Forschungsprojekte

Projektbeginn: Oktober 2018

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens HPMS ist die Ausschöpfung von Kostensenkungspotentialen bei Salzturmkraftwerken durch die Entwicklung eines hocheffizienten Receivers und durch eine gesamtheitliche Optimierung des solaren Hochtemperatur-Kreislaufs. Es schafft damit die Basis für die nächste Generation von Salzturmkraftwerken. Das Gesamtvorhaben besteht aus den 3 Phasen:

• Phase 1: Theoretische Studien und Basic Engineering im Projekt HPMS-I
• Phase 2: Bau und Betrieb eines Testreceiversystems aufbauend auf der im Projekt HPMS-I entwickelten Technologie
• Phase 3: Nutzung der Technologie in einer Pilotanlage oder einer kommerziellen Anlage

Die Arbeitsschwerpunkte des SIJ im Projekt HPMS-II (Phase 2) sind die folgenden:

• Validierung der in HPMS entwickelten dynamischen Simulationsmodelle
• Auslegung eines Testreceiversystems gestützt mit dynamischen Simulationen einzelner Komponenten und des Gesamtsystems
• Entwicklung und Auslegung eines Regelungskonzeptes und einer optimierten Betriebsstrategie
• Weiterentwicklung der numerischen Simulationsmodelle zur besseren Vorhersage von Ertrag und Lebensdauer

Projektpartner:

• Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR) (Koordinator)
• MAN Energy Solutions SE (MAN)
• Solar-Institut Jülich der FH Aachen (SIJ)
• Flexible Industriemesstechnik GmbH (FLX)
• Endress + Hauser Messtechnik GmbH + CO.KG (E+H) (als assoziierter Partner)
• Mannesmann Stainless Tubes (MST) (als assoziierter Partner)
• Holter Regelarmaturen GmbH & Co. KG (HORA) (als assoziierter Partner)
• Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) (als Unterauftragnehmer)

Projektlaufzeit: 01.07.2022 - 31.01.2025

Ziel des vorliegenden ZIM-Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen SCR-Drahtgestrickelements für die Abgasnachbehandlung, um die bei der Verbrennung von Kraftstoffen im Motor entstehenden Stickoxiden (NO_x) weitestgehend abzubauen. Das anvisierte KAT-System ist für kleine BHKWs mit einer Leistung bis zu 50 kW ausgelegt und sowohl für die Erstausrüstung als auch für die Nachrüstung von bereits installierten Abgassystemen von BHKWs geeignet. Dabei soll ein hoher Wirkungsgrad des SCR-Katalysators von ≥ 95 % erreicht werden.

Für die Auslegung der Drahtgestrickelemente bedarf es einer neuartigen CFD-Strömungssimulation, mit der erstmals die Modellierung von komplexen, mehrschichtigen Drahtgestricken und deren abgastechnische Eigenschaften durchgeführt werden können. Diese Entwicklung sowie Versuchsreihen zur Validierung der Berechnungen übernimmt das Solar-Institut Jülich der FH Aachen.

Eine weitere Entwicklung innerhalb von „EasyPlug“ besteht in der Automatisierung des kombinierten Herstellungsprozesses der Drahtgestrickelemente, die zu großen Teilen aktuell per Hand gewickelt werden und dadurch keine ganzheitlich reproduzierbare Qualität gewährleistet werden kann. Diese Generierung konstanter Qualität und das damit verbundene garantierte Stickoxidabbauvermögen soll durch die Automatisierung und Verbindung der einzelnen Komponenten (Stricken, Wickeln, Verpressen) ermöglicht werden.

Der Kooperationspartner eloona GmbH entwickelt die Geometrie der Drahtgestrickelemente auf Basis der simulativ ermittelten, optimalen Fertigungsparameter. Hierbei werden die entwickelten Geometrien im Speziellen auf ihre Beschichtungsfähigkeit erforscht und zusätzlich eine optimale Beschichtungsmethodik entwickelt.

Projektlaufzeit 01.11.2021 – 31.10.2024

TESS KWK ist das Folgeprojekt des Forschungsprojekts TESS 2.0, in dem das innovative Power-to-Heat&Power-Speicherkonzept multiTESS (multifunktionaler thermischer Stromspeicher) entwickelt und als Pilotanlage in einem eigenen Gebäude auf dem Gelände des Brainergy Parks Jülich realisiert wurde.

Die Idee des thermischen Stromspeichers ist es, die Beladung des Speichers mittels einer neuartigen elektrischen Heizung aus Netzüberschussstrom der erneuerbaren Energien zu realisieren. Zusätzlich ist es möglich, überschüssige Wärmeenergie aus Industrieprozessen in dem multiTESS zu speichern. Innovativ und einzigartig ist neben der Bereitstellung auch die Speicherung der Hochtemperaturwärme von bis zu 1000 °C. Die gespeicherte Energie kann entweder als grundlastfähige Wärme – das heißt rund um die Uhr von 50 °C bis 1000 °C – oder in bestehende KWK-Anlagen zur bedarfsgerechten Erzeugung von Strom und Wärme abgegeben werden.

Im Projekt TESS KWK wird der multiTESS für den Einsatz in kommunalen Strom- und Wärmenetzen weiterentwickelt und unter Berücksichtigung möglichst realer Betriebsbedingungen für diesen Einsatz optimiert und qualifiziert. Zu diesem Zweck werden ein ausführlicher Versuchsbetrieb an der bestehenden Pilotanlage, eine Konzeptoptimierung und eine Markteinsatzanalyse durchgeführt. Begleitend wird ein digitaler Zwilling der Gesamtanlage erstellt und mithilfe der Versuchsergebnisse validiert. Mit dem digitalen Zwilling kann eine Adaption an verschiedene Einsatzszenarien zügig durchgeführt sowie das Anlagenverhalten bei Konzeptänderungen vorausgesagt werden.

Mit dem Projekt TESS KWK befindet sich das multiTESS-Konzept weiter auf dem Weg zur kommerziellen Realisierung. Durch seine dezentrale und flexible Energiebereitstellung stellt multiTESS einen bisher fehlenden Baustein zur Sicherstellung der CO₂-freien Versorgung mit Strom & Wärme in der Industrie und auch bei der kommunalen Energieversorgung dar. Diese Sektorenkopplung bildet eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur angestrebten Klimaneutralität.

Näheres kann unter folgendem Link nachgelesen werden: Näheres zu TESS KWK

Projektpartner:innen:

• Dürr AG
• Kraftanlagen Energies & Services GmbH
• Otto Junker GmbH
• Stadtwerke Jülich GmbH

Projektlaufzeit: 31.05.2023 - 20.05.2024

NRW hat ebenso wie der Bund das Ziel, bis 2045 die Wärmeversorgung vollkommen zu dekarbonisieren. Dafür muss unter anderem der Raumwärme- und Warmwasserbedarf von 123 bis 148 TWh/a im Jahr 2045 komplett durch klimafreundliche und erneuerbare Energien gedeckt werden. In der Studie, die von einem Konsortium bestehend aus den Instituten Fraunhofer IFAM, IEG, UMSICHT, der Hochschule Bochum und dem Solar-Institut Jülich bearbeitet wird, wurden alle relevanten Wärmeerzeugungsoptionen analysiert und deren energetisches Potenzial ermittelt. Das größte bereitstehende Potential für das Jahr 2045 wurde ermittelt bei der oberflächennahen Geothermie mit einem Potenzial von 135 TWh/a, der (mittel-)tiefen Geothermie (hydrothermal) mit 38 TWh/a sowie bei der industriellen Abwärme mit einem Potenzial von 35 TWh/a. Aber auch weitere Wärmequellen wie die Abwärme von Elektrolyseuren oder Rechenzentren, weisen ein regional bedeutsames Potenzial auf. In der Studie wurde auch erstmalig das Potenzial der Freiflächensolarthermie in NRW untersucht.

