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Skalierbare Produktions-Erforschung für kostengünstige Thermoelektrische Generatoren mit Realanwendungstests und Untersuchung von Modularisierungskonzepten, Teilvorhaben: Integration eines Thermoelektrischen Generators in einen Pelletkessel und Erprobung

Um den Klimawandel zu begrenzen, ist neben dem Ausbau erneuerbarer Energien, auch die Steigerung der Energieeffizienz ein zentraler Baustein. Ein hohes Potenzial für Einsparungen liegt bei thermischen Prozessen. Thermoelektrische Generatoren (TEG) bieten eine branchenübergreifende Lösung die Effizienz dieser Prozesse zu erhöhen. Durch einen Halbleitereffekt wandeln sie Wärme ohne bewegliche Bauteile in Strom und können so zur Abwärmenutzung oder Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Aktuelle Untersuchungen zeigen das hohe technische und wirtschaftliche Potenzial der Technologie. Jedoch kann durch die Vielfältigkeit der Anwendungen bisher kein Skaleneffekt bei der Produktion erreicht werden. Um den Zielkonflikt zwischen individuellen Anforderungen und hoher Produktionsmenge zu lösen, wird im Projekt ein modularisierter Herstellungsprozess untersucht. Es wird die gesamte Prozesskette von der Definition der Randbedingungen, über die (teil-)automatisierte Auslegung und Herstellung, bis hin zur Integration in verschiedene Anwendungen demonstriert. Der Herstellungsprozess und die Laboruntersuchungen der TEG finden am DLR Institut für Fahrzeugkonzepte mit Thermoelektrischen Modulen der Fa. Isabellenhütte statt. Die Projektziele werden durch die Integration in einen Pelletkessel der Fa. Ritter, in einen Bioreaktor der Fa. DMT und in ein Biogas-BHKW mit der Fa. BITZER demonstriert. Dabei wird das Einsparpotenzial der Herstellkosten um 55%, insgesamt 10.000 Betriebsstunden mit über 80% der elektrischen Leistung und die realen Einsparungen von bis zu 40 t/Jahr CO2 durch die drei Anwendungen nachgewiesen. Darüber hinaus werden virtuelle TEG für eine Abgasreinigung der Fa. Bayer, eine Zinkschmelzanlage der Fa. Föhl, eine Bioraffinerie zur Wasserstofferzeugung der Fa. ProCone und den Verkehrssektor aufgezeigt. So wird der Technologietransfer von TEG in die Praxis ermöglicht, wodurch die Effizienz von thermischen Prozessen erhöht und der Klimawandel abgemildert werden kann.

Simulation des Regelverhaltens von Fernwaermenetzen 'SR'

Das Forschungsvorhaben ist Teil eines Verbundprojektes mit dem Titel 'Bessere Ausnutzung von Fernwaermeanlagen', das vom BMBF und sieben deutschen Fernwaermebetreibern finanziert wird. Ziel des Verbundprojektes ist es, Methoden und Software zu entwickeln, um den laufenden Betrieb einer Fernwaermeanlage so zu steuern, dass die wirtschaftlich guenstigste Loesung hinsichtlich Waermeerzeugung und Verteilung erreicht wird. Die fuer die Betriebsoptimierung erforderlichen Regeleingriffe der Steuertechnik und Leittechnik fuehren zu hydraulisch und thermisch instationaeren Zustaenden in der Anlage. Beispiele fuer optimierte Fahrvorschlaege sind: - gleitende Netzfahrzweisen, - Lastumlagerung zwischen Erzeugeranlagen, Nutzung industrieller Abwaerme, - Netzspeicherung, Netztrennung. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das instationaere Regelverhalten von Fernwaermenetzen zu analysieren. Das Regelverhalten eines Fernwaermenetzes ist die Reaktion des Netzes und seiner regelbaren Komponenten auf planmaessige Betriebsaenderungen und Stoerfaelle. Die hierfuer erforderliche Modelltechnik, einschliesslich der numerischen Methoden, wird im Rahmen des Projektes weiterentwickelt und in Software umgesetzt.

Einzelvorhaben: Monitoring und Bewertung von Effizienzmaßnahmen im Quartierskontext - Wärmeoptimierung für Nicht-Wohngebäude im Quartier Berlin Adlershof

Für das 420 ha umfassende Gebiet von Deutschlands größtem Wissenschafts- und Technologiequartier Berlin Adlershof besteht das Ziel, 30% Primärenergie -verglichen mit dem 'Business as usual' - trotz weiterem Zubau bis zur Standortauslastung einzusparen. Dieses Ziel wurde seit 2011 erfolgreich durch die Identifizierung und Umsetzung stromfokussierter Maßnahmen verfolgt. Aktuell verlagert sich der Arbeitsschwerpunkt auf wärmeseitige Optimierungsmaßnahmen, die ein unerlässlicher Baustein zur Zielerreichung sind. Ziel dieses Projektes ist es, Effizienzmaßnahmen für das Quartier abzuleiten und hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und CO2 Einsparungen zu bewerten. Dafür werden Messdaten im Quartier im Rahmen eines Monitorings aufgenommen und analysiert und Optimierungspotentiale für die Anlagentechnik und den Betrieb der Quartiersgebäude abgeleitet. Hierauf aufbauend wird das Potential zur Nutzung der anfallenden Abwärme im Technologiequartier ermittelt und hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Durchführbarkeit bewertet. Anschließend wird die Interaktion der Gebäude und das Potential zur Lastverschiebung im den Technologiepark Adlershof ermittelt. Hierfür wird ein Quartiersenergiemanagementsystem (QEMS) entwickelt und anhand eines Digitalen Zwillings des Quartiers simulativ angewendet. Die gewonnenen Ergebnisse werden schließlich hinsichtlich der Übertragbarkeit auf andere Quartiere analysiert und deren Umsetzbarkeit mit verschiedenen Standortpartnern diskutiert.

Entwicklung einer emissionsfreien Haushaltswaschmaschine

Großtechnisch skalierbare Direct Air Capture Technologie für die Produktion von eFuels auf Basis von Luft-CO2

In dem beantragten Vorhaben soll eine bereits erprobte, effiziente und für die Synthese von eFuels ausgelegte DAC-Technologie des ZSW, die bislang als Demonstrator im Maßstab 1 kg/h CO2 (DAC1) validiert wurde, aufgegriffen in Kooperation mit den Projektpartnern ela und atmosfair industrialisiert und erstmalig in den Maßstab 100 kg/h CO2 (DAC100) umgesetzt werden. Die Wäscher-basierte Technologie zeichnet sich durch eine kontinuierliche Betriebsweise, Nutzung von Prozessabwärmen (Elektrolyse bzw. nachgelagerte Synthese) und insbesondere eine einfache Skalierbarkeit aus. Beim Engineering des DAC100-Prototypen sollen insbesondere auch für die Industrialisierung relevanten Aspekte wie Fertigbarkeit in Serie, Robustheit und Recyclingfähigkeit der eingesetzten Materialien berücksichtigt werden. Ziel des Vorhabens ist es, die Technologie im Maßstab DAC100 in realer Einsatzumgebung im e-gas-Anlagenkomplex in Werlte zu betrieben und durch Vermessung der Performancedaten zu validieren. Hierzu wird die Technologie zur CO2-Bereitstellung in den Produktionsstandort für regeneratives Methan und LNG des Projektpartners ela integriert und im Demonstrationsbetrieb über mehrere Tausend Stunden betrieben. Ziel des Projektes und der begleitenden Wirtschaftlichkeitsanalysen ist es, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachzuweisen und die nächsten Skalierungsschritte in den energietechnischen relevanten Tonnen-Maßstab vorzubereiten. Es ist geplant, dass die Anlage nach Projektende im e-gas-Anlagenkomplex in Werlte weitergetrieben und regeneratives Luft-CO2 für die dortigen Syntheseprozesse bereitstellt.

Entwicklung und Qualifikation einer PROzesskette zur industriellen Herstellung Hochtemperatur ThermoElektrischer Module zur Abwärmenutzung, Energieeffizienzsteigerung und Senkung von CO2- Emissionen, Teilvorhaben: Realisation einer automatisierten, zuverlässigen Modul-Herstellung

Ziel ist die Entwicklung einer Pilotlinie zur automatisierten Herstellung von Hochtemperatur - thermoelektrischen (TE-) Modulen (TEM). TEM wandeln Wärme direkt in Elektrizität. Durch Abwärmenutzung mittels TEM ist eine Senkung der CO2 - Emission und eine Steigerung der Energieeffizienz möglich. Dies ist nur realisierbar, wenn die Herstellung von TEM auf ein kosteneffizientes industrielles Niveau gehoben wird. In ProTEM ist eine Senkung der Produktionskosten um 80% und ein Durchsatz von 12500 TEM/Jahr vorgesehen. Mit dem angestrebten, auf die elektrische Leistung bezogenen Preis von kleiner als 1 €/W stellen TE-Generatoren eine wirtschaftliche Alternative zur indirekten Abwärmenutzung dar. Das Konsortium bietet die Chance für eine Umsetzung der Ergebnisse sowie einen Technologietransfer und eine wirtschaftliche Verwertung und Vermarktung nach Projektende. Für kostengünstige TEM eröffnen sich zahlreiche Anwendungsfelder, da in Europa keine Technologie dieser Art existiert. Durch Nutzung industrieller Abwärme in Deutschland könnten jährlich 5 Milliarden € an Energiekosten eingespart werden.

