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Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Koordination und weltweites Energiesystemmodell TIAM

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Neben der Koordination des Projektes und der Zusammenarbeit mit dem TCP ETSAP ist das Ziel des IER TIAM hinsichtlich der Industrieprozesse zu erweitern um Aussagen über den weiteren Einsatz von Wasserstoff und Synfuels, sowie möglicher Pfadabhängigkeiten zu treffen. Die Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops, Veröffentlichungen und als open Data Verbreitung finden.

Wasserstoff für eine 100% erneuerbare Energieversorgung für Inseln in Südostasien

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Keramische Membranen für die Gastrennung

In MemKoWI ist geplant, Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 und H2 in Industrien zu untersuchen, in denen sie bisher nicht etabliert sind. Das Potenzial, dass sie sich hier als skalierbare und durch die Möglichkeiten verschiedene keramische und polymere Membranmaterialien zu innovativen Kombinationen Lösungen zu verschalten, flexible und anpassbare Technologie, erweist ist sehr groß. Allerdings ist ebenfalls mit erheblichen Risiken zu rechnen. Im Vergleich zu den bisher untersuchten Einsätzen von Membranverfahren zur CO2-Abtrennung aus Kohlekraftwerksrauchgasen, zeichnen sich die in MemKoWI adressierten Gase durch andere Zusammensetzungen aus. Somit kann die Einsetzbarkeit der Verfahren zwar durch Berechnungen abgeschätzt, deren stabiler Einsatz aber nur im Versuch im Betriebsumfeld nachgewiesen werden. Potenzielle Anwender können so von den Vorteilen der Membranverfahren überzeugt werden. In MemKoWI ist der Einsatz von drei Testanlagen geplant. Eine der Anlagen ist bereits vorhanden und soll modifiziert werden, während die beiden anderen Anlagen neu zu bauen sind. Die hiermit verbundenen Kosten sind weder aus der Grundfinanzierung der beteiligten Forschungsinstitutionen noch aus den F&E-Budgets der beteiligten Unternehmen zu finanzieren. Weiterhin stellt die Einbindung der Anlagen in Industriestandorte einen erheblichen, anderweitig nicht finanzierbaren Aufwand dar. Die für die Membranherstellung verwendeten Rohmaterialien müssen in hinreichender Menge beschafft, verarbeitet und in Membranmodule verbaut werden. Auch die Ausgaben hierfür übersteigen die F&E-Budgets. Das für die Durchführung der geplanten Arbeiten notwendige Personal kann nur zum Teil aus der Grundfinanzierung gestellt werden. Projektpersonal muss, gerade auch im Hinblick auf die Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten, eingestellt werden und der Personalaufwand für die Betreuung der Testanlagen abgedeckt werden.

Referenzkraftwerk Lausitz, Teilvorhaben: Systemintegration, Regelung und thermische Konzeptionierung

Das Verbundprojekt Reallabor Referenzkraftwerk Lausitz 'RefLau' besteht aus einem kommerziellen und einem Forschungs- und Entwicklungsteil. Im F&E-Teil forschen das Fraunhofer IEG, die TU Dresden und die BTU Cottbus-Senftenberg an einem innovativen Kraftwerkskonzept, das in der Lage ist, alle Produkte und Dienstleistungen eines heutigen konventionellen, thermischen Kraftwerks zur Verfügung zu stellen. Die Kernkomponenten bestehen aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle, einem Superkondensator und einem Elektrolyseur. Neben der Rückverstromung von Wasserstoff werden Systemdienstleistungen wie die Bereitstellung von Blindleistung, Regel- und Momentanreserve sowie von Fehlerstrom demonstriert. Es werden die benötigten Regel- und Steueralgorithmen entwickelt und das Zusammenwirken der Komponenten getestet. Weiterhin werden Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung und -aufwertung untersucht und eine technische Lösung konzipiert. Zur Simulation kritischer Anlagenfahrweisen wird ein Digitaler Zwilling erstellt, der ebenfalls zur Übertragung und Skalierung der Ergebnisse dient. Die Errichtung der Demonstrationsanlage erfolgt am Standort Spremberg im Industriepark Schwarze Pumpe.

Photochemie von wichtigen reaktiven Stickstoffverbindungen in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre und Stratosphäre

Starkes Nachtleuchten tritt in der oberen Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MUT) der oberen Erdatmosphäre auf und enthält eine Emissionsschicht, die von angeregtem Stickstoffdioxid (NO2) hervorgerufen wird. Anregungsmechanismen, die zum angeregten Stickstoffdioxid in der MUT und Stratosphäre beitragen, stehen im Mittelpunkt dieses Projekts, da sie nicht gut verstanden sind. Stickstoffdioxid ist auch in der Stratosphäre wichtig, da es zum Ozonabbau beiträgt. Die Photochemie von reaktiven Stickstoffverbindungen (N, NO, NO2) wird in der MUT und der Stratosphäre auf der Grundlage der jetzt verfügbaren globalen Emissionsmessungen analysiert. Für diese Aufgabe wird das MAC-Modell (Multiple Airglow Chemie) erweitert, um Reaktionen mit reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen (O(3P), O(1D), O3 und H, OH, HO2) zu berücksichtigen. Berechnungen mittels der aktuellen MAC Version ermöglichen die Berücksichtigung von reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoff-verbindungen. Diese Berechnungen wurden auf der Grundlage von in situ Raketenmessungen in der MUT validiert. In Anbetracht früherer Studien zur Untersuchung der Stickstoffdioxid-emissionen wird die Berechnung der Konzentrationen der wichtigsten Repräsentanten von reaktiven Sauerstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffverbindungen in der Stratosphäre unter Verwendung der erweiterten Version des MAC-Modells auf der Grundlage neuer Messungen durchgeführt. Reaktionen, die in der erweiterten Version des MAC-Modells berücksichtigt werden, können in ein photochemisches Modul eines GCM (general circulation model) übernommen werden.

