AG Thermische Energiesysteme

Projektbeschreibung:

CEUS – Cryogenic hydrogen exergy utilisation system: Less heat rejection to ambient and more usable energy for propulsion

Kann die Exergienutzung von tiefkaltem, flüssigem Wasserstoff den Treibstoffbedarf zukünftiger Wasserstoff-Flugzeuge senken?

• Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG im Rahmen des Exzellenz-Clusters SE2A (Sustainable and Energy Efficient Aviation, EXC 2163/1)
• Laufzeit: 2023 bis 2025

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Magnus Lenger
• Wilhelm Tegethoff

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensysteme (BZSe) müssen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren relativ viel Abwärme auf relativ geringem Temperaturniveau über ihr Kühlsystem an die Umgebung abgeben. Oft begrenzt die Kühlleistung eines mobilen BZS seine elektrische Leistung. Kryogener Wasserstoff wird daher typischerweise als Senke für BZS-Abwärme genutzt, obwohl diese Art der Wärmeübertragung die Wasserstoffexergie beinahe vollständig vernichtet. Dieses Projekt untersucht daher Cryogenic Exergy Utilisation Systems (CEUS), die Teile der BZS-Abwärme einerseits in elektrische oder mechanische Energie wandeln und sie andererseits zur Wasserstoffkonditionierung nutzen. Durch Verwendung eines CEUS wird der an die Umgebung abzugebende Wärmestrom reduziert und die zum Antrieb zukünftiger Flugzeuge zur Verfügung stehende Leistung erhöht.

Zielsetzung

Folgende übergeordnete Frage soll beantwortet werden:

Kann ein CEUS mit den Subsystemen zukünftiger Flugzeuge vorteilhaft kombiniert werden und wie groß ist der Einfluss dieser neuen Technologie auf Flugleistung und Treibstoffeffizienz?

Folgende Teilziele wurden dazu definiert:

• Identifizierung geeigneter CEUS-Topologien, ihrer Prozesse, Komponenten und Arbeitsmedien
• Abschätzung von Wirkungsgraden, technischer Leistungen, Massen und Volumina ausgewählter CEUS-Topologien
• Untersuchung des für den Flugbetrieb relevanten dynamischen Betriebsverhaltens sowie relevanter thermodynamischer Effekte basierend auf generischen Flugmissionen für ausgewählte CEUS-Topologien
• Ableitung von Auslegungsempfehlungen, Betriebs- und Regelstrategien für eine ausgewählte Topologie.

Projektbeschreibung:

DEWAS - Erforschung und Entwicklung eines neuartigen, anwendungsspezifischen und betriebssicheren Konzepts für eine skalierbare, dezentrale Wasserstoffverflüssigungsanlage

Innerhalb des DEWAS-Projekts wird eine Wasserstoffverflüssigungsanlage im Labormaßstab konzipiert und aufgebaut, mit der die dezentrale, bedarfsgerechte Bereitstellung von Flüssigwasserstoff für Anwender aus Forschung und Entwicklung im Raum Braunschweig ermöglicht werden soll.

• Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
• Laufzeit: 10/2022 – 06/2025

Verantwortliche und Ansprechpartner:

Aike Tappe

Wilhelm Tegethoff

Projektpartner:

• TLK-Thermo GmbH
• WS Wärmeprozesstechnik

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

Mit der wachsenden Bedeutung von grünem Wasserstoff als Energieträger, steigt auch der Bedarf an Forschung und Entwicklung im Zusammenhang mit den verschiedenen Speicherformen des Wasserstoffs. Dies betrifft auch den tiefkalten Flüssigwasserstoff (LH₂), der aufgrund seiner höheren volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu Druckgasspeichern u.a. für den Einsatz im Flugverkehr, Schwerlastverkehr und als Transportspeicherform erforscht wird.

