Effiziente Gebäude- und Anlagentechnik

Projektlaufzeit: Januar 2014 - Dezember 2017

Der steigende Einsatz von Technologien der Erneuerbaren Energien zur Deckung des Energiebedarfs erfordert die Entwicklung von technischen Lösungen für ein effizientes, flexibles sowie kostengünstiges Erzeugungs- und Lastmanagement.

Ein interdisziplinärer Forschungsverbund bestehend aus dem Solar-Institut Jülich und den Fachbereichen Energietechnik, Elektro- und Informationstechnik sowie Bauingenieurwesen der Fachhochschule Aachen widmet sich der Herausforderung, Gebäude mit Wärmepumpen (WP) beziehungsweise Blockheizkraftwerken (BHKW) und thermischer Speicherfähigkeit auszustatten. So fungiert sie als Schnittstelle zwischen Strom- und Wärmemarkt und trägt zum Ausgleich von Fluktuationen im Stromnetz bei.

Das zu entwickelnde Konzept umfasst neben Erzeugermanagement und Gebäude-Lastmanagement auch die Mensch-Maschine-Kommunikation. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit Überkapazitäten im schwankenden Energieangebot aus Erneuerbaren Quellen effizient zu nutzen und das Stromnetz durch die Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu stabilisieren. Am Beispiel eines fiktiven Referenzgebäudes (Hardware-in-the-loop, Simulation) wird das Potenzial des Konzepts ermittelt, wobei insbesondere der Entscheidungsspielraum für den Betreiber im Wirkungsgefüge von BHKW, Wärmepumpe und Speicherfähigkeit unter Berücksichtigung der Wetter- und Nutzungsprognose sowie der Anforderungen aus dem Stromnetz aufbereitet und dargestellt wird.

Projektförderung:

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: Februar 2022 – August 2022

Die umlaut SE, das Institut NOWUM-Energy und das Solar-Institut Jülich wurden von der Kupferstadt Stolberg, der StädteRegion Aachen, der IHK Aachen und der AGIT mbh mit der Durchführung einer Studie zur klimagerechten Transformation der Industrie in Stolberg beauftragt. Diese Studie steht im Kontext der Herausforderungen des Strukturwandels und der Energiewende in der Region Aachen sowie den Wiederaufbau-Bestrebungen nach dem Hochwasser im Juli 2021. Das Vorhaben wird von einem Großteil der dort in der Stolberger Talachse angesiedelten Industrieunternehmen unterstützt. Das Ziel der Studie ist die Erstellung einer Roadmap zur Dekarbonisierung der Stolberger Industrie und eines Förderantrags für ein Kernprojekt, das den Beginn dieser Roadmap darstellt.

Zu Beginn der Studie werden mit Hilfe eines Fragebogens und Begehungen der teilnehmenden Industrieunternehmen grundlegende Verbrauchs- und Prozessdaten gesammelt und hinsichtlich Energieeinspar- und Substitutionspotenzialen analysiert. Des Weiteren werden die Potentiale der gesamten Region Stolberg für den weiteren Ausbau einer regenerativen Energieversorgungsinfrastruktur betrachtet. Auf dieser Basis werden Projektideen zur klimafreundlichen Transformation der Talachse entwickelt. In Absprache mit den Auftraggebern und den Industrieunternehmen wird eine Kernprojektidee bestimmt, für welche ein passendes Förderprogramm identifiziert und ein Förderantrag ausgearbeitet wird. Dieser Förderantrag wird zum Projektabschluss zusammen mit der Roadmap, in welcher auch die anderen erarbeiteten Projektideen enthalten sind, zur Einreichung an den Auftraggeber übergeben.

Projektpartner:

• umlaut SE
• Institut NOWUM-Energy der FH Aachen

Auftraggeber:

• Kupferstadt Stolberg
• StädteRegion Aachen
• Industrie- und Handelskammer Aachen
• Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer mbH

Projektbeginn: Januar 2020

Laufzeit: 1,5 Jahre

Algen sind fotosynthetisch aktive Organismen und können große Mengen an Nährstoffen akkumulieren. So können sie beispielsweise zur Entfernung von Nitraten und Phosphaten aus Abwasserströmen beitragen und damit die Verschmutzung von Oberflächen- und Grundwasser zu reduzieren helfen. Die Aufarbeitung von Nährstoffen aus Abfallströmen durch Algen ist eine aufstrebende Technologie, die regional im Bioökonomie-Revier helfen soll eine intensive Landwirtschaft ohne Erhöhung der Wasserverschmutzung umzusetzen, gleichzeitig aber auch in andere Regionen weltweit exportiert werden kann. Die gewonnene Biomasse kann aber auch in Bioraffinerien weiterverwendet werden und zu höherwertigen Produkten konvertiert werden. Im globalen Kontext ist die aus Abwasser (z. B. aus der Lebensmittelindustrie) gewonnene Algenbiomasse auch eine vielversprechende stoffliche Grundlage, um die fortschreitende Desertifikation in abgelegenen Regionen einzudämmen.

Um die Machbarkeit und den Nutzen dieser neuen Technologie im "Strukturwandel" zu demonstrieren, wird ein skalierbarer Demonstrator entwickelt, der aus koppelbaren Modulen auf der Basis von 20-Fuß ISO-Containern besteht. Als Demonstratoren werden vom SIJ und dem IBG-2 zwei Module gebaut; ein Algen-Photobioreaktor-Modul und ein Spektral Modul, das Licht und Energie aus Sonnenlicht liefert. Beide Systeme sind Teil des Demonstrators „Container-basierte Bioraffinerie“.
 

Projektpartner:

• Forschungszentrum Jülich / Institut für Bio- und Geowissenschaften 1: Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

Projektlaufzeit: Januar 2019 - Dezember 2023

Die primäre Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines Verfahrens zur ökologischen Bewertung, Optimierung und Steuerung für gebäudetechnische Anlagen auf Basis einer dynamischen Lebenszyklusanalyse, wobei sowohl kurzfristige (stündliche Schwankungen der spezifischen Emissionen (g CO2/kWh) der Stromerzeugung) als auch langfristige (Dekarbonisierung des Strommarkts) Effekte einfließen. Im Vorhaben werden aktuelle Szenarien angesetzt, die den sich dynamisch entwickelnden Energiemarkt über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten simulatorisch abbilden. Dementsprechend werden zeitlich hoch aufgelöste Datensätze der ökobilanziell wirksamen Emissionen generiert. Diesbezüglich besteht die Bestrebung in der Fortentwicklung eines Simulationswerkzeugs in MATLAB/Simulink zur dynamischen Simulation wärmetechnischer Systeme mit den zusätzlichen Sektoren Strommarkt und Verkehr in Kombination mit einer begrenzten Lastflussberechnung für das jeweils zu untersuchende Stromversorgungsnetz und ein frei definierbares Bilanzgebiet. Das Verfahren soll sowohl auf einzelne Gebäude als auch auf Quartiere anwendbar sein.

Projektpartner:

• Viessmann Werke GmbH & Co. KG
• ina Planungsgesellschaft mbH

Projektförderer:

• Bundesministerium für Bildung und Forschung

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

Die SEG Jülich plant ein Neubaugebiet für teilweise Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie eine Kita und einen Gesundheitsbetrieb. Zusätzlich sollen mindestens 8 Grundstücke für sog. „Tiny Houses“ angelegt werden.

Im Auftrag der Stadtwerke Jülich (SWJ) und der Stadtentwicklungsgesellschaft (SEG) erstellt das SIJ in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-IEG eine Energiekonzeptstudie, welche die folgenden Punkte umfasst:

• Annahmen zum Wärme-/Kälte- und Strombedarf sowie weiterer relevanter Parameter werden mit dem AG abgestimmt.
• Definition von Referenz-Gebäuden im KfW55-Standard mit Luft-Wasser-Wärmepumpen, PV-Anlagen und einer Wallbox mit 11 kW Ladeleistung.
• In einem ersten Schritt werden 10 alternative Konzeptvarianten inkl. netzbasierter Lösungen entwickelt, beschrieben und mittels pauschaler Erfahrungswerte bzgl. technischer und wirtschaftlicher Eigenschaften nach dem Typtage-Verfahren dimensioniert und bewertet. Eine Bewertungsmatrix wird mit dem AG abgestimmt.

Gemeinsam mit SEG/SWJ werden drei Varianten ausgewählt, die im Anschluss genauer in dynamischen Simulationsrechnungen bewertet und optimiert werden. Hierbei werden auf Basis von Wetterdaten (1 aktuelles, 1 zukünftiges Jahr) Bedarfsszenarien berechnet, wobei Gesamtbedarf und Spitzenlast ermittelt werden. Eine Investitions- und Betriebskostenschätzung wird jeweils durchgeführt sowie eine Klimawirksamkeitsbetrachtung in CO₂-Äquivalenten. Die Robustheit der Berechnungen wird dabei durch Sensitivitätsanalysen (Wetter, Lastprofile, wesentliche Kostenannahmen) überprüft.