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Virtuelles Institut NRW: Strom zu Gas und Wärme

Das Projekt "Virtuelles Institut NRW: Strom zu Gas und Wärme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. durchgeführt. Die Transformation der deutschen Energieversorgung im Rahmen der Energiewende stellt eine enorme Herausforderung dar. Oberstes Ziel ist der Klimaschutz bei gleichzeitiger Sicherstellung der Versorgungssicherheit durch bezahlbare technische Lösungen, die die volatilen erneuerbaren Energien sicher in die Netze integrieren. Um diese Ziele erreichen zu können sind verschiedene Lösungsansätze notwendig, die sowohl einer Flexibilisierung auf Seiten der Erzeuger als auch der Verbraucher bedürfen. Eine verstärkte Kopplung der verschiedenen Sektoren, wie z.B. Strom, Gas und Wärme, Industrie oder Mobilität, rückt dabei immer weiter in den Fokus der Forschung. Eine zunehmende Bedeutung haben dabei Flexibilitätsoptionen, wie zum Beispiel Demand-Side-Management (DSM), Power-to-Heat (PtH), Power-to-Gas (PtG) oder auch die Erzeugung von chemischen Produkten (PtC) oder Kraftstoffen (PtF) aus Überschussstrom. Gemeinsam wird diese vielseitige Technologiefamilie häufig als Power-to-X abgekürzt. Das Virtuelle Institut 'Strom zu Gas und Wärme' untersucht im Auftrag der nordrhein-westfälischen Landesregierung die Integration dieser Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund des Energiemarktes, der Netzstabilität und des zunehmend zusammenwachsenden Gesamtsystems und leitet daraus Handlungsempfehlungen für Wissenschaft, Wirtschaft und Industrie ab.

Teilprojekt A

Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Mainz, Institut für Physikalische Chemie durchgeführt. ETOS strebt die Etablierung eines interdisziplinären Innovationsnetzwerkes für die Elektrifizierung technisch relevanter Synthesen zur Herstellung von organischen Wertstoffen und Chemikalien an (Power-to-Chemicals). Die Elektrosynthese komplexer organischer Chemikalien ist bisher eine Nischentechnologie, wird jedoch durch die voranschreitende Energie- und Rohstoffwende und die durch den Klimawandel notwendige Defossilierung und erweiterte Nutzung elektrischer Energie (Sektorenkopplung zur Elektrifizierung der Chemikalienproduktion) zu einer Schlüsseltechnologie für die Chemieindustrie. Die direkte Nutzung von Strom als Reagenz ist besonders attraktiv, da es keine direkten Reagenzabfälle erzeugt, milde Synthesebedingungen erlaubt und inhärent sicher ist. Entscheidende Schlüsselergebnisse aus der Wissenschaft sind das elektrosynthetische Screening und Kapillarspaltzellen zur energieeffizienten Umsetzung, die zu kürzeren Synthesewegen und dem Ersatz von umweltschädlichen Verfahren, gefährlichen Reagenzien sowie kritikalen, fossilen Ressourcen führen. Für eine großskalige, disruptive Einführung der Elektrosynthese in der chemischen Industrie benötigt das Feld eine Revolutionierung hin zu modernen und kompetitiven Prozessen und Produktionsanlagen, wie Anfang des 20. Jahrhunderts die chemische Industrie. ETOS wird die erste große Technologieplattform sein, die sich mit dem Transfer organischer, elektrochemischer Synthesen vom Labor- in den industriellen Maßstab beschäftigt und Lösungsvorschläge und Schlüsseltechnologien, u.a. neue Systeme für KI-basierte Screening- und Elektrosyntheseverfahren und die technische Konzeption modular anpassbarer Kapillarspaltreaktoren für verschiedene Größenskalen, für nachhaltige, robuste und zukunftsfähige Prozesse und Produkte generieren wird. Zu den akademischen Partnern zählen federführend die JGU Mainz und das Karlsruher Institut für Technologie.

