Themenheft: Energie, Mobilität, Luft- und Raumfahrt 2010 - FH Aachen
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Forschungsbericht der FH Aachen 2010
Forschungsbericht
Themenheft: Energie, Mobilität, Luft- und Raumfahrt
2010
www.moeller.net/moeller-wird-eaton
A09/05I
Mehr Know-how:
Moeller ist
ein Teil
von Eaton.
Die Weltstandards der Elektrotechnik kommen zusammen.
Moeller ist integriert in die Eaton Corporation, eine neue Generationen darin, Energie so sicher, effizient und
Größe in der Elektrotechnik ist entstanden. Technolo- umweltschonend wie möglich nutzen zu können – auch
gien und Port folios ergänzen sich ideal: In allen IEC- dies verbindet. Freuen Sie sich also auf den neuen,
konformen Märkten sind Komponenten von Moeller alten Partner, der das Beste aus beiden Technikwelten
erste Wahl – in der UL/CSA-Welt ist Eaton führend. bietet – aus einer Hand, weltweit.
Und beide Unternehmen unterstützen ihre Kunden seit
Inhalt
Grußwort 4
Highlightprojekte 6
Energie
Solar-Institut–Jülich 10
Aquasol und CuveWaters 11
PaRiKo 13
Inhalt
Science College Overbach 14
Summer School Renewable Energy 15
Solarturm Jülich 16
Hochtemperatur-Wanderbett-Wärmeübertrager 18
3
Stromversorgung mit einem hohen Anteil
erneuerbarer Energieerzeuger 20
Standards für solare Prozesswärme 21
Solarturmtechnik (viCERP) 22
Nowum-Institut 24
MAK-Energie 25
Exbrμt 26
Biogasversuchsanlage 27
MiProBa 28
Elektrotechnik 30
Ultrakompakte Leuchtstofflampe 30
ITP 32
Mobilität
Elektromobilität 34
E_bike 34
Konzept-Elektrofahrzeug 4e4 37
Elektromobilitätskonzepte 40
Mobilität und Verkehr 43
Mobilitätsmanagementkonzept für FH Aachen 43
Luft- und Raumfahrt, Automotive 44
Sonnensegel 44
COMPASS 46
Antriebe für Werkzeugmaschinen und Fahrzeuge48
SAAE 50
Wasserstoff-Gasturbine 52
HyDI 53
Bioethanol als Flugbenzin 54
Zertifizierung von Luftfahrtantrieben 56
Hydrostatischer Propellerantrieb 58
Hybridantrieb und Flugzeug 59
Mix-SCR 61
Abgasnachbehandlung 3D-Keramik 62
VisMut 63
WING 64
Silent Structure 68
Entwicklungspotenzial bei variablen
Kfz-Ölpumpen 70
Kunststoff-Rotationsmesser 72
Grußwort
Grusswort
4
mit Partnern aus der Hochschule und der Wirtschaft
ein wesentliches Kriterium für die Mittelvergabe.
Mit unserer Arbeit möchten wir all diesen Aspekten
Rechnung tragen. Strukturierte Kommunikation der
Forschungsaktivitäten nach innen und außen sind für
uns hierbei ein wichtiges Instrument.
Mit dem vorliegenden Forschungsbericht „Energie –
Mobilität – Luft- und Raumfahrt“ beschreitet die FH
Aachen in diesem Jahr erstmals einen neuen Weg der
Publikation ihrer Forschungstätigkeit. Jährlich erschei
nende themenbezogene Berichte und die Darstellung
von „Highlights“ anderer Themengebiete lösen den
früher im Dreijahresrhythmus erscheinenden For
schungsbericht ab. Hiermit wollen wir Sie, verehrte
Leserinnen und Leser, zielgruppengerecht ansprechen
Liebe Leserinnen und Leser, und Ihnen so einen tieferen Einblick in unsere Arbeit
erlauben. In den Folgejahren wird es jeweils weitere
„Forschung und Entwicklung an der FH Aachen – themenspezifische Veröffentlichungen geben, sodass
interdisziplinär, praxisorientiert, vielfältig und inter Sie nun jährlich über unsere Aktivitäten informiert
national“, so sehen wir unsere Leistungen auf den werden.
unterschiedlichsten Gebieten.
Mein Dank gilt allen Kolleginnen und Kollegen, Mit
Neue Formen der partnerschaftlichen Zusammenar arbeiterinnen und Mitarbeitern, die in den vergange
beit der FH Aachen mit Forschungseinrichtungen und nen Jahren dafür gearbeitet haben, dass Forschung
Industrieunternehmen haben in der jüngsten Vergan an unserer Hochschule seit vielen Jahren auf einem
genheit an Bedeutung gewonnen. Unser Ziel ist die hohen Niveau betrieben und immer weiter ausgebaut
Stärkung des Wissens- und Technologietransfers von wird. Die in diesem Bericht veröffentlichten Ergebnis
der Wissenschaft in die Wirtschaft und die Veran se sind beispielhaft dafür. Vielen Dank auch all denen,
kerung der Forschung in den Bachelor- und Master die redaktionell und organisatorisch an der Publika
studiengängen. Den Master-Absolventen unserer und tion dieses Forschungsberichtes mitgewirkt haben.
anderer Hochschulen bieten wir die Möglichkeit der
kooperativen Promotion. Unser internes Doktoranden Seien Sie also gespannt auf das, was Sie in diesem und
netzwerk ist mittlerweile ein fester Bestandteil der den noch folgenden Heften erwartet.
Forschungslandschaft unserer Hochschule und zeigt
deutlich die hohe Qualität unserer anwendungsorien Viel Freude beim Lesen und Entdecken!
tierten Forschungs- und Entwicklungstätigkeit.
Die FH Aachen folgt aus tiefer Überzeugung dem Prin
zip, dass neben exzellenter Lehre eine umfassende
und gute akademische Ausbildung nur in Kombination
mit Forschungs- und Entwicklungsaufgaben auf hohem
Niveau geleistet werden muss. Bei der Forschungs Prof. Dr. rer. nat. Christiane Vaeßen
förderung aus öffentlichen Mitteln der Europäischen Prorektorin für Forschung, Entwicklung und
Union, des Bundes und des Landes ist die Vernetzung Technologietransfer
Highlightprojekte
Intelligente Hydrogele – Institut für Polymerchemie
verhalten. Eine schnelle Stimulusantwort soll erreicht
werden durch Synthese ladungsverdichteter Hydroge
le einerseits sowie durch eine Strukturminimalisierung
Highlightprojekte
in dünnen Schichten und in Mikro- und Nanopartikeln
andererseits. Die Entwicklung kontaktfrei schaltbarer
Permeabilität durch Glasmembranen mit Hydrogelen
ist ebenso ein Entwicklungsziel wie die Synthese von
Hydrogelen mit Ladungsgradient in interpenetrieren
den Netzwerken mit der Folge eines dann anisotropen
Quellens.
Durch die Kombination von NMR-Relaxometrie und
6
Das DFG-Projekt SPP 1259 „Intelligente Hydrogele“ -Diffusometrie soll mit bildgebenden Verfahren ein
Projektleitung: läuft seit dem 1. August 2006 und behandelt Synthe detaillierteres Verständnis der strukturellen und
Prof. Dr. Mang
se, Charakterisierung und Design stimuli-empfindlicher dynamischen Eigenschaften der Hydrogele erarbei
Förderung:
Deutsche Forschungs Hydrogele im Hinblick auf mögliche Verwendungen tet werden, das zur Visualisierung makroskopischer
gemeinschaft als Sensoren und Aktuatoren mit schnellem Ansprech Strukturen eingesetzt wird.
