Abgeschlossene Projekte

UVV - Verbundvorhaben: Emissionsminderungsstrategien zur umweltverträglichen Verbrennung (UVV) auf Basis von aktuellen Forschungsergebnissen; Teilvorhaben 5: Einsatz von Sensorelementen und experimentelle Untersuchungen, Validierung

Inhalt/Ziele:

Die für die zukünftige Nutzung von CO2-neutralen Holzfeuerungsanlagen anzustrebende Senkung der Emissionen kann nur durch einen flächendeckenden Einsatz von geregelten und überwachten Verbrennungsprozessen erzielt werden. Der Einsatz solcher Verbrennungsluftregelungen in häuslichen Feuerungsstätten ist nur dann möglich, wenn die Verfügbarkeit preisgünstiger und wartungsfreier Anlagen sichergestellt werden kann. Die dafür benötigte Sensorik ist eine wesentliche technische Notwendigkeit, um die Nutzer-, Betriebs- und Brennstoffeinflüsse auf die Qualität der Verbrennung, d.h. die Effizienz und Emissionen bei der Holzverbrennung weitestgehend zu mindern. Im bearbeiteten Teilvorhaben wurden wesentliche Fortschritte im Bereich preisgünstiger Sensorik gemacht. Das im Rahmen der Arbeiten am Lehrstuhl für Funktionsmaterialien am ZET der Universität Bayreuth untersuchte Sensorelement ist in planarer Dickschichttechnik kostengünstig zu fertigen und kann mit einem geeigneten Gehäuse und einer einfachen Elektronik robuste und reproduzierbare Ergebnisse liefern. Untersuchungen in Einzelraum-Feuerungsanlagen sowie in automatisch beschickten Anlagen zeigten stabile Ergebnisse im Vergleich mit FTIR-Gasanalytik-Daten.

Laufzeit: 04/2019 - 03/2022

Finanzierung: BMEL, Projektträger FNR

Projektpartner: Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ), Hochschule Karlsruhe

Kontakt: Lehrstuhl für Funktionsmaterialien

CO₂ als Rohstoff: Elektrochemische Reduktion von CO₂ zu Kohlenwasserstoffen

Inhalt/Ziele:

Ein großer Teil unserer Energie wird durch Verbrennungsprozesse erzeugt, bei denen klimaschädliches Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird. Der dadurch angestoßene Ausbau regenerativer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie hat zu einer großen Menge an elektrischer Überschussenergie geführt, die je nach Tageszeit, Wetterbedingungen oder Jahreszeit starken Schwankungen unterliegt. Dieser Überschussenergie stehen jedoch keine ausreichenden Speichermöglichkeiten gegenüber. Vor diesem Hintergrund sucht man weltweit nach neuen Ansätzen.

Die elektrochemische CO₂-Reduktion verbindet beide Themen. Dabei werden verschiedene Produkte wie Kohlenwasserstoffe (Methan, Ethen), Kohlenstoffmonoxid, Formiat oder Alkohole erzeugt. Die Produktverteilung hängt u.a. vom Elektrodenmaterial ab. Eine Sonderstellung nimmt hier Kupfer ein, da es CO₂ bei Raumtemperatur in wässrigen direkt Elektrolyten zu Kohlenwasserstoffen umsetzen kann. Durch gepulste Elektrolyse konnte die Ethen-Selektivität optimiert und ein langzeitstabiler und skalierbarer Prozess entwickelt werden.

Laufzeit: 10/2019 bis 09/2022

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung (BFS)

Projektpartner: Siemens Energy

Kontakt: Lehrstuhl für Funktionsmaterialien

Energieeffiziente Wärmebereitstellung - Initiative Oberfranken (EWIO)

Inhalt/Ziele:

Die Wärmebereitstellung im privaten Sektor birgt ein beträchtliches Potential im Hinblick auf Primärenergieeinsparungen und die Senkung klimarelevanter Emissionen. Mit einem Anteil von rund 50 % dominiert die Wärmebereitstellung den Endenergieverbrauch sowohl in Deutschland als auch in Bayern. Die Energiebereitstellung durch zentrale Erzeugereinheiten und die Verteilung durch Wärmenetze auf Gebäude und Quartiere weist ein sehr hohes Effizienzpotential auf. In diesem Zusammenhang stellt der Einsatz von Niedertemperatur-Wärmenetzen und die Integration von Wärmepumpen in solche Netze einen innovativen Ansatz zur Senkung von Leitungsverlusten und Verringerung des Primärenergiebedarfs dar. Das Projekt „Energieeffiziente Wärmebereitstellung – Initiative Oberfranken“ (EWIO) stellt einen Technologietransfer zwischen der Universität Bayreuth und oberfränkischen KMU im Bereich des Leitungsbaus sowie der Energie- und Gebäudetechnik dar. EWIO führt zu einem besseren Grundverständnis des Zusammenspiels und der gegenseitigen Beeinflussung der Wärmebereitstellung und des Verteilungssystems. Der Technologietransfer mündet in die Entwicklung und Anwendung von effizienten Systemlösungen für Niedertemperatur-Wärmenetze unter Einbindung erneuerbarer Energieträger.

Laufzeit: 02/2018 - 02/2022

Finanzierung: Ein Vorhaben der Maßnahmengruppe 1.2 Technologietransfer Hochschule - KMU aus Mitteln des EFRE

Projektpartner: ASK GmbH & Co. KG, Kulmbach; Erdwärme Plus, Heinersreuth; Karl Krumpholz Rohrbau GmbH, Kronach; SCHWENDER Energie- und Gebäudetechnik GmbH & Co. KG, Thurnau; Meile-technik GmbH, Kulmbach; ait Deutschland GmbH, Kasendorf (assoziierter Projektpartner)

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

TurboSmart - adaptive Mikroexpansionsturbine für die Energierückgewinnung

Inhalt/Ziele:

Die Rückgewinnung von Verlustenergien wie die Wärme in Abgasen z. B. von Industrieprozessen im Bereich > 500 kWel ist Stand der Technik. Im Bereich < 100 kWel haben sich diese Technologien jedoch noch nicht etabliert, unter anderem wegen des Mangels an wirtschaftlichen Mikroexpandern. Da die Abwärme meist in Form eines Gases oder Dampfes unter Atmosphärendruck auftritt, verwenden die bekannten Konzepte und Produkte einen Organic-Rankine-Cycle (ORC), in dem das für den Expander zur Energiewandlung notwendige Druckgefälle erzeugt wird. Da in der kleinskaligen Abwärmeverstromung (< 100 kWel) im Allgemeinen der Wärmestrom und damit der Massenstrom in der Anlage während des Betriebes variieren, folgt auch eine zeitliche Änderung des Drucks vor der Turbine und damit des Turbinen- sowie des Prozesswirkungsgrads. Um dies zu vermeiden, müsste sich die Turbine mittels einer variablen Geometrie möglichst selbstständig (smart) an den reduzierten Massenstrom adaptieren können. Hier setzt das Forschungsprojekt „TurboSmart“ an. Ziel ist zum einen der experimentelle Nachweis, dass die Technologie einer intelligenten, adaptiven Mikroexpansionsturbine technisch darstellbar ist. Zum zweiten, dass sich mittels einer sich selbstadaptierenden Turbine die Energieausbeute einer Mikro-ORC-Anlage im Teillastbetrieb um 20 % gesteigert werden kann.

Laufzeit: 03/2019 - 02/2022

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung (BFS)

Projektpartner: Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Amberg-Weiden (Prof. Dr.-Ing. Weiß), Amberg-Weiden; DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., Amberg

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Neuartige Halbleiter und Schaltungstechnik für Traktionswechselumrichter

Inhalte/Ziele:

Untersuchung und Bewertung neuartiger Halbleiter auf den Einsatz für die automobile Traktion. Hauptschwerpunkt hybride Konstellationen mit Si-IGBT und SiC-MOSFET

Laufzeit: 01/2022 bis 12/2022

Projektpartner: Industrie

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Entwicklung einer Wasser-Öl (W/O) - Emulsionsprüfmaschine

Inhalte/Ziele:

Auf Grund der Vielfalt in der Zusammensetzung von ölhaltigen Industrieabwässern mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen und Salzkonzentrationen kann bei derzeitigen thermischen Phasentrennanlagen der benötigte Energieaufwand der Anlage mit den einzustellenden technischen Parametern nicht im Vorfeld des Betriebes belastbar bestimmt werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Kleinanlage im Labormaßstab, mit dem wissenschaftlich fundiert eine Wasser-Öl Emulsion thermisch in eine Öl- und in eine Wasserphase aufgespalten wird und sich daraus der Gesamtenergiebedarf sowie die Kondensatleistung für größere Trennanlagen fluidspezifisch ableiten lassen.

Die Prüfmaschine in der Größe einer Tischappartur soll die Verfahrenstechnik einer bereits bestehenden, größeren Technikumsanlage der Firma Karl Hopf GmbH im Kleinmaßstab abbilden (s. Abb.). Die Validierung der Apparatur erfolgt auf dieser bestehenden Technikumsanlage aus einem erfolgreich abgeschlossenen Vorprojekt. Auf Basis eines kennlinienbasierten Simulationsmodells werden schließlich, die ermittelten Skalierungs- und Korrekturfaktoren auf beliebige Großanlagen übertragen.

Laufzeit: 11/2019 - 10/2022

Finanzierung: Forschungsauftrag im Rahmen einer Förderung durch AiF (ZIM)

Projektpartner: Karl Hopf GmbH (Bayreuth)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Power-to-Gas (P2G) - Sektorenkopplung

Inhalte/Ziele:

Für ein Gelingen der Energiewende wird der Sektorenkopplung von Strom- und Gasnetzen bereits heute eine Schlüsselrolle beigemessen. Der steigende Bedarf an Kapazitäten zur Zwischenspeicherung überschüssiger elektrischer Energie, die Bereitstellung notwendiger Transportkapazitäten zwischen Stromerzeugern und -abnehmern sowie die Integration erneuerbar erzeugten Stroms in vielfältige Bereiche des Endenergieverbrauchs stellen die Infrastruktur vor große Herausforderungen.

Die Technologie Power-to-Gas (P2G) bietet eine Alternative und Ergänzung zum Ausbau des Stromnetzes und ermöglicht eine Nutzung überschüssigen Stroms aus volatilen erneuerbaren Energiequellen. Im Projekt wird das Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth in Zusammenarbeit mit dem Übertragungsnetzbetreiber TenneT zentrale Fragestellungen im Hinblick auf eine künftige Umsetzung von P2G bearbeiten. Seitens ZET sind der Lehrstuhl Technische Thermodynamik und Transportprozesse und der Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik eingebunden.

