Tätigkeitsbericht 2019/2020 - Gas- und Wärme-Institut Essen e.V - Das Energie-Institut in Essen - GWI-Essen
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Das Energie-Institut in Essen www.gwi-essen.de Tätigkeitsbericht 2019/2020 Gas- und Wärme-Institut Essen e.V.
Tätigkeitsbericht 2019/2020
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS
Allgemeiner Überblick ........................................................................................................................... 4
Bildungswerk ......................................................................................................................................... 8
Prüflaboratorium ................................................................................................................................... 9
Marktraumumstellung . ....................................................................................................................... 10
Forschung und Entwicklung ................................................................................................................. 12
Industrie- und Feuerungstechnik ........................................................................................... 12
Brennstoff- und Gerätetechnik ............................................................................................... 19
Publikationen und Vorträge ................................................................................................................. 26
Impressum ........................................................................................................................................... 34
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
Allgemeiner
Allgemeiner ÜÜberblick
berblick
Das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. (GWI) kann system ersetzt, das den heutigen Ansprüchen einer
auf zwei sehr ereignisreiche Jahre zurückblicken, digitalisierten, effizienten sowie revisionssicheren
welche im Wesentlichen durch die Erschließung neu- Arbeitsmethodik in der Verwaltung entspricht.
er Themen wie z. B. Wasserstoff, Digitalisierung so-
wie den Infrastrukturprojekten LNG-Anlage, Hybrid- Das GWI entwickelte sich wirtschaftlich weiterhin
SOFC-Anlage, Living Lab und Neubau Schulungs- und sehr gut. Sowohl im Jahr 2019 als auch 2020 konn-
Verwaltungszentrum geprägt aber auch von der Co- ten die Planzahlen deutlich übererfüllt werden. Für
rona-Pandemie überschattet wurden. das Jahr 2020 war dies umso erfreulicher, da die Aus-
wirkungen der Corona-Pandemie insbesondere im
Insgesamt zeigte sich das GWI aber sehr stabil ge- Bildungswerk zu einem Umsatzrückgang von bis zu
genüber den Auswirkungen der Corona-Pandemie. 1 Mio. € gegenüber 2019 führten. Das GWI konnte
Durch ein umfassendes Home-Office-Konzept konn- im Jahr 2020 Erträge in Höhe von 13.504 T€ erwirt-
ten die Kontakte innerhalb und außerhalb des Insti- schaften. Die Ertragsentwicklung des GWI seit dem
tuts auf das Notwendigste reduziert werden, sodass Jahr 2010 ist in Abbildung 1 dargestellt.
die zunächst befürch-
teten krankheitsbe-
dingten Ausfälle aus-
blieben. Damit war
gewährleistet, dass
alle Projekte weitest-
gehend ungestört
weiterbearbeitet
werden konnten.
Abbildung 1: Ertragsentwicklung seit 2010 (Quelle: GWI, 2021)
Die Forschungsabteilungen sowie das Prüflabor Neben der wirtschaftlich guten Entwicklung ist auch
konnten sogar die Praxisarbeiten in den Laboren die Personalentwicklung seit Beginn der DVGW-
ohne Unterbrechung weiterführen. Die Abteilung Innovationsoffensive 2010 und gestärkt durch die
Marktraumumstellung nahm im Großprojekt Koblenz F&E-Aktivitäten im Land NRW, Bund und EU weiter
nach der 4-wöchigen Unterbrechung im April 2020 sehr erfreulich, s. Abbildung 2. Das GWI zählte zum
die Arbeiten planmäßig wieder auf. Das Schulungs- 31.12.2020 insgesamt 94 fest angestellte Mitarbeite-
angebot des Bildungswerks war durch die behördlich rinnen und Mitarbeiter, 27 Studenten und 5 Aushilfen.
angeordneten Kontaktbeschränkungen teilweise völ-
lig ausgesetzt bzw. massiv eingeschränkt. Es wurden Die bewährte Organisationsstruktur des GWI mit den
mit Partnern und Kunden entsprechende Online-An- Abteilungen Brennstoff- und Gerätetechnik, Indu-
gebote ausgearbeitet, sodass das praxisnahe Portfo- strie- und Feuerungstechnik, Bildungswerk, Prüfla-
lio der Abteilung sinnvoll erweitert werden konnte. bor und Marktraumumstellung ist in Abbildung 3
dargestellt. Den produktiven Abteilungen stehen die
Die GWI-IT führte
die Modernisierung
der gesamten Server-
und Endgerätestruk-
tur weiter fort und
setzte dabei ein zu-
kunftsweisendes Si-
cherheitskonzept um.
Die Verwaltungssoft-
ware wurde durch ein
modernes Gesamt- Abbildung 2: Personalentwicklung seit 2010 (Quelle: GWI, 2021)
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
Abbildung 3: Organisationsstruktur des GWI (Stand: 04/2021)
Unterstützungsfunktionen GWI-Services, F&E-Koordi- Hybrid-SOFC-Anlage
nation und Geschäftsfeldentwicklung zur Verfügung. Integration und Demonstration eines Hybrid-SOFC-
Systems (tubulare Brennstoffzelle mit nachgeschal-
Neben den inhaltlichen Arbeiten, die im Folgenden teter Mikro-Gasturbine) zur Erweiterung der KWK-
noch vorgestellt werden, konnten darüber hinaus Forschungsinfrastruktur und zur Energieversorgung
wichtige Infrastrukturprojekte des GWI durchgeführt des GWI im Rahmen einer Infrastrukturförderung in
werden. Höhe von 6,5 Mio. € (Fördermittelgeber Ministerium
für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Ener-
LNG-Anlage gie des Landes NRW, Förderquote 90 %).
Aufbau und Betrieb einer LNG-Technikumsanlage (24 t
Inhalt, Verdampfer, Kühlung und GWI-interne Ein-
speisung) im Rahmen einer Infrastrukturförderung in
Höhe von € 550 T€ (Fördermittelgeber BMWi, Pro-
jektträger InnoKom, Förderquote 90 %).
Abbildung 5: Hybrid-SOFC-Anlage (Quelle: Mitsubishi, 2020)
Living Lab
Das Living Lab des GWI dient der Demonstration
innovativer Lösungen für die Gestaltung der Ener-
giewende. Zusätzlich wurde der Aufbau der digi-
talen Infrastruktur auf Basis von intelligenten La-
ternen (Kooperation mit Ebero AG und Energiedata
4.0 GmbH) abgeschlossen werden, sodass erste
Tests durchgeführt werden konnten. Im Rahmen ei-
nes BMBF-Forschungsprojekts werden nun diverse
Smart Meter getestet. Weitere Ausbaustufen im Be-
reich der digitalen Infrastruktur z. B. Batterien, wei-
tere Sensoren werden folgen, s. Abbildung 6.
Neubau Schulungs- und Verwaltungszentrum
Nach einer Bauzeit von ca. 1,5 Jahren konnte das
Neubauvorhaben mit einer geringen Überschreitung
Abbildung 4: LNG-Technikumsanlage (Quelle: GWI, 2021)
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Abbildung 6: Living Lab am GWI mit den wesentlichen Bausteinen (Quelle: GWI 2020)
des Budgetrahmens von 3 % annähernd fristgerecht
abgeschlossen werden. Die Gesamtkosten belaufen
sich auf 7,2 Mio. €. Der Büroumzug erfolgte Anfang
August, die noch offenen Rest- sowie Nacharbeiten
waren bis Ende Dezember 2020 weitestgehend ab-
geschlossen. Der Umzug der Praxisschulungsanlagen
soll dann im 1. Quartal 2021 abgeschlossen sein. Mit
diesem Neubau erweitert das GWI seine Möglichkei-
ten insbesondere im Bereich der Weiterbildung und
Schulungen beträchtlich und ist für die Zukunft be-
stens aufgestellt, s. Bilder 7 bis 10.
Abbildung 8: Start der ersten Veranstaltungen im GWI-Neubau am
29.09.2020 (Quelle: GWI 2020
Abbildung 7: Ansicht des Neubaus von der Hafenstraße (Quelle: GWI 2020) Abbildung 9: Neues Gasino (Quelle: GWI 2020)
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
Abbildung 10: Energieversorgungszentrale des
Neubaus mit zwei gasmotorischen Wärmepum-
pen (Quelle: GWI 2020)
Verabschiedung der Strategie 2030
Nach Diskussionen mit Kunden, Mitgliedsunterneh- Forschung und Entwicklung
men und den Gremien des GWI wurde 2020 die neue Fokussierung auf die Themen Flexibilisierungsoptio-
Strategie GWI 2030 im Verwaltungsrat verabschie- nen mit Wasserstoff (sowie Folgeprodukte, z. B. PtL,
det. Hiermit gibt sich das GWI einen strategischen NH3), Sektorenkopplung, Quartierslösungen, Netze
Handlungsrahmen, um sich als Forschungsinstitut und Mobilität. Lösungsstrategien für die Städte der
und Dienstleister nachhaltig positionieren zu kön- Zukunft: Smart Cities. Unterstützung bei Strategien
nen. Das GWI versteht sich nach wie vor als Bran- zur Dekarbonisierung in der Industrie sowie zur H2-
cheninstitut und entwickelt sich dabei immer mehr Readyness in der Anwendungstechnik von Haushalt
zu einem anwendungstechnischen Energie-Institut bis Industrie. Weiterentwicklung der institutseige-
weiter (Gas, Wärme, Strom). Für die Zukunft wird nen digitalen Infrastruktur auf dem Weg zu einer di-
sich das GWI im Rahmen seiner Strategie GWI 2030 gitalisierten Energiewelt.
als „Das Energie-Institut in Essen“ in der Branche
entsprechend darstellen. Bildungswerk
Nutzung der modernen, verbesserten Möglichkeiten
Thesen zur Erreichung der klimapolitischen Ziele und durch den Neubau. Weitere Intensivierung des Pra-
daraus abgeleitete Handlungsschwerpunkte: xisschulungsangebotes und Ausbau des Bildungsver-
bundes mit dem DVGW. Technische Weiterbildung
• Weitere Effizienzsteigerungen und Primärener- mit Praxisschwerpunkt vom Energietransport bis
gieeinsparungen in allen Sektoren bleiben uner- zur Anwendungstechnologie. Schulungen mit Praxis-
lässlich und müssen weiter forciert werden schwerpunkt zu innovativen Technologien. Wissen-
• Die Integration erneuerbarer Energien ist alter- stransfer aus Forschungsprojekten.
nativlos auf dem Weg zur Treibhausgasneutrali-
tät des gesamten Energiesystems Marktraumumstellung
• Grüne Gase werden immer bedeutender und Die Qualitätssicherung wird zukünftig noch stärker in
sichern die Rolle von Gas im Kontext der Ener- den Fokus rücken. Neben weiteren Projekten soll das
giewende. Wasserstoff wird eine beherrschende Praxis-Schulungsangebot für Monteure sowie Erwei-
Rolle einnehmen terungskurse im Bereich Sondergeräte (z. B. KWK),
• Forschung und Innovationen sind unverzichtbar Gebläsebrenner, Messgerätetechnik intensiviert
für die Zukunftsfähigkeit der Energiebranche werden. Zusätzlich werden Schulungen für Monteu-
re nach DVGW G 106 (M) sowie Qualitätsprüfer nach
Mitgliedsunternehmen DVGW G 107 (M) mit dem Fokus auf der regelwerks-
Die Mitglieder des GWI bilden die Basis des Vereins. konformen Durchführung der Tätigkeiten angeboten.
Durch eine enge und langfristige Zusammenarbeit
mit dem GWI wird die Innovationskraft der Mitglie- Prüfung
der gestärkt, die für einen nachhaltigen Erfolg im Sicherung des Bestandsgeschäfts, z. B. Gasgeräte-
Wettbewerb relevant ist. und Armaturenprüfungen sowie Gutachten und Er-
schließung neuer Bereiche, z. B. Prüfkapazitäten im
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
Bereich von Gasgeräteprüfungen bis
zu einer Leistung von 300 kW. Das
Thema H2-Readyness in der Anwen-
dungstechnik wird bedeutend unter
dem Aspekt des noch unbekannten
bzw. nicht abgesicherten Betriebsver-
haltens der häuslichen und gewerb-
lichen Gasgeräte und wird aus prüf-
technischer Sicht intensiv begleitet.
Die Kernelemente der neuen Strate-
gie GWI 2030 sind nachfolgenden Ab-
bildung 11 zusammengefasst.
Abbildung 11: Kernelemente der neuen Strategie GWI 2030
Bildungswerk
Bildungswerk
Das Bildungswerk des Gas- und Wärme-Instituts seitens der Teilnehmer, das Fehlen von Augenkon-
kann auf ein sehr erfolgreiches Jahr 2019 zurück- takt, Mimik, Gestik, von gruppendynamischen Effek-
blicken. Trotz des starken Wettbewerbs im Weiter- ten im Seminarraum, kann den Erfolg einer Veranstal-
bildungsbereich, sowohl durch etablierte, als auch tung stark schmälern. Vor allem, wenn Teilnehmer
durch neue Veranstalter von Weiterbildungsmaß- erreicht werden müssen, die in ihrer handwerklichen
nahmen im Energiebereich, konnte die starke Posi- Alltagspraxis kaum Berührung mit Bildschirmarbeit
tion des GWI-Bildungswerks gut behauptet werden. haben, aber wichtige Funktionen und Verantwortlich-
Der Anmeldestand der Saison 2020 lag bereits über keiten für die gastechnische Sicherheit bei Netzen und
dem des Vergleichszeitraum des Vorjahres, als die Anlagen ausfüllen sollen. Digitale Formate bewähren
Schließungen durch die Corona Pandemie eine voll- sich wiederum sehr bei Veranstaltungen, die der rei-
ständige Umstellung erforderten. Trotz starker Ver- nen Wissens- und Informationsvermittlung dienen,
luste gegenüber dem Rekordjahr 2019 konnte das vorzugsweise für eine akademisch vorgebildete Ziel-
Veranstaltungsgeschäft im Jahr 2020 trotzdem noch gruppe. Hier spielen auch die zeitlichen Vorteile eine
mit einem positiven Ergebnis abgeschlossen werden. wichtige Rolle, wenn Reisen entfallen und Informatio-
Aus der Durchführung von wissenschaftlichen Fach- nen zeitlich gestreckt vermittelt werden können.
tagungen am Institut mit internationaler Beteiligung
lagen glücklicherweise schon gewisse Erfahrungen Glücklicherweise waren die Baumaßnahmen am
mit dem Streaming von Vorträgen und mit einer hy- GWI Schulungs- und Verwaltungszentrum nur in ge-
briden Veranstaltungsdurchführung vor. Eine online ringem Umfang von der Pandemie betroffen, sodass
Teilnahme an Veranstaltungen wurde aber bis dahin der Neubau im letzten Quartal 2020 bezogen werden
nur als Ergänzung bzw. Notlösung empfunden. Dies konnte, wenn auch zunächst nur provisorisch. Die
musste sich unter den Bedingungen der Pandemie ursprüngliche Konzeption des neuen Schulungszen-
ändern, Veranstaltungen waren für längere Zeiträu- trums bestand in der Kombination der Vermittlung
me nur auf Distanz durchführbar und damit zwangs- von theoretischen Inhalten im Hörsaal und von prak-
läufig webbasiert. Die Reaktionen von Teilnehmern tischen Übungen und Schulungen in direkt benach-
und Dozenten auf digitale Schulungsangebote sind barten Praxisräumen. Da die Praxisräume nach dem
sehr unterschiedlich, alle Skalierungen von Zustim- Bezug erst noch ausgestaltet werden mussten, ergab
mung und Ablehnung sind vorhanden. Die immer sich die schöne Gelegenheit, direkt auch die Technik
noch existierenden technischen Probleme bei der für digitale Veranstaltungsformate zu integrieren. So
Durchführung sind dabei grundsätzlich weniger rele- verfügt das GWI jetzt auch über ein Studio, aus dem
vant, sie sind lösbar, dies ist nur eine Frage der Zeit. heraus Veranstaltungen mit aktueller Technik und
Viel wichtiger sind die prinzipiellen Fragen der Inter- hoher Datenrate übertragen werden können.
aktions- und Kommunikationsveränderungen durch Die hohen Räume mit großem Luftvolumen, in Ver-
den Einsatz digitaler Formate. Fehlende Resonanz bindung mit einer leistungsfähigen Lüftungs- und
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
Klimaanlage, werden auch weiterhin sehr hilfreich dungswerk gut gerüstet, auf Basis der vorliegenden
sein, wenn das Platzangebot bei den Präsenzveran- Erfahrungen, die jeweiligen Vor- und Nachteile ver-
staltungen durch die Abstandsregelungen nicht mehr schiedener Formate abzuwägen und mit den Part-
so stark limitiert ist. nern im Bildungsverbund, mit DVGW und rbv, ein
zielgruppengenaues Veranstaltungsangebot vorzu-
Wenn die Beschränkungen durch die Pandemie auf- stellen, das sämtlichen Aspekten einer zeitgemäßen
gehoben werden können, sieht sich das GWI-Bil- Weiterbildung gerecht wird.
Prüflaboratorium
Prüflaboratorium
Das Prüflaboratorium des GWI konnte im Jahr 2019 eine neue Akkreditierung wurde erteilt. Die durch
seine gesteckten Ziele nicht umfänglich erreichen, die DAkkS-Akkreditierung des Prüflaboratoriums vor-
insbesondere lag das Auftragsvolumen im klassischen gegebenen Qualitätsstandards werden konsequent
Prüfgeschäft unter Vorjahresniveau. Der wesentliche angewendet und kontinuierlich verbessert.
Grund hierfür lag an der abgeschlossenen Umstel-
lung von der Gasgeräterichtlinie auf die neue, seit Weiterhin umfasst das Prüfangebot des GWI-Prüfla-
dem 21. April 2018 geltende Gasgeräteverordnung. boratoriums Armaturen und sonstigen Ausrüstun-
Viele Unternehmen zeigten sich zudem in ihren Ent- gen, Produkte der Gas- und Wasserinstallation, der
wicklungstätigkeiten sehr zurückhaltend. Das Ange- Feuerungstechnik mit den Energieträgern Gas, Heizöl
bot zur Prüfung von KWK-Anlagen besteht weiterhin, und Strom einschließlich der heute üblichen Sicher-
hier war aber, wie in den Jahren zuvor, eine weiterhin heitselektronik in den Wärmeerzeugern sowie diver-
große Zurückhaltung seitens der Hersteller bemerk- se Bauprodukte im Bereich der Abgastechnik.
bar. Das Gebiet der Akustikprüfungen wurde weiter
nachgefragt, hier konnte das GWI-Prüflaboratorium Im Rahmen der betrieblichen Forschung Gas des
auf Basis seines Know-how und der entsprechenden DVGW wurden und werden noch drei DVGW-For-
messtechnischen Ausrüstung verschiedene Aufträge schungsvorhaben bearbeitet:
bearbeiten. Ein weiteres Angebot – wie auch schon • Untersuchungen zur Gasgeräteanpassung im Zuge
in der Vergangenheit – liegt in der Kapazitätsunter- der Marktraumumstellung unter besonderer Be-
stützung von Herstellern in Form von entwicklungs- rücksichtigung des Sonderfalls „Voranpassung von
begleitenden Prüfungen. Brennwertgeräten“ (G 201838): Ziel dieses Vorha-
bens ist die Überprüfung der Eignung von ausge-
Die Pflege der DVGW-Anpassungsdatenbank wird wählten Heizgeräten in Bezug auf eine langfristige
nach wie vor vom Prüflaboratorium in enger Abstim- Voranpassung im Rahmen der L/H-Gas-Marktrau-
mung mit den Herstellern und der Branche vorge- mumstellung. In einem zweiten Schritt sollen dann
nommen. Hier wird das Know-how des Prüflabora- im Rahmen eines Pilotprojektes bis zu 1.000 Gerä-
toriums sowie der F&E-Abteilungen permanent und te langfristig vor dem geplanten Schaltzeitpunkt
gezielt eingesetzt, um die Anpassungsdatenbank angepasst werden. Falls sich die Untersuchungser-
auf einem qualitativ hochwertigen Stand zu halten. gebnisse als positiv herausstellen, bedeutet dieses
Durch diese „Pflegearbeiten“ wird gewährleistet, zukünftig eine signifikante Entspannung der Per-
dass der Datenbestand immer besser und präziser sonalsituation (Anpassungsmonteure) um Schalt-
wird. Dies stellt eine Grundvoraussetzung für eine zeitpunkte herum.
hohe Akzeptanz dieser Branchenlösung dar. In der • Auswertung und Analyse der Datengrundlage von
Marktraumumstellung ist das Prüflaboratorium wei- Ereignissen an Kundenanlagen in der Gasinstallati-
terhin zu allen Fragestellungen rund um die Gasge- on (G 201907): Ziel des Vorhabens ist einerseits die
rätetechnik für Netzbetreiber und auch für das GWI- Validierung der im DVGW-Regelwerk festgelegten
Projektmanagement beratend tätig. Schutzziele und Sicherheitsanforderungen zur Un-
fallvermeidung sowie der vorhandenen Informa-
Zwischen März und April 2019 fand ein Rezertifizie- tions- und Schulungsmaterialien und andererseits
rungsaudit nach der neuen, revidierten Ausgabe der die Ermittlung von evtl. Optimierungsbedarf und
DIN EN ISO 17025 (03/2018) durch die DAkkS statt, die Ableitung von Handlungsempfehlungen.
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Tätigkeitsbericht 2019/2020
• H2-20 (Pilot-Projekt zur Einspeisung von 20 Vol.-% Prüfgasbeaufschlagung mit G 222 im überwachten
Wasserstoff im Netzgebiet der Avacon) mit Erster- Betrieb, Analyse der Erhebungsdaten und ergän-
fassung aller Anlagen, Gasinstallationen, Armatu- zender Labortests komplementär zur „Roadmap
ren, Leitungen u.a. mit Dichtheitsmessungen und Gas 2050“.
Marktraumumstellung
Marktraumumstellung
Die L-H-Gas Umstellung bleibt weiterhin eine große passungs- und Softwareunternehmen sowie die
Herausforderung für alle Beteiligten. Im Jahre 2019 Qualitätskontrollen gemäß Arbeitsblatt DVGW G
wurden deutschlandweit 10 Bereiche mit ca. 319.000 695 Qualitätssicherung von Erhebungs-, Anpas-
Gasgeräten umgestellt. sungs- und Umstellungsmaßnahmen bei Gasgeräten
(März 2019). Dabei wurden in 6 Projekten insgesamt
Das GWI begleitete 2019 mehrere MRU-Projekte 111.300 Gasgeräte erhoben (Tabelle 1) sowie in drei
im technischen Projekt- und Qualitätsmanagement. Projekten 21.400 Gasgeräte angepasst (Tabelle 2).
Im Rahmen des technischen Projektmanagements Zusätzlich wurde ein noch nicht abgeschlossenes
übernahm das GWI die Koordination zwischen den Projekt lange nach der H-Gas Schaltung übernom-
Beteiligten, d. h. Auftraggeberin, Erhebungs-, An- men.
Tabelle 1: MRU-Projekte 2019 des GWI mit abgeschlossenen Erhebungsphasen
Erhebungsphase 2019 H-Gas
MRU Projekte Gasgeräte
abgeschlossen Schaltung
Enwag mbH 20.300 Januar 2020
Stadtwerke Herborn GmbH 6.500 Januar 2020
Stadtwerke Haiger 2.500 September 2020 - 2021
Gemeidewerke Peiner Land GmbH & Co. KG 500 Dezember 2020
Stadtwerke Troisdorf GmbH 19.500 April 2021
ENM GmbH & Co. KG 62.000 Dezember 2021
Tabelle 2: MRU Projekte des GWI mit abgeschlossenen Anpassungsphasen
H-Gas
MRU Projekte Gasgeräte Schaltbezirk
Schaltung 2019
5.300 1 19. März
Stadtwerke Lehrte GmbH
9.200 2 3. September
Enwag mbH 1.300 1 3. September
1.800 1 19. März
Gemeidewerke Peiner Land GmbH & Co. KG
3.800 2 7. Mai
Die H-Gas Schaltungen in den drei Versorgungsge- kontrollen in den Erhebungs- und Anpassungspha-
bieten verliefen ohne besondere Vorkommnisse, sen sowie der Einsatz optimierter Software haben für
die Anpassung der Gasgeräte wurde innerhalb der einen reibungslosen Verlauf und zu einem terminge-
Plansetzung von 6 bis 8 Wochen nach den H-Gas- rechten Abschluss der Projekte geführt.
Schaltungen abgeschlossen. Das strukturierte Vor-
gehen durch die konsequente Einhaltung von Pro- Eine sorgfältige und umfassende Ist-Zustandserhe-
jektplänen, der sorgfältigen Ist-Zustandserhebung bung mit einer lückenlosen Dokumentation aller
der Gasgeräte, der Dokumentation, der Analyse und Erhebungsparameter in der MRU-Software sichern
Auswertung aller wichtigen Parameter, die Qualitäts- einen hohen Qualitätsstandard und sorgen für einen
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erfolgreichen Verlauf bei der sich anschließenden tige Kontrollverfahren entdeckt werden. Messfehler
Anpassung der Gasgeräte. in der Teil- und Vollastmessung sowie bei der Gasan-
schlussdrucküberprüfung, Mängel am Gasgerät oder
Wichtige Arbeitspunkte für die Ist- Zustandserhe- Sichtprüfungen sind nur durch Qualitätskontrollen
bung sind: vor Ort beim Kunden identifizierbar. Die stichpunktar-
1. Aufnahme des Gaszählers und der Sondercodie- tige Kontrolle von mindestens 10 % aller ausgeführ-
rungen ten Arbeiten nach Arbeitsblatt DVGW G 695 Quali-
2. Identifikation des Gasgerätes anhand des Typen- tätssicherung von Erhebungs-, Anpassungs- und Um-
schildes, CE/DE Kennzeichnung stellungsmaßnahmen bei Gasgeräten (März 2019) ist
3. Datenerfassung in der Software mit Zuordnung ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung,
zur DVGW-Anpassungsdatenbank allerdings hat sich in vergangenen Projekten immer
4. Überprüfung des Gasanschlussdruckes (Fließ- wieder herausgestellt, dass eine reine Abarbeitung
druck) von Normvorgaben nicht immer ausreicht.
5. Durchführung und Protokollierung einer Abgas-
analyse in Teil- und Volllast, Übertragung der Da- Bei wiederkehrenden Reklamationen, Störfällen an
ten in die MRU-Software, Anbringung des Proto- Gasgeräten oder bei häufig festgestellten Fehler-
kolls am Gerät quellen im Ablauf der Arbeiten, müssen dann in Ein-
6. Einstellung / Einregulierung des Gasgerätes z. B. zelfällen die Qualitätskontrollen gezielter durchführt
bei Überlastung sowie Kontrolle des Düsen- werden. Ein weiterer Schritt, die Fehlerquote zu ver-
drucks, um eine mögliche CO-Bildung zu mini- ringern und damit die Qualität zu verbessern, ist die
mieren Einführung eines 4-Augen-Prinzips. Hier bekommen
7. Überprüfung des Gasgerätes auf Mängel, ein- die Monteure bei nicht eindeutigen Ergebnissen z. B.
schließlich des Gas- und Abgasanschlusses bei im Abgas gemessenen CO-Werten > 1.000 ppm
8. Nach Abschluss der Arbeiten Kennzeichnung des oder bei festgestellten CH4-Undichtigkeiten die Mög-
Gasgerätes mit einem gut sichtbaren Schild lichkeit, den zuständigen Qualitätsprüfer des GWI
9. Erstellen eines Fotos des Gasgerätes inkl. des Ab- hinzuziehen. Zusätzlich unterstützen detaillierte Ar-
gasprotokolls sowie des Schildes, des Weiteren beitsunterweisungen sowie gezielte Monteurschu-
Erstellen eines Fotos des Typenschildes lungen Fehlerquellen deutlich zu minimieren.
10. Einholen der Unterschrift des Kunden
Ein weiterer Meilenstein in den MRU-Projekten des
Alle erfassten Daten sind akribisch einer Kontrolle zu GWI stellt die durch das GWI-Projektmanagement be-
unterziehen, diese werden im Nachgang von den Pro- gleitende Optimierung der eingesetzten MRU-Soft-
jektleitern der Anpassungsunternehmen im ersten ware dar. Den gesamten MRU-Prozess beeinflussen
Schritt und vom technischen Projektmanagement eine Vielzahl von Einflussgrößen, diese zu bündeln,
im zweiten Schritt einer Vollprüfung unterzogen. Die um alle Kriterien und Vorgaben zu erfüllen, ist eine
Vollprüfung der Daten ist zweckmäßig, um Schäden große Herausforderung. Einerseits müssen die Daten
bzw. Versäumnisse aus Folgefehlern und daraus ent- erfasst und dokumentiert, aber anderseits auch sinn-
stehende Kosten zu vermeiden. Sind Daten als falsch voll verknüpft, analysiert und ausgewertet werden.
oder lückenhaft erkannt worden, so wird nach Rück- Dabei müssen ständig Schwachstellen identifiziert
sprache mit dem Erhebungsmonteur im Einzelfall werden. Eine enge Zusammenarbeit zwischen dem
entschieden, ob die Ist-Zustandserhebung wieder- GWI und dem Softwarehersteller führte auch im letz-
holt werden muss, oder ob Daten, ohne erneuten ten Jahr zu deutlichen Prozessverbesserungen. Die
Besuch beim Kunden, ergänzt werden können. Oft- MRU-Software gestaltet sich immer mehr zu einer
mals handelt es sich hierbei um Zuordnungsfehler passgenauen digitalen Lösung, dass Bearbeitungszei-
zur DVGW-Anpassungsdatenbank, diese sind nach ten deutlich reduziert werden können.
weiterer Überprüfung auf Plausibilität relativ einfach
und schnell behoben. In wenigen Fällen handelt es
sich um kritisch-fehlerhafte Daten, hierbei könnte
die spätere Anpassung der Gasgeräte gefährdet sein,
in diesen Fällen ist die Ist-Zustandserhebung zwin-
gend zu wiederholen.
Nicht alle Fehlerquellen können durch dieses umsich-
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Forschung
Forschungund Entwicklung
und Entwicklung
Industrie- und Feuerungstechnik
Die Jahre 2019 und 2020 standen ganz im Zeichen der aktuellen Themen Dekarbonisierung, erneuerbare En-
ergien, Energiewende, Wasserstoff, additive Fertigung, Digitalisierung, wobei die Nutzung von Wasserstoff in
den verschiedenen Industriebranchen immer relevanter wird. Diese Themen, angewandt auf die industrielle
Thermoprozesstechnik, werden von der Abteilung Industrie- und Feuerungstechnik am Gas- und Wärme-
Institut Essen e.V. in aktuellen Forschungsprojekten bearbeitet.
Abbildung 12: THG-Maßnahmen und Reduktionspotenziale der Industrie im 80 % Pfad der BDI-Klimastudie [1]
In Abbildung 12 sind die CO2-Einsparziele der Indu- Verbrennungskonzeptes durch Nutzung von interner
strie für den 80 % Pfad bis 2050 basierend auf der heißer Kühlluft“ haben die beteiligten Projektpartner
BDI-Studie „Klimaziele für Deutschland“ [1] und die Institut für Ziegelforschung Essen e. V. (IZF), Hans
sich daraus ergebenen Potentiale und Möglichkeiten Lingl Anlagenbau und Verfahrenstechnik GmbH & Co.
dargestellt. Diese Reduzierung der CO2-Emissionen KG (Lingl), Ziegelwerk Bellenberg Wiest GmbH & Co.
bzw. auch der 95 % Pfad lassen sich, wie links ange- KG (ZWB) zusammen mit dem GWI einen neuen
führt, auf verschiedenen Wegen und auch nur durch Reingasbrenner entwickelt (Abbildung 13a) und in
die Kombination verschiedener Technologien und Lö- die Tunnelofenanlage in Bellenberg implementiert
sungsansätze erreichen. Die Aspekte Effizienzsteige- (Abbildung 13b). Temperaturmessungen (Abbildung
rung durch die Entwicklung flexibler und effizienter 14) in den Ziegeln während der Brenndauer zeigen
Brennertechniken, die Entwicklung effizienter Ver- eine deutliche homogenere Temperaturverteilung.
brennungskonzepte und den Einsatz erneuerbarer Nach dem Umbau am Tunnelofen konnte eine Ener-
Energieträger wie z. B. Wasserstoff und Biogas wer- gieeinsparung ca. 15 % nachgewiesen werden.
den in aktuellen Forschungsprojekten bearbeitet, die
nachfolgend kurz dargestellt werden. Das Ziel des im Jahr 2019 gestarteten BMWi-Projek-
tes „AdReku“ ist die Erhöhung der Energieeffizienz
Brennerentwicklung zur Effizienzsteigerung und sowie die Reduzierung von Schadstoffemissionen in-
Nutzung erneuerbarer Gase dustrieller Feuerungsprozesse durch die Entwicklung
Im Rahmen des 2020 abgeschlossenen BMWi-Pro- eines additiv gefertigten, rekuperativen Brennersy-
jekts „Energieeffizienzsteigerung in der Ziegelin- stems zusammen mit der Firma Kueppers Solutions
dustrie durch Entwicklung und Einsatz eines neuen GmbH. Das Projekt besteht im Kern aus zwei Aspek-
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a) Entwickelte b) Umgebaute
Reingaslanze im Brennerreihe in der
numerischen Tunnelofenanlage in
Modell (Quelle: Bellenberg (Quelle:
GWI) Bellenberg)
Abbildung 13: Entwickelte Reingaslanze und umgebauter Tunnelofen im Projekt Zie-Ver
Temperatur in °C
Temperatur in °C
a) vor dem Umbau b) nach dem Umbau
Abbildung 14: Brennkurven in der Tunnelofenanlage Bellenberg vor und nach dem Umbau (Quelle: IZF)
ten: die Entwicklung eines effizienten Rekuperators intensiv an der Entwicklung eines Rekuperators ge-
zur Verwendung im Rekuperatorbrenner sowie die arbeitet. Neben konventionellen Geometrieansätzen
Entwicklung eines schadstoffarmen Brenners für ver- wie Platten- und Rohrbündelrekuperatoren – welche
schiedene Brennstoffe wie Erdgas und Wasserstoff. In jedoch durch die Zuhilfenahme des 3D-Drucks auf
der bisherigen Projektlaufzeit wurde daher zunächst eine hohe Wärmeübertragung bei kompaktem Bau-
Temperatur in °C
Länge des Rekuperators in mm
Abbildung 15: Geometrieansätze eines additiv gefertigten Rekuperators (Quelle: GWI/Kueppers Solutions)
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raum optimiert wurden – wurden bei der Entwick- tionen, konnten bisher vielversprechende Ergebnis-
lung auch neue Wege eingeschlagen. Durch die Ver- se erzielt werden. So wurden für Abgastemperaturen
wendung von komplexen geometrischen Strukturen, von ca. 900 bis 950 °C bereits relative Luftvorwär-
sog. „triply periodic minimal surfaces“ oder TPMS so- mungsgrade von über 90 % erzielt und somit einem
wie der Nutzung verschiedener, für unterschiedliche Wert deutlich oberhalb des industriellen Standards
Temperaturbereiche optimierter Werkstoffkombina- erreicht. (vgl. Abbildung 15).
Abbildung 16: Versuchsstand für erste experimentelle Untersuchungen (Quelle: GWI)
Das Ziel des BMWi-Forschungsvorhabens „Alu- gungsverhaltens wurde sich zuerst auf die Betrach-
RegBre“ besteht in der Steigerung der Energieeffizi- tung der Brennereinheit fokussiert. Mit Hilfe eines
enz bei der Sekundäraluminiumherstellung durch die Drehbettregenerators konnte zudem das, in der in-
Entwicklung eines flexiblen, umschaltbaren, regene- dustriellen Praxis übliche Temperatur-Zeit-Profil der
rativen Low-NOx-Brenners. Hierbei soll zusammen Verbrennungsluft durchlaufen werden. Neben den
mit den Forschungspartner Andritz FBB und TRIMET Versuchen im „leeren“ Hochtemperaturversuchs-
SE ein Brennerkonzept entwickelt werden, dass fle- ofens wurden zusätzlich Versuche mit versperrtem
xibel für den jeweiligen Aggregatzustand (fest / flüs- Ofenraum durchgeführt, um die Funktionsweise des
sig) des Sekundäraluminiums eine optimierte Flam- Brennersystems hinsichtlich der späteren Anwen-
menform herstellt. Der Vorteil der unterschiedlichen dung zu überprüfen. Die Abbildung 16 zeigt in der
Flammenformen liegt in der Erhöhung der Tonnage, rechten Bildhälfte den Demonstratorbrenner im Flat-
Vermeidung von Abbrandverlusten und der damit re- Modus und eine eigens für die Versuche hergestell-
sultierenden Energieeffizienz im Vergleich zur aktuel- te Stahlkiste, die mit verschiedensten Profilstücken
len Situation in der industriellen Praxis. Der innovati- aus Stahl gefüllt wurde. Im nächsten Schritt wurde
ve Kern liegt hierbei in einer Kombination aus einem ein Regeneratorbrennerpaar an einem Versuchs-
Verbrennungssystem mit einer sehr flachen Flamme schmelzofen im Werk der TRIMET SE hinreichend
(Flat-Modus) und einem Brennersystem, das aus der unter realen Bedingungen untersucht. Hierfür wurde
gewohnten „langen“, das Schmelzbad abdeckenden, eine Vielzahl an Schmelzversuchen mit unterschied-
Flamme (Jet-Modus) besteht. Im Rahmen des Vor- lichen Rohmaterialen aus Aluminium durchgeführt.
habens wurden detaillierte experimentelle
Untersuchungen des entwickelten Brenner-
systems in unterschiedlichen Betriebsmodi
durchgeführt. Die Abbildung 16 zeigt links
im Bild die Integration des Prototypenbren-
ners in die Versuchsinfrastruktur der Abtei-
lung Industrie- und Feuerungstechnik.
Zur praxisnahen Untersuchung des Verbren-
Abbildung 17: Flat-Modus mit Ofenbeladung seitlich fotografiert (re.)
nungs-, Schadstoff- und Wärmeübertra- (Quelle: GWI)
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Die Abbildung 17 zeigt die Flammenausbildung im Brennerleistung und Gasart) erzielt. Die resultieren-
Verlauf des Schmelzprozesses. den gleichbleibenden Impulsverhältnisse gewähr-
leisten somit eine strömungstechnisch-optimierte
Nach den erfolgreichen experimentellen Untersu- Verbrennung im Brennraum. Dadurch ist es zudem
chungen an den genannten Öfen wird im nächsten möglich, alternative Gase, wie z. B. schwachkalori-
Schritt ein 26 t Schmelzofen der TRIMET SE mit dem sche Gase und hochkalorische Gase in einem Bren-
neu entwickelten Brennersystems ausgestattet und nersystem nutzbar zu machen, ohne dass zusätzliche
im Rahmen des Vorhabens experimentell untersucht. Brennereinbauten notwendig werden. Basierend auf
der entwickelten variablen Düsengeometrie wurde
Das Ziel des im Jahr 2019 beendeten Projektes „FLE- im Anschluss ein einfaches Brennersystem entwic-
NO“ war es, zusammen mit der Firma Friedrich Ley, kelt. Die Abbildung 18 zeigt eine der untersuchten
ein innovatives Brennersystem zu entwickeln, das auf Brennergeometrien und die Ergebnisse der numeri-
wechselnde Leistungsanforderung und auf die Ver- schen Untersuchungen des Brennersystems mit fe-
fügbarkeit verschiedener Brenngase aktiv reagiert ster und variabler Düsengeometrie am Beispiel der
und in jedem Zustand ideale Strömungsbedingungen Geschwindigkeitsverteilung. Im weiteren Verlauf
für die nachfolgende Verbrennung gewährleistet. Im wurde das Brennersystem im Hinblick auf eine sta-
Fokus stand hierbei die Entwicklung einer im laufen- bile und emissionsarme Verbrennung, einer sicheren
den Brennerbetrieb anpassbaren variablen Düsen- Betriebsweise und thermischen Beständigkeit des
geometrie, die für jeden Volumenstrom eine opti- Materials experimentell untersucht. Die Leistung
male Austrittsfläche generiert. Durch diese Anpas- konnte im Bereich 1:20 für Erdgas stufenlos geregelt
sung wird eine konstante Austrittsgeschwindigkeit werden, weiterhin wurden Gase mit unterschiedli-
der Medien am Düsenaustritt (unabhängig von der chen Heizwerten untersucht.
Geschwindigkeit in m/s
Abbildung 18: CFD-Simulationen (Links) und modellierte Brennergeometrie (rechts) (Quelle: GWI)
Dekarbonisierung von industriellen Prozessen
Erdgas stellt für viele Anwendungen der Thermo- nen Gesellschaft.
prozesstechnik die primäre Energiequelle zur Bereit-
stellung von Prozesswärme dar. Viele dieser Prozes- Die Oxy-Fuel-Verbrennung, also die Verbrennung
se, gerade in den Grundstoffindustrien der Metall-, von gasförmigen Brennstoffen mit (fast) reinem
Glas- oder Keramikindustrie, sind sehr energieinten- Sauerstoff, ist eine weitverbreitete Technologie zur
siv und mit einem hohen Ausstoß an Treibhausgasen effizienten und schadstoffarmen Bereitstellung von
verbunden. Gleichzeitig sind diese Branchen aber Hochtemperaturprozesswärme. Im BMWi-geförder-
auch ein wesentlicher Wirtschaftsfaktor, und die her- ten Projekt „Oxy-TCR“, welches in 2019 begonnen
gestellten Produkte sind die Grundlage einer moder- hat, untersucht das GWI in Zusammenarbeit mit
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Abbildung 19: Prozessschema des geplanten Oxy-TCR-Prozesses (Quelle: DBI)
der DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, der Nip- brauch zu reduzieren.
pon Gases Deutschland GmbH und der Multi Indu- Wesentliche Aufgaben zu Projektbeginn sind die
strieanlagen GmbH, wie ein innovatives Verfahren grundsätzliche Konzeption des Oxy-TCR-Prozesses,
zur Abwärmerückgewinnung in oxy-fuel-befeuerten siehe Abbildung 19, unter den Randbedingungen ei-
Glasschmelzaggregaten, die so genannte thermo- ner Sekundär-Aluminium-Schmelze. Basierend hier-
chemische Regeneration (TCR), auf Prozesse in der auf werden die zentralen Komponenten des Systems,
Aluminiumindustrie übertragen werden kann. Ziel eine katalytisch unterstützte TCR-Reformereinheit,
ist es, diese Feuerungsprozesse noch effizienter zu ein sowohl mit Erdgas als auch mit Syngas betreibba-
gestalten, indem die Abwärme des Prozesses sowohl rer Oxy-Fuel-Brenner (siehe Abbildung 20) und die
thermisch als auch chemisch zurückgewonnen wird, Abgasaufbereitung ausgelegt und optimiert.
um auf diese Weise den Erdgas- und Sauerstoffver-
Temperatur in °C
Abbildung 20: CFD-gestützte Auslegung und Untersuchung der Brennereinheit im Erdgasbetrieb (links) und Betrieb mit Syngas
(rechts) (Quelle: GWI)
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Im Rahmen des Projektes „MetaCOO“ wurden in Zu- Rohbiogas ermöglicht. In Langzeitversuchen konn-
sammenarbeit mit dem DBI in Freiberg die Einsatz- ten somit die Auswirkungen der veränderten Ver-
möglichkeiten von Rohbiogas in der metallurgischen brennungsatmosphäre bzw. der Spurenbestandteile
Industrie zur Senkung der CO2-Emissionen unter- (H2S, NH3, Siloxane, etc.) des Rohbiogases auf me-
sucht. Dazu wurde ein Feldversuch an einer Biogasan- tallische Erzeugnisse im Thermoprozess untersucht
lage der Stadtwerke Bielefeld in Bielefeld-Dornberg werden. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der
realisiert, siehe Abbildung 21, um die Auswirkungen Wärmebehandlung von Stählen und Buntmetallen
der Verbrennungsatmosphäre auf metallurgische bei unterschiedlichen Temperaturniveaus sowie dem
Thermoprozesse bzw. Erzeugnisse unter Realgasein- Schmelzen von Aluminium. Im Rahmen von metallur-
satz zu untersuchen sowie die dazu notwendigen gischen Untersuchungen (lichtmikroskopisch, REM,
Gasaufbereitungsschritte zu bestimmen. Zu diesem EDX) wurden die Werkstoffproben auf Änderungen
Zweck wurde seitens DBI eine 2-stufige Gasaufbe- im Gefüge und Einschlüsse von Fremdstoffen unter-
reitungsstrecke mit integrierter Analytik aufgebaut, sucht. In den Randbereichen von unlegierten Stahl-
die den Einsatz unterschiedlicher Reinigungsmateri- und Buntmetallproben konnten dabei u. a. Schwefel
alien sowie die kontinuierliche Bestimmung der Zu- und Siliziumgehalte bei Einsatz von unbehandeltem
sammensetzung des unbehandelten und gereinigten Rohbiogas nachgewiesen werden. Für die betrach-
Rohbiogases ermöglichte. Die mobile Brennkam- teten Edelstahlproben sowie Aluminiumschmelzen
mer des GWI wurde der Gasaufbereitungsstrecke konnten hingegen keinerlei Einflüsse auf die Werk-
nachgeschaltet und eine Feuerung sowohl mit un- stoffbeschaffenheit nachgewiesen werden.
behandeltem Rohbiogas als auch mit gereinigtem
Abbildung 21: Mobile Brennkammer im Betrieb an der Biogasanlage der Stadtwerke Bielefeld am Standort Dornberg; rechts - Foto
des Gesamtaufbaus; links - Entnahme wärmebehandelter Materialproben. (Quelle: GWI)
Wasserstoff
Neben den oben genannten Forschungsthe-
men spielt Wasserstoff aktuell die größte Rolle
in den Aufgabenbereichen der Industrie- und
Feuerungstechnik. Da die Modernisierung der
IFT-Halle so gut wie abgeschlossen ist, können
am GWI mit der neu gebauten Gasmischanlage
(Abbildung 22) verschiedene Gasgemische mit
einem Wasserstoffanteil von 330 m³/h bis hin zu
1 MW reiner Wasserstoff untersucht werden.
Die aktuellen F&E-Projekte zum Thema Wasser-
stoff betreffen einerseits Untersuchungen der
Wasserstoffzumischung auf metallische Mate-
Abbildung 22: Innenansicht der großen Gasmischanlage, bis zu 1 MW Bren-
nerleistung sind reine Wasserstoffversuche möglich (Quelle: GWI) Seite 17 | 36Tätigkeitsbericht 2019/2020
rialien im Rahmen des Projektes „Un-
tersuchung der Auswirkung von Was-
serstoff-Zumischungen ins Erdgasnetz
auf industrielle Feuerungsprozesse in
thermoprozesstechnischen Anlagen –
Auswirkungen auf die Produktquali-
tät und die gasführende Installation“,
welches zusammen mit der TH Köln,
Institut für Werkstoffwissenschaf-
ten bearbeitet wird. Dazu werden an
Abbildung 23: Schmelzversuche an der mobilen Brennkammer (Quelle: GWI)
der mobilen Brennkammer des GWI
Schmelzuntersuchungen von ver-
schiedenen metallischen Werkstoffen (Eisen, Stahl, Im ersten Schritt werden verschiedene Zumischungs-
Aluminium, Messing, Kupfer, usw.), siehe Abbildung raten (Szenarien) für die einzelnen Prozessschritte
23, mit unterschiedlichen Wasserstoffzumischraten definiert, die im weiteren Verlauf hinsichtlich einer
durchgeführt. möglichen Umsetzung untersucht werden. Hier gibt
es zwei Aspekte, die im Fokus stehen: Die Auswirkun-
Andererseits werden im seit Juli 2020 laufenden gen auf die Verbrennung sowie der Einfluss von Was-
Landesprojekt „HyGlass“ zusammen mit dem Bun- serstoff auf die Glasqualität. Die experimentellen
desverband Glas die Möglichkeiten zur Substitution Untersuchungen werden an einer semi-industriellen
des fossilen Brennstoffs durch grünen Wasserstoff Anlage durchgeführt, siehe Abbildung 25. Mit zu-
entlang der gesamten Glasherstellungskette, siehe nehmender Wasserstoffzumischung wird die Flam-
Abbildung 24 untersucht. me „unsichtbarer“.
Abbildung 24: Schematische Darstellung des Glasherstellungsprozesses (Quelle: BV Glas)
Abbildung 25: Auswirkung der Wasserstoffzumischung auf eine Underportflamme (Blick durch die GWI-Versuchsanlage)
(Quelle: GWI)
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Die Auswirkungen der Wasserstoffzumischung auf Wasserstoff in der Glasindustrie zu schaffen.
die Verbrennungseigenschaften in einer Glasschmelz-
wanne werden ausschließlich mittels numerischer Trotz Pandemie hat die Industrie- und Feuerungs-
Simulationen betrachtet. In einem letzten Schritt technik im vergangenen Jahr zahlreiche Projekte
werden alle erzeugten Ergebnisse im Gesamtkontext beim Land NRW, beim Bund und der AiF eingereicht.
betrachtet, bewertet und das tatsächliche Potenzial Hauptthema ist dabei die Nutzung des Wasserstoffs
für den Einsatz von Wasserstoff in den einzelnen in zahlreichen Industriebranchen und Prozessen (u. a.
Prozessschritten für die verschiedenen Szenarien Stahl- und Eisen, Aluminium, Trocknungsprozesse,
skizziert. Die wissenschaftlichen Untersuchungen zie- Oxy-Fuel-Anwendungen) in direkter Form, aber auch
len darauf ab, einen Überblick und ein besseres Ver- indirekt z. B. als Ammoniak.
ständnis für die Herausforderungen bei Einsatz von
Brennstoff- und Gerätetechnik
Die Kernthemen der letzten zwei Jahre sind Wasser- • Team Adaptive Energiesysteme: Deutschlandmo-
stoff, gekoppelte Netze und IKT / Digitalisierungs- dell-Typologien, Wärmebedarf, Gas, Fernwärme,
möglichkeiten. Diese sind z. B. adaptive Sektoren- GIS, Quartierslösungen, Modellierung und Simu-
kopplungssysteme, die die nicht immer gleichzeitige lation von gekoppelten Wärme-, Strom- und Gas-
Verfügbarkeit der EE und die Bedarfe an elektrischer netzen, Living Lab, IKT, SmartMetering / Moni-
Energie, Wärme und Treibstoffen bei möglichst um- toring, BigData, EdgeComputing, Digitalisierung,
fassender Integration der erneuerbaren Energien Vernetzung von Städten / Sektoren (Wohnen,
(EE) und möglichst geringem Primärenergieeinsatz GHD, Industrie), Integration von Mobilitätslösun-
durch traditionelle Energieträger verbinden. Eine gen und Digitalisierungsansätzen
adaptive Sektorenkopplung setzt die gleichzeitige
Betrachtung aller Netze voraus – Strom-, Gas- und • Team PtX: Flexibilisierungsoptionen, Gasbeschaf-
Wärmenetze – verknüpft mit der entsprechenden fenheitsfragen, insbesondere im Bereich der
Informations- und Kommunikationstechnik (IKT). Einspeisung und Verwendung von EE-Gasen in
Das Thema Wasserstoff wird u. a. durch Projekte wie den einzelnen Sektoren, LNG / LBG, Biogase inkl.
„DVGW-Roadmap Gas 2050“ und das europäische Wasserstoff, Feldtest-Monitoring, Tests von An-
Projekt „THyGa“ adressiert. wendungstechnologien mit H2-reichen Gasen
Das bestehende und von fossilen Energieträgern Mit den Abteilungen IFT (Industrie- und Feuerungs-
dominierte Energieversorgungssystem hat sich bis technik), PL (Prüflaboratorium) und Bildungswerk
dato stetig weiter zu einem klimaneutralen System bestehen Schnittstellen bei den Themen Flexibilisie-
mit einem größeren Anteil erneuerbaren Energien rungsoptionen, Netzen, Gasbeschaffenheit, L/H-Gas-
entwickelt. Die Identifikation der optimalen Pfade im Anpassung und LNG.
Zielkonflikt einer zugleich versorgungssicheren, öko-
logischen und ökonomischen Bereitstellung ist in vol- Die Entwicklung einer smarten Gasbeschaffenheits-
lem Gange und stellt sowohl einzelne Energieträger erkennung für Regelungsstrategien wird in der Ab-
als auch Technologien auf den Prüfstand. teilung Brennstoff- und Gerätetechnik im AiF-Projekt
„Smart Gas“ (Erweiterung eines integrierten Sen-
Die optimierte Abstimmung auf die jeweiligen An- sorsystems, das mittels thermischer Messprinzipien
wendungen und die konsequente Nutzung der Syn- bei variablen Zusammensetzungen die Gasbeschaf-
ergien in Kombination traditioneller, als auch erneu- fenheit sowie die Dichte von Brenngasen bestimmt)
erbarer Energien führt zu hocheffizienten Gas-Plus- behandelt.
Technologien und in größeren, vernetzten Struktu-
ren auf ein flexibilisiertes Energieversorgungssystem. Bereits im Jahr 2018 wurde das Nachfolge-Projekt
Die Abteilung Brennstoff- und Gerätetechnik hat sich „Kompetenzzentrum“ Virtuelles Institut – Strom zu
mit einer Vielzahl an Projekten erfolgreich für die Gas und Wärme“ (EFRE-0400111) bewilligt. Dieses
zukünftigen Rahmenbedingungen mit der folgenden wird gefördert durch das „Operationelle Programm
Themenausrichtung aufgestellt: zur Förderung von Investitionen in Wachstum und
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Beschäftigung für Nordrhein-Westfalen aus dem schüssige Strom aktuell in die übergeordnete Netze-
Europäischen Fonds für regionale Entwicklung“ (OP bene gespeist und in andere Regionen verteilt. Durch
EFRE NRW) sowie durch das Ministerium für Wirt- den voranschreitenden Ausbau von EE-Erzeugungs-
schaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des anlagen wird es aber zukünftig immer häufiger Si-
Landes Nordrhein-Westfalen. tuationen geben, in denen eine räumliche Verteilung
von EE-Strom nicht mehr ausreichend und eine zeit-
Dieses Projekt ermöglicht den Aufbau und die De- liche Verschiebung von Strommengen notwendig ist.
monstration mehrerer, unterschiedlicher Anlagen Für den zeitlichen Ausgleich werden unterschiedliche
in einer sicheren Versuchsinfrastruktur. In einer neu Speichertechnologien benötigt, die im Projekt „Ener-
gestalteten Versuchshalle am GWI werden unter- Prax“ in einem Energiespeichersystem miteinander
schiedliche Anlagen zur Energiebereitstellung und verknüpft werden. Bei den Speicheranlagen handelt
-speicherung im kleintechnischen Maßstab mit dem es sich um zwei Batteriespeicher (Speicherkapazität
Ziel der Erprobung und der Optimierung eines Ge- von 2 x 18 kWh), einer Redox-Flow-Batterie (Spei-
samtsystems betrieben. Aktuell befinden sich ein cherkapazität von 125 kWh) und einem PEM-Elek-
PEM-Elektrolyseur-Teststand (FZJ), eine katalytische trolyseur (1 m3 Wasserstoff pro Stunde). Ziel ist es,
Methanisierung (ZBT) und eine KWK-Anlage (GWI) durch die Kombination von unterschiedlichen Spei-
im System. Um einen möglichst flexiblen Betrieb für chern die jeweiligen Stärken der Technologien gezielt
alle Anlagen zu gewährleisten, ist eine VE-Wasser- zu nutzen, um ein optimiertes Gesamtspeichersy-
Aufbereitungsanlage, eine Flaschengas-Versorgung stem darzustellen. So besitzen die Kurzzeitspeicher
(N2, CO2, H2 und CO2) und ein Gasspeicher für das einen guten Wirkungsgrad und eine hohe Dynamik,
erzeugte, erneuerbare Methan Teil des Betriebskon- während sich der Elektrolyseur als Langzeitspeicher
zepts. (Einspeisung des Wasserstoffs ins Erdgasnetz) durch
eine große Speicherkapazität auszeichnet.
Zusätzlich erfolgte die Implementierung einer PtH-
Anlage sowie die visuelle Anbindung an das GWI- Während der PEM-Elektrolyseur des GWI und die
Demonstrationshaus, in welchem weitere innovative Redox-Flow-Batterie bereits 2018 in Betrieb genom-
Heizungssysteme aufgebaut werden. men wurden, konnten im letzten Jahr die Batterie-
speichersysteme auf dem Gelände des Bioenergie-
In Folge der NRW-Projekte „100-KWK-Anlagen in parks aufgestellt und ebenfalls in Betrieb genommen
Bottrop“ und „roadmap KWK.NRW – Einsatz von werden. Der Speicherpark wurde darüber hinaus in
KWK-Technologien in NRW – Detailfragestellungen eine zentrale Steuerungseinheit integriert, die mit
und Forschungsagenda“ wurden die Aktivitäten zu einem im Projekt entwickelten Algorithmus ent-
KWK und Sektorenkopplung mit den Projekten „de- scheidet, welche Speichertechnologie zu welcher
moKWK3.0 - wissenschaftliche Begleitung zur ganz- Zeit Strom aufnehmen bzw. abgeben soll. Neben den
heitlichen Evaluation des Anlagenpools aus 100 praktischen Versuchsreihen an der Technikumsanla-
KWK-Anlagen in Bottrop“ und „Transfer4.0@KWK. ge untersuchte das GWI den ökologischen Mehrwert
NRW“ sowie durch das Projekt „KWK plus Speicher, für den Einsatz von Speicherkombinationen. Am Bei-
Anlagen- und Betriebsoptimierung zur Flexibilisie- spiel der Kombination aus Lithium-Ionen-Batterie-
rung des KWK-Betriebs mit innovativen Speicher- speicher und PEM-Elektrolyseur zeigt Abbildung 26
technologien“ weitergeführt. Ziel der Projekte ist dass ein System aus Kurz- und Langzeitspeicher ei-
eine Verminderung der Stromeinspeisung bzw. Erhö- nen zusätzlichen positiven ökologischen Effekt be-
hung der Eigennutzung des KWK-Stroms. wirkt. Während in der Untersuchung für einzelne
Energiespeicher eine jährliche CO2-Reduktion von bis
Ein weiteres Projekt aus dem Themenumfeld Ener- zu 40 % erreicht werden, kann der untersuchte Kom-
giespeicher / Flexibilitäten ist das Projekt „EnerPrax“ bispeicher CO2-Einsparungen von bis 58 % erzielen.
(Energiespeicher in der Praxis: http://energiespei- Die zusätzlichen Einsparpotenziale können u. a. da-
cher.nrw/). Hier wird der Betrieb von Energiespei- mit begründet werden, dass zum einen kurzfristige
chern für den Bioenergiepark Saerbeck in Nordr- Residuallastwechsel mit einem hohen Wirkungsgrad
hein-Westfalen und vergleichbare Kommunen unter- durch den Batteriespeicher abgedeckt und zum an-
sucht. Bilanziell übersteigt die lokale Erzeugung von deren große Energiemengen durch den PEM-Elektro-
erneuerbarem Strom aus PV und Wind mittlerweile lyseur gespeichert werden können.
den Strombedarf der Gemeinde Saerbeck. In Phasen
einer Überdeckung des Strombedarfs wird der über-
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LIB in MWh + PtGtP in MW
Abbildung 26: CO2-Emissionen für das Bezugsjahr 2018 und CO2- Einsparpotenziale durch die Einbindung von Energiespeichersystemen
Mit dem Projekt „EnerRegio“ ist bereits der Nachfol- der finalen Projektergebnisse zur Erzeugung erneu-
ger von „EnerPrax“ zum 01. November 2019 gestar- erbaren Methans aus Power-to-Gas-Prozessen steht
tet. Ziel ist es mit den Erfahrungen aus dem Projekt kurz bevor. Das GWI verantwortet in diesem Rahmen
„EnerPrax“ die Einbindung von Power-to-X-Techno- eine Potenzialstudie für die Chancen von Power-to-
logien für unterschiedliche Anwendungen in einer Gas und Methanisierung in 28+4 Nationen in Europa.
ländlich geprägten Modellkommune zu untersuchen. Die Erkenntnisse zeigen, dass in allen europäischen
Neben dem GWI besteht das Projektkonsortium aus Regionen große Potenziale für die Erzeugung grüner
der FH Münster sowie der B&R Energie GmbH. Gase vorhanden sind. Je nach örtlichen Gegebenhei-
ten ergibt die räumlich hochaufgelöste geographi-
Im EU-Projekt „STORE&GO“ gehen die 27 Projekt- sche Untersuchung Kopplungspotenziale zwischen
partner aus Industrie und Forschung (siehe Abbil- erneuerbarem Strom aus Wind und / oder PV so-
dung 27) auf die Zielgerade. Die Veröffentlichung wie den CO2-Quellen Biomasse (grünes CO2) oder
Abbildung 27: Projektpartner im STORE&GO-Konsortium
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