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Demonstration eines voll-supraleitenden Generatorsystems, Teilvorhaben: Fertigung

Im Projekt SupraGenSys 1 wurde ein vollsupraleitend ausgeführter und direkt angetriebener Generator für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung entworfen und optimiert. In diesem Projekt sind bereits wesentliche Ergebnisse erzielt worden. In diesem Projekt zeigte sich der Generator bereits mit beeindruckenden Kennzahlen und verspricht durch Absenkung der Stromgestehungskosten ein wesentlicher Fortschritt für den Ausbau der Windenergie zu werden. In dem Folgeprojekt SupraGenSys 2 soll ein Demonstrationsgenerator ( DG ) konstruiert und gefertigt werden. Die Projektpartner übernehmen die Berechnung des Generators, die Konstruktion des Generators und der Einzelteile, sowie die Materialbeschaffung. Die Krämer Energietechnik GmbH & Co. KG übernimmt die Konstruktion, Materialbeschaffung und Fertigung aller erforderlichen Vorrichtungen. Die Fertigung der HTS-Spulen und der geblechten Kerne sowie die Montage von Rotor, Stator und Kyrostat wird ebenfalls bei Krämer erfolgen. Die Prüfung der tiefgekühlten Spulen wird mit Unterstützung des KIT bei Krämer durchgeführt. Anschließend erfolgt die Endmontage des Generators durch Krämer bei Fraunhofer IEE in Kassel.

Energieeffiziente Herstellung von PEEK-Beschichtungen auf schweren Gleitlagern für Windkraftanlagen, Teilvorhaben: Laserverfahrensentwicklung PEEK

Windenergieanlagen sind zentral für die Energiewende. Wirtschaftlich betrachtet, müssen die Stromgestehungskosten minimiert werden, was kosteneffiziente, hochproduktive und wartungsarme Anlagen voraussetzt. Heutige Komponenten sind auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt. Neben der Energieeffizienz in der Anwendung ist auch die energieeffiziente Herstellung der Anlagenkomponenten entscheidend. Beispielsweise werden schwere Gleitlager (bis zu einer Tonne) mit reibmindernden Beschichtungen versehen. Um gesundheitsschädliche Blei-Bronze-Legierungen zu ersetzen, werden Beschichtungen aus Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. PEEK hat hervorragende reibmindernde Eigenschaften, hohe Dauergebrauchstemperatur (250 °C), große chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit (smax = 105 MPa) und ist daher für hochbeanspruchende Anwendungen geeignet. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur laserbasierten Herstellung von 1 mm dicken PEEK-Schichten auf großen Gleitlagern für die Windenergietechnik. Aktuell gibt es schwere Gleitlager aus PEEK, die in Form von 2 mm dicken Platten auflaminiert und danach abgefräst werden. Diese Technik ist für nicht-plane und komplexere Geometrien ungeeignet. Ein neuer Ansatz sieht vor, PEEK in Form einer Dispersion auf das Bauteil zu applizieren und es anschließend im Ofen auf ca. 400 °C zu erhitzen, bis das PEEK eine geschlossene Schicht bildet. Diese Methode erfordert enorme Energiemengen, da die schweren Bauteile mehrfach auf 400 °C erhitzt werden müssen. Die Öfen werden meist mit Gas beheizt, was aufgrund der aktuellen Gasknappheit zusätzliche hohe Kosten verursacht. Durch das, in diesem Projekt entwickelte sollen deutliche Energie- und Zeitersparnisse realisiert und für die wirtschaftliche Verwertung nutzbar gemacht werden.

Energieeffiziente Herstellung von PEEK-Beschichtungen auf schweren Gleitlagern für Windkraftanlagen, Teilvorhaben: Zerstörungsarme Methoden der Kunststoffprüfung zur quantitativen Analyse von Beschichtungen auf gekrümmten Bauteilen