Lexikon für Gestaltung – Band 1: „Binnenstrukturen“, FB Gestaltung
Mit dem Werkverzeichnis wird am Fachbereich für sowie deren Beschaffenheit und topografische Eigen
Gestaltung der erste Band des ersten umfassenden schaften und definiert damit den Grundbausatz des
Projektleitung: Lexikons für Gestaltung überhaupt realisiert. Damit Gestaltens. Das Werkverzeichnis ist so konzipiert, dass
Prof. Dr. Melanie Kurz/ wird ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung und Eta der Inhalt bidirektional recherchiert werden kann,
Frau Sidonie Wacker
blierung einer gestalterischen Terminologie geleistet. sowohl über das alphabetische Stichwortverzeichnis
Förderung:
Interne Forschungs Der erste Band des neuen Nachschlagewerks kata als auch nach visuellen Aspekten innerhalb eines
förderung logisiert Binnenstrukturen wie Formen und Körper Bildverzeichnisses.
IceMole, FB Luft- und Raumfahrttechnik
Der IceMole ist eine autonome Sonde zur In-Situ- Observatory interessieren sich auch Elementar
Erforschung von tiefem Eis (Gletscher, Eisschilde, teilchenphysiker für die Technik. In zehn bis zwanzig
subglaziale Seen). Er wird unter der Leitung von Prof. Jahren könnten mit einem extraterrestrischen IceMole
Dr. Bernd Dachwald am Fachbereich für Luft- und die Polkappen des Mars auf Spuren von Leben unter
Raumfahrttechnik entwickelt, gebaut und getestet. Der sucht werden.
erste Prototyp wurde im Sommer 2010 erfolgreich
auf einem Schweizer Gletscher erprobt. Dort hat er
gezeigt, dass er Kurven fahren kann – sogar gegen die
Schwerkraft – und dass er Schmutz- und Sandschich
ten durchdringen kann. In Zukunft soll der IceMole
mit Biosensorik-Instrumenten ausgestattet werden,
um das Leben in tiefem Eis und subglazialen Seen zu
Projektleiter: erforschen. Das Institut für Bioengineering entwickelt
Prof. Dr.–Ing. dafür geeignete Nutzlasten und eine In-Situ-Dekon-
Bernd Dachwald
taminierungstechnik. Die Anwendungsbereiche des
Förderung:
Interne Förderung, IceMole sind vielfältig und nicht auf biologische Expe
industrielle Sponsoren rimente beschränkt. Im Rahmen des IceCube Neutrino
Digitaler Tauchnavigator
FB Luft- und Raumfahrttechnik
Unter der konzeptionellen stiegspunkt zurückgeleitet wird oder einen anderen
Leitung von Prof. Dr. Günter Ort seiner Wahl ansteuern kann.
Highlightprojekte
Schmitz, Fachbereich Luft- Die herkömmliche Satellitennavigation kann im
und Raumfahrttechnik, ent Wasser nicht eingesetzt werden, da die hier verwen
wickelte ein internationales deten Mikrowellen im Wasser absorbiert werden. Bei
Team aus Studierenden des dem vorliegenden Forschungsprojekt wird hingegen
Masterstudiengangs „Mecha das Prinzip der Trägheitsnavigation angewendet.
tronics“ den ersten Prototyp Dabei erfassen Sensoren jede Beschleunigung und
eines digitalen Tauchnavi jede Winkeländerung des sich bewegenden Objektes
gationssystems, der Anfang im dreidimensionalen Raum und zeichnen den zu
7
2010 bei einem ersten rückgelegten Kurs auf. Die Position des Tauchers kann
Tauchgang erfolgreich Daten für das Forschungsprojekt auf diese Weise ohne Störungen durch Strömung
zur Unterwassernavigation sammelte. festgestellt werden. Ein spezielles Korrekturverfahren
Mithilfe eines derartigen Navigationssystems ermöglicht den Einsatz von kleinen, preiswerten Mikro- Projektleitung:
ist es möglich, dass der Taucher sicher zu seinem Ein Elektro-Mechanischen Sensoren (MEMS). Prof. Dr. Günter Schmitz
Zusatzqualifikation „Trace“ für unternehmerisch interessierte
Studierende, FB Wirtschaftswissenschaften
Nach einer Pilotphase mit zwei FH- und fünf RWTH- In dem von der EU und NRW unterstützten Pro
Teilnehmern im Sommersemester wird die studen gramm können Studierende von FH und RWTH neben
tische Zusatzqualifikation „TRACE – Transforming dem Studium unternehmerisches Denken lernen und
Academic into Entrepreneurial Minds“ ab dem Winter anwenden. Zwölf Monate lang wird eine Kombination
semester regelmäßig jedes Semester angeboten. aus formaler Ausbildung, Praxisprojekten mit Grün
dern und Kreativtrainings zur Entwicklung eigener
Geschäftsideen angeboten. Für die FH betreuen Prof.
Dr. Constanze Chwallek und Monika Oswald vom Fach Projektleitung:
bereich Wirtschaftswissenschaften das Projekt. Die Prof. Dr.
RWTH führt das Programm mit Prof. Malte Brettel und Constanze Chwallek
Filipe Da Costa vom Lehrstuhl Wirtschaftswissenschaf Förderung:
Ziel 2 NRW, Ministerium
ten für Ingenieure und Naturwissenschaftler durch. für Wirtschaft, Energie,
Bewerbungen für das Programm und insbeson Bauen, Wohnen und
dere Empfehlungen für motivierte, unternehmerisch Verkehr des Landes
Nordrhein-Westfalen,
interessierte Studierende aller Fachrichtungen sind Europäischer Fonds für
sehr willkommen unter oswald@fh-aachen.de. regionale Entwicklung
Entwicklung einer nicht invasiven Sonde zur Prognose des Risi-
kos einer Frühgeburt, FB Medizintechnik und Technomathematik
Das CellDrum-Verfahren, mit dem generell geringste zu verhindern. Die Idee stammt von Dr. Markus Valter,
mechanische Spannungen von dünnen Schichten gemes dem Geschäftsführenden Oberarzt am Universitäts
sen werden können, ist der Vorläufer des sogenannten klinikum Köln. Projektkoordination: Prof. Dr. Dr. Aysegül
DIMPAST, mit dem Eihäute biomechanisch untersucht Temiz Artmann am Institut für Bioengineering.
werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll im Pro
jekt CARA ein endoskopartiges Instrument in Form einer
Sonde für den Einsatz in der Klinik entwickelt werden,
welches, mechanische, optische und biologische Para
meter der Eihaut am cervikalen Pol der menschlichen
Koordinator:
Fruchtblase berührungslos, also nicht invasiv ermittelt Prof. Dr. Dr.
ermittelt. Ein Beispiel für einen optischen Parameter Aysegül Temiz Artmann
ist die Erstellung eines OCT-Schnittbilds der Fruchtbla Hochschulpartner:
Dr. med. Markus Valter
se. Das Instrument soll dazu dienen, den vorzeitigen
(Universitätsklinikum Köln)
Blasensprung (VBS) und insbesondere den frühen
Förderung:
vorzeitigen Blasensprung (fVBS) vorherzusagen, damit Zentrales Innovations
Maßnahmen ergriffen werden können, eine Frühgeburt programm Mittelstand
n
eiger
Sie st z
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Ihren
Sie
Bek erhö
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Medien
erfolgreiche Zukunft.
für Ihre
■ Kundenzeitschriften
■ Hochschulpublikationen
■ Geschäftsberichte
■ Newsletter
■ Mitarbeitermagazine
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Corporate Publishing
Monika Burzler | Tel: +49 (0)821 4405-423
monika.burzler@vmm-wirtschaftsverlag.de
www.vmm-wirtschaftsverlag.de/cp
Energie 9 Energie
Solar-Institut-Jülich (SIJ)
Energie | Solar-institut-Jülich
10
Solar-Institut Jülich Forschung am SIJ
der FH Aachen
Im Jahr 1992 wurde das Solar-Institut Jülich (SIJ) als hinaus werden Komponenten für die Meerwasserent
Campus Jülich
Heinrich-Mußmann-Str. 5 zentrale wissenschaftliche Einrichtung der FH Aachen salzung, für thermische Speicher und für die moderne
52428 Jülich gegründet. Solararchitektur entwickelt. Zur thermodynamischen
Geschäftsführender Vor und energetischen Bewertung der Komponenten
stand
Ziel des Instituts ist die Entwicklung anwendungs und integraler Energiesysteme entwickelt das Institut
Prof. Dr.-Ing.
