Energietechnologieoffensive Hessen, Förderprojekte · 2015. 12. 11. · 3 04 Innovationsförderung Hessen: Innovative Ideen gesucht 06 Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative

www.innovationsfoerderung-hessen.de

Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung

Energietechnologieoffensive Hessen:Förderprojekte stellen sich vor

www.energieland.hessen.de

Die Umstellung unserer Energieversorgung auf erneuerbare Quellen ist eine

anspruchsvolle technologische Aufgabe, die weit über den bloßen Ausbau der

Erzeugungskapazitäten hinausgeht. Angesichts der Tatsache, dass die erneuer-

baren Energien schon fast 30 Prozent des Bruttostromverbrauchs decken, stellt

sich immer mehr die Frage nach ihrer Integration in das Energiesystem und in

die Netzinfrastruktur. Denn jedes Megawatt installierter Leistung erhöht den

Regelungsbedarf zur Sicherstellung einer zuverlässigen Energieversorgung.

Dafür brauchen wir innovative Technologien.

Daher freue ich mich, Ihnen den Abschlussbericht der ersten Energietechnolo-

gieoffensive Hessen vorlegen zu können. In dem dreijährigen Programm wurden

elf Energietechnologieprojekte mit zusammen 3,4 Millionen Euro gefördert.

Dass dafür 60 Bewerbungen eingingen, zeigt das große Engagement der

Wirtschaft und der Wissenschaft, Lösungen für die zahlreichen technologischen

Fragen der Energiewende von der Speicherung bis zur Systemintegration zu

entwickeln. Ich wünsche Ihnen eine anregende Lektüre.

Staatsminister Tarek Al-Wazir

Hessischer Minister für Wirtschaft, Energie,Verkehr und Landesentwicklung

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04 Innovationsförderung Hessen: Innovative Ideen gesucht

06 Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e. V.

06 Geschäftsstelle Elektro mobilität Hessen

07 Bürgerforum Energieland Hessen

07 Das Enterprise Europe Network Hessen

08 Energietechnologieoffensive Hessen

11 Die Förderprojekte

Ausbau der erneuerbaren Energien zur Strom- und Wärmeerzeugung

12 WiSys – Großsysteme eröffnen neue Marktsegmente für Solarthermie

16 Energieeffiziente Heizsysteme durch Kopplung und Speicherung

Steigerung der Energieeffizienz und Realisierung deutlicher Energieeinsparungen

20 SimEnergy – Energieeffiziente Produktionssysteme für die Automobilindustrie

24 Elektrobusse – Höhere Reichweiten durch intelligente Klimatisierung

28 InstaRk – Mit der Chaostheorie zu energieeffizienten Lüftungsanlagen

32 EMBAS – Innovatives Energiemanagementsystem für Mikro-Blockheizkraftwerke

Ausbau einer nachhaltigen und sicheren Energieinfrastruktur einschließlich Energiespeicherung

36 Große Energiespeicher mit Druckluft

40 SolVer – Speicheroptimierung in lokalen Verteilnetzen

44 MAHA – Neue Einsatzfelder durch innovative Hochleistungsakkus

48 Cold Filling Modul – Wasserstoff schnell und mobil tanken

Steigerung der gesellschaftlichen Akzeptanz der energiepolitischen notwendigen Schritte in der Zukunft

52 3D-Vis -Raumplanung zum Anfassen

56 Impressum

Inhalt

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Das Land Hessen unterstützt und fördert angewandte Forschungs- und Entwicklungsprojekte

mit einem hohen technologischen Innovationsgrad, die kleine und mittlere Unternehmen

(KMU) und wissenschaftliche Einrichtungen gemeinsam durchführen. Die HA Hessen Agentur

GmbH ist Projektträger für mehrere hessische Förderprogramme im Auftrag verschiedener

Ministerien des Landes.

Gute Ideen sind nicht nur aus dem Bereich Energie, sondern grundsätzlich aus allen Branchen,

Wirtschaft- und Wissenschaftsgebieten willkommen. Im Fokus stehen immer der partnerschaft-

liche Verbund und der technologische Innovationsgrad. Der erste Schritt zur Förderung eines

Vorhabens ist das Einreichen einer aussagekräftigen Skizze vor Projektstart bei der Hessen

Agentur.

Das zuständige Expertenteam der Innovationsförderung Hessen verfügt über langjährige Erfah-

rung in der Beratung und Betreuung von Förderprojekten. Neben hervorragenden Kontakten zu

hessischen Firmen und Wissenschaftseinrichtungen, steht das Team für Fragen und Informationen

von der Projektanbahnung über den Projektverlauf bis zur erfolgreichen Projektumsetzung zur

Verfügung. Seit 2008 hat die Hessen Agentur über 350 Verbundvorhaben begleitet.

Innovationsförderung Hessen:Innovative Ideen gesucht

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Im Fokus der Innovations -förderung stehen: a Intensivierung angewandter Forschung und

Entwicklung in Unternehmen und Hochschulen

a Entwicklung marktfähiger und innovativer

Produkte, Verfahren und Dienstleistungen

a Stärkung der Innovationskraft von KMU

a schnellere Anwendung von neuen Ideen

durch Verkürzung des Zeitraums zwischen

Erfindung und Markteinführung

a Sicherung und Schaffung neuer Arbeitsplätze

a Beschleunigung von Wissens- und Technologie-

transfer zwischen KMU, Hochschulen und

außeruniversitären Einrichtungen

a Generierung von Ergebnissen mit Modell -

charakter für den Technologiestandort Hessen

a Schließung von Lücken in der Wertschöpfungs-

kette durch Kooperationen

Dr. Claudia Männicke

Telefon 0611 95017-8691

[email protected]

Susanne Schlag

Telefon 0611 95017-8964

[email protected]

HA Hessen Agentur GmbH

Hessen ModellProjekte


K O N T A K T

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Wasserstoff und Brennstoffzellen werden zukünftig eine wichtige Rolle beider nachhaltigen Energieversorgung und einer leistungsfähigen Elektromo-bilität einnehmen. Unterstützt von der HA Hessen Agentur GmbH, habensich die in diesem Technologiefeld tätigen Unternehmen, Hochschulen,öffentliche Einrichtungen sowie engagierte Privatpersonen im Kompetenz-netzwerk Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V. (kurz:H2BZ-Initiative Hessen e.V.) zusammengeschlossen.

Die Initative ist Anlaufstelle für alle Fragen rund um das Themenfeld Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Hessen. Sie wird vom Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesent -wicklung unterstützt.

Die H2BZ-Initiative Hessen e.V. führt im Rahmen von Mitgliederveranstal-tungen, Fachforen und Workshops Kompetenzträger und Stakeholderzusammen. Ziel ist es, gemeinsame Interessen und Aktivitäten zu bündelnsowie den Wissenstransfer zu fördern. Die Initiative bietet darüber hinauseinen umfassenden Überblick über die Akteure in Hessen und unterstütztbei der Initiierung und Begleitung von Modellprojekten.

www.H2BZ-Hessen.de

Mit der Einrichtung der Geschäftsstelle Elektromobilität in der HA HessenAgentur GmbH hat das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Energie, Ver-kehr und Landesentwicklung ein Instrument zur strategischen Ermittlungund operativen Umsetzung von Maßnahmen zur Förderung der Elektro -mobilität in Hessen geschaffen. Die Maßnahmen zielen sowohl auf eine landesweite Verbreitung der Elektromobilität als auch auf die Stärkung Hessens als Standort der Zulieferindustrie.

a eLotse: Als wichtige Partner und Multiplikatoren zur Ausweitung derElektromobilität werden die Kommunen angesehen. Mitarbeiter in denKommunen sollen über Seminare gezielt geschult werden.

a eCoach: Viele Busbetreiber im öffentlichen Personen-Nahverkehrüberlegen, Dieselbusse durch Elektrobusse zu ersetzen oder zumindestversuchsweise ausgewählte Linien umzustellen. Über die Möglich -keiten der Umstellung soll eine kostenfreie Erstberatung informieren.

a eFlotte kompakt: Elektromobilität eignet sich besonders für den Flottenbetrieb. Für Unternehmen mit Fahrzeugflotten sollen daher praxisbezogene Informationsveranstaltungen angeboten werden.

a eLeitanbieter: Um kleine und mittlere Unternehmen auf die Anforde-rungen der Elektromobilität vorzubereiten, bedarf es einer engen Vernetzung von Industrie und Forschung. In spezifischen Workshopssollen gemeinsam Strategien und Ansatzpunkte erarbeitet werden.

www.strom-bewegt.hessen.de

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V.

Geschäftsstelle Elektro mobilität Hessen

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Das Landesprogramm Bürgerforum Energieland Hessen (BFEH) unterstütztim Auftrag des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr undLandesentwicklung die Energiewende in Hessen durch zielgerichtete Infor-mations- und Dialog-Angebote für die Bürgerinnen und Bürger in denbetroffenen Kommunen. Das BFEH – umgesetzt von der HA Hessen AgenturGmbH und lokalen Projektpartnern – wird nach einer eingehenden Themen-feldanalyse auf die konkreten Bedürfnisse der jeweiligen Kommune zuge-schnitten. Es ist flexibel hinsichtlich der fachlichen Schwerpunkte (z.B. Arten-schutz oder Landschaftsbild) und der Formate (von der großen Dialog -veranstaltung über Info-Märkte und Energie-Coaching bis hin zu Mediationund Konfliktbearbeitung im kleineren Kreis). Themen von landesweiterBedeutung, wie beispielsweise Infraschall, Wirtschaftlichkeit oder Natur-schutz, werden in zentralen Experten-Anhörungen diskutiert und in Fakten-papieren aufbereitet.

Der interkommunalen Zusammenarbeit kommt eine besondere Bedeutungzu, da viele Projekte entlang von Gemeinde- und Kreisgrenzen angesiedeltsind. In der Region, in der die drei hessischen Regierungsbezirke anein -ander grenzen, wurde in Abstimmung mit allen Regierungspräsidien eineGesamtraumdarstellung mit Hilfe einer dreidimensionalen, dynamischenVisualisierung entwickelt.

www.energieland.hessen.de/buergerforum_energie

Das Enterprise Europe Network Hessen (EEN Hessen) ist die zentraleAnlaufstelle für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in Hessen bei allenFragen und Anliegen zu EU-Themen. Seit 2008 ist es Partner in einem über50 Länder umspannenden Netzwerk mit rund 600 wirtschaftsnahen Einrich-tungen. Im EEN Hessen bündeln fünf Partner ihre Expertise und Erfahrungbei der Beratung zu Internationalisierung, Innovation und Förderprogram-men: die Hessen Trade & Invest GmbH, die Industrie- und HandelskammernDarmstadt, Frankfurt und Offenbach sowie die Wirtschafts- und Infrastruk-turbank Hessen.

Das EEN Hessen unterstützt Unternehmen bei der Suche nach internatio-nalen Kooperationspartnern, wie Vertriebspartner, Zulieferer oder Lizenz-nehmer. Es verfügt über langjährige Erfahrungen in der Beratung zu EU-Programmen. Insbesondere zum europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 bietet es Informationen undintensive Unterstützung bei der Antragstellung. Unternehmen, die ihr Innovationsmanagement optimieren wollen, begleiten die Experten desEEN Hessen bei der Analyse und Umsetzung.

www.een-hessen.de

Bürgerforum Energieland Hessen

Das Enterprise Europe Network Hessen

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Das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung hat 2012,

aufbauend auf den im Abschlusspapier des Hessischen Energiegipfels formulierten Zielen, das

Förderprogramm Energietechnologieoffensive Hessen verabschiedet. Für die Umsetzung des

Programms ist die HA Hessen Agentur GmbH beauftragt.

Der Schwerpunkt des Förderprogramms lag in der Erschließung und Nutzung neuer Techno-

logien, Verfahren und Strategien in den Bereichen erneuerbare Energien, Energieeffizienz und

-einsparung. In Form konkreter Forschungs- und Entwicklungsvorhaben sollte das technisch-

wirtschaftliche sowie wissenschaftliche Potenzial mobilisiert werden. Antragsberechtigt waren

sowohl die in Hessen ansässigen Unternehmen als auch Hochschulen und Forschungseinrich-

tungen. Die maximale Förderung betrug je Forschungsprojekt 500.000 Euro.