Teilprojekt B

Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien durchgeführt. ETOS strebt die Etablierung eines interdisziplinären Innovationsnetzwerkes für die Elektrifizierung technisch relevanter Synthesen zur Herstellung von organischen Wertstoffen und Chemikalien an (Powerto-Chemicals). Die Elektrosynthese komplexer organischer Chemikalien ist bisher eine Nischentechnologie, wird jedoch durch die voranschreitende Energie- und Rohstoffwende und die durch den Klimawandel notwendige Defossilierung und erweiterte Nutzung elektrischer Energie (Sektorenkopplung zur Elektrifizierung der Chemikalienproduktion) zu einer Schlüsseltechnologie für die Chemieindustrie. Die direkte Nutzung von Strom als Reagenz ist besonders attraktiv, da es keine direkten Reagenzabfälle erzeugt, milde Synthesebedingungen erlaubt und inhärent sicher ist. Entscheidende Schlüsselergebnisse aus der Wissenschaft sind das elektrosynthetische Screening und Kapillarspaltzellen zur energieeffizienten Umsetzung, die zu kürzeren Synthesewegen und dem Ersatz von umweltschädlichen Verfahren, gefährlichen Reagenzien sowie kritikalen, fossilen Ressourcen führen. Für eine großskalige, disruptive Einführung der Elektrosynthese in der chemischen Industrie benötigt das Feld eine Revolutionierung hin zu modernen und kompetitiven Prozessen und Produktionsanlagen, wie Anfang des 20. Jahrhunderts die chemische Industrie. ETOS wird die erste große Technologieplattform sein, die sich mit dem Transfer organischer, elektrochemischer Synthesen vom Labor- in den industriellen Maßstab beschäftigt und Lösungsvorschläge und Schlüsseltechnologien, u.a. neue Systeme für KI-basierte Screening- und Elektrosyntheseverfahren und die technische Konzeption modular anpassbarer Kapillarspaltreaktoren für verschiedene Größenskalen, für nachhaltige, robuste und zukunftsfähige Prozesse und Produkte generieren wird. Zu den akademischen Partnern zählen federführend die JGU Mainz und das Karlsruher Institut für Technologie.

Teilvorhaben Z0

Das Projekt "Teilvorhaben Z0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-9: Grundlagen der Elektrochemie durchgeführt. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Das FZ Jülich arbeitet an den Arbeitspaketen AP1.1 bis 1.4, 2, 3.1, 3.2, 4.1 und 4.2 des Forschungsclusters A3 (Schwerpunkt), sowie dem AP2 des FC-A1, den AP1 und 2 des FC A2, AP2.1 und 6.1 des FC-B1. FC-A3: Hochtemperatur Co-Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasserdampf bietet eine alternative Technologie zur direkten Umwandlung von elektrischem Strom zu Synthesegas. Ein attraktiver Vorteil der Technologie ist die Möglichkeit durch Variation von Betriebsparametern (Temperatur, Strom, Eduktgas) definierte Synthesegas-Zusammensetzungen zu erzeugen, die für industrielle Anwendungen relevant sind (1 kleiner als H2:CO kleiner als 3). Die technologischen Herausforderungen liegen in der weiteren Erhöhung der Stromdichten, dem Verständnis des funktionalen Zusammenhangs der Betriebsparameter und der Synthesegasstöchiometrie, dem Stackdesign beim Betrieb unter Druck, der Fertigung, sowie der Erhöhung der Lebensdauer. FC-A1: Neue Materialien und Elektroden für die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Hochdruck-H2 FC-A2: Einstufige Reduktion von CO2 zu CO bzw. Synthesegas in wässrigen Elektrolyten FC-B1: Dezentrale H2-Logistik: Speicherung und Verteilung über flüssige Wasserstoffträger

Teilprojekt 1, 2 und 3: Mathematische Modellierung von P2Chem, ein MINPL Algorithmus für P2Chem und Modellreduktion

