Graduiertenkolleg Energieautarke Gebäude

Problemstellung

Digitale Konzepte finden sich heutzutage in immer mehr Anwendungen und ersetzen bisher rein analoge Lösungen. In Energieversorgungsgeräten werden die digitalen Konzepte meist mit Hilfe von Mikrocontrollern implementiert, welche die Betriebsparameter der Geräte und weitere Daten erfassen und mit welchen die Regelung der Geräte realisiert wird. Die durch den Mikrocontroller erfassten Betriebsparameter wie die Eingangsspannung, der Ausgangsstrom oder die Temperatur des Energieversorgungsgerätes ermöglichen nun eine Überwachung ohne zusätzlichen Messaufwand. Innerhalb des Promotionsvorhabens soll erforscht werden, wie die anfallenden Daten effektiv genutzt werden können und welche Anforderungen für mögliche Anwendungsfälle an die Hardware gestellt werden müssen.

Zielsetzung

Untersuchung von Energieversorgungsgeräten mit digitalen Komponenten hinsichtlich der Verwendbarkeit der durch den Mikrocontroller erfassten Betriebsparameter und weiterer erfasster Daten zur Virtualisierung einzelner Komponenten, Systeme oder ganzer Anlagen. Erforschung und systematische Klassifizierung der Bedingungen, welche die Hardware der Energieversorgungsgeräte erfüllen muss, damit die anfallenden Daten optimal für die Zustandsüberwachung und für Anwendungen des maschinellen Lernens verwendet werden können. Mithilfe der gewonnenen Grundlagen erfolgt außerdem die gezielte Erforschung und Durchdringung entsprechender Anwendungsszenarien.

Problemstellung

Zwar sind Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) seit den 1980er Jahren bekannt und bereits seit mehreren Jahren in der großtechnischen Anwendung, dennoch besteht weiterhin ein signifikantes Potenzial zu deren Optimierung, und zwar insbesondere durch Materialentwicklungen an Membran und Elektrode. Eine Verringerung der unerwünschten Nebenreaktionen (z.B., HER an der Anodenseite) könnte Einsatzbereich und Kosten der VRFB entscheidend verbessern.

Abb.1. Aufbau eines VRFB-Systems mit den entsprechenden Redoxpaaren an Anoden- und Kathodenseite sowie den Potentialbereichen und den parasitären Nebenreaktionen.

Problemstellung

Research attention is recently drawn to microbial fuel cell (MFC) technology as a potential part of bioremediation and renewable energy sources. However, only fragment of information is available on the optimization and modelling of MFC systems for petroleum hydrocarbon bioremediation. In addition, the achieved process understanding of MFCs has been insufficient to optimize them into efficient tools for bioremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soil and stable power sources. The Power outputs of MFCs are known to follow the general trend of the phases of bacterial growth. Thus MFCs exhibit fluctuating electrical outputs. These fluctuations are not ideal for the healthy operation of any electrical appliance; because most electrical and electronic devices exhibit optimum performances at fixed or stable power supply. While many studies are directed at upscaling the MFCs in terms of power density, the problem of their unstable outputs has not been addressed.

Zielsetzung

This study is aimed at optimizing soil MFC for stable power density and bioremediation of petroleum hydrocarbon (PAH) contaminated soil. The experiment is designed to study the effects of variables such as Electrode spacing, interval of treatment with substrate and types of electrode on the MFC power output and the losses within the MFC systems. The role of urine in stabilizing the power output of the MFCs is of particular interest. Besides, the interactions of these variables at their different levels and their treatment effects on the MFCs performance in terms of power production, internal resistances and PAH remediation are being studied. The results from this research will be used to model the output of the MFCs for prediction of their responses to the selected input variables.

Problemstellung

Die zukünftige energetische Gebäudeversorgung bedarf zunehmend dezentraler Konzepte, um die energiepolitischen Klimaziele erreichen zu können. Hierbei kann die Integration multipler erneuerbarer Energiequellen wesentlich zur Steigerung des Autarkiegrades beitragen. Um diese zeitlich und thermisch fluktuierenden Wärmequellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus nutzen zu können, werden meist Schichtenspeicher eingesetzt. Anwendungsoptimierte hydraulische Be- und Entladegeometrien ermöglichen es, Verwirbelungen und thermischen Durchmischungen aufgrund reduzierter interner Strömungen vorzubeugen. Folglich kann die Effizienz derartiger Anlagen durch eine erhöhte Schichtungsqualität gesteigert werden. Für die Auslegung und Regelung komplex betriebener Großwärmespeicher bedarf es zukünftig besonders für eine simultane Beladung hinreichend validierter Methoden und Modelle.

Zielsetzung

Ziel dieses Vorhabens ist es, ein für die Gebäudesimulation anwendungsgerechtes und übertragbares Speichermodell zu entwickeln. Dafür werden interne Strömungsprozesse bei multipler Be- und Entladung primär für große, drucklose Wärmespeicher (>100 m³) in unterschiedlicher Konstellation untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf simultan einströmenden Fluiden und deren Interaktionen aufgrund verschiedener hydraulischer Leitgeometrien, veränderlicher Volumenströme und Temperaturniveaus. Mithilfe numerischer Strömungssimulationen soll eine Basis für die Umsetzung und Optimierung des Speichermodells geschaffen werden. Die abschließende Modellvalidierung soll anhand eines Institutsgebäudes (Institut für Wasser- und Energiemanagement der Hochschule Hof, iwe) mit integriertem Großwärmespeicher erfolgen. Die äußerst vielseitige energetische Gebäudeaktivierung dieses Versuchsträgers stellt eine optimale Plattform für Untersuchungen zur multiplen Beladung dar. Die detaillierte thermische Validierung des Speichermodells soll dabei mithilfe eines faseroptischen Temperaturmesssystems (DTS - distributed temperature sensing) erfolgen.

Aufgrund des stetigen Ausbaus der erneuerbaren Energien kommt es vermehrt zu hohen Netzauslastungen und negativen Strompreisen am Energiemarkt. Dies stellt sowohl die Betreiber konventioneller Kraftwerke bzw. den Netzbetreiber als auch die Volkswirtschaft im Allgemeinen vor neue Herausforderungen. Um diese zu bewältigen gibt es in der aktuellen Forschung verschiedene Ansätze, wie die Speicherung elektrischer Energie in Batterien oder anderen Anlagen, der Erzeugung von Gas (Power-to-Gas) oder Nutzwärme (Power-to-Heat). Während die Erzeugung von Gas und die Speicherung in Batterien bzw. Pump- oder Druckluftspeicherwerken meist mit hohen Investitionen verbunden ist, kann die Umwandlung in Nutzwärme mit einfachen Mitteln umgesetzt werden.

Elektrische Überschussenergie kann mit Hilfe elektrisch angetriebener Wärmepumpen, die u.a. in Einfamiliengebäuden zur Gebäudeheizung eingesetzt werden, effektiv in Nutzwärme umgewandelt werden. Um die Gebäudeheizungen großflächig zur Umwandlung elektrischer Überschussenergie nutzen zu können, ist die Akzeptanz der Nutzer von großer Bedeutung. Der Komfort der Bewohner steht daher einer zur Überhitzung des Gebäudes führenden möglichst hohen Umwandlungsrate gegenüber. Abhilfe bieten thermische Speicher, die ggf. bereits in Form von Heizungspufferspeichern oder Trinkwasserspeichern zur Verfügung stehen. Diese können die erzeugte Wärme aufnehmen und je nach Bedarf der Bewohner zeitlich versetzt wieder abgeben. Dabei soll auch der Photovoltaik Eigenverbrauch und der Autarkiegrad der untersuchten Gebäude erhöht werden.

Da die Kapazität konventioneller thermischer Speicher begrenzt ist und die Leistungszahl von Wärmepumpen bei Erhöhung der Senkentemperatur abnimmt, werden am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) verschiedene Untersuchungen zur Erhöhung des Speicherpotentials durchgeführt. Die Anlagensteuerung muss dabei die Umwandlung von Überschussenergie, die Systemarbeitszahl sowie die Behaglichkeit der Bewohner berücksichtigen. Für diese Untersuchungen werden am LTTT Laboranlagen mit Luft/Wasser-Wärmepumpen und ein in MATLAB® Simulink® entwickeltes Simulationsmodell verwendet.

Wärmepumpe der Versuchsanlage am LTTT der Universität Bayreuth

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden, bzw. energieautarken Kommunen stellt sich  nicht nur die Frage der Energieerzeugung, sondern ebenfalls der effektiven Nutzung und Speicherung. Mithilfe der Power-to-Gas Technologie lässt sich mit Überschussstrom Wasserstoff erzeugen, der anschließend mit CO₂, beispielsweise aus Biogas, katalytisch zu Methan umgesetzt werden kann. Methan als Energieträger besitzt den Vorteil, dass es einfach transportiert werden kann und viele Anwendungsmöglichkeiten besitzt. Somit ließe sich Überschussstrom chemisch speichern und Biogas veredeln, um es ins Erdgasnetz einzuspeisen. Da die Wasserstofferzeugung an die Stromproduktion gekoppelt ist, muss der Reaktor dynamisch betrieben werden. Um einen hohen Umsatz und einen sicheren Reaktorbetrieb der stark exothermen Reaktion (-165 kJ/mol) zu gewährleisten, ist ein mathematisches Modell nötig.

Zielsetzung

In der Arbeit soll ein mathematisches Reaktormodell für die Methanisierung von Biogas unter instationären Bedingungen entwickelt werden, das sowohl den Umsatz als auch das Temperaturprofil im Reaktor zuverlässig voraussagt. Das Modell soll an einem wandgekühlten Einzelrohrreaktor mit 1 m Länge verifiziert werden.

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden sind Methoden der Energiespeicherung von besonderer Bedeutung. Bei elektrochemischen Speichern wird die Kinetik der elektrochemischen Prozesse allerdings u.a. durch den Aufbau einer elektrochemischen Grenzschicht an den Elektroden bestimmt. Diese Schicht hemmt den Transfer der Elektronen und somit die Ladung des Akkumulators.

Zielsetzung

Durch Beeinflussung der elektrochemischen Grenzschicht mit Hilfe akustischer Wellen soll der Elektronentransfer verbessert und somit elektrochemische Prozesse beschleunigt werden. In der Elektromobilität hätte dies z.B. den Vorteil, die Ladezeit eines Akkumulators zu verkürzen. Beim Elektropolieren kann die Zeit des Elektropoliervorgangs verkürzt werden, was wiederum industriell von Vorteil ist.

Problemstellung

Die Welt wird immer vernetzter. Künftig werden immer mehr Sensoren ihre Umgebung überwachen und ihre Informationen per Funk an andere Geräte senden. Um den wenig umweltfreundlichen Einsatz von Batterien zu vermeiden, beziehen Funksensorknoten der Zukunft ihre Energie über Energy-Harvesting aus ihrer Umgebung. Beim kinetischen Energy-Harvesting etwa soll die in häuslichen Mikrovibrationen (zufallende Tür, vorbeilaufende Menschen) enthaltene Energie genutzt werden. Der Harvester ist dabei auf eine Vibrationsfrequenz eingestellt; verändert diese sich, kann keine Energie mehr geerntet werden. Darum muss das System adaptiert werden.

Zielsetzung

Die Forschungsarbeit des ZET bezieht sich auf Grundlagen zur Nutzbarmachung von Gebäudevibrationen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Selbstadaptivität des Harvesters. Die große Herausforderung dabei ist es, die regelmäßige Selbstanpassung so zu gestalten, dass der Aufwand für ihren Betrieb den durch sie erreichten energetischen Nutzen nicht übersteigt.

Bei einer Vibration schwingen die hier zu sehenden Magnete um die Kupferspule in der Mitte und erzeugen so eine Induktionsspannung. Damit werden autarke Funksensorknoten gespeist.

Zielstellung 

Anlässlich der Energiekonzepte werden neue Ziele gesetzt, um den Anteil der erneuerbarer Energien zu steigern. In den zukünftigen Energieversogungsystemen nimmt Wasserstoff eine zentrale Position als Kraftstoff im Transport als auch im stationären Einsatz in Wohnhäusern im Zusammenhang mit Brennstoffzellen ein. Der stationäre Einsatz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) in Häusern kann zur Strom- und Wärmeversorgung eines Hauses dienen. Auf Grund des Erdgas Versorgungsystems, ist Erdgas die erste Wahl zur Produktion von Wasserstoff durch Dampfreformierung für den Betrieb einer Brennstoffzelle. Dabei entsteht aber unter anderen ein kleiner Anteil an Kohlenmonoxid. Das entstehende Kohlenstoffmonoxid ist wiederum ein Katalysatorgift und deaktiviert die Brennstoffzelle. Um die CO-Belastung der Brennstoffzelle zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern, soll das Kohlenmonoxid 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.

Problemstellung

Die gesetzliche Vorgabe, CO₂-Emissionen zu reduzieren und somit dem Klimawandel entgegenzuwirken, bedingt den Ausbau regenerativer Energien. Diese sind aber oftmals von Wetterbedingungen abhängig. Eine Alternative hierzu bietet die Energieerzeugung aus Biogas. Wird dieses in gasbetriebenen Motoren eingesetzt, kann aufgrund besserer Abgaswerte und höherer Wirkungsgrade ein wertvoller Beitrag zur nachhaltigen Energiebereitstellung geleistet werden. Die Leistungsreduzierung infolge nicht aufbereiteter Biokraftstoffe muss der Motor, bei gleichbleibender Baugröße, Gewicht und Emissionswerten, kompensieren.

Zielsetzung

Ziel ist es, ein kompaktes Motorkonzept auf Basis des Zweitakt-Doppelkolbenmotors zu entwickeln, welches besonders für den Gasbetrieb geeignet ist. Darüber hinaus kann der Energiebedarf während der Fertigung wie auch die Fertigungskosten aufgrund der geringeren Baugröße und notwendigen Bauteile bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte, gesenkt werden.

Prototyp des Zweitakt-Doppelkolbenmotors am Prüfstand

Problemstellung

Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten bestehen grundsätzlich aus zwei Elektroden und einem elektrolytgetränkten Separator, wobei letzterer nach heutigem Stand der Technik üblicherweise aus polymerbasierten Membranen besteht. Diese Separatoren sind bedingt hochtemperaturstabil und sind passive Batterie-Komponenten mit keinerlei elektrochemischen Beitrag zu den Zellreaktionen.

Zielsetzung

Im Rahmen der Arbeit wird ein glasbasierter Separator entwickelt, wobei dieser aus einem Komposit eines Glasfaser-Basisvlieses mit integrierten Mikrometer-Glasflakes besteht. Der Separator soll über einen weiten Temperaturbereich dimensionsstabil sein und zudem über eine gewisse Flexibilität verfügen. Weiterhin soll über eine Anpassung der Glaszusammensetzung eine gewisse elektrochemische Aktivität generiert werden, wobei spezifische Parameter der Batterie wie etwa die Zyklenstabilität oder die Schnellladefähigkeit verbessert werden sollen.

Beispiel für einen Glas-Separator

Problemstellung

Elektrofahrzeuge (EVs) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) stellen erhebliche Anforderungen an das Stromnetz. Um die räumliche und zeitliche Netzbelastung sowie die Anforderungen an die Fahrzeugbatterien und die Eignung der Fahrzeuge für unterschiedliche Nutzersegmente zu verstehen, bedarf es einer genauen Analyse des Mobilitätsverhaltens der Nutzer. Simulationsmodelle, die unterschiedliche Fahrersegmente differenziert betrachten, innerhalb eines Modelles vergleichbar machen und unterschiedliche Ladeinfrastruktur- und Batteriekonfigurationen vergleichend gegenüberstellen, liegen jedoch bisher nicht vor.

Zielsetzung

Ziel dieses Projektes ist es, basierend auf GPS-Daten von 1.000 Fahrzeugen und einem für diesen Fall entwickelten Simulationsmodell präzise abzuschätzen, wo, wann, und wie viel elektrische Energie Fahrzeuge aus dem Stromnetz entnehmen, welchen Einfluss unterschiedliche Ladeinfrastruktur-Konfigurationen spielen, welcher Anteil der Fahrziele elektrisch erreicht werden kann, wie sich die Aussagen zwischen unterschiedlichen Fahrersegmenten unterscheiden, und welchen Beitrag dezentrale Erzeugung zur Elektromobilität leisten kann. Weitere Ergebnisse zielen auf die Beantwortung der Frage, inwiefern Lastverschiebestrategien beim Aufladen von PHEVs dabei helfen, Lastspitzen abzumildern.

Vorgehensweise zur GPS-datenbasierten Simulation von Elektromobilitätsszenarien

Titel des Projektes: Einfluss von Metall(oid)en aus dem Gärsubstrat auf Stabilität und Effizienz von Biogasanlagen

Problemstellung

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Eintrag von Störstoffen, die über komplexe Substrate und Gärhilfsmittel in Biogasanlagen gelangen und dort auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft treffen. Im Besonderen Arsen, Antimon und Bismut werden durch die Mikroben methyliert und volatilisiert. Hierdurch entstehen zum einen geno- und zytotoxischer Verbindungen die zu einer Hemmung der Mikrobiologie führen, zum anderen werden Methylgruppen dem Methanbildungsprozess entzogen.

Zielsetzung (3-4 Zeilen)

Es sollen toxische Verbindungen identifiziert, Schadkonzentrationen bestimmt und direkte Auswirkungen auf die Mikrobiologie und die damit verbundene Gasausbeute nachgewiesen werden. Hierdurch soll in Energieautarken Kommunen eine zuverlässige Biogasversorgung zum Ausgleich der Fluktuation, aber auch als Grundlage für Power-to-Gas Applikationen, geschaffen werden.

Biogasreaktoren im Labormaßstab sind zur Temperierung in einem Inkubator aufgestellt, das Gas wird durch Schläuche nach außen geleitet, gesammelt und analysiert.

Titel des Projekts: Einsatz bioelektrochemischer Methoden in der dezentralen Energieversorgung

Problemstellung:

Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem eine mikrobiell katalysierte Freisetzung von Elektronen auf der Anodenseite und anschließender Elektronenaufnahme an der Kathode stattfindet. Es kommen hauptsächlich Mikroorganismen aus der Umwelt zum Einsatz, die in Form eines Biofilms auf der Anode angesiedelt werden. Der Biofilm baut sich stetig auf und ab, was wiederum die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert.

Zielsetzung (3 - 4 Zeilen): Es wurde ein künstlicher Biofilm entwickelt, der aus ausgewählten elektrogenen Mikroorganismen bestand und zu einer gleichmäßigen Leistung der Brennstoffzelle führte. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projektverbunds „Ressourcenschonende Biotechnologie für Bayern – BayBiotech“ zwischen 2015-2018 durchgeführt, welcher vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert wurde.

Problemstellung

Aufgrund der zunehmenden Knappheit fossiler Brennstoffe ist der Ausbau autarker Versorgungsnetze für Gebäude und Kommunen aus erneuerbaren Energiequellen eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Eine flexible Lösung bietet hierbei die Vergasung der Reststoffe zu einem brennbaren Produktgas durch Teiloxidation des Feedstocks. Während der pyrolytischen Zersetzung entstehen dabei sogenannte Teere, die das Produktgas verunreinigen. Eine zu hohe Belastung mit derartigen Stoffen verschmutzt und beschädigt nachfolgende Prozesskomponenten, weshalb eine aufwendige Gasreinigung unumgänglich und den Prozess bis heute für viele Einsatzsstoffe unwirtschaftlich macht. 

Zielsetzung

Eine neuartige Technologie, entwickelt mit dem Industriepartner WS Wärmeprozesstechnik GmbH, soll die Teerbelastung im Produktgas durch die Adsorption an prozessinterne Stoffe deutlich reduzieren. Der Nutzungsgrad des vorhandenen Potentials biogener Abfallstoffe könnte dann mit kostengünstigen, dezentralen Kleinanlagen deutlich erhöht werden.

Problemstellung

Befestigungssysteme für Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) werden nach aktuellem Stand der Technik unter anderem aus Polypropylen (PP) hergestellt. Da PP (0,22 W/mK) im Vergleich zum isolierenden Dämmputz (0,035 W/mK) eine höhere Wärmeleitfähigkeit (WLF) aufweist, stellt es eine Wärmebrücke im WDVS dar. Verfärbungen durch Veralgung und Schimmelbildung sind sichtbare Folgen.

Zielsetzung

Wärmebrücken sollen verringert werden, indem die Wärmeleitfähigkeit (WLF) des Befestigungssystems an das Dämmmaterial angepasst wird. Um dies zu erreichen, kommen Mikrohohlglaskugeln (MHGK) als anorganischer Füllstoff mit geringer WLF (0.12 – 0.14 W/mK) für die PP-Matrix zum Einsatz. Aufgrund einer fehlenden Anbindung des Füllstoffes an die Matrix und somit auftretenden Fehlstellen im Polymersystem, sinkt allerdings die Festigkeit der Bauteile mit zunehmendem Füllstoffgehalt. Dem soll durch eine angepasste Modifikation des Füllstoffes (Silanisierung mit Aminosilan) und der Matrix (Einsatz eines Haftvermittlers) entgegengewirkt werden. 

Unmodifizierte (oben) und modifizierte (unten) MHGK in einer PP-Matrix. Durch die Modifizierung kann eine stabile Anbindung der MHGK an die PP-Matrix erzielt werden.

Problemstellung

Um die allgemein bekannten Klimaziele zu erreichen, werden energieautarke Gebäude vor allem in öffentlichen Bereichen gefordert. Neben einem hohen Strom- und Wärmebedarf können bestimmte öffentliche Gebäude wie Krankenhäuser oder Forschungsinstitute zudem einen hohen Kältebedarf aufweisen. Um das Gesamtsystem effizient zu versorgen, erscheint eine Kombination der Erzeugerbereiche als vielversprechende Lösung.

Eine besonders innovative Schnittstelle zur kombinierten Wärme- und Kältebereitstellung wird dabei Eis-Energiespeichern zugesprochen. Dabei entzieht eine Wärmepumpe dem im Speicher vorhandenen Wasser die latente Wärme beim Erstarrungsvorgang und hebt diese auf ein nutzbares Temperaturniveau an. Durch das Kaltwasser, welches zur Gebäude- und Prozesskühlung benötigt wird, kann das Eis im Speicher regeneriert werden, wodurch sich der Versorgungskreis schließt.

Zielsetzung

Um komplexe Verbundsysteme effizient realisieren und betreiben zu können, werden Simulationen in MATLAB® Simulink® ausgeführt. Durch verschiedene Untersuchungen sollen Handlungsempfehlungen identifiziert werden, durch welche zukunftsweisende Konzepte zur Wärme- und Kältebereitstellung erarbeitet und optimiert werden. Dabei sollen sowohl verschiedene Betriebsstrategien als auch unterschiedliche Speicher- und Anlagen-dimensionierungen analysiert werden.

Modell des TAO-Gebäudes der Universität Bayreuth, in dem ein Eis-Energiespeicher in Kombination mit einer Wärmepumpe zu einer effizienten Energieversorgung beiträgt.