Bernhard Hoffschmidt orientierter technischer Lösungen in den Bereichen umfangreiche Simulationsprogramme. In enger Ko
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de der regenerativen und effizienten Energienutzung. operation mit der Industrie zielen alle Aktivitäten auf
T +49. 241. 6009 53529 die Umsetzung der erarbeiteten technischen Lösungen
Die Entwicklungen erfolgen in direkter Zusammenar in marktnahe Produkte.
beit mit der Industrie sowie mit nationalen und inter
nationalen Partnern in Hochschulen und Forschungs Zur Durchführung der Forschungs- und Entwicklungs
einrichtungen. arbeiten stehen dem SIJ umfangreiche Labore und
Außenanlagen zur Erprobung neuer Technologien und
Das SIJ kann auf das breit gefächerte interdisziplinäre Systeme zur Verfügung. Insbesondere im Bereich der
Know-how der FH Aachen zurückgreifen. Dies spie Solartechnik ist es zur Erhöhung der Marktakzeptanz
gelt sich in der Einbindung von Professorinnen und wichtig, die neuen Entwicklungen zu demonstrieren.
Professoren aus unterschiedlichen Fachbereichen der Beispiele dafür sind der Solar-Campus Jülich, an
FH Aachen wider. dessen Initiierung, Errichtung und mehrjähriger ener
getischer Vermessung das SIJ maßgeblich beteiligt
Die Arbeiten des Instituts liegen auf den Gebieten der war, sowie das Solarthermische Demonstrations- und
solaren Niedertemperatur- und Prozesswärmekollek Versuchskraftwerk Jülich (STJ).
toren sowie Hochtemperaturabsorbern für solarther
mische Kraftwerke. Durch den exklusiven Zugang zum Das SIJ unterhält weltweite Kooperationen, unter
Solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraft anderem zur Verbreitung von solaren Technologien für
werk Jülich (STJ) verfügt das SIJ innerhalb der deut Entwicklungsländer.
schen und internationalen Hochschullandschaft über Der Technologietransfer erfolgt durch die Förderung
ein ausgeprägtes Alleinstellungsmerkmal. Darüber von Ausgründungen und Lizenzvergaben.Solarthermische
Meerwasserentsalzung
Forschungsprojekte
Aquasol und CuveWaters
Energie | Solar-institut-Jülich
11
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Bernhard
Hoffschmidt
Förderung:
Bundesministerium für
Bildung und Forschung
T +49. 241. 6009 53529
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de
Abb. 1 | Feldtest in Indien: solarthermisches Entsalzungssystem
Wasser hat wie keine andere Ressource die Entwick Angesichts dieser durch Industrialisierung und
lung der Menschheit beeinflusst, es ist für die Exis Bevölkerungszuwachs bedingten Wasserknappheit
tenz von biologischen Systemen, wie wir sie kennen, gewinnen Entsalzungsanlagen insbesondere im Nahen
unverzichtbar. Mit wachsender Weltbevölkerung Osten, Nordafrika, Südeuropa und Lateinamerika
steigt der Süßwasserverbrauch in Haushalten, Land zunehmend an Bedeutung. Das Meer- und Brack
wirtschaft und Industrie. Gleichzeitig sinkt das Ange wasser wird durch verschiedene Entsalzungsverfah
bot, weil vielerorts aufgrund der starken Entnahme ren zu Trinkwasser aufbereitet. Außerdem ist das
der Grundwasserspiegel sinkt und Grundwasser Grundwasser in vielen Regionen durch natürliche
in Küstennähe versalzt oder durch Abwasser ver Kontaminationen (erhöhte Fluorid- und Arsenkonzen
schmutzt wird. tration) nicht geeignet für die Trinkwassernutzung und
bedarf einer Behandlung. Die erwarteten jährlichen
Ein Ressourcen schonender Umgang mit dem lebens Zuwachsraten im Entsalzungsmarkt liegen bei etwa
notwendigen Gut Wasser ist unumgänglich, um die 8 bis 10 Prozent.
Wasserversorgung in Zukunft zu gewährleisten. Zu-
sätzlich wird durch die steigende Erdtemperatur, Neben dem Bedarf an Großanlagen für die Entsalzung
bedingt durch den Klimawandel, die Verdunstung besteht in vielen ländlichen Gebieten der Dritten Welt
von Wasser aus Wasserreservoirs zunehmen und und auch in den Ländern des Mittelmeerraums (vor
somit nicht mehr direkt der Trinkwassernutzung zur allem auf den Inseln) ein Bedarf an wartungsarmen
Verfügung stehen. und preisgünstigen Kleinanlagen. Für diese NutzungsEnergie | Solar-Institut Jülich
12
strukturen stellen kleine und mittlere Umkehrosmose– der Produktionsrate im Vergleich zu einer einfachen
Anlagen (RO), die mit Strom und thermischen Ent- Solardestille. Die entwickelten Systeme sind in ver
salzungsanlagen oder mit Solarenergie bzw. mit in schiedenen Feldtests zum Einsatz gekommen. Auf den
dustrieller Abwärme betrieben werden, eine mögliche Kanarischen Inseln (Spanien), in Indien und in Bra
Alternative zur Trinkwassergewinnung dar. silien kommen sowohl solarthermische Entsalzungs
anlagen mit Flachkollektoren als auch Vakuumröhren
Das Solar-Institut Jülich und das Ingenieurbüro IBEU kollektoren als Wärmequelle für die Verdampfung in
aus Jülich arbeiten seit Jahren verstärkt an der Ent der Entsalzungseinheit zum Einsatz.
wicklung eines solarthermischen Entsalzungssystems.
In dem vom BMBF geförderten Projekt Aquasol ist ein Im Projekt CuveWaters (Förderung durch BMBF) wird
mehrstufiges solarthermisches Entsalzungssystem mit ein Feldtest mit mehreren am Solar-Institut entwickel
Wärmerückgewinnung entwickelt worden. ten Entsalzungssystemen vorbereitet.
Bei der Entwicklung ist Wert darauf gelegt worden, Ziel dieses Projektes ist die konzeptionelle Weiterent
dass das solarthermische Entsalzungssystem nutzer wicklung und praktische Umsetzung eines integrierten
freundlich ist, eine geringe Wartung benötigt, selbst Wasserressourcen-Managements (IWRM) für das Ein
regelnd ist und keine externe Energie benötigt, damit zugsgebiet Cuvelai mit Fokus auf dem Cuvelai-Etosha-
das System in Zukunft in vielen Regionen der Erde Becken im zentralen Norden Namibias. Arbeitsschwer-
zum Einsatz kommen kann. Die tägliche Destillat punkte im Projekt CuveWaters sind Grundwasser
produktion liegt bei etwa 15 bis 20 Litern pro Quad entsalzung, Regenwasserspeicherung und Untergrund
ratmeter Kollektorfläche. Das ist eine Verfünffachung wasserspeicherung.