Das Projekt "Teilprojekt 1, 2 und 3: Mathematische Modellierung von P2Chem, ein MINPL Algorithmus für P2Chem und Modellreduktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Magdeburg, Institut für Mathematische Optimierung, Arbeitsgruppe Algorithmische Optimierung durchgeführt. Wir betrachten Power-to-Chemicals (P2Chem) Prozesse, die Strom zur Herstellung von hochwertigen Chemikalien nutzen. Hierbei können grundsätzlich verschiedenste Komponenten wie katalytische Reaktoren oder Elektrolysezellen eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Als Zielprodukt betrachten wir in diesem Projekt Synthesegas, aus dem man viele wichtige Basischemikalien erzeugen kann. In P2Chem befassen wir uns mit der mathematischen Analyse dieser Prozesse und den treibenden Fragestellungen unserer Industriepartner, der Avacon AG und der BASF SE. So gibt es eine große Anzahl denkbarer Verschaltungen zwischen Reaktions- und Separationsschritten zur Konversion stofflicher Gemische, die im Prozess auftreten. Wir möchten erstmals systematisch und mit Hilfe moderner Mathematik untersuchen, welche Varianten sinnvolle Beiträge zur Nutzung erneuerbarer Energie zur Chemieproduktion leisten können. Neben der Wirtschaftlichkeit und Ankopplungsmöglichkeiten an Gas- und Stromnetzwerke sind die Sicherheit und die Flexibilität der Prozessführung sehr wichtig. Es geht hier um das schnelle Reagieren auf zeitlich variierende Randbedingungen wie Preise oder Qualität biogener Rohstoffe. Dabei müssen rechtliche, ökonomische, ökologische und sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Im Rahmen von P2Chem wird erstmals eine enge Verzahnung zwischen Modellreduktion, PDE Optimierung und MINLP Verfahren angestrebt. So sollen Algorithmen entwickelt werden, um adaptiv reduzierte Modelle zum strong branching, zum diving und zur heuristischen Berechnung von oberen Schranken zu verwenden. Die Problematik der Adaption reduzierter Modelle an die Veränderung der Parameter innerhalb eines Optimierungsprozesses soll vor dem Hintergrund ähnlicher optimaler Lösungen in Teilbäumen betrachtet werden. Die automatisierte, stabile, robuste, parallelisierte und effiziente Optimierung einzelner Komponenten und relaxierter Superstruktur-Probleme ist ein weiterer elementarer Bestandteil.

Teilvorhaben T0

Das Projekt "Teilvorhaben T0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH durchgeführt. Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Das WIKUE bearbeitet hierbei das Arbeitspaket AP4 des Forschungsclusters FC-A3. Das WIKUE betätigt sich ferner in der Roadmap durch Teilnahme an den Projekttreffen. Der Schwerpunkt liegt auf dem Forschungscluster FC-A3. Diesbezüglich wird zum einen untersucht, wie die neue Technologie von Multiplikatoren in Wirtschaft und Gesellschaft (Akzeptanz) wahrgenommen werden wird. Zum anderen werden die Flexibilitätseigenschaften und -optionen der Anwendung sowie die Flexibilitätsanforderungen aus Systemsicht (CO2-Quellen und Stromsektor) dargestellt und bewertet. Darauf aufbauend wird eine Abschätzung des künftig möglichen Flexibilitätsbeitrages der Anwendung vorgenommen. Dazu werden mittels Metaanalyse auch wichtige Trends und Optionen für zukünftig denkbare Einsatzgebiete der Co-Elektrolyse herangezogen. Die Ergebnisse werden dem übergeordneten AP Roadmap zur Verfügung gestellt.

Teilvorhaben J0

Das Projekt "Teilvorhaben J0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Siemens AG bearbeitet hierbei die Arbeitspakete AP 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 des Forschungsclusters FC-A2. Der Schwerpunkt liegt aktuell auf Forschungscluster FC-A2. CO2 direkt, einstufig, elektrochemisch wieder in Rohstoffe mit hoher Wertschöpfung oder auch Energieträger umwandeln zu können, stellt die Umkehrung von Verbrennungs- bzw. anderen Nutzungsprozessen dar. Das Ziel des Forschungsclusters ist die Evaluierung der Elektrolyse von CO2 zu CO bezüglich Selektivität, Energieeffizienz und erreichbaren Strom-dichten in einer industriellen Wertschöpfungskette.

