrennung kombiniert werden (H2-WET), um die Emissionen nochmals deutlich abzusenken. Im Fokus stehen hier Experimente mit H2-Verbrennung und Wassereinspritzung sowie konzeptionelle und numerische Aufgaben.

Development of Enhanced Extension Possibilities for Micro Turbine Drilling in Mauerstetten, Teilvorhaben: Entwicklung eines Bohrlochmesssystems zur Überprüfung der Ergebnisse des DEEP MTD Verfahrens

In diesem Arbeitspaket soll ein spezifisches Bohrlochmesssystem entwickelt werden, mit welchem der Erfolg des DEEP MTD Verfahrens in der Tiefbohrung Mauerstetten gemessen werden soll, welches aber auch in anderen geothermischen Explorationsbohrungen eingesetzt werden kann. Die Solexperts GmbH wird zusammen mit der Solexperts AG im Unterauftrag dieses Bohrlochmesssystem für hydraulische In-Situ Versuche entwickeln, herstellen und testen. Die Messergebnisse in der Bohrung dienen als Grundlage der weiteren Verbesserung des MTD Verfahrens und liefern einen wertvollen Beitrag für das hydrogeologische Modell. Die Entwicklung umfasst eine elektrische downhole Steuerung (EHVU), downhole Ventile (SIT), eine Datenübertragung und Telemetrie, sowie ein System für die abschnittsweise Abdichtung von Bohrlochabschnitten (Doppelpackereinheit). Das System muss die Randbedingungen der etwa 4000 m tiefen Bohrung in Mauerstetten erfüllen (ca. 125 Grad C). Die unterbeauftragte Solexperts AG besitzt schon eine Systemdesignstudie (Bearbeitungszeit von ca. 1.5 Jahre) welches sie im Falle einer Förderung kostenneutral in das Projekt einbringen wird. Diese Studie umfasst das Gesamtsystem (kleinere Anpassungen sind pendent) und ein Grobdesign für die EHVU. Die zur Versuchsdurchführung nötige Mess- und Steuereinheit (EHVU) und der dazugehörende Downhole-Ventilblock (SIT) bilden das innovative Herzstück des Messsystems und befinden sich über der Doppelpackereinheit. Die EHVU und das SIT müssen noch entwickelt werden (Aufgabe Solexperts GmbH). Die Solexperts AG entwickelt das Gesamtsystem und baut den Protottyp. Die einzelnen Komponenten, sowie den Prototyp des Gesamtsystems wird die Solexperts GmbH im Autoklav in Bochum unter realistischen in-Situ Randbedingungen testen. Die Feldarbeit in Mauerstetten wird von beiden Firmen gemeinsam durchgeführt werden.

Turbomaschinen für Hydrogen Technologien, Teilvorhaben: 3.3 und 4.4b Wasserverdunstung im Laufrad eines Radialverdichters und Untersuchung eines digitalen Zwillingmodells von Gasdichtungen

Das Forschungsvorhaben untersucht auf der einen Seite die Auswirkungen der Wassereinspritzung auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters. Die Wassereinspritzung in Axialverdichtern von Gasturbinen ist eine gängige Praxis, um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu verbessern. Um dieses Potenzial auch in Radialverdichtern zu nutzen, sind weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Flüssigkeitseinspritzung notwendig. Die Radialverdichter werden hauptsächlich in der Prozessindustrie eingesetzt. Ziel dieses Projektes ist es die Berechnung und Einflüsse der Wassereinspritzung auf das Betriebskennfeld eines Radialverdichters zu untersuchen. Im Projekt (FKZ: 03EE5035B) wurde ein Radialverdichter mit Wassereinspritzung aufgebaut und Kennfelder mit und ohne Wassereinspritzung vermessen. Unklar ist das Potenzial der Wassereinspritzung, welches durch den Ort der Verdunstung bestimmt wird, welches hier adressiert werden soll. Im zweiten Thema wird die Abdichtung der Wellenenden, die verhindert, dass das Prozessfluid aus der Maschine in die Atmosphäre entweicht. Die Forschung an berührungslosen Gleitringdichtungen mit Trockengasschmierung DGS (Dry Gas Seals), wird aufgrund des geringen und kontrollierbaren Leckagestroms, des berührungslosen Betriebs und der Eignung für die Hochdruckumgebung, als Dichtungslösung eingesetzt. Im Projekt (FKZ: 03EE5041H) wurden die Prognosemodelle zur Berechnung des Dichtspaltes entwickelt und in ein digitales Zwillingsmodell implementiert. Die gesamte Architektur des digitalen Zwillings basierend auf einer Open Source IoT-Plattform. Im neuen Projekt wird das Gesamtkonzept auf eine reale Maschine übertragen. Die messbaren und nicht messbaren Prozessgrößen der realen Anlage und ihre logischen Zusammenhänge werden mit Hilfe von maschinellem Lernen und physikbasierten Modellen analysiert. Die Ergebnisse werden zur Leistungsoptimierung von Radialverdichtern in der Prozessindustrie genutzt.

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