Effiziente Gebäude- und Anlagentechnik

Projektlaufzeit: 01.09.2017 - 31.08.2020

Im Projekt AlgNutrient-UrBioSol arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Solarforschung und Bioökonomie gemeinsam an Lösungen, wie Mirkoalgen energie- und kosteneffizient zur Produktion von Biomasse eingesetzt werden können.

Mikroalgen sind wahre Arbeitspferde unter den Pflanzen, sie wandeln CO₂ aus der Atmosphäre in Biomasse um, und zugleich können sie als natürliche "Klärwerker" Stoffe wie Phosphat, Nitrat und Schwefelverbindungen aus Abwässern filtern. Dies wird international immer mehr in verschiedenen Photobioreaktorkonzepten ausgenutzt.

Mit den Partnern wird an bestehenden und neuen lichttechnischen Systemen geforscht, die in der modernen Agrarwirtschaft zur Mikroalgenproduktion eingesetzt werden können, um das bioökonomische Potenzial von Mikroalgen wirtschaftlicher nutzbar zu machen. Zu den Entwicklungsschwerpunkten gehört der Einsatz von angepassten Materialien zur Verbesserung der Lichtausnutzung und damit der Steigerung der Gesamteffizienz der Photobioreaktoren. Am Solar-Institut Jülich werden dazu verschieden geeignete, optische Systeme zur Lichtlenkung und -konzentration erforscht. Neben theoretischen Studien in Form von Raytracing Simulationen werden zudem erste Prototypen der Photobioreaktoren konstruiert und realisiert, die zur Validierung optisch vermessen werden.

Projektpartner:

• Institut für Bio- und Geowissenschaften - Pflanzenwissenschaften des Forschungszentrums Jülich
• Lomonosov Moscow State University
• Kurtschatow-Institut

Projektlaufzeit: Januar 2014 - Dezember 2017

Der steigende Einsatz von Technologien der Erneuerbaren Energien zur Deckung des Energiebedarfs erfordert die Entwicklung von technischen Lösungen für ein effizientes, flexibles sowie kostengünstiges Erzeugungs- und Lastmanagement.

Ein interdisziplinärer Forschungsverbund bestehend aus dem Solar-Institut Jülich und den Fachbereichen Energietechnik, Elektro- und Informationstechnik sowie Bauingenieurwesen der Fachhochschule Aachen widmet sich der Herausforderung, Gebäude mit Wärmepumpen (WP) beziehungsweise Blockheizkraftwerken (BHKW) und thermischer Speicherfähigkeit auszustatten. So fungiert sie als Schnittstelle zwischen Strom- und Wärmemarkt und trägt zum Ausgleich von Fluktuationen im Stromnetz bei.

Das zu entwickelnde Konzept umfasst neben Erzeugermanagement und Gebäude-Lastmanagement auch die Mensch-Maschine-Kommunikation. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit Überkapazitäten im schwankenden Energieangebot aus Erneuerbaren Quellen effizient zu nutzen und das Stromnetz durch die Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu stabilisieren. Am Beispiel eines fiktiven Referenzgebäudes (Hardware-in-the-loop, Simulation) wird das Potenzial des Konzepts ermittelt, wobei insbesondere der Entscheidungsspielraum für den Betreiber im Wirkungsgefüge von BHKW, Wärmepumpe und Speicherfähigkeit unter Berücksichtigung der Wetter- und Nutzungsprognose sowie der Anforderungen aus dem Stromnetz aufbereitet und dargestellt wird.

Projektförderung:

Projektlaufzeit: Februar 2022 – August 2022

Die umlaut SE, das Institut NOWUM-Energy und das Solar-Institut Jülich wurden von der Kupferstadt Stolberg, der StädteRegion Aachen, der IHK Aachen und der AGIT mbh mit der Durchführung einer Studie zur klimagerechten Transformation der Industrie in Stolberg beauftragt. Diese Studie steht im Kontext der Herausforderungen des Strukturwandels und der Energiewende in der Region Aachen sowie den Wiederaufbau-Bestrebungen nach dem Hochwasser im Juli 2021. Das Vorhaben wird von einem Großteil der dort in der Stolberger Talachse angesiedelten Industrieunternehmen unterstützt. Das Ziel der Studie ist die Erstellung einer Roadmap zur Dekarbonisierung der Stolberger Industrie und eines Förderantrags für ein Kernprojekt, das den Beginn dieser Roadmap darstellt.

