UBA-Studie: Autarke Energieversorgung nur selten sinnvoll Die lokale Eigenversorgung mit Strom als Insel ohne Anschluss an das Stromnetz, ist für Städte und Gemeinden nur in Einzelfällen möglich. Insbesondere der Strombedarf für Industrie und Gewerbe lässt sich mit diesem Konzept nicht decken. Zu diesem Ergebnis kommt das Umweltbundesamt (UBA) in seiner Studie „Modellierung einer vollständig auf erneuerbaren Energien basierenden Stromerzeugung im Jahr 2050 in autarken, dezentralen Strukturen“. Dabei wurde in einem externen Gutachten für das Jahr 2050 die technisch-ökologische Machbarkeit einer Energieversorgung untersucht, in welcher der Strom innerhalb von kleinräumigen, dezentralen Strukturen wie Städten, Stadtteilen oder Gemeinden jeweils autark produziert wird. Diese Gebiete sind dabei weder untereinander noch nach außen hin über Stromleitungen vernetzt. Zur Deckung des jeweiligen Strombedarfs werden also ausschließlich die vor Ort vorhandenen Potentiale der erneuerbaren Energien genutzt, was mit der Notwendigkeit von Elektrizitätsspeichern einhergeht. UBA-Präsident Jochen Flasbarth: „Die Studie zeigt, dass sich diese Form der lokalen Autarkie in Einzelfällen unter günstigen Bedingungen zwar umsetzen lässt und dabei die lokale Erzeugung einen beachtlichen Anteil zu einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung beitragen kann. Für eine tragfähige regenerative Energieversorgung ganz Deutschlands eignet sich dieses Konzept aber nicht. Städte und Gemeinden können mit dezentraler Energieerzeugung zu maßgeblichen Akteuren der Energiewende werden. Die Einbindung lokaler Erzeugungsstrukturen in ein übergeordnetes Netz ist aber für ein effizientes, vollständig auf erneuerbaren Energien basierendes Energiesystem in Deutschland unerlässlich.“ In der Studie wurden für das Jahr 2050 zwei exemplarische Siedlungsstrukturen modelliert: ein „Dorf“ in ländlicher Umgebung mit niedriger Einwohnerdichte sowie ein „Stadtteil“ mit hoher Bebauungs- und Einwohnerdichte. Diese Strukturen wurden jeweils an einem Standort in Nord- und Süddeutschland untersucht, um die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen abzubilden, die sich auch auf die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen auswirken, insbesondere auf Solar- und Windkraft. In den Simulationen wurde unter anderem der Anteil der Elektromobilität am Individualverkehr oder die installierte Erzeugungsleistung der einzelnen Technologien variiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sich der Strombedarf von Haushalten und für private Elektroautos in ländlichen Siedlungsstrukturen im Rahmen einer autarken Versorgung decken lässt und zwar aus den vor Ort angenommenen Potenzialen für Photovoltaik und Windenergie. Um die dann vor Ort produzierte Energie auch komplett nutzen zu können und etwa längere Windflauten zu überbrücken, bedarf es allerdings sehr großer Energiespeicher. In Süddeutschland muss dafür sowohl bezüglich der installierten Erzeugungs- als auch der Speicherleistung ein höherer Aufwand betrieben werden als in Norddeutschland. In der urbanen Siedlungsstruktur kann eine autarke Versorgung unter den getroffenen Annahmen in keinem Fall dargestellt werden. In weiteren Simulationsrechnungen wurde, zusätzlich zu den privaten Verbrauchern, auch der Strombedarf von Industrie, Handel und Gewerbe modelliert und in die Betrachtungen mit einbezogen. Wenn der Strombedarf all dieser Verbraucher gedeckt werden soll, dann lässt sich eine autarke Stromversorgung auch in ländlichen Siedlungen nicht mehr umsetzen. Somit zeigt sich, dass das Konzept der lokalen Autarkie langfristig betrachtet in Einzelfällen, unter günstigen Bedingungen – zum Beispiel wenn vor Ort Strom aus geothermischen Quellen oder Wasserkraft gewonnen werden kann – umgesetzt werden könnte. Dies kann etwa an netzfernen Standorten wie entlegenen Ortschaften oder Inseln sinnvoll sein. Es kann aber kein Ansatz für eine tragfähige regenerative Energieversorgung für ganz Deutschland sein, da häufig die lokalen Energiepotentiale nicht ausreichen. Reichen sie doch aus, lassen sich die nötigen Stromspeicherkapazitäten wiederum nicht mit vertretbarem Aufwand realisieren. Gleichwohl kann die lokale Erzeugung einen beachtlichen Anteil zu einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung beitragen, wie das Umweltbundesamt bereits 2010 mit der Studie „Energieziel 2050 – 100% Strom aus erneuerbaren Energiequellen“ anhand des Szenarios „Regionenverbund“ gezeigt hat. Die Potentiale erneuerbarer Energiequellen müssen demnach dort erschlossen werden, wo sie vorhanden sind, und dann zu den Verbrauchszentren geleitet werden. Jochen Flasbarth: „Die Erkenntnisse der Studie unterstreichen die Notwendigkeit eines gut ausgebauten Transportnetzes sowie eines Verteilnetzes, das an eine dezentrale Einspeisung angepasst ist. Diese brauchen wir, um eine regenerativen Stromversorgung für ganz Deutschland zu erreichen“. Einerseits lassen sich damit großräumige Ausgleichseffekte bei der zeitlich und räumlich fluktuierenden Einspeisung aus erneuerbaren Quellen vorteilhaft nutzen. Andererseits lassen sich so Unterschiede in der räumlichen Verteilung der Potentiale erneuerbarer Energiequellen überwinden, wie etwa die Verfügbarkeit von hohen Windpotentialen in Norddeutschland bei gleichzeitiger Konzentration der Verbrauchszentren in Süd- und Westdeutschland.
