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Methodenentwicklung zur Charakterisierung von Wärmespeichermaterialien für die sensible Wärmespeicherung in der Industrie bei Temperaturen von 300 °C - 800 °C

Integration des 'Geothermal-Hub'-Konzepts in das Wärmeversorgungssystem eines Forschungscampus, Teilvorhaben: Fernwärmetransformationsplan und Systemmodellierung

Multiskalige Operando-Analyse von Lithium/Schwefel-Zellen auf Polymerelektrolytbasis, FestPoLiS - Multiskalige Operando-Analyse von Lithium/Schwefel-Zellen auf Polymerelektrolytbasis

Thermische Sicherheitsanalytik von sulfidischen Festkörperbatterien, FB2-SAFE - Thermische Sicherheitsanalytik von sulfidischen Festkörperbatterien

Entwicklung eines Leichtbau-Tanks für kryogenen Wasserstoff zum Einsatz in einer modularen, container-basierten Versorgungseinheit, TVH: Fertigungsprozesssimulation im Gesamtsystemkontext

Im vorgeschlagenen Projektentwurf LeiWaCo soll ein kostengünstiger und gleichzeitig hochfester Leichtbau-Wasserstofftank aus Faserverbundwerkstoffen für Flüssigwasserstoff zu entwickelt werden mit dem Anwendungsziel des Einsatzes in einer neuen, branchenübergreifend einsetzbare Logistiklösung in Form einer containerbasierten Transport- und Versorgungseinheit. Daneben betrachtet das branchenübergreifend aufgestellte Konsortium aber auch die Adaption der entwickelten Technologien für Tanks in den Bereichen Straßenverkehr, Schifffahrt, Schienenverkehr und Luftfahrt. Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung von kryogenen Faserverbundtanks ist die Dichtigkeit, die durch thermisch induzierte Mikrorisse im Material aufgrund der tiefen Temperatur von -253 Grad C beeinträchtigt wird. Dies soll im Projekt durch einen neuartigen Ansatz verhindert werden: Die Verwendung thermoplastischer Materialien in Kombination mit der Anwendung der Dünnschichttechnologie. Hierfür werden neue Konstruktions- und Berechnungsmethoden, neue Halbzeug und Materialtest, entsprechende Fertigungstechnologien und Prüfmethoden für das Bauteil entwickelt und angewendet. Im Rahmen des Projektes wir somit die komplette Wertschöpfungskette abgedeckt und anhand von Demonstratoren validiert. Am Ende des Projektes steht an ein Versuchsaufbau in Einsatzumgebung, wesentliche Technikelemente werden in relevanter Umgebung erprobt. Dies entspricht einem Technologiereifegrad von fünf, der die Basis für eine wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse im Anschluss an das Projekt darstellt.

Entwicklung eines Leichtbau-Tanks für kryogenen Wasserstoff zum Einsatz in einer modularen, container-basierten Versorgungseinheit, TVH: Kryo-Wasserstoffcontainer in maritimer Anwendung - Herausforderung und Zulassungsprozedur

Im vorgeschlagenen Projektentwurf LeiWaCo soll ein kostengünstiger und gleichzeitig hochfester Leichtbau-Wasserstofftank aus Faserverbundwerkstoffen für Flüssigwasserstoff zu entwickelt werden mit dem Anwendungsziel des Einsatzes in einer neuen, branchenübergreifend einsetzbare Logistiklösung in Form einer containerbasierten Transport- und Versorgungseinheit. Daneben betrachtet das branchenübergreifend aufgestellte Konsortium aber auch die Adaption der entwickelten Technologien für Tanks in den Bereichen Straßenverkehr, Schifffahrt, Schienenverkehr und Luftfahrt. Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung von kryogenen Faserverbundtanks ist die Dichtigkeit, die durch thermisch induzierte Mikrorisse im Material aufgrund der tiefen Temperatur von -253 Grad C beeinträchtigt wird. Dies soll im Projekt durch einen neuartigen Ansatz verhindert werden: Die Verwendung thermoplastischer Materialien in Kombination mit der Anwendung der Dünnschichttechnologie. Hierfür werden neue Konstruktions- und Berechnungsmethoden, neue Halbzeug und Materialtest, entsprechende Fertigungstechnologien und Prüfmethoden für das Bauteil entwickelt und angewendet. Im Rahmen des Projektes wir somit die komplette Wertschöpfungskette abgedeckt und anhand von Demonstratoren validiert. Am Ende des Projektes steht an ein Versuchsaufbau in Einsatzumgebung, wesentliche Technikelemente werden in relevanter Umgebung erprobt. Dies entspricht einem Technologiereifegrad von fünf, der die Basis für eine wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse im Anschluss an das Projekt darstellt.