Projektförderung in den Bereichen Energieerzeugung, Energiespeicherung, Energietransport und Energieeffizienz

Energietechnologieoffensive Hessen

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Die insgesamt 65 eingereichten Projektideen von 135 Partnern dokumentierten einen großen

Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Themenfeld Energietechnologie. Ein fachkundiges

Gremium wählte – unter Einbeziehung gutachterlicher Stellungnahmen namhafter Energie -

experten – 11 besonders innovative Forschungsvorhaben in einem zweistufigen Antragsverfahren

zur Förderung aus. Zusätzlich zu den von der Landesregierung bereitgestellten 3,4 Millionen

Euro an Fördermitteln wurden weitere 2,4 Millionen Euro an Eigenmitteln, insbesondere aus

der Wirtschaft, akquiriert. Die mehrjährigen Vorhaben wurden von den Antragstellern im

Projektzeitraum 2013 bis 2015 bearbeitet.

Innerhalb eines Projekts kooperierten häufig Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft und

gewährleisteten somit einen wertvollen Know-how-Transfer. Neben den wissenschaftlichen

Einrichtungen profitierten insbesondere kleine und mittlere Unternehmen vom Förderprogramm.

Auch hessische Großunternehmen sahen darin das geeignete Instrument für ihre Vorhaben. Aus

der angewandten Forschung und Entwicklung heraus wurden gezielt Impulse und Innovationen

aufgegriffen, die den beteiligten Unternehmen ausgezeichnete Wettbewerbschancen eröffnen.

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Die geförderten Vorhaben umfassten alle Aspekte energietechnologischer Entwicklungen und

unterstützten damit die vier Handlungsfelder und Maßnahmen, die im Umsetzungskonzept

zum Energiegipfel von der Landesregierung formuliert wurden.

Das Förderprogramm hat einen wirkungsvollen Beitrag zur Erreichung der Zielvorgaben des

Hessischen Energiegipfels geleistet und flankiert die weiteren Maßnahmen der Landesregie-

rung sichtbar mit konkreten Demonstrationsprojekten. So wurde beispielsweise das Visualisie-

rungssystem 3D-Vis nach Projektende bereits erfolgreich in Veranstaltungen des Bürgerforums

Energieland Hessen in verschiedenen hessischen Kommunen eingesetzt. Die Technologie stellt

eine beispielhafte Lösung für Anforderungen aus dem Bereich der Energiewende dar und lässt

sich für eine Vielzahl von Verfahren im Verlauf von Projekten im öffentlichen Raum anwenden.

Manuel Sturm

Telefon 0611 95017-8953

[email protected]

K O N T A K T

HA Hessen Agentur GmbH

Hessen ModellProjekte


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Ausbau der erneuerbaren Energien zur Strom- und Wärmeerzeugung

12 WiSys – Großsysteme eröffnen neue Marktsegmente für Solarthermie

16 Energieeffiziente Heizsysteme durch Kopplung und Speicherung

Steigerung der Energieeffizienz und Realisierung deutlicher Energieeinsparungen

20 SimEnergy – Energieeffiziente Produktionssysteme für die Automobilindustrie

24 Elektrobusse – Höhere Reichweiten durch intelligente Klimatisierung

28 InstaRk – Mit der Chaostheorie zu energieeffizienten Lüftungsanlagen

32 EMBAS – Innovatives Energiemanagementsystem für Mikro-Blockheizkraftwerke

Ausbau einer nachhaltigen und sicheren Energieinfrastruktur einschließlich Energiespeicherung

36 Große Energiespeicher mit Druckluft

40 SolVer – Speicheroptimierung in lokalen Verteilnetzen

44 MAHA – Neue Einsatzfelder durch innovative Hochleistungsakkus

48 Cold Filling Modul – Wasserstoff schnell und mobil tanken

Steigerung der gesellschaftlichen Akzeptanz der energiepolitischen notwendigen Schritte in der Zukunft

52 3D-Vis – Raumplanung zum Anfassen

E N E R G I E M I X

E N E R G I E E F F I Z I E N Z

I N F R A S T R U K T U R

A K Z E P T A N Z

Die Förderprojekte

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E N E R G I E M I X

Großen thermischen Solaranlagen wird sowohl von derÖffentlichkeit als auch der Politik und den Wirtschafts -verbänden ein enormes Absatzpotenzial in Höhe von 4,3 Millionen Quadratmetern Kollektorfläche bis zumJahr 2030 prognostiziert. Insbesondere in den BereichenNah- und Fernwärmenetze, in Mehrfamilienhäusern undin industriellen Prozessen kann die Nutzung von solarerWärme die Energieversorgung deutlich optimieren. Fürdie Erreichung der energiepolitischen Ziele der Bundes-regierung ist eine forcierte Entwicklung dieser Markt -segmente erforderlich. Laut Prognosen des Bundesver-bandes Solarwirtschaft (BSW) kann dadurch bis 2030 dieHälfte des jährlichen Solarwärme-Zubaus im Bereich derGroßanlagen stattfinden. Im klassischen Einsatzgebiet fürEinfamilienhäuser wird der Ausbau im gleichen Zeitraumnur noch moderat erfolgen.

Zentral für die beschleunigte Entwicklung als Wachstums-markt ist eine weitere Senkung der Investitionskosten. DieKosten für Solarwärme konnten in den letzten Jahrzehn-ten bereits erheblich reduziert werden und lagen 2012für größere Anlagen bei rund 850 Euro pro Kilowatt ther-

mische Leistung. Durch Montagevereinfachung, Optimie-rung von Komplettsystemen und zu erwartenden Tech-nologiesprüngen bei Kollektor und Speicher wird prog-nostiziert, dass die Kosten bis 2030 noch einmal halbiertwerden können. Eine solche Kostensenkung bedarfneuer Lösungen zur kostengünstigen Produktion sowiezur einfacheren, schnelleren Montage der Systemkompo-nenten, aber auch neuer Konzepte zur Vereinfachung derSystemkonfiguration.

Neben der Kostensenkung von Solarwärmeanlagen sinddarüber hinaus spezielle wirtschaftliche Anreize in Formvon Contracting-Angeboten notwendig, um bei denpotenziellen Kunden Kapitalbindung und technischesRisiko zu minimieren. Die beiden wesentlichen Anwen-dungsbereiche für Solarthermie – Mehrfamilienhäuserund Industrie – können aufgrund gesetzlicher Regelun-gen (Umlage der Investitionen auf Mieten ist nur teilweisemöglich) und unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaft-lichkeit (Erwartung sehr kurzer Amortisationszeiten in derIndustrie) nur über Solarcontracting erschlossen werden.

Prinzipskizze einer selbstent -leerenden Systemhydraulik

Beispiel eines installiertenHeat-Pipe-Kollektors

WiSys – Großsysteme eröffnen neueMarktsegmente für Solarthermie

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E N E R G I E M I X

Im Förderprojekt „WiSys – Wirtschaftlichkeit mit System:Entwicklung innovativer, kostengünstiger Komponentenund Systeme zur Erschließung neuer Marktsegmente fürSolarthermie“ sollte eine deutliche Senkung der Investi-tionskosten von großen Solarwärmeanlagen nachgewie-sen werden, sodass solare Wärme bereits heute ohneöffentliche Förderung günstiger wird als eine Wärmebe-reitstellung mit Öl oder Gas.

Zur Erreichung der Ziele wurden innovative Konstruktions -lösungen für die teuren Hauptkomponenten von Solar-anlagen (Sonnenkollektor und Wärmespeicher) sowieneue Systemkonfigurationen entwickelt und anhand vonLabor- und Feldtests untersucht. In einem ganzheitlichenAnsatz wurden Einzelkomponenten sowie das Gesamt-system betrachtet und aufeinander abgestimmt.

Eine kostengünstige Systemhydraulik wird durch die Rea-lisierung von selbstentleerenden Systemen (Drainback-Technik) erreicht. Es wurde eine Systemkonfiguration konzipiert, die bei deutlich weniger Komponenten einehohe Effizienz und Zuverlässigkeit sichert. Die bei gängi-gen Solaranlagen erforderlichen Komponenten wie Solar-kreis-Wärmeübertrager, Ausdehnungsgefäß und Frost-schutzmittel entfallen. Das entwickelte Drainback-Systemstellt spezielle Anforderungen an die Kollektor- und Speicherkonstruktion, welche bei der Entwicklung derKomponenten berücksichtigt wurden.

Darüber hinaus wurde ein solarthermischer Kollektor ent-wickelt, der ohne Aufständerung montierbar ist unddurch Verwendung bereits am Markt erhältlicher Stan-dardkomponenten sehr kostengünstig hergestellt wer-den kann. Die einfache Skalierbarkeit und Verschaltungder Kollektoren erlaubt eine schnelle Montage und dieRealisierung großer Flächen. Seine selbstentleerendeHydraulik-Konstruktion in Kombination mit Heat-Pipe-

Vakuumröhren ermöglicht den Einsatz in Drainback-Anlagen. Gleichzeitig sind der Verrohrungsaufwand unddamit der Wärmeverlust der Solaranlage geringer.

Das etablierte Konzept eines rechteckigen Wärmespei-chers wurde im Projekt komplett überarbeitet. Die neuentwickelte Speicherkonstruktion besteht ausschließlichaus Kunststoff. Der Verzicht auf Stahl und die Verwen-dung von kostengünstigen Kunststoffplatten hat die Herstellungskosten erheblich reduziert. Die rechteckigeForm und die hochwertige Wärmedämmung erlaubenweiterhin geringstmögliche Wärmeverluste und einemaximale Raumausnutzung. Es werden neu entwickelteKonstruktions- und Fügemethoden angewendet, wo -durch die Montagezeit vor Ort halbiert werden konnte.

Im Projekt konnten standardisierte und gleichzeitig flexi-bel einsetzbare Komponenten entwickelt werden, dieeine einfache Systemintegration erlauben und sowohl fürkleine als auch für größere Anlagen geeignet sind. Auchdas solare Wärmecontracting konnte als alternativesFinanzierungsmodell zur Eigeninvestition im BereichMietwohnungen weiterentwickelt werden.

Das Ziel, ein wirtschaftlich konkurrenzfähiges Solarsystemzu entwickeln, wurde erreicht. Als Projektergebnis stehtein komplettes System für eine sichere, kostengünstigeund wasserbetriebene Solaranlage für den kommerziel-len Einsatz zur Verfügung. Aktuelle Kalkulationen zeigen,dass die solaren Wärmgestehungskosten geringer sindals für die konventionellen Energieträger Öl und Gas.Dennoch erscheint eine Förderung weiterhin notwendig,da insbesondere von der Industrie sehr hohe Anforde-rungen an die Amortisationszeiten gestellt werden (

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Der Markt für große Solarwärmeanlagen wie das Modulo-System

Der Anwendungsbereich für das innovative Modulo- System beginnt bei größeren Solar-Kombianlagen mitKollektorflächen von mehr als 20 Quadratmetern, beidenen Speichervolumina von weniger als 100 Kubik -metern zu realisieren sind. Bei der solaren Wärmever -sorgung über Nahwärmenetze für ganze Wohngebietewerden Kollektorfelder mit mehreren 100 bis mehreren1.000 Quadratmetern Fläche und Speicher in derGrößen ordnung von 10 bis 10.000 Kubikmetern Volu-men installiert. Eine weitere interessante Anwendung fürgroße Solaranlagen ist die Prozesswärme. Der Einsatzeines großen Wärmespeichers bedeutet auch in Kombi-nation mit anderen regenerativen Heizsystemen, wieStückholz- und Pelletkessel oder Wärmepumpen, techni-sche und wirtschaftliche Vorteile, die rechts zusammen-gefasst sind.

Vor dem Hintergrund der von der Bundesregierung formulierten energiepolitischen Ziele eröffnen sich außer-dem neue Anwendungsbereiche für den Einsatz von großen Warmwasserspeichern. Zu den zentralenBestandteilen gehört der Ausbau von KWK-Anlagen zurStrom- und Wärmeerzeugung, eng verknüpft mit einernetzgebunden Wärmeversorgung und dem Einsatz vonPower-to-Heat-Anlagen.

