Forschung im DEW?
Die Knappheit fossiler Energieträger sowie die steigenden Umweltbelastungen haben zu einem Umdenken im Bereich der Energieerzeugung geführt: Gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz sollen bis 2020 mindestens 35 % und bis 2050 mindestens 80% der Energie aus regenerativen Quellen wie Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen bereitgestellt werden. Diese Energiequellen sind sehr volatil und großen Schwankungen hinsichtlich Wetterlage, Tages- und Jahreszeiten unterworfen. Das Abfangen und Überbrücken von Lastspitzen und Versorgungslücken werden in Zukunft die wichtigste Herausforderung in der Energieerzeugung darstellen.
Der Forschungsverbund „Dynamik der Energiewandlung“ (DEW) stellt ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben dar, mit dem Ziel, diesen zukünftigen Herausforderungen der Energiewandlung gerecht zu werden. Hierfür haben wir verschiedene Prüfstände, aktuelle Modellierungsmöglichkeiten, und eine hochmoderne Infrastruktur zur Verfügung.
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 Leitung von Herrn 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
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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 Wirkungsgad 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
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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 generatorischen Betrieb eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie stattfindet.
Die mechanisch-elektrische bzw. elektromechanische Energiewandlung weist ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten auf. Insbesondere Oberfeldeffekte sowie Unsymmetrien 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. 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 im Forschungsbereich Energiemärkte die betriebswirtschaftliche Kopplung von Kraftwerken an die Energiemärkte erarbeitet. Dazu zählen orts- und zeitabhängige Preise für den Verkauf und Kauf von Strom und Wärme über Spot- und Terminmärkte an Börsen und in anderen Auktionen. Die Volatilität der Strom- und Wärmepreise hat einen erheblichen Einfluss auf die operative Einsatzplanung von Kraftwerken und von Speichern und deren Wirtschaftlichkeit, d.h. moderne Energiemärkte führen zu einer betriebswirtschaftlich-elektrisch-mechanischen Kopplung. Es werden gezielt Geschäftsmodelle für Kraftwerke hinterfragt und neu entwickelt sowie deren Auswirkungen auf die technischen Anforderungen an Kraftwerke abgeleitet.
