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ENERGIE

Mit der Energieversorgung als zentralen Beitrag zur Klimazukunft arbeitet das FiW an innovativen, nachhaltigen Konzepten für wasserwirtschaftliche Fragestellungen der Energieversorgung, der Energieoptimierung und der Sektorenkopplung. Das FiW begleitet dabei Projekte von der grundlegenden Verfahrensentwicklung bei technologischem Reifegrad 2 bis zur industriellen Integration von Energie-, Verfahrens- und Systemkonzepten bei Reifegrad 9. Dabei übernimmt das FiW sowohl die Rolle als Koordinator unterschiedlich agierender Partner als auch Betreiber von Labor– und Pilotanlagen hands-on im Einsatz Vorort. Wir leisten weitere Beiträge durch mathematisches Modellieren, Simulieren und durch Optimierung unterschiedlichster Verfahren und Systeme.

Aktuell ist das Fachthema Energie insbesondere durch folgende Themen geprägt:

  • Verfahrensentwicklung im Bereich heterogener Katalyse klimaneutraler Kraftstoffe
  • Systemintegration erneuerbarer Energieträger
  • Verfahren zur energetischen Biomassenutzung
  • Energieeffizienz auf Kläranlagen

Der Umstieg auf erneuerbare Energieträger erfordert oftmals die Dynamisierung der Energieversorgung eines Energiesystems. Ob Haushalt, Betrieb, Kläranlage, Kraftwerkskomplex oder ganze Kommune, die Herausforderungen sind oft nicht mehr heuristisch lösbar. Auch die Steuerung und Regelung verfahrenstechnischer Prozesse sind meist so komplex, dass nur Modelle und Simulationen Auskunft über die optimale Fahrweise von Anlagen geben können.  Das FiW arbeitet deshalb mit Hilfe unterschiedlicher Modellierungsumgebungen und Optimierungsmethoden, um fundierte Prognosen und optimierte Betriebsstrategien für regenerative Erzeuger und Prozessanlagen entwickeln zu können.

Die energetische Nutzung von Biomasse bietet im Einklang mit Klimaschutzaspekten einen wesentlichen Nutzwert. So bietet die Erschließung bisher ungenutzter Bioabfälle und Grünschnittmaterialen in Hackschnitzelheizungs- oder Biogasanlagen das Potenzial nachhaltiger regionaler Energiekonzepte. Gleiches gilt für die Entwicklung neuer biologischer Biogasaufbereitungsverfahren, welche den Einsatz von Verbrauchsmaterialen verringern und so Kosten sparen.

Die Wasserwirtschaft bietet ein breites Spektrum an Synergiepotenzial zur Nutzung und Integration des Wasserelektrolyse an verschiedenen Standorten. Hoher Sauerstoffbedarf in der Denitrifikation oder möglichen Ozonungsanlagen und die vielerorts vorhandene eigenständige grüne Stromproduktion machen den Einsatz der Elektrolyse in der Wasserwirtschaft zu einer interessanten Option für die effiziente Nutzung beider Produkte der Elektrolyse und zur Positionierung der Wasserwirtschaft als Bindeglied verschiedener Sektoren.

Um die optimale Einbindung der Elektrolyse in wasserwirtschaftliche Anwendungen zu gewährleisten und die wirtschaftliche Umsetzbarkeit entsprechender Konzepte zu gewährleisten, arbeitet das FiW an der Schnittstelle zwischen Theorie und Praxis. So werden Konzepte für die Nutzung der Wasserelektrolyse in Modellierungsumgebungen wie SIMBA oder Matlab/Simulink zunächst theoretisch in Machbarkeitsstudien erprobt, bevor es zur realen Umsetzung der Vorhaben kommt. Beide Stufen der Projektentwicklung begleitet das FiW als Partner.

In umfänglichen Modellen von Kläranlagen wird die Integration erneuerbarer Energieträger in die Infrastruktur der Kläranlagen geprüft.

Neben Kläranlagen sind Wärmenetze oft lokale komplexe, kommunale Energiesysteme. Besonders die Wärmeversorgung steht vor dem Hintergrund der Energiewende vor vielen bedeutenden Fragen: der Wegfall thermischer Kraftwerke bereitet viele komplizierte Hürden für die nachhaltige, sichere Versorgung großer Netze mit ausreichend Wärme. Durch die Schnittstellen der Wasser- und Energiewirtschaft, hat das FiW in den vergangenen Jahren vielschichtige kommunale Versorgungsfragen mitbetrachten und hierdurch eine Expertise im Bereich der Energieversorgung von Unternehmen und Haushalten über Wärmenetze aufbauen können. Am FiW findet zur Untersuchung komplexer Fragestellungen im Bereich der Wärmeversorgung das Simulationstool STANET Anwendung, was detaillierte state-of-the-art Modellierung von Wärmenetzen ermöglicht. Wir begleiten Stadtwerke und Unternehmen bei der Modellierung, Simulation und Optimierung ihrer Wärmenetze. Weiterhin unterstützen wir Kommunen und Unternehmen bei der Konzeptualisierung von nachhaltigen Energieversorgungsproblemen.

Neben Energie- und Stoffstromoptimierungen von Energiesystemen, die oftmals wirtschaftlich getrieben sind, ist die Bewertung und Optimierung von Energiesystemen hinsichtlich ihres ökologischen Impacts ein wichtiger Bestandteil nachhaltiger Planung. Das FiW bietet daher bei der Projektentwicklung ebenfalls entsprechende Modellierungen in der Software GaBi an, die den Industriestandard für entsprechende Modelle darstellt. So können Verfahren, Energieversorgungssysteme, Produkte und Prozesse modelliert werden und ihre Nachhaltigkeit entsprechend bewertet werden.

Die Herstellung und Nutzung von Chemikalien und Kraftstoffen biogenen Ursprungs kann als regenerativ oder klimaneutral gewertet werden, da der gebundene Kohlenstoff auf Biomasse meist der Atmosphäre entzogen wurde. Darüber hinaus kann abgeschiedenes CO2 aus Bioerdgasanlagen oder Müll- bzw. Klärschlammheizkraftwerken als Ressource betrachtet werden.

In den vergangenen Jahren ist das FiW an der Entwicklung und der Erprobung eines Verfahrens zur Synthese von Methanol aus Biogas und Verfahren zur Synthese und Nutzung von Kraftstoffen auf Grundlage abgeschiedenen COund Wasserstoffs führend beteiligt gewesen. Die Verfahren wurden von der Auslegung über Anlagenkonzeptionierung, Erprobung an der Pilotanlage und Bewertung betreut. Synergetische Standorte ergeben sich hierbei sowohl in der Wasser- als auch der Abfallwirtschaft. Neben der Arbeit an der Pilotanlage, welche die holistische Betrachtung des Konzeptes und reale Einsatzbedingungen erlaubt, sind wir an der Entwicklung und Erprobung neuer Katalysatoren für diesen Prozess beteiligt. Hierzu werden Versuchsanlagen im Labormaßstab betrieben.

Neben der praktischen Erprobung und Weiterentwicklung von Verfahren, können diese darüber hinaus in etablierten Modellierungsumgebungen wie Matlab/Simulink oder Flow-Sheet-Simulatoren abgebildet und berechnet werden.

Referenzen

AIX-Net-WWR

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Aachen Network for Waste Water Reuse

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Sektorenkopplung: Abwasser, Energie und Verkehr

E-BO(2)t – Produktion elektrolysebasierter Methanolkraftstoffe und wasserwirtschaftliche Sauerstoffnutzung auf der Kläranlage Bottrop

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Methanolsynthese aus Klärgas

GREEN-BEE – Markt- und produktorientierte Weiterentwicklung des Konzeptes zur Synthese von Methanol aus Klärgas

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Der grüne Kraftstoff, der uns morgen antreibt

Methanolstandard – Untersuchung der technischen Grundlagen zur Standardisierung von Methanolkraftstoffen in Europa

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Anoxische Biowäsche zur Entschwefelung von Biogas als Beitrag für die Klimazukunft

NitroSX – Mikrobiologische Biogasentschwefelung

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Neue Verfahren zur Erzeugung klimaneutraler Energieträger auf Basis von Biogas sowie erneuerbarem Überschussstrom

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Regionaler Dialog Energiewende – gemeinsam auf dem Weg zur Energieregion

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SolNahWal – Machbarkeitsstudie für ein Wärmenetzsystem der vierten Generation („Wärmenetzsysteme 4.0“) Standort Aachen-Walheim

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Entwicklung von nachhaltigen Wärmeversorgungs- und Optimierungslösungen

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