Laufzeit: 03/2019 - 03/2022

Projektpartner:

• TenneT TSO GmbH, Bayreuth
• ZET: CVT (Prof. Jess) und LTTT (Prof. Brüggemann)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Struktur und Kinetik von Eisenkatalysatoren in der Anfangsphase der Fischer-Tropsch-Synthese: Kombination von Operando-XRD- und Festbettmessungen

Inhalte/Ziele:

Bei der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist insbesondere bei Eisenkontakten bis heute nicht eindeutig geklärt, welche Phasen die Reaktion katalysieren. Dies liegt vor allem daran, dass der Fe-Katalysator erst unter Synthesebedingungen formiert wird und sich eine komplexe Phasenstruktur bildet. Im Projekt soll durch Operando-Röntgendiffraktometrie die Phasenzusammensetzung von Fe-Katalysatoren bzw. deren Änderung in der Anfangsphase der Synthese bis zum Erreichen eines stationären Zustandes studiert werden. Dabei soll auch der Einfluss der Vorbehandlung, der zugegebenen Promotoren und der Reaktionsbedingungen untersucht werden. Komplementär dazu sollen durch kinetische Studien im Festbett bei den gleichen Reaktionsbedingungen auch die Aktivität und Selektivität der Katalysatoren bestimmt werden, um so eine Struktur-Wirkungsbeziehung zu ermitteln und die Phasen zu bestimmen, die für die FT-Synthese aktiv sind. Von Interesse ist auch, ob die im stationären Zustand erreichte Aktivität und Selektivität durch Promotoren oder die reduktive Vorbehandlung einstellbar sind.

Laufzeit: Feb. 2019 - Feb. 2022

Projektpartner: kein Projektpartner (DFG-Einzelprojekt, DFG, Je 257/26-1)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Entwicklung einer intelligenten Symmetrieeinrichtung zum netzdienlichen Verhalten von energietechnischen Anschlussnutzeranlagen (iSymE)

Inhalt/Ziele:

Die neue Anwendungsregel VDE-AR-N4100 fordert u.a. ein bestimmtes Verhalten zu Netzrückwirkungen bzw. Symmetrie an den Außenleitern von Kundenanlagen. Unser Prototyp greift diese Anforderungen auf und erweitert diese, indem er einen optimalen Betrieb einer Anlage sicherstellt und gleichzeitig netzdienliches Verhalten realisiert. Darunter verstehen wir die technische Möglichkeit flexibel und dynamisch auf Netzanforderungen zu reagieren, wie z.B. flexible Leistungsentnahme oder -abgabe, sich ändernde Symmetrie- bzw. Unsymmetriewerte oder flexible Blindleistungskompensation. Der zu entwickelnde Prototyp dient als Bindeglied zwischen Anschlussnutzeranlagen und dem öffentlichen Netz und wird direkt am Netzübergangspunkt angeschlossen. Als Kommunikationsmedium wird das Smart-Meter-Gateway eingesetzt. Die erweiterte Netzdienlichkeit und eine Flexibilität auf der Kundenseite sind Bestandteile einer erfolgreichen Durchführung der Energiewende. Die Funktionalität realisieren wir mit einer intelligenten Symmetrieeinrichtung. Eine Symmetrieeinrichtung, die ausschließlich die neue Anwendungsregel erfüllt, leitet sich als Stand-Alone Variante daraus ab.

Laufzeit: 11/2019 - 10/2021

Finanzierung: Forschungsauftrag im Rahmen einer Förderung durch AiF (ZIM)

Projektpartner: Richter R&W Steuerungstechnik GmbH, Fraunhofer IISB

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik

PlasmaFuel - Entwicklung eines neuen plasmagestützten Verfahrens zur Produktion von schadstofffreiem Schiffsdiesel

Inhalte/Ziele:

Innerhalb dieses FuE-Projekts soll ein neuartiges Verfahren entwickelt werden, um aus Kohlendioxid und Wasserstoff energieeffizient und kostengünstig synthetisches, ultrareines Schiffsdieselöl herzustellen. Der Wasserstoff wird mit Hilfe von regenerativem Strom erzeugt.

Zunächst soll die Spaltung von CO2 zu CO mittels einer plasmainduzierten Reduktion untersucht werden (Uni. Stuttgart). Der neben dem eigentlichen Zielprodukt Kohlenmonoxid entstehende Sauerstoff soll durch eine Ionenpumpe abgeleitet werden. Neben der plasma-induzierten Spaltung soll eine alkalische Wasserelektrolyse mit einem Wirkungsgrad von etwa 85 % entwickelt werden (Uni. Stuttgart).

Der Wasserstoff wird zusammen mit dem im Plasmaverfahren erzeugten CO (und eventuell vorhandenem Restsauerstoff) in einen weiteren Reaktor geleitet, wo die Produktion von Schiffsdieselöl durch die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) stattfindet. Die FTS soll dabei durch experimentelle Untersuchungen und eine Reaktormodellierung so angepasst bzw. optimiert werden, dass eine hohe Menge an Schiffsdiesel gewonnen werden kann (Uni. Bayreuth).

Laufzeit: 11/2018 - 11/2021

Projektpartner: (BMWE-DLR-Verbundprojekt, FKZ: 03EIV161C)

• Universität Stuttgart, Institut für Photovoltaik (Prof. Birke)
• MCT Transformatoren GmbH, 61440 Oberursel
• Overspeed GmbH & Co. KG, 26129 Oldenburg

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

"ZukunftKlima" - Entwicklung zukunfsfähiger Klimatisierungskonzepte

Inhalt/Ziele:

Die Senkung von CO2-Emissionen bei der Wärme- und Kältebereitstellung sowie der Klimatisierung von Gebäuden stellt eine große technische Herausforderung dar. Neben der Effizienzsteigerung der Systeme gilt es zudem den Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel anzustreben. Denn die derzeit noch übliche Verwendung von teilfluorierten Kältemitteln mit erheblichen Treibhauspotential führt aufgrund von Leckagen zu ernstzunehmenden Emissionsraten. Während im Bereich der Kältetechnik als auch bei Wärmepumpen bereits marktreife Anlagen mit natürlichen Kältemitteln wie CO2, Ammoniak oder Propan vorliegen, besteht diesbezüglich im Anwendungsbereich der Klimatisierung noch Forschungsbedarf. Im Rahmen des Projekts „ZukunftKlima“ soll das umweltfreundliche Arbeitsmedium CO2 für das Anwendungsfeld Klimatisierung systematisch untersucht werden. Dabei sollen sowohl theoretische Methoden wie die Lebenszyklusanalyse angewendet werden, als auch experimentelle Untersuchungen an einem Demonstrator durchgeführt werden. Die Versuchsreihen umfassen ein breites Parameterfeld, um die die Validierung der erstellten Simulationsmodelle sowie Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene klimatische Bedingungen zu ermöglichen. Somit ergeben sich wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der technischen Umsetzung von dezentralen und umweltfreundlichen Klimaanlagen und es bietet sich die Möglichkeit einer techno-ökonomischen Bewertung des Konzepts. Darüber hinaus wird der Demonstrator schon während der Projektlaufzeit (in Form von Projektarbeiten der Techniker-Schüler) und darüber hinaus (als Reallabor) in die praktische Ausbildung von Klima- und Kältetechnikern an der FS Kulmbach integriert. Somit wird das technische Verständnis für derartige Hochdruck-CO2-Anlagen direkt zu den Anlagenbauern und den ausführenden Handwerksbetrieben transferiert.

Laufzeit: 07/2018 - 06/2021

Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz

Projektpartner: Kommunale Fachschule (FS) für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, Kulmbach

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Verringerung von Unsicherheiten bei der numerischen Simulation von Aufschmelzvorgängen in Phasenwechselmaterialien durch systematische Modellanalyse mit temperaturabhängigen Stoffdaten

Inhalt/Ziele:

Latente thermische Energiespeicher, bei welchen die Energie zum großen Teil durch einen fest/flüssig-Phasenwechsel gespeichert wird, stellen eine attraktive Möglichkeit dar, thermische Energie bei geringen Temperaturdifferenzen zu speichern. Dabei werden als Phasenwechselmaterial oftmals Paraffine eingesetzt. Jedoch gibt es bisher noch große Unsicherheiten bei der Simulation von Paraffinen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die Ursachen der Unsicherheiten, möglichst genau zu quantifizieren und schließlich deutlich zu verringern. Zu diesem Zweck werden numerische Modelle erweitert und angepasst, sowie per Lasermessverfahren validiert (PIV). Mithilfe der validierten numerischen Modelle werden Simulationen (~10³) mit zwei Paraffinen für unterschiedliche Randbedingungen durchgeführt. Die auftretenden Fehler werden hierbei unterteilt in stoffdaten-, versuchs- und modellbedingt. Dadurch wird es möglich Optimierungspotentiale und Handlungsempfehlungen für die Verbesserung der numerischen Modelle, deren Validierung, sowie der Stoffdatenbestimmung und -einbindung zu geben.

Laufzeit: 02/2017 - 02/2020

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Optimale One Click Entwicklung – Einsatz von bionischen Optimierungsprogrammen für nachhaltiges Wachstum von KMU

Inhalte/Ziele:

Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, Produktentwicklern von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) eine kostenlose Software (Freeware) zur automatisierten Generierung von Leichtbaustrukturen zur Verfügung zu stellen. Diese meist additiv gefertigten Leichtbaustrukturen sind hervorragend geeignet, um Produkte energiesparend sowie ressourceneffizient herzustellen und zu betreiben. Die somit erreichte hohe Gestaltungsvariabilität ermöglicht eine optimale Auslegung ohne Einschränkung der Flexibilität durch Fertigungsrestriktionen. Hierdurch ist beispielsweise bei Energieversorgungsanlagen eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine konstruktiv freie, thermisch optimierte Bauteilgeometrie möglich.

Basierend auf den am Lehrstuhl erfolgreich entwickelten und von der Oberfrankenstiftung geförderten FEM- und Topologieoptimierungs-Programmen Z88Aurora® und Z88Arion® soll u. a. der Einsatz bionischer Ansätze es dem Konstrukteur ermöglichen, den Weg zum gewichtsoptimierten Produkt deutlich zu verkürzen. Dadurch können Einsparungen hinsichtlich Materialaufwand, Energie und Personal realisiert werden.

Mit dem automatisierten Tool wird weiterhin eine Plattform geschaffen, die die wissensintensiven Abläufe im virtuellen Produktentwicklungsprozess vereinfachen, wodurch die Hemmnis, Software zur Produktentwicklung einzusetzen, gesenkt wird. Dadurch können KMU neue innovative Produkte entwickeln und ihr bestehendes Produktportfolio erweitern.