Errichtung einer Anlage zur Beheizung der Gewächshäuser einer Gärtnerei mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen, die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme nutzbar machen

Bei dem Pilotvorhaben der OCER Energie GmbH im niedersächsischen Zetel (Kreis Friesland/Niedersachsen), wird die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme genutzt, um Gewächshäuser einer Gärtnerei ganzjährig, kontinuierlich mit Wärme zu versorgen. Damit kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Erdgasheizung rund die Hälfte des Brennstoffs eingespart werden. Der Ausstoß an klimaschädlichem Kohlendioxid wird um rund 368 Tonnen pro Jahr verringert. Die im Rahmen des Vorhabens benötigte Wärmeenergie soll mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen Brunnenwasser aus rund 30 Meter Tiefe, das ganzjährig ca. 10 Grad Celsius warm ist, gewonnen werden. Zusätzlich soll auch die Abwärme der Gasmotoren genutzt werden. Da an sonnenscheinreichen Tagen eine Beheizung der Gewächshäuser nicht nötig ist, wird die Wärme in dieser Zeit in Wassertanks gespeichert und je nach Bedarf zugeführt. Das Vorhaben kann ein Modell für eine Vielzahl von anderen Gärtnereien und Einrichtungen sein, bei denen die benötigte Energie oft die größten Kosten verursacht und Grundwasser in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Biomassebefeuertes Heizkraftwerk Warendorf

Holz, einschließlich Altholz, kommt eine wichtige Rolle als erneuerbarer Energieträger zu. Die energetische Nutzung von Biomasse kann wichtige Beiträge zur nachhaltigen Energieversorgung und zum Klimaschutz liefern. In Deutschland werden zur Zeit jährlich ca. 5 Mio. t Altholz ohne weitere stoffliche oder energetische Nutzung deponiert, rund 2 Mio. t werden exportiert. Es werden daher aus heutiger Sicht zusätzliche Kapazitäten zur energetischen Nutzung von Altholz benötigt. Hinzu kommt, dass nach Auslaufen der Übergangsregeln der TA Siedlungsabfall im Jahr 2005 die Deponierung von Altholz nicht mehr gestattet sein wird. Die Bio-Energiewerk Warendorf (BEW) GmbH & Co. KG beabsichtigt, regional anfallendes Aufkommen an unzerkleinertem Industrierestholz und Strauchschnitt in einem neu zu errichtenden 13 MW-Biomasse-Heizkraftwerk energetisch zu verwerten. Das emissionsseitig und energetisch optimierte Heizkraftwerk soll in einem Energieverbund mit dem ortsansässigen Industriebetrieb Warendorfer Hartsteinwerke, einer noch zu errichtenden Klärschlamm- und Strauchschnitttrocknungsanlage und der örtlichen, kommunalen Kläranlage betrieben werden. Das Biomasse-Heizkraftwerk wird die Warendorfer Hartsteinwerke mit Prozesswärme und Strom, die Kläranlage mit Strom und die Trocknungsanlage mit Niedertemperaturwärme versorgen. Überschussstrom wird in das öffentlich Stromnetz eingespeist. Zur Vermeidung von Geruchsemissionen wird die Abluft der Trocknungsanlage im Heizkraftwerk als vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt. Der in der Trocknungsanlage behandelte Strauchschnitt wird im Heizkraftwerk als Brennstoff eingesetzt, der getrocknete Klärschlamm wird an das örtliche Klärwerk zurückgeführt und extern verbrannt. Durch die energetische Verwertung von jährlich 27.000 t Industrierestholz und 3.000 t Strauchschnitt in der geplanten, dezentralen Anlage zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung sollen ca. 88 Mio. kWh/a fossile Energieträger substituiert und pro Jahr ca. 40.000 t CO2-, 10 t Staub-, 213 t SO2-, 85 t NOx- und 33 t CO-Emissionen vermieden werden. Das Vorhaben wird einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien leisten. Zudem trägt das Projekt zur Verminderung von Treibhausgasemissionen bei. Dabei ist insbesondere auf den vorgesehenen Energieverbund im Sinne einer kooperativen Kraft-Wärme-Wirtschaft hinzuweisen. Das Vorhaben wird durch ein umfangreiches Messprogramm begleitet und somit Erkenntnisse liefern, wie Altholz in feuerungs- und emissionsseitig optimierten, dezentralen Holzheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung im Verbund mit anderen Anlage genutzt werden kann und mit welcher Wirtschaftlichkeit dies machbar ist.

Weiterentwicklung und Erprobung eines Hochtemperaturwärmespeichers mit innovativer Füllkörpertechnologie und Luft als Wärmeträger in der Keramikindustrie, Teilvorhaben: Untersuchung zur Filtration und Zwischenspeicherung hochtemperierter Abwärme zur Nutzung im keramischen Brennprozess

Ziel des Teilprojektes ist die Untersuchung der Möglichkeit zur Nutzung der direkten Abluft aus den Brennprozessen der Comet Schleiftechnik GmbH. Die direkte Nutzung bringt Kostenvorteile, da Wärmeübertrager wegfallen und erhöht das Potential an rückgewonnener Energie, da Verluste durch Wärmeübertrager vermieden werden. Durch die direkte Nutzung der Abluft kann es jedoch über die Zeit zu Ablagerungen von Stäuben oder Kondensaten auf den Leitungen und Speicherkomponenten kommen, die die Performance des Speichers beeinträchtigen. Daher müssen zunächst die Verschmutzungsmechanismen analysiert werden. Im weiteren Verlauf muss die die Spezifikation für das Speichersystem inklusive gegebenenfalls erforderlichem Filtersystem erstellt werden. Darauf basierend koordiniert Comet den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Demonstrators. Im laufenden Betrieb untersucht Comet das Potential unterschiedlicher verfahrenstechnischer Betriebsführungen des Demonstrators und der Möglichkeit eines Power-To-Heat Moduls. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems bewertet.

Weiterentwicklung des Campus Lichtwiese Energiesystems mit Integration erneuerbarer Energiequellen und Abwärme, Weiterentwicklung des Campus Lichtwiese Energiesystems mit Integration erneuerbarer Energiequellen und Abwärme

Die TU Darmstadt strebt eine drastische und zeitnahe Reduktion der Treibhausgasemissionen an. Zu diesem Ziel wurden im Rahmen der Vorgängerprojekte EnEff Campus Lichtwiese I und II Maßnahmen theoretisch und praktisch untersucht und umgesetzt. Nachdem in Phase II bereits Einzelmaßnahmen umgesetzt und hinsichtlich ihres Einflusses auf die effiziente Energieversorgung des Campus bewertet wurden, erfolgt in Phase III die physische und digitale Integration dieser und weiterer Maßnahmen, die aufbauend auf den Erkenntnissen der Phase II geplant werden, in das Energiesystem des Quartiers. Der Fokus liegt dabei auf der Integration CO2-freier Energiequellen und wird aus drei verschiedenen Perspektiven untersucht. Durch die Umsetzung einer elektrischen Energiezelle wird eine PV-Anlage mit Flexibilitäten und einem Batteriespeicher kombiniert um deren Erzeugung effektiv in einem Subquartier und im gesamten Campus zu integrieren. In einem weiteren Subquartier steht der Verbund von Abwärme aus mehreren Quellen, Solarthermie und einem geothermischen Speicher zur Nutzung in Bestandsgebäuden im Fokus. Dabei wird auch bewertet, wie geringinvasive Maßnahmen im Gebäudebestand umgesetzt werden können, um Wärme aus CO2-freien Quellen dort nutzbar zu machen. Durch den aktiven Digitalen Zwilling werden einzelne Komponenten anhand einer mathematisch optimalen Betriebsstrategie automatisiert gesteuert. Neben der Integration der genannten Energiespeicher werden auch bereits vorhandene thermische und elektrische Flexibilitäten regelungstechnisch nutzbar gemacht. Alle Umsetzungsmaßnahmen und ihre Interaktion werden im realen Betrieb erprobt und auf ihr Skalierungspotential hin untersucht. Das Projekt wird von einem interdisziplinären Forschungsteam aus vier Fachrichtungen sowie dem Baudezernat bearbeitet. Durch die Beteiligung des Baudezernats ist die dauerhafte Nutzung der Projektergebnisse gewährleistet. Damit wird das Projekt die TU Darmstadt auf dem Weg zur Klimaneutralität unterstützen.

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