Mit der Potenzialstudie zur Wärmeversorgung in NRW unterstützt das LANUV die Städte und Kommunen bei der Erstellung kommunaler Wärmepläne nach dem Wärmeplanungsgesetz. Das Gesetz sieht vor, den Bestand und das Potenzial regional zu ermitteln und anschließend in einer Szenarienanalyse zu beschreiben, wie innerhalb des Gemeindegebiets eine klimaneutrale Wärmeversorgung erreicht werden kann. Mit den vom LANUV erhobenen Daten, wird den Kommunen die Wärmeplanung erleichtert, da die landesweiten Daten als Grundlage dienen können und somit nicht von jeder Gemeinde eigens erhoben werden müssen. Alle in der Studie erhobenen Ergebnisse stehen nach Fertigstellung als Geodaten frei zum Download bereit.

Projektpartner:

• Fraunhofer IFAM
• Fraunhofer IEG
• UMSICHT
• Hochschule Bochum
• Solar-Institut Jülich der FH Aachen

Projektlaufzeit: 01.01.2023 – 30.06.2025

Die Reduktion der CO₂-Emissionen stellt eins der Kernziele der Energiewende dar. Besonders im Bereich der "Wärmewende“ besteht dabei ein erhöhter Handlungsbedarf, da hierbei der Anteil Erneuerbarer Energie nur 17,4 % (Stand 2022) beträgt. Einen wesentlichen Transformations-Baustein bilden hierfür Wärmepumpen, die Heizwärme durch regenerativ erzeugten Strom bereitstellen können. Um deren Einsatz und Effizienz zu steigern, müssen diese in Kopplung mit thermischen Speichern, bspw. Erdreichwärmetauschern oder Eisspeichern, betrieben werden. Da dies jedoch bisher einen hohen Beton-Einsatz und damit CO₂-Ausstoß bedingt, wird als Kernziel des Projekts die Entwicklung stahlbasierter Lösungen zur Wärmegewinnung, -speicherung und -übertragung verfolgt.

Für das Aufzeigen der CO₂-Reduktion und der regenerativen Eigenschaften des Energiesystems wird mit den Partnern des SIJ, dem Institut für Stahlbau –Nachhaltigkeit im Metallleichtbau (RWTH Aachen) und der FH Dortmund, ein Plus-Energie-Gebäude in Form eines digitalen Demonstrators entwickelt.

Das Vorhaben wird gefördert durch die FOSTA (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.), die IGF (Industrielle Gemeinschaftsforschung), die Stiftung Stahlanwendung und das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

Laufzeit: 01.10.2023 - 30.09.2026

Schwimmende Photovoltaik-Anlagen (FPV) bieten großes Potenzial für den zukünftigen regenerativen (grünen) Energiemix in Deutschland. Seit Jahren sind bereits erste Anlagen im Einsatz, zumeist auf künstlichen Gewässern wie Kiesgruben. Dennoch gibt es Wissenslücken und Unsicherheiten hinsichtlich der Auswirkungen auf die Umwelt, speziell die Gewässerökologie, sowie Beeinträchtigungen auf die technische Funktionalität durch mögliche Schneelasten.

Daher haben sich das Solar-Institut Jülich (SIJ), das Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -bewertung e.V, gaiac, und die Firma HÜLSKENS zusammengeschlossen, um wissenschaftlich fundierte Daten zu Umweltauswirkungen von Floating PV-Anlagen zu erheben und zu bewerten. Geplant ist die Kooperation für mindestens drei Jahre.

Die Datenerfassung erfolgt praxisnah am Standort einer seit 2020 betrieben FPV-Anlage mit 750 KWp auf einem Kiessee der Firma HÜLSKENS im niederrheinischen Weeze, NRW. Parallel werden weitere Fragestellungen in einer Modellteichanlage in zugeschnittenen Experimenten bearbeitet. Untersuchungsgegenstand sind die Auswirkungen von FPV-Anlagen auf die Gewässerökologie sowie die technische und ökobilanzielle Optimierung von FPV-Anlagen, wobei die schwimmende Unterkonstruktion im Fokus steht. Zur Entwicklung eines optimalen Anlagenbetriebs werden Experimente zur Kühlung und Reinigung sowie insbesondere zur sicheren Reduktion von Schneelasten auf solchen Anlagen durchgeführt.

Die Kooperationspartner werden innovative Ansätze zur Ertragssteigerung und -sicherung von Floating PV testen. Die Daten aus der Versuchsanlage und dem Monitoring fließen in das bei gaiac entwickelte, dynamische Seenmodell StoLaM ein. Dieses wird im Rahmen des genannten Monitorings erweitert und mit den erhobenen Daten kalibriert, so dass im Anschluss ein validiertes Prognosetool für die Abschätzung von Umweltauswirkungen durch Floating-PV-Anlagen auch für weitere Gewässer zur Verfügung steht.

Ergänzend werden Ökobilanzierungen zur Schwimmplattform in Hinblick auf einen optimierten Lösungsansatz durchgeführt. Schließlich soll der bisherige Systemansatz für die Nutzung auf großen Seen, z. B. den Einsatz auf Tagebaurestseen, geprüft und ertüchtigt werden.

Unsere Projektpartner:

• Hülskens GmbH & Co. KG
• gaiac - Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -bewertung e. V. an der RWTH Aachen

Förderung: Land NRW – Programm für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen – progres.nrw – Programmbereich Innovation

Laufzeit: 01.07.2023 - 30.06.2026

Im Rahmen des F&E-Verbundprojekts EPH_FuE werden Lösungen für die Stadt Herzogenrath entwickelt um bis zum Jahr 2030 eine CO₂-neutrale Energieversorgung zu erreichen. Das SIJ bearbeitet das Teilprojekt "Floating-PV-Anlagen", bei dem ein optimiertes automatisierbares Konstruktionskonzept zur Errichtung von schwimmenden Photovoltaik-Anlagen auf dem See der Nivelsteiner Sandwerke erprobt sowie verbesserte Ertragsprognosen für Floating-PV-Anlagen erarbeitet werden.

Zu den Herausforderungen im Zusammenhang mit schwimmenden PV-Anlagen zählen die noch ungenaue Leistungsvorhersage, Schwierigkeiten bei der korrekten Abbildung von Floating-PV-Anlagen in Auslegungstools sowie die fehlende Berücksichtigung von Kostenreduzierungen durch Vorfertigung und Montage. Es wird eine Lösung entwickelt, die auf zwei Ansätzen basiert:

Erstens wird ein Anlagenmonitoring implementiert, das relevante Daten der verwendeten Module sowie der Umgebungsbedingungen erfasst und analysiert, um eine präzisere Ertragsprognose und eine effektivere Fernüberwachung zu ermöglichen.

Zweitens wird die Automatisierbarkeit der Montage von schwimmenden Photovoltaikanlagen untersucht. Hierzu werden auf dem Markt erhältliche vormontierte Teilsysteme theoretisch und praktisch getestet, um die Montage und Demontage zu vereinfachen.

Das Teilprojekt "Floating-PV-Anlagen" strebt somit die Weiterentwicklung und Optimierung dieser innovativen Technologie an.

Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Unsere Projektpartner:

• Siemens Energy Global GmbH & Co. KG (Projektkoordinator)
• RWTH Aachen
• Hochschule Niederrhein
• Wasserverband Eifel-Rur KdöR
• Enwor – Energie und Wasser vor Ort GmbH
• Nivelsteiner Sandwerke und Sandsteinbrüche GmbH