Energietechnik

Einführung

Nachhaltigkeit rückt in allen Bereichen immer mehr in den Vordergrund, so auch im Wirtschaftssektor. Ein bedeutender Faktor beim Thema des nachhaltigen Wirtschaftens sind Luftemissionen, die sich auf den Treibhauseffekt auswirken. Eine Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre bewirkt eine Temperaturerhöhung an der Planetenoberfläche, unserem Lebensraum. Eine Möglichkeit, um die Auswirkungen der aktuellen Klimaänderung in Zukunft zu begrenzen, ist das Reduzieren von Treibhausgasemissionen. Dabei werden vermehrt auch Unternehmen sowie deren Produkte und Dienstleistungen als Emittenten von Treibhausgasen betrachtet und bewertet. Immer mehr Unternehmen verpflichten sich entweder freiwillig, durch Forderungen der Kunden oder getrieben von politischen Vorgaben dazu, Maßnahmen einzuleiten, um Ihre Treibhausgasemissionen zu mindern. Ein geeignetes Werkzeug dafür ist das Carbon-Footprint-Assessment (CFP-Assessment), mit dessen Hilfe alle emittierten Treibhausgase eines definierten Prozesses, bspw. eines Produktes oder einer Dienstleistung, quantitativ ermittelt werden können. Dabei werden alle Treibhausgasemissionen auf die Treibhauswirksamkeit von CO2 umgerechnet und dafür in CO2-Äquivalenten [CO2e] angegeben.
Meistens haben größere Unternehmen eher die Mittel, um ein Umweltmanagementsystem zu etablieren als kleine oder mittlere Unternehmen (KMU). In diesem Masterprojekt soll aus eben diesem Grund zusammen mit der Firma Willma Power Safety ein CFP-Assessment entwickelt werden, das auch für KMU allgemein anwendbar ist. So können auch KMU ihre Emissionshotspots erkennen und dadurch geeignete Maßnahmen treffen, um die dadurch entstehenden größeren Mengen an Treibhausgasen zu reduzieren.

Masterprojekt

Ziel des Projekts ist es, durch das Entwickeln des CFP-Assessment-Tools eine Methode mithilfe der einschlägigen Normen und Literatur zu schaffen, die die gesamte Wertschöpfungskette eines Produktes oder einer Dienstleistung eines KMU abdecken kann. Diese soll im Rahmen des Projektes des Weiteren an zwei vorgesehenen exemplarischen Produkten der Kooperationspartner omicron und Natursteine Seubert getestet und praxisorientiert optimiert werden. Das Projekt sieht ebenfalls vor, eine Bedarfsanfrage an Unternehmen und Gesellschaft in Form einer Umfrage zu stellen, wie diese den CFP als Werkzeug zum Erreichen von Nachhaltigkeitszielen einschätzen.
Einer der größten Ansprüche des Projektes liegt in der Neuheit des Themengebietes, beispielsweise sind die entsprechenden Normen für Großunternehmen ausgelegt. Des Weiteren gibt es bislang kein einheitliches Bewertungssystem für CFP-Assessments, an denen man sich orientieren könnte. Einer der wichtigsten Faktoren dieses Projekts ist die Transparenz. Alle erfassten und berechneten Werte die im CFP-Assessment einbezogen wurden, sollen übersichtlich und nachvollziehbar in Form eines Datenblatts zum Produkt dargestellt werden. Das rührt daher, dass für aktuelle Produkte auf dem Markt die bis dato bereits einen CFP-Wert auf der Verpackung ausgewiesen haben (v. a. Lebensmittel) , kaum (nachvollziehbare) Angaben zur Zusammensetzung des CFPs zur Verfügung gestellt werden.
Aus den genannten Gründen und eigenen Umfragen begründet sich eine aktuell wachsende Bedeutsamkeit des Themas, die sich auch in den Interessen der Gesellschaft widerspiegelt. So streben Politik und Wirtschaft eine Reduktion der vom Menschen emittierten Treibhausgase an, um auch in absehbarer Zukunft wettbewerbsfähig zu sein und die Erderwärmung auf ein gewisses Maß zu beschränken. Dieses Projekt soll einen Teil dazu beitragen.

OptiBine steht für „Langsamlaufende Optimierte Windturbine“

Fachspezifisch  handelt sich hierbei um einen sogenannten „Langsamläufer“, das bedeutet, daß die Blattspitzengeschwindigkeit annähernd gleich oder nicht viel höher als die Windgeschwindigkeit ist.

Laut gängiger Literatur gelten Langsamläufer  als Windenergieanlagen mit einem schlechten maximalen Wirkungsgrad von knapp 30% gegenüber Schnellläufern mit fast 50%. Dies war auch der Grund, warum zunächst etliche Forschungsprogrammanträge zur Entwicklung eines Langsamläufers von Gutachtern abgelehnt wurden.

Warum wurde dann das Projekt „OptiBine“ trotzdem intensiv betrachtet und gewagt?

Der Hintergrund: In Würzburg gab es bereits 1885 eine langsamlaufende Windturbine auf dem Dach eines ehemaligen gräflichen Gutshof mit dem Namen Heuchelhof. In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts ist rund um diesen „Heuchelhof“ ein ganzer Stadtteil gewachsen, der heute den Namen dieses ehemaligen Gutshofes trägt.  Im Jahr 1994 kam es zu einer Begegnung mit dem Architekten, welcher für den Wiederaufbau des Heuchelhofs verantwortlich war. Dieser wollte wieder eine historisch aussehende Windenergieanlage auf dem Dach des Heuchelhofs haben, die Strom erzeugen, aber keinen Lärm machen sollte.  Direkt unterhalb der Montagepunkte des Gittermastes des Windrads  ist heute ein bis unter dieses Dach offener Kirchenraum und direkt angrenzend sind Gästezimmern sowie ein Restaurant.

Zu Realisierung des „Windrades Heuchelhof“ wurde ein aus dem Flugzeugbau sehr bekanntes Flügelprofil, das für kleine „Reynold’sche Zahlen“ geeignet ist, für den Bau der Rotorblätter verwendet. Nach dem Bau von div. Modellen fiel die Wahl auf einen Rotor mit 12 Rotorblättern. Seit 1996 steht dieses Windrad auf dem neu errichteten Gutshof (vgl. Bild).

So begann Prof. Walter Baur sich mit Langsamläufern zu beschäftigen und stieß dabei auf eine Literaturquelle, in welcher der emeritierte Prof. Robert Gasch in einer Studie von Langsamläufern schrieb, die seinen Berechnungen nach einen Wirkungsgrad von 42% erreichen könnten. Voraussetzung wäre allerdings der Einsatz moderner Flugzeugprofile für die Rotorblätter. Und das Interessante war: Prof. Gasch verwendete in seinen Studien dasselbe Flugzeugprofil (entwickelt von dem ehemaligen Aerodynamik-Professor Xaver Worthmann, Uni Stuttgart) wie Prof. Baur im Windrad Heuchelhof bereits verbaut hatte. Das war der Startschuss für diverse Forschungsprogrammanträge zur Entwicklung eines Langsamläufers mit hohem Wirkungsgrad.

Eine längere Odyssey führt dann schließlich im Jahr 2012 doch noch zur Genehmigung eines Forschungsvorhabens zu Entwicklung und dem Test eines Rotorkonzeptes. Ein  Rotor mit 9-Rotorblättern wurde, unterstützt von CFD-Berechnungen, entwickelt und gebaut. Aus Kostengründen erfolgte eine experimentelle Validierung des gebauten Rotors nicht in einem Windkanal, sondern in einem dafür entwickelten „Fahrenden Windkanal“.  Auf einer Oldtimer-Eisenbahnstrecke wurde hierfür der Rotor auf einem Ausleger, der weit über einen Wagon hinausragte, von einer Lok gegen den Fahrtwind „geschoben“. Der gemessene maximale Rotorwirkungsgrad lag dabei sogar bei 0,47. 

Langsamläufer haben ein paar entscheidende Vorteile gegenüber Schnellläufern, gerade im Bereich der Kleinwindenergieanlagen: Sie sind quasi lautlos und laufen schon bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten los und haben eine geringe Drehzahl im Betrieb.

Jetzt soll ein Prototyp einer gesamten Windenergieanlage mit dem Rotorkonzept, welches im OptiBine-Forschungsprogramm entwickelt wurde, gebaut werden. Die geplante Anlagenleistung wird ca. 4kW betragen, bei einem Rotordurchmesser von ca. 4 Meter.

Hierzu laufen im Sommersemester 2021 die Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten.

Kontakt: Prof. Walter Baur

Einführung

Die Erhöhung der Energieeffizienz dient nicht nur dazu, dass Unternehmen an internationalen Märkten wettbewerbsfähig bleiben, sie begünstigt auch den Umweltschutz. Ab 2021 führt die Bundesrepublik Deutschland, zusätzlich zur bereits seit 2000 bestehenden Erneuerbaren-Energien-Gesetz-Steuer (EEG), eine CO₂-Steuer ein. Beides ist zwar unbedingt notwendig um den Klimawandel zu verlangsamen, jedoch kommen dadurch auch große Herausforderungen auf die Bürger zu. Mit dem BMWi-Forschungsprojekt „ThermoHead“ soll nun eine digitale Plattform geschaffen werden, die dabei helfen kann, Energie im industriellen und privaten Sektor zu sparen und so die Umwelt zu schonen.

Das ZIM-Forschungsprojekt „ThermoHead“ ist aus dem BMWI-Forschungsprojekt „eDIan“ (effiziente Dämmung von Industrieanlagen) hervorgegangen. Hierbei ging es ebenfalls um die Verringerung vermeidbarer Energieverluste und somit dem Schutz der Umwelt. In „ThermoHead“ wird ein neues System entwickelt, mit dem hochaufgelöste und geometrisch kalibrierte Panoramen im sichtbaren sowie infraroten Spektralbereich möglich sind. Dadurch können Industrieanlagen bis 20 Metern in 15 Minuten digitalisiert und auf Energieverluste analysiert werden.

Über die so angefertigten Daten ist die zuverlässige und einfache Identifikation von Energieverlusten (z.B. Wärme- oder Kältelecks) möglich, die Vermessung der Oberfläche mittels virtueller Stereophotogrammetrie und schließlich die Kalkulation des Einsparpotenzials über z.B. die TBI-App. Dem können dann die Kosten einer Dämmmaßnahme gegenübergestellt werden, was eine wirtschaftliche Einordnung des Energieverlustes ermöglicht.

Bisherige Durchführung von Energieaudits – TIPCHECK

Bisher wurden Energieaudits wie z.B. der TIPCHECK (Technical Insulation Performance CHECK) größtenteils manuell durchgeführt. Hierfür muss ein speziell geschulter Isolierer eine Industrieanlage begehen und mit Maßband und Kontaktthermometer die Abstrahloberfläche sowie die Oberflächentemperatur eines Energieverlustes ermitteln. Die viele manuelle Arbeit, die zusätzliche Ausbildung sowie der Fachkräftemangel machen das Verfahren zeitaufwändig und somit teuer. In dem Projekt „ThermoHead“ wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem sowohl die Aufnahme als auch die Auswertung der für eine digitale Energieanalyse benötigten Daten per Knopfdruck möglich ist. Aufgrund der einfachen Handhabe ist es sogar möglich, einem Industrieunternehmen das Gerät zukommen zu lassen, sodass diese die Aufnahmen selbst anfertigen. In Corona-Zeiten ist damit gewährleistet, dass ein Energieaudit stattfinden kann, ohne dass eine Fremdfirma Zutritt zur Anlage benötigt.

Der hierbei erhaltene Datensatz bietet viele Möglichkeiten. Kunde und Auftragsnehmer können zusammen in einer virtuellen Umgebung eine Begehung vornehmen und weitere Schritte besprechen, ohne sich physisch treffen zu müssen. Dies reduziert vermeidbare Reisen, spart Zeit und somit Geld und beugt einem Ansteckungsrisiko vor. Der Datensatz kann über jedes Smartphone, Tablet oder PC betrachtet werden, ohne dass Administratorenrechte, Drittsoftware oder eine Einweisung nötig wären. Das neue Verfahren kann zudem zur Inventarisierung, der Dokumentation sowie der Erstellung von Unterlagen für Umbaumaßnahmen verwendet werden.

Neuer Ansatz und Ergebnisse

Statt der händischen Vermessung von Geometrien mit Maßband und der Temperatur via Kontaktthermometer, wird im Projekt „ThermoHead“ ein vollständig berührungsloses Messverfahren angestrebt. Dadurch ist das Verfahren nicht nur deutlich schneller, auch Objekte in großer Höhe können ohne den Aufbau einer Arbeitsbühne vermessen werden. Das neue Verfahren konnte bereits in mehreren Feldversuchen erfolgreich getestet werden, ein kommerzieller Verkauf ist für Mitte 2021 durch den Kooperationspartner CLAUSS geplant.

Kontakt: Dr. Sebastian Fiedler