Vorteile durch den Einsatz eines Wärmespeichers

Stückholz

a weniger Holz, hoher Komfort

a optimaler Kesselbetrieb, hoher Wirkungsgrad

a niedrige Emissionen

Pellets

a niedrige Kesselleistung

a ausreichend hoher Wirkungsgrad

a Pelletseinsparung

Hackschnitzel

a Pufferung von Leistungsspitzen

a Wärme auch bei Kesselstörung

a Vermeidung von Teillastbetrieb

Wärmepumpe

a Nutzung von günstigen Wärmepumpentarifen

a hohe Leistungszahl der Wärmepumpe

a ideale Kombination mit Sonnenenergie

KWK-Anlagen

a Zunahme der jährlichen Vollbenutzungsstunden

a Reduktion von Start/Stop-Zyklen

a Reduzierung der Erzeugungskosten, damit verbesserte Wirtschaftlichkeit

Power-to-Heat

a überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energienkann für den Wärmesektor genutzt werden

a Teilnahme am Regelenergiemarkt

a verbesserte Wirtschaftlichkeit

a erhöhte Flexibilität bei unvorhersehbarem Regelleistungsabruf

Verwertung der Projektergebnisse

Die neu gegründete EnerSolve GmbH hat im Mai 2015den Vertrieb und die Herstellung des Modulo-Speichersübernommen. Insgesamt wurden deutschlandweit bereits10 Speicher der neuen Generation installiert. Gemeinsammit der Enertracting GmbH werden schlüsselfertige solar-thermische Anlagen angeboten, die auf der weiter -entwickelten Drainback-Technik basieren. Im Jahr 2015 wurden bereits zwei Solaranlagen nach dem Drainback-Prinzip realisiert (siehe Praxisbeispiel). Viele der im Projektgesammelten Erkenntnisse insbesondere zum Befüll- undEntleerungsverhalten konnten dort bereits erfolgreichangewendet werden. Die technische Entwicklung des solarthermischen Kollek-tors wird am gemeinnützigen Institut dezentrale Energie-

technologien (IdE) zu Ende gebracht. Seit Frühjahr 2015wird der erste Prototyp des Kollektors in einem Feldtestbetrieben. Projektbezogene Erfindungen wurden bereitszum Patent angemeldet. Die vollständige Marktreife undMarkteinführung durch ein Unternehmen in der Branchebefindet sich auf einem guten Weg.Mit Hilfe des im Projekt erarbeiteten Mustervertrags fürdas solarthermische Wärmecontracting in der Woh-nungswirtschaft ist die Enertracting GmbH vorbereitet,um auch in diesem Bereich den Markteintritt großerSolaranlagen zu forcieren. Aktuell hat die EnertractingGmbH mehrere Projekte in der Industrie und in Mehr -familienhäusern in der Umsetzung.

E N E R G I E M I X

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Praxisbeispiel

Im Mai 2015 wurde für ein Mehrfamilienhaus in der Nähevon Kassel erstmalig die selbstentleerende System -hydraulik in Kombination mit dem neuentwickeltenModulo-Speicher kommerziell eingesetzt. Die Betriebs-erfahrungen nach einem halben Jahr sind äußerst zufrie-denstellend. Befüll- und Entleerungsverhalten sowieSolarertrag und Wärmeverluste des Speichers entspre-chen im vollen Umfang den Erwartungen.

Mehrfamilienhaus in Niederkaufungen bei Kassel: 40 m² Flachkollektor,Solar Roof von Wagner; Drainback-Anlage mit Entleerung in den druck -losen Speicher; 7.000 Liter Modulo-Speicher von EnerSolve

Laufzeit März 2013 – November 2015

Projekt WiSys – Wirtschaftlichkeit mit System: Entwicklung innovativer, kostengünsti-ger Komponenten und Systeme zurErschließung neuer Marktsegmentefür Solarthermie

HA-Projekt-Nr. 374/13-13

Projektsumme 552.000 EuroFördersumme 459.300 Euro

Konsortialführer Enertracting GmbH, Kassel

Die Enertracting GmbH ist Anbieter von solar-thermischem Wärmecontracting und Energie -effizienzcontracting und kümmert sich dabei umPlanung, Vertragsgestaltung, Finanzierung undden einwandfreien Betrieb der Anlagen. Sie bildet somit die Schnittstelle zwischen Wärme-verbrauchern und interessierten Investoren. Bei der Speicherproduktion, Montage und Inbetriebnahme der Anlagen wird sie von derEnerSolve GmbH unterstützt.

www.enertracting.de

Projektpartner IdE Institut dezentrale Energietechno-logien gGmbH, Kassel

Schwerpunkt der Insitutsarbeit ist die „Dezen-trale Energiesystemtechnik“, u.a. thermischeSolarenergie und thermische Eneriesysteme.Das IdE verbindet mit seiner Arbeit die Bereiche Forschung & Entwicklung, Technolo-gietransfer sowie Aus- und Weiterbildung.

www.ide-kassel.de

Projektpartner Universität Kassel

Das Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik istseit 2001 am Institut für Thermische Energie-technik der Universität Kassel vertreten. Die Forschungsaktivitäten des Fachgebietes liegenim Bereich der Solarthermie und anderer thermischer Energieversorgungssysteme. Hierbei spielt insbesondere die Weiterentwick-lung effizienter Systemkomponenten, die Ein-bindung solarthermischer Anlagen in Gesamt-energieversorgungssysteme und die Interaktionverschiedener Wärmeerzeuger eine wichtigeRolle.

www.uni-kassel.de/maschinenbau/institute/ite

Assoziierter EnerSolve GmbH, KasselProjektpartner

Die in 2014 neu gegründete EnerSolve GmbHbietet kundenspezifische Wärmespeicher undregenerative Heizungsanlagen für private,gewerbliche und industrielle Anwendungen an.Die EnerSolve GmbH produziert und montiertseit Mai 2015 das neu entwickelte Modulo- Speicherkonzept. Bei Vertrieb, Planung undAuftragsabwicklung arbeitet sie eng mit derEnertracting GmbH zusammen.

www.enersolve.de

Ansprechpartner Dr. Katrin ZaßEnertracting GmbH Altmüllerstraße 6-834117 KasselTelefon 0561 [email protected]

P R O J E K T D A T E N

E N E R G I E M I X

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E N E R G I E M I X

Etwa ein Drittel des Endenergieverbrauchs in Deutsch-land entfällt auf Gebäudeheizungen und die Aufberei-tung von Warmwasser. Gerade im Gebäudebestand liegtein großes Potenzial, durch innovative Konzepte zur Wärmeversorgung, den Energieverbrauch zu senken unddamit den Ausstoß von Treibhausgasen zu minimieren.Einen vielversprechenden Ansatz, diese Ziele zu errei-chen, stellt das Zusammenspiel aus energetischen Sanie-rungsmaßnahmen, der Nutzung erneuerbarer Energie-quellen und der Umsetzung innovativer Konzepte zurEnergiespeicherung dar.

Im Förderprojekt sollte der Nachweis erbracht werden,dass mittels Simulation eine CO2-neutrale bzw. CO2-armeHeizwärmeversorgung dimensioniert und wirtschaftlichdargestellt werden kann. Als Referenzgebäude für dieUntersuchungen diente das energetisch sanierte Institutfür Angewandte Geowissenschaften der TechnischenUniversität (TU) Darmstadt.

Schematische Darstellung eines Erdwärme-sondenspeichers, der mit einem Blockheiz-kraftwerk (im Vordergrund) und einer Solarthermieanlage auf den Dachflächendes Gebäudes gekoppelt ist.

Numerische Modellierung mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher

Energieeffiziente Heizsystemedurch Kopplung und Speicherung

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E N E R G I E M I X

Zentraler Bestandteil der Modellierung des Wärmever-sorgungskonzeptes am Referenzstandort bildet ein mit-teltiefer Erdwärmesondenspeicher. Dabei handelt es sich um ein innovatives Konzept zur saisonalen Wärme-speicherung im Untergrund. Erdwärmesondenspeicherbestehen aus mehreren parallelen Tiefbohrungen mitwenigen Metern Abstand. In diese Bohrungen werdengeschlossene Rohrsysteme eingebracht und mittelsZement als Hinterfüllmaterial thermisch an das umge-bende Gestein angeschlossen. Die Rohrsysteme werdenmit einer Flüssigkeit, dem sogenannten Wärmeträger-fluid, befüllt, das in die Tiefe zirkuliert und wieder geför-dert wird. Die Temperaturdifferenz zwischen Fluid undumgebendem Gestein ermöglicht, dass entwederWärme zugeführt oder Wärme entzogen wird. Das Projektkonzept sieht vor, den Speicher während der Som-mermonate mit Wärme aus einer solarthermischenAnlage oder dem universitätseigenen Blockheizkraftwerk(BHKW) zu befüllen. Im Winter, bei erhöhtem Wärme -bedarf, wird ein Großteil dieser Wärme wieder entzogenund zur Beheizung des Gebäudes genutzt.

Mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher mit Tiefen von 400bis 1.000 Metern zeichnen sich dadurch aus, dass einGroßteil der Wärme im Untergrund gespeichert wird.Dies verhindert nicht nur die Erwärmung oberflächen -naher und oftmals zur Trinkwassergewinnung genutzterGrundwasservorkommen, sondern wirkt auch der Verän-derung der Hydrochemie und Mikrobiologie entgegen.Des Weiteren nimmt in der Regel der Grundwasserflussmit zunehmender Tiefe ab. Ein Abtransport der Wärmeaus dem Speichergestein durch fließendes Wasser kanndeshalb standortabhängig in den meisten Fällen ausge-schlossen werden.

Einen weiteren positiven Effekt auf die Wärmespeiche-rung mittels Erdwärmesonden hat die natürliche Zu -nahme der Untergrundtemperatur mit der Tiefe. Da einErdwärmesondenspeicher aus technischen Gründennicht gegen das umgebende Gestein thermisch isoliertwerden kann, ist ein gewisser Anteil an Wärmeverlustendurch Abgabe an das Umgebungsgestein unvermeidlich.Die Höhe der Verluste hängt allerdings maßgeblich vonder Temperaturdifferenz zwischen Speichergestein undUmgebungsgestein ab. Die höheren natürlichen Tempe-raturen im tieferen Untergrund verringern entsprechenddie Wärmeverluste.

Es gibt noch keine Betriebserfahrungen mit mitteltiefenErdwärmesondenspeichern, da dieses innovative Kon-zept bislang noch nicht baulich umgesetzt wurde. Ein Projektschwerpunkt bestand deshalb darin, erste virtuelleErfahrungen bezüglich der Speicherkapazität und -effi-zienz solcher Systeme zu sammeln. Dazu wurde im Pro-jektverlauf eine ausführliche numerische Simula tions -studie durchgeführt. Anhand zahlreicher Speicher -modelle konnten die Auswirkungen diverser Auslegungs-und Untergrundparameter auf die Eigenschaften desSpeichersystems untersucht werden.

Eine wesentliche Grundlage für die numerische Model-lierung des Speichers bildete die Untersuchung der Geo-logie und Hydrogeologie am Referenzstandort. DieseUntersuchung diente vor allem der Ermittlung thermo-physikalischer Untergrundeigenschaften, die den kon-duktiven und konvektiven Wärmetransport im Unter-grund bestimmen und als Eingangsparameter in dieModelle einflossen. Zur Ermittlung dieser Parameterwurde eine sogenannte Aufschlussanalogstudie durch-geführt. Das Prinzip einer Aufschlussanalogstudie bestehtdarin, die notwendigen Informationen aus an der Ober-fläche zugänglichen oder durch Bohrungen erschlosse-nen äquivalenten Gesteinseinheiten zu gewinnen, umdiese auf die Reservoirgesteine in der Tiefe übertragenzu können. Im Rahmen der durchgeführten Studie wur-den insgesamt 33 geologische Oberflächenaufschlüsse(aktive und stillgelegte Steinbrüche, Straßen- und Bahn-anschnitte, etc.) in der Umgebung von Darmstadt gesich-tet. Dabei wurden 76 Gesteinsproben gewonnen, die dergeologischen Einheit des kristallinen Odenwaldes ange-hören und damit der Reservoir einheit am Vorhabens-standort entsprechen. Außerdem konnten Bohrkernezweier Forschungsbohrungen aus der Region untersuchtwerden.

