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Klimaschutzmodellregion Sauerland, Teilvorhaben: Entwicklung digitaler Wasserstoffnachweise

Entwicklung von innovativen Produktionsprozessen zur Herstellung von Wasserstoff-Rezirkulationsgebläsen, Teilprojekt: Entwicklung und Qualifizierung des Laserschweißverfahrens für Aluminiumdruckguss des Wasserstoff-Rezirkulationsgebläses

Elektrolyse mit Nutzung von Brauchwasser als Schnittstelle zur biologischen Methanisierung und Ozonierung, Teilprojekt BWB: Pilotanlagenbetrieb unter Einbeziehung des Klärwerks für die Elektrolyse mit Nutzung von Brauchwasser als Schnittstelle zur biologischen Methanisierung und Ozonierung

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojektes: Numerische und experimentelle Untersuchung zur Ammoniakverbrennung im Oxy-Fuel-Prozess

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.

Integriertes vollumfängliches Regio-Wasserstoffkonzept, Teilvorhaben: Modellierung eines vollintegrierten Elektrolysesystems

Spätestens seit der Verkündung der nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 spielt die Produktion und Verwendung von Grünem Wasserstoff in der deutschen und auch in der europäischen Energiewende eine bedeutende Rolle. Durch Grünen Wasserstoff wird die Sektorenkopplung ermöglicht und Grüner Strom kann für lange Zeiträume gespeichert werden. Die notwendigen Komponenten der Technologie, von der Erzeugung von Grünem Wasserstoff über den Transport bis hin zur Rückumwandlung in andere Energieformen, sind am Markt erprobt und werden aktuell skaliert. Somit können die Mengen an Wasserstoff, die für die kommenden Jahre benötigt werden (je nach Studie 4 TWh bei 1 GW installierter Elektrolyseleistung bis zu 20 TWh bei 5 GW installierter Elektrolyseleistung bis 2030) zumindest in Teilen in Deutschland selbst produziert werden. Bei der Skalierung der Anlagen kommen zwei Ansätze in Frage: Einerseits werden einzelne Anlagen größer, andererseits wird die Anzahl kleiner und mittelgroßer Anlagen erhöht. Grundsätzlich wird die Skalierung in beiden Dimensionen benötigt werden, um die enorme Nachfrage nach Grünem Wasserstoff bedienen zu können. Dieses Vorhaben fokussiert hierbei auf die skalierbare Auslegung und Produktion kleiner bis mittelgroßer Anlagen. So ist es das Ziel des Vorhabens, ein Konzept zu entwickeln, anhand dessen Elektrolyseure im Leistungsbereich von 500 kW bis 5 MW in eine regionale Energieversorgung eingebracht werden können. Hierbei gilt es, die entstehenden Stoffströme integriert zu betrachten, um so dezentrale und nachhaltige Wasserstoffkonzepte in die Realität zu überführen. Um dieses Konzept skalierbar zu entwickeln und an weiteren Standorten ausrollen zu können, muss ein grundsätzliches Vorgehen entwickelt werden, anhand dessen eine modularisierbare Anlage auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden kann.

Radialverdichter mit betriebsbereichserweiterndem Casing Treatment für effiziente wasserstoffbasierte Power-to-X-Technologien

Wasserstoff nimmt in der zukünftigen Energieversorgung einen wichtigen Stellenwert ein. Zur Verdichtung und Verflüssigung von Wasserstoff und anderen Energieträgern werden häufig Radialverdichter als Anlagenkomponente eingesetzt. Diese sind aufgrund ihrer hohen Stufendruckverhältnisse, ihrer Robustheit, ihrer niedrigen Investitionskosten sowie der guten Regelbarkeit besonders geeignet. Eine Erweiterung ihres stabilen Betriebsbereiches ist aufgrund der fluktuierenden Überschüsse der erneuerbaren Energien durch den zusätzlichen Einsatz eines Casing Treatments (CT) wünschenswert. Im Rahmen dieses Vorhabens wird ein CT für eine industrielle Radialverdichterstufe mit Vorleitrad (VIGV) ausgelegt und in den bestehenden Prüfstand integriert. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen dem Laufrad und dem CT muss der Aspekt der Instationarität bereits in der Auslegung berücksichtigt werden, um ein effektives Design zu entwickeln. Aus diesem Grund wird die Auslegung bzw. Optimierung erstmalig mit Hilfe eines Frequenzbereichsverfahrens durchgeführt werden. Die Verwendung effizienter Simulationsverfahren ermöglicht es, komplexe instationäre Problemstellungen auch mit hoher Anzahl an freien Parametern mit vertretbaren Ressourcenaufwand zu lösen. Die experimentellen Messkampagnen untersuchen erstmalig, in welchem Maße bei verschiedenen Drehzahlen die Kennfeldbreite des Radialverdichters mithilfe der Kombination aus CT und VIGV erweitert wird. Es soll geklärt werden, inwiefern der Vordrall des VIGVs die Wirksamkeit des CTs beziehungsweise die Stabilität der Stufe beeinflusst. Von besonderem Interesse sind der Entstehungsort und der Mechanismus der Strömungsphänomene, die zur Stabilitätsminderung führen. Zuletzt wird der Einfluss des CTs auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters untersucht. Die gleichzeitig durchgeführten instationären Strömungssimulationen vervollständigen das physikalische Verständnis der geplanten Messkampagne.