Das Projekt "Teil-vorhaben: 1.4a, 3.4, 4.3b, 4.6a, 4.7a und 4.9 komplexe Simulationsverfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MTU Aero Engines AG durchgeführt. Um die Ziele des 7. Energieforschungsprogramms effizient und schnell realisieren zu können, sollen im AG Turbo Verbundprojekt Turbomaschinen für Hydrogen-Technologien (TurboHyTec) nachfolgende technologische Fragestellungen untersucht werden: Wasserstoffanwendungen sind von zentraler Bedeutung, sowohl bei der Ausweitung von Energie-Speicherkapazitäten, als auch bei der Rückverstromung (mittels Gasturbine oder Brennstoffzelle). Eine zukünftige Optimierung von Radialverdichter mit Volute zur Luftversorgung von Brennstoffzellen soll mittels aerodynamischer Simulation mit verbesserter Druckverlustbestimmung erfolgen (AP 1.4). Für eine stabile Stromversorgung sind Flexibilisierung im Betrieb von Kraftwerken und damit von deren Turbomaschinen von zentraler Bedeutung. Durch neu entwickelte effiziente SAS- und Thermal-Analysen für Verdichter sollen dann bei zukünftigen Verdichterauslegungen Stabilität und Wirkungsgrad erhöht werden (AP 3.4). Digitalisierung ist von zentraler Bedeutung über den gesamten Produktlebenszyklus einer Turbomaschine. Für weitere Effizienzsteigerungen und Flexibilisierungen im Betrieb sind disziplinübergreifende Auslegungsmethoden und Simulationen Voraussetzung, wie in AP4.3 Auslegungsmethoden zur Scheibenauslegung Turbine, basierend auf probabilistischen Methoden mit dem Einsatz mathematischer Ersatzmodelle und künstlicher Intelligenz (KI), in AP4.6 die Bereitstellung eines validierten Prozesses für skalenauflösende Kaskadensimulationen mit dem Fokus auf der Netz-generierung für diese Simulationen, in AP4.7 die Entwicklung einer Vorgehensweise zur simultanen nichtlineardynamischen Optimierung der Dämpfungswirkung durch die Außendeckbänder und Unterplattformdämpfer von Niederdruckturbinenlaufstufen unter Berücksichtigung von Energietransfer und in AP4.9 die Erstellung eines ergonomischen Gesamtprozesses für probabilistische Bewertungen, beginnend bei der Datenvorbereitung bis zur statistischen Nachbereitung der Ergebnisse.
Das Projekt "LiB2015: Helion - Hochenergie-Lithiumionen-Batterien für die Zukunft" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Münster, Institut für Physikalische Chemie durchgeführt. Design neuer Anoden für Lithiumionen Batterien basierend auf amorphem Kohlenstoff und davon abgeleiteten Kompositen und Synthese neuartiger Bindersysteme für diese sowie deren Einfluss auf die Zelldegradation. 1. Synthese von neuen Bindersystemen sowie die nötige chemische Funktionalisierung von Partikeloberflächen 2. Herstellung von Anoden unter Einbettung von amorphem Kohlenstoff bzw. der darauf basierenden Speichermetall-Komposite 3. Elektrochemische Charakterisierung der Anodenmaterialien Halbzellentests 4. Untersuchung der Material-Eigenschaftsbeziehungen sowie des Degradationsverhaltens Die Entwicklung neuer Materialien mit hoher Speicherkapazität und geringem Gewicht ist ein wichtiger Schritt hin zu Hochenergiesystemen, welche für das elektrische Fahren oder für die dezentrale Zwischenspeicherung von Strom aus regenerativen Energiequellen benötigt werden. Auch detaillierte Erkenntnisse zur Alterung von solchen Batterien sind momentan öffentlich nicht verfügbar. Die Uni Münster wird die erzielten Ergebnisse in erster Linie wissenschaftlich in Form von Patenten und Publikationen verwerten. Das erworbene generelle Know-how wird für weitere Arbeiten und Anträge nutzbar sein.
Das Projekt "Entwicklung einer Fertigungsmethodik für neuartige wettbewerbsfähige Hochenergiebatteriezellen zur Erprobung der Technologie für eine spätere Großserienfertigung in Deutschland (Li-FeM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Volkswagen Varta Microbattery Forschungsgesellschaft mbH & Co. KG durchgeführt. Ein wesentlicher Faktor für die Klimaverschiebungen ist der erhöhte Ausstoß von CO2. Eine Maßnahme zur CO2 Reduzierung ist die Effizienzsteigerung bei Fahrzeugen durch den hybriden Einsatz von Verbrennungsmotoren und / oder Elektromotoren (HEV / EV). Derzeit haben aber die Batteriesysteme nur relativ geringe Energiespeicherkapazitäten und sind sehr teuer. Nach dem US Department of Energy (Battery Seminar Ford Laudale 15. - 18. März 2010) liegen die heutigen Kosten bei 800 USD/kWh. Ziel dieses Projektes ist es daher, für Hochenergie-Li-Ion-Batteriezellen der übernächsten Generation (Ziel: 170Wh/kg, 200'/kWh) eine Fertigungsmethodik zu entwickeln, die in einer späteren Großserienproduktion die Herstellung neuer wettbewerbsfähiger Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterie-Zellen in Deutschland gestattet. Für die Fertigungsmethodik müssen zahlreiche Prozessschritte neu erforscht werden. Dies beginnt beim Trocken-Coaten der Aktivmaterialien und führt über den Vakuumnassmischprozess zum asymmetrischen, doppelseitigen Coaten der Anode und Kathode. Insbesondere müssen Herstellprozesse von Nano-Silizium, einem neuartigen Aktivmaterial, und die Verarbeitung von Carbon-Nanotubes als neues Leitmaterial erforscht werden. Ein neuartiges Elektrodenwickelkonzept mit innovativer LASER-Schnitt-Technologie wird erforscht und auf seine seriennahe Funktionalität überprüft. Weitere AP's beinhalten die Erforschung der optimalen Elektrolytverteilung, Formierungsprozedur sowie Entgasung.
Das Projekt "Teilprojekt Durchführung und Überwachung der Feldtests, Realisierung der bidirektionalen externen Kommunikation und Gesamtprojektleitung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MVV Energie AG durchgeführt. Im Projekt 'Modellstadt Mannheim' wird ein 'Internet der Energie' geschaffen, das das gesamte Elektrizitätssystem von der Stromerzeugung über die Netze bis hin zum Stromverbrauch intelligent steuert und regelt. Dadurch wird möglich, dass ganz unterschiedliche Akteure zusammen agieren können und einen gemeinsamen 'Marktplatz der Energie' schaffen. Vision des Projekts ist, die heutige Trennung der Funktionen zu überwinden. Als Teilnehmer am Marktplatz der Energie soll man Verbraucher oder Erzeuger, Energiehändler oder Verteilnetzbetreiber, Anbieter von Energiespeicherkapazitäten oder von Energiedienstleistungen, sowie Messdienstleister sein können - oder auch mehrere Funktionen gleichzeitig wahrnehmen. Zum Beispiel können heutige Kunden zukünftig verstärkt Erzeuger (Producer) und Verbraucher (Consumer) sein, damit in der Wortverbindung zum Prosumer werden.
Das Projekt "Turbomaschinen für Hydrogen Technologien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MTU Aero Engines AG durchgeführt. Um die Ziele des 7. Energieforschungsprogramms effizient und schnell realisieren zu können, sollen im AG Turbo Verbundprojekt Turbomaschinen für Hydrogen-Technologien (TurboHyTec) nachfolgende technologische Fragestellungen untersucht werden: Wasserstoffanwendungen sind von zentraler Bedeutung, sowohl bei der Ausweitung von Energie-Speicherkapazitäten, als auch bei der Rückverstromung (mittels Gasturbine oder Brennstoffzelle). Eine zukünftige Optimierung von Radialverdichter mit Volute zur Luftversorgung von Brennstoffzellen soll mittels aerodynamischer Simulation mit verbesserter Druckverlustbestimmung erfolgen (AP 1.4). Für eine stabile Stromversorgung sind Flexibilisierung im Betrieb von Kraftwerken und damit von deren Turbomaschinen von zentraler Bedeutung. Durch neu entwickelte effiziente SAS- und Thermal-Analysen für Verdichter sollen dann bei zukünftigen Verdichterauslegungen Stabilität und Wirkungsgrad erhöht werden (AP 3.4). Digitalisierung ist von zentraler Bedeutung über den gesamten Produktlebenszyklus einer Turbomaschine. Für weitere Effizienzsteigerungen und Flexibilisierungen im Betrieb sind disziplinübergreifende Auslegungsmethoden und Simulationen Voraussetzung, wie in AP4.3 Auslegungsmethoden zur Scheibenauslegung Turbine, basierend auf probabilistischen Methoden mit dem Einsatz mathematischer Ersatzmodelle und künstlicher Intelligenz (KI), in AP4.6 die Bereitstellung eines validierten Prozesses für skalenauflösende Kaskadensimulationen mit dem Fokus auf der Netz-generierung für diese Simulationen, in AP4.7 die Entwicklung einer Vorgehensweise zur simultanen nichtlineardynamischen Optimierung der Dämpfungswirkung durch die Außendeckbänder und Unterplattformdämpfer von Niederdruckturbinenlaufstufen unter Berücksichtigung von Energietransfer und in AP4.9 die Erstellung eines ergonomischen Gesamtprozesses für probabilistische Bewertungen, beginnend bei der Datenvorbereitung bis zur statistischen Nachbereitung der Ergebnisse.
Das Projekt "Netzintegration mobiler Energiespeicher: Testbasierte Evaluierung, technische Potentiale und Bereitschaft von Fahrzeughaltern (NET INES)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung durchgeführt. Zur Netzintegration insbesondere von fluktuierenden erneuerbaren Energien ist ein abgestimmter Ausbau von Leitungs- und Energiespeicherkapazitäten notwendig. Neben stationären Energiespeichern sind auch mobile Energiespeicher, wie z.B. Batterien in Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung. Ziel des beantragten Projektes ist es, technische, ökonomische und motivationale Voraussetzungen für die Netzintegration mobiler elektrischer Energiespeicher aus Traktionsbatterien aus Elektrofahrzeugen (EV) und ihrer Verwendung für Netzdienstleistungen (vehicle-to-grid (V2G)) zu erarbeiten, die den Anforderungen von Batterie und Stromnetz und den Erwartungen potenzieller Halter von elektrischen Fahrzeugen gerecht werden. Eine Bewertung der Voraussetzungen für die Netzintegration mobiler Energiespeicher bedarf der umfangreichen Analyse von Batterietechnologie, der Übertragungs- und Verteilnetze sowie von ökonomischen und motivationalen Faktoren. Aufgrund der sektorübergreifenden Systemanalyse, der engen Kooperationen der verschiedenen wissenschaftlichen Bereiche, der Erstellung von Modellen sowie zeitintensiven Tests von Batterien und netzbezogenen Anwendungen ist ein Projektzeitraum von 36 Zeitmonaten erforderlich. Der Arbeitseinsatz in den einzelnen Phasen ist bei den Partnern unterschiedlich. Der Institutsbereich IEK-STE des Forschungszentrum Jülich GmbH fungiert als Projektkoordinator und organisiert die Zusammenarbeit.