Teilvorhaben G1

Das Projekt "Teilvorhaben G1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ThyssenKrupp Industrial Solutions AG durchgeführt. Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. thyssenkrupp Industrial Solutions bearbeitet hierbei die Arbeitspakete AP 2.1. und AP 2.2. des Forschungsclusters FC-B3. Das Arbeitspaket 2.1. umfasst Tätigkeiten zur Verfahrensentwicklung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. In dem Arbeitspaket 2.2. wird hingegen ein Konzept für eine Pilotanlage entwickelt. Ziel des Projekts FC-B3 ist die Entwicklung eines Gesamtkonzepts zur Herstellung von maßgeschneiderten Oxymethylenethern (OMEx) mit definierter Kettenlänge auf Basis erneuerbarer Energien für deren Nutzung als alternative Dieselkraftstoffe in Verbrennungsmotoren sowie als Bausteine für Polyurethan-Kunststoffe. Der verfolgte Ansatz nutzt als Ausgangsstoffe CO2 und mittels regenerativer elektrischer Energie erzeugtes H2 zur Synthese der nötigen C1-Bausteine oder direkt zu OME-Produkten.

Teilvorhaben D0

Das Projekt "Teilvorhaben D0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg gGmbH durchgeführt. Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Das ifeu bearbeitet hierbei das Arbeitspaket AP 5 des Forschungsclusters FC-A2 und es betätigt sich in der Roadmap durch ökologische Bewertung und Diskussion. Forschungscluster FC-A2: CO2 direkt, einstufig, elektrochemisch wieder in Rohstoffe mit hoher Wertschöpfung oder auch Energieträger umwandeln zu können, stellt die Umkehrung von Verbrennungs- bzw. anderen Nutzungsprozessen dar. Das Ziel des Forschungsclusters ist die Evaluierung der Elektrolyse von CO2 zu CO bezüglich Selektivität, Energieeffizienz und erreichbaren Stromdichten in einer industriellen Wertschöpfungskette. Roadmap: Die Roadmap ist essenzieller Bestandteil des Entscheidungsprozesses in P2X. Sie wird im engen Austausch mit der Analyse der ökonomischen, ökologischen und sozialen Rahmenbedingungen der einzelnen Technologieentwicklungen innerhalb der Forschungscluster entwickelt. Eine intensive Vernetzung zu den Kopernikus-Projekten der anderen Themenbereiche ist essenzieller Bestandteil der Aktivitäten.

Teilvorhaben E0

Das Projekt "Teilvorhaben E0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Technische Thermodynamik durchgeführt. Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Das DLR bearbeitet hierbei die AP1 und 3 des Forschungsclusters FC-A3 sowie das AP6 des Forschungsclusters FC-B2. FC-A3: Die Hochtemperatur Co-Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasserdampf bietet eine alternative Technologie zur direkten Umwandlung von elektrischem Strom zu Synthesegas. Ein attraktiver Vorteil der Technologie ist die Möglichkeit durch Variation von Betriebsparametern definierte Synthesegas-Zusammensetzungen zu erzeugen, die für industrielle Anwendungen relevant sind. Die technologischen Herausforderungen liegen in der weiteren Erhöhung der Stromdichten, dem Verständnis des funktionalen Zusammenhangs der Betriebsparameter und der Synthesegasstöchiometrie, dem Stackdesign beim Betrieb unter Druck, der Fertigung, sowie der Erhöhung der Lebensdauer. FC-B2: In diesem Forschungscluster sollen intensivierte, modulare und skalierbare Prozesstechnologien zur Umwandlung von CO2 und H2 in emissionsarme Synthesekraftstoffe sowie in Spezialchemikalien mit hoher Wertschöpfung entwickelt werden. Ein Fokus ist die Möglichkeit eines autarken und dezentralen Einsatzes der gesamten Prozessketten. Kernanforderungen sind Kompaktheit, hohe energetische Gesamteffizienz sowie Toleranz gegenüber Lastwechseln. DLR-VT bearbeitet das Themenfeld Kraftstoffqualität.

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