Bedarf an Forschung und Entwicklung im Zusammenhang mit LH₂ besteht in vielfältigen Querschnittsthemen. Diese umfassen u.a. mobile Speichersysteme für LH2 aus Verbundwerkstoffen und die Frage, wie Wasserstoff aus solchen Speichern schnell und zuverlässig für Brennstoffzellensysteme und Gasturbinen bereitgestellt werden kann, die Entwicklung kryogener Pumpen, Ventile und Wärmeübertrager sowie geeigneter Messtechnik, die Untersuchung von Materialverträglichkeiten und die Supraleittechnik. In allen genannten Feldern ist außerdem die Entwicklung von Sicherheitskonzepten im Umgang mit Wasserstoff essentiell. Dem gegenüber stehen die hohen Kosten und der große Aufwand, die mit der Beschaffung von LH₂ verbunden sind: Konventionelle Anbieter liefern LH₂ in der Regel in relativ großen Mengen, und die Kunden müssen ihre eigenen stationären Speichersysteme installieren.

Zielsetzung:

Im DEWAS-Projekt wird eine Wasserstoffverflüssigungsanlage nach dem Linde-Hampson-Verfahren gebaut und untersucht. Die Betriebskosten und der Installationsaufwand für dieses Verfahren versprechen günstige Kilopreise für LH2 bei kleinen Abnahmemengen. Nach der Installation und Inbetriebnahme der Anlage auf dem „Wasserstoff Campus Salzgitter“ soll auch der Aufbau direkt beim Verbraucher für eine lokale LH2-Erzeugung umgesetzt werden. Ziel ist es, den Zugang zu Forschung und Entwicklung LH2-basierter Technologien einem breiten Spektrum an Akteuren mit ihren individuellen Fragestellungen zu ermöglichen.

Projektbeschreibung:

ERNI: Erfassung der Nichtgleichgewichtszustände von Kältemittel-Öl-Gemischen zur energetischen Optimierung und Emissionsreduktion von Kompakt-Kaltdampfsystemen

Die Eigenschaften des in Kältekreisen zirkulierenden Kältemittel-Öl Gemisches und dessen Auswirkungen werden maßgeblich von den Ab- und Desorptionsvorgängen des Kältemittels im Öl bestimmt, die im Rahmen dieses Projektes gezielt untersucht werden.

• Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), im Rahmen des KMU-innovativ: Energieeffizienz und Klimaschutz Förderprogramms  (FKZ:01LY2106B)
• Laufzeit: 2021 bis 2024

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Daniel Domin
• Wilhelm Tegethoff

Projektpartner

• TLK-Thermo GmbH

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

In Kaltdampfsystemen werden die Energieeffizienz, die Leistungsfähigkeit und das Systemverhalten stark von der Kältemittelfüllmenge beeinflusst. Ein erheblicher Anteil des Kältemittels löst sich jedoch in dem vorhandenen Schmieröl, was unteranderem zu einer Reduktion der effektiv verdampfenden sowie verflüssigenden Kältemittelmasse im System führt. Zusätzlich kommt es im System durch das zirkulierende Kältemittel-Öl Gemisch zu erhöhten Druckverlusten und einem möglichen Anstieg lokaler Wärmeübergangswiderstände, woraus eine Reduktion der Leistung und Energieeffizienz resultieren kann. Die Ab- und Desorptionsvorgänge des Kältemittels im Öl wirken sich auf die Transporteigenschaften der ölreichen Phase sowie die effektive Kältemittelfüllmenge im System aus. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Geschwindigkeiten für den Wärme- und Stofftransport zwischen den Phasen können jedoch ungesättigte Zustände im System auftreten. In verfügbaren Modellbibliotheken zur Simulation von Kühl-, Klima- und Wärmepumpensystemen wird der Öleinfluss entweder durch die Abbildung der kumulierten Ölmenge im Verdichtersumpf unter Verwendung von Gleichgewichtsstoffdaten approximiert oder gänzlich vernachlässigt. Aufgrund der signifikanten Ölmenge in Kompakt-Kaltdampfsystemen und der unzureichenden Abbildung des Öleinflusses in Modellen kommt es gerade hier zu sichtlichen Differenzen zwischen Mess- und Simulationsergebnissen.

Zielsetzung

Das Projekt verfolgt vorrangig zwei Ziele. Erstes Ziel ist die Erforschung neuartiger Modelle, welche die Abbildung ungesättigter Zustände des Kältemittel-Öl-Gemisches ermöglicht. Anhand der Modelle soll die Relevanz der ungesättigten Zustände bewertet werden. Das zweite Ziel besteht darin, gezielt die Ölfüllmenge in einem Kompakt-Kältekreis zu reduzieren und somit die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern.

Hierzu wurden folgende Teilziele definiert:

• Experimentelle Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften eines Kältemittel-Öl Gemisches und deren Modellierung
• Untersuchung der Ab- und Desorptionsvorgänge zwischen den strömenden Phasen des Gemisches
• Entwicklung neuartiger Modelle unter Berücksichtigung der Transportvorgänge mittels phasenseparater Bilanzierung
• Ableiten vereinfachter Modelle
• Experimentelle Untersuchung eines Kompakt-Kältekreises mit Reduktion der Ölfüllmenge zur Leistungsoptimierung
• Vergleich der Ergebnisse aus Experiment und Simulation

Projektbeschreibung:

DUPRO – Designumgebung und Diagnosesystem für Batterien zur Schadensminimierung bei Durchgehen und Propagation

DUPRO schafft innovative Lösungen, die es ermöglichen, thermische Gefahren in Batteriesystemen frühzeitig zu erkennen und durch gezieltes Design im Entwicklungsprozess der Batteriesysteme vorzubeugen.

• Förderung: Bundesrepublik Deutschland
• Laufzeit: 01.07.2024 bis 30.06.2027

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Alexander Busch
• Dr.-Ing. Andreas Varchmin (TLK-Thermo GmbH)

Projektpartner:

• TLK-Thermo GmbH
• Technische Universität Clausthal, Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST)
• Physikalische-Technische Bundesanstalt (PTB, Abt. 3.5 Explosionsschutz in der Energietechnik)

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

Thermisches Durchgehen von Batteriezellen kann durch diverse Mechanismen und Fehlerfälle ausgelöst und daher nie ganz ausgeschlossen werden. Die damit verbundene potentielle Gefahr für das gesamte Batteriesystem sollte insofern durch geeignete Maßnahmen minimiert werden. Denn wenn das thermische Durchgehen nicht gestoppt wird, kommt es zur thermischen Propagation. Beim thermischen Durchgehen tritt zunächst eine primäre moderate Eigenerwärmung auf, die mit schnellen Gegenmaßnahmen noch gebremst werden kann. So können stark exotherme, bei höheren Temperaturen ablaufende chemische Reaktionen sowie große Gas- und Partikelausströmung vermieden werden. Durch Reduktion der Wärmefreisetzung und über ein gutes Design, welches Materialauswahl, Kühlungstopologie und Betriebsstrategie berücksichtigt, kann die thermische Propagation verhindert werden. Ein geeignetes Diagnosesystem ermöglicht außerdem frühzeitige Hinweise. Rechtsvorschriften geben vor, Fahrzeuginsassen fünf Minuten vor einer potentiell gefährlichen Propagationssituation zu warnen.

Langfristig muss das Ziel sein, Propagation und unkontrollierte Ausströmung komplett zu verhindern und gefährliche Situationen zu vermeiden. Neue Zellchemien können ein Baustein für sichere Batteriesysteme sein. Allerdings ist bei allen derzeit diskutierten Materialzusammensetzungen (z.B. Feststoffbatterien, Natrium-Ionen) thermisches Durchgehen zu beobachten. Die hohe Dynamik in der Weiterentwicklung von Zellmaterialien und passiven Sicherheitsbauteilen (z.B. keramische Zellzwischenmaterialien oder Füllstoffe) erfordert passende Design-Werkzeuge und Diagnosesysteme für sichere und langlebige Batteriespeicher. So könnten Entwicklungsprozesse beschleunigt werden, die derzeit nur durch aufwendig vorzubereitende und größtenteils rechenintensive Einzelsimulationen sowie sehr kostenintensiven Experimenten möglich sind.

Zielsetzung und Vorgehensweise:

Um den Aspekt der Batteriesicherheit und der Schadensminimierung durch das thermische Durchgehen nachhaltig mit in den Entwicklungsprozess einfließen zu lassen, soll im Rahmen des Projektes DUPRO die folgenden beiden Projektziele verfolgt werden:

1. Designumgebung für einen schnellen Entwicklungsprozess von sicheren Batteriesystemen inkl. des BTMS. Die Designumgebung enthält eine Modellbibliothek, Systemsynthese-werkzeuge und nutzergeführte Software für Modellreduktion, Parametrierung und die Erzeugung von Betriebsstrategien.
2. Eingebettetes Diagnosesystem zur modellbasierten Erkennung kritischer Eigenerwärmungen und Schadensminimierung.

Projektbeschreibung:

SKAiB - Skalierbare Brennstoffzellensysteme für elektrische Antriebe

Das SKAiB-Projekt beschäftigt sich mit der Gestaltung eines umweltfreundlicheren Luftverkehrs durch den Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffzellen-Systemen in Passagierflugzeugen.

• Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) 
• Laufzeit: 01/2022 - 06/2026

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Steffen Heinke
• Jakob Trägner
• Fabian Klärchen
• Wilhelm Tegethoff

Projektpartner:

• Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
  • Institut für Thermodynamik (IfT)
  • Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS)
  • Institut für Strömungsmechanik (ISM)

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

Zur Realisierung eines umweltfreundlichen Luftverkehrs ist eine wesentliche Reduktion der Emissionen notwendig. Eine vielversprechende Option zur Emissionsreduktion ist der Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt, insbesondere in Kombination mit Brennstoffzellen. Aktuell stehen dafür noch keine flugtauglichen Brennstoffzellen-Systeme in der für Passagierflugzeuge benötigten Leistungsklasse bereit.

Zielsetzung:

Das Verbundvorhaben SKAiB hat zum Ziel, die Entwicklung eines Brennstoffzellen-Systems für den Antrieb von Passagierflugzeug in Richtung einer relevanten Leistungsklasse unter gleichzeitiger Erhöhung des Reifegrades bis zur Flugtauglichkeit voranzutreiben. Das Institut für Thermodynamik (IfT) der TU Braunschweig erforscht und bewertet im Rahmen des SKAiB-Projekts Brennstoffzellen-Stapel und -Systeme für Luftfahrtanwendungen. Hierbei liegt der Fokus zum einen auf Fragenstellungen bezüglich alternativer und innovativer Konzepte für das Wasser- und Thermal-Management der Brennstoffzelle anhand simulativer und experimenteller Untersuchungen und zum anderen auf der modellbasierten Analyse und Optimierung des Brennstoffzellen-Stapels für Luftfahrtanwendungen. Mithilfe der im Projekt weiterentwickelten Modelle können zukünftig die Entwicklungsprozesse von für die Luftfahrt geeigneten Brennstoffzellen-Systemen verbessert und beschleunigt werden.

Projektbeschreibung:

TEN.efzn: Transformation des Energiesystems Niedersachsen - Forschungsplattform Wärme

Die Partner der Forschungsplattform „Wärme“ erforschen und entwickeln neuartige Wärmepumpentechnologien für Gebäude und Industrie. An der TU Braunschweig sind drei Institute daran beteiligt: das Institut für Thermodynamik (IfT), das Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen (IMAB) sowie das An-Institut „Steinbeis Innovationszentrum energieplus“ (SIZ). Die drei Partner erarbeiten interdisziplinär eine neuartige kompakte Plug-&-Play-Wärmepumpentechnologie. Mittels standardisierter Anschlüsse und Baueinheiten sollen die zu entwickelnden Wärmepumpen einfach und schnell in unterschiedliche Gebäudeenergiesystem integriert werden. Das IfT konzeptioniert die neuartige Wärmepumpe. Das IMAB entwickelt und erforscht die dazugehörige Leistungselektronik, die die Einbindung in zukünftige elektrische Energiesystem ermöglicht. Das SIZ verantwortet die anforderungsgerechte Einbindung der Plug-&-Play-Konzepte in die Heiz- und Warmwassersysteme unterschiedlicher Gebäude.

Dr. Wilhelm Tegethoff betont als Sprecher der Forschungsplattform Wärme: „Mit unserer Forschung tragen wir dazu bei, Gebäude und Industrie in Zukunft sowohl klimaneutral als auch effizient, kostengünstig und anforderungsgerecht mit Wärme versorgen zu können.“

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Wilhelm Tegethoff
• Henrik Waßmuth
• Andreas Schulte

https://magazin.tu-braunschweig.de/pi-post/neuer-schwung-fuer-die-energieforschung/

Projektbeschreibung:

THEWA – Thermomanagement von Wasserstoff- Tankstellensystemen

Im Projekt THEWA werden Wasserstoff-Tankstellen erforscht und für verschiedene exemplarische Anwendungsfälle optimierte Gesamtsystemkonzepte bereitgestellt.

• Förderung:  Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK)
• Laufzeit: 2021 bis 2025

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Steffen Heinke
• Henrik Waßmuth
• Wilhelm Tegethoff

Projektpartner:

• TU Braunschweig/NFF: Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion (AIP), Institut für Konstruktionstechnik (IK), Institut für Thermodynamik (IfT), Institut für Verbrennungskraftmaschinen (IVB)
• Artelia GmbH
• MAN Truck & Bus SE
• Maximator GmbH
• Shell Deutschland GmbH
• TLK-Thermo GmbH

Weiteres:

 https://www.efzn.de/forschung/energieforschung-im-efzn-verbund/wasserstoff/innovationslabore-fuer-wasserstofftechnologien/thewa-thermomanagement-von-wasserstoff-tankstellensystemen

 Projektbeschreibung:

TOFEBAS – Synthese und Optimierung von Topologien und Betriebsstrategien für das Thermomanagement von Nutzfahrzeugen mit Festkörperbatteriesystemen

Mit dem Projekt TOFEBAS werden für das Thermomanagement neuartige Topologien, Betriebsstrategien und Regelungsstrategien für verschiedene Nutzfahrzeuge mit Festkörperbatteriesystemen erforscht.

• Förderung: Europäische Union, EFRE
• Laufzeit: 2024 bis 2026

Verantwortliche und Ansprechpartner:

• Jan Friedrich Hellmuth
• Wilhelm Tegethoff

Projektpartner

• TLK-Thermo GmbH
• Volkswagen AG CoE Battery
• Konvekta AG
• ITK Engineering GmbH

Ausgangslage, Problemstellung und Motivation:

 Der Einsatz von Festkörperbatterien in batterieelektrischen Nutzfahrzeugen ermöglicht – im Vergleich mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien – höhere Reichweiten, größere Sicherheit und schnellere Ladefähigkeit. Da sie in Zukunft vermehrt verwendet werden sollen, muss die Auslegung der dazugehörigen Thermomanagementsysteme angepasst werden. Denn die in Festkörperbatterien eingesetzten Materialien besitzen signifikant andere thermische Eigenschaften: Höhere Betriebstemperaturen und Grenztemperaturen sowie veränderte anisotrope Wärmeleitfähigkeiten, Wärmekapazitäten und Zeitkonstanten.

Zentraler Bestandteil eines Thermomanagementsystems für Nutzfahrzeuge ist der umschaltbare Kaltdampfprozess, in dem Kühl- und Heizleistung zur Verfügung gestellt werden. Diese Leistung wird nicht nur für das Heizen und Kühlen der Batterie benötigt, sondern auch für das Heizen, Kühlen und Entfeuchten des Fahrgastraums sowie das Kühlen der E-Komponenten Motor und Leistungselektronik. Alle diese Bereiche haben spezifische Bedürfnisse, die im Thermomanagement berücksichtigt werden müssen. Die thermischen Eigenschaften von Festkörperbatterien führen zu grundlegenden Veränderungen im Kaltdampfprozess. Höhere Betriebstemperaturen und die Notwendigkeit einer Vorheizung erfordern neuartige Topologien und Betriebsstrategien. So sind potenziell andere Kältemittel sowie Komponenten mit geänderten Regelkreisen nötig.

Zielsetzung und Vorgehensweise:

 Da in der Forschung bisher noch keine Ansätze für ein neues, ganzheitliches Thermomanagement für Nutzfahrzeuge mit Festkörperbatterien existieren, wollen die Antragsteller mit TOFEBAS wesentlich dazu beitragen, diese Lücke zu schließen. Dazu werden drei Ziele verfolgt:

1. Bereitstellung einer Entwurfsplattform zur Synthese von Topologien und Betriebsstrategien für das Thermomanagement von Nutzfahrzeugen mit Festkörperbatterien
2. Bereitstellung optimierter Topologien inklusive dedizierter Betriebsstrategien und Regelkreise für drei unterschiedliche Nutzfahrzeuge mit Festkörperbatterien (z.B. Fernbus, Stadtbus, Langstrecken-LKW)
3. Bereitstellung eines Leitlinienkatalogs zur Synthese des Thermomanagements inklusive der Topologien, Betriebs- und Regelungsstrategien