Abb. 2 | Modularer Aufbau der Anlagen für den Feldtest im Norden Namibias (Afrika)Forschungsprojekt PaRiKo
Mobilität | Kopf Automotive
13
Technische Weiterentwicklung eines Parabolrinnen- niedriger, sodass sie die geforderten Temperaturen
kollektors vom Prototyp zur Nullserienreife nicht bereitstellen können. Hierfür sind spezielle
Kollektoren wie die im Projekt „PaRiKo“ entwickelte
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung Parabolrinne erforderlich.
(BMBF) geförderten Projekt „PaRiKo“ werden kleine
Parabolrinnenkollektoren für die Bereitstellung von Durch die Aufkonzentrierung der solaren Direktstrah
solarer Prozesswärme entwickelt. Die Entwicklung lung mithilfe eines parabolisch geformten Spiegels
erfolgt in Zusammenarbeit mit mehreren Industrie können die gewünschten Temperaturen erreicht
partnern. werden. Bei einer Parabolrinne fällt die Sonnenstrah
lung senkrecht in die sogenannte Aperturebene des Projektleitung:
In zahlreichen industriellen Prozessen – etwa in der Kollektors ein und trifft auf den parabolisch geform Prof. Dr.-Ing.
Christian Faber
Lebensmittelindustrie (Sterilisation von Milch, Braue ten Spiegel. Dieser hat die Eigenschaft, alle Strahlen
Förderung:
reiwesen), in Trocknungsprozessen und bei der solaren in die Brennlinie des Kollektors zu reflektieren. Auf Bundesministerium für
Bereitstellung von Kälte (Kühlung, Klimatisierung) – dieser Linie befindet sich der sogenannte Absorber. Bildung und Forschung
werden Temperaturen auf einem Niveau von 150 bis Dieser besteht aus einem beschichteten Rohr, auf faber@sij.fh-aachen.de
250 Grad Celsius benötigt. Die erforderliche Energie dessen Oberfläche die Strahlung absorbiert und so T +49. 241. 6009 53524
wird immer noch zu einem erheblichen Teil auf Basis in Wärme umgewandelt wird. Durch das Rohr strömt
von konventionellen Energieträgern wie Kohle und ein flüssiger Wärmeträger, der die Wärme aus dem
Gas bereitgestellt. Daraus resultieren entsprechende Kollektor heraustransportiert. Die Wärme kann so dem
klimaschädliche und die Umwelt belastende Emis Prozess zugeführt werden.
sionen.
Das Solar-Institut Jülich verfügt über geeignete Test
Durch geeignete Solarkollektoren lässt sich ein Teil der einrichtungen, um die Effizienz der entwickelten
benötigten Energie regenerativ erzeugen. Aufgrund Kollektoren zu bestimmen. So kann die temperatur
des hohen Temperaturniveaus sind die herkömmlichen abhängige Wirkungsgradkurve des Kollektors bis
Flach- und Vakuumröhren-Kollektoren nicht für diesen zu einer Temperatur von 250 Grad Celsius ermittelt
Anwendungsfall geeignet. Ihr Temperaturbereich liegt werden.
Abb. 1 | PaRiKo-PrototypForschungsprojekt
Science College Overbach
Energie | Solar-institut Jülich
14
Vielerorts werden aktuell Sanierungen und ergänzen im In- und Ausland. Diese kommen, ergänzend zu
de Neubauten für Schulgebäude geplant und durch ihrem regulären Schulunterricht, für eine bestimmte
geführt. Damit eröffnen sich Chancen, Bildungsge Zeit zu Seminaren, Kursen oder Workshops an dieses
bäude an den aktuellen Stand des energieoptimierten neue Bildungszentrum. So sollen begabte Schüler
Bauens heranzuführen und vorbildliche Neubauten in den Gebieten Mathematik, Informatik, Naturwis
zu errichten. Um hierfür die notwendigen Impulse senschaften und Technik (MINT) intensiver gefördert
zu geben, werden im Rahmen der Energieforschung werden.
innovative Bildungsgebäude mit Ausstrahlungskraft
(Leuchtturmprojekte) als Plusenergie- oder 3-Liter- Beide Neubauten erfüllen die Anforderungen eines
Projektleitung: Haus-Schulen gefördert. Passivhauses. Im Folgenden steht das „Science Col
Dr. rer. nat. lege“ aufgrund seiner Architektur, der Gebäudetech
Joachim Göttsche
Seit 1918 unterhält der Orden der „Oblaten des hei nik und dem pädagogischen Konzept im Mittelpunkt.
Förderung:
Bundesministerium für ligen Franz von Sales e. V.“ in Jülich ein Kloster und Das Gebäude zeichnet sich durch einen hohen Wär
Wirtschaft und Technologie eine Schule. Im Laufe der Jahre kamen noch weitere medämmstandard der Gebäudehülle aus. Der Wärme-
goettsche@sij.fh-aachen.de Einrichtungen in unmittelbarer Nachbarschaft hin und Kühlbedarf wird über eine Wärmepumpenanlage
T +49. 241. 6009 53525 mit Erdsonden in Verbindung mit einem System zur
zu, und es entstand ein Bildungszentrum mit einem
staatlich anerkannten Gymnasium, einer Jugend Bauteilaktivierung gedeckt. Besondere Aufmerksam
bildungsstätte mit Schwerpunkt Musik und einem keit in der Planung galt den Themen Luftqualität,
Internat. Dieses bauliche wie pädagogische Ensemble Akustik, Tageslichtversorgung und Brandschutz. Das
ist seit Sommer 2009 um zwei Neubauten erweitert: Gebäude wird im laufenden Betrieb weiter optimiert
das sogenannte „Science College Overbach“ mit und bis 2011 einem wissenschaftlichen Monitoring
einem Gästehaus. Die neue Einrichtung wendet sich durch das Solar-Institut Jülich unterzogen.
an Schülerinnen und Schüler sowie junge Erwachsene
Neben der Europäischen Union und der Landesre
gierung Nordrhein-Westfalen hat auch das Bundes
ministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
das Projekt gefördert. Das „Science College“ gehört
innerhalb des Forschungsschwerpunkts „Energie
optimiertes Bauen“ (EnOB) zum Teilbereich „Eneff-
Schule“.
Abb. 1 | Forum Abb. 2 | Oberlicht-HeliostateAus- und Weiter
bildungsprojekt
Summer School
Renewable Energy
Energie | Solar-institut Jülich
15
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing.
Christian Faber
faber@sij.fh-aachen.de
T +49. 241. 600953524
Die Aus- und Weiterbildung von Studierenden ist ein Diversifizierung der Studienrichtungen festzustellen,
fester Bestandteil der Aktivitäten des Solar-Instituts sodass die Teilnehmenden nun nicht mehr überwie
Jülich der FH Aachen. Die Summer School Renewable gend aus ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen
Energy, die 2010 ihr 25. Jubiläum feierte, gibt jedes kommen.
Jahr 50 Studierenden aus ganz Deutschland und dem
Ausland die Möglichkeit, sich neues Wissen rund um Das traditionelle Campen auf dem Campus Jülich
erneuerbare Energien und Energieeffizienz anzueig stärkt die Gemeinschaft und regt zu abendlichen Dis
nen. In Form von Fachvorträgen, Exkursionen und kussionen über das gerade Erlernte an.
Übungen erhalten die Teilnehmenden einen umfassen
den Überblick über die technischen Grundlagen, die Seit Beginn der Summer School Renewable Energy
Potenziale und die Wirtschaftlichkeit der verschiede (1985) nahmen über 1200 Studierende an der Sum
nen Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien. merschool teil.
Die Gesamtdauer der Summerschool, die als Block
seminar gestaltet ist, beträgt zweieinhalb Wochen. Die Summer School Renewable Energy findet seit
2006 in Kooperation mit der Heinrich-Böll-Siftung
Das Programm wird jährlich weiterentwickelt und statt und wird zudem durch Firmen aus der Industrie
dem neuesten Forschungsstand angepasst, sodass gesponsert.
beispielsweise auch die Stromerzeugung aus Flug
drachen ein aktuelles Vortragsthema ist. Die Teilnah
me an der Summer School Renewable Energy ist für
eingeschriebene Studierende aller Fachrichtungen
möglich. Gegenüber den Vorjahren ist eine deutlicheSolarturm Jülich
Energie | Solar-institut-Jülich
16
Projektleitung: In Jülich wurde 2008 das erste deutsche solarther stunde auch ohne Sonneneinstrahlung. So können
Prof. Dr. mische Demonstrations- und Versuchskraftwerk Wolkendurchzüge ausgeglichen und Anfahrvorgänge
Bernhard Hoffschmidt
fertiggestellt. Über 2000 Spiegel (Heliostate) reihen optimiert werden.
Förderung:
Wirtschaftsministerien sich auf einer Fläche von 12 Fußballfeldern aneinan
Nordrhein-Westfalens und der. Jeder Spiegel hat eine Oberfläche von rund acht Die Projektgruppe besteht aus der Stadtwerke Jülich
Bayerns sowie Bundes Quadratmetern und wird zweiachsig der Sonne nach GmbH als Bauherr und Betreiber der Kraftanlagen
ministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktor geführt. Das Spiegelfeld bündelt die einfallende Son München GmbH (KAM) als Generalunternehmer sowie
sicherheit nenstrahlung in 500- bis 1000-facher Konzentration dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de auf eine 22 Quadratmeter große Empfängerfläche an e. V. (DLR) und dem Solar-Institut der FH Aachen (SIJ)
T +49. 241. 6009 53529 der Spitze eines 60 Meter hohen Turms. Hier nimmt als Forschungspartner. Die Anlage wurde im August
der aus einer speziellen Keramik bestehende offene 2008 von der Kraftanlagen München GmbH an die
volumetrische Receiver die Sonnenenergie auf und Stadtwerke Jülich GmbH übergeben. Nach dem an
erhitzt einen durchgeleiteten Luftstrom auf rund 680 schließenden Testbetrieb begann Mitte 2009 der
Grad Celsius. Die Heißluft wird dann – wie der heiße Regel- und Versuchsbetrieb. Die Evaluationsphase
Abgasstrom einer konventionellen Feuerung – zur endet zum Jahreswechsel 2010 / 11.
Erzeugung von Wasserdampf in einem Kessel ver
wendet. Der trockene heiße Wasserdampf treibt eine Das SIJ ist maßgeblich in die Datenerfassung und
Turbine an, und ein Generator wandelt die Rotations -bereitstellung und die Begleitforschung eingebun
energie der Turbine in elektrischen Strom (Nenn den. Vor Beginn des Testbetriebs wurde am SIJ ein
leistung 1,5 Megawatt) um, der in das öffentliche Konzept erarbeitet, um die rund 1000 Prozessvari
Netz eingespeist wird. Ein Hochtemperaturspeicher ablen des Prozessleitsystems während des Betriebs
ermöglicht den Kraftwerksbetrieb für eine Volllast kontinuierlich zu erfassen und sicher zu speichern.
© M. KrausEnergie | Solar-institut-Jülich
17
Wesentliche Herausforderungen dabei waren die solide Basis für eine kontinuierliche Weiterentwick
Prozessanbindung sowie die Handhabung der vielen lung und Optimierung der nachhaltigen Technolo
Prozessvariablen bei kurzen Erfassungsintervallen. gie bilden. Die Forschungsaktivitäten rund um die
Das gewählte Datenerfassungskonzept hat sich bisher Solarturmtechnologie mit offenem volumetrischem
bewährt und wurde inzwischen mit einer passen Receiver werden am SIJ in insgesamt zehn Projekten
den Datenbereitstellungsmethode zur Übergabe der verfolgt. Ein Meilenstein ist die nun bereitstehende
Daten an die Partner kombiniert. Forschungsplattform, die auf etwa der Hälfte der
Turmhöhe eingerichtet wurde und mit einem Teil der
Seit Projektbeginn wurden Labortests innovativer Strahlungsleistung des Heliostatfelds beaufschlagt
Absorberstrukturen und des neuen Sandspeicherkon werden kann. Hiermit besteht der Ausblick auf die
zepts durchgeführt. Erfolgreiche Ansätze wurden in Realisierung von Forschungsvorhaben in nähe
Form von neuen Projekten weiterverfolgt, wie die rer Zukunft mit dem Ziel, die Technologie – unter
Entwicklung und Einsatzprüfung metallischer Absor hervorragenden Rahmenbedingungen – weiter zu
berstrukturen (Projekt „Marez“) und die Entwicklung optimieren.
eines Sandspeichers im Technikumsmaßstab (Projekt
„Hitexstor“). Weitere Aufgaben des SIJ wurden im
Bereich der Qualitätssicherung beispielsweise des Weitere Infos unter www.solarturm-juelich.de
Spiegelfelds übernommen. Kontinuierlich unterstüt
zen Mitarbeiter des SIJ die Stadtwerke Jülich beim
Betrieb der Anlage.
Durch die aktive Mitwirkung an dem Projekt können
wichtige Erkenntnisse gewonnen werden, die eine
© Stadtwerke Jülich GmbHWeiterentwicklung eines
Hochtemperatur-Wanderbett-
Wärmeübertragers
Energie | Solar-institut-Jülich
18
Projektleitung Weiterentwicklung eines Hochtemperatur-Wander- übertragers im Technikumsmaßstab (150 kW Heizleis
Prof. Dr.-Ing.
bett-Wärmeübertragers zur Speicherung sensibler tung). Bei diesem wird die Wärme aus einem Heiß
Bernhard Hoffschmidt
Wärme in Schüttgütern luftstrom auf ein Schüttgutwanderbett übertragen. Das
Förderung:
Bundesministerium für Solarthermische Kraftwerke sind die kostengünstigste prinzipielle Verfahren ist vom DLR in drei Patenten
Umwelt, Naturschutz und Option, im Megawattmaßstab großtechnisch Strom aus und einer Patentanmeldung geschützt worden. Das
Reaktorsicherheit
direkter Solarstrahlung zu gewinnen. Sie stellen laut Vorlaufprojekt „Sandspeicher“ (Förderung: Bundes
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de
der Internationalen Energieagentur (IEA) längerfristig ministerium für Bildung und Forschung), das die Basis
T +49. 241. 6009 53529
eine Säule der weltweiten Stromversorgung dar. Im für das Projekt HiTExStor bildet, wurde unter Feder
Unterschied zu anderen regenerativen Technologien führung des Solar-Instituts Jülich der FH Aachen in
bietet sich in solarthermischen Kraftwerken die Zusammenarbeit mit dem DLR durchgeführt und hat
Möglichkeit, thermische Energie zu speichern und die technische Machbarkeit des Verfahrens mittels
damit Strom bedarfsgerecht zu produzieren. Bei Laborversuch bestätigt.