Einen weiteren wichtigen Punkt für die Projektumsetzungstellte die Ermittlung des Heizwärmebedarfs des Instituts-gebäudes nach Sanierung dar. Mittels einer Gebäude -simulation konnte der zeitliche Verlauf der Heizlast für einReferenzjahr bestimmt werden. Außerdem erfolgte dieAuslegung der Solarthermieanlage anhand der zur Verfügung stehenden Dachflächen des Gebäudes sowiedurch die Ermittlung der Kennzahlen des universitäts -eigenen Blockheizkraftwerkes.

Einbindung eines mitteltiefen Erdwärmesondenspeichers

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E N E R G I E M I X

Zur Bewertung des Gesamtsystems wurde eine Schnitt-stelle zwischen unterirdischem Speicher und obertägi-gen Betriebsanlagen geschaffen. Dies ermöglicht einegekoppelte Simulation der verschiedenen Anlagenteile.Die interagierenden Modelle bieten beispielsweise dieMöglichkeit, Fluidflüsse zwischen Solarthermieanlage,Erdwärmesondenspeicher und Gebäude zu simulierenund dadurch wesentlich detaillierter, Beladungs- und Ent-ladungsszenarien zu untersuchen.

Abschließend wurde auf Basis der gesammelten Simula-tionsergebnisse eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung desForschungskonzeptes durchgeführt, wobei Investitions-kosten für einen mitteltiefen Erdwärmesondenspeicherund die Solarthermieanlage einbezogen wurden. Darü-ber hinaus wurden die Betriebskosten des Blockheizkraft-werks, der Umwälz- und potenziellen Wärmepumpensowie Wartungskosten für das Gesamtsystem berücksich-tigt.

Projektergebnisse

Die Projektergebnisse zeigen, dass mitteltiefe Erdwärme-sondenspeicher in Verbindung mit einer Solarthermie -anlage oder einem BHKW sowohl aufgrund ihrer thermi-schen Eigenschaften als auch aus ökonomischenGesichtspunkten für die saisonale Wärmespeicherunggeeignet sind.

Allerdings müssen die Speicher eine gewisse Größehaben, um effizient und wirtschaftlich arbeiten zu können.Besonders die Sondenanzahl stellt einen wichtigen Ein-flussfaktor dar. Je mehr Sonden einen Speicher auf-bauen, desto besser sind die Speichereigenschaften.

Speichereffizienzen von über 80 Prozent (d.h. 80 Prozentder im Sommer eingespeicherten Wärmemenge könnenim Winter wieder entzogen werden) konnten bei eineroptimalen Auslegung eines Sondenspeichers bei dernumerischen Simulation erreicht werden.

Mit der Größe eines Speichers steigt auch die Kapazität.Um diese Kapazität voll auslasten zu können und dadurcheinen effizienten Betrieb der Anlage zu gewährleisten,müssen entsprechend hohe Heizlasten während derHeizphase entzogen werden.

Links: Auswahl an Gesteinsproben,die während der Aufschlussanalog -studie gewonnen wurden.

Rechts: Thermo-Triax-Anlage im Institut für Angewandte Geowissen-schaften, die zur Bestimmung wichtiger Gesteinseigenschaftenunter Reservoirbedingungen dient.

Schematische Darstellung der Teilpakete des Forschungsprojekts Gebäudesimulation

MATLAB: SIMULINK

OptimierungMathematische Optimierung

Monte-Carlo Verfahren

Erdwärmesonden-speicher

MATLAB: transiente FEM Lösung,gekoppelt mit Erdwärmesonden

FEFLOW Modellierung

WärmequellenSolarthermie

BHKW

GeologieOber!ächenaufschluss-

analogstudie

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E N E R G I E M I X

Die Fallstudie am Institut für Angewandte Geowissen-schaften der TU Darmstadt hat gezeigt, dass die ver-gleichsweise geringen Heizlasten, wie sie vom Instituts-gebäude nach der vollständigen Sanierung zu erwartensind, einen mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher nichtausreichend auslasten würden. Zur Umsetzung eines Erdwärmesondenspeichers am Vor habensstandort gibtes zwei Optionen: Zum Einen eine angepasste Dimensio-nierung des Speichers als ober flächennaher Erdwärme-sondenspeicher, der für die alleinige Betrachtung desReferenzgebäudes sowohl einen wirtschaftlichen als auchökologisch vorteilhaften Betrieb ermöglicht. Im zweitenFall wäre der mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher in größere Systeme zu integrieren, wie beispielsweise in dasNahwärmenetz des Universitätscampus. Damit wäre aufeiner sehr viel größeren Skala ein wirtschaftlicher undauch umweltschonender Betrieb möglich. Ein solchesSystem könnte bei entsprechender Dimensionierung dieWärmegrundlast der gesamten TU Darmstadt mit ihrenmehr als 160 Gebäuden decken.

Heizsysteme im Gebäudebestand, die mit konventionel-len oder Niedrigtemperatursystemen ausgerüstet wer-den, können in Verbindung mit innovativen Speicherkon-zepten durch Modellierung evaluiert, optimiert undbetrieben werden. Das Forschungsvorhaben hat somitwichtige Erkenntnisse zu den Grundlagen der gekoppel-ten Modellierung solcher Systeme zur Effizienzsteigerunggeliefert. Primäre Anwendungsgebiete sind die Wärme-versorgung von Neubauten und sanierten Bestandsge-bäuden. Der Kundennutzen ist eine zuverlässige, CO2-neutrale und von fossilen Energieträgern unabhängigeund zukunftssichere Energieversorgung.

Die entwickelten Methoden sind daher eine wichtigeSchnittstelle zu einer zukünftigen, wirtschaftlichen Nutzung geothermischer Wärmespeicher und derenoptimaler Einbindung in bestehende Wärmeversor-gungsinfrastrukturen. Der nächste Schritt zur Markt -einführung wäre die Validierung dieser Ergebnisse durchein Demonstrationsprojekt.

Laufzeit Juni 2013 – Februar 2015

Projekt Simulation und Evaluierung von Kopp-lungs- und Speicherkonzepten regene-rativer Energieformen zur Heizwärme-versorgung



Konsortialführer Technische Universität Darmstadt

Das Fachgebiet Angewandte Geothermie ver -einigt naturwissenschaftliche und ingenieur -wissenschaftliche Grundlagen und verbindetdiese mit den Erfordernissen der praktischenindustriellen Anwendung. Die AngewandteGeo thermie steht im interdisziplinärem Aus-tausch mit weiteren angewandten geologischenFachrichtungen wie Hydrogeo logie und Inge-nieurgeologie sowie der Darmstadt GraduateSchool of Excellence Energy Science and Engineering und bietet somit eine logischeErgänzung des Forschungsprofils der Techni-schen Universität Darmstadt.

www.geo.tu-darmstadt.de

Projektpartner ENTEGA AG, Darmstadt

Die ENTEGA AG ist in der Energieerzeugung,der Energieverteilung, dem Energiehandel,dem Energievertrieb, dem Rohr- und Anlagen-bau, dem Energiedatenmanagement, demInstallations- und Wartungsgeschäft für Privat-kunden und der Wasserförderung aktiv.

www.entega.ag

Ansprechpartner Dr. Kristian BärTechnische Universität DarmstadtFachgebiet Angewandte GeothermieSchnittspahnstraße 964287 DarmstadtTelefon 06151 [email protected]


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SimEnergy Energieeffiziente Produktionssystemefür die Automobilindustrie

Der Bewertung der Energieeffizienz kommt heute bereitsin der Planung sowie im Betrieb von Produktions- undLogistiksystemen eine hohe Bedeutung zu. Dies zeigtsich insbesondere bei der simulationsgestützten Pla-nung, die sich zunehmend mit der Integration energeti-scher Einflussfaktoren in die Materialflusssimulationbeschäftigt. Einige Arbeiten konzentrieren sich auf reinstatische Betrachtungen. Dazu gehört beispielsweise dieEnergiewertstrommethode, die es ermöglicht, Energie-wertströme im Unternehmen hinsichtlich ihrer Effizienz zubewerten. Andere Ansätze erweitern am Markt etablierteMaterialflusssimulationswerkzeuge um energetischeBetrachtungen, wie beispielsweise den Stromverbrauchder eingesetzten Anlagen in Abhängigkeit vom Betriebs-zustand. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, spezia-lisierte Software für die Simulation der Materialflüsse mitenergetischen Betrachtungen zu verknüpfen. Beide Vari-anten bieten gegenüber der rein statischen Betrachtungdie Möglichkeit, stochastische Einflüsse und ein dynami-sches Systemverhalten über die Zeit abzubilden.

Jedoch beschränken sich die Wechselwirkungen in denModellen stets auf eine Beeinflussung des Energiever-brauchs durch den Materialfluss. Die Modelle bieten bis-her keine geeignete Möglichkeit, bidirektionale Wechsel-wirkungen (d.h. Materialfluss beeinflusst Energiever-brauch und der energetische Zustand beeinflusst denProduk tionsprozess) abzubilden. Daraus ergibt sich eine Forschungslücke, die mit dem Förderprojekt geschlossenwurde.

Das Forschungsvorhaben SimEnergy zielte darauf ab, einKonzept zu entwickeln, das sowohl bidirektionale Wech-selwirkungen in der Simulation von Materialflüssen alsauch energetische Einflussfaktoren berücksichtigt. Alstechnische Lösung wurden zwei spezialisierte Simulati-onswerkzeuge vernetzt und miteinander gekoppelt.Zudem wurde eine Basis geschaffen, die den Datenaus-tausch, die Parametrisierung der Modelle und die Projekt-verwaltung übernimmt.

Screenshot SimAssist mit SimEnergyPlug-In zur Netzwerkanbindung:Der Screenshot zeigt die verknüpftenModelle in der Bildmitte sowie die dazu-gehörigen Parameter. In der rechtenunteren Ecke wird das Protokoll ange-zeigt, das die Vorgänge in der Kommu-nikation zwischen den Modellen auf-zeichnet und somit eine einfache Identifikation und Behebung von Fehlern ermöglicht. Im linken Bereichfinden sich weitere SimAssist-Funktionenbeispielsweise zur Projektverwaltungoder zur Ergebnisvisualisierung. Für dieMaterialflusssimulation wurde das in derAutomobilindustrie gängige WerkzeugPlant Simulation von Siemens Tecnomatixverwendet. Für die Simulation der Ener-gieströme wurde MATLAB Simulink eingesetzt. Für die Netzwerkanbindungvon MATLAB Simulink wurde eine„Wrapper“-Applikation ergänzt.

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In einem ersten Schritt wurde ein Architekturkonzept ent-wickelt, das die einzusetzenden Werkzeuge über Schnitt-stellen miteinander vernetzt.

Für die Umsetzung wurde auf die Plattform SimAssistzurückgegriffen, die aus den Förderprojekten AssistSim(HA-Projekt-Nr.: 185/09-15) und EDASim (HA-Projekt-Nr.:260/11-06) hervorgegangen ist. SimAssist wurde hierzu

um umfangreiche Funktionalitäten erweitert, die Metho-den zur Netzwerkanbindung der Simulationswerkzeugebereitstellen und über Konfigurationsdateien die Parame-trisierung des Simulationsmodelles sowie die Durch -führung der Simulationsexperimente ermöglichen. Übereine TCP/IP-Schnittstelle werden Ereignisse und Daten-reihen zwischen den Simulationsmodellen ausgetauscht.

Die entwickelte Lösung wurde anhand von Fallbeispielenaus der Industrie getestet. Damit sollte überprüft werden,ob mit der gekoppelten Simulation Fragestellungen nachdem Einfluss der energetischen Faktoren hinreichendbeantwortet werden können. Als Basis diente eine Ferti-gungslinie mit Dreh- und Schleifmaschinen (Materialfluss-modell).

Zu diesen Dreh- und Schleifmaschinen gehören Schalt-schränke, die sich aufheizen, wenn die Maschinen arbei-ten. Sobald die Temperatur der Schaltschränke einendefinierten Schwellenwert überschreitet, kommt es zueiner temperaturbedingten Abschaltung der Maschine(Energiemodell). Im Modell wurden ebenfalls die vomAnwendungspartner zur Verfügung gestellten Messwerteder Hallentemperatur berücksichtigt. Die Simulations-läufe wurden mit unterschiedlichen Abschalttemperatu-ren durchgeführt, um die Zusammenhänge zur Produk-tion im Materialflussmodell aufzuzeigen.

Testlauf am Fallbeispiel

Simulationsarchitektur

Architekturkonzept derSimEnergy-Integrations-lösung

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Das entwickelte Simulationstool ermöglicht es Unter -nehmen, Produktions- und Logistikprozesse nicht nur hin-sichtlich logistischer Kennzahlen zu untersuchen, sondernauch energetische Einflussfaktoren zu berücksichtigen.Dadurch können zum Beispiel Szenarien, wie die Ver -schiebung von energieintensiven Prozessen auf Zeit -räume mit geringem Strompreis und ihre Auswirkung aufdie Ausbringungsmenge, analysiert werden.

Weiterhin unterstützt das Tool bei der Planung energie-effizienter Produktions- und Logistiksysteme und erlaubtes, Szenarien zur stückzahlneutralen Einsparung vonEnergie zu entwickeln. Damit erhöht sich die Akzeptanzfür Maßnahmen, bei denen Energie auf Kosten desDurchsatzes eingespart wird, wenn gezeigt werden kann,dass dadurch die Gesamtkosten für das Unternehmensinken.

Ergebnisse der Simulationsläufe: Szenario 1 zeigt die Temperaturverläufe der Schaltschränke, wenn keine Temperaturobergrenzefestgelegt wird. In Szenario 2 wird eine Abschalttemperatur von 44° C festgelegt, wobei zu beachten ist, dass es sich um die Lufttemperatur im Schaltschrank handelt und die Temperatur auf den Chips somit deutlich höher liegt. Bei Erreichen der Grenz -temperatur wird die betroffene Maschine abgeschaltet, der Schaltschrank kühlt ab. Sobald er sich auf 40° C abgekühlt hat, gehtdie Maschine wieder in Betrieb. Aufgrund der Wechselwirkungen im Materialflusssystem sind auch andere Anlagen von derAbschaltung betroffen: durch die Abschaltung der Schleifmaschine kommt es zu einem Rückstau von Teilen auf der Förder -strecke, sodass auch die anderen Anlagen nicht mehr in dem geplanten Umfang produzieren können. In Szenario 3 wird dieAbschalttemperatur auf 40° C festgelegt, so dass es zu häufigeren Abschaltungen kommt. Hiervon sind auch andere Anlagen(Drehen 2 und 3) von temperaturbedingten Abschaltungen betroffen. Wie zu erwarten, nimmt mit den häufigeren Abschaltungenauch die produzierte Stückzahl ab.


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Laufzeit April 2013 – März 2015

Projekt SimEnergy - Simulationsgestützte Planung und Bewertung der Energie-effizienz für Produktionssysteme in der Automobilindustrie



Konsortialführer SimPlan AG, Maintal

Die SimPlan AG ist spezialisiert auf Produktions-und Logistiksimulation, führt entsprechendeProjekte durch und bietet verschiedene Soft-warepakete und Simulationswerkzeuge an.

www.simplan.de

Projektpartner Limón GmbH, Kassel

Die Limón GmbH bietet ganzheitliche Lösungenfür Energieeffizienz, Energiemanagement undEnergiemonitoring an.

www.limon-gmbh.de

Projektpartner Universität Kassel

Der Forschungsschwerpunkt des FachgebietsProduktionsorganisation und Fabrikplanungliegt in der Erforschung und Anwendung voninnovativen Methoden, Modellen und Werk -zeugen zur digitalen Fabrikplanung und zurVisualisierung von Planungsergebnissen unddeckt hier insbesondere die simulationsge-stützte Planung von Logistik- und Produktions-prozessen ab.

www.uni-kassel.de/maschinenbau/institute/ipl/produktionsorganisation-und-fabrikplanung

Volkswagen AG, Wolfsburg

www.volkswagen.de

Ansprechpartner Dr. Sven SpieckermannSimPlan AG Edmund-Seng-Straße 3–5 63477 Maintal Telefon 06181 [email protected]


Die Projektergebnisse zeigen, dass es gelungen ist, einKonzept zu entwickeln, um bidirektionale Wechselwirkun-gen zwischen Material- und Energiefluss abzubilden.Über Konfigurationsdateien und die SimAssist-Plattformist es zudem möglich, die Parameter der gekoppeltenSimulation einfach anzupassen und Experimente durch-zuführen. Die entstandenen Plug-Ins werden zu kommer-ziellen Softwarekomponenten weiterentwickelt und imRahmen der SimAssist-Vermarktung angeboten.

Auch die entwickelten Bausteine für die Netzwerkkom-munikation und den Datenaustausch für Plant Simulationund MATLAB Simulink können zu marktgängigen Lösun-gen weiterentwickelt werden. Darüber hinaus befasst sicheine Dissertation im Fachgebiet Produktionsorganisationund Fabrikplanung der Universität Kassel mit weiterenEinsatzmöglichkeiten, indem sie den Mehrwert an Ergebnis-genauigkeit untersucht, der gegenüber einer Simulationohne Berücksichtigung energetischer Einflussfaktorenentsteht.

Ausblick


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Konvekta setzte im Förderprojektein innovatives Klimatisierungs-konzept um, das die Reichweitevon Elektrobussen nicht beein-trächtigt und darüber hinausweitaus umweltfreundlicher alsbisherige Klimasysteme ist.

Die Zukunft: Elektrobusse im ÖPNV

In Anbetracht steigender Spritpreise, schrumpfenderÖlvorräte und zunehmender CO2-Diskussionen, drängtauch die Busindustrie verstärkt zu alternativen Antrieben.Viele Hersteller sehen die Zukunft und die Lösung imElektroantrieb für Busse. Während bei Verbrennungs -motoren Faktoren wie Leistung, Verbrauch und Kohlen-dioxid (CO2)-Ausstoß die Diskussionen beherrschen,dreht sich bei Elektrofahrzeugen fast alles um Ladezeitenund Lebensdauer der Batterie sowie um die Reichweitedes Fahrzeugs.

Die noch vergleichsweise geringe Reichweite von Elek-trofahrzeugen wird zusätzlich eingeschränkt, wenn dasFahrzeug klimatisiert wird. Der heutige Komfortstandardfür den Buspassagier ist im Sommer ein gekühlter und imWinter ein beheizter Fahrzeuginnenraum. Darauf soll undkann auch in elektrischen Bussen nicht verzichtet werden.Bisher werden die Klimaanlagen von Elektrobussen mitder elektrischen Energie aus der Batterie gespeist, mitentsprechenden Auswirkungen auf die Fahrzeugreich-weite.

Elektrobus in Klagenfurt mit Konvekta-Klimatisierung

Elektrobusse: Höhere Reichweitendurch intelligente Klimatisierung


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Die Wahl des Kältemittels für die Klimaanlage

Zum Betrieb der Klimaanlage ist ein Kältemittel erforder-lich. Bereits seit 1989 sind in Fahrzeug-Klimaanlagenchlorhaltige und Ozonschicht abbauende Kältemittel, dieFluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) enthalten, verbo-ten. Seither kommen Kältemittel auf fluorhaltiger Kohlen-wasserstoffbasis (FKW) zum Einsatz. Das bekannteste Kältemittel aus dieser Gruppe ist R134a. Dieses Mittel istzwar wesentlich umweltfreundlicher als FCKW-haltigeKältemittel, besitzt aber noch immer ein hohes Treibhaus -potenzial (englisch: Global Warming Potenzial (GWP)).Zum Problem werden synthetischen Kältemittel wieR134a immer dann, wenn sie durch Unfälle oder bei derWartung in die Umwelt gelangen. Hinzu kommt, dassFahrzeugklima anlagen keine hermetisch geschlossenenSysteme sind und so immer ein Teil des Kältemittels imBetrieb verdunstet. Laut der Deutschen Umwelthilfe emit-tierten Busse im Jahr 2008 deutschlandweit fast 100 Ton-nen Kältemittel R134a. Die freigesetzte Menge an Kälte-mittel aus Bussen summiert sich damit auf 140.000 Ton-nen CO2-Äquivalenten pro Jahr. Das entspricht den CO2-Emissionen von ungefähr 90.000 sparsamen Kleinwagenbei durchschnittlicher Fahrweise. Der Beitrag, den fluor-haltige Gase heute weltweit zum Treibhauseffekt leisten,lag 2011 bei etwa 1,4 Prozent. Mit der Klima- und Ener-giestrategie hat die EU ein Richtlinienpaket beschlossen,dass unter anderem die Treibhausgasemissionen bis zumJahr 2020 um 20 Prozent reduzieren soll. Neue Bestim-mungen, wie ein Verbot besonders klimawirksamer Käl-temittel, sollen helfen, die EU-Klimaziele zu erreichen.Zusätzlich gelten für Kältemittel mit einem GWP > 2.500ab 2020 und für Kältemittel mit einem GWP > 1.500 ab2022 unter bestimmten Rahmenbedingungen Anwen-dungs- und Serviceverbote.

Die Kältemittel, die heute in Bussen eingesetzt werden,müssen nach derzeitigen Regelungen ein Treibhaus -potenzial von GWP < 1.500 (bezogen auf CO2) und einenZeithorizont von 100 Jahren einhalten. Ab 2018 dürfen inStadtbussen nur noch natürliche und halogenfreie Kälte-mittel verwendet werden. Dazu gehört das KältemittelR744 auf CO2-Basis.

CO2 ist ein natürlicher Bestandteil der Luft und hat einTreibhauspotenzial von lediglich Faktor 1. Wenn es alsAbfallprodukt aus industriellen Prozessen gewonnenwird, ist seine weitere Verwendung umweltneutral (GWP= 0). Eine mit einem CO2-Kältemittel wie R744 betriebeneKlimaanlage verfügt über einen hohen Wirkungsgrad. Eswird etwa 25 Prozent weniger Kraftstoff als beim Einsatzdes Kältemittels R134a benötigt. Durch die einfache undungefährliche Handhabung von R744 verringern sichaußerdem die Servicezeiten um mehr als die Hälfte. DaR744 kein chemisches Kältemittel ist, unterliegt es nichtder Chemikalien-Klimaschutzverordnung (ChemKlima -schutzV). Die Anschaffungskosten für das Kältemittel sindum mehr als 90 Prozent geringer, wodurch sich ein Ein-sparpotenzial bei den Servicekosten von rund 70 Prozenterreichen lässt. Eine Messung der BerufsgenossenschaftTransport und Verkehrswirtschaft (BG Verkehr) hat dieUnbedenklichkeit zum Einsatz von R744 in Bussen bestä-tigt.

Ein mit Kohlendioxid betriebenes Klimasystem eignetsich wegen der hohen Drucklage auch für die Umkehrdes Kühlprozesses. Die Klimaanlage kann dadurch alsWärmepumpe für die Busbeheizung genutzt werden.

Kältemittel CO2 / R744 – Reduzierung der fluorhaltigen Gase

Kältemittel CO2 / R744 – Kältemittel im Vergleich, Umwelteinflüsse bei Freisetzung


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Das Prinzip ist einfach Einer natürlichen Energiequelle (Luft) wirdWärme oder Kälte entzogen, um sie für denHeizbetrieb im Winter oder Kühlbetrieb im Som-mer zu nutzen. Im Kreislauf der Wärmepumpeübernimmt das Kältemittel (CO2) die Aufgabe,die Wärme oder Kälte zu übertragen und zutransportieren.

Schritt 1: Das Kältemittel „verdampft“ im Verdampfer.

Im Verdampfer erhitzt sich das Kältemittelschon bei sehr niedrigen Temperaturen. Diedabei aufgenommene Energie/Wärme wirdgespeichert.

Schritt 2: Unter Druck wird das Gas heiß.

Im Kompressor wird das Volumen des Kälte -mittelgases reduziert. Dabei steigen der Druckund die Temperatur des Kältemittels.

Schritt 3: Kältemittel kühlt ab und nimmt erneut Wärme auf.

Das heiße Kältemittel strömt nun weiter zumGaskühler (Kondensator). Hier wird die gewon-nene Wärme auf den Innenraum des Fahrzeugsübertragen und das Kältemittel kühlt sich ab.

Schritt 4: „Entspannung“ durch das Expansionsventil.

Durch das Expansionsventil wird das Kältemit-tel anschließend auf niedrigeren Druck undTemperatur entspannt und kann somit wiederneue Wärme aus der Umwelt aufnehmen.

Die erste Generation der R744-betriebenenKonvekta-Wärmepumpe für Elektrobusse hat inden letzten Monaten weit mehr als 100.000 Kilo-meter zurückgelegt. Gemeinsam mit ausgesuch-ten Partnern haben 20 Wärmepumpen dieserersten Generation ihr Potenzial imFeldtest bestä-tigt. Das Konvekta-CO2-Wärmepumpensystemhat das gesamte Thermomanagement in denElektrobussen – von der Temperierung des Fahr-zeuginnenraums bis hin zu den empfindlichenBatterien – übernommen.

Funktionsweise der Konvekta CO2-Wärmepumpe

Aufbauend auf die bewährte und umweltschonendeCO2-Klimatechnik mit Wärmepumpe von Konvekta,konnte im Förderprojekt eine innovative und effizienteSystemlösung für Elektrobusse entwickelt werden. DasSystem gewährleistet – bei nur einem Kreislauf – sowohlim Sommer als auch im Winter ein angenehmes Klima imFahrzeuginneren. Gleichzeitig steuert die Anlage dieKonditionierung der Batterien, sodass diese immer ineinem für die Leistungsabgabe optimalen Temperatur-fenster arbeiten. Das erhöht die Reichweite des Fahrzeu-ges um bis zu 40 Prozent und verlängert die Lebensdauerder empfindlichen und teuren Energiespeicher. Elektro-busse, die Wärmepumpen-Klimaanlagen auf Basis desKältemittels CO2 (R744) nutzen, haben somit die gerings-ten Treibhausemissionen im Vergleich zu anderen Kälte-mitteln.


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Laufzeit April 2013 bis Mai 2015

Projekt Energieeffizienz in low- und zero-emission Nutzfahrzeugen auf Straße und Schiene



Konsortialführer KONVEKTA AG, Schwalmstadt

Die Konvekta AG ist ein weltweit agierenderHersteller von innovativen und zukunftsweisen-den Klimasystemen für Busse, Bau- und Land-maschinen, Elektrofahrzeuge sowie Schienen-und Transportkühlfahrzeuge. Gegründet 1957,verfügt das Familienunternehmen über knapp60 Jahre Erfahrung und Know-how im Bereichder Kälte- und Klimatechnik. Durch ihre welt-weite Präsenz auf Schlüsselmärkten garantiertdie Konvekta AG Flexibilität und Kundennähefür Service- und Wartungsarbeiten.

www.konvekta.de

Ansprechpartner Dr. Michael SonnekalbKONVEKTA AGAm Nordbahnhof 534613 SchwalmstadtTelefon 06691 [email protected]


Ausblick

Aufbauend auf diesen Erfahrungen wurde parallel diezweite Generation der Konvekta-CO2-Wärmepumpe ent-wickelt. Anforderungsprofile aus dem Fahrzeugbetrieb,die noch vor einem Jahr mangels Erfahrung nicht klardefiniert werden konnten, stehen nun fest. Je nach Linienverlauf und Infrastruktur gibt es aktuell verschie-dene Möglichkeiten, die Batterien zu laden. Das Konvekta-CO2-Wärmepumpensystem wurde in ver -schiedene Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Lade -optionen installiert und mit einem individuellen, klar defi-nierten Thermo management ausgestattet.

In der Aufdachanlage wurden ebenfalls verschiedeneOptimierungen am Konvekta-CO2-Wärmepumpensys-tem vorgenommen. Um die Leistung zu steigern, wurdeneinzelne Komponenten neu konstruiert. Darüber hinauswurde die Steuerung für einen fließenden Übergang zwischen Heiz- und Kühlmodus verfeinert.

Der erste Feldtest mit der zweiten Generation der Kon-vekta-CO2-Wärmepumpe wurde gestartet. Nach einererfolgreichen internen Testreihe wird die Klimaanlagejetzt in Bussen der Stadtwerke Klagenfurt erprobt.

Modell der Konvekta-Wärmepumpe


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Raumlufttechnische (RLT) Anlagen, umgangssprachlichauch als Lüftungsanlagen bezeichnet, bilden die Grund-lage für ein gutes Raumklima. Sie transportieren thermi-sche Energie, um Räume zu kühlen und zu heizen. DerEnergiebedarf der Anlagen wird durch die FaktorenRaumtemperatur und Luftströmung beeinflusst. Insbe-sondere die Ventilatoren, die die Luft durch die Luft kanäletransportieren, um eine raumerfüllende Strömung zuerzeugen, benötigen erhebliche Mengen Energie.

Berücksichtigt man innere Wärmequellen, Wärme- bzw.Kälterückgewinnung sowie Dämmung, lässt sich eine RLT-Anlage verbessern. Darüber hinaus bieten sich enormeEinsparpotenziale im Teillastbereich, beispielsweise inden Übergangsphasen der Heizperiode im Herbst undFrühling. Wesentlich für die Ausschöpfung dieser Poten-ziale ist der Erhalt der raumerfüllenden Strömung. Istdiese Raum erfüllung nicht gewährleistet, so kann dieBehaglichkeit im Raum durch große Temperaturunter-schiede sowie allgemein schlechte Luft durch zu viel Kohlendioxid beeinträchtigt werden.

Sitz des IGE im Siebenkornhochhaus in Gießen mitgutem Blick auf den Berliner Platz

InstaRk – Mit der Chaostheorie zu energieeffizienten Lüftungsanlagen

Fixierte Heliumballons in der Klimakammer


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Die Annahme der Klimatechnik war bis heute, dass eineraumerfüllende Strömung nur dann entsteht, wenn siedurch erzwungene Konvektion in Form einer RLT-Anlageim Raum erzeugt wird. Der Ansatz des Förder projektsbestand darin, aufzuzeigen, dass eine raumerfüllendeStrömung auch durch thermische Konvektion entstehenkann. Das ist dann der Fall, wenn beispielsweise eine Fuß-bodenheizung (gespeist durch Solarthermie) eingebautwird oder innere Wärmequellen, wie Arbeitsplätze oderMaschinen, gezielt platziert werden. Ausschlaggebendfür die Anwendung des Prinzips ist ein tieferes Verständ-nis der Gesetze und Strukturen, mit denen sich thermi-sche Konvektionen beschreiben lassen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts InstaRk wurde einregelungstechnisches Modell für die Betriebsführung vonLüftungsanlagen entworfen, um chaotisch-turbulenteRaumluftströmungsmuster reproduzierbar und zuverlässigerzeugen zu können. Der Projektname InstaRk steht dabeifür „Instationäre Raumklimatisierung“. Instationär bedeutetso viel wie „zeitlich veränderlich, zeitlich nicht konstant“.Dadurch können Luftvolumenströme reduziert und erheb-liche Einsparungen bei Lufttransport und Luftkonditionie-rung erreicht werden. Das Forschungsvor haben wurdevom Institut für Gebäudesystemtechnik und nachhaltigeEnergieanwendung (IGE) der Technischen HochschuleMittelhessen (THM) als Konsortialführer umgesetzt.

Basis des Projekts waren experimentelle Untersuchungennach unterschiedlichen Messverfahren in der Klimakam-mer der Hochschule sowie mathematische Modellierun-gen und Simulationen. Experimente und Modellierungenwurden wechselseitig zur Validierung und zur jeweiligenWeiterentwicklung genutzt. Darüber hinaus wurden dieEntwicklungen in Zusammenarbeit mit dem Unter -nehmen Römer Lüftungs-, Klima-, Wärmetechnik GmbHprototypisch an raumlufttechnischen Anlagen in realenGebäuden getestet. So sollten die Einsparungen, die mitreduzierten Luftvolumenströmen zu erwarten sind, nach-gewiesen werden und sich auf weitere Gebäude über -tragen lassen.

Um die thermische Konvektion in Innenräumen besserverstehen zu können, wurden in der Klimakammer derTHM sowie in Büroräumen und Hörsälen Versuchsauf-bauten installiert und mehrere Messreihen durchgeführt.

Um das Phänomen wissenschaftlich fundiert beschreibenzu können, sind in einem regulären Versuchsaufbau Temperatur- und Luftgeschwindigkeitsfühler kombiniertverbaut. Darüber hinaus können die Strömungen mittelsfixierter Heliumballons veranschaulicht werden.

Bei dieser Versuchsanordnung wird der Boden der Klima-kammer gleichmäßig beheizt und die Decke gekühlt. Veranschaulicht wird das durch die Färbung der Ballons – blau für kältere und rot für wärmere Luftschichten. DieAuslenkung der Ballons durch Luftströme zeigt, dass eskeine gerichtete Strömung im Innenraum gibt, wie es bei einer Walzenströmung zu erwarten gewesen wäre,sondern teilweise gekoppelte Wirbel, die die Luft inunterschiedliche Richtungen des Raumes transportieren.

Im InstaRk-Forschungsvorhaben bestand der erste Ver-suchsansatz darin, die Luftzufuhr in der Klimakammer miteiner Schwingung zu überlagern und sie somit instationärzu betreiben. Bei Vorversuchen zeigte sich, dass unerklär-liche Schwankungen bei den im Raum gemessenen Tem-peraturen auftraten. Der Versuchsaufbau musste darauf-hin angepasst werden.

Thermische Konvektion nutzen

Umsetzung in Laborversuchen

Fortgeschrittener Versuchsaufbau der Messtechnik,nachdem bei Projektbeginn das untersuchte

Phänomen noch weitestgehend unbekannt war.

Zusammenhang zwischen der benötigten Drehzahl und derdaraus resultierenden Leistungsaufnahme eines Ventilators


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Das Team des IGE, bestehend aus Ingenieuren undNaturwissenschaftlern aus unterschiedlichen Disziplinen,entschied, die gemessenen Temperaturschwankungenmit Methoden der Chaostheorie zu untersuchen. Die Vor-lage liefert das Lorenz-Modell von Edward Lorenz. DieGrundlage seines Modells sind drei Größen: der horizon-tale Temperaturunterschied in einer betrachteten Zelle,der vertikale Temperaturunterschied sowie die mittlereRotationsgeschwindigkeit der bewegten Luft. Eine solche

Zelle kann zum Beispiel ein Abschnitt an einem Strandsein, an dem der Wind morgens in eine andere Richtungweht als abends. Grund dafür ist, dass sich die Tempera-tur über der Wasseroberfläche stärker ändert als überLand. Dieser Wechsel der Windrichtungen lässt sich auchbei der Klimatisierung von Innenräumen feststellen undmessen. Der Vorteil des instationären Wechsels einerStrömungsrichtung liegt in der dadurch verursachtenDurchmischung.

matische Analyse der gemessenen Temperaturenberechnen und benötigen keine eigenen Sensoren zurMessung der Luftgeschwindigkeiten. Dadurch entstehenkeine zusätzlichen Investitionskosten, was es für einenGebäudebetreiber attraktiv macht, das Messkonzept insein bestehendes Gebäudeautomationssystem zu inte-grieren.

Mit dem Einbau und Testlauf des Messkonzeptes in derRLT-Anlage eines Kunden des Projektpartners Römerkonnten die berechneten Energieeinsparungen im lau-fenden Alltagsbetrieb erzielt werden.

Einsatz der Chaostheorie

Im Förderprojekt konnte ein geringerer Energiever-brauch für den Betrieb der Ventilatoren unter Berücksich-tigung thermischer Konvektion nachgewiesen werden.Dies gilt insbesondere dann, wenn die thermische Kon-vektion durch ihre Mischungseigenschaften genügendhohe Luftgeschwindigkeiten erzeugt, um eine raumer -füllende Strömung zu gewährleisten.

Die Verwendung der Methoden der Chaostheorie bietetsomit einen entscheidenden technischen Fortschritt. DieLuftgeschwindigkeiten, die durch die thermische Konvek-tion hervorgerufen werden, lassen sich über eine mathe-

Projektergebnisse

Verlauf der Lorenzgröße: Am Beispiel diese Datensatzesist der Richtungswechsel zuerkennen.

Schema des Messkonzeptes:Das gemessene und berech-nete Intensitätssignal für dieRaumströmung wird in einegrößtmögliche Auswahl derschon vorhandenen Steuer -größen für den Volumenstromeingebunden. Es ist somit leichtnachrüstbar und sehr robust, da immer für eine Rückfall-ebene im Störfall gesorgt ist.


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In mehreren unterschiedlichen Umgebungen konntenachgewiesen werden, dass das Phänomen einer chao-tischen Raumluftströmung vorhanden ist. Das gilt sowohlfür Laborbedingungen als auch in einer Produktionshalle,die einer Vielzahl von Störungen im Betrieb unterworfenist. Neben dem gewünschten Effekt, den Energiever-

Laufzeit April 2013 – Mai 2015

Projekt InstaRk – Untersuchung instationärerRaum strömungen zur Verbesserungder Lüftungs- und Energieeffizienz inder Raumlufttechnik



Konsortialführer Technische Hochschule Mittelhessen,Gießen

Das Institut für Gebäudesystemtechnik undnachhaltige Energieanwendung (IGE) beinhaltetdie Lehrstühle für Heiztechnik, Klimatechnik undMess-, Steuer-, und Regelungstechnik. In derLehre wird verstärkt die interdisziplinäre Zusam-menarbeit gefördert und es erfolgt ein Ausbauvon internationalen Kontakten. Die Einbindungvon regenerativen Energiesystemen sowie dieVerbesserung der Energieeffizienz als auch dieEntwicklung von optimierten Betriebskonzeptensind die Forschungsschwerpunkte des IGE.

www.thm.de/me/ige

Projektpartner Römer Lüftungs-, Klima-, Wärmetechnik GmbH, Grünberg

Die Römer Lüftungs-, Klima-, WärmetechnikGmbH ist im Bereich der Planung und des Anlagenbaus in der Gebäudetechnik etabliert.Ihr Kerngeschäft liegt in der Umsetzung von klimatechnischen Konzepten bei Bürogebäu-den, Krankenhäusern, Kindergärten, Schulenund Schwimmbädern. Kältetechnische Anwen-dungen liegen im Bereich der Raumklimatisie-rung und gehen bis zur Errichtung von Kühl -türmen. Ein wesentlicher Schwerpunkt vonRömer liegt bei der Optimierung von Anlagenmittels modernster Konzepte der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik.

www.roemer-lueftung.de

Ansprechpartner Prof. Dr. Alfred KarbachTechnische Hochschule MittelhessenInstitut für Gebäudesystemtechnik und nachhaltige Energieanwendung (IGE)Wiesenstraße 1435390 GießenTelefon 0641 [email protected]

brauch einer RLT-Anlage zu reduzieren, können dieErkenntnisse über die Existenz von chaotischen Raumluft-strömen dazu beitragen, auf dem Gebiet der Reinraum-technik den Energieverbrauch und die Kontaminations-gefahr durch eine gezielte Unterdrückung der thermi-schen Konvektion zu optimieren.

Schematische Darstellung des Messaufbaus in der Produktionshalle eines Kunden



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Zur Erreichung der energie- und klimapolitischen Ziele inDeutschland wird Systemen mit Kraft-Wärme-Kopplung(KWK) eine hohe Bedeutung zugeordnet. In KWK-Syste-men werden Strom und Wärme erzeugt. Derartige Anlagenproduzieren in Deutschland derzeit knapp 100 Terrawatt-stunden (TWh) Strom, was einem Anteil von rund 16 Pro-zent an der gesamten Nettostromerzeugung entspricht.

Im Leistungsbereich von weniger als 500 Kilowatt (kW)werden sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW) alsKWK-Anlagen immer wichtiger. Da die BHKW-Technikgleichermaßen Wärme und elektrische Energie bei ge -ringen Umwandlungsverlusten nutzt, können in den An -lagen Gesamtwirkungsgrade von 85 Prozent erreicht werden.

Brennsto-Luft-Gemisch

kaltes Wasser warmes Wasser

Abgas

StromGeneratorMotor

Abgaswärmetauscher

Grundprinzip der BHKW-Technik(Quelle: www.technik-verstehen.de)

Entwurf Energiemanagementmodul: Zu erkennen ist der geringe Platzbedarfdes integrierten Netzfilters, der optimalmit den Lösungen der Leistungselektronikwechselwirkt.

EMBAS – Innovatives Energie-managementsystem für Mikro-Blockheizkraftwerke


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Während die BHKW-Technik aufgrund ihrer Wirtschaft-lichkeit in industriellen Anwendungen und in größerenGewerbeanlagen als etabliert gilt, ist die Akzeptanz fürkleinere, sogenannte Mikro-KWK-Anlagen im Leistungs-bereich bis 10 kW elektrisch (d.h. Bereitstellung von 10 kW elektrischer Leistung) derzeit noch schwach aus-geprägt. Grund dafür sind die im Kleinleistungsbereichnoch fehlende Wirtschaftlichkeit (Kosten, Jahreswirkungs-grad), teilweise funktionalen Einschränkungen (Netz -ersatzbetrieb, Einbindung von Energiespeichern) sowieSchwachstellen bei der praktischen Handhabung (Geräu-sche, Größe).

Alternative Lösungskonzepte, wie beispielsweise die Nutzung von Brennstoffzellen oder der Einsatz von alter-nativen Motorkonzepten (Stirling-Motor), zeigen jedochdas Potenzial und die Innovationsfähigkeit in diesem Leistungsbereich auf.

Im Förderprojekt „EMBAS – Hocheffizientes Energiema-nagementmodul zur wirkungsgradoptimalen Anbindungvon Mini- und Mikro-BHKWs an das Niederspannungs-netz“ verfolgten die Projektpartner daher das Ziel, einmöglichst universelles Energiemanagementmodul zuentwickeln, welches für den Einsatz in sogenannte Mikro-BHKW, also explizit im Leistungsbereich bis 10 kW elek-trisch, geeignet ist. Das Energiemanagementmodul hat dabei die Aufgabe, die Energiewandlung und denbidirektionalen Energiefluss zwischen Generator unddem öffentlichen Niederspannungsnetz zu realisierenund zu optimieren.

Im Einzelnen stand die Erreichung folgender Ziele im Fokus:

a Verbesserung der Wirkungsgrade im Teil- und Volllastbetrieb

a deutliche Reduzierung von Bauvolumen undGewicht

a Unterstützung eines lokalen Netzersatzbetriebes(bei Ausfall des öffentlichen Niederspannungs-netzes)

a Sicherstellung einer „netzfreundlichen“ Energieeinspeisung

a intelligente Unterstützung der Synchrongeneratoren(Wirkungsgradverbesserung, Anlasserfunktion, sensorloser Betrieb)

a Geräuschreduzierung

a Kostenoptimierung

Das Projektergebnis sollte darüber hinaus, im Sinne einesTechnologie-Basis-Bausteins, an die Anforderungen ver-schiedener BHKW-Hersteller und für artverwandte Auf-gabenstellungen zur Realisierung einer intelligentenNetzeinspeisung adaptierbar sein.

Chancen von Mikro-KWK

Entwurf der Leistungselektronik

Im EMBAS-Projekt wurde ein spezielles Schaltungskon-zept der Leistungselektronik für die Netzeinspeisung ent-wickelt und durch ein optimiertes Modulationsverfahrenzur Ansteuerung der integrierten Leistungsschalterergänzt. Mittels geeigneter Simulationswerkzeugekonnte schließlich gezeigt werden, dass, entgegen demverbreiteten Stand der Technik, die optimierte, schnellgetaktete „3-Punkt-Wechselrichter-Topologie“ deutlicheVorteile in dieser konkreten Anwendung liefert.

Neben der Eliminierung von Geräuschen durch die hohePWM (Pulsweitenmodulation)-Frequenz konnte für dasGesamtsystem eine deutliche Reduzierung des Bauvolu-mens (ca. 30 Prozent gegenüber dem Referenzsystem beiProjekt beginn) mit deutlich verbessertem Wirkungsgraderreicht werden. Wesentlich zum Erfolg beigetragen hat,dass beim Entwurf des Komplettsystems nicht nur eineein fache Schaltungssimulation, sondern eine umfang -reiche Systemsimulation unter Berücksichtigung allerrelevanten Komponenten des Gesamtsystems vorge-nommen wurde.


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Einhaltung der EMV-Vorgaben

Ein besonderes Augenmerk bei der Vorabsimulation lagauf der Sicherstellung der elektromagnetischen Verträg-lichkeit (EMV) des Leistungsmoduls an der Netzschnitt-stelle. Systembedingt kann bei der gewählten Topologieeine Belastung des Netzes durch störende Netz-Ober-schwingungen oder durch Blindleistungsanteile vernach-lässigt werden. Allerdings erzeugen derartige leistungs-elektronische Systeme Störungen im höheren Frequenz-bereich, insbesondere an der Netzschnittstelle. Diesemüssen durch geeignete Filtermaßnahmen in dem Maßeunterdrückt werden, dass sich das System konform zuden gültigen EMV-Richtlinien verhält.

Zur Abschätzung der erzeugten Störungen und zur Aus-legung der notwendigen EMV-Filter wurde in EMBAS einneues Entwurfswerkzeug entwickelt. Dieses Tool erlaubtebereits in der Designphase, das resultierende EMV-Ver-halten auch ohne Verfügbarkeit der realen Hardware zu

bestimmen und zu optimieren. Messungen am realenexperimentellen Aufbau verifizierten die gewählteMethodik und die damit gewonnenen Ergebnisse inhoher Qualität.

Anforderungen an Netzersatzbetrieb

Wird das Energiemanagementmodul nicht parallel zumVersorgungsnetz betrieben, ergibt sich eine andere Sicht-weise hinsichtlich der (elektromagnetischen) Verträglich-keit im Gesamtsystem. Das ist beispielsweise dann derFall, wenn die zentrale Energieversorgung ausfällt unddie angeschlossenen Verbraucher ausschließlich durchdas Versorgungsmodul (Netzersatzbetrieb bzw. Inselnetz-betrieb) betrieben werden müssen.

Während in einem öffentlichen Versorgungsnetz die stö-renden Einflüsse der unterschiedlichen Verbraucher in denmeisten Fällen tolerierbar sind, wirken sich derartige Belas-tungen in einem abgegrenzten System mit entsprechendgeringerer Leistung stärker aus und müssen beim Designder Leistungseinheit berücksichtigt werden. Hierzu wurdenverschiedene Testreihen mit beispielhaften Verbraucher

durchgeführt, die typischerweise einem Wohn- oder Klein-gewerbebereich zuzuordnen sind. Auf diese Art und Weisekonnte das mögliche Spektrum der Belastungszustände imSinne eines Anforderungsprofils an eine robuste Versor-gungseinheit aufgenommen werden.

Während sich einige Verbraucher wie erwartet nahezuideal (= sinusförmige Stromaufnahme) verhalten, zeigenandere Verbraucher deutlich abweichende Lastströme.So wird zum Beispiel bei einem Fön im Teillastbereich nureine Halbwelle der Netzspannung genutzt, was sich inder Versorgungseinheit als unerwünschte Gleichstrom-belastung äußert. Dieser Effekt wurde als zusätzlicheAnforderung beim Systemdesign berücksichtigt, so dassim Leistungsmodul der Anteil der Gleichstrombelastungnahezu frei projektierbar ist.

Vorab-Simulation der leitungsgebundenen Störungen mit Vergleich zu normativen Grenzwerten

(a) (b) (c) (d)

Netzspannung und Netzstrom bei verschiedenen Haushaltsgeräten: (a) Wasserkocher, (b) Fön, (c) Einschaltvorgang einer Leucht-stofflampe, (d) vergrößerter Ausschnitt im Startvorgang Bereich II aus Teilbild c


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Projekt EMBAS – Hocheffizientes Energie -managementmodul zur wirkungsgrad-optimalen Anbindung von Mini- undMikro-BHKWs an das Niederspan-nungsnetz



Konsortialführer LTI Motion GmbH, Lahnau

Elektrische Antriebstechnik, Leistungselektronik,Automatisierungstechnik

www.lti-motion.com

Projektpartner Technische Hochschule Mittelhessen,Gießen

Institut für Leistungselektronik und elektrischeAnlagen (LEA)

Angewandte Simulationstechnik, Leistungselek-tronik, Regelungstechnik, Schaltungstechnik

www.thm.de/etem/institute/lea

Ansprechpartner Jürgen RühlLTI Motion GmbHGewerbestraße 5-935633 LahnauTelefon 06441 [email protected]


Sensorloser Betrieb des Synchrongenerators

Bei modernen BHKW-Konzepten ist der Einsatz von Syn-chrongeneratoren inzwischen Stand der Technik. Diesgeht zunächst einher mit der Anforderung an eine intel-ligente Leistungselektronik zum geregelten Betrieb desGenerators. Für die dazugehörige Steuer- und Rege-lungseinheit muss zum sicheren Betrieb üblicherweisedie genaue Rotorlage des Generators bekannt sein.Daher werden in einem derartigen System zusätzlicheSensoren – sogenannte Drehwinkelgeber – eingesetzt,die jedoch Zusatzkosten im der Gesamtanlage verursa-chen.

Im Rahmen der Projektarbeiten zu EMBAS wurde eineLösung entwickelt, die ohne den Einsatz eines zusätz -lichen Drehwinkelgebers einen zuverlässigen Betrieb desGenerators erlaubt. Dies gilt ebenso bei den gegenläufigauftretenden Drehmomentbelastungen durch Kompres-sion und Zündung. Besonders intensiv betrachtet wurdender Startvorgang des Motors, bei dem der Generator – als Anlasser betrieben – die Kompression des Verbren-nungsmotors überwinden muss und zuverlässig auchohne Lage information startet. Das Aufsynchronisieren,also die kontrollierte Übernahme eines frei drehendenGenerators, wurde ebenfalls untersucht.

Verwertung der Ergebnisse

Nach Abschluss der Arbeiten ist zunächst ein marktnaherDemonstrator verfügbar, der für den Testeinsatz in derBHKW-Technik im adressierten Leistungsbereich zur Ver-fügung steht. Die geplante Verwertung der unmittelba-ren Arbeitsergebnisse geht jedoch weit über die Appli-kation BHKW hinaus. Leistungsmodule zur Einspeisungvon elektrischer Energie in Versorgungsnetze finden sichnicht nur im Bereich der erneuerbaren Energien, sondernsind auch Gegenstand von intelligenten Konzepten imBereich der industriellen Antriebs- und Automatisie-rungstechnik. Leistungselektronische Energiewandlerkönnen grundsätzlich dazu beitragen, nennenswerte

Energieeinsparpotenziale sowohl in der Industrie als auchim privaten Bereich zu erschließen.

Als wichtige Arbeitsergebnisse stehen die neu entwickel-ten Entwurfswerkzeuge zur Systemsimulation und zurSimulation des EMV-Verhalten für ähnliche Fragestellun-gen im Rahmen neuer Entwicklungsaktivitäten zu Verfü-gung. Darüber hinaus wird über neue Funktionalitäten fürdiese Werkzeuge nachgedacht, um den Einsatz auch inangrenzenden Technologie- und Anwendungsfeldern zuermöglichen.


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Für den Ausbau der erneuerbaren Energien im Rahmender Energiewende sind Energiespeicher unabdingbar.Sie werden benötigt, um die fluktuierende und damitlastunabhängige Stromerzeugung aus erneuerbarenQuellen auszugleichen (Quantität) und die Stromnetze zustabilisieren (Qualität). In Deutschland stehen derzeitlediglich rund 40 Gigawattstunden Speicherkapazität inForm von Pumpspeicherkraftwerken zur Verfügung. Dasist weniger als eine Stunde Energiereserve. Die Aus -baumöglich keiten für Pumpspeicherkraftwerke sind inDeutschland begrenzt. Dort, wo Projekte geplant sind,treffen sie auf starken Widerstand in der Bevölkerung unddie gesamte Kapazität von Pumpspeichern ließe sich soohnehin bestenfalls verdoppeln.

Im Rahmen des Förderprojekts sollte eine Speicher -lösung entwickelt werden, die dezentral, effizient,umweltfreundlich, langlebig und robust ist, gleichzeitigeine hohe Speicherkapazität hat und grundsätzlich über-all verfügbar und anwendbar sein kann. Grundlage fürdie Speicherlösung des Förderprojekts sind die Materia-lien Luft und Stahl. Diese Elemente sind auf der Erde ingroßen Mengen und fast überall verfügbar. Mit Luft lässtsich außerdem Wärme zurückgewinnen, was die Energie-effizienz erhöht.

Die erste Idee, Druckluft direkt im Turm einer Windkraft-anlage zu speichern, ließ sich aufgrund von technischenVorgaben, Problemen bei der Simulation sowie Zeit- undKostenaufwand nicht im Rahmen des Projekts verwirk -lichen. Nach Vorarbeiten für ein geeignetes Prüfungsver-fahren von über einem Jahr konnte eine alternative undvielseitigere Lösung entwickelt werden.

Zwei Druckluftspeichermit Kompressor undden dazugehörigenSystemkomponentenintegriert in einenFrachtcontainer.

Große Energiespeicher mit Druckluft


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In enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner EURO-PIPE GmbH, den Zertifizierungsstellen TÜV Hessen undTÜV Nord sowie dem Gutachter Germanischer Lloyd konnten industriell hergestellte Stahlrohre für Hochdruck-pipelines als zyklisch belastete Druckbehälter qualifiziertwerden. Aus den in einem speziellen Verfahren bearbei-teten Großrohren, die normalerweise für Gaspipelineseingesetzt werden, können nun Druckbehälter von belie-bigem Volumen in einem standardisierten Baukasten -system angefertigt werden. Dies war eine grundlegendeVoraussetzung für den Projekterfolg.

Währenddessen entwickelte die APT GmbH ein neuesVerfahren zur Wärmerückgewinnung, das im Dezember2014 als deutsches und im November 2015 als inter -nationales Patent angemeldet wurde. Wärmerückgewin-nung ist die entscheidende technische Herausforderungbei der Energiespeicherung mittels Druckluft. Hochkom-primierte Luft erwärmt sich stark, und meistens geht dieseKompressionswärme ungenutzt an die Umgebung verlo-ren. Daher sind handelsübliche Kompressoren in derRegel sehr ineffiziente Maschinen. Umgekehrt kühlt sichdie Druckluft bei der Expansion wieder entsprechend ab.Um eine Expansionsmaschine betreiben und daran einenGenerator anschließen zu können, darf die Expansions-maschine nicht vereisen.

Die Wärme, die beim Komprimieren entsteht, muss alsozwischengespeichert werden. Sie darf nicht in der Druck-luft verbleiben, weil solche großen Druckbehälter, wie sieim Projekt eingesetzt werden, prinzipiell gar nicht isoliertwerden können. Es gibt heute keinen geeigneten Dämm-stoff, der dem hohen Druck und zugleich den hohenTemperaturen auf Dauer standhalten könnte.

Für die Zwischenspeicherung der Wärme musste einmöglichst kompaktes Speichermaterial (Produkt ausDichte und Wärmekapazität) gefunden werden, das denvielen Arbeitszyklen standhalten kann. Bekannte Latent-wärmespeicher, wie beispielsweise Phase Change Mate-rials (PCM), können dies nicht leisten.

Die APT GmbH hat eine robuste Lösung entwickelt, die

a elektrische Energie in Form von Druckluft speichert,

a zugleich elektrische Regelleistung liefern kann,

a einen guten Gesamtwirkungsgrad von Strom zu Strom erzielt,

a symmetrisch arbeitet in Kompression und Expansion (kein PCM),

a standardisiert berechenbar ist und damit dimensioniert werden kann.

Herstellung der für das Projekt entwickelten und zertifiziertenSpeichertanks aus Stahl

Druckluftspeicher eingebaut in einen Standard-Container

Herausforderung: Zertifizierung Stahlspeicher und Wärmekonzept


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Der Prototyp des Druckluftspeichers wurde in einenFrachtcontainer eingebaut und auf der Hannover Messe2015 zum ersten Mal präsentiert. Der präzise Einbau inden Container erfolgte über den Projektpartner Postberg+ Co. GmbH (PBCO). Die große Herausforderung -bestand darin, dass die beiden jeweils acht Tonnen

Ausblick

Das Anwendungspotenzial für die großen Druckluftspei-cher ist äußerst vielseitig. Ein besonderer Vorteil ist diedezentrale Nutzung. Anlagen können an nahezu jedembeliebigen Ort errichtet und in ihrer Form an ihre Umge-bung angepasst werden. Eine eindimensionale Anord-nung ist ober- oder unterirdisch beispielsweise entlangvon Straßen möglich, eine zweidimensionale Anordnungauf oder unter Feldern. Dreidimensionale Anordnungerlaubt besonders kompakte Energiespeicher zum Bei-

schweren Druckbehälter sowie der Kompressor mitAbständen von jeweils nur 10 Millimetern zu den Containerwänden eingepasst werden mussten. PBCOlieferte neben der CAD-Konstruktion außerdem diegesamte Messtechnik für das Projekt.

spiel innerhalb alter Fabrikhallen, bei weniger als 10 Pro-zent des Raumbedarfs eines äquivalenten Pumpspeicher-kraftwerks. Die Technologie ist zudem sehr sicher. Luft istim Gegensatz zu Wasserstoff kein brennbares Gas. DieDruckbehälter entsprechen darüber hinaus dem soge-nannten „leak-before-fail”-Konstruktionsprinzip. Im Falleeines Lecks kann die Luft aus dem Behälter entweichen,ohne dass der Behälter auseinanderbricht. Dies wurde inden Materialtests für den TÜV nachgewiesen.

Erstmalige Präsentation des Druckluftspeichers auf der Hannover Messe 2015


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Projekt Druckluft-Speicherkraftwerk



Konsortialführer APT GmbH, Korbach

APT steht für Angewandte Physik und Technolo-gie. Das Unternehmen APT GmbH entwickelt,konstruiert und lizenziert Speichersysteme fürErneuerbare Energien zur dezentralen Energie-versorgung. Damit liefert APT einen entschei-denden Baustein für die Energiewende.

www.apt-gmbh.net

Projektpartner Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

Schwerpunkt des Institutsteils Kassel ist dieEnergiesystemtechnik zur Integration dererneuerbaren Energien wie Wind-, Solar- undBioenergie in Versorgungsstrukturen.

www.iwes.fraunhofer.de

Projektpartner Postberg + Co. GmbH, Kassel

Die Postberg+Co GmbH ist ein international tätiges Unternehmen im Bereich der Mess- undEffizienztechnik. Die angebotenen Lösungenermöglichen, dass Unternehmen neue Energie-und Kosteneinsparpotenziale bei der Drucklufterschließen und kontrollierbar machen.

www.postberg.com

Assoziierter EUROPIPE GmbH, Mühlheim an Projektpartner der Ruhr

Bei EUROPIPE vereinen sich Jahrhunderte anErfahrung in der Stahlverarbeitung mitmodernster Technologie. Das Unternehmen fertigt längs- und spiralnahtgeschweißte Großrohre in nahezu allen gewünschtenAbmessungen und entwickelt für jede Anforde-rung und jeden Einsatz die optimale Lösung.

www.europipe.com

Ansprechpartner Dr. Bernd GeislerAPT GmbH – Angewandte Physik &TechnologieWaldecker Straße 1834497 KorbachTelefon 05631 [email protected]

Besonders nachhaltig ist die Technologie durch ihre hoheLebensdauer. Die erzielten Testergebnisse zeigen, dassdie Druckbehälter 40.000 Vollastzyklen standhalten, also40.000 mal von Atmosphärendruck bis zum maxim

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Energietechnologieoffensive Hessen, Förderprojekte · 2015. 12. 11. · 3 04 Innovationsförderung Hessen: Innovative Ideen gesucht 06 Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative