Cluster F: Impact H2 green
Beteiligte Disziplinen
Verfahrenstechnik, Landschaftsarchitektur, Landschaftsplanung, Umweltwissenschaften, Informatik, Wirtschaftswissenschaften
Motivation und Ziele von Cluster F
Das Besondere an diesem Cluster ist das hier ganz zentral von allen Teilprojekten (TP) herangezogende Beispiel eines Referenz-Energieparks Autarker Energiepark, der auch clusterübergreifend ein verbindendes Element zwischen allenbeteiligten TP des 4. Boysen-TUD-GRK darstellt. Eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft im großen Stil – im Sinne eines zukünftigen GreenGas Deals – gründet auf der ausreichenden Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energie (EE) -Quellen, insbesondere Wind- und Solarenergie. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist die Ausschöpfung aller Wind- und Solarpotenziale aus technologisch-systemischer, landschaftlicher, ökologischer und ökonomischer Perspektive für die Energiebereitstellung. Dabei ist unklar, welchen Umfang und welche Auswirkungen dies auf das technische System und die Integrierbarkeit der generierten Leistungen hat und welche Eingriffe in das Landschaftsbild und in Ökosysteme damit verbunden sein werden. Diese gilt es vorher bestmöglich abzuschätzen, um mögliche Risiken zu vermeiden und negative Auswirkungen zu minimieren.
Dabei stellt sich eine Reihe von systemischen, logistischen, technischen und wirtschaftlichen Fragen. Neben dem Einfluss der Wind- und PV-Anlagen selbst sollen Fragen/Konsequenzen zum Ausbau, zur Nachhaltigkeit insbesondere in Bezug auf die eingesetzten Werkstoffe und deren Recyclingfähigkeit, zu ökologischen Auswirkungen, zum Einfluss auf die Atmosphäre, zum Boden und den Wasserhaushalt, zur Bereitschaft von Unternehmen sowie zum Einfluss auf das Landschaftsbild beantwortet werden. Dazu sind transparente und belastbare Rahmenbedingungen zu definieren und Simulationsmodelle für die Vorhersage und das anschließende Monitoring zu entwickeln.
Im Cluster angestrebter wissenschaftlicher Mehrwert
Im Cluster werden die technologisch-systemischen, landschaftlichen und ökologischen Impacts auf innovative Weise kumulativ betrachtet. Teilprojektübergreifend sowie in einem integralen Nachhaltigkeits-Monitoringkonzept zur Bewertung verschiedener EE-Ausbauszenarien werden die Ergebnisse zusammengeführt. Auf diese Weise werden lokale und regionale Ausbaupotenziale unter Berücksichtigung technologisch-systemischer, landschaftlicher und ökologischer Grenzen ermittelt.
Die Teilprojekte im Einzelnen
Cluster F vereint insgesamt sieben Teilprojekte (TP F1 bis TP F7).
In TP F1 - Technologisch-systemischer Impact der Wasserstoffwirtschaft werden in einem ersten Schritt die technologisch-systemischen Auswirkungen des weiteren Ausbaus von Erneuerbaren Energien (EE) (Wind und PV) für eine grüne Wasserstoffwirtschaft analysiert. In einem zweiten Teilschritt erfolgt die Bestimmung des Werkstoff- und Rohstoffbedarfs für den weiteren Ausbau von EE. Hierfür werden Nachhaltigkeitskonzepte und Konzepte zur Kreislaufführung und zum Recycling, sowie zu geeigneten Prozessen und Anlagen erarbeitet. Im dritten Schritt erfolgt die Untersuchung der direkten Wechselwirkung von Wind- und PV-Anlagen sowohl untereinander als auch mit der Umgebung/Umwelt. Hierfür werden thermodynamische Bewertungen von beispielhaften Wind- und Solarprojekten am Beispiel des Autarken Energieparks unter Berücksichtigung lokaler Gegebenheiten herangezogen. Die fachliche Betreuung übernimmt die Professur für Energieverfahrenstechnik der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden (Prof. Michael Beckmann).
Die Nutzung von grünem Wasserstoff wird mit einem weiteren Ausbau EE verbunden sein. Im TP F2 - Landschaftsbild und Energiewende soll empirisch untersucht werden, welche Einflussfaktoren die Akzeptanz von Windenergie- und PV-Anlagen im Landschaftsbild signifikant beeinflussen und welche innovativen Möglichkeiten es für eine akzeptanzfähige landschaftliche Gestaltung gibt. Daraus sollen geeignete planerische Strategien für eine landschaftsbezogene Umsetzung der Wasserstoffstrategie anhand des Autarken Energieparks abgeleitet werden. Fachlich betreut wird dieses Teilprojekt von der Professur für Landschaftsplanung der Fakultät Architektur der TU Dresden (Prof. Catrin Schmidt).
In TP F3 - Kumulative Effekte durch Ausbau Erneuerbarer Energien auf
Biodiversität werden räumlich-explizite Modelle entwickelt, um kumulative ökologische Effekte des Ausbaus erneuerbarer Energien vorherzusagen und zu bewerten. Dies beinhaltet Auswirkungen auf Biodiversität, bspw. auf planungsrelevante Arten(gruppen), und auf ökosystemare Eigenschaften, bspw. strukturelle und funktionelle Konnektivität. Zu diesem Zweck sollen raum-zeitliche Eigenschaften sowie inter- und intra-annuelle Ökosystemdynamik berücksichtigt und mittels Fernerkundung erfasst werden, die dann als Grundlage für die Bewertung und Prognose der kumulativen Auswirkungen dienen können. Dieser innovative Bewertungsansatz soll die Planung neuer Anlagen für erneuerbare Energien deutlich verbessern und es ermöglichen, ökologische
Auswirkungen bestmöglich zu berücksichtigen – ohne insgesamt den angestrebten Ausbauzielen für EE im Wege zu stehen. Dabei spielt auch hier die enge Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten anhand des bereits erwähnten Autarken Energieparks eine wichtige Rolle, so dass konkrete Ausbaukonzepte und -szenarien berücksichtigt werden können. Die fachliche Betreuung übernimmt die Professur für Modellbasierte Landschaftsökologie der Fakultät Umweltwissenschaften der TU Dresden (Prof. Matthias Mauder).
Das TP F4 - Monitoring-Konzept "Nachhaltigkeit der H2-Herstellung" bewertet, mit Hilfe von Metriken auf Simulationsspezifikationen, die Nachhaltigkeit von regionalen Energienetzen. Metriken sind Maße, die an Ein- und Ausgängen des simulierten Energienetzes Werte ermitteln, zum Beispiel Mindest-Eingabemengen oder Ausgabemengen. Solche Energiemetriken erlauben damit, Fragen zur Effizienz der verwendeten EE zu stellen und durch die Simulation zu beantworten. Darauf aufbauend erlauben Nachhaltigkeitsmetriken, Fragen zur Nachhaltigkeit eines Energienetzes zu stellen und zu beantworten und damit nachhaltige Entscheidungen zur Realisierung von regionalen Energienetzen fällen zu können, insbesondere, wie in ihnen der Einsatz der EE gesteigert werden kann. Dabei werden die Impacts der anderer Teilprojekte des Clusters aufgenommen und gleichzeitig die Energie- und Nachhaltigkeitsmetriken an sie zurückgemeldet. Als Referenzbeispiel dient der Autarke Energiepark. Zur Simulation werden akausale (ungerichtete) Simulationssprachen, wie kontextbehaftetes Modelica, Dymola und darauf aufsetzende kontextbehaftete Petrinetze genutzt. Diese Sprachen ermöglichen erstmals die Modellierung von regionalen Energienetzen mit variablen Systemstrukturen, was für den nachhaltigen Einsatz von EE äußerst wichtig ist und über den Stand der Forschung hinausgeht. Fachlich betreut wird dieses TP von der Professur für Softwaretechnologie der Fakultät Informatik der TU Dresden (Prof. Uwe Aßmann).
Das fünfte TP F5 - Unternehmerischer Impact zur Nachhaltigkeit in der H2-
Wirtschaft untersucht, ob der Impact zu einer nachhaltigen Entwicklung, insbesondere zu einer großflächigen Nachhaltigkeitstransformation durch die Aktivitäten und unternehmerischen Ansätze, wie Geschäftsmodelle von Unternehmen in der Wasserstoffwirtschaft adressiert wird. Weiterhin werden in diesem Teilprojekt auf Basis der empirischen Erkenntnisse mögliche theoriegeleitete Weiterentwicklungen, von denen Unternehmen in der Wasserstoffindustrie Handlungsempfehlungen ableiten können, erarbeitet. Die Juniorprofessur für Nachhaltigkeitsbewertung und –politik der Fakultät Wirtschaftswissenschaften der TU Dresden übernimmt bei diesem Teilprojekt die fachliche Betreuung (Prof. Samanthi Dijkstra-Silva).
Das Dissertationsprojekt TP F6 (ursprünglich Brückenprojekt BR1) - Hydrogen4GreenIT schafft die methodischen Grundlagen für modulare, wasserstoffbetriebene und container-basierte Rechenzentren (hydrogen for green IT). Für das Gesamtsystem eines kleinen modularen Rechenzentrums, bestehend aus Rechner, Wasserstoffgenerator und Wasserstofftank, wird eine Simulation erstellt, die einen durchsatzoptimierten, lastbalancierten Rechenbetrieb plant, um die schwankende Verfügbarkeit der natürlichen Energie durch Energiespeicherung in Verbindung mit geeigneten Scheduling- und Konfigurationsstrategien kompensieren zu können. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, wie lange man mit spezifischen Konfigurationen der Hardware- und Energieinfrastruktur Rechenjobs abarbeiten kann, wie dazu die Last auf die Prozessoren verteilt werden muss und wie insgesamt der Durchsatz des Rechenzentrums gesteigert werden kann. Hierbei werden Verfahren der energiebewussten Konfiguration, die an der Professur des Antragsstellers für klassische Software und Hardware bereits erarbeitet wurden, auf Energiespeicher und Schedulingstrategien erweitert. Dazu müssen die bereits vorhandenen Energieverbrauchsverträge für Soft- und Hardwarekomponenten auf Wasserstoffgeneratoren und Wasserstoffttanks erweitert werden, was die Modellierung von kontinuierlichen Energieflüssen im Gesamtsystem erfordert. Als Ergebnis der Dissertation wird das weltweit erste Energie-Vertragssystem für Rechnersysteme erstellt, die in ihr energetisches Umfeld eingebettet sind, und (durch vergleichende Simulation) evaluiert.
Zur Speicherung von Wasserstoff (H2) in verkehrstechnischen Systemen haben sich zwei Speicherformen durchgesetzt. Bei Hochdruckspeichern wird H2 bei ca. 700 bar in einwandigen Behältern gespeichert (Speichersystem 1). Bei kryogenen Speichern wird tiefgekühlter und praktisch druckloser flüssiger Wasserstoff in hochisolierten doppelwandigen Behältern gespeichert (Speichersystem 2). Für beide Speichersysteme können durch den Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit ihren richtungsabhängigen Eigenschaften Masse und Energie bei der Herstellung und Nutzung bei gleicher oder gesteigerter Funktionalität im Vergleich zu metallischen Tanks eingespart werden. In TP F7 (vormals BR2) - Gegenüberstellende Methodik zur Entwicklung und Validierung von kryogenen und Hochdruck-Wasserstoffspeichern aus Faser-Kunststoff-Verbunden in der Luftfahrt sollen die Entwicklungsprozessketten beider Speichersysteme modellhaft beschrieben werden. Die dabei notwendigen Methoden, Modelle und Daten (MMD) werden von der Risikoanalyse, über die konstruktive Entwicklung bis zur Validierung aufgezeigt, exemplarisch im Rahmen einer Vorentwicklung validiert und die derart ausgearbeiteten Entwicklungsprozesse und Beispieltanks abschließend hinsichtlich technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien bewertet und gegenübergestellt.