Tripelelement-Stabilisotopensignaturen zur Untersuchung des atmosphärischen Chlormethanbudgets

Die stratosphärische Ozonschicht absorbiert die UV-C und UV-B Sonnenstrahlung und schützt damit Pflanzen, Tiere und Menschen vor Strahlenschäden. Durch anthropogen emittierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) wird die Ozonschicht abgebaut. Da FCKWs seit dem Montrealer Protokoll stark zurückgegangen sind, werden halogenierte Verbindungen wie Chlormethan (CH3Cl), die aus natürlichen Quellen freigesetzt werden, für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre zunehmend relevant. CH3Cl ist das am häufigsten vorkommende chlorhaltige Spurengas in der Erdatmosphäre, das für etwa 17% der durch Chlor katalysierten Ozonzerstörung in der Stratosphäre verantwortlich ist. Daher wird CH3Cl vornehmlich die zukünftigen Gehalte an stratosphärischem Chlor bestimmen. Die aktuellen Schätzungen des globalen CH3Cl-Budgets und die Verteilung der Quellen und Senken sind sehr unsicher. Ein besseres Verständnis des atmosphärischen CH3Cl-Budgets ist daher das Hauptziel dieses Projektes.Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Chlor (Cl) hat sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Untersuchung des atmosphärischen CH3Cl-Budgets entwickelt. Das zugrundeliegende Konzept besteht darin, dass das atmosphärische Isotopenverhältnis einer Verbindung wie CH3Cl gleich der Summe der Isotopenflüsse aus allen Quellen angesehen werden kann, korrigiert um den gewichteten durchschnittlichen kinetischen Isotopeneffekt aller Abbauprozesse. Dadurch ist es möglich, die Bedeutung wichtiger Quellen und Senken mit bekannten Isotopensignaturen zu entschlüsseln. Eine Grundvoraussetzung für detaillierte Hochrechnungen des globalen Budgets ist die Bestimmung der durchschnittlichen Isotopenverhältnisse von H, C und Cl des troposphärischen CH3Cl. Aufgrund der relativ geringen Konzentration von atmosphärischem CH3Cl von ~550 ppbv stellt dies eine große messtechnische Herausforderung dar. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Antrags auf der erfolgreichen Entwicklung von Dreifachelement-Isotopenmethoden zur genauen Messung von atmosphärischem CH3Cl.Im ersten Schritt wird ein Probenahmesystem für große Luftmengen konstruiert und für die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse von CH3Cl optimiert. Das Probenahmegerät wird zunächst im Labor getestet und dann zum Sammeln von Luftproben an drei verschiedenen Orten eingesetzt: an der Universität Heidelberg, am Hohenpeißenberg und im Schneefernerhaus. Die Probenahmen werden über einen Zeitraum von einem Jahr durchgeführt, um möglichst auch saisonale Schwankungen zu erfassen. Die Isotopenverhältnisse der Proben werden mit modernsten massenspektrometrischen Methoden im Labor gemessen. Die Ergebnisse aller Standorte und Zeitpunkte werden in der Gesamtheit evaluiert, um die durchschnittlichen stabilen H-, C und Cl-Isotopenwerte einschließlich ihrer saisonalen Schwankungen darzustellen. Abschließend werden die Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für komplexe numerische Modelle kritisch diskutiert.

Wasserstoffstraßenbahn der neusten Generation, Teilvorhaben: Simulative Untersuchung des Wasserstoffspeichersystems inklusive Betankungskonzept und Degradationsmodellierung des Brennstoffzellen Antriebsstrangs

INSPIRE: Information system salt: planning basis, selection criteria and estimation of the potential for the construction of salt caverns for the storage of renewable energies (hydrogen and compressed air) - double saline and flat salt layers (InSpEE-DS) (WMS)

Which salt formations are suitable for storing hydrogen or compressed air? In the InSpEE-DS research project, scientists developed requirements and criteria for the assessment of suitable sites even if their exploration is still at an early stage and there is little knowledge of the salinaries’ structures. Scientists at DEEP.KBB GmbH in Hanover, worked together with their project partners at BGR and the Leibniz University Hanover, Institute for Geotechnics, to develop the planning basis for the site selection and for the construction of storage caverns in flat layered salt and multiple or double saliniferous formations. Such caverns could store renewable energy in the form of hydrogen or compressed air. While the previous project InSpEE was limited to salt formations of great thickness in Northern Germany, salt horizons of different ages have now been examined all over Germany. To estimate the potential, depth contour maps of the top and the base as well as thickness maps of the respective stratigraphic units were developed. Due to the present INSPIRE geological data model, it was necessary, in contrast to the original dataset, to classify the boundary lines of the potential storage areas in the Zechstein base and thickness layers, whereby the classification of these lines was taken from the top Zechstein layer. Consequently, the boundary element Depth criterion 2000 m (Teufe-Kriterium 2000 m) corresponds on each level to the 2000 m depth of Top Zechstein. However, the boundary of national borders and the boundary of the data basis could not be implemented in the data model and are therefore not included in the dataset. Information on compressed air and hydrogen storage potential is given for the identified areas and for the individual federal states. According to the Data Specification on Geology (D2.8.II.4_v3.0) the content of InSpEE-DS (INSPIRE) is stored in 18 INSPIRE-compliant GML files: InSpEE_DS_GeologicUnit_Isopachs_Zechstein.gml contains the Zechstein isopachs. InSpEE_DS_GeologicUnit_Isobaths_Top_Zechstein.gml and InSpEE_DS_GeologicUnit_Isobaths_Basis_Zechstein.gml contain the isobaths of the top and basis of Zechstein. The three files InSpEE_DS_GeologicStructure_ThicknessMap_Zechstein, InSpEE_DS_GeologicStructure_Top_Zechstein and InSpEE_DS_GeologicStructure_Basis_Zechstein represent the faults of the Zechstein body as well as at the top and at the basis of the Zechstein body. InSpEE_DS_GeologicUnit_Boundary_element_Potential_areas_Zechstein.gml contains the boundary elments of the potential areas at the top and the basis of Zechstein as well as of the Zechstein body. The three files InSpEE_DS_GeologicUnit_Uncertainty_areas_ThicknessMap_Zechstein.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Uncertainty_areas_Top_Zechstein.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Uncertainty_areas_Basis_Zechstein.gml represent the uncertainty areas of the Zechstein body as well as at the top and at the basis of the Zechstein body. InSpEE_DS_GeologicUnit_Potentially_usable_storage_areas_Storage_potential_in_the_federal_states.gml comprises the areas with storage potential for renewable energy in the form of hydrogen and compressed air. The six files InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Malm.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Keuper.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Muschelkalk.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Roet.gml, InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Zechstein.gml and InSpEE_DS_GeologicUnit_Salt_distribution_in_Germany_Rotliegend.gml represent the salt distribution of the respective stratigraphic unit. InSpEE_DS_GeologicUnit_General_salt_distribution.gml represents the general salt distribution in Germany. This geographic information is product of a BMWi-funded research project "InSpEE-DS" running from the year 2015 to 2019. The acronym stands for "Information system salt: planning basis, selection criteria and estimation of the potential for the construction of salt caverns for the storage of renewable energies (hydrogen and compressed air) - double saline and flat salt layers".

Effiziente, stabile und anwendungsreife Reaktoren für die photoelektrochemische Wasserspaltung auf Basis von nanostrukturierten Absorbern

Wasserstoff soll ein zentrales Element der Energiewende werden. Die Künstliche Photosynthese bietet eine attraktive Möglichkeit, Wasserstoff klimaneutral aus Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen. Trotz materialwissenschaftlicher Fortschritte wurde das Verfahren bislang nicht industriell umgesetzt. Eine Analyse des Standes von Wissenschaft und Technik zeigt, dass zentrale Hindernisse auf den Gebieten der Modultechnologie, Industriemesstechnik und Fertigungsverfahren liegen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll eine Zelltechnologie, die sich durch hohe Effizienz und Stabilität auszeichnet, vom Laboraufbau zu einer Demonstrationsanlage weiterentwickelt werden (TRL 4 zu TRL 6) . Gleichzeitig soll die industrielle Fertigung vorbereitet werden. Das Projektziel ist ein Modul aus mehreren Elektroden mit einer solar-to-hydrogen-Effizienz von mindestens 10 % und einer aktiven Fläche von etwa 100 cm2 pro Elektrode bei mindestens 12 Elektroden pro Modul. Die Ziele der Arbeiten am Fraunhofer CSP sind die Weiterentwicklung eines Labor-Teststandes sowie die Entwicklung eines einsatzbereiten Freiluft-Messstands für die langfristige Untersuchung der Demonstrationsanlagen unter Anwendungsbedingungen.

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