Das Projekt "Netzintegration mobiler Energiespeicher: Testbasierte Evaluierung, technische Potentiale und Bereitschaft von Fahrzeughaltern (NET INES)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. Zur Netzintegration insbesondere von fluktuierenden erneuerbaren Energien ist ein abgestimmter Ausbau von Leitungs- und Energiespeicherkapazitäten notwendig. Neben stationären Energiespeichern sind auch mobile Energiespeicher, wie z.B. Batterien in Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung. Ziel des beantragten Projektes ist es, technische, ökonomische und motivationale Voraussetzungen für die Netzintegration mobiler elektrischer Energiespeicher aus Traktionsbatterien aus Elektrofahrzeugen (EV) und ihrer Verwendung für Netzdienstleistungen (vehicle-to-grid (V2G)) zu erarbeiten, die den Anforderungen von Batterie und Stromnetz und den Erwartungen potenzieller Halter von elektrischen Fahrzeugen gerecht werden. Eine Bewertung der Voraussetzungen für die Netzintegration mobiler Energiespeicher bedarf der umfangreichen Analyse von Batterietechnologie, der Übertragungs- und Verteilnetze sowie von ökonomischen und motivationalen Faktoren. Aufgrund der sektorübergreifenden Systemanalyse, der engen Kooperationen der verschiedenen wissenschaftlichen Bereiche, der Erstellung von Modellen sowie zeitintensiven Tests von Batterien und netzbezogenen Anwendungen ist ein Projektzeitraum von 36 Zeitmonaten erforderlich. Der Arbeitseinsatz in den einzelnen Phasen ist bei den Partnern unterschiedlich. Der Institutsbereich IEK-STE des Forschungszentrum Jülich GmbH fungiert als Projektkoordinator und organisiert die Zusammenarbeit.
Das Projekt "Teilvorhaben: I1_Voith" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Voith Paper GmbH & Co. KG durchgeführt. In einem ersten Schritt werden Prozessdaten von Papiermaschinen analysiert. Hierbei wird der Frage nachgegangen, mit welchen Techniken und mit welchem Potential energieintensive Prozesse in der Papierherstellung bei Nutzung von Toleranzen, individueller Prozessträgheit und Energiespeicherkapazitäten, sowie der zeitlichen Flexibilität auf verschiedenen Prozessebenen, zeitlich verschoben werden können. Dabei muss die Produktionsqualität im Betrieb erhalten bleiben. In diesem Schritt visualisieren und optimieren wir die Energieeffizienz des Gesamtsystems bestehender Voith-Papiermaschinen. Die Entwicklung von Modulen und Algorithmen zur Erweiterung der dynamischen Regelung von Papiermaschinen und zur Vernetzung mit externen Datenquellen erfolgt im zweiten Schritt. Das Ziel hierbei ist die Regelung der Prozessparameter der Papierherstellung unter Berücksichtigung des fluktuierenden Energieangebots auf kurzen, mittleren und langen Zeitskalen unter Verwendung von intelligenten und prädiktiven Algorithmen und Industrie-4.0-Technologie. Datenbasierte Analyse; Visualisierung und Präskriptive Analytik eines dynamischen Energieverbrauchsmanagements; Entwicklung und Implementierung externer Schnittstellen in das Prozessleitsystem (PLS) inklusive einer prädiktiven Analytik von Energiemarktpreisen und der Bewertung und Einbindung auf Basis ökonomischer Kriterien; Implementierung von Modulen und Prognosefunktionen in das PLS nebst einer Implementierung von Verbrauchs-Fingerabdrücken nach Maschinen-Settings und Vorschlag von Betriebsstrategien.
Das Projekt "FLiPS - Feststoffbatterien mit Lithiummetall und Polymeren Schutzschichten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiespeicherkapazität viele mobile elektronische Anwendungen ermöglicht und spielen auch in der Elektro-mobilität und der Speicherung erneuerbarer Energien eine wichtige Rolle. Feststoffbatterien mit Lithiummetall versprechen noch leistungsfähiger und sicherer zu sein. Der Festelektrolyt spielt hier eine entscheidende Rolle, da er Anode und Kathode elektronisch voneinander isoliert, aber den Transport von Lithiumionen ermöglicht. Für eine konkurrenzfähige Feststoffbatterie muss der Gesamtwiderstand der Zelle möglichst niedrig sein. Zwar haben anorganische Festelektrolyte gute Ionenleitfähigkeit, aber Abreaktionen an den Kontaktflächen mit den Elektroden-materialien erhöhen den Zellwiderstand der Batterie und verringern deren Leistungsfähigkeit. FLiPS zielt darauf ab, dieses Problem durch die Entwicklung von polymeren Schutzschichten zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterialien zu lösen und durch das Herstellen von Feststoffbatterien mittels Foliengießverfahren einen niedrigen Zellwiderstand zu erreichen. Die polymeren Zwischenschichten sollen außerdem den mechanischen Kontakt zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterial verbessern, sowie den dendritischen Kurzschluss der Batterie verhindern. Dabei ist die ionische Leitfähigkeit von Polymerelektrolyten ausreichend, um als dünne Schutzschicht zu wirken und aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften sollten Polymere anorganischen Schutzschichten überlegen sein. Abschließend werden die für Anode und Kathode entwickelten Schutzschichtkonzepte in einer Pouchzelle kombiniert und deren stabile Zyklisierung mit Lithiummetall realisiert.