Netz-Stabil: Netzstabilität durch thermische Anlagen und Sektorenkopplung

Laufzeit: 2017-2021

Das Projekt "Netzstabilität mit Wind- und Bioenergie, Speichern und Lasten unter Berücksichtigung einer optimalen Sektorkopplung" (Netz-Stabil) ist ein Forschungsvorhaben im Rahmen des Exzellenzforschungsprogramms des Landes Mecklenburg-Vorpommern gefördert durch Mittel der Europäischen Union. Es wird umgesetzt durch einen Verbund aus Forschern verschiedener Lehrstühle der Universität Rostock, der Universität Greifswald und der Fachhochschule Stralsund. Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik untersucht im Rahmen des Verbundvorhabens die Potentiale zur Stabilisierung des Elektrischen Netzes unter Nutzung von Kopplungstechnologien mit weiteren Versorgungssektoren, insbesondere der Wärmeversorgung sowie die Erzeugung von regenerativen Kraftstoffen für unterschiedliche Anwendungen. Die Optimale Nutzung regenerative gewonnener elektrischer in anderen Sektoren stellt hierbei einer komplexe Herausforderung dar, die im Zuge des Vorhabens für das Referenzsystem Mecklenburg-Vorpommern exemplarisch untersucht werden soll. 

gefördert durch:


MEmBran“ - Modellierung von Emissionen und Brennstoffverbrauch beim Manövrieren von Schiffen

Laufzeit: 2016 - 2019

In der maritimen Branche rücken – sei es zum einen durch verschärfte Gesetzgebung und zum anderen durch öffentliche Diskussionen - neben dem Kraftstoffverbrauch auch Emissionen zunehmend in den Fokus. Verbesserte bzw. neue Antriebskonzepte, Brennverfahren und alternative Kraftstoffe besitzen ebenso das Potential den damit verbundenen steigenden Anforderungen zu begegnen wie eine optimierte Ausnutzung sowohl umgerüsteter als auch bestehender Systeme. Bezogen auf die Schiffshauptmaschinen lassen sich zwei generelle Betriebsmodi unterscheiden. Wohingegen die Dynamik von Verbrauch und Emissionen bei konstanter Geschwindigkeit auf hoher See oder im Hafen anliegend gering ausfällt und die Hauptmaschinen im Stationärbetrieb fahren, sind die Betriebszustände beim Manövrieren in Küstenzonen und insbesondere im Hafen stark instationär. Schnelle Wechsel von Maschinen- bzw. Ruderkommandos zum aktiven Beschleunigen, Bremsen oder Wendemanöver des Schiffes resultieren in fluktuierenden Lastanforderungen, wodurch erhöhter Verbrauch und Emissionen folgen. Insbesondere während dieser dynamischen Betriebsweise gewinnen das unterschiedliche Nutzerverhalten und die Abstimmung aller Maschinensysteme an entscheidender Bedeutung. Die Auswirkungen verschiedener Manöverstrategien bewerten und darüber hinaus vorhersagen zu können, verspricht Potential zur Senkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Das durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) geförderte Verbundprojekt zur Modellierung von Emissionen und Brennstoffverbrauch beim Manövrieren von Schiffen, kurz „MEmBran“, greift diese Problematik auf und beinhaltet eine solche detaillierte Betrachtung der instationären Betriebszustände während des hochdynamischen Manövrierens. Zu Simulationszwecken wird ein Gesamtmodell für den Schiffsbetrieb geschaffen, welches den transienten Charakter der Manöver abbildet. Der Aufgabenbereich des Lehrstuhls für Technische Thermodynamik der Universität Rostock liegt in der Modellierung des Motorinnenprozesses. Als elementares Teilmodell dient dieses der Berechnung und Prädiktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen in Abhängigkeit der Lastanforderung des Schiffsbetriebes. Dazu werden thermodynamisch und teilempirisch basierte Ansätze für die Berechnung des Motorinnenprozess herangezogen, während für die Emissionsberechnung reaktionskinetisch basierte Modelle implementiert werden. Umfangreiche Versuche an einem Schiffsdieselmotorenprüfstand liefern für das Modell sowohl Randbedingungen als auch Validierungsdaten. Das Gesamtmodell zur Schiffssimulation zielt mit der Prädiktion von Verbrauch und Emissionen im Schiffsmanöverbetrieb auf effizienteres und vorausschauendes Navigieren und Manövrieren im Bereich der Seeschifffahrt ab.

gefördert durch:


Eta-Up: Steigerung des Gesamtnutzungsgrades und Reduzierung der Reibverluste am mittelschnelllaufenden Dieselmotor

Laufzeit: 2016-2019

Schiffsmotoren sind im Bereich der Energiemaschinen für ihre robuste Standfestigkeit und hohen Wirkungsgrad bekannt. Bedingt durch ihre Bauweise sowie die stetige Verbesserung des Brennverfahrens können so, im Vergleich zu gängigen PKW Applikationen, Wirkungsgradvorsprünge generiert werden. In aktuellen Studien zum Wirkungsgradvergleich unterschiedlicher Motorenkategorien (Eilts, FVV) zeigen, dass PKW-Dieselmotoren deutlich geringere Reibverluste aufweisen als Großmotoren. Maßnahmen wie optimierte Reibpaarungen (Kolben/Kolbenring/Laufbuchse), neuartige Lagerwerkstoffe oder reibungssenkende Schmieröle wurden bereits zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrads erfolgreich in den Markt eingeführt. Damit konnten speziell die PKW- und LKW-Dieselmotoren den Wirkungsgradvorsprung der Großmotoren reduzieren. Im Ergebnis sind die Reibungsverluste zw. Reibmitteldrücke moderner Fahrzeug-Dieselmotoren heute nur noch etwa halb so groß wie bei aktuellen mittelschnelllaufenden Schiffsdieselmotoren. Im Rahmen des zu beantragenden Projekts sollen Maßnahmen erforscht und entwickelt werden, die es erlauben die Reibverluste von aktuellen mittelschnelllaufenden Schiffsmotoren signifikant zu senken und den Gesamtnutzungsgrad dieser Motoren auch in Schiffsanwendungen auf ein Niveau zu heben, dass heute nur von schnelllaufenden Diesel und Gasmotoren in Anwendungen als Block-Heiz-Kraftwerk erreicht wird. Im Ergebnis soll damit eine deutliche Senkung des primären Energiebedarfs der Schiffe bei unveränderten Leistungsparametern und damit einhergehend eine signifikante Reduzierung der betriebsbedingten Emissionen erreicht werden. Für die Anwendung am mittelschnelllaufenden Schiffsmotor müssen technische Lösungen, die in den vergangenen Jahren an schnelllaufenden Motoren untersucht wurden, hinsichtlich ihrer Effektivität neu bewertet werden. Weiterhin sollen neuartige, für den Mittelschnellläufer geeignete Versuchsmethoden zur genauen Bestimmung einzelner Reibungsverluste erforscht werden.

gefördert durch:


LEDF-II (Low Emission Dual Fuel - Konzepte) - Innovative Brennverfahrenskonzepte für effiziente und emissionsarme Schiffsdieselmotoren der nächsten Generation

Laufzeit: 2016-2019

Erdgas- und Flüssigbrennstoff-betriebenen Dual-Fuel Großmotoren kommt kurz-, mittel- und langfristig eine erheblich gesteigerte Bedeutung als Antriebsmaschinen und Stromerzeuger an Bord von Schiffen zu. Zur Nutzung möglicher Potenziale in Bezug auf Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Emissionen (insbesondere bzgl. CO2, NOx, SOx, Partikel/Ruß und Methan) bedarf es jedoch neuer technischer Maßnahmen und Entwicklungsmethoden, die ein adaptives Verbrennungsmanagement bei variierenden Brenngasqualitäten und Zusammensetzungen erlauben. Auf Grundlage neuartiger Simulationsansätze und umfangreicher experimenteller Untersuchungen an einem 1-Zylinder Forschungsmotor sollen deshalb im Rahmen des hier beantragten Verbundprojektes die Auswirkungen und Potenziale eines variablen effektiven Verdichtungsverhältnisses auf Basis flexibler Ventilsteuerzeiten (extensiver Miller-Zyklus) in Kombination mit Hochaufladung, Ladeluftkühlung und variabler Zündung ermittelt werden. Unter Einbeziehung und Erweiterung hochmoderner, zylinderdruckbasierter Regelungsstrategien können damit adaptive Verbrennungskonzepte entwickelt werden, die eine optimale Betriebsweise eines Motors bei unterschiedlichen Brenngasen und Umgebungsbedingungen zulassen. Insofern besitzt das hier beantragte Projekt eine hohe Relevanz für zukünftige effiziente und emissionsarme Motorengenerationen sowie eine Beschleunigung der dazugehörigen Entwicklungsprozesse.

gefördert durch:


THERRI: Ermittlung von Kennwerten zur Bewertung thermischen Ermüdungsrisswachstums in Kraftwerken

Laufzeit: 2013-2017

Die volatile Einspeisung alternativer Energieträger (On- und Offshorewindenergie und Solarenergie) in Verbindung mit erheblichen Zuwachsraten dieser Energiequellen führt zu einer zukünftig dynamischeren Fahrweise thermischer Kraftwerke. Diese Fahrweise ist geprägt durch häufige Warmstarts, Anfahren aus dem Umwälzbetrieb, hohen Laststeigerungsgradienten und dem Absenken der Mindestlast. Die instationäre Betriebsweise führt zu hohen Druck- und Temperaturschwankungen im Wasserdampfkreislauf, die durch eine an hohe Laststeigerungsraten nicht angepasste Leit- und Regelungstechnik verstärkt wird. Auf der Basis hochgerechneter zukünftiger Lastanforderungen an thermische Kraftwerke sollen typische Leitgrößen für den thermischen Kraftwerksbetrieb bestimmt werden. Diese Leitgrößen sind Führungsgrößen für ein instationäres thermodynamisches Kraftwerksmodell des Kraftwerks Rostock, welches insbesondere die Modellierung des Wasserdampfkreislaufs beinhaltet und damit Aussagen über die thermischen und mechanischen Belastungen kritischer Bauteile ermöglicht. Im Ergebnis einer Reihe von Simulationsrechnungen (Kaltstart, Warmstart, hohe Lastgradienten bei Lastanstieg bzw. –abwurf, Betrieb im Niedriglastbereich und über hohe Lastbereiche) werden kritische hochbelastete Bauteile identifiziert und die typischen thermischen und mechanischen Belastungszyklen (Frequenz, Amplitude) bestimmt. 

gefördert durch:


VESTAplus - Simulationsgestützte numerische Untersuchungen von Wärmeübergangseffekten in stationären Wirbelschichtanlagen unter Berücksichtigung verschiedener Brennstoff- und Anlagenkonzepte

Laufzeit: 2014-2017

Im Rahmen des Verbundprojektes VESTAplus werden in Kooperation mit der IBS Technik GmbH neue Betriebesstrategien und Design-Konzepte für Biomassefeuerungen untersucht. Die Verwendung von festen Bioenergieträgern sowie Ersatzbrennstoffen führt in thermischen Kraftwerken zur Bildung von Ablagerungen auf den Wärmeübertragerflächen der Dampferzeuger. Langfristig ist damit eine Minderung des Anlagenwirkungsgrades verbunden. Aus diesem Grund müssen betroffene Dampferzeuger in kostenintensiven Verfahren periodisch gereinigt werden. Im Fokus des Projektes liegt die Entwicklung von Betriebsstrategien, die zu einer Entschärfung der Ablagerungsproblematik beitragen. Dazu werden dreidimensionale numerische Simulationen verschiedener Feuerungskonzepte, wie Rost- und Wirbelschichtverbrennung, durchgeführt. Auf der Grundlage eines Euler-Lagrange-Ansatzes sowie der Diskrete Elemente Methode (DEM) kann die Verbrennung von Festbrennstoffen in verschiedenen Feuerungssystemen berechnet werden. Dazu werden Submodelle für die Trocknung, Ausgasung und den Ausbrand der Partikel verwendet. Mit diesem Konzept lassen sich die Flugbahnen von Aschepartikeln in verschiedenen Dampferzeugertypen bestimmen. Durch ein zusätzlich integriertes Depositionsmodell ist damit die Berechnung der Ablagerungsbildung möglich. Diese Form der Kraftwerkssimulation kann zudem für weitere Analysen herangezogen werden. Neben der Schadstoffberechnung und Optimierung der Additivzugabe ist auch die Weiterentwicklung bestehender Kesselgeometrien denkbar.

 

gefördert durch:

Abgeschlossene Projekte

Abgeschlossene Projekte

  • Wear investigation model for primary and secondary controlled thermal power plants of the Entso-E-grid, VGB PowerTech 362   
  • Auswirkungen von fluktuierender Windenergieeinspeisung auf das regel- und thermodynamische Betriebsverhalten konventioneller Kraftwerke in Deutschland, Teil II, VGB PowerTech 333
  • Auswirkungen von fluktuierender Windenergieeinspeisung auf das regel- und thermodynamische Betriebsverhalten konventioneller Kraftwerke in Deutschland, VGB PowerTech 283
  • J.Safarov, Thermodynamische Eigenschaften von Meerwasser, DFG

  • S.Herrmann, Schwingdrahtviskosimeter mit integriertem Ein-Senkkörper-Dichtemessverfahren für Untersuchungen an Gasgemischen in größeren Temperatur- und Druckbereichen, DFG

  • R.Bank, Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Katalysatorenzur dieselmotorischen Abgasnachbehandlung zur Unterstützung von On-Board-Diagnose-Systemen, Drittmittel
  • M.Epp, MAPRO - Maritime Allianz Profile - Untersuchung des Verbrennungsverhaltens schwerölbetriebener Dieselmotoren am Beispiel eines Einzylinder-Forschungsmotors mit Hilfe laseroptischer Messverfahren mit dem Hintergrund schwankender Kraftstoffqualitäten, BMBF

  • M.Reißig, Untersuchungen zum Kaltstartverhalten eines direkteinspritzenden Ottomotors, Drittmittel
  • J.Turnow, Analyse der physikalischen Mechanismen zur Erhöhung des Wärmeübergangs auf Dellenoberflächen, DFG
  • G.Steffen, Berechnungen zum Wärmehaushalt eines wassergekühlten E-Motors, Drittmittel

  • M.Walter, N. Kornev, Untersuchung von turbulenten Mischungsvorgängen mit chemischer Reaktion mittels RANS und LES, Haushalt

  • N.Kornev, A.Taranov, E.Shukin, ShipLESBMWI

  • E.Sixel, CFD Berechnung von Strömung und Verbrennung in der Vorkammer eines Otto-Gas-Motors

  • U.Walter, Untersuchung des Wärmehaushalt eines Nassläufer-E-Motors

  • A.Schulze, Grundlagenuntersuchungen am Rostocker Ringbrenner

  • J. Safarov, Examination of thermal properties of heat transfer substances and the resulting optimization of concepts of technical installations, ASE 1073355, Alexander von Humboldt Stiftung

  • C.Janssen, Thermodynamische Modellrechnung zur Simulation der verbrennungsmotorischen Prozesse und der Schadstoffbildung, Drittmittel

  • N.Chindaprasert, Two-Zone Combustion Model in Spark Ignition Engine, Drittmittel

  • S.Jahnke & V. Zhdanov & M.Walter, Untersuchung von Mischungsvorgängen in Strahlmischern mit der Grobstruktursimulation unter Berücksichtigung von Wärmeübertragung und chemischer Reaktion, DFG-SPP 1141

  • H.Kröger & D.Wendig, Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen in freien Wirbelröhren, DFG

  • F.Gottelt,Kraftwerksbetrieb bei Einspeisung von Windparks, Drittmittel

  • D.Buttig, Untersuchung zur Diffusion von Gasen und Dämpfen in einer Loschmidt-Zelle mittels holografischer Interferometrie, DFG

  • D.Webersinke, Optimierung der Kühlung elektronischer Baugruppen, Drittmittel