Energie im Wandel
Der Umbau des Energiesystems hin zu erneuerbaren, treibhausgasneutralen Technologien ist eine zentrale gesellschaftliche und technologische Herausforderung. Klimawandel, steigender Energiebedarf und politische Ausbauziele prägen die Anforderungen an zukünftige Energieversorgungssysteme.
Dynamik als Schlüssel der Energiewandlung
Erneuerbare Energiequellen sind volatil und stellen hohe Anforderungen an Flexibilität und Reaktionsgeschwindigkeit. Die sichere Integration fluktuierender Erzeugung erfordert dynamische Energiewandlungsprozesse, leistungsfähige Speicher sowie eine intelligente Kopplung von Erzeugung, Umwandlung und Nutzung.
Forschung am DEW
Die Forschung am DEW adressiert diese Herausforderungen entlang der gesamten Energiewandlungskette. Im Fokus stehen dynamische, effiziente und nachhaltige Systeme – von der Modellierung und Simulation über experimentelle Untersuchungen bis hin zu neuen Technologien wie Wasserstoff und synthetischen Energieträgern.
Das Vorhaben umfasst fünf Forschungsbereiche
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I. Chemisch-thermische Energiewandlung
Teillastbetrieb, hohe Lastgradienten und eine steigende Zahl von Lastwechseln stellen neue Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb moderner Verbrennungssysteme.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Friedrich Dinkelacker werden unterschiedliche Aspekte der Dynamik chemisch-thermischer Energiewandlung untersucht, darunter die Gasverbrennung bei Schwachlast und hohem Wasserstoffanteil in Gasturbinen sowie der Einsatz von Gasmotoren für eine flexible, dezentrale Energieversorgung.
Weitere Forschungsschwerpunkte liegen auf der Zusatzverbrennung im Dampfkreislauf thermischer Kraftwerke zur Bereitstellung von Regel- und Sekundenreserveleistung sowie auf der Analyse thermischer Trägheitseffekte von Kraftwerkskomponenten.
Mit dem zunehmenden Einsatz nachhaltig erzeugten Wasserstoffs verschiebt sich der Fokus verstärkt auf wasserstofffähige Verbrennungstechnologien. Neben reinen Wasserstoffsystemen werden auch synthetische, treibhausgasneutrale eFuels wie synthetisches Methan, Methanol oder kerosinähnliche Kraftstoffe untersucht, die als chemische Energiespeicher dienen und eine CO2-neutrale Nutzung bestehender Infrastruktur ermöglichen.
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II. Thermisch-mechanische Energiewandlung
Gas- und Dampfturbinen sowie Verdichter sind in der Regel für den Betrieb nahe der Volllast ausgelegt und weisen bei Teillast- und transientem Betrieb deutliche Wirkungsgradeinbußen auf.
Zukünftige Kraftwerksanforderungen verlangen jedoch eine hohe Effizienz und Betriebssicherheit auch außerhalb des Auslegungspunktes. Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume werden daher zentrale Fragestellungen der thermisch-mechanischen Energiewandlung untersucht.
Im Fokus stehen dreidimensionale Strömungsphänomene bei Schwachlast, die Erhöhung der Teilllastfähigkeit von Turbomaschinen, transiente aeroelastische Effekte sowie thermomechanische Spannungen und Ermüdungserscheinungen bei dynamischem Betrieb.
Ein ergänzender Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Flugtriebwerken. Deren hohe dynamische Anforderungen weisen eine enge technologische Verwandtschaft zu stationären Energiewandlungssystemen auf und liefern wichtige Erkenntnisse für deren Weiterentwicklung.
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III. Mechanisch-elektrische Energiewandlung
Elektrische Maschinen sind zentrale elektromechanische Energiewandler, die entweder elektrische in mechanische Energie oder mechanische in elektrische Energie umwandeln.
Die mechanisch-elektrische Energiewandlung ist durch ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten gekennzeichnet. Oberfeldeffekte sowie Asymmetrien von Spannungen und Strömen führen zu Momentenpulsationen in elektrischen Maschinen.
Bei der Kopplung mit thermisch-mechanischen Energiewandlern können diese Momentenschwankungen auf Turbinen- oder Verdichterschaufeln übertragen werden. Die daraus resultierenden Schwingungen können zusätzliche Belastungen bis hin zu Materialschäden verursachen.
Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick werden diese Kopplungseffekte systematisch analysiert. Ziel ist die Entwicklung von Lösungsansätzen zur mechanisch-elektrischen Stabilisierung, unter anderem durch den Einsatz von Leistungselektronik, Antriebsregelungen und Batteriespeichern.
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IV. Dynamische Kopplung der Energiewandlungsprozesse
Die Flexibilisierung und Diversifizierung der Energiewandlung erfordert die intelligente Kopplung großer und kleiner, zentraler und dezentraler Energieanlagen sowie unterschiedlicher Energieträger.
Dabei spielen die Wechselwirkungen zwischen Strom- und Gasnetzen, Energiespeichern und Verbrauchern eine zentrale Rolle. Um diese komplexen Systeme beherrschbar zu machen, sind umfassende systemübergreifende Modellierungen erforderlich.
Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. i.R. Roland Scharf werden Modelle entwickelt, die eine effiziente Kombination bestehender und zukünftiger Technologien ermöglichen.
Die Forschung umfasst die Flexibilisierung thermischer Kraftwerksprozesse, die Stabilität elektrischer Versorgungsnetze, die Konvergenz von Gas- und Strominfrastrukturen sowie die wirtschaftliche Bewertung von Energiewandlungs- und Speicheroptionen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Identifikation und Definition geeigneter technischer und systemischer Schnittstellen.
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V. Energiemärkte
Eine erfolgreiche Energiewende erfordert neben technologischen Innovationen auch deren wirtschaftliche Integration in bestehende und zukünftige Energiemärkte.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Michael H. Breitner wird die betriebswirtschaftliche Einbindung technischer Energiewandlungssysteme in eine zunehmend volatile Energiewirtschaft untersucht.
Im Fokus stehen Preisbildungsmechanismen, die Einsatz- und Betriebsplanung von Kraftwerken und Speichern sowie die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle für eine erneuerbar geprägte Energieversorgung.