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Aufbau einer Pilotanlage zur modularisierten Nutzung löslicher und unlöslicher Kohlenstoffabfallströme aus der Lebensmittelindustrie, Teilvorhaben: Betriebliche Integration der neuen Konversionstechnologie

In dem hier vorgeschlagenen Projekt möchten wir ein integriertes biotechnologisches System für die Verwertung fester und gelöster organischer Abfallströme zu Bioenergie entwickeln. Es sind bereits einige Technologien für die Bioenergiegewinnung aus Abfällen etabliert. Allerdings ist es die Verbindung mit weiteren neuen Technologien zu einem modularen Netzwerk von kommunizierenden Modulen, was für zukünftige Akteure notwendig sein wird, um die Biomasse-/Bioabfallressourcen bis zu ihrem vollen Potenzial hin nutzen zu können. Wir möchten eine skalierbare Pilotanlage für die integrierte Umwandlung fester und löslicher organischer Abfallströme in Biogas und Wasserstoff entwickeln. Zu diesem Zweck sollen drei Module gebaut und miteinander verbunden werden, die aus der sauren Hydrolyse von Feststoffen, der Biogaserzeugung aus gelöstem org. Kohlenstoff und der Biowasserstofferzeugung mit Hilfe bioelektrochemischer Technologien bestehen. Das System wird in Zusammenarbeit zwischen der TU Hamburg und der Firma Popp Feinkost GmbH gebaut und am Industriestandort mit realen Abfallstoffströmen betrieben werden.

Sektorgekoppeltes Hybridkraftwerk zur CO2-neutralen Energieversorgung der NürnbergMesse GmbH, Teilvorhaben: TGA-Konzeption und Umsetzungsbegleitung eines komplexen, sektorgekoppelten Hybridkraftwerks zur Standortversorgung der NürnbergMesse GmbH

Entwicklung und Verifizierung von Kathodenluftfiltern für stationäre Brennstoffzellensysteme im maritimen, Baustellen- und Landwirtschaftsbereich, Teilvorhaben: Filterprüfmethodik und Untersuchung Schadgaseinfluss auf der Kathode

Prototypenentwicklung eines schwimmenden Offshore-H2-Generators und Planung von GW-Offshore-Wasserstoffparks, Reaktionstechnische Untersuchungen der Speichereinheit eines schwimmenden Offshore-H2-Generators

Für den im Gesamtprojekt geplanten schwimmenden Wasserstofferzeuger mit Speicherung des Wasserstoffs in LOHC wird untersucht welchen Einfluss die Wellenbewegungen bzw. die Bewegung der Plattform auf das Betriebsverhalten des Hydrierreaktors hat. Dazu wird ein vereinfachter Labor-Hydrierreaktor auf einer maschinell schwenkbaren Plattform aufgebaut, betrieben und auf seine Leistungsfähigkeit und die Stabilität des Betriebsverhaltens hin untersucht. Sollten sich negative Einflüsse der Bewegung auf die Leistungsfähigkeit und Betriebsstabilität ergeben werden strömungsregulierende Einbauten in den Reaktor auf ihre Wirksamkeit untersucht. Weiterhin wird der Einfluss von Verunreinigungen im LOHC, wie sie unter Offshore-Bedingungen zu erwarten sind, untersucht. Die zu betrachtenden Verunreinigungen sind im wesentlichen Wasser und Natriumchlorid, die durch Verschleppungen beim Transport und Umschlag des LOHC auf See in das System gelangen können. Es wird sowohl der Einfluss der Verunreinigungen auf die Leistungsfähigkeit des verwendeten Katalysators als auch auf die mögliche Bildung von Nebenprodukten untersucht. Diese Untersuchungen werden in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitspaketen zur Simulation der Fluiddynamik im Reaktor und zur Bewegung der Plattform durchgeführt. In weiteren Arbeitspaketen wird anhand der zu erzielenden Leistung der Gesamtanlage die Kennzahlen des LOHC-Anlagenteils ermittelt und eine Grobauslegung des Hydrierreaktors durchgeführt. Des Weiteren wird die LOHC-Anlage in die Gesamtanlage integriert, ganz besonders soll hierbei die anfallende Wärmeleistung des Hydrierreaktors zum Betrieb der Gesamtanlage genutzt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Anlagenplanung ein, die letztlich in das finale Design eines 5 MW-Prototypen mündet.

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