Klimastatistische Einordnung des meteorologischen Herbstes 2023 Einordnung von Temperatur, Niederschlag und Sonnenschein

Der Herbst 2023 war der zweitwärmste seit 1881, brachte deutlich mehr Niederschlag als üblich, und die Sonnenscheindauer übertraf das langjährige Mittel ebenfalls. Im Folgenden wird zunächst ein Überblick über die einzelnen Monate gegeben, am Ende wird der gesamte Herbst 2023 zusammenfassend bewertet. Die angegebenen Monatsmittelwerte beziehen sich dabei auf das Mittel der Fläche des Landes Sachsen-Anhalt (Quelle: Deutscher Wetterdienst). Der September erreichte ein Monatsmittel von 17,8 °C und war damit zusammen mit 2016 der wärmste September seit 1881 in Sachsen-Anhalt. Die Abweichung zur Klimaperiode von 1961 bis 1990 beträgt 4,0 K und im Vergleich zum 30-jährigen Zeitraum von 1991 bis 2020 3,4 K. Damit war der September auch wärmer als ein durchschnittlicher Juli, teils lagen die Tagesmitteltemperaturen fast 8 K oberhalb der Normalwerte, wie zum Beispiel an der Wetterstation in Magdeburg, deren Temperaturverlauf der Tagesmitteltemperatur im September in Abbildung 1 dargestellt ist. Entsprechend konnten verbreitet um 15 Sommertage (Tageshöchsttemperatur von mindestens 25,0 °C) registriert werden. Mit 19 Sommertagen führt Bernburg die Statistik an. Ebenso gab es ungewöhnlich viele heiße Tage (Tageshöchsttemperatur von mindestens 30 °C) gerade in der Mitte Sachsen-Anhalts. Spitzenreiter war hier Huy-Pabstorf nördlich des Harzes mit insgesamt 7 heißen Tagen. Dort wurde auch die höchste Temperatur des Septembers gemessen, welche mit 32,3 °C am 09. September erreicht wurde. Die Niederschlagssumme im September in Sachsen-Anhalt betrug 18,9 mm. Damit wurden gegenüber der Referenzperiode von 1961 bis 1990 nur 45,5 % des erwartbaren Niederschlags erreicht. Im Vergleich zur Periode von 1991 bis 2020 waren es nur 38,2 %. Besonders trocken war es im Osten Sachsen-Anhalts. So wurden in Wittenberg lediglich 3,2 mm Niederschlag gemessen. Damit war Wittenberg im September sogar die trockenste Station in ganz Deutschland. Die Sonnenscheindauer im September betrug 248,0 Stunden, was 172,4 % der im 30-jährigen Zeitraum 1961 bis 1990 üblichen Sonnenscheindauer entspricht. Im Vergleich zum Zeitraum von 1991 bis 2020 wurden 157,1 % erreicht. Damit war der September der zweitsonnigste nach 1959 und der sechste zu sonnige in Folge. Im Oktober 2023 wurde in Sachsen-Anhalt eine Monatsmitteltemperatur von 12,2 °C erreicht. Damit war der Monat um 2,9 K wärmer als die Referenzperiode von 1961 bis 1990 und um 2,6 K wärmer als die Klimaperiode von 1991 bis 2020, sowie der 5. wärmste Oktober seit 1881. Wie schon der September war auch der Oktober von sehr milden Luftmassen geprägt. Ein kurzer Kaltlufteinbruch zur Monatsmitte (siehe Abbildung 1) verhinderte, dass der Monat zu den drei wärmsten zählte. Gerade der Monatsbeginn brachte nochmals Sommerwetter, am 2. Oktober wurde verbreitet ein Sommertag mit mehr als 25 °C registriert. Bernburg war dabei die wärmste Station mit 28,1 °C. Auch am folgenden Tag wurden in Osterfeld und Zeitz nochmals 25 °C gemessen, wobei Osterfeld am 11. Oktober den spätesten Sommertag des Jahres 2023 in Sachsen-Anhalt messen konnte. Der Oktober brachte insgesamt 90,3 mm Niederschlag, was 253,6 % der Klimaperiode von 1961 bis 1990 entspricht. Gegenüber dem 30-jährigen Mittel von 1991 bis 2020 sind es 209,0 % des Niederschlags. Damit ist der Oktober der achtnasseste seit 1881 in Sachsen-Anhalt. Während im Regenstau des Harzes fast 200 mm Niederschlag auf dem Brocken und in Wernigerode gemessen werden konnten, war es im Regenschatten des Harzes im Mansfelder Seengebiet vergleichsweise trocken mit 52,4 mm in Röblingen. Durch die wiederholten Regenfälle blieb der Oktober mit 81,2 Sonnenstunden unter dem langjährigen Mittel. Im Vergleich zur Referenzperiode von 1961 bis 1990 wurden lediglich 77,9 % und zur Periode von 1991 bis 2020 72,6 % des Solls erreicht. Die sehr warme Phase aus den beiden Vormonaten setzte sich auch im November fort. Erst zum Beginn der dritten Dekade gingen die Temperaturen auf Normalniveau bzw. darunter zurück. Somit schließt der Monat November in Sachsen-Anhalt mit einer Mitteltemperatur von 5,9 °C. Dies entspricht einer Abweichung gegenüber der Klimaperiode von 1961 bis 1990 von 1,2 K und zur Periode von 1991 bis 2020 von 0,8 K. Zu Monatsbeginn wurden dabei in Querfurt und Bad Lauchstädt mit 15,1 °C die höchsten Temperaturen gemessen. Der November brachte in Sachsen-Anhalt im Mittel 77,4 mm Niederschlag. Dies entspricht 180,4 % gegenüber der Klimaperiode von 1961 bis 1990 und 175,2 % gegenüber der 30-jährigen Periode von 1991 bis 2020. Der November 2023 war damit der neuntnasseste seit Aufzeichnungsbeginn im Jahr 1881. Während im Harz teils über 200 mm Niederschlag (Wernigerode-Schierke und Sorge) gemessen werden konnten, fielen in Freyburg (Unstrut) nur 49,4 mm Niederschlag. Die Sonne zeigte sich im November 2023 in Sachsen-Anhalt durchschnittlich 41,2 Stunden. Das entspricht gegenüber 1961 bis 1990 lediglich 81,6 % der üblichen Sonnenscheindauer und 73,8 % zu 1991 bis 2020. Besonders wenig Sonne gab es auf dem Brocken, dort schien sie insgesamt nur 11,1 Stunden, was im Vergleich zu 1961 bis 1990 22,2 % der üblichen Sonnenscheindauer entspricht. Der Herbst 2023 lag mit 12,0 °C um 2,8 K über dem Mittelwert der Klimaperiode 1961 bis 1990. Gegenüber dem 30-jährigen Mittel von 1991 bis 2020 betrug die Abweichung 2,3 K. Somit war der diesjährige Herbst nach 2006 der zweitwärmste seit Aufzeichnungsbeginn im Jahr 1881. Durch die sehr feuchten Monate Oktober und November konnte der trockene September mehr als ausgeglichen werden. Insgesamt fielen 186,6 mm Niederschlag, dies entspricht 155,4 % des Niederschlags der Klimaperiode von 1961 bis 1990 und 136,4 % im Vergleich zum 30-jährigen Zeitraum von 1991 bis 2020. Im Herbst konnten 370,4 Sonnenstunden registriert werden. Damit war der Herbst dank des zweitsonnigsten September seit 1951 auch insgesamt zu sonnig mit 124,0 % im Vergleich zur Referenzperiode von 1961 bis 1990 und 113,8 % zur Klimaperiode von 1991 bis 2020.

Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft von Urbanen Wärmeinseln im Untergrund von China und Deutschland - Konsequenzen für die geothermische Nutzung

Städte haben ihre Wurzeln im Untergrund. Hier befinden sich die Fundamente von Gebäuden und ein wesentlicher Anteil der urbanen Infrastruktur. Zugleich dient der Untergrund als Wasserreservoir und als Quelle für erneuerbare Energie. Ein bisher wenig beachtetes Phänomen sind die sogenannten Urbanen Wärmeinseln im Untergrund (UWIU), die sich oft unbemerkt über Jahrzehnte ausbreiten. Sie reichen häufig über das gesamte Stadtgebiet, in dem erheblich höhere Boden- und Grundwassertemperaturen zu finden sind als in der ungestörten, ländlichen Umgebung. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und gerade die langfristige Entwicklung von UWIUs ist noch heute ungeklärt. Um Empfehlungen für eine möglichst proaktive Nutzung des städtischen Untergrunds in der Zukunft zu erstellen, gilt es, die treibenden Prozesse und Faktoren zu ergründen, die UWIUs in verschiedenen Städten verursachen. Das Kernthema dieses Projekts ist, erstmalig die thermischen Bedingungen unter zwei chinesischen und deutschen Städten, Nanjing und Köln, zu vergleichen. Die teilnehmenden Wissenschaftler haben weitreichende Erfahrung in der Erforschung von UWIUs in ihren Ländern und in Vorarbeiten bereits eine umfassende Datenbasis von Boden- und Grundwassertemperaturen gesammelt. Kernziel ist es, diese mit einem neuen gemeinsamen Messprogramm zu aktualisieren und aus der vergangenen und aktuellen Entwicklung der beobachteten UWIUs auf die zukünftige Temperaturentwicklung im Untergrund zu schließen. Dies wird erreicht durch ergänzende Laborversuche und umfassende numerische Simulationen, die insbesondere die zeitliche Entwicklung der Landnutzung berücksichtigen. Die Ergebnisse für die Städte in Deutschland und China werden verglichen und so individuell von gemeinsamen Charakteristiken unterschieden. Auf diese Weise werden allgemeingültige Zusammenhänge erschlossen, die sich auch auf weitere weniger erforschte Städte übertragen lassen und dort Prognosen zur zukünftigen UWIU-Entwicklung ermöglichen.

Entwicklung eines kosteneffizienten Perowskit-Heterojunction-Tandemprozess im industriellen Umfeld, Teilvorhaben: Entwicklung neuartiger Metallisierungspasten zur Kontaktierung von Perowskit-HJT-Tandemzellen

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Silberpasten, welche bei Temperaturen unterhalb von 150 Grad C innerhalb von 3 min gehärtet werden können sowie eine hohe Fingerleitfähigkeit und weiterhin einen niedrigen Kontaktwiderstand zum TCO einer Silicium-Heterojunctionsolarzelle respektive einer Perowskitsolarzelle ausbildet. Hierfür werden verschiedene polymere Binder und Silberpartikel zu Pasten verarbeitet und hinsichtlich ihrer elektrischen sowie rheologischen Eigenschaften umfassend charakterisiert. Anschließend erfolgt der Test bei den Partner MeyerBurger und Helmholtz Zentrum Berlin (HZB).

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Optimale Netzregelung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

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