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H2Giga: Ready for Gigawatt, Teilvorhaben: Numerische Untersuchung von verfahrenstechnischen Systemen mit AEL-Reaktoren

Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger

<p>Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger</p><p>Die Energiewende ändert die Zusammensetzung des deutschen Kraftwerksparks. Die Anzahl an Kraftwerken zur Nutzung erneuerbarer Energien nimmt deutlich zu. Kraftwerke mit hohen Treibhausgas-Emissionen werden vom Netz genommen. Gleichzeitig muss eine sichere regionale und zeitliche Verfügbarkeit der Stromerzeugung zur Deckung der Stromnachfrage gewährleistet sein.</p><p>Kraftwerkstandorte in Deutschland</p><p>Die Bereitstellung von Strom aus konventionellen Energieträgern verteilt sich unterschiedlich über die gesamte Bundesrepublik. Das ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠ stellt verschiedene Karten mit Informationen zu Kraftwerken in Deutschland zur Verfügung.</p><p>Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland, Stand Januar 2025.<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland, Stand Januar 2025<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Karte Kraftwerke und Windleistung in Deutschland, Stand Dezember 2024<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Karte Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland, Stand Dezember 2024<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Installierte Kraftwerksleistung in Deutschland 2024 (Stand: Januar 2025)<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger</p><p>Der deutsche Kraftwerkspark beruhte vor der Energiewende vor allem auf konventionellen Erzeugungsanlagen auf Grundlage eines breiten, regional diversifizierten, überwiegend fossilen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). Die gesamte in Deutschland installierte Brutto-Leistung konventioneller Kraftwerke ist basierend auf Daten des Umweltbundesamtes in der Abbildung „Installierte elektrische Leistung von konventionellen Kraftwerken ab 10 Megawatt nach Energieträgern“ dargestellt. Die aktuelle regionale Verteilung der Kraftwerkskapazitäten ist in der Abbildung „Kraftwerksleistung aus konventionellen Energieträgern ab 10 Megawatt nach Bundesländern“ dargestellt.</p><p></p><p>In den letzten Jahrzehnten hat sich die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien sehr dynamisch entwickelt. Gleichzeitig wurden mit dem im Jahr 2023 erfolgten gesetzlichen Ausstieg Deutschlands aus der Nutzung der Kernenergie und dem fortschreitenden Ausstieg aus der Braun- und Steinkohle konkrete Zeitpläne zur Reduktion konventioneller Kraftwerkskapazitäten festgelegt (siehe Tab. „Braunkohlen-Kraftwerke in Deutschland gemäß Kohleausstiegsgesetz“ im letzten Abschnitt). Unabhängig davon übt der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=CO2#alphabar">CO2</a>⁠-Preis einen wesentlichen Einfluss auf die Rentabilität und insofern den Einsatz fossiler Kraftwerke aus.</p><p>Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien</p><p>Im Jahr 2024 erreichte der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland einen neuen Höchststand: In diesem Jahr wurden über 20 Gigawatt (GW) an erneuerbarer Kraftwerkskapazität zugebaut. Dieser Zubau liegt damit nochmals höher als die vorherige Ausbaurekord aus dem Jahr 2023. Insgesamt stieg damit die Erzeugungskapazität erneuerbarer Kraftwerke auf 188,8 GW. (siehe Abb. „Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“)</p><p>Getragen wurde der Erneuerbaren-Zubau in den vergangenen Jahren vor allem von einem starken Ausbau derPhotovoltaik(PV). Seit Anfang 2020 wurden mehr als 50 GW PV-Leistung zugebaut, damit hat sich die installierte Leistung in den letzten fünf Jahren verdoppelt. Mit einem Zubau von über 16,7 GW wurde im Jahr 2024 darüber hinaus ein neuer Zubaurekord erreicht. Nach den Ausbaustarken Jahren 2011 und 2012 war der Photovoltaikausbau zunächst stark eingebrochen, seit etwa 10 Jahren wächst der Zubau aber kontinuierlich mit einer deutlichen Beschleunigung innerhalb der letzten fünf Jahre. Um das im EEG 2023 formulierte PV-Ausbauziel von 215 GW im Jahr 2030 zu erreichen, wurde ein Ausbaupfad festgelegt. Das Zwischenziel von 89 GW zum Ende des Jahres 2024 wurde deutlich übertroffen. In den Folgejahren bis 2030 bleibt allerdings ein weiterer Zubau von jährlich fast 20 GW zur Zielerreichung notwendig.