Promotionsprojekte des Graduiertenkollegs

Einfluss von Halbmetallen aus dem Gärsubstrat auf Stabilität und Effizienz der biologischen Methanbildung

Lehrstuhl für Bioprozesstechnik, Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth€‹€‹

Projektpartner: Lehrstuhl Umweltgeochemie, Universität Bayreuth

Ansprechpartner: Nicolas Weithmann, M.Sc.

Inhalte/Ziele:

Als originär stofflicher Energieträger mit Potential für Methanisierungs-Applikationen stellt Biogas eine mögliche Antwort auf einige der drängendsten Fragen der Energiewende dar: Mobilität, Speicherung, aber auch Netzstabilität.

In Biogasanlagen werden komplex zusammengesetzte Gärsubstrate sowie verschiedene Gärhilfsmittel verwendet. Über diese gelangen auch eine Vielzahl von Spur und Störstoffen, z.B. Arsen, Antimon oder Bismut in die Anlage, wo sie auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft von Methanproduzenten treffen. Hierdurch kommt es zur (Teil)methylierung, wodurch einerseits geno- und zelltoxische Produkte entstehen, anderseits dem Prozess methylgruppen entzogen werden. Um die Auswirkungen der Metalloide auf Effizienz und Prozessstabilität zu ermitteln, werden technische Anlagen beprobt und signifikante Prozesse auf Laborreaktoren übertragen.


Methanisierung kohlenoxidhaltiger Brenngase zur Konditionierung von Einsatzgasen für Brennstoffzellengeräte und Wasserstoffspeicher

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik (CVT), Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth

€‹€‹Ansprechpartner: Georg Tauer, M.Sc.

Durch die Energiewende erhalten regenerative Energiequellen eine immer höhere Bedeutung. Hierbei wird Methan, welches regenerativ aus Biogas oder durch die Methanisierung von Kohlenstoffdioxid im „Power-to-gas“-Prozess hergestellt werden kann, auch in Zukunft als Energieträger von großer Bedeutung sein. Eine mögliche Nutzung des Methans sind Brennstoffzellen-Heizgeräte, welche für Haushalte effizient Strom und Wärme bereitstellen. Ein wichtiger Prozessschritt ist dabei die Dampfreformierung bei welcher Kohlenstoffmonoxid entsteht welches wiederum als Katalysatorgift die Brennstoffzelle deaktiviert. Um die CO-Belastung der Brennstoffzelle zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern, soll das CO an einem hochselektiven Rutheniumkatalysator wieder zu Methan umgesetzt werden. Das im Einsatzgas enthaltene und dem CO chemisch ähnliche CO2 soll hingegen nur im geringen Maß zu Methan umgesetzt werden, um eine hohe Wasserstoffausbeute zu gewährleisten.

Innerhalb der Promotion werden verschiedene Katalysatoren für diese Umsetzung synthetisiert und getestet. Zudem wird ein technischer Reaktor mit optimalen Betriebsbedingungen ausgelegt. Somit ergibt sich ein hochselektiver CO-Aufreinigungsschritt für die Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff aus Methan im kleinen Maßstab.


Entwicklung eines biogasbetriebenen Zweitakt-Doppelkolbenmotors für die Verwendung in Blockheizkraftwerken


Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD (CAD)€‹€€€€€Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth

Ansprechpartner: Pascal Diwisch, M.Sc.

Im Rahmen dieses Projektes soll ein biogasbetriebener Zweitaktmotor für den Einsatz in Blockheizkraftwerken entwickelt werden. Die TechnologieAllianzOberfranken fördert hierbei den Aufbau eines Motorprüfstandes. Zweitaktmotoren erzielen aufgrund der doppelten Zündfrequenz eine höhere Leistung als derzeit verwendete Viertaktmotoren. Aufgrund des nicht benötigten Ventiltriebs entfallen zahlreiche Bauteile und der Zylinderkopf kann kleiner ausgeführt werden. Dies wirkt sich positiv auf den Bauraum, die Fertigungskosten und den Ressourcenbedarf aus. Der Einsatz von aufbereitetem Biogas ermöglicht einen klimaneutralen Betrieb. Zudem können die Abgasemissionen aufgrund des besseren Kohlenwasserstoffverhältnisses von Methan, dem Hauptbestandteil von aufbereitetem Biogas, deutlich reduziert werden. Bisher konnte die Kombination von Zweitaktmotor und Biogasbetrieb aufgrund spülartbedingter Kurzschlussströmungen nicht realisiert werden. Dies ist jedoch zwingend notwendig, um den Kraftstoffverbrauch und den daraus resultierenden Anteil von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas zu reduzieren.

Ziel ist es daher auf Basis eines alternative Motorkonzeptes, mittels numerischer Simulationen und anschließender Prüfstandversuche, einen Motor zu entwickeln, in den Kurzschlussströmungen vermieden werden. Somit wird der wirtschaftliche Betrieb eines Zweitaktmotors wie auch die Anwendung von aufbereitetem Biogas als Kraftsoff ermöglicht. 


Aktive Glas-Composit-Separatoren für alterungsbeständige Sekundär-Batterien

Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung (LSWV)Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth

Förderung: BayNW – Neue Werkstoffe, Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Projektpartner: Füller Glastechnologie GmbH, Vitrulan Textile Glass GmbH, Technologie Anwender Zentrum TAZ Spiegelau

Ansprechpartner: Ulrich Schadeck, M.Sc.

‹Separatoren für Hochleistungs-Batterien zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder stationären Speichern müssen hohe leistungsspezifische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Bisherige Technologien stoßen dabei an ihre Grenzen, da es sich bei Separatoren gemäß Stand der Technik um passive Komponenten handelt, welche zwar zum Gewicht der Batterie beitragen, aber keinen elektrochemischen Beitrag leisten.

Langfristiges Ziel ist es glasbasierte Separatoren zu entwickeln, welche zur Sicherheit, aber auch zur Funktion der Batterie beitragen, indem sie elektrochemische Aufgaben übernehmen können. Dabei soll sowohl eine kostengünstige, sowie ökologisch vertretbare Fertigungsweise im Vordergrund stehen.


Entwicklung eines adaptiven kinetischen Energy Harvesters zum Einsatz in energieautarken Gebäuden

€‹Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (MRT)Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth€‹

€‹€‹Ansprechpartner: €‹€‹Dipl.-Ing. Mario Mösch

€‹Vielfach müssen Sensorknoten in Anwendungsszenarien wie dem intelligenten Gebäudemanagement ihre Daten (über Objektposition, Temperatur, Feuchte, …) per Funk übermitteln, etwa zum Einsparen von Verkabelungsaufwand. Es hat dann wenig Sinn, die Sensorknoten kabelgebunden mit Energie zu versorgen. Daher wird weltweit mit hohem Aufwand daran geforscht, Systeme wie Funksensoren netz- und batterieunabhängig („energieautark“) zu machen. Ein Ansatz hierfür ist Energy-Harvesting, also die „Ernte“ von Energie, sprich die Wandlung von kostenlos in der Umwelt verfügbarer Energie in elektrische Energie. Speziell kinetisches Energy-Harvesting basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie. Dem Stand der Technik nach liegt die von kinetischen Energy-Harvestern maximal erzeugbare Leistung im Milliwatt-Bereich. Diese Leistung nimmt drastisch ab, wenn der Harvester nicht optimal an die Energiequelle angepasst ist. Da Vibrationsspektren typischerweise stark zeitabhängig sind, besteht ein hohes Interesse an dynamisch rekonfigurierbaren (adaptiven) Energy-Harvestern. Im Zuge dieses Projekts sollen verschiedene Adaptionsmechanismen untersucht und darauf aufbauend ein adaptiver, also auf die jeweilige Situation anpassbarer kinetischer Energy Harvester entwickelt werden, der somit Anregungen eines breiten Frequenzspektrums verarbeiten kann.


Speicherung elektrischer Überschussenergie mittels Einsatz von Wärmepumpen in Kombination mit sensiblen und latenten thermischen Speichern

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth€‹

Ansprechpartner: Sebastian Kuboth, M.Sc.

Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) der Universität Bayreuth werden dabei Luft/Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit thermischen Speichern zur Steigerung der Energieautarkie von Gebäuden untersucht. Daneben stellen die Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und das Demand Side Management – zur Kompensation der durch Photovoltaik und Windkraft verursachten Spitzen in der Stromerzeugung – mit Hilfe der Kopplung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und thermischen Speichern Forschungsschwerpunkte des Promotionsvorhabens dar. Die Untersuchungen erfolgen dabei sowohl rechnergestützt als auch experimentell an zwei baugleichen Luft/Wasser-Wärmepumpen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.


Speicherung DC-Netze für energieautarke Gebäude‹

Lehrstuhl für Mechatronik (LfM), Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth€‹

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Gerrit Henke

Für die autarke Energieversorgung eines Gebäudes ist eine Ausstattung mit alternativen Energiequellen erforderlich. Deren zur Verfügung gestellte Leistung ist jedoch starken Schwankungen unterworfen, sodass die Energie in elektrischen Speichern gepuffert werden muss. Im Rahmen dieses Teilprojektes wird ein neuer Ansatz zur Anbindung dieser Energiespeicher untersucht. In der Leistungselektronik findet zunehmend ein neuartiger Wandlertyp, der Modulare Multilevel Umrichter, Anwendung. Elektrische Energiespeicher können direkt in diesen Umrichter integriert werden. Im Vordergrund steht hierbei die bestmögliche Art der Einbindung der Energiespeicher innerhalb des Umrichters.


Akustische Beschleunigung elektrochemischer Ionentransporte an
Fest-Flüssig-Grenzflächen

Fakultät angewandte Wissenschaften, Hochschule Coburg
Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (MRT), Universität Bayreuth

Ansprechpartner: Sabrina Tietze, M. Eng.

Bei energieautarken Gebäuden sind Methoden der Energiespeicherung von besonderer Bedeutung. Die Beschleunigung des Ladevorgangs von elektrochemischen Speichern liefert die Möglichkeit zur Pufferung von Energiespitzen bei regenerativen Energien und zur schnellstmöglichen Speicherung der Energie. In dem vorliegenden Projekt wird untersucht, auf welche Weise akustischen Wellen zur Beeinflussung der elektrochemischen Grenzschicht angewandt werden können. Durch Schwächung der elektrochemischen Grenzschicht durch akustische Wellen wird die Kinetik des elektrochemischen Prozesses beeinflusst, sodass der Ladungsträgertransfer verbessert wird. Bei der Energiespeicherung hätte dies z. B. den Vorteil, die Ladezeit eines Akkumulators zu verkürzen. Somit können kurzzeitige Energiespitzen, welche in Zusammenhang mit der Nutzung von regenerativen Energiequellen entstehen, effizient abgefangen und einem elektrochemischen Energiespeicher zugeführt werden