Solarenergie und Geothermie - SGT -

Die Arbeitsgruppe Solarenergie und Geothermie forscht auf dem Gebiet der Solarenergie und der oberflächennahen Geothermie. Der Forschungsansatz geht dabei von der Entwicklung und Optimierung einzelner Komponenten bis hin zur Integration in komplexe Energiesysteme. Es werden sowohl thermische als auch elektrische Fragestellungen betrachtet und deren Wechselwirkung untersucht.

Wesentliche Schwerpunkte der Arbeiten sind:

  • Integration von Solarenergie und oberflächennaher Geothermie in Energiesysteme
  • Wechselwirkung volatiler Erzeuger und Verbraucher mit Strom- und Wärmenetzen
  • Intelligente Stromnetze (Smart Grids)
  • Entwicklung innovativer sensibler Wärmespeicher
  • Entwicklung von Solar- und PVT-Kollektoren
  • Qualitätssicherung bei Erdwärmequellen
  • Innovative Erdwärmequellen und deren Anwendungen (z. B. CO2-Erdwärmesonden)

Ansprechpartner:
Gruppenleiter:
Dipl.-Phys. Lars Staudacher
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-41
Fax: +49 89 329442-12
lars.staudacher@zae-bayern.de

Stellv. Gruppenleiterin:
Dipl.-Ing. Hanne Karrer
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-48
Fax: +49 89 329442-12
hanne.karrer@zae-bayern.de

Link zum Gruppenflyer

Leistungen & Ausstattung

Leistungen

  • Entwicklung von Komponenten thermischer Energiesysteme (Wärmespeicher, Niedertemperaturheizsysteme, Solarkollektoren, PVT-Kollektoren, Hochtemperaturwärmedämmung)
  • Durchführung unabhängiger Komponententests
  • Planungsunterstützung und messtechnische Begleitung von Demonstrationsprojekten
  • Nichtinvasive Analyse von PV-Anlagen
  • Durchführung von Thermal-Response-Tests für Erdwärmesonden
  • Überprüfung von Thermal-Response-Test-Geräten
  • Dynamische Simulation (z. B. TRNSYS, Dymola, Polysun, ANSYS)
  • Simulation von elektrischen Verteilnetzen
  • Prognostizierung elektrischer Verbraucher und Erzeuger
  • Modellierung von Smart-Grid-Komponenten (z. B. Umrichter, Batterien)
  • Plausibilisierung, Management und Visualisierung großer Datenmengen und Zeitreihen
  • Erstellung von Energiekonzepten mit erneuerbaren Energien und (saisonaler) Speicherung von Wärme und Strom
  • Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

Ausstattung

  • Solar-Teststand und -Tracker
    • Thermische Leistungsmessung von Kollektoren bis 160 °C
    • Thermische und elektrische Leistung (bis 1000 W kurzzeitig) von PVT-Kollektoren
    • Zweiachsige Nachführung
  • Elektrische Speicher und Netze
    • Quartierspeicher 72 kW und 330 kWh inkl. Wetterstation (Epplas/Hof)
    • Elektrische Last- und Erzeugungsmessung (PV) via Smart-Meter der ersten Generation in ca. 30 Partnerhaushalten
  • Testzentrum Arzberg
    • Batterietestsand mit 20 kW DC-Stromquelle und -senke
    • Wetterstation mit Direktstrahlungssensor und SkyCam
    • Ca. 50 kWp PV-Generatoren unterschiedlicher Modultechnologien
    • Redox-Flow-Batterie-Cluster mit 90 kW und 390 kWh
  • Thermal-Response-Test (TRT)
    • Mobile Messapparatur zur Bestimmung der thermischen Untergrundeigenschaften (ungestörte Bodentemperatur, Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes, thermischer Bohrlochwiderstand)
    • Einsatzgebiet: Koaxialsonden, Einfach- sowie Doppel-U-Sonden jeweils mit einer Länge zwischen 30 und 200 m
  • Prüfgerät für TRT-Geräte
  • Klimakammer mit künstlicher Beschneiung
    • Beschneiung von Flächen bis 1 m2
    • Konditionierung größerer Teile bis -20 °C
  • Wärmeleitfähigkeitsmessung
  • Wärmebildkamera

Projekt-Highlights

QEWSplus –
Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme

Dieses durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Verbundvorhaben mit insgesamt acht Projektpartnern behandelt die Qualitätssteigerung bei oberflächennahen geothermischen Systemen. Aufbauend auf den im Vorgängerprojekt QEWS II gewonnenen Erkenntnissen, werden wichtige Aspekte von der Auslegung und Planung über die Ausführung bis hin zur Inbetriebnahme untersucht und Problemlösungen entwickelt. Vier Teilprojekte behandeln thermische Testmethoden, TRT-Prüfgeräte, Verfüllbaustoffe sowie Modellierungsarbeiten, wobei jeweils mehrere Projektpartner ihre Expertise einbringen.

Das ZAE Bayern befasst sich in seinem Teilvorhaben mit der Entwicklung eines In-Situ-Mess- und Auswerteverfahrens, welches die Überprüfung und Ermittlung der thermisch-energetischen Eigenschaften geothermischer Quellensysteme ermöglicht. Das Thermal-Response-Test-Verfahren (TRT) soll außerdem für weitere Quellensysteme neben Erdwärmesonden nutzbar gemacht werden, um das thermische Verhalten im Untergrund zu charakterisieren und Auslegungsberechnungen zu verbessern. Der vorhandene Prüfstand für TRT-Geräte soll ebenfalls weiterentwickelt und mit seiner Hilfe Zertifizierungsregeln für solche Geräte erarbeitet werden. Darüber hinaus werden auch die Qualität verschiedener Verfüllmaterialien, besonders im Hinblick auf Frost-Tau-Wechsel, weiter untersucht und Möglichkeiten zu ihrer Verbesserung gesucht.

Gesamtziel des Projekts ist die Sicherung und Steigerung der Qualität oberflächennaher geothermischer Anlagen. So sollen Risiken abgebaut, Energiegestehungskosten gesenkt und die Effizienz und Anlagenverfügbarkeit sowie Bekanntheit und öffentliche Akzeptanz oberflächennaher Erdwärmesysteme gesteigert werden.

HT-VSI –
Entwicklung einer Vakuumsuperisolation als hocheffiziente Wärmedämmung für industrielle Hochtemperatur-Anwendungen

ZAE Bayern - HT-VSI-Projekt

Ein großer Teil des Primärenergieverbrauchs in Deutschland entfällt auf Prozesse der energieintensiven Industrien (z. B. Metall, Glas) bei Hochtemperatur (200 bis 1.000 °C). Doch trotz Wärmedämmung und -rückgewinnung treten oft hohe thermische Verluste auf. Zur Steigerung der industriellen Energieeffizienz befasst sich dieses Vorhaben mit der Entwicklung einer hocheffizienten Hochtemperatur-Wärmedämmung in Form einer Vakuumsuperisolation (VSI). Das Funktionsprinzip der VSI basiert auf der Evakuierung poröser Pulvermaterialien (pyrogene Kieselsäure, expandiertes Perlit) zur Unterdrückung der Gaswärmeleitung. Indem die Pulver zu Platten gepresst und mit einer vakuumdichten Folie umhüllt werden, lassen sich insbesondere ebene Vakuumisolationspaneele (VIPs) herstellen. Hauptanwendungsgebiet der Hochtemperatur-VSI in diesem Vorhaben sind mobile Feststoff-Wärmespeicher in Containerbauweise bei Speichertemperaturen von 200 bis 600 °C. Diese sollen mit Hochtemperatur-VIPs gedämmt werden, um die Effizienz der Wärmespeicherung zu verbessern sowie das hohe Abwärmepotenzial energieintensiver Industrien innerbetrieblich bzw. extern (Fernwärme) besser zu nutzen.

Projektleitung: Peter Osgyan, peter.osgyan@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 12.2018 - 5.2022

GERDI –
Energieeffiziente Beheizung von Oberflächen mit CO2-Erdwärmesonden

Kritische Verkehrsflächen im Außenbereich werden in Deutschland meist direkt elektrisch beheizt. Wesentlich effizienter ist der Einsatz erdgekoppelter Wärmepumpen, die hier auch bereits zum Einsatz kommen. Mit der Technik der direkt gekoppelten CO2-Erdwärmesonde, die ausschließlich Erdwärme nutzt, ist dagegen kein zusätzlicher Energiebedarf für Pumpen oder einen Kompressor erforderlich. Dadurch kann konventionelle Energie eingespart und damit der CO2-Ausstoß reduziert werden.

Ziel des geplanten Vorhabens ist es, diese Technik auf ein wesentlich breiteres Anwendungsfeld zu erweitern und die dafür erforderlichen Grundlagen zu erarbeiten. Im Rahmen des Vorhabens sollen zunächst Fragestellungen zur Wärmeübertragung in einem CO2-Thermosiphon und in Oberflächen-Heizelementen bearbeitet werden und aus den gewonnenen Erkenntnissen Baumuster entwickelt werden, die anschließend im Labor getestet werden. Parallel dazu erfolgt die für die Auslegung eines solchen Systems notwendige Erstellung einer Auslegungssoftware. Schließlich sollen mit der Technik zwei Demonstratoren ausgerüstet und diese messtechnisch begleitet werden.

Projektleitung: Lars Staudacher, lars.staudacher@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 06.2019 - 05.2022

C/sells –
Das Energiesystem der Zukunft im Sonnenbogen Süddeutschlands

ZAE Bayern - Csells-Projekt

C/sells ist zellular, partizipativ und vielfältig – genau wie die Verteilungsnetze. Doch in der Mittel- und Niederspannung besteht Nachholbedarf bei den Themen: Verfügbarkeit von und Umgang mit Messdaten, Verständnis von Verbrauchern und Einspeisern sowie zukünftigen Herausforderungen wie Ladesäulen. Um Verteilungsnetze auf eine Stromversorgung vorzubereiten, die größtenteils bzw. komplett auf erneuerbarer Energie basiert, erforscht das ZAE in C/sells das netzdienliche Angebot von Flexibilität in der Niederspannung mit einem Quartier-Flussbatterie-Speicher.

Projektleitung: Christoph Stegner, christoph.stegner@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 01.2017 – 12.2020

ZAE Bayern

Wir betreiben angewandte Forschung an der Schnittstelle zwischen Grundlagen und Industrie. Dort entwickeln wir Methoden und Systeme, die durch intelligente und effiziente Nutzung erneuerbarer Energien CO2-Neutralität ermöglichen.

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