Zu Beginn der Studie werden mit Hilfe eines Fragebogens und Begehungen der teilnehmenden Industrieunternehmen grundlegende Verbrauchs- und Prozessdaten gesammelt und hinsichtlich Energieeinspar- und Substitutionspotenzialen analysiert. Des Weiteren werden die Potentiale der gesamten Region Stolberg für den weiteren Ausbau einer regenerativen Energieversorgungsinfrastruktur betrachtet. Auf dieser Basis werden Projektideen zur klimafreundlichen Transformation der Talachse entwickelt. In Absprache mit den Auftraggebern und den Industrieunternehmen wird eine Kernprojektidee bestimmt, für welche ein passendes Förderprogramm identifiziert und ein Förderantrag ausgearbeitet wird. Dieser Förderantrag wird zum Projektabschluss zusammen mit der Roadmap, in welcher auch die anderen erarbeiteten Projektideen enthalten sind, zur Einreichung an den Auftraggeber übergeben.

Projektpartner:

• umlaut SE
• Institut NOWUM-Energy der FH Aachen

Auftraggeber:

• Kupferstadt Stolberg
• StädteRegion Aachen
• Industrie- und Handelskammer Aachen
• Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer mbH

Projektlaufzeit: 01.03.2007 - 31.12.2010

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Konzepts, die Wärme der im Abwasserkanal enthaltenen Luft über eine Wärmepumpe zu Heizzwecken zu nutzen. Dabei soll die in der Luft enthaltene Enthalpie über einen Wärmetauscher an den Solekreis übertragen werden. Nach der Analyse des thermischen Angebots der Kanalluft und der Vermessung des Energieinhalts wird eine Geruchsfilter- und Gasanalyse durchgeführt. Hierbei wird das Explosionsrisiko der Kanal-Abluft sowie deren Keimbelastung erforscht.
Anschließend wird ein Filter unter geruchstechnischen Gesichtspunkten entworfen. Zuletzt wird eine Pilotanlage in einem Einfamilienhaus installiert und über eineinhalb Jahre vermessen und optimiert

Projektförderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Programm FHProfUnt

Projektpartner:innen:

• Wallstein
• Umwelttechnik GmbH
• B+W GmbH

Seit dem Sommer 2016 steht dem Solar-Institut Jülich der Fachhochschule Aachen auf dem Campus Jülich ein, dem neusten technischen Standard entsprechender, Diesel-Motorenprüfstand für die Forschung und Entwicklung zur Verfügung.

Auf dem Motorenprüfstand wird aktuell ein aufgeladener 4-Zylinder-Diesel-Motor (55,4 kW) der Firma Deutz vermessen und in verschiedenen Forschungsvorhaben eingesetzt.

Die Vermessung von Abgasen (chemische Zusammensetzung, Analyse fester Bestandteile), Leistungsbestimmung von Motoren sowie Kraftstoff-Verbrauchsmessungen komplettieren einen multifunktionalen Dieselmotorenprüfstand. Die am neuen Dieselmotorenprüfstand durchgeführten Forschungsprojekte mit dem Schwerpunkt "Innovative Diesel-Partikel-Filter, Mischer für die selektive katalytische Reduktion und Komponenten zur Wärmerückgewinnung" stärken vor allem den erklärten Forschungsschwerpunkt "Mobilität" der Fachhochschule Aachen. Durch den besonderen individuellen Aufbau des Prüfstandes ist auch der Betrieb mit alternativen Kraftstoffen möglich.

Gefördert durch:

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
• Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen

Das Science College Overbach (SCO) wurde als Bildungszentrum für Wissenschaft, Kommunikation und Innovation vom Orden der Oblaten des Heiligen Franz von Sales in Jülich-Barmen im Jahr 2009 errichtet (1640 m2 HNF). Die Neubauten des SCO verfolgen unter energetischen Gesichtspunkten drei wesentliche Ziele: ein Energiekonzept bestehend aus hohem Wärmedämmstandard, innovativen Fassadenelementen und LOW-EX-Versorgungskonzept; der Schulkörper selbst dient als Lehrobjekt, das eine angenehme Lernathmosphäre bietet und effiziente Technik erfühlbar und erfahrbar macht; Innovative Komponenten wie Vakuumdämmung, elektrochrome Scheiben und Tageslichtsysteme kommen zum Einsatz.
In einer integralen Planungsphase (Bauherr, Planer, Betreiber, wiss. Begleitung) werden die wichtigsten Planungsentscheidungen getroffen. Während der bauphase werden qualitätssichernde maßnahmen durchgeführt. Die Monitoring-Phasen umfassen die Betriebsoptimierung und eine nachhaltige Einbettung in die Nutzung.

Eine anschauliche Übersicht über das Projekt findet sich hier: http://www.science-college.fh-aachen.de/.

Partner:innen:

• Orden der Oblaten des Heiligen Franz von Sales
• Ingenieurbüro für Umweltfragen
• HAHN HELTEN + ASSOZIIERTE
• Ingenieurbüro INCO GmbH

Projektbeginn: Januar 2020

Laufzeit: 1,5 Jahre

Algen sind fotosynthetisch aktive Organismen und können große Mengen an Nährstoffen akkumulieren. So können sie beispielsweise zur Entfernung von Nitraten und Phosphaten aus Abwasserströmen beitragen und damit die Verschmutzung von Oberflächen- und Grundwasser zu reduzieren helfen. Die Aufarbeitung von Nährstoffen aus Abfallströmen durch Algen ist eine aufstrebende Technologie, die regional im Bioökonomie-Revier helfen soll eine intensive Landwirtschaft ohne Erhöhung der Wasserverschmutzung umzusetzen, gleichzeitig aber auch in andere Regionen weltweit exportiert werden kann. Die gewonnene Biomasse kann aber auch in Bioraffinerien weiterverwendet werden und zu höherwertigen Produkten konvertiert werden. Im globalen Kontext ist die aus Abwasser (z. B. aus der Lebensmittelindustrie) gewonnene Algenbiomasse auch eine vielversprechende stoffliche Grundlage, um die fortschreitende Desertifikation in abgelegenen Regionen einzudämmen.

Um die Machbarkeit und den Nutzen dieser neuen Technologie im "Strukturwandel" zu demonstrieren, wird ein skalierbarer Demonstrator entwickelt, der aus koppelbaren Modulen auf der Basis von 20-Fuß ISO-Containern besteht. Als Demonstratoren werden vom SIJ und dem IBG-2 zwei Module gebaut; ein Algen-Photobioreaktor-Modul und ein Spektral Modul, das Licht und Energie aus Sonnenlicht liefert. Beide Systeme sind Teil des Demonstrators „Container-basierte Bioraffinerie“.
 

Projektpartner:

• Forschungszentrum Jülich / Institut für Bio- und Geowissenschaften 1: Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

Projektbeginn: 01.03.2017

Für die Kühlung von Gebäuden ist grundsätzlich eine Vielzahl von Technologien und Systemen verwendbar. Bei der Planung dieser Kühlsysteme sind Simulations- und Planungswerkzeuge notwendig, um das vielfältige Angebot an konventionellen und innovativen Kühltechnologien abbilden und vergleichen zu können. Weil bislang geeignete Planungs- und Berechnungstools fehlen, wird ein objektiver Technologievergleich mit Blick auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit erschwert. Einen Beitrag zur Schließung dieser Lücke leistet das Projekt "Coolplan-AIR".

Hauptziel des Projektes ist es, das im Vorgängerprojekt "Coolplan" entwickelte Planungstool für effiziente Technologien zur Kühlung von Gebäuden, die auf flüssigen Wärmeträgern basieren, auf luftgestützte Systeme zu erweitern. Hierzu zählen unter anderem VRF-Multisplit-Systeme, adiabate Kühlsysteme und Luft-Luft-Wärmepumpen. Daneben werden innovative Anlagen zur solaren Kühlung integriert und es sollen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld erfolgen.

Projektpartner:

• ETU
• Hochschule Düsseldorf
• Zentrum für Innovative Energiesysteme

Projektlaufzeit: Januar 2019 - Dezember 2023

Die primäre Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines Verfahrens zur ökologischen Bewertung, Optimierung und Steuerung für gebäudetechnische Anlagen auf Basis einer dynamischen Lebenszyklusanalyse, wobei sowohl kurzfristige (stündliche Schwankungen der spezifischen Emissionen (g CO2/kWh) der Stromerzeugung) als auch langfristige (Dekarbonisierung des Strommarkts) Effekte einfließen. Im Vorhaben werden aktuelle Szenarien angesetzt, die den sich dynamisch entwickelnden Energiemarkt über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten simulatorisch abbilden. Dementsprechend werden zeitlich hoch aufgelöste Datensätze der ökobilanziell wirksamen Emissionen generiert. Diesbezüglich besteht die Bestrebung in der Fortentwicklung eines Simulationswerkzeugs in MATLAB/Simulink zur dynamischen Simulation wärmetechnischer Systeme mit den zusätzlichen Sektoren Strommarkt und Verkehr in Kombination mit einer begrenzten Lastflussberechnung für das jeweils zu untersuchende Stromversorgungsnetz und ein frei definierbares Bilanzgebiet. Das Verfahren soll sowohl auf einzelne Gebäude als auch auf Quartiere anwendbar sein.

Projektpartner:

• Viessmann Werke GmbH & Co. KG
• ina Planungsgesellschaft mbH

Projektförderer:

• Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektlaufzeit: 01.11.2016 - 31.10.2019

Dieses Verbundprojekt zielt darauf, die Grundlagen für ein Fernerkundungsmess- und Analysesystem zu legen, mit dem Gebäudehüllen analysiert, Schwachstellen identifiziert und Ursachen für erhöhte Energieverluste erkannt werden können. Auf diese Weise soll eine genaue Planung von Sanierungsmaßnahmen an Gebäuden und perspektivisch an Gebäudegruppen ermöglicht werden, wobei eine Optimierung des Ressourcenverbrauchs und die Minimierung der Amortisationszeit im Zentrum steht.

Die beteiligten DLR-Institute für Solarforschung, Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, Methodik der Fernerkundung und Optische Sensorsysteme besitzen langjährige Erfahrung im Bereich der Sensortechnik und in der Analyse komplexer Energiesysteme. Das Solar-Institut Jülich seinerseits hat jahrelange praktische Erfahtung in der energetischen und bauphysikalischen Beurteilung von Gebäuden und der Planung von Sanierungsmaßnahmen. Die Ausstattung und die Erfahrungen des Solar-Institutes Jülich werden mit dem Ziel in das Vorhaben eingebracht, das zu entwickelnde Messsystem hinsichtlich Umfang und Genauigkeit der erfassten Daten zu untersuchen und eine umfangreiche Datengrundlage zur Validierung zu generieren.

Gefördert durch:

• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des 6. Energieforschungsprogrammes der Bundesregierung mit dem Förderschwerpunkt "Energieoptimierte Gebäude und Quartiere"

Koordinator und Verbundpartner:

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

Die SEG Jülich plant ein Neubaugebiet für teilweise Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie eine Kita und einen Gesundheitsbetrieb. Zusätzlich sollen mindestens 8 Grundstücke für sog. „Tiny Houses“ angelegt werden.

Im Auftrag der Stadtwerke Jülich (SWJ) und der Stadtentwicklungsgesellschaft (SEG) erstellt das SIJ in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-IEG eine Energiekonzeptstudie, welche die folgenden Punkte umfasst:

• Annahmen zum Wärme-/Kälte- und Strombedarf sowie weiterer relevanter Parameter werden mit dem AG abgestimmt.
• Definition von Referenz-Gebäuden im KfW55-Standard mit Luft-Wasser-Wärmepumpen, PV-Anlagen und einer Wallbox mit 11 kW Ladeleistung.
• In einem ersten Schritt werden 10 alternative Konzeptvarianten inkl. netzbasierter Lösungen entwickelt, beschrieben und mittels pauschaler Erfahrungswerte bzgl. technischer und wirtschaftlicher Eigenschaften nach dem Typtage-Verfahren dimensioniert und bewertet. Eine Bewertungsmatrix wird mit dem AG abgestimmt.

Gemeinsam mit SEG/SWJ werden drei Varianten ausgewählt, die im Anschluss genauer in dynamischen Simulationsrechnungen bewertet und optimiert werden. Hierbei werden auf Basis von Wetterdaten (1 aktuelles, 1 zukünftiges Jahr) Bedarfsszenarien berechnet, wobei Gesamtbedarf und Spitzenlast ermittelt werden. Eine Investitions- und Betriebskostenschätzung wird jeweils durchgeführt sowie eine Klimawirksamkeitsbetrachtung in CO₂-Äquivalenten. Die Robustheit der Berechnungen wird dabei durch Sensitivitätsanalysen (Wetter, Lastprofile, wesentliche Kostenannahmen) überprüft.

Projektlaufzeit: August 2012 - Juni 2015

Die Realisierung einer innovativen Energie- und Wasserversorgung von Gebäuden und gewerblichen Anlagen erfordert die Erarbeitung von Möglichkeiten und Rahmenbedingungen. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Green Building Council (Emirat Katar) bearbeitet das SIJ diese Fragestellung zur Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden.

Im Vordergrund steht dabei die Unterstützung konkreter Projekte, wie etwa das Baytna Passivhaus. Das SIJ erarbeitet Konzepte zur Erhöhung der Energieeffizienz im Gebäude- und Anlagenbereich. Hierzu werden auf der Grundlage von Gebäudeanalysen sowie dynamischen Simulationsrechnungen und Messungen von Energieströmen und Medientemperaturen der Energieverbrauch und die Energieeffizienz ausgewählter Objekte analysiert. Basierend auf dynamischen Gebäude- und Anlagensimulationsmodellen werden  Optimierungslösungen entwickelt, die zu einer deutlichen Reduktion im Energieverbrauch führen. Die Machbarkeitsstudien betreffen, angesichts des vorherrschenden Klimas, vorrangig die Gebäudekühlung und berücksichtigen lokale Randbedingungen, Anforderungen des allgemeinen thermischen Komforts und verfügbare Technologien. Möglichkeiten zur Nachrüstung gebäudeintegrierter erneuerbarer Energiequellen haben Vorrang vor einem Neubau oder der Totalsanierung.

Projektförderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie