Graduiertenkolleg Energieautarke Gebäude

Die konventionelle Versorgung von Wohnhäusern ist noch immer abhängig von fossilen Energieträgern. Der Strom wird dabei aus dem Netz bezogen und ist zu einem überwiegenden Teil in Gas-, Kohle- und Atomkraftwerken erzeugt. Die Wärmeversorgung basiert meist auf gebäudeinternen Gas-, Öl- oder Holzbrennern. Wie sich Gebäude und Kommunen der Zukunft mehr und mehr von dieser traditionellen Versorgungsstruktur lösen können, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TechnologieAllianzOberfranken im Rahmen des Graduiertenkollegs „Energieautarke Gebäude“.

Die Themengebiete „Energieeffiziente Gebäude“ und „Umwandlung, Verteilung und Speicherung regenerativer Energien“ sind in TAO schon seit vielen Jahren fest in den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten einiger Professuren verankert. Beide Themengebiete weisen eine hohe „Verwandtschaft“ auf und waren 2015 die thematische Grundlage für die Einrichtung des Graduiertenkollegs „Energieautarke Gebäude“, welches von TAO durch umfangreiche Personal- und Sachmittel finanziert wird.

Im Mittelpunkt steht die ganzheitliche Gestaltung von im Idealfall energieautarken Gebäuden im ländlichen Raum am Beispiel der Region Oberfranken insbesondere durch regenerative (dezentrale) Energie. Die beiden Leitgedanken sind dabei die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieurinnen und Ingenieuren und Informatikerinnen und Informatikern (auch) mit Geisteswissenschaftlerinnen und Geisteswissenschaftlern sowie das Zusammenbringen der sich ergänzenden wissenschaftlichen Expertisen der Universitäten Bayreuth und Bamberg und der anwendungsbezogenen Forschung und Entwicklung der Hochschulen Coburg und Hof.

Die bereits gute Kooperation der an TAO beteiligten Universitäten und Hochschulen in der Forschung wird damit strategisch ausgebaut. Derzeit erhalten 10 aus TAO finanzierte und 6 weitere assoziierte Doktorandinnen und Doktoranden einen attraktiven Rahmen, der es ermöglicht, gemeinsam an einem aktuellen TAO-Forschungsthema zu arbeiten. Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess und Dr.-Ing. Florian Heberle vom Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth fungieren als Sprecher und Koordinator des Graduiertenkollegs.


Promotionen

Promovendin

Sabrina Tietze

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth

Prof. Dr. Gerhard Lindner, Hochschule Coburg

 

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden sind Methoden der Energiespeicherung von besonderer Bedeutung. Bei elektrochemischen Speichern wird die Kinetik der elektrochemischen Prozesse allerdings u.a. durch den Aufbau einer elektrochemischen Grenzschicht an den Elektroden bestimmt. Diese Schicht hemmt den Transfer der Elektronen und somit die Ladung des Akkumulators.

Zielsetzung

Durch Beeinflussung der elektrochemischen Grenzschicht mit Hilfe akustischer Wellen soll der Elektronentransfer verbessert und somit elektrochemische Prozesse beschleunigt werden. In der Elektromobilität hätte dies z.B. den Vorteil, die Ladezeit eines Akkumulators zu verkürzen. Beim Elektropolieren kann die Zeit des Elektropoliervorgangs verkürzt werden, was wiederum industriell von Vorteil ist.

 

 

 

Promovend

Nicolas Weithmann

Betreuer

Prof. Dr. Ruth Freitag, Universität Bayreuth

 

Problemstellung

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Eintrag von Störstoffen, die über komplexe Substrate und Gärhilfsmittel in Biogasanlagen gelangen und dort auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft treffen. Im Besonderen Arsen, Antimon und Bismut werden durch die Mikroben methyliert und volatilisiert. Hierdurch entstehen zum einen geno- und zytotoxische Verbindungen die zu einer Hemmung der Mikrobiologie führen, zum anderen werden Methylgruppen dem Methanbildungsprozess entzogen.

Zielsetzung

Es sollen toxische Verbindungen identifiziert, Schadkonzentrationen bestimmt und direkte Auswirkungen auf die Mikrobiologie und die damit verbundene Gasausbeute nachgewiesen werden. Hierdurch soll in Energieautarken Kommunen eine zuverlässige Biogasversorgung zum Ausgleich der Fluktuation, aber auch als Grundlage für Power-to-Gas Applikationen, geschaffen werden.

Promovend

Patrick Kaiser, M.Sc. 

Betreuer

Prof. Dr. Ruth Freitag, Universität Bayreuth

Problemstellung

Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem eine mikrobiell katalysierte Freisetzung von Elektronen auf der Anodenseite und anschließender Elektronenaufnahme an der Kathode stattfindet. Es kommen hauptsächlich Mikroorganismen aus der Umwelt zum Einsatz, die in Form eines Biofilms auf der Anode angesiedelt werden. Der Biofilm baut sich stetig auf und ab, was wiederum die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert.

Zielsetzung

Es soll ein künstlicher Biofilm entwickelt werden, der aus ausgewählten elektrogenen Mikroorganismen besteht und zu einer gleichmäßigen Leistung der Brennstoffzelle führt. Die Forschungsarbeiten werden im Rahmen des Projektverbunds „Ressourcenschonende Biotechnologie für Bayern – BayBiotech“ durchgeführt, der vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert wird.

 

Links: Schema einer Mikrobiellen Brennstoffzelle zur Herstellung elektrischer Energie und Wasser; rechts: Aufbau einer Brennstoffzelle am Lehrstuhl Bioprozesstechnik

Promovend

Mario Mösch

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth

 

Problemstellung

Die Welt wird immer vernetzter. Künftig werden immer mehr Sensoren ihre Umgebung überwachen und ihre Informationen per Funk an andere Geräte senden. Um den wenig umweltfreundlichen Einsatz von Batterien zu vermeiden, beziehen Funksensorknoten der Zukunft ihre Energie über Energy-Harvesting aus ihrer Umgebung. Beim kinetischen Energy-Harvesting etwa soll die in häuslichen Mikrovibrationen (zufallende Tür, vorbeilaufende Menschen) enthaltene Energie genutzt werden. Der Harvester ist dabei auf eine Vibrationsfrequenz eingestellt; verändert diese sich, kann keine Energie mehr geerntet werden. Darum muss das System adaptiert werden.

Zielsetzung

Die Forschungsarbeit des ZET bezieht sich auf Grundlagen zur Nutzbarmachung von Gebäudevibrationen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Selbstadaptivität des Harvesters. Die große Herausforderung dabei ist es, die regelmäßige Selbstanpassung so zu gestalten, dass der Aufwand für ihren Betrieb den durch sie erreichten energetischen Nutzen nicht übersteigt.

 

 

 

Bei einer Vibration schwingen die hier zu sehenden Magnete um die Kupferspule in der Mitte und erzeugen so eine Induktionsspannung. Damit werden autarke Funksensorknoten gespeist.

 

 

Promovend

Pascal Diwisch, M.Sc.

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg, Universität Bayreuth

 

Problemstellung

Die gesetzliche Vorgabe, CO2-Emissionen zu reduzieren und somit dem Klimawandel entgegenzuwirken, bedingt den Ausbau regenerativer Energien. Diese sind aber oftmals von Wetterbedingungen abhängig. Eine Alternative hierzu bietet die Energieerzeugung aus Biogas. Wird dieses in gasbetriebenen Motoren eingesetzt, kann aufgrund besserer Abgaswerte und höherer Wirkungsgrade ein wertvoller Beitrag zur nachhaltigen Energiebereitstellung geleistet werden. Die Leistungsreduzierung infolge nicht aufbereiteter Biokraftstoffe muss der Motor, bei gleichbleibender Baugröße, Gewicht und Emissionswerten, kompensieren.

Zielsetzung

Ziel ist es, ein kompaktes Motorkonzept auf Basis des Zweitakt-Doppelkolbenmotors zu entwickeln, welches besonders für den Gasbetrieb geeignet ist. Darüber hinaus kann der Energiebedarf während der Fertigung wie auch die Fertigungskosten aufgrund der geringeren Baugröße und notwendigen Bauteile bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte, gesenkt werden.

 

 

 

 

Prototyp des Zweitakt-Doppelkolbenmotors am Prüfstand

Promovendin

Panagiota Garbis             

Betreuer

Prof. Dr.-Ing Andreas Jess, Universität Bayreuth

Zielstellung 

Anlässlich der Energiekonzepte werden neue Ziele gesetzt, um den Anteil der erneuerbarer Energien zu steigern. In den zukünftigen Energieversogungsystemen nimmt Wasserstoff eine zentrale Position als Kraftstoff im Transport als auch im stationären Einsatz in Wohnhäusern im Zusammenhang mit Brennstoffzellen ein. Der stationäre Einsatz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) in Häusern kann zur Strom- und Wärmeversorgung eines Hauses dienen. Auf Grund des Erdgas Versorgungsystems, ist Erdgas die erste Wahl zur Produktion von Wasserstoff durch Dampfreformierung für den Betrieb einer Brennstoffzelle. Dabei entsteht aber unter anderen ein kleiner Anteil an Kohlenmonoxid. Das entstehende Kohlenstoffmonoxid ist wiederum ein Katalysatorgift und deaktiviert die Brennstoffzelle. Um die CO-Belastung der Brennstoffzelle zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern, soll das Kohlenmonoxid an einem hochselektiven Rutheniumkatalysator wieder zu Methan umgesetzt werden. Das im Einsatzgas enthaltene und dem CO chemisch ähnliche CO2 soll hingegen nur im geringen Maß zu Methan umgesetzt werden, um eine hohe Wasserstoffausbeute zu gewährleisten.

Innerhalb der Promotion werden verschiedene Katalysatoren für diese Umsetzung synthetisiert und getestet. Zudem wird ein technischer Reaktor mit optimalen Betriebsbedingungen ausgelegt. Somit ergibt sich ein hochselektiver CO-Aufreinigungsschritt für die Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff aus Methan im kleinen Maßstab.

Promovend

Georg Tauer, M.Sc.

Betreuer

Prof. Dr.-Ing Andreas Jess, Universität Bayreuth

 

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden, bzw. energieautarken Kommunen stellt sich  nicht nur die Frage der Energieerzeugung, sondern ebenfalls der effektiven Nutzung und Speicherung. Mithilfe der Power-to-Gas Technologie lässt sich mit Überschussstrom Wasserstoff erzeugen, der anschließend mit CO2, beispielsweise aus Biogas, katalytisch zu Methan umgesetzt werden kann. Methan als Energieträger besitzt den Vorteil, dass es einfach transportiert werden kann und viele Anwendungsmöglichkeiten besitzt. Somit ließe sich Überschussstrom chemisch speichern und Biogas veredeln, um es ins Erdgasnetz einzuspeisen. Da die Wasserstofferzeugung an die Stromproduktion gekoppelt ist, muss der Reaktor dynamisch betrieben werden. Um einen hohen Umsatz und einen sicheren Reaktorbetrieb der stark exothermen Reaktion (-165 kJ/mol) zu gewährleisten, ist ein mathematisches Modell nötig.

Zielsetzung

In der Arbeit soll ein mathematisches Reaktormodell für die Methanisierung von Biogas unter instationären Bedingungen entwickelt werden, das sowohl den Umsatz als auch das Temperaturprofil im Reaktor zuverlässig voraussagt. Das Modell soll an einem wandgekühlten Einzelrohrreaktor mit 1 m Länge verifiziert werden.

 

Promovendin

Stefanie Paulini, M.Sc

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Tobias Plessing, Hochschule Hof 

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth

 

Problemstellung

Um zukünftig energieautarke Gebäude mit Strom und Wärme aus regenerativen Energiequellen zu versorgen, sollen Wärmepumpen mit solarem Eisspeichersystem und Photovoltaik zum Einsatz kommen. Bei diesem Heizungssystem stellen die Solarabsorber und der Eisspeicher die Primärquelle der Wärmepumpe dar. Im Bereich des Wärmeeintrags über das Dach und des Eisspeichers hat das System noch Defizite. Insbesondere die Strömungsverhältnisse im Eisspeicher und der Phasenübergang von Wasser zu Eis bedürfen genauerer Untersuchungen, um die Effizienz des Gesamtsystems weiter zu verbessern.

Zielsetzung

Durch die Simulation von Strömungsverhältnissen und Eisaufbau und die Validierung der Simulationsergebnisse an einem Modelleisspeicher soll der Phasenübergang und die Effizienz des Eisspeichers optimiert werden. Hierbei soll unter anderem die Geometrie des Wärmeübertragers im Eisspeicher variiert werden.

 

 

Modellprüfstand mit 8 kW Wärmepumpe (rechts), Eisspeichermodell Halbkugel (links) und Regenerationswärmespeicher mit Heizstab (Mitte)

 

 

Promovend

Sebastian Kuboth, M. Sc.

Betreuer

Professor Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth

 

Aufgrund des stetigen Ausbaus der erneuerbaren Energien kommt es vermehrt zu hohen Netzauslastungen und negativen Strompreisen am Energiemarkt. Dies stellt sowohl die Betreiber konventioneller Kraftwerke bzw. den Netzbetreiber als auch die Volkswirtschaft im Allgemeinen vor neue Herausforderungen. Um diese zu bewältigen gibt es in der aktuellen Forschung verschiedene Ansätze, wie die Speicherung elektrischer Energie in Batterien oder anderen Anlagen, der Erzeugung von Gas (Power-to-Gas) oder Nutzwärme (Power-to-Heat). Während die Erzeugung von Gas und die Speicherung in Batterien bzw. Pump- oder Druckluftspeicherwerken meist mit hohen Investitionen verbunden ist, kann die Umwandlung in Nutzwärme mit einfachen Mitteln umgesetzt werden.

Elektrische Überschussenergie kann mit Hilfe elektrisch angetriebener Wärmepumpen, die u.a. in Einfamiliengebäuden zur Gebäudeheizung eingesetzt werden, effektiv in Nutzwärme umgewandelt werden. Um die Gebäudeheizungen großflächig zur Umwandlung elektrischer Überschussenergie nutzen zu können, ist die Akzeptanz der Nutzer von großer Bedeutung. Der Komfort der Bewohner steht daher einer zur Überhitzung des Gebäudes führenden möglichst hohen Umwandlungsrate gegenüber. Abhilfe bieten thermische Speicher, die ggf. bereits in Form von Heizungspufferspeichern oder Trinkwasserspeichern zur Verfügung stehen. Diese können die erzeugte Wärme aufnehmen und je nach Bedarf der Bewohner zeitlich versetzt wieder abgeben. Dabei soll auch der Photovoltaik Eigenverbrauch und der Autarkiegrad der untersuchten Gebäude erhöht werden.

Da die Kapazität konventioneller thermischer Speicher begrenzt ist und die Leistungszahl von Wärmepumpen bei Erhöhung der Senkentemperatur abnimmt, werden am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) verschiedene Untersuchungen zur Erhöhung des Speicherpotentials durchgeführt. Die Anlagensteuerung muss dabei die Umwandlung von Überschussenergie, die Systemarbeitszahl sowie die Behaglichkeit der Bewohner berücksichtigen. Für diese Untersuchungen werden am LTTT Laboranlagen mit Luft/Wasser-Wärmepumpen und ein in MATLAB® Simulink® entwickeltes Simulationsmodell verwendet.

 

 

 

 

 

Wärmepumpe der Versuchsanlage am LTTT der Universität Bayreuth

Promovend

Thomas Winkler, M.Sc

Betreuer

Prof. Dr. René Peinl, Hochschule Hof

Prof. Dr. Thorsten Staake, Universität Bamberg

 

Problemstellung

Das Projekt beschäftigt sich mit der Usability von Heizungssteuerungssystemen und Thermostaten in Wohnungen.

Heutzutage spielt die Benutzeroberfläche eine immer wesentlichere Rolle bei der Akzeptanz eines Produktes. Gleichzeitig sinkt die Bereitschaft, sich in undurchsichtige Bedienkonzepte einzuarbeiten. Dies trifft ebenso auf Heizungssteuerungen und Thermostaten zu, welche zudem nur selten im Fokus der Menschen stehen und somit nicht die notwendige Aufmerksamkeit der Bewohner erhalten. Komplexe Interfaces vergrößern zudem die Wahrscheinlichkeit, die Heizungsanlagen falsch zu bedienen.

Zielsetzung

Das Ziel des Projekts ist die Optimierung der Usability dieser Steuerungen. Dies ist insbesondere wichtig, um in zukünftigen energieautarken Gebäuden die Gefahr zu bannen durch komplizierte Interfaces die komplexen Heizungsanlagen falsch zu konfigurieren bzw. zu steuern.

 

 

Startseite und Einstiegsseite des Fragebogens, stellvertretend für den gesamten Datenerhebungsprozess

Promovend

Andy Gradel

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess, Universität Bayreuth

Prof. Dr.-Ing Tobias Plessing, Hochschule Hof

 

Problemstellung

Aufgrund der zunehmenden Knappheit fossiler Brennstoffe ist der Ausbau autarker Versorgungsnetze für Gebäude und Kommunen aus erneuerbaren Energiequellen eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Eine flexible Lösung bietet hierbei die Vergasung der Reststoffe zu einem brennbaren Produktgas durch Teiloxidation des Feedstocks. Während der pyrolytischen Zersetzung entstehen dabei sogenannte Teere, die das Produktgas verunreinigen. Eine zu hohe Belastung mit derartigen Stoffen verschmutzt und beschädigt nachfolgende Prozesskomponenten, weshalb eine aufwendige Gasreinigung unumgänglich und den Prozess bis heute für viele Einsatzsstoffe unwirtschaftlich macht. 

Zielsetzung

Eine neuartige Technologie, entwickelt mit dem Industriepartner WS Wärmeprozesstechnik GmbH, soll die Teerbelastung im Produktgas durch die Adsorption an prozessinterne Stoffe deutlich reduzieren. Der Nutzungsgrad des vorhandenen Potentials biogener Abfallstoffe könnte dann mit kostengünstigen, dezentralen Kleinanlagen deutlich erhöht werden.

 

 

 

 

 

Versuchsreaktor bei der ersten Inbetriebnahme

 

 

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Florian Heberle

Dr.-Ing. Florian Heberle

0921 55-7285
Florian.Heberle@uni-bayreuth.de