Windenergieanlagen sind zentral für die Energiewende. Wirtschaftlich betrachtet, müssen die Stromgestehungskosten minimiert werden, was kosteneffiziente, hochproduktive und wartungsarme Anlagen voraussetzt. Heutige Komponenten sind auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt. Neben der Energieeffizienz in der Anwendung ist auch die energieeffiziente Herstellung der Anlagenkomponenten entscheidend. Beispielsweise werden schwere Gleitlager (bis zu einer Tonne) mit reibmindernden Beschichtungen versehen. Um gesundheitsschädliche Blei-Bronze-Legierungen zu ersetzen, werden Beschichtungen aus Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. PEEK hat hervorragende reibmindernde Eigenschaften, hohe Dauergebrauchstemperatur (250 °C), große chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit (smax = 105 MPa) und ist daher für hochbeanspruchende Anwendungen geeignet. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur laserbasierten Herstellung von 1 mm dicken PEEK-Schichten auf großen Gleitlagern für die Windenergietechnik. Aktuell gibt es schwere Gleitlager aus PEEK, die in Form von 2 mm dicken Platten auflaminiert und danach abgefräst werden. Diese Technik ist für nicht-plane und komplexere Geometrien ungeeignet. Ein neuer Ansatz sieht vor, PEEK in Form einer Dispersion auf das Bauteil zu applizieren und es anschließend im Ofen auf ca. 400 °C zu erhitzen, bis das PEEK eine geschlossene Schicht bildet. Diese Methode erfordert enorme Energiemengen, da die schweren Bauteile mehrfach auf 400 °C erhitzt werden müssen. Die Öfen werden meist mit Gas beheizt, was aufgrund der aktuellen Gasknappheit zusätzliche hohe Kosten verursacht. Durch das, in diesem Projekt entwickelte Verfahren sollen deutliche Energie- und Zeitersparnisse realisiert und für die wirtschaftliche Verwertung nutzbar gemacht werden.

Steigerung der Ressourceneffizienz in PV-Kraftwerken, Teilvorhaben: Entwicklung des Systemkonzeptes und des Wechselrichters

In diesem Projekt wird ein ganzheitliches Konzept mit aktiven Combinern und Stringwechselrichtern für große PV-Kraftwerke (>5 MW) entwickelt und im Labormaßstab (TRL 5) verifiziert. Ziel ist es, im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik erhebliche Ressourcen- und Kostenersparnisse zu erzielen. Dabei liegt der Fokus für das Teilvorhaben auf Wechselrichtern. Unterschiedliche Systemtopologien und Spannungslevel im Kraftwerk werden analysiert und verglichen. Nach Auswahl des besten Konzepts wird ein Demonstrator gemäß den Spezifikationen entwickelt und im Labor getestet. Der im Vorhaben adressierte Konzeptansatz beinhaltet Insbesondere die folgenden sieben Ansatzpunkte und Projektziele: - Einsparungen von Kabeln im Kraftwerk um 75 % - Einsparungen im Kühlkörper um 20 % - Kosteneffizientes Integrationspotenzial von PV+X Kraftwerken - Reduzierung der Stromgestehungskosten - Einsparungen von Kupfer und Ferrit in Wickelgütern - Integration von Analysefunktionen im Combiner - Einsparungen von Schutzelementen im Kraftwerk

Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung

Im Projekt 'Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung sind erste Ansätze zur energetischen Stadtplanung auf Basis des Energiemodells URBS entwickelt worden. Die Analyse erlaubt eine Einteilung der Stadt in Vorranggebiete bezüglich der Wärmeversorgung. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Analysemodulen. Der erste Schritt besteht in der Erstellung einer Gebäudedatenbank. Alle Gebäude der Stadt sollen hinsichtlich ihrer Geometrie, des Gebäudealters, der Bauweise, des aktuellen Energieverbrauches usw. enthalten sein. Diese Informationen werden dann genutzt, um den gegenwärtigen und zukünftigen Wärmeverbrauch zu bestimmen. Der zukünftige Gebrauch wird unter der Annahme verschiedener Sanierungsmaßnahmen bestimmt. Der erste Schwerpunkt der Arbeit liegt auf einer Analyse der Verdichtung und Ausweitung des bestehenden Fernwärmenetzes. Mit Hilfe der Gebäudedatenbank wird analysiert wo und zu welchen Kosten die Fernwärme ausgebaut werden könnte. Die Erhebungen aus dieser Analyse werden dann im nächsten Schritt an das Optimierungsmodell IJRBS übergeben. Im nächsten Schritt werden verschiedene Wärmeversorgungsmöglichkeiten hinsichtlich der technischen Realisierbarkeit und der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit untersucht. Der zweite Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf Wärmepumpen. Hierfür wurde ein eigenes Bodenmodell entworfen. Mit dem Modell kann bestimmt werden, wo welche Menge an Energie aus dem Boden entzogen werden kann, ohne bestimmte Nachhaltigkeitskriterien zu verletzten. All diese Informationen werden in das Energiemodell URBS-Augsburg eingepflegt. Neben der Warme- wird auch die Stromversorgung im Modell abgebildet. Anhand des Modells kann dann untersucht werden welche Technologien und Maßnahmen eingesetzt werden sollten um gesetzte Klimaschutzziele zu erreichen. Ein entscheidendes Ergebnis des Modells zeigt die starke Abhängigkeit der lokalen Entwicklung in Augsburg von der allgemeinen Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland. Wenn eine überregionale Lösung beispielsweise mit viel off-shore Wind und Ansätzen wie Desertec realisiert wird, dann wird in Augsburg durch die Optimierung wenig eigner Strom erzeugt, Kraft- Wärme-Kopplung und Fernwärme werden nicht ausgebaut. Städtische Klimaschutzziele sollten in diesem Fall durch Einsparungsmaßnahmen im Gebäude-Wärmebereich vorangetrieben werden. Ist die Entwicklung hin zu klimaneutralem Strom in Deutschland schleppend, dann muss in Augsburg viel mehr 'grüner ' Strom erzeugt werden. Hier kann dann der Kraft-Wärme-Kopplung eine zentrale Rolle zukommen. Die Ausweitung dieses Ergebnisses ist dringend notwendig, da sie für die aktuelle politische Diskussion von zentraler Bedeutung sind.

Entwicklung offenporiger monolithischer Perowskitstrukturen als hybride thermische Speicher, Teilvorhaben: Keramikherstellung mittels 3D-Druck und Charakterisierung

Regelbare Kraftwerke, welche Strom je nach Bedarf liefern können, indem sie ihre Leistung anpassen und kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden können, gewinnen im Kontext der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Bei der direkten Stromgewinnung, z.B. mittels Photovoltaik oder Windkraft, muss die gewonnene elektrische Energie sofort in das Netz eingespeist werden, oder in großen Batteriespeichersystem gespeichert werden. Dafür benötigte Speichersysteme mit langfristiger Betriebszuverlässigkeit und wettbewerbsfähigen Kosten sind noch nicht kommerziell verfügbar. Wärme kann hingegen zu wesentlich geringeren Kosten als Strom gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. So kann aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme in großem Umfang und über lange Zeiträume gespeichert werden, aber auch einem CSP (Concentrated Solar Power)-Kraftwerk die notwendige Flexibilität verleihen, Wärme und Strom dann zu liefern, wenn eine große Nachfrage besteht. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für die weitere kommerzielle Nutzung von CSP. Durch leistungsfähige Wärmespeicher kann der Stromgewinnungsprozess weitestgehend von der Wärmegewinnung entkoppelt werden und so das Potential der Regelbarkeit und Flexibilität optimal genutzt werden. Kommerziell verfügbar sind im Bereich von Temperaturen über 700°C aktuell lediglich Wärmespeichersysteme, welche auf dem Prinzip der sensiblen, also nicht reaktiven, Wärmespeicherung basieren. Ein Einsatz von redoxaktiven Materialien birgt das Potential, die Speicherkapazität und Effizienz von Wärmespeichersystem bedeutend zu steigern. Bei der zyklischen Reduktion und Oxidation solcher redoxaktiver Materialien kann zusätzliche Wärme gespeichert (Reduktion) und wieder entnommen werden (Oxidation). Im Projekt Porotherm-Solar werden Speichermodule aus redoxaktivem Perowskit entwickelt und unter Realbedingungen in einem Demonstrator erprobt.

Energieeffiziente Herstellung von PEEK-Beschichtungen auf schweren Gleitlagern für Windkraftanlagen, Teilvorhaben: Beschichtungsentwicklung und -applikation von PEEK-Gleitlack mittels Lasertrocknung

Windenergieanlagen sind zentral für die Energiewende. Wirtschaftlich betrachtet, müssen die Stromgestehungskosten minimiert werden, was kosteneffiziente, hochproduktive und wartungsarme Anlagen voraussetzt. Heutige Komponenten sind auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt. Neben der Energieeffizienz in der Anwendung ist auch die energieeffiziente Herstellung der Anlagenkomponenten entscheidend. Beispielsweise werden schwere Gleitlager (bis zu einer Tonne) mit reibmindernden Beschichtungen versehen. Um gesundheitsschädliche Blei-Bronze-Legierungen zu ersetzen, werden Beschichtungen aus Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. PEEK hat hervorragende reibmindernde Eigenschaften, hohe Dauergebrauchstemperatur (250 °C), große chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit (smax = 105 MPa) und ist daher für hochbeanspruchende Anwendungen geeignet. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur laserbasierten Herstellung von 1 mm dicken PEEK-Schichten auf großen Gleitlagern für die Windenergietechnik. Aktuell gibt es schwere Gleitlager aus PEEK, die in Form von 2 mm dicken Platten auflaminiert und danach abgefräst werden. Diese Technik ist für nicht-plane und komplexere Geometrien ungeeignet. Ein neuer Ansatz sieht vor, PEEK in Form einer Dispersion auf das Bauteil zu applizieren und es anschließend im Ofen auf ca. 400 °C zu erhitzen, bis das PEEK eine geschlossene Schicht bildet. Diese Methode erfordert enorme Energiemengen, da die schweren Bauteile mehrfach auf 400 °C erhitzt werden müssen. Die Öfen werden meist mit Gas beheizt, was aufgrund der aktuellen Gasknappheit zusätzliche hohe Kosten verursacht. Durch das, in diesem Projekt entwickelte sollen deutliche Energie- und Zeitersparnisse realisiert und für die wirtschaftliche Verwertung nutzbar gemacht werden.

Steigerung der Ressourceneffizienz in PV-Kraftwerken, Teilvorhaben: Entwicklung des Systemkonzeptes und des aktiven Combiners

In diesem Vorhaben soll daher ein ganzheitliches Konzept deutliche Ressourcen- und Kostenersparnissen für große PV-Kraftwerke (5 MW) im Detail entwickelt und im Labormaßstab (TRL 5) verifiziert werden. Im Vorhaben soll daher der Fokus auf die Wechselrichter und weitere Balance-of-System (BOS)-Komponenten gelegt werden. Nach Auswahl des geeignetsten Konzeptes soll ein Demonstrator eines Wechselrichters und eines aktiven Combiners entsprechend den Spezifikationen entwickelt und aufgebaut werden, der anschließend im Labormaßstab evaluiert wird. der im Vorhaben adressierte Konzeptansatz beinhaltet Insbesondere die folgenden sieben Ansatzpunkte und Projektziele: - Einsparungen von Kabeln im Kraftwerk um 75 % - Einsparungen im Kühlkörper um 20 % - Kosteneffizientes Integrationspotenzial von PV+X Kraftwerken - Reduzierung der Stromgestehungskosten - Einsparungen von Kupfer und Ferrit in Wickelgütern - Integration von Analysefunktionen im Combiner - Einsparungen von Schutzelementen im Kraftwerk

Steigerung der Ressourceneffizienz in PV-Kraftwerken, Teilvorhaben: Technologieverbesserung der Wickelgüter (TechnoWickel)

In diesem Vorhaben soll daher ein ganzheitliches Konzept deutliche Ressourcen- und Kostenersparnissen für große PV-Kraftwerke (>5 MW) im Detail entwickelt und im Labormaßstab (TRL 5) verifiziert werden. Im Vorhaben soll daher der Fokus auf die Wechselrichter und weitere Balance-of-System (BOS)-Komponenten gelegt werden. Nach Auswahl des geeignetsten Konzeptes soll ein Demonstrator eines Wechselrichters und eines aktiven Combiners entsprechend den Spezifikationen entwickelt und aufgebaut werden, der anschließend im Labormaßstab evaluiert wird. Der im Vorhaben adressierte Konzeptansatz beinhaltet Insbesondere die folgenden sieben Ansatzpunkte und Projektziele: - Einsparungen von Kabeln im Kraftwerk um 75 % - Einsparungen im Kühlkörper um 20 % - Kosteneffizientes Integrationspotenzial von PV+X Kraftwerken - Reduzierung der Stromgestehungskosten - Einsparungen von Kupfer und Ferrit in Wickelgütern - Integration von Analysefunktionen im Combiner - Einsparungen von Schutzelementen im Kraftwerk

Demonstration eines voll-supraleitenden Generatorsystems, Teilvorhaben: Siemens AG

Das Vorhaben baut auf die im Projekt SupraGenSys (Förderkennzeichen 03EE3010B) erarbeiteten Ergebnisse zum Entwurf und zur Optimierung eines vollsupraleitend ausgeführten und direkt angetriebenen Generators für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung auf. Die sich abzeichnende Verringerung der Stromgestehungskosten spielt eine wesentliche Rolle und verspricht den Ausbau der Windenergienutzung zu beschleunigen. Bisher durchgeführte Berechnungen berücksichtigen komplexe Systeme und deren Abhängigkeiten voneinander. Daraus ergibt sich die Wichtigkeit eines 'Proof-of-Concept', um anhand experimenteller Untersuchungen an einem Demonstrationsgenerator die ökonomische und technische Sinnhaftigkeit zu bestätigen und nachzuweisen, dass die Realität durch die Berechnungsmodelle hinreichend gut abgebildet wird. So kann das Vertrauen der Industrie in diese vielversprechende Technologie gestärkt werden. Ziel des Vorhabens ist somit die Entwicklung und der Aufbau eines 250-kW-Demonstrationsgenerators im Labor auf Basis des optimierten 10-MW-Voll-HTS-Generators. Mit Hilfe dieser Maschine werden die in SupraGenSys erarbeiteten Ergebnisse validiert und die entwickelten Berechnungsroutinen überprüft. Die Siemens AG trägt innerhalb des Konsortiums im Rahmen ihres Teilvorhabens zum Konzept und zum konzeptionellen Design des Demonstrationsgenerators bei. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Untersuchung und Optimierung von Wechselstromverlusten in den supraleitenden Spulen von Rotor und Stator des neuartigen Generators. Die langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Elektromaschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen fließt in die elektromagnetische Auslegung des 250-kW-Voll-HTS-Generators ein. Schließlich werden die Testergebnisse auf einen Multi-MW-Generatorentwurf übertragen.

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