Laufzeit: 10/2016 - 09/2020

Finanzierung: EFRE

Projektpartner: 3DQ-Engineering Ingenieurbüro Zapf, Boßler Werkzeug & Formenbau GmbH, ASK High Technology GmbH & Co. KG, SMB Schwede Maschinenbau GmbH, Konstruktionsservice Legat, Ingenieurbüro Hofmann GmbH, Putzin Maschinenbau GmbH, Müssel Maschinenbau GmbH, ebu Umformtechnik GmbH, TSS GmbH, Hirsch Engineering Solutions GmbH & Co. KG, Bühnenplanung Walter Kottke Ingenieure GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Sperrschichttemperatur- und Phasenstrommessung von Leistungshalbleitern

Inhalte/Ziele:

Leistungshalbleiter nehmen in elektrischen Fahrzeugantrieben, in Windenergieanlagen oder in Systemen der Energieverteilung in Bezug auf Funktionalität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit eine zentrale Stellung ein. Charakteristisch für diese Applikationen ist ein Betrieb über sehr lange Zeiträume unter extrem schwierigen und häufig schwer einzuschätzenden Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Die Motivation dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer intelligenten Ansteuerschaltung, welche neben dem einfachen Ein- uns Ausschalten des Leistungshalbleiters zusätzlich Auskunft über dessen Betriebsbelastung gibt. Als Schlüsselgröße identifiziert die Ansteuerschaltung die Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiters. Entwickelt wurde hierzu ein neuartiges Messverfahren, welches die Temperatur des auf dem Leistungshalbleiter befindlichen internen Gatewiderstandes durch eine kurzzeitige Überlagerung der Steuerspannung mit einem hochfrequenten Identifikations-signal bestimmt. Die damit gemessene Sperrschichttemperatur kann für Überwachungs- und Diagnosezwecke, aber auch zur vorübergehenden Erhöhung der Ausgangsleistung genutzt werden. In einem nächsten Schritt soll die Ansteuerschaltung um eine Phasenstrommessung erweitert werden. Die bereits implementierte Sperrschichttemperaturmessung eröffnet hierbei neue Möglichkeiten zur Strommessung mit äußerst geringem Kostenaufwand und dennoch einer akzeptablen Messgenauigkeit. Derartige Konzeptideen stellen damit insbesondere im Bereich der Funktionalen Sicherheit sowie für einfache Regelungsaufgaben eine ideale Sensorlösung dar. Damit erarbeitet dieses Projekt die Grundlagen für zukünftige Ansteuerschaltungen mit integrierten Messfunktionen zur Erforschung, Überwachung, Regelung und Absicherung des Betriebsverhaltens von Leistungshalbleitern im Feld.

Laufzeit: seit 2012

Finanzierung: Forschungsauftrag eines Drittmittelgebers

Projektpartner: ZF Friedrichshafen AG

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Untersuchung von fehlertoleranten Stromrichterstrukturen zur Steigerung der Verfügbarkeit von leistungselektronischen Schaltungen

Inhalte/Ziele:

Leistungselektronik hat in den vergangenen Jahren einen starken Aufschwung durch die Verbreitung von Stromrichtern in der Automatisierungstechnik und Traktion sowie durch die Nutzung von regenerativen Energiequellen in den Bereichen Windkraft und Photovoltaik erlebt. Neben der Betriebssicherheit für den Nutzer ist insbesondere die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik im Sinne einer sicheren Funktionserfüllung von steigender Bedeutung, da immer mehr Anwendungsfälle erschlossen werden, wie beispielsweise die Elektrifizierung des Kfz Antriebsstranges zeigt. Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, bei denen Personen oder Einrichtungen geschädigt werden können, müssen Konzepte für eine sichere Leistungselektronik entwickelt werden. Durch fehlertolerante Schaltungen kann die Verfügbarkeit gesteigert und damit die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt werden.

Ein Ziel des Projektes ist die Untersuchung von innovativen, fehlertoleranten Schaltungen, die den Mehraufwand für redundante Schaltungsteile durch zusätzliche Vorteile im Normalbetrieb aufwiegen. Des Weiteren wird das Ausfallverhalten von Leistungshalbleitern analysiert und passende Strategien zur Rekonfiguration bzw. Abtrennung von fehlerhaften Schaltungsteilen nach einem Bauteilausfall entwickelt.

Laufzeit: seit 01.07.2011

Finanzierung: -

Projektpartner: divers

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Modellsystem zur Charakterisierung und Optimierung eines intelligenten Energieknotens für den Einsatz im industriellen und kommunalen Bereich (IEK)

Inhalte/Ziele:

In Betrieben, deren Stromversorgung sich durch Eigenversorgung und Stromversorgung aus dem Netz zusammensetzen, soll der intelligente Energieknoten eine effiziente Bereitstellung, Verteilung und Speicherung von Energie ermöglichen und koordinieren. Der IEK soll ein intelligentes Zusammenspiel von Energieerzeugern und Verbrauchern gewährleisten und den Energiefluss so steuern, dass eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Energienutzung erreicht und so die Energiekosten für ein Unternehmen gesenkt werden können, bei gleichzeitiger Entlastung des Netzes durch z.B. gleichmäßigen Lastgang des Energiebezugs. Energie soll dann genutzt werden, wenn diese aus eigenen Anlagen oder kostengünstig vorhanden ist unter Berücksichtigung eines zwingend notwendigen Energiebedarfs in einem Unternehmen und dessen Anlagen und Verbrauchern. Der IEK soll in eine bestehende Anlagen- und Verfahrenstechnik eingreifen können, um eine möglichst gute Energiebalance zu ermöglichen. Der IEK wird u a. für kleine und mittelständische Betriebe, Industrie, öffentliche Gebäude konzipiert.

Laufzeit: 11/2019 - 10/2019

Finanzierung: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektpartner: Richter R&W Steuerungstechnik GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik

Konzeptuntersuchung ausfallsicherer Antriebsstrang

Inhalte/Ziele:

Für einen ausfallsicheren Antriebsstrang in einem Elektrofahrzeug werden verschiedene Konzepte für fehlertolerante Wechselrichter, elektrische Maschinen und Speicheranbindungen verglichen. Die technisch und wirtschaftlich sinnvollsten Varianten werden identifiziert und durch Simulationen und Laborprototypen analysiert.

Laufzeit: ab 01.10.2017 bis 31.12.2019

Finanzierung: Forschungsauftrag eines Drittmittelgebers

Projektpartner: Daimler AG

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Eta4HVDC-Effizienzerhöhung von Multilevel basierten HVDC-Übertragungen

Inhalte/Ziele:

Die in Offshore-Windparks gewonnene Energie muss an Land mit DC-Übertragung transportiert werden. Hier hat sich eine neue Technik bei der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) durchgesetzt. Speziell werden diese HGÜ auf der Basis von Multilevel Stromrichtern (MMC) aufgebaut. Die MMC-HGÜ basieren auf sehr vielen einzelnen Modulen, welche jeweils aus einem Kondensator und Leistungshalbleitern mit Ansteuerung bestehen. In dem Teilvorhaben sollen Modifikationen des Submoduls erforscht werden mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen. An der Uni Bayreuth werden dazu die Kombination von Dioden, welche auf Durchlass optimiert sind und solche, welche auf Schaltverhalten optimiert sind, untersucht. Die Wirkung auf den sicheren Arbeitsbereich und die Verluste werden analysiert. Basierend auf Vorarbeiten zu neuen niederinduktiven Aufbauten sollen die Potenziale für Anwendungen bei sehr geringer Schaltfrequenz untersucht werden. Das Teilvorhaben stellt anschließend Verlustmodelle zur Verfügung, welche dann die Beurteilung im Gesamtsystem zulassen.

Laufzeit: 01.01.2017 bis 31.12.2019

Finanzierung: Fördermaßnahme Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektpartner: Siemens AG

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Einsatz von SiC in Antriebsumrichtern für Straßenbahnen zur Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung der Baugröße. Dazu Einsatz und Untersuchung neuartiger 1700V SiC-MOSFETS mit neuer Anteurtechnik und Schaltungsdesign zur Beherrschung von Kühlung und EMV. Ziel ist Baugrößen- und Verlustreduktion um 30 %

Inhalte/Ziele:

Der öffentliche Nahverkehr ist eine bedeutende Komponente der Mobilität der Bevölkerung. Die Antriebstechnik von Straßenbahnen nutzt Leistungselektronik für die Steuerung der Fahrmotoren. Dabei bestehen hohe Anforderungen an die Kompaktheit. Die Verwendung von wide band gap (WBG) Leistungshalber, speziell SiC, bietet durch geringe Durchlass- und Schaltverluste und eine potentiell höhere Arbeitstemperatur die größten Perspektiven bezüglich einer Volumens- und Massereduktion.

Perspektivisch können für die Traktionsumrichter neue Einbauräume, z. B. in der Nähe der Motoren erschlossen werden. Darüber hinaus kann durch die hohen Taktfrequenzen der SiC-Bauelemente der Wirkungsgrad im Antriebsstrang deutlich verbessert werden. Hinzu kommen Reduktionen der durch Pendelmomente und Magnetostriktion angeregten Motorgeräusche, ein Vorteil besonders für den urbanen Verkehr. Dabei ist eine robuste Aufbautechnik der Leistungshalbleiter aufgrund der hohen Anforderungen bezüglich Lebensdauer, Temperatur- und Lastzyklenfestigkeit sowie klimatischer Bedingungen erforderlich, um auch Netzspannungen bis zu 1200 V und Leistungen bis etwa 200 kW zu beherrschen, was eine hochstromgeeignete Aufbautechnik erfordert.

Laufzeit: 01.01.2017 bis 31.12.2019

Finanzierung: Fördermaßnahme Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: Infineon Technologies AG, Siemens AG, Adapted Solution GmbH, Technologie-Zentrum für Oberflächentechnik und Umweltschutz Leipzig GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Kinetik der Bildung und Verdunstung höherer Kohlenwasserstoffe bei der Fischer-Tropsch-Synthese und deren Einfluss auf die Wachsbeladung des Porensystems

Inhalte/Ziele:

Bei der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) wird CO mit H2 in höhere Kohlenwasserstoffe (Benzin, Dieselöl etc.) umgesetzt. Bei der Tieftemperatur-FTS (< 250 °C) wurde bisher immer davon ausgegangen, dass sich die Katalysatorporen in der Anfangsphase der Synthese vollständig mit flüssigen Wachsen füllen. Unsere Vorarbeiten, die zu dem DFG-Projekt geführt haben,  zeigen aber überraschenderweise, dass die Poren auch im stationären Zustand nicht (immer) vollständig gefüllt sind; je nach Druck, H2/CO-Verhältnis und Temperatur stellt sich ein Füllgrad (F) deutlich unter Eins ein. Dieses bisher nicht beachtete Phänomen hat gewichtige Folgen für die effektive Kinetik und das grundlegende Verständnis der FTS, da bei einem nur teilweise wachsgefüllten Porensystem der Porennutzungsgrad größer wird. Die Vorarbeiten zeigen aber nicht nur, dass F < 1 sein kann, sondern auch, dass widersprüchliche experimentelle Befunde insbesondere zum Einfluss des Druckes und der Partikelgröße (auf F) auftreten. Im Projekt wird das Phänomen der unvollständigen Porenfüllung studiert, um den Einfluss der Reaktionsbedingungen auf den Füllgrad in der Anfang-phase bei Einsatz eines frischen Katalysators und im stationären Zustand der Synthese zu verstehen und quantitativ beschreiben zu können.

Laufzeit: 1.10.2016 bis 30.09.2019

Finanzierung: DFG (Je 257/23-1)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Entwicklung eines adaptiven kinetischen Energy Harvesters zum Einsatz in energieautarken Gebäuden

Inhalte/Ziele:

Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Vielfach müssen Sensorknoten in Anwendungsszenarien wie dem intelligenten Gebäudemanagement ihre Daten (über Objektposition, Temperatur, Feuchte, …) per Funk übermitteln, etwa zum Einsparen von Verkabelungsaufwand. Es hat dann wenig Sinn, die Sensorknoten kabelgebunden mit Energie zu versorgen. Daher wird weltweit mit hohem Aufwand daran geforscht, Systeme wie Funksensoren netz- und batterieunabhängig („energieautark“) zu machen. Ein Ansatz hierfür ist Energy-Harvesting, also die „Ernte“ von Energie, sprich die Wandlung von kostenlos in der Umwelt verfügbarer Energie in elektrische Energie. Speziell kinetisches Energy-Harvesting basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie. Dem Stand der Technik nach liegt die von kinetischen Energy-Harvestern maximal erzeugbare Leistung im Milliwatt-Bereich. Diese Leistung nimmt drastisch ab, wenn der Harvester nicht optimal an die Energiequelle angepasst ist. Da Vibrationsspektren typischerweise stark zeitabhängig sind, besteht ein hohes Interesse an dynamisch rekonfigurierbaren (adaptiven) Energy-Harvestern. Im Zuge dieses Projekts sollen verschiedene Adaptionsmechanismen untersucht und darauf aufbauend ein adaptiver, also auf die jeweilige Situation anpassbarer kinetischer Energy Harvester entwickelt werden, der somit Anregungen eines breiten Frequenzspektrums verarbeiten kann.

Laufzeit: 04/2016 - 03/2019

Finanzierung: Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Projektpartner: -

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik

Nutzung von Überschussstrom zur Herstellung von synthetischem Erdgas durch die Methanisierung von Biogas

Inhalte/Ziele:

Im diesem Teilprojekt innerhalb des Verbundprojektes FOR 10000 wird die Methanisierung von Biogas (Sabatier-Reaktion) untersucht. Dabei wird Biogas, dass zu etwa 40 % aus CO2 und zu 60 % aus CH4 besteht, mit regenerativ erzeugtem H2 (aus der H2O-Elektrolyse mit Überschussstrom aus Windkraft- und Solaranlagen) katalytisch in synthetisches Erdgas (SNG, Synthetic Natural Gas) umgesetzt (CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O). Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, ist die Wärmeabfuhr ein wichtiger Faktor beim Betrieb des Festbettreaktors. Zwei Aspekte stehen im Vordergrund der Untersuchungen: 1) experimentelle Bestimmung die Kinetik der CO2-Methanisierung an einem Nickelkatalysator unter den Bedingungen der Biogasumsetzung (Normaldruck, CH4-reiches Einsatzgas), 2) Modellierung des Festbettreaktors (Einzelrohr eines gekühlten Rohrbündels) im Hinblick auf den optimalen Betrieb eines technischen Reaktors, die SNG-Qualität und die sichere Prozessführung; auch das dynamische Verhalten (Lastwechsel) soll untersucht werden.

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung (BFS), Teilprojekt im BFS-Verbundprojekt „Technisches Konzept zur wirtschaftlichen Nutzung erneuerbarer Energien aus organischen Abfällen im kommunalen Maßstab (FOR 10000)“

Projektlaufzeit: 1.04.2016 bis 31.03.2018

Projektpartner: Verbundpartner von FOR 10000 (insbesondere LS Bioprozesstechnik und LS Thermodynamik und Transportprozesse, beide Uni. Bayreuth)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

DC-Netze für energieautarke Gebäude

Inhalte/Ziele:

Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Für die autarke Energieversorgung eines Gebäudes ist eine Ausstattung mit alternativen Energiequellen erforderlich. Deren zur Verfügung gestellte Leistung ist jedoch starken Schwankungen unterworfen, sodass die Energie in elektrischen Speichern gepuffert werden muss. Im Rahmen dieses Teilprojektes wird ein neuer Ansatz zur Anbindung dieser Energiespeicher untersucht. In der Leistungselektronik findet zunehmend ein neuartiger Wandlertyp, der Modulare Multilevel Umrichter, Anwendung. Elektrische Energiespeicher können direkt in diesen Umrichter integriert werden. Im Vordergrund steht hierbei die bestmögliche Art der Einbindung der Energiespeicher innerhalb des Umrichters.

Laufzeit: 07/2015 – 06/2018

Finanzierung: Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Gerrit Henke

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Speicherung elektrischer Überschussenergie mittels Einsatzes von Wärmepumpen in Kombination mit sensiblen und latenten thermischen Speichern

Inhalte/Ziele:

Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) der Universität Bayreuth werden Luft/Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit thermischen Speichern zur Steigerung der Energieautarkie von Gebäuden untersucht. Dabei stellen die Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und das Demand Side Management – zur Kompensation der durch Photovoltaik und Windkraft verursachten Spitzen in der Stromerzeugung – mit Hilfe der Kopplung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und thermischen Speichern Forschungsschwerpunkte des Promotionsvorhabens dar.  Die Untersuchungen erfolgen dabei sowohl rechnergestützt als auch experimentell an zwei baugleichen Luft/Wasser-Wärmepumpen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.

Laufzeit: 07/2015 – 06/2018

Finanzierung: Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Projektpartner: -

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

FOR 10'000

Inhalte/Ziele:

Das vom Lehrstuhl für Bioprozesstechnik (BPT) des Zentrums für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth initiierte und koordinierte Projekt FOR 10‘000 beschäftigt sich mit der Erstellung eines modular aufgebauten Konzeptes für die Verwertung von biologischem Abfallmaterial. Hierbei sollen insbesondere kleine und mittlere Kommunen mit ca. 10.000 Tonnen Biomüll pro Jahr betrachtet werden. Der Fokus liegt dabei auf der verfahrenstechnischen Weiterentwicklung und Optimierung der Biogasproduktion bei flexiblen In- und Output sowie der Optimierung der Produktverwertung sowie die Betrachtung verschiedener Wärmenutzungskonzepte sowohl prozessintern als auch die Integration und Optimierung in einem Gesamtenergiekonzept. Ein abschließender Vergleich der Energiekonzepte soll das Umsetzungspotential für kommunale Anwendung aufzeigen.

Laufzeit: 04/2016 - 03/2018

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung (BFS), Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden, Amberg-Weiden; Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hof, Hof

Projektpartner: Hochschule für Angewandte Wissenschaften Coburg, Coburg; Institut für Innovative Verfahrenstechnik e.V., Bayreuth; 8 weitere Industriepartner; 8 kommunale Partner

Kontakt: Lehrstuhl für Bioprozesstechnik, Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse, Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung

Flexibilitätsoptionen der Strom- und Wärmeerzeugung mit Geothermie in einem von volatilem Stromangebot bestimmten Energiesystem

Inhalt/Ziele:

Bislang unzureichend untersucht ist die Frage, inwieweit Geothermie-basierte Strom-Wärme-Systeme für eine flexible Deckung des Strombedarfs, insbesondere der Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden können, ohne negative Auswirkungen auf die Wärmeversorgung zu verursachen. Die Studie zeigt, dass aus hydrogeochemischer Sicht ein flexibler Betrieb des Thermalwasserstroms für die Anlagenkomponenten und das Reservoir, insbesondere im Molassebecken weitgehend unbedenklich ist. Die durchgeführte technische Analyse sowie Simulation der Geothermieanlagen zeigt auf, dass das technische Potenzial der dauerhaften Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung für nahezu alle technischen Flexibilitätsoptionen, insbesondere für Bestandsanlagen gering ist. Ausnahme ist das technische Flexibilitätspotential für die Bereitstellung von positiver Regelleistung durch den Einsatz von Heißwasser- bzw. Thermalwasserspeicher(n). Die ökonomischen Bewertungen zeigen, dass unter aktuellem Preisniveau und Anwendung von technischen Flexibilitätsoptionen die Anlagen nur bedingt wirtschaftlich Regelleistung erbringen können. Anlagen im Bestand mit Unterstützung durch das Spitzenlast-Heizwerk können bereits heute durch Bereitstellung von positiver Sekundärregelleistung zusätzliche (geringe) Gewinne erwirtschaften. Bei Anlagen im Bestand ohne Modifikation bzw. der Erweiterung durch Wärmespeichern ist dies nicht der Fall.

Projektstart: 04/2017 - 04/2018

Finanzierung: Umweltbundesamt

Projektpartner: TU München

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Wirbelkammerpyrolyse von Biomasse

Inhalte/Ziele:

Entwicklung einer kleinen dezentraler Anlage zur Erzeugung eines Pyrolyseöls mit anschließender Verbrennung/Stromerzeugung.

Laufzeit: 1.10.2010 - 30.6.2012

Finanzierung: Projektmittel: 100.000 €

Projektpartner: AIF, Koop. mit Uni. Hannover und mittelständ. Unternehmen (Oberpfalz)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Integration von Latentwärmespeichern

Inhalte/Ziele:

Luft/Wasser-Wärmepumpen weisen in den letzten Jahren stark steigende Absatzzahlen auf und werden auch für energetische Sanierungen in KMU zunehmend interessant. In diesem Projekt soll die Energieeffizienz dieser Wärmepumpen deutlich verbessert und deren Lebensdauer erheblich erhöht werden, und zwar durch die Einbindung von Latentwärmespeichern. Anhand von umfangreichen computergestützten Modellsimulationen, begleitenden Tests an einer Versuchsanlage sowie ökonomischen Analysen werden besonders geeignete Phasenwechselmaterialien und Anlagenkonzepte identifiziert. Darüber hinaus wird untersucht, inwieweit Latentwärmespeicher auch bei anderen Wärmepumpensystemen und bei gewerblichen Kälteanlagen vorteilhaft eingesetzt werden können.

Laufzeit: 09/2009 – 12/2012

Finanzierung: Bayerischer Forschungsverbund Energieeffiziente Technologien und Anwendungen (BayFORETA)

Projektpartner: GlenDimplex Deutschland GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Modellierung und Simulation des Temperaturprofils glashaltiger Fassaden

Inhalte/Ziele:

Im Rahmen des als Querschnittsvorhaben ausgelegten Teilprojektes werden die in verschiedenen Teilprojekten entwickelten Werkstoffe und Wandaufbauten anhand von Modellsimulationen unter energetischen Gesichtspunkten untersucht und bewertet. Dabei werden insbesondere Wärmeübergänge an Außen- und Innenwänden infolge Strahlung und Konvektion, die Wärmeleitung in den Wandschichten sowie der Gehalt an Wasser bzw. Wasserdampf bilanziert.

Im Vordergrund stehen Untersuchungen des dynamischen Verhaltens unter unterschiedlichsten meteorologischen und sonstigen Bedingungen, aus denen Aussagen über solare und interne Wärmegewinne während der Heizperiode wie auch den sommerlichen Wärmeschutz abgeleitet werden. Die Ergebnisse der instationären Modellierung werden mit stationären Berechnungen gemäß den gesetzlichen Richtlinien und zugehörigen Normen sowie Messungen verglichen.

Laufzeit: 12/2009 – 11/2012

Finanzierung: Teilprojekt des FORGLAS-Verbundes bei der Bayerischen Forschungsgemeinschaft

Projektpartner: F. X. Nachtmann Bleikristallwerke GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Pilotprojekt zum Ausbau der Nutzung industrieller Abwärme in grenznahen und strukturschwachen Gebieten Oberfrankens mittels mobiler thermischer Speicher

Inhalte/Ziele:

Drastisch steigende Energieträgerpreise sowie anspruchsvolle Ziele zur Senkung der Emissionen klimawirksamer Gase zwingen gerade Unternehmen energieintensiver Branchen wie z.B. des Glas- und Keramikgewerbes zum Handeln. Der Energieeinsatz in diesen Branchen dient vorrangig der Bereitstellung von Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau, so dass die effiziente Nutzung anfallender Abwärme einen maßgeblichen Ansatzpunkt zur Senkung der Produktionskosten und damit der Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit darstellt. Abwärme wird heute zwar bereits in vielen Betrieben – zumindest teilweise – einer weiteren Verwendung zugeführt. Während in größeren Unternehmen häufig eine Wärmeübertragung auf andere Produktionsbereiche möglich ist, steht vor allem in KMUs jedoch oft nur die Bereitstellung von Raumwärme und die Warmwasserbereitung als Nutzungsoption zur Verfügung. Damit wird dem in der Energietechnik bedeutsamen Temperaturniveau der verfügbaren Abwärme in der Regel nur unzureichend Rechnung getragen. Hieraus ergibt sich für die KMUs ein beträchtliches Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz und damit der Senkung der Produktionskosten und Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit.

Ziel des Pilotprojektes ist es, ein Konzept für die Einführung außerbetrieblicher Abwärmenutzung unter Einsatz mobiler thermischer Speichersysteme in der Region Oberfranken zu erstellen, wobei in erster Linie Betriebe in den Kreisen Hof, Wunsiedel, Kronach, Kulmbach, Bayreuth sowie ferner Coburg und Lichtenfels berücksichtigt werden. Im Vordergrund stehen hierbei KMUs aus dem Bereich Glasgewerbe und Keramik, nach Möglichkeit werden aber auch die Bereiche Papier, Textilien sowie Nahrungs- und Genussmittel einbezogen. Als potenzielle Wärmeabnehmer werden sowohl andere Unternehmen und Betriebe als auch zentralisierte Einrichtungen (z.B. Stromerzeugung auf Abwärmebasis) in Betracht gezogen, wobei nach heutigem Kenntnisstand Transportentfernungen bis ca. 30 km veranschlagt werden können.

Laufzeit: 07/2009 – 06/2011

Finanzierung: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Zweistufiger ORC mit Lineargenerator als Mini-BHKW

Inhalte/Ziele:

Beabsichtigt ist die Entwicklung eines neuartigen Heizsystems als Mini-BHKW für Haushalte. Die mittels einer Holz befeuerten Heizung CO2-neutral erzeugte thermisch Energie kann dabei entweder in Heizwärme, in Heizwärme und Strom oder mit einem Wirkungsgrad von bis zu 30 % ausschließlich in Strom umgewandelt werden. Das Umwandlungsprinzip basiert dabei auf einem thermodynamischen Kreislauf (Organic Rankine Cycle), bei dem ein Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt durch die Brennerwärme verdampft wird. Das Medium wird anschließend in einem innovativen Druckzylinder entspannt und die resultierende mechanische Bewegungsenergie bei der Expansion des Gases kann in elektrische Energie umgewandelt werden.

Laufzeit: 05/2009 – 01/2011

Finanzierung: ZIM Kooperationsprojekt

Projektpartner: Dynatronic, Maxxtec, Maccon, Wörle Umwelttechnik

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Bestimmung der radialen effektiven Wärmeleitfähigkeit durchströmter siedewassergekühlter Festbettreaktoren zur Erzeugung flüssiger Energieträger durch Fischer-Tropsch-Synthese (FTS)

Inhalte/Ziele:

Chemische Reaktoren, in denen eine stark exotherme Reaktion durchgeführt wird, müssen  intensiv gekühlt werden, um eine Überhitzung des Katalysators bzw. der Reaktanden bzw.  ein mögliches Durchgehen des Reaktors zu verhindern. Dies gilt insbesondere für die Fischer-Tropsch-Synthese zur Erzeugung flüssiger Kraftstoffe (Dieselöl, Benzin, Kerosin) aus Synthesegas, die häufig in siedewassergekühlten Rohrbündelreaktoren durchgeführt wird.

Zur Modellierung und Auslegung solcher Reaktoren muss die effektive Wärmeleitfähigkeit des durchströmten und undurchströmten Festbettreaktors genau bekannt sein. In zwei Laborapparaturen soll daher die radiale effektive Wärmeleitfähigkeit von (un)durchströmten Festbetten (Fischer-Tropsch-Katalysator) bestimmt werden. Auf der Basis der experimentellen Daten soll eine Korrelation bestimmt werden, die es erlaubt, die effektive Wärmeleitfähigkeit abhängig von den Betriebsbedingungen (Rohr- und Partikeldurchmesser, Wärmeleitfähigkiet des Gases...) zu berechnen.

Laufzeit: seit 01.09.2012

Finanzierung: TAO

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Energieeffiziente Synthese von aliphatischen Aldehyden aus Alkanen und Kohlendioxid: Valeraldehyd aus Butan und CO2

Inhalte/Ziele:

Forschungsvorhaben mit dem Ziel, das für die Olefin-Hydroformylierung zu Aldehyden notwendige CO durch CO2 zu ersetzen. Darüber hinaus sollen die Olefine energieeffizient durch Dehydrierung von Alkanen bereitgestellt werden. Beispielhaft wird die Synthese von Valeraldehyd aus n-Butan und CO2 betrachtet.

Laufzeit: 1.11.2010 - 30.10.2013

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: LIKat (Rostock) und Evonik

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung

Inhalte/Ziele:

Trotz des vielfach nachgewiesenen Potenzials an Abwärme sowohl im industriellen Bereich, als auch aus Biogas-BHKWs, fehlt es derzeit an wirtschaftlichen Lösungen für die Verstromung im Bereich kleiner 50 kW_el. Diese Marktlücke soll durch die Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes geschlossen werden. Durch den Einsatz einer völlig neuartigen Mikro-Expansionsturbine und der Kopplung der Abwärmequelle an den ORC-Prozess mittels eines Direktverdampfers soll der Anlagenwirkungsgrad maximiert werden. Ziel ist die Errichtung einer ersten Demonstrationsanlage mit 10-30 kW_el.

Laufzeit: 09/2011 - 08/2013

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung

Projektpartner: Hochschule Amberg-Weiden (Prof. Dr.-Ing. Weiß), DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.

Kontakt: Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung

Anwendung oxidischer Halbleiter zur Umwandlung von Abwäme aus Kraftwerks- und Industrietechnologie (Thermo-Oxid-Power)

Inhalt/Ziele:

Um die Abwärme von der Kraftwerken und der Industrieanlagen kostengünstig und großtechnisch in Thermoelektrischen Generatoren (TEGs) nutzen zu können werden teilleitfähige Materialien auf Basis von dotierten, oxidischen Keramiken mit hoher Verfügbarkeit untersucht und weiterentwickelt. Diese n- und p-teilleitfähigen Partikel zeichnen sich durch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit bei niedriger thermischer Leitfähigkeit aus. Durch die Einbettung in eine Kunststoffmatrix können diese Materialien wie Polymere mit bekannten Technologien, z.B. zu Bändern, verarbeitet werden.

Projektstart: 2011

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: Siemens AG, Merck KGaA, Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer)

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik

Beladungserkennung von Dieselpartikelfiltern mittels Hochfrequenztechnik

Inhalt/Ziele: 

Die Funktionsüberwachung von Dieselpartikelfiltern und die Bestimmung der  Partikelbeladung kann direkt und berührungslos über Hochfrequenztechnik erfolgen anstatt über den Differenzdruck. Durch die Rußbeladung ändert sich die Resonanzfrequenz des Filters, wobei das metallische Gehäuse als Hohlraumresonator wirkt. Erste Messungen ergaben einen direkten Zusammenhang zwischen der abgeschiedenen Rußmasse und den Hochfrequenzparametern. Die Hochfrequenzanalyse deckte sich dabei mit den Kurven der etablierten Differenzdrucktechnik.

Projektstart: 2011

Finanzierung: DFG

Projektpartner: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer)

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik

Development of polymer electrolyte membranes (PEM) for low temperature fuel cell application

Inhalte/Ziele:

Perfluorsulfonsäure-Polymere (PFSA) werden aufgrund ihrer hohen Protonenleitfähigkeit, niedrigen Wasserstoffpermeabilität und exzellenten chemischen Beständigkeit als Polymerelektrolytmembrane (PEM) in Brennstoffzellen eingesetzt. Jedoch ist eine Verbesserung der Eigenschaften bei Einsatztemperaturen oberhalb von 100°C erforderlich. Unter diesen Bedingungen sinkt die Ionenleitfähigkeit aufgrund des Wasserentzugs bei geringer relativer Feuchte und die mechanische Stabilität lässt aufgrund des Glasübergangs des PFSA-Polymers nach. Ziel des Projekts ist es daher, die geforderten Eigenschaften durch Herstellung von Polymerelektrolytmembrane mit homogen verteilten anorganischen Additiven einzustellen.

Laufzeit: 03/2011 – 02/2014

Finanzierung: Promotionsstipendium der Bayerischen Forschungsstiftung (DOK-133-11)

Kontakt: Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung

Untersuchung des Einflusses eines Ölzusatzstoffes (zero-e-oil) auf Leistung, Kraftstoffverbrauch, Geräusch- und Abgasemission eines 4-Zylinder Saugmotors

Inhalte/Ziele:

Der Motorölzusatz Zero-E-Oil senkt laut Herstellerangaben den Kraftstoffverbrauch, die Geräusch-, die Abgasemissionen und steigert die Motorleistung. Am Lehrstuhl wurden durch den Aufbau eines Motorprüfstands bei Verwendung von Hochleistungsmesstechnik anhand von Vergleichsuntersuchungen mit und ohne Zusatzstoff die Auswirkungen des Additivs ermittelt. Im Laufe der ausführlichen Untersuchungen wurden adäquate Prüfzyklen entwickelt und angewendet.

Laufzeit: 06/2014 - 09/2014

Finanzierung: Fraunhofer

Projektpartner: zero-e-oil, Nürnberg

Kontakt: Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Entwicklung eines netzautarken Solar-Luft-Kollektors zur Nutzung in ländlichen Bereichen

Inhalte/Ziele:

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Solar-Luft-Kollektors, der den Heizwärmebedarf eines autarken Gebäudes (Jagdhütte, Alpengasthof, Schrebergarten, Garage) besonders im ländlichen Bereich zu einem möglichst großen Anteil deckt. Dabei sind die Austrittstemperatur des Fluids und die nutzbare Wärme die entscheidenden Parameter. Diese werden von verschiedenen Größen beeinflusst, wobei Massenstrom, Intensität der Globalstrahlung, Kollektorneigungswinkel, Strömungsführung, Fläche, die für den Wärmetausch zur Verfügung steht, Wärmeübergangskoeffizienten, Druckverlust, Material und Abmessungen die wichtigsten sind.

Um einen optimalen Aufbau des Kollektors zu realisieren, wurden zahlreiche, verschiedene numerische Strömungs- und Festigkeitsuntersuchungen angestellt und optimierte Realisierungsvarianten erarbeitet.

Laufzeit: 8/2012 - 1/2014

Finanzierung: Fa. Bolz, Argenbühl

Projektpartner: Prof. Böhm, Fachbereich Maschinenbau, HS Weingarten

Kontakt: Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Synthetische flüssige Kohlenwasserstoffe - Speicher höchster Energiedichte

Inhalte/Ziele:

Der wachsende Anteil der erneuerbaren Energien erfordert neue Lösungen bei Energiespeicherung und -transport. Neben der zeitlichen Fluktuation sind zusätzliche geographische Herausforderungen vorhanden (Solarenergie Südeuropa/Nordafrika). Flüssige Kohlenwasserstoffe könnten hier einen Beitrag leisten. Für ihre Bereitstellung aus Strom ist ein mehrstufiger, wirkungsgradbehafteter Prozess notwendig, welche noch nicht genügend analysiert ist. Die zu untersuchende Prozesskette beinhaltet ein Fischer-Tropsch Verfahren zur gezielten Erzeugung eines synthetischen Speicherstoffs.

Laufzeit: 1.7.2012 bis 30.6.2015

Finanzierung: Helmholtz-Gemeinschaft

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Simulationsunterstützte Optimierung der thermischen Masse monolithischer Ziegelwände zur Steigerung der Energieeffizienz und Behaglichkeit von Gebäuden

Inhalte/Ziele:

Für die Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden ist im Zusammenhang mit der Energieeinsparverordnung der auf der Wärmeleitfähigkeit beruhende U-Wert eines der wichtigsten Kriterien. Den sich verschärfenden Vorschriften werden derzeit gängige Bauweisen und Modernisierungsmaßnahmen zwar gerecht, die Erfahrungen aus der Praxis zeigen jedoch, dass oft nicht alle Erwartungen an den Wärmeschutz erfüllt werden. Speziell bei Ziegelmauerwerk weichen schwere monolithische Bauweisen mit hohem Speichervermögen vermehrt leichten Ziegeln, nicht selten kombiniert mit Wärmedämmverbundsystemen mit geringer Wärmeleitfähigkeit.

Deshalb gilt es das gesamte Ensemble der Wärmeübertragung und Energiespeicherung verstärkt zu betrachten, um unter den instationären Bedingungen ein energetisch vorteilhaftes Verhalten von Gebäuden einzustellen. Durch eine innovative Funktionalisierung mittels Phasenwechselmaterialien (PCM) und Untersuchung der immanenten Eigenschaften der  Ziegel und Putze soll in diesem Projekt eine Steigerung der Energieeffizienz und Behaglichkeit erreicht werden. Über Modellierung und Simulation werden die Verbesserungspotentiale aufgedeckt und Eingriffsmöglichkeiten identifiziert. Im Labor werden diese Lösungsansätze zunächst im kleinen Maßstab erprobt um anschließend in Demonstrationsobjekten umgesetzt und unter realistischen Bedingungen untersucht zu werden. Die Ergebnisse dienen zur Weiterentwicklung der Modelle und zuletzt der Ziegel und Putze selbst.

Laufzeit: 03/2013-02/2015

Finanzierung: ZIM, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Projektpartner: Ziegelwerk Freital EDER GmbH (Freital), Ziegelwerke Leipfinger-Bader KG (Vatersdorf), Franken Maxit GmbH & Co. (Kasendorf), rent a scientist GmbH (Regensburg)

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Einsatz von Fluidgemischen zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von ORC-Prozessen in ausgewählten Anwendungsbereichen

Inhalte/Ziele:

Die bisher durchgeführten Untersuchungen (2011 -2013) haben das Potential binärer Fluidgemische mit zeotropen Eigenschaften zur Effizienzsteigerung des Kreisprozesses aufgezeigt. Ein Versuchsaufbau zur Messung von Wärmeübergangskoeffizienten wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Ziel der genehmigten Projektfortsetzung ist es, die gewonnenen Erkenntnisse anhand von Prozesssimulationen wie auch experimentellen Untersuchungen wesentlich auszubauen. Auf dem Gebiet der Kreisprozessberechnungen soll überprüft werden, ob alternative Arbeitsmittelgemische die bisher erzielten Wirkungsgradsteigerungen übertreffen. Zudem erscheinen eng verwandte Optimierungsansätze wie die transkritische Fahrweise in Verbindung mit Fluidgemischen oder der Einsatz von Arbeitsmittelpaaren mit großen Unterschieden im Siedepunkt als vielversprechend und sollen durch Simulationen analysiert werden. Experimentell soll durch Messungen an strukturierten Oberflächenstrukturen untersucht werden, inwieweit die Senkung des Wärmeübergangskoeffizienten durch zusätzlich eingebrachte Turbulenz beeinflusst werden kann.

Laufzeit: 05/2013 - 05/2015

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektpartner: keine

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Herstellung von Kraftstoffen aus CO2 und H2O unter Nutzung regenerativer Energie

Inhalte/Ziele:

Projektziel ist die Entwicklung eines technisch machbaren und öko­no­misch sinnvollen Verfahrens zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus CO₂ und H₂O unter Einkopplung erneuerbarer Elektroenergie durch Nutzung der Hochtemperatur­elektrolyse.

Laufzeit: 1.5.2012 bis 30.4.2015

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: Europ. Inst. für Energieforschung, Forschungszentrum Jülich, Fraunhofer-Gesellschaft, Uni. Stuttgart, staxera GmbH, SunFire GmbH

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Biologische Charakterisierung der Anlaufphase einer landwirtschaftlichen Biogasanlage

Inhalte/Ziele:

Biogas wird in technischen Anlagen von einem Konsortium anaerober Mikroorganismen gebildet, deren Zusammenwirken bislang nur ungenügend verstanden ist. Trotz der Bedeutung der Mikrobiologie beschränken sich Untersuchungen an technischen Anlagen daher zurzeit eher auf die Erhebung von Prozessdaten - insbesondere der Biogasausbeute - als Funktion z.B. von Temperatur und Substratzusammensetzung, während biologische Grundlagen, wie die involvierten metabolischen und mikrobiellen Netzwerke und deren Dynamik, bestenfalls in extrem vereinfachter und der Realität kaum gerecht werdender Weise berücksichtigt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass es ähnlich wie bei natürlichen Ökosystemen auch im technischen Ökosystem ‚Biogasanlage’ im Laufe der Zeit zu erheblichen Adaptionen an die Umgebungsbedingungen kommt, so dass reine Laborexperimente meist nicht geeignet sind, dieses Zusammenspiel in seiner ganzen Komplexität abzubilden.

Im Rahmen dieses Projektes wird seit September 2012 die Anlaufphase einer typischen landwirtschaftlichen Biogasanlage sowohl in Hinblick auf die Standardprozessparameter als auch hinsichtlich der Molekularbiologie und Biochemie dokumentiert. Ziel ist es, die biologischen Grundlagen der Biogaserzeugung in Hinblick auf die verfahrenstechnische Optimierung der Biogasproduktion zu analysieren und zu beurteilen. Dadurch soll zum einen der spätere Routinebetrieb störungsfreier gestaltet werden können, z.B. durch rechtzeitiges und gezieltes Eingreifen bei sich anbahnenden Problemen und zum anderen die Anlaufphase von landwirtschaftlichen Biogasanlagen generell optimiert und verkürzt werden.

Laufzeit: seit 01.09.2012

Finanzierung: -

Projektpartner: MR Bioenergie Bayreuth UG (haftungsbeschränkt) & Co. KG

Kontakt: Lehrstuhl für Bioprozesstechnik

Kompetenzzentrum Kraft-Wärme-Kopplung: Handlungsfeld Innovative Verfahren der KWK

Inhalte/Ziele:

Nach aktuellem Stand der Technik werden kleine und  mittlere KWK-Anlagen bis ca. 2 MW elektrischer Leistung als Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotoren für flüssige oder gasförmige Brennstoffe als Antriebsaggregate ausgeführt, während in Großkraftwerken Wärme aus Dampf- oder Gasturbinen ausgekoppelt wird. Neben diesen etablierten KWK-Prozessen existiert jedoch eine Reihe weiterer innovativer Verfahren, die teils erhebliche Vorteile aufweisen und bestehende KWK-Technologien ergänzen und neue Anwendungsfelder für die KWK erschließen können. Für die anwendungsorientierte Forschung von besonderem Interesse sind dabei v. a. KWK-Systeme auf Brennstoffzellenbasis, solare KWK-Systeme, Mikrogasturbinenprozesse und Mikro-Dampfprozesse mit Wasser oder organischen Fluiden als Arbeitsmedium (Clausius-Rankine-Cycle, Organic  Rankine Cycle). Letztere eignen sich insbesondere zur Abwärmeverstromung bei KWK-Anlagen oder industriellen Prozessen. Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Testfeldes für ORC-Anlagen an der Universität Bayreuth, das für verschiedene Turbinen- und Verdampferarten ausgelegt ist.

Laufzeit: 01/2013 - 12/2015

Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Projektpartner: FAU Erlangen, CES Sulzbach-Rosenberg, HS Amberg-Weiden

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Elektrochemische Speicher: Neue Generation von Blei- und Zink-Batterien für PV-gebundene stationäre Speicher

Inhalte/Ziele:

Die Bereitstellung leistungsfähiger elektrischer Speichertechnologien ist die Voraussetzung für einen erfolgreichen Vollzug der Energiewende zur Nutzung regenerativer Energie aus Sonne, Wind und Wasserkraft. Hierzu sind Energiespeicher für den stationären wie den mobilen Einsatz erforderlich, die über eine bisher unerreichte Be- und Entladedynamik verfügen.

Langfristiges Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuen Generation großer Speicherbatterien, die auf dem Stoffsystem Zink-Luft oder Blei-Bleidioxid basieren. Voraussetzung hierfür ist die Entwicklung geeigneter neuer Materialien und Elektrodenkonzepte.

Laufzeit: seit 01.09.2012 - 31.10.2016

Finanzierung: TAO

Kontakt: Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung

Entwicklung makroverkapselter Latentwärmespeicher für den Transport von Abwärme

Inhalte/Ziele:

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „MALATrans“ wurde das Ziel verfolgt, das Anwendungsspektrum bisher realisierter mobiler latenter thermischer Speicher durch die Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM) in makroverkapselter Form mit einer Phasenwechseltemperatur im Bereich von 70 bis 150 °C zu erweitern. Die Anwendung makroverkapselter PCM besitzt gegenüber bisherigen Speichern mit Rohrbündeln eine wesentlich größere Fläche zur Wärmeübertragung, wodurch die Be- und Entladezeiten reduziert werden können. Die höhere Phasenwechseltemperatur erlaubt die Erschließung zusätzlicher Abwärmequellen und die Bedienung weiterer Wärmesenken.Zur Auslegung von Speichern mit makroverkapselten PCM wurden neue numerische Modelle entwickelt, womit detaillierte Simulationen zum Verständnis der Phasenwechselvorgänge in einzelnen Makrokapseln durchgeführt wurden. Zur Berechnung ganzer Speicher sind diese Modelle allerdings zu rechenintensiv, weshalb hierfür auf vereinfachte numerische Modelle zurückgegriffen wurde. Die Auswahl der Speichermaterialien erfolgte anhand eigener Stoffdatenmessungen und der Prüfung der Materialkompatibilität der PCM mit verschiedenen metallischen Verkapselungswerkstoffen. Dies wurde durch Korrosionstests untersucht wurde. Für die vielversprechende Materialkombination bestehend aus dem PCM Magnesiumchlorid-Hexahydrat und dem Verkapselungswerkstoff Aluminium erfolgten Untersuchungen zu verschiedenen Verschlussmöglichkeiten und Formen der Verkapselung. Für die Zylindergeometrie wurden schließlich Versuchskapseln mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt und in einem eigens dafür aufgebauten Laborspeicher untersucht.

Laufzeit: 07/2013 - 12/2016

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Projektpartner: Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Entwicklung einer energieeffizienten und ressourcenschonenden Phasentrennanlage für Wasser/Öl/Salz-Emulsionen aus Schiffsabwässern

Inhalte/Ziele:

Ziel ist die Entwicklung einer thermischen Phasentrennanlage zur Aufspaltung eines Schlamm-Wasser-Öl-Salzgemisches, welches in Sonderabfallbehandlungsanlagen zur Aufarbeitung von Bilgenwasser, vorwiegend aber von Slopölen aus der Seeschifffahrt zur Anwendung kommen soll. Das Aufbrechen/Trennen von stabilen Ölwasseremulsionen auf physikalischem Wege hat Grenzen, wobei die Zusammensetzung des "Bilgenwasser-Slopöl-Cocktails" das Ergebnis des Entölungsprozesses bestimmt. Viele Bilgenwasser/Slopöl - Entöler stoßen bei dieser komplexen Reinigungsaufgabe an Grenzen. Unsere Phasentrenntechnik soll die in Bilgenwasser/Slop-Ölbehandlungsanlagen am Ende des Aufbereitungsprozesses anfallende Schlammphase in einer Wasser und Öl/Sedimentationsphase auftrennen. Bisher wird diese Schlammphase über einen Dekanter weiter entwässert und als Feststoff der thermischen Verwertung zugeführt. Unser Entwicklungsvorhaben mit dem Phasentrennkonzept greift hier an und hat zum Ziel, das wertvolle Öl aus dem Reststoffstrom solcher Anlagen als Basisrohstoff für Recyclingöl zurückzugewinnen.

Laufzeit: 12/2014 - 12/2016

Finanzierung: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektpartner: Karl-Hopf GmbH, Bayreuth

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Entwicklung einer Methode zur Auslegung von gewichtsoptimierten Multimaterial-Sandwichbauweisen für Windkraftanlagen durch Finite-Elemente Analyse (Sandwich-SIM)

Inhalte/Ziele:

Leichte, gewichts- und ressourcenoptimierte Komponenten spielen eine Schlüsselrolle im Strukturleichtbau des 21. Jahrhunderts. Bei ressourceneffizienten Mobilitäts- und Energiekonzepten bieten moderne Sandwichbauweisen ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung und tragen zur Steigerung der Energieeffizienz bei. Durch die Energiewende ist besonders in der Windenergiebranche ein extremer Nachfrageanstieg in Hinblick auf Windenergieanlagen größerer Leistung (2 bis 7 MW) zu verzeichnen. Die Leistung dieser Anlagen steigt quadratisch mit dem Rotordurchmesser. Längere Rotoren verschärfen die Anforderungen an den Strukturleichtbau der Rotoren. Hier spielen Sandwichbauweisen im Rotorblatt eine wichtige Rolle. Ein beliebtes Material in der Rotorblattfertigung ist Balsaholz als Kernwerkstoff in Sandwichkomponenten, da es sich durch ein hohes Schubmodul (GBalsaholz= 100 MPa bis 200 MPa) bei gleichzeitig geringer Dichte (~ 200 g/l) als natürlicher Verbundwerkstoff auszeichnet. Die begrenzte Verfügbarkeit des Tropenholzes, die klimaabhängigen Eigenschaftsschwankungen oder die Zersetzungsgefahr durch Wasseraufnahme sowie das Brandverhalten sind jedoch Probleme, welche die Suche nach alternativen Kernmaterialien katalysieren. Zur Substitution von Balsa können beispielsweise Polymerschäume als synthetische Kernmaterialien eingesetzt werden. Sie sind in ihrer Dichte kontrollierbar, sind gegen Zersetzung und Pilzbefall resistent und herstellungsbedingt wesentlich homogener in den mechanischen Eigenschaften.

Das Forschungsvorhaben „Sandwich-SIM“ verfolgt das Ziel, Berechnungsmethoden zur konstruktiven Auslegung von gewichtsoptimierten Multimaterial-Sandwichbauweisen durch FEA zu entwickeln, welche auf die Auslegung flächiger, gekrümmter Sandwichbauteile ausgerichtet sind.

Die Herausforderungen in der Vorhersage großflächiger Sandwichbauteile liegen in:

• Der umfassenden Erforschung des Eigenschaftspotentials von Sandwichen mit Polymerkernschicht und die korrekte Interpretation des Werkstoffverhaltens, insbesondere der Schädigungsmechanismen (Deckschichtrisse, Kernschubversagen, Deckschichtknittern, Ausbeulen, etc.) und deren Übertragung auf die FE.
• Der Betrachtung von Fertigungseffekten (z.B. Abstützungseffekte durch Einschnitte und Versteifungsrippen) und die Erstellung von Materialtests als Eingangsdaten für eine realitätsnahe FEA.
• Der Abbildung komplexer, realistischer Geometrien innerhalb der FE bei gleichzeitig akzeptabler Rechenzeit.
• Der Realisierung von wirklichkeitsnahen Belastungskollektiven der Simulation zur Lebensdauervorhersage unter Berücksichtigung des Versagens.
• Der Ermöglichung von variable Materialkombinationen, veränderlichen Schichtdicken, und Schnittgeometrien innerhalb der Simulation durch flexibles Preprozessing (Cuts & Grooves Generator) und Optimierung der Struktur in der FEA.

Laufzeit: 9/2012 - 8/2016

Finanzierung: Oberfranken Stiftung

Projektpartner: LS Polymere Werkstoffe Bayreuth

Kontakt: Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Entwicklung eines Berechnungswerkzeuges zur unabhängigen Beurteilung der thermischen und mechanischen Dimensionierung von nuklearen Transport- und Lagerbehältern

Inhalte/Ziele:

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines unabhängigen und neuartigen Hilfsmittels zur Beurteilung der thermischen Dimensionierung von Transport- und Lagerbehältern (T/L-Behälter) für abgebrannte Brennelemente. Es soll damit möglich sein, Temperaturverläufe im Inneren von T/L-Behältern bei beliebiger Beladung gemäß Vorgaben des ENSI mit einer komplett unabhängigen und eigenständigen Berechnungsmethode abzubilden. Eine Innovation ist dabei die besondere Behandlung des Helium-gefüllten Ringspaltes im Behälter durch eine speziell angepasste thermische Finite-Elemente-Analyse (FEA). Es ist notwendig, die einzelnen thermischen Randbedingungen, wie Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, zu einer neuartigen, globalen Randbedingung zu verknüpfen, ohne diesen Bereich mit finiten Elementen zu vernetzen. Die Kombination dieser Randbedingung mit einer Überbrückung des Spaltes wird als Thermische Spaltbedingung (TSB) im Projekt bezeichnet. Dadurch kann eine erhebliche Zeit- und Ressourcenersparnis bei der Beurteilung von Transportbehältern, im Vergleich zu bestehenden Bewertungen, ermöglicht werden.

Laufzeit: 04/2014 - 03/2016

Finanzierung: Eidgenössisches Nuklear Sicherheits Inspektorat (ENSI)

Projektpartner: ENSI, Brugg (CH)

Kontakt: Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Bavarian Hydrogen Center (BH2C): Teilprojekt Systemanalyse

Inhalte/Ziele:

Das Bavarian Hydrogen Center (BH2C) hat zum Ziel, mit der LOHC-Technologie den ersten Schritt in eine zukünftige Wasserstoffgesellschaft technologisch und auch wirtschaftlich zu ermöglichen. Durch Kooperation zwischen den Universitäten Bayreuth, der FAU Erlangen und der TU München sowie dem Fraunhofer Center of Energy Storage in Sulzbach-Rosenberg und dem Kompetenzzentrum Kraft-Wärme-Kopplung in Amberg-Weiden, arbeiten eine große Zahl namhafter Forscher zusammen, um dieses angestrebte Ziel zu erreichen. Darüber hinaus werden auch in ausgewählten Fällen in Kooperation mit Industriepartnern nötige Prototypen erstellt. Forschungsschwerpunkt ist die Etablierung einer auf neuartiger Basis aufgebauten Wasserstofftechnologie (Herstellung, Speicherung, Anwendung und Infrastruktur), die eine dezentrale Energieversorgung, die Realisierung von EnergiePlus -Häusern (energiehandelnde Häuser) und wirtschaftlichen Wasserstoffmotoren und Kleinturbinen für energiehandelnde Häuser sowie eine tragfähige Erzeugungs-  und Versorgungsstruktur möglich machen soll.

Laufzeit: 04/2012 - 03/2017

Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Projektpartner: FAU Erlangen, CES Sulzbach-Rosenberg, HS Amberg-Weiden

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Forschungs- und Entwicklungsauftrag zum Thema Alternative Converter Topologies

Inhalt/Ziele:

Innerhalb des Themas „Systemarchitektur DC- und AC-Backbone“ werden neuartige leistungselektronische Stellglieder benötigt. Die Hauptaufgabenstellungen sind dabei die Leistungsflussregelung in einem vermaschten DC-Netz und die Stellung von Systemdienstleistungen zur Stabilität des AC-Netzes. sowie die Definition von Maßnahmen zur Erhöhung der Stabilität.

Detailthemen sind hierbei: 1. „Anforderungen“: Erarbeitung von wahrscheinlichen Szenarien für DC-Netze, Ableitung von Anforderungen an leistungselektronische Stellglieder; 2. „Lösungsraum“: Stand der Technik, Auswahl geeigneter Lösungen, Weiter- oder Neuentwicklung zu Konzepten für effiziente und zuverlässige Hochleistungsstromrichter; 3., „Entwurf“: Detailentwurf für die funktional bedeutendste Topologie, Aufstellung des Steuerverfahrens, Absicherung des Betriebsverhaltens durch Simulation; 4. „Analyse, Anforderungen AC- und DC-Netze“: Anforderungen an Stromrichter durch Wegfall von rotierenden Massen im Netz, Fehler in DC-Netzen, Blackstart, gegenseitige Beeinflussung von DC- und AC-Netzen; 5. „Realisierung, Simulation relevanter Topologien“: 6., „Versuchsträger, Aufbau eines Versuchsmusters“: Exemplarische Umsetzung einer typischen Netzkonfiguration mit einem dazu gehörigen Stellglied an einem Versuchsträger. Durchführung und Auswertung von Messungen am Versuchsträger.

Laufzeit: 10/2013 – 3/2017

Finanzierung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

Projektpartner: Siemens AG

Kontakt: Lehrstuhl für Mechatronik

Aktive Glas-Composit-Separatoren für alterungsbeständige Sekundär-Batterien

Inhalte / Ziele:

Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen. Separatoren für Hochleistungs-Batterien zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder stationären Speichern müssen hohe leistungsspezifische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Bisherige Technologien stoßen dabei an ihre Grenzen, da es sich bei Separatoren gemäß Stand der Technik um passive Komponenten handelt, welche zwar zum Gewicht der Batterie beitragen, aber keinen elektrochemischen Beitrag leisten. Langfristiges Ziel ist es glasbasierte Separatoren zu entwickeln, welche zur Sicherheit, aber auch zur Funktion der Batterie beitragen, indem sie elektrochemische Aufgaben übernehmen können. Dabei soll sowohl eine kostengünstige, sowie ökologisch vertretbare Fertigungsweise im Vordergrund stehen.

Laufzeit: 10/2014 – 09/2017

Finanzierung: BayNW – Neue Werkstoffe, Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Projektpartner: Füller Glastechnologie GmbH, Vitrulan Textile Glass GmbH, Technologie Anwender Zentrum TAZ Spiegelau

Kontakt: Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung

Entschwefelung von Schwerölen und flüssigen Kraftstoffen durch Oxidation organischer Schwefelverbindungen zu wasserlöslichen Sulfaten mit Hilfe von homogenen Polyoxometallat-Katalysatoren

Inhalte/Ziele:

Neue Entschwefelungstechniken sind für die Raffinerietechnik von hoher Bedeutung, da zukünftig Rohöle mit zunehmenden S-Gehalten entschwefelt werden müssen und schärfe S-Grenzwerte für Flugturbinenkraftstoff und leichtes Heizöl sowie Schweröle wie z.B. Schiffsdieselöl zu erwarten sind. Innerhalb des Projektes wird ein ganz neuartiger Ansatz zur Entschwefelung untersucht werden, die Oxidation organischer S-Verbindungen mit Luftsauerstoff durch Polyoxometallat-Katalysatoren (POMs).

Laufzeit: 1.01.2015 bis 31.12.2017

Finanzierung: DFG (Je 257/20-1)

Projektpartner: LS für Reaktionstechnik (Uni. Erlangen-Nürnberg, Prof. P. Wasserscheid)

Kontakt: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

Mobiler Latentwärmespeicher mit modularem Wärmeübertrager

Inhalte/Ziele:

Das Projekt hatte zum Ziel durch ein neuartiges Speicherkonzept die Be- und Entladezyklen mobiler latenter thermischer Speicher zu verkürzen und ihre Investitionskosten zu senken. Hierfür wurden vom LTTT numerische Simulationen in verschiedenen Detailstufen, eine umfangreiche Recherche zu Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Materials, PCM) für mobile Anwendungen und Stoffdatenmessungen an 12 vielversprechenden PCM durchgeführt.

Detaillierte numerische Modelle, die das Aufschmelzen und Erstarren des PCM in Profilgeometrien, welche im Speicher Verwendung finden sollen, darstellen können, wurden erstellt. Diese Modelle berücksichtigen den fest/flüssig- Phasenwechsel und während dem Aufschmelzen auch das Absinken des Feststoffs, wie es in Abbildung 1 dargestellt wird. Nach einer erfolgreichen Validierung wurden diese Modelle dafür verwendet, vereinfachte Modelle für Systemsimulationen abzuleiten. Die in Simulationen ermittelten Austrittstemperaturen des Wärmeträgerfluids (WTF) während einer Entladung eines vollständigen Speichers sind in Abbildung 2 für unterschiedliche Volumenströme des WTF dargestellt.

Laufzeit: 10/2012 - 06/2017

Finanzierung: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) im Rahmen des "Fraunhofer-Centrums für Energiespeicherung (CES)"

Projektpartner: Fraunhofer UMSICHT, Sulzbach-Rosenberg; REHAU AG + Co, Rehau; FSAVE Solartechnik GmbH, Kassel; Kraft GmbH & Co. KG, Korbach; Ingenieurbüro Budach, Kaarst; LOGEX SYSTEM GmbH & Co. KG, Ingolstadt

Kontakt: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse

Einfluss von Halbmetallen aus dem Gärsubstrat auf Stabilität und Effizienz der biologischen Methanbildung

Inhalte/Ziele:

Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Als originär stofflicher Energieträger mit Potential für Methanisierungs-Applikationen stellt Biogas eine mögliche Antwort auf einige der drängendsten Fragen der Energiewende dar: Mobilität, Speicherung, aber auch Netzstabilität.

In Biogasanlagen werden komplex zusammengesetzte Gärsubstrate sowie verschiedene Gärhilfsmittel verwendet. Über diese gelangen auch eine Vielzahl von Spur und Störstoffen, z.B. Arsen, Antimon oder Bismut in die Anlage, wo sie auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft von Methanproduzenten treffen. Hierdurch kommt es zur (Teil)methylierung, wodurch einerseits geno- und zelltoxische Produkte entstehen, anderseits dem Prozess methylgruppen entzogen werden. Um die Auswirkungen der Metalloide auf Effizienz und Prozessstabilität zu ermitteln, werden technische Anlagen beprobt und signifikante Prozesse auf Laborreaktoren übertragen.

Laufzeit: 04/2016 - 04/2017

Finanzierung: Forschungsprojekt des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

Projektpartner: Lehrstuhl Umweltgeochemie, Universität Bayreuth

Kontakt: Lehrstuhl für Bioprozesstechnik

Intelligente Kombination von Heizsystemen für Wohnräume zum behaglichen und netzverträglichen Heizen mit regenerativen Energien

Inhalt/Ziele:

Die Vision hinter diesem Projekt ist eine intelligente Heizung (Smart Heating) in einem intelligenten Haus (Smart Home) mit Anbindung an ein intelligentes Versorgungsnetz  (Smart Grid). Im Mittelpunkt steht nicht das Heizen von Räumen, sondern die Behaglichkeit der Bewohner in diesen Räumen. Es soll daher auf ein intelligentes und dynamisches Heizsystem hingearbeitet werden, das die Behaglichkeit der Bewohner in den Fokus rückt und trotzdem energieeffizient bleibt: Es soll nur geheizt werden, wenn sich Personen im Raum aufhalten und nur an deren Aufenthaltsort. Dies wird erreicht, indem eine Strahlungsheizung mit infrarotstrahlenden Heizfolien kombiniert wird mit einer wärmepumpengespeisten Konvektionsheizung, die für eine (kühle) Grundtemperatur sorgt. Diese Absenkung der Grundtemperatur und die bedarfsgerechte Zuheizung durch die IR-strahlenden Heizfolien spart erstens Energie ein und ermöglicht es zweitens, über den Strom für die Wärmepumpe und die Heizfolien regenerative Energien zum Heizen zu nutzen. In der ersten Projektphase wird die Systemarchitektur inklusive IR-strahlender Heizfolien, Sensorik und Regeleinrichtungen festgelegt und detaillierter untersucht, wie sich der größtmögliche Nutzen aus dem neuartigen Ansatz ziehen lässt.

Projektstart: 02/2015 - 02/2017

Finanzierung: Bayerisches Technologiezentrum für privates Wohnen / Energiecampus Erlangen

Projektpartner: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Universität Erlangen-Nürnberg; ait-deutschland GmbH; Frenzelit Werke GmbH; SWW Wunsiedel; TB Engineering Hof.

Kontakt: Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik