Forschung im DEW
Die Knappheit fossiler Energieträger sowie die steigenden Umweltbelastungen haben zu einem grundlegenden Umdenken im Bereich der Energieerzeugung geführt.
Gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2025) und den Ausbauzielen der Bundesregierung soll der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch bis 2030 auf mindestens 80 % steigen.
Langfristig strebt Deutschland eine vollständig treibhausgasneutrale Stromversorgung an, die vollständig auf erneuerbaren Quellen basiert.
Hierzu gehören insbesondere Windenergie- und Photovoltaikanlagen, deren installierte Leistung bis 2030 gemäß den aktuellen Zielwerten auf etwa 115 GW Windenergie an Land, 30 GW Offshore-Windenergie und 215 GW Photovoltaik ausgebaut werden soll.
Diese Energiequellen sind jedoch volatil und unterliegen starken Schwankungen in Abhängigkeit von Wetterlage, Tages- und Jahreszeiten.
Das Abfangen und Überbrücken von Lastspitzen und Versorgungslücken stellt daher eine der zentralen Herausforderungen der zukünftigen Energieerzeugung dar.
Der Forschungsverbund „Dynamik der Energiewandlung“ (DEW) ist ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben, das sich diesen Herausforderungen widmet. Ziel ist es, durch die Kombination von experimentellen Prüfständen, modernen Modellierungsmethoden und einer hochentwickelten Forschungsinfrastruktur Lösungen für eine flexible, effiziente und nachhaltige Energiewandlung zu erarbeiten.
Zum Zeitpunkt der Antragsstellung wurde die Energiewende vor allem vor dem Hintergrund des wachsenden Anteils volatiler Wind- und Photovoltaikanlagen diskutiert. Der Fokus des Forschungsbaus lag daher auf der Steigerung der Geschwindigkeit, mit der konventionelle Kraftwerke diese Schwankungen ausgleichen können. Diese Zielrichtung spiegelt sich im Titel des Forschungsbaus „Dynamik der Energiewandlung (DEW)” und in seiner ursprünglichen Forschungsprogrammatik wider.
Inzwischen hat sich die Energiewende selbst stark weiterentwickelt. Durch den beschleunigten Ausbau von Wind- und Solarkraftwerken erscheint eine deutliche Reduktion konventioneller Kraftwerke heute möglich. „Grüner“ Strom könnte künftig nahezu durchgängig verfügbar sein, während chemische Speichertechnologien – etwa die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff oder synthetischen flüssigen Energieträgern – die Versorgung zusätzlich absichern. Dennoch bleibt in Fachkreisen unbestritten, dass dynamische und flexible Kraftwerke auch künftig notwendig sind, um Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Diese werden zunächst weiterhin mit Erdgas oder LNG betrieben, später jedoch sukzessive auf treibhausgasneutrales Methan (SNG) und schließlich auf Wasserstoff umgestellt werden.
Vor diesem Hintergrund wurde die Forschungsprogrammatik des DEW in einzelnen Punkten angepasst, ohne dass die grundlegende Struktur verändert wurde. Die vier Forschungsbereiche bestehen fort, ihre thematischen Schwerpunkte wurden jedoch an die aktuellen technologischen und politischen Entwicklungen angepasst.
Das Forschungsgebäude Dynamik der Energiewandlung (DEW) vereint technische, naturwissenschaftliche und wirtschaftliche Kompetenzen, um die Herausforderungen einer zunehmend regenerativen, dezentralen und dynamischen Energieversorgung zu bewältigen.
Trotz veränderter Rahmenbedingungen bleibt das zentrale Ziel bestehen: die Entwicklung und Optimierung flexibler, effizienter und nachhaltiger Energiewandlungssysteme für die Zukunft – unter Einbeziehung neuer Technologien wie Wasserstoffverbrennung und der fortgesetzten Erforschung von Flugtriebwerksdynamik als Schlüsselelement moderner Energiewandlung.
Das Vorhaben umfasst fünf Forschungsbereiche
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I. Dynamik der chemisch-thermischen Energiewandlung
Teillastbetrieb, höhere Lastgradienten, hohe Lastwechselzahlen und neue Verbrennungstechnologien wie Power-to-Gas stellen neue Herausforderungen an die Gestaltung des Verbrennungsprozesses.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Friedrich Dinkelacker sollen unterschiedlichste Aspekte der Dynamik der chemisch-thermischen Energiewandlung untersucht und realisiert werden. Dazu zählen:- Gasverbrennung bei Schwachlast und hohem Wasserstoffanteil in Gasturbinen
- Gasmotoren als Technologie für flexible dezentrale Energiebereitstellung
- Zusatzverbrennung im Dampfkreislauf thermischer Kraftwerke zur Bereitstellung von Sekundenreserveleistung
- Thermische Trägheitseffekte von Kraftwerkskomponenten
- Power-to-Gas-Technologien als chemische Speicher
Mit dem zunehmenden Fokus auf nachhaltig erzeugten Wasserstoff verschiebt sich der Schwerpunkt dieses Forschungsbereichs zunehmend auf wasserstofffähige Verbrennungstechnologien.
Dabei werden nicht nur 100 %-Wasserstoff-Systeme erforscht, sondern auch die Verwendung synthetisch erzeugter, treibhausgasneutraler eFuels (z. B. synthetisches Methan, Methanol oder kerosinähnliche Kraftstoffe) untersucht.
Diese eFuels können als chemische Energiespeicher dienen und ermöglichen eine Nutzung bestehender Infrastruktur und Verbrennungssysteme unter CO₂-neutralen Bedingungen. -
II. Dynamik der thermisch-mechanischen Energiewandlung
Gas- und Dampfturbinen sowie Gaspipelineverdichter weisen bei Betriebspunkten jenseits der Volllast, für die sie ausgelegt sind, große Einbußen in puncto Wirkungsgrad auf. Künftige Kraftwerksanforderungen werden allerdings eine hohe Effizienz im Transienten- und Teilllastbereich umfassen.
Im Forschungsbereich Dynamik der thermisch-mechanischen Energiewandlung werden genau diese Themen behandelt. Unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume sollen Lösungen erarbeitet werden zu den Themenkomplexen:
- Dreidimensionale Strömungen in Turbomaschinen bei Schwachlast
- Erhöhung der Teilllastfähigkeit von Turbomaschinen
- Transiente Aeroelastik von Turbomaschinen
- Thermomechanische Spannungen und Ermüdung bei transientem Betrieb
Ein ergänzender Forschungsschwerpunkt liegt weiterhin auf der Untersuchung von Flugtriebwerken, deren hohe dynamische Anforderungen eine enge Verwandtschaft zu stationären Energiewandlungssystemen aufweisen.
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III. Dynamik der mechanisch-elektrischen Energiewandlung
Elektrische Maschinen sind elektromechanische Energiewandler, in denen entweder im motorischen Betrieb eine Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegungsenergie oder im Generatorbetrieb eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie stattfindet.
Die mechanisch-elektrische bzw. elektromechanische Energiewandlung weist ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten auf. Insbesondere Oberfeldeffekte sowie Asymmetrien der Spannungen und Ströme, die durch Abweichungen von der Idealform des zeitlichen Stromverlaufs oder des räumlichen Feldverlaufs hervorgerufen werden, führen zu Pulsationsmomenten in der elektrischen Maschine. Liegt beispielsweise eine Kopplung mit einem thermisch-mechanischen Energiewandler vor, werden die auftretenden Momentenschwankungen an diesen übertragen und können dort die Turbinen- oder Verdichterschaufeln zu Schwingungen anregen.
Um die zusätzlichen Schaufelbelastungen, die bis zum Schaufelbruch führen können, zu verhindern bzw. zu reduzieren, werden unter der Führung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick im Forschungsbereich Dynamik der mechanisch-elektrischen Energiewandlung diese Effekte untersucht und Lösungsansätze konzipiert. Die Forschungsschwerpunkte gliedern sich in die Bereiche:- Schwingungsübertragung durch elektrische Maschinen zwischen thermisch-mechanischen Energiewandlern und dem Stromnetz
- Leistungselektronik, Antriebsregelung und Batteriespeicher zur mechanisch-elektrischen Stabilisierung
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IV. Dynamische Kopplung der Energiewandlungsprozesse
Die Flexibilisierung und Diversifizierung der Energiewandlung durch die Kopplung großer und kleiner, zentraler und dezentraler Energieanlagen und Kraftwerke stellt eine interdisziplinäre Aufgabe dar. Umfassende Modellierungen des Stromnetzes mit volatiler Energieeinspeisung, Energiespeichern und Verbrauchern sollen letzten Endes zu einer intelligenten Steuerung und Systemstabilisierung führen.
Unter Leitung von Herrn Pr. Dr.-Ing. i.R. Roland Scharf werden deshalb im Forschungsbereich Dynamische Kopplung der Energiewandlungsprozesse systemübergreifende Modelle zur effizienten Kombination bestehender und zu entwickelnder Technologien erarbeitet. Die Betrachtungen gliedern sich in:
- Flexibilisierung thermischer Kraftwerksprozesse
- Systemstabilität des elektrischen Versorgungsnetzes
- Konvergenz von Gas- und Stromnetz
- Wirtschaftlichkeit von Energiewandlungs- und Speicheroptionen
- Identifikation und Definition von Schnittstellen
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V. Energiemärkte
Unter der Leitung von Prof. Dr. Michael H. Breitner wird die betriebswirtschaftliche Integration technischer Systeme in die Energiemärkte untersucht.
Dazu gehören Preisbildungsmechanismen, Einsatzplanung von Speichern und Kraftwerken sowie die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle für eine zunehmend volatile Energiewirtschaft.