</p><p>Auch wenn das Ausbautempo beiWindenergiezuletzt wieder zulegt hat, sind die aktuelle zugebauten Anlagenleistungen weit von den hohen Zubauraten früherer Jahre entfernt. Im Jahr 2024 wurden 3,4 GW neue Windenergie-Leistung zugebaut (2023: 3,3 GW; 2021: 2,4 GW). In den Jahren 2014 bis 2017 waren es im Schnitt allerdings 5,5 GW. Insgesamt lag die am Ende des Jahres 2023 installierte Anlagenleistung von Windenergieanlagen an Land und auf See bei 72,8 GW. Um die im EEG 2023 festgelegte Ausbauziele von 115 GW (an Land) und 30 GW (auf See) im Jahr 2030 zu erreichen, ist jeweils eine deutliche Beschleunigung des Ausbautempos notwendig.</p><p>Durch die Abhängigkeit vom natürlichen Energiedargebot unterscheidet sich die Stromerzeugung der erneuerbaren Erzeugungsanlagen teilweise beträchtlich. So kann eine Windenergieanlage die vielfache Menge Strom erzeugen wie eine PV-Anlage gleicher Leistung. Ein einfacher Vergleich der installierten Leistungen lässt deshalb noch keinen Schluss über die jeweils erzeugten Strommengen zu. Neben Photovoltaik- und Windenergieanlagen mit stark witterungsabhängiger Stromerzeugung liefern Wasserkraftwerke langfristig konstant planbaren erneuerbaren Strom, sowie Biomassekraftwerke flexibel steuerbare Strommengen. Beide Energieträger haben in Deutschland aber nur ein begrenztes weiteres Ausbaupotential.</p><p>Weitere Informationen und Daten zu erneuerbaren Energien finden Sie auf der<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen">Themenseite „Erneuerbare Energien in Zahlen“</a>.</p><p>Wirkungsgrade fossiler Kraftwerke</p><p>Im ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Brutto-Wirkungsgrad#alphabar">Brutto-Wirkungsgrad</a>⁠ ist im Vergleich zum Netto-Wirkungsgrad der Eigenverbrauch der Kraftwerke enthalten. Insgesamt verbesserte sich der durchschnittliche Brutto-Wirkungsgrad des eingesetzten deutschen Kraftwerksparks seit 1990 um einige Prozentpunkte (siehe Abb. „Durchschnittlicher Brutto-Wirkungsgrad des fossilen Kraftwerksparks“). Diese Entwicklung spiegelt nicht zuletzt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerksparks und die damit verbundene Außerbetriebnahme alter Kraftwerke wider.</p><p>Der Brennstoffausnutzungsgrad von Kraftwerken kann durch eine gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) gesteigert werden. Dies kann bei Großkraftwerken zur Wärmebereitstellung in Industrie und Fernwärme, aber auch bei dezentralen kleinen Kraftwerken wie Blockheizkraftwerken lokal erfolgen. Dabei müssen neue Kraftwerke allerdings auch den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen, dies kann beispielsweise über die Kombination mit einem thermischen Speicher erfolgen.</p><p>Obwohl bei konventionellen Kraftwerken in den letzten Jahren technisch eine Steigerung der Wirkungsgrade erreicht werden konnte, werden die dadurch erzielbaren Brennstoffeinsparungen nicht ausreichen, um die erforderliche Treibhausgasreduktion im Kraftwerkssektor für die Einhaltung der Klimaschutzziele zu erreichen. Dafür ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung notwendig.</p><p>Kohlendioxid-Emissionen</p><p>Folgende Aussagen können zum Kohlendioxid-Ausstoß von Großkraftwerken für die Stromerzeugung getroffen werden:</p><p>Weitere Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks</p><p>Um die Klimaschutzziele zu erreichen, ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Kraftwerkskapazitäten notwendig.</p><p>Um den Herausforderungen der Energiewende begegnen zu können, wird es außerdem einen zunehmenden Fokus auf Flexibilisierungsmaßnahmen geben. Dabei handelt es sich um einen Ausbau von Speichern (etwa Wasserkraft, elektro-chemische Speicher, thermische Speicher) sowie um den Ausbau der Strominfrastruktur (Netzausbau, Außenhandelskapazitäten) und Anreize zur Flexibilisierung des Stromverbrauchs.</p>

TurboGruen - Turbomaschinen für Energiespeicher und grüne Brennstoffe, Teilvorhaben: 4.3, 4.5a, 4.5b und 4.6

Biodiversity and associated ecosystem services in small vs. large scale agriculture

Biodiversity conservation cannot rely on protected areas alone, as sustainable conservation requires strategies for managing whole landscapes including agricultural areas. Organic farming in Germany may contribute strongly to the protection of biodiversity and to sustainability of agriculture through enhancing ecosystem services. However, the effectiveness of this agri-environmental management is highly dependent on landscape structure. The main objective of this study is to compare the effectiveness of organic cereal management in small vs. large scale agriculture through measure of the diversity of plants and arthropods and associated ecosystem services, such as seed predation, insect predation, aphid parasitism and pollination. Pairs of organic and conventional winter wheat fields will be selected in small vs. large scale agricultural landscapes along the former inner German border, i.e. in West vs. East Germany. This study design enables a unique experiment, where it would be possible to disentangle the effects of landscape composition and configuration heterogeneities in the same study region and to study how these affect the effectiveness of organic management. The detailed analyses of the expected valuable data could provide significant results (published in high ranked, international scientific journals), and contribute to the development of the existing

Messung der Dampf-(Luft-)Feuchte und des Tropfengroessenspektrums

Untersuchung von Einflussgroessen auf Bildung kondensierter und mitgerissener Tropfen in Hd- und Ueberstromdampfleitungen, Nd-Turbinen, internen und externen Wasserabscheidern, Nasskuehltuermen, Atmosphaere. Die Kenntnis der Zusammenhaenge erlaubt eine Verbesserung von Turbinenwirkungsgraden, Verringerung der Abwaerme sowie Verringerung der Kuehlturmemission und damit der Umweltbelastung durch Kuehlturmschwaden.

Edelmetallfreie Elektroden für die Nächste Generation der Alkalischen Elektrolyse'; Rheinmetall - KS Gleitlager

Im Rahmen des Projektes mit den Partnern Rheinmetall, McPhy und DLR wird ein AEL-Stapel mit hohem Wirkungsgrad und hoher Stromdichte entwickelt und optimiert, der aus fortschrittlichen, kostengünstigen, industriell skalierbaren Komponenten besteht und an einem 60-kW-Industrieprüfstand von McPhy seine Feldtauglichkeit über 6 Monate demonstriert. Die Weiterentwicklung der AEL wird sich auf zwei Schlüsselinnovationen stützen: - Integriertes Elektrodenpaket Ein hochaktiver Katalysator auf Basis eines kostengünstigen Nicht-Edelmetalls integriert mit einer mikroporösen Schicht und einer makroporösen Flüssigkeits-Gas-Diffusions-Schicht. Das vereinheitlichte Elektrodenpaket wird die Optimierung der katalytischen Aktivität mit dem optimierten Transport der Medien (flüssiger Elektrolyt & Gase) und der elektrischen Leitung kombinieren. Das Ziel im Vorhaben ist die Hochskalierung der Elektroden auf 400 cm2 für die Integration in eine praxisnahe Einzelzelle und über 1055 cm2 für die Integration in einen 60-kW-Industrieprüfstand-Stack im 6-Monats-Betrieb zur Feldtauglichkeitsvalidierung. - Feststoffmembran Dünne und dichte AEM-Membranen für den Betrieb bei hoher KOH-Konzentration werden anstelle von porösen Membranen wie z.B. Zirfon qualifiziert. Dadurch wird zum Einen der ohmsche Widerstand gesenkt und zum Anderen Reinheit und Differenzdruck erhöht. Durch die Kombination dieser innovativen Komponenten soll eine neue Generation von AEL mit sehr fortschrittlichen 3.87 kWh/Nm3 @ 0.5 A/cm2 und 4.30 kWh/Nm3 @ 1.2 A/cm2 erreicht werden. Darüber hinaus müssen stringente Degradationsziele erreicht werden und die Hochskalierung der Elektroden demonstriert werden. Die Kostenziele orientieren sich an den Zielen der EU-Kommission und der Nat. Wasserstoffstrategie. Die Arbeitspakete beinhalten Entwicklung der Komponenten, ihre Hochskalierung, Langzeitstabilität, Stack-Integration und Demonstration in einem 60 kW Prüfstand.