Realisierung großer Speicherkapazitäten können fossil
gefeuerte Kraftwerke zur Bereitstellung von Grundlast Auf der Grundlage erster Screeningtests wurde eine
als auch von Regelenergie ersetzt werden, wodurch Vorauswahl von 19 Schüttgutsorten getroffen. Diese
ein entscheidender Schritt zu einer regenerativen bestehen maßgeblich aus anorganischen nichtmetal
Vollversorgung getan wird. Erfahrungen mit bisher lischen Werkstoffen, insbesondere Keramiken (Oxide
realisierten thermischen Speichern in Solarturmkraft und Carbide), sowie Natursteinen. Im Rahmen des
werken zeigen, dass die relativ hohen spezifischen Projektverlaufes werden die Schüttgutsorten hin
Kosten keine großen Speicher erlauben. Vor diesem sichtlich ihrer Eignung als Wärmeträger untersucht.
Hintergrund wurde am Deutschen Zentrum für Luft- Durch Druckverlustmessung der durchströmenden
und Raumfahrt (DLR) das Sandspeicherkonzept für Luft, Aufzeichnung des Fließverhaltens des Schüttgut
Solarturmkraftwerke initiiert, bei dem Quarzsand als wanderbettes, Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit
Speichermedium zum Einsatz kommt. und Temperaturwechselbeständigkeit des Schüttgutes
Ziel des Projektes HiTExStor ist die Optimierung und konnte eine erste Eingruppierung der Schüttgutauswahl
Planung eines innovativen Hochtemperaturwärme durchgeführt werden. Im Vorprojekt SandspeicherEnergie | Solar-institut-Jülich
19
zeigten sich Probleme des Schüttgutfließverhaltens schaltung zusätzlicher Übertragermodule für den Bau
während der Durchströmung mit Heißluft bei größeren von Großanlagen zu ermöglichen.
Luftmassenströmen. Bei Überschreitung bestimmter Zur Gestaltung des Übertragerrahmens wurden Ma
Luftgeschwindigkeiten bildeten sich Luftblasen, die terialrecherchen für temperaturbeständige Stähle
bei weiterem Anstieg des Luftmassenstromes zur durchgeführt. Hohe Temperaturgradienten während
vollkommenen Blockade des Schüttgutflusses führten. des Anlagenbetriebes bilden die Hauptherausforde
Erste Überprüfungen durch Messungen in einem Kalt rung beim Rahmendesign.
luftmessstand und anschließender Hochrechnung der Hierzu wurden thermomechanische FEM-Simulationen
Ergebnisse auf Durchströmungsfläche und Temperatur für verschiedene Konstruktionsdesigns durchgeführt.
im Anlagenbetrieb zeigten, dass dieser durch das Bla Die Simulationsergebnisse zeigten eine Übertretung
senphänomen bei allen Schüttgutsorten nicht gefähr der zulässigen Spannungen nach DIN EN 10095. Zur
det ist. Es wurde eine Anlage konstruiert und gefertigt, Reduktion der Spannungen wurden konstruktive Ideen
mit der weitere Überprüfungen mit Heißgasströmen ausgearbeitet, die allerdings noch nicht im Rechen
durchgeführt werden können. modell bewertet werden konnten.
Bei der Bestimmung der Temperaturwechselbestän Aussichten
digkeit durch zyklische Abschrecktests konnte ein Im weiteren Projektverlauf wird ein Luft-Schüttgut-
frühzeitiger Kornzerfall der quarzhaltigen Schüttgüter Wärmeübertrager im Leistungsbereich 150 Kilowatt
festgestellt werden. fertig konstruiert und gebaut werden. Es werden alle
Voraussetzungen geschaffen, dass dieser in einem Fol
Im Projektverlauf wurden das Designkonzept eines geprojekt erfolgreich vermessen werden kann. Hierzu
Luft-Schüttgut-Wärmeübertragers im Leistungsbereich werden letzte Vorversuche durchgeführt, mit denen
von 150 Kilowatt sowie erste Konstruktionszeich die Schüttgutauswahl auf weitere Anforderungen
nungen erarbeitet. Es wird eine modulare Aufbau überprüft und auf drei Schüttgutsorten reduziert wird.
weise des Wärmeübertragers angestrebt, um ein Weiterhin wird die Gesamtanlage zur Vermessung des
Hochskalieren der Anlagenleistung durch Parallel Übertragers detailliert geplant werden.Forschungsprojekt
Struktur und Dynamik einer
Stromversorgung mit
einem hohen Anteil erneuerbarer
Energie | Solar-institut-Jülich
Energieerzeuger
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Projektleitung: Die von der Bundesregierung beschlossene Emissions In einem nächsten Schritt wurden Variationen des
Prof. Dr.-Ing.
reduktion zum Klimaschutz, der langfristig geplante Szenarios 2020 erstellt. Sie sollen alternative Entwick
Bernhard Hoffschmidt
Ausstieg aus der Atomenergie sowie ein geplanter lungen aufzeigen, wie z. B. die vollständige Abschal
Förderung:
Bundesministerium für Versorgungsanteil von 36 Prozent durch erneuerbare tung aller Kernkraftwerke bis zum Jahr 2020. Folgen
Umwelt, Naturschutz und Energien (EE) bis zum Jahr 2020 machen tief greifen de Szenarien des Zieljahres 2020 wurden untersucht:
Reaktorsicherheit
de Veränderungen des Stromversorgungssystems not
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de
wendig. In mehreren Untersuchungen wurden bereits >> Szenario 2020 – E1 berücksichtigt die Entwick
T +49. 241. 6009 53529
die Potenziale des Ausbaus erneuerbarer Energien lung der zukünftigen Stromversorgung gemäß
gezeigt. den Daten des LZ09 für das Jahr 2020.
Im Vorhaben „Struktur und Dynamik einer Stromver >> Szenario 2020 – E2 berücksichtigt die Entwick-
sorgung mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energie lung der zukünftigen Stromversorgung gemäß
erzeuger“, das vom BMU gefördert wurde, wurden den Daten des LZ09 für das Jahr 2020, aller
die im BMU-Leitszenario 2009 (LZ09) formulierten dings mit dem Unterschied gegenüber E1, dass
Zwischenziele eines strukturellen Wandels der bun hier bereits ein vollständiges Abschalten aller
desdeutschen Stromversorgung für die Jahre 2008 bis Kernkraftwerke angenommen wird.
2020 in modellgestützten Simulationen nachvollzogen.
Das in diesem Vorhaben in Zusammenarbeit mit dem >> Szenario 2020 – E3 berücksichtigt die Entwick-
Institute for Sustainable Solutions and Innovations lung der zukünftigen Stromversorgung gemäß
entwickelte und eingesetzte Simulationsmodell ist den Daten des LZ09 für das Jahr 2020, allerdings
geeignet, grundsätzliche Aussagen über die Deckung mit dem Unterschied gegenüber E1, dass kein
der Stromnachfrage durch einen variablen Strommix Ausstieg aus der Kernenergie erfolgt. Es wird im
im Jahresverlauf in einer hohen Auflösung zu liefern. Szenario E3 angenommen, dass die installierten
Kernkraftwerkskapazitäten aus dem Jahr 2008
Es wurde insbesondere der Frage nachgegangen, bis 2020 unverändert bleiben
welche technischen Maßnahmen notwendig sind, um
die Versorgungssicherheit auch bei einem hohen und In allen drei Szenarien wurde mit den installierten
steigenden Anteil fluktuierender Energiequellen – wie EE-Erzeugungskapazitäten nach Angaben des LZ09 die
bei der Stromerzeugung mit Windkraft- und Photo Zielvorgabe eines Anteils von 36 Prozent EE-Erzeu
voltaikanlagen der Fall – jederzeit zu gewährleisten. gung an der Gesamtstromerzeugung in Deutschland
Die Versorgungssicherheit galt als gewährleistet, wenn erreicht. Versorgungsengpässe oder -lücken traten in
die stündlich produzierte Strommenge den stünd der Simulation zu keinem Zeitpunkt auf.
lich simulierten Bedarf zu allen Zeitpunkten im Jahr
decken konnte.Forschungsprojekt
Standards für solare
Prozesswärme
Energie | Solar-institut-Jülich
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Das Potenzial der solaren Prozesswärme ist immens, Im Anschluss wurden verschiedene Konzepte für die Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing.
wie unter anderem Studien der IEA Task 33/IV-SHIP solaren Prozesswärmeanlagen der Betriebe von Me
Christian Faber
(Solar Heating for Industrial Processes) zeigen: toba und Zentis erstellt und diskutiert. Nach Auswahl
Förderung:
Rund 30 Prozent des industriellen Wärmebedarfs der bevorzugten Konzepte wurden diese in einer Bundesministerium für
werden für Prozesse im Temperaturbereich unterhalb Simulation unter Verwendung der Softwareplattform Umwelt, Naturschutz und
Reaktorsicherheit
100 Grad Celsius und etwa 57 Prozent unterhalb von Matlab®/Simulink® und der Toolbox CARNOT-Blockset
faber@sij.fh-aachen.de
400 Grad Celsius benötigt. abgebildet. Über Parametervariationen wurden an
T +49. 241. 600953524
schließend die solaren Prozesswärmeanlagen detail
Bisher war das Interesse von Unternehmen an Solar liert spezifiziert.
anlagen zur Prozesswärmebereitstellung vor allem
aufgrund einer fehlenden Standardisierung der An Parallel dazu wurden durch den Partner FH Düsseldorf
lagentechnik eher gering. Ziel dieses Projektes ist es, (Lehr- und Forschungsgebiet: E² - Erneuerbare Ener
beispielhaft für zwei Industriebranchen Wärmebe gien und Energieeffizienz) marktgängige alternative
darfsprofile zu erfassen, Auslegungsempfehlungen Energiekonzepte erstellt, die mit den solaren Prozess
für solare Pilotanlagen zu geben und Planung sowie wärmeanlagen in Konkurrenz stehen. Das systemtech
Aufbau wissenschaftlich zu begleiten. Die Anlagen nische Know-how und Erfahrungswerte von bereits
technik soll dabei hinsichtlich ihres Standardisierungs- realisierten großen Solaranlagen werden von den
und Optimierungspotenzials überprüft und simuliert Systemanbietern und Projektpartnern SOTEC-SOLAR
werden. aus Plettenberg und BOSCH Solarthermie GmbH aus
Wettringen in das Projekt eingebracht. Die Ergebnisse
In einer ersten Phase wurden bei den Industriepart werden mit jenen bestehender Anlagen sowie lau
nern Metoba und Zentis Energienutzungsanalysen fender Forschungsvorhaben aus dem Bereich solare
durchgeführt, die in Empfehlungen für effizienzstei Prozesswärme verglichen. Eine zweite Phase des
gernde Maßnahmen mündeten. Zudem wurde eine Projekts wird sich in Kürze anschließen, in der weitere
beim Galvanikbetrieb Steinbach & Vollmann in Betrieb Industriebetriebe hinsichtlich der oben beschriebenen
befindliche solare Prozesswärmeanlage mit Mess Kriterien analysiert werden, um die Aussagen über
technik ausgerüstet, um Betriebserfahrungen in die das Standardisierungspotenzial bestimmter Branchen
Planung der zu errichtenden Anlagen bei Metoba und auf eine breitere Datenbasis stützen zu können.
Zentis einfließen zu lassen. Auch hier wurden Opti
mierungsempfehlungen ausgesprochen, die beispiels
weise die Regeleinrichtungen und Speicherkonfigura
tion betreffen.
Abb. 1 | Hydraulikplan der bestehenden Anlage bei Steinbach & Vollmann Abb. 2 | Aufbau des Simulationsmodells in Matlab®/Simulink®Virtuelles Institut für
Solarturmtechnik (viCERP)
Energie | Solar-institut-Jülich
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Projektleitung
Prof. Dr.-Ing.
Bernhard Hoffschmidt
Förderung:
Land NRW
Helmholtzgemeinschaft
hoffschmidt@sij.fh-aachen.de
T +49. 241. 6009 53529
Virtual institute for central receiver power plants Institut für technische Thermodynamik am Deutschen
Großkraftwerkstechnische Solarenergienutzung kann Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, das
mit Solarturmkraftwerken realisiert werden. In den Institut für Regelungstechnik (IRT) und das Institut für
letzten Jahren wurden die dafür notwendigen Kraft Dampf- und Gasturbinen (IDG) an der Rheinisch-West
werkskomponenten verstärkt getestet und optimiert. fälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen,
Die Herausforderung besteht nun darin, die Technik das Solar-Institut Jülich (SIJ) der FH Aachen und die
als ganzes System zu untersuchen und den Prozess zu Katholische Universität Leuven in Belgien.
optimieren.
Aktueller Aufgabenschwerpunkt ist das Modellieren
Das Anfang 2008 gegründete virtuelle Institut für und Simulieren des Forschungs- und Demonstrations
Solarturmtechnik (vICERP) setzt sich mit dieser kraftwerks Jülich – Solarturmkraftwerk Jülich (STJ) –
Herausforderung auseinander. Das vICERP ist ein Zu unter Berücksichtigung des dynamischen System
sammenschluss aus fünf Forschungseinrichtungen, der verhaltens. Folgeschritte sind die Erstellung einer
durch die Helmholtzgemeinschaft und das Land NRW Kraftwerksregelung und einer optimierten Betriebs
gefördert wird. Zu den Einrichtungen gehören das strategie.Energie | Solar-institut-Jülich
23
Zur Abbildung des Kraftwerks wird die objektorien Weitere Vorteile des Speichereinsatzes sind:
tierte Modellierungssprache Modelica und die >> die Schonung des konventionellen
Programmieroberfläche Dymola genutzt. Alle Kompo Kraftwerksteils
nentenmodelle sowie das Gesamtmodell können mit >> die Ermöglichung der Einspeisung von regene
den realen Prozessergebnissen am Turm validiert rativem Strom zu wirtschaftlich besonders
werden. Modelica ist eine objektorientierte Program günstigen Zeiten
miersprache, die hybride Algebro-Differenzialglei >> unterschiedliche Anfahrstrategien und das
chungssysteme lösen kann. Sie verfügt darüber hinaus Warmhalten der Gesamtanlage
über spezielle Bibliotheken, in denen aus einfachen
Basiskomponenten komplexere Modelle zusammen Eine optimale Betriebsstrategie des Speichers ist zur
stellbar sind. Des Weiteren stellt Modelica eine gute Umsetzung dieser Vorteile unerlässlich.
Basisumgebung zur Entwicklung von modellprädik
tiven Regelungen (MPC) dar.
Vor diesem Hintergrund wird eine Komponenten
bibliothek für das STJ entwickelt. Eine wichtige Kom
ponente ist der solarthermische Speicher, der im Rah
men dieses Turmprojektes eine Innovation darstellt
und vom Solar-Institut Jülich bearbeitet wird. Der
Speicher weist grundsätzlich die typischen M erkmale
eines Regenerators auf und verfügt über eine ausge
prägte Speichermasse zur Zwischenspeicherung von
sensibler Wärmeenergie.
Vor allem im Bereich der regenerativen Energie
versorgung haben Speicher eine bedeutende Funk
tion, da die meist fluktuierenden Energieerträge
durch ihren Einsatz nivelliert werden können. Mit
dem Speichereinsatz im Solarkraftwerk ist es bei
spielsweise möglich, die Stromproduktion an Tages
abschnitten fortzuführen, an denen keine Sonnen
einstrahlung vorherrscht (etwa bei Wolkendurchzug).
Hieraus resultiert eine Verlängerung des Kraftwerk
betriebs.Nowum-Institut
Energie | NoWum-Institut
24
Institut NOWUM-Energy
Fachbereich Energietechnik
Campus Jülich
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich
Institutssprecher
Prof. Dr.
Klaus-Peter Dielmann
dielmann@nowum-
energy.com
T +49. 241. 6009 53020
F +49. 241. 6009 53288
Das NOWUM-Energy ist das In-Institut des Fachbe Forschungsbereiche des NOWUM-Energys sind:
reichs Energietechnik der FH Aachen. Das Institut ver >> Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)
steht sich als Dienstleister im Bereich der industriellen Der Fokus liegt hier auf der Einbindung der
Energieforschung und -technik. Es besteht aus einem Mikrogasturbinentechnologie und der Unter
Team von Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie stu suchung von alternativen Energieträgern.
dentischen Hilfskräften unter der Leitung von Prof. Dr. >> Extern befeuerte Mikrogasturbine
Klaus-Peter Dielmann. Seit 1997 forscht und arbeitet Der Schwerpunkt liegt hier auf der Modifikation
das Institut auf dem Gebiet der Energietechnik und von Mikrogasturbinen zu extern befeuerten
weist sich insbesondere durch hohe Kompetenzen Turbinen, speziell in Verbindung mit einer Wir
im Bereich der Mikrogasturbinentechnologie und der belschichtfeuerung.
Biogasherstellung aus. >> Optimierung von Biogasanlagenbetrieben
Hier werden insbesondere verschiedenste
Substrate auf ihr Biogasbildungspotenzial hin
untersucht.
Laboratorien und Versuchseinrichtungen
>> Teststand für Mikrogasturbinen
>> Biogasversuchsanlage
>> Pflanzenbiotechnologisches Labor
>> Forschungsverfügungsfläche für Biogas
untersuchungenMAK-Energie
Reinigung und energetische
Verwertung von Klärgas durch
den Einsatz einer Mikrogas
Energie | NoWum-Institut
turbine gekoppelt mit einer
Adsorptionskältemaschine
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Bis zum Jahr 2020 sollen die Treibhausgasemissio einen Kältetrockner untersucht, wobei die benötigte Prof. Dr. Klaus Dielmann
nen der Bundesrepublik Deutschland um 40 Prozent Kälte nicht mit einer konventionellen, energieauf Förderung:
Bundesministerium für
gegenüber dem Niveau von 1990 verringert werden. wendigen Kompressionskältemaschine bereitgestellt
Bildung und Forschung
Erreicht werden soll dies unter anderem durch den wird, sondern mit einer umweltschonenderen und (Forschung an Fachhoch
Ausbau erneuerbarer Energien sowie die Optimierung effizienteren Adsorptionskältemaschine. Der Kreis schulen)
bestehender Technologien. lauf für die benötigten Rückkühlungen der AKM wird
aus dem Kläranlagenablauf gespeist, um im Sinne der
Ziel des BMBF-FHprofUnt-Forschungsprojektes MAK- Effizienz die Kosten für zusätzliche Kühlanlagen zu
Energie ist es, den Wirkungsgrad des nachhaltigen vermeiden. Weiterhin ist es notwendig, ein System
Energieträgers Klärgas zu erhöhen und eine Anlage Wärmeübertrager/Siloxan-Abscheider für die Kühlung
zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) zu entwi und Reinigung des Klärgases zu entwickeln. Außerdem
ckeln. Dazu werden eine Mikrogasturbine (µ-Turbine) ist es erforderlich, eine einfache und kostengünstige
und eine Adsorptionskältemaschine (AKM) gekoppelt, Methode zur Überwachung des Siloxangehaltes im
das Gas wird gereinigt, und die Wärmeströme werden gereinigten Klärgas zu entwickeln und in die Regelung
in die Kläranlage zurückgeführt. Die Innovation des und Überwachung der Anlage zu implementieren, um
Vorhabens liegt in der neuartigen, optimalen Einbin Schädigungen an der µ-Turbine entgegenzuwirken.
dung der KWKK in den Kläranlagenbetrieb.
Verglichen mit konventionellen Anlagen zur energeti
Für ein auf Kläranlagen abgestimmtes Anlagenkonzept schen Klärgasverwertung wird der Nutzungsgrad der
muss es gelingen, die Abwärme der µ-Turbine und die eingesetzten Energie signifikant erhöht, der Eigen
Wärmekreisläufe zum Betrieb der Adsorptionskälte strombedarf wird wesentlich reduziert. Den gestie
maschine sinnvoll in die Kläranlage zu integrieren: genen Energiekosten und Klimaschutzauflagen wird
Vorhandenes Klärgas wird mittels der bereitgestell somit Rechnung getragen, zumal die zur Verfügung
ten Kälte der AKM gereinigt und anschließend in der stehende Energie so rationell und umweltschonend
µ-Turbine energetisch verwertet. Die Abwärme der wie möglich eingesetzt wird. Die Erweiterung einer
Turbine wird dazu genutzt, die AKM anzutreiben, mit dezentralen Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung mit
der das Klärgas abgekühlt wird. Die überschüssige einer Adsorptionskältemaschine zu einer Kraft-
Abwärme wird zur Beheizung des Faulturms genutzt. Wärme-Kälte-Kopplung ist hierfür ein geeignetes
Zur Kühlung der Kältemaschine ist kein separater Mittel, da der Nutzungsgrad der eingesetzten Energien
Kühlkreislauf erforderlich, da das notwendige Kühl innerhalb eines solchen Verbundes größer als 80 Pro
wasser dem Kläranlagenablauf entnommen und nach zent ist. Der neuartige Einsatz der innovativen Techni
Wärmeabfuhr aus der AKM der Kläranlage wieder ken µ-Turbine, Adsorptionskältemaschine und Siloxan-
zugeführt werden kann. So steht in großer Menge Abscheidung lässt sich auch in weiteren Kläranlagen
Kühlwasser mit niedriger Temperatur kostenlos zur und anderen Anlagen mit Deponiegas oder sonstigen
Verfügung, was den Wirkungsgrad der AKM erhöht. Biogasen ohne größere Modifikationen anwenden.
Die Reinigung des Klärgases ist notwendig, da es MAK-Energie ist ein gemeinsames Verbundvorhaben
organische Siliziumverbindungen (Siloxane) enthält, des Instituts NOWUM-Energy der FH Aachen mit
welche bei der Verbrennung zu Siliziumdioxid oxi der FH Köln sowie Aggerverband e. V., E-quad Power
dieren, das bei Temperaturen unter 300 Grad Celsius Systems GmbH und InvenSor GmbH.
ausfällt und sich schließlich an kälteren Stellen in
Verbrennungsmaschinen niederschlägt. Damit diese
dadurch keinen Schaden nehmen, müssen die Siloxane
aus dem Brenngas abgetrennt werden. Hierzu wird
unter anderem eine Trocknung der Klärgase durchSie können auch lesen