Effects of canopy structure on salinity stress in cucumber (Cucumis sativus L.)

Salinity reduces the productivity of cucumber (Cucumis sativus L.) through osmotic and ionic effects. For given atmospheric conditions we hypothesize the existence of an optimal canopy structure at which water use efficiency is maximal and salt accumulation per unit of dry matter production is minimal. This canopy structure optimum can be predicted by integrating physiological processes over the canopy using a functional-structural plant model (FSPM). This model needs to represent the influence of osmotic stress on plant morphology and stomatal conductance, the accumulation of toxic ions and their dynamics in the different compartments of the system, and their toxic effects in the leaf. Experiments will be conducted to parameterize an extended cucumber FSPM. In in-silico experiments with the FSPM we attempt to identify which canopy structure could lead to maximum long-term water use efficiency with minimum ionic stress. The results from in-silico experiments will be evaluated by comparing different canopy structures in greenhouses. Finally, the FSPM will be used to investigate to which extent the improvement of individual mechanisms of salt tolerance like reduced sensitivity of stomatal conductance or leaf expansion can contribute to whole-plant salt tolerance.

Schallreduzierte effiziente elektrische Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln - Frequenzumrichter mit APFVF für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 (TP 3)

Wärmepumpen sind eine der zentralen Lösungen für die klimaneutrale Gebäudeheizung- und Klimatisierung der Zukunft. Im Jahr 2021 waren 1,2 Mio. Wärmepumpen in Deutschland im Betrieb. Die überwiegende Zahl dieser Wärmepumpen (70%) nutzen als Quelle die Luft. Steigt ihre Zahl weiter so stark an, wird eine Herausforderung immer zentraler: Die Geräuschentwicklung der Wärmepumpen auf ein Minimum bringen. Diese Herausforderung geht der Projektverbund für Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Wärmepumpenherstellern, Komponentenlieferanten und Forschungsinstituten an. Der Projektverbund verbindet Methodenentwicklung zur akustischen Analyse und Bewertung von Wärmepumpen und deren Komponenten mit Lösungsentwicklungen in Technologieprojekten mit neuen Komponenten in Wärmepumpen, neuen Formen der Schalldämpfung und innovativen Gerätemodifikationen. Das Technologieprojekt 3 - Frequenzumrichter mit Aktiver Power Factor Correction (APFC) für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 - Inverter4R290 befasst sich mit dem Einsatz von umweltfreundlichem Kältemittel R290 in Wärmepumpen. Dabei ist der Fokus auf der Leistungselektronik. Diese soll so gestaltet werden, dass sie für unterschiedliche Leistungsklassen von Wärmepumpen eingesetzt werden kann. Die Leistungselektronik besteht aus der APFC und einer Wechselrichterstufe. Die Leistungselektronik ist für den einphasigen und dreiphasigen Netzanschluss dimensioniert. Die APFC ist ausgelegt, um zukünftige Netzanforderungen bezüglich der Oberschwingungen im verbrauchten Strom über den kompletten Lastbereich und der Blindleistungsbereitstellung zu erfüllen. Die Wechselrichterstufe soll für einen hohen Wirkungsgrad und die Absenkung der Schallemissionen der Wärmepumpe optimiert werden. Je nach Taktfrequenz und ggf. aktiver Kühlung kann die gesamte Leistungselektronik auch zu Schallemissionen beitragen. Außerdem werden Bauraum und Kühlungsbedarf der Leistungselektronik für den Wärmepumpeneinsatz optimiert.

Schallreduzierte effiziente elektrische Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln - Frequenzumrichter mit APFVF für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 (TP 3), Teilvorhaben: Design und Messung

Wärmepumpen sind eine der zentralen Lösungen für die klimaneutrale Gebäudeheizung- und Klimatisierung der Zukunft. Im Jahr 2021 waren 1,2 Mio. Wärmepumpen in Deutschland im Betrieb. Die überwiegende Zahl dieser Wärmepumpen (70%) nutzen als Quelle die Luft. Steigt ihre Zahl weiter so stark an, wird eine Herausforderung immer zentraler: Die Geräuschentwicklung der Wärmepumpen auf ein Minimum bringen. Diese Herausforderung geht der Projektverbund für Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Wärmepumpenherstellern, Komponentenlieferanten und Forschungsinstituten an. Der Projektverbund verbindet Methodenentwicklung zur akustischen Analyse und Bewertung von Wärmepumpen und deren Komponenten mit Lösungsentwicklungen in Technologieprojekten mit neuen Komponenten in Wärmepumpen, neuen Formen der Schalldämpfung und innovativen Gerätemodifikationen. Das Technologieprojekt 3 - Frequenzumrichter mit Aktiver Power Factor Correction (APFC) für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 - Inverter4R290 befasst sich mit dem Einsatz von umweltfreundlichem Kältemittel R290 in Wärmepumpen. Dabei ist der Fokus auf der Leistungselektronik. Diese soll so gestaltet werden, dass sie für unterschiedliche Leistungsklassen von Wärmepumpen eingesetzt werden kann. Die Leistungselektronik besteht aus der APFC und einer Wechselrichterstufe. Die Leistungselektronik ist für den einphasigen und dreiphasigen Netzanschluss dimensioniert. Die APFC ist ausgelegt, um zukünftige Netzanforderungen bezüglich der Oberschwingungen im verbrauchten Strom über den kompletten Lastbereich und der Blindleistungsbereitstellung zu erfüllen. Die Wechselrichterstufe soll für einen hohen Wirkungsgrad und die Absenkung der Schallemissionen der Wärmepumpe optimiert werden. Je nach Taktfrequenz und ggf. aktiver Kühlung kann die gesamte Leistungselektronik auch zu Schallemissionen beitragen. Außerdem werden Bauraum und Kühlungsbedarf der Leistungselektronik für den Wärmepumpeneinsatz optimiert.

Schallreduzierte effiziente elektrische Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln - Frequenzumrichter mit APFVF für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 (TP 3), Teilvorhaben: Fertigung und Vorprüfung

Wärmepumpen sind eine der zentralen Lösungen für die klimaneutrale Gebäudeheizung- und Klimatisierung der Zukunft. Im Neubau wurde 2021 jede zweite Heizung mit der Wärmepumpentechnologie umgesetzt. Im Jahr 2021 waren 1,2 Mio. Wärmepumpen in Deutschland im Betrieb. Die überwiegende Zahl dieser Wärmepumpen (70%) nutzen als Quelle die Luft. Steigt ihre Zahl weiter so stark an, wird eine Herausforderung immer zentraler: Die Geräuschentwicklung der Wärmepumpen auf ein Minimum bringen. Diese Herausforderung geht der Projektverbund für Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Wärmepumpenherstellern, Komponentenlieferanten und Forschungsinstituten an. Der Projektverbund QUEEN-HP verbindet Methodenentwicklung zur akustischen Analyse und Bewertung von Wärmepumpen und deren Komponenten mit Lösungsentwicklungen in Technologieprojekten mit neuen Komponenten in Wärmepumpen, neuen Formen der Schalldämpfung und innovativen energieeffizienten und zukunftssicheren Gerätemodifikationen. Das Technologieprojekt 3 Inverter4R290 - Wechselrichter mit Aktiver Power Factor Correction (APFC) für Wärmepumpen mit Kältemittel R290 - befasst sich mit dem Einsatz von umweltfreundlichem Kältemittel R290 in Wärmepumpen. Dabei ist der Fokus auf der Leistungselektronik (LE). Diese soll so gestaltet werden, dass sie für unterschiedliche Leistungsklassen von Wärmepumpen eingesetzt werden kann. Die LE besteht aus der APFC und einer Wechselrichterstufe. Die LE ist für den einphasigen und dreiphasigen Netzanschluss dimensioniert. Die APFC ist ausgelegt, um zukünftige Netzanforderungen bezüglich der Oberschwingungen im verbrauchten Strom über den kompletten Lastbereich und der Blindleistungsbereitstellung zu erfüllen. Die Wechselrichterstufe soll für einen hohen Wirkungsgrad und die Absenkung der Schallemissionen der Wärmepumpe optimiert werden. Je nach Taktfrequenz und ggf. aktiver Kühlung kann die gesamte LE auch zu Schallemissionen beitragen. Der Bauraum und die Kühlung der LE werden für Wärmepumpen optimiert.

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