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Abschlussberichte des Kompetenzzentrums 2018 - 2022


Die Partner des Virtuellen Institut Strom zu Gas und Wärme veröffentlichen im Rahmen des Projekts „Kompetenzzentrum VI SGW“, in dessen Mittelpunkt PtX-Technologien unter Anwendung vielfältiger wissenschaftlicher Methoden analysiert werden, nun die  Ergebnisse in sechs Bänden. 

  • Band I: Systemmodellierung zur Identifikation von innovativen und zukunftsfähigen Anwendungen


  • Band II: Lebenszyklusorientierte Analysen und Kritikalitätsanalyse von Power-to-X-Optionen


  • Band III: Bewertung des Einsatzes und der Auswirkungen alternativer Kraftstoffe für die Entwicklung der zukünftigen regionalen Infrastruktur


  • Band IV: Optimierung, Modellierung und Scale-Up von Power-to-X-Flexibilitätsoptionen


  • Band V: Smart Heating - Bivalente Power-to-Heat-Systeme in Wohngebäuden


  • Band VI: Power2C4


Band I: Systemmodellierung zur Identifikation von innovativen und zukunftsfähigen Anwendungen

Im vorliegenden Band I betrachten drei Forschungsinstitute die Flexibilitätsoptionen in verschiedenen Branchen und Sektoren aus energiesystemanalytischer Sicht. Dabei führen die beteiligten Institute, das Energiewirtschaftliche Institut an der Universität zu Köln (EWI), das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie (WI) und das Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung - Energiesystemtechnik (IEK-10) eine detaillierte Systembetrachtung der Flexibilitäts- und Dekarbonisierungsoptionen durch. Hierzu wird die Arbeit in zwei Teile gegliedert, die sich durch den methodischen Ansatz unterscheiden. In Teil A wird von den Instituten EWI, WI und IEK-10 eine integrierte Energiesystemanalyse unter Berücksichtigung von Strom- und Gasnetzen vorgestellt. In Teil B stellt das WI seine Untersuchungen zu einer treibhausgasneutralen Transformation der Grundstoffindustrie vor.

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Band II: Lebenszyklusorientierte Analysen und Kritikalitätsanalyse von Power-to-X-Optionen

Power-to-X-Technologien werden in Band II als Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Industrie-, Strom-, Wärme- und Verkehrssektors diskutiert. Es wird erwartet, dass der Einsatz dieser Technologien beträchtlich zunehmen und einen umfangreichen Energie- und Materialbedarf nach sich ziehen wird. Der vorliegende Band beleuchtet die Umweltwirkungen, Lebenszykluskosten und die Rohstoffkritikalität des voraussichtlichen Einsatzes von Power-to-X-Technologien (PtX). Dabei führen die beteiligten Institute, Institut für Energie- und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung am Forschungszentrum Jülich (IEK-STE) Lebenszyklusanalysen und Lebenszykluskostenrechnungen und das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie (WI) Kritikalitätsanalysen durch.

Download Band II

Band III: Bewertung des Einsatzes und der Auswirkungen alternativer Kraftstoffe für die Entwicklung der zukünftigen regionalen Infrastruktur

Band III untersucht die Auswirkungen von alternativen Energieträgern und Antriebssystemen auf den Verkehrssektor in Nordrhein-Westfalen. Hierfür wurde zunächst der gegenwärtige Verkehrssektor hinsichtlich Verkehrsleistung, Emissionen und Immissionen analysiert.

Dazu wurden konventionelle fossile Kraftstoffe ökonomisch und hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen analysiert. Um eine Auswahl von zukünftigen vielversprechenden Energieträgern und Antriebssystemen zu selektieren, wurden diese hinsichtlich ihrer technischen Reife auf Produktionsseite, ihrer Produktgestehungskosten, ihrer Kompatibilität mit der bestehenden Fahrzeugflotte, ihrer Einsatzfähigkeit für unterschiedliche Fahrzeuge und Sektoren und ihrer Umweltwirkungen analysiert und priorisiert. Basierend auf den Ergebnissen der Priorisierung wurden die Auswirkungen der selektierten Antriebskonzepte und Energieträger auf die zukünftige Lade- und Tankstelleninfrastruktur, Konkurrenz und Synergien der selektierten Optionen einem klimaneutralen Europa und das Schadstoffreduktionspotenzial bei Einsatz der selektierten Optionen untersucht.

Des Weiteren wurden künftige Entwicklungen im Verkehrssektor mit dem Energiesystemmodell DIMENSION mit dem Ziel untersucht, die Gesamtkosten zur Erreichung von Klimaneutralität bis 2050 über alle betrachteten Sektoren und Länder zu minimieren. Für die Untersuchungen des Schadstoffreduktionspotenzials wurden die Auswirkungen der als vielversprechend identifizierten Energieträger und Antriebskonzepten im Rahmen von unterschiedlichen Szenarien im Straßenverkehr, in der Binnenschifffahrt, im Schienenverkehr und im Flugverkehr auf die lokalen NOx- und PM-Emissionen in Stadtgebieten in Nordrhein-Westfalen untersucht.

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Band IV: Optimierung, Modellierung und Scale-Up von Power-to-X-Flexibilitätsoptionen

In diesem Band arbeiten die Institute Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung - Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-14), das Gas- und Wärme-Institut Essen (GWI), die Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Fluid Verfahrenstechnik (RUB), das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie sowie das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) an der technischen Umsetzung und technologischen Weiterentwicklung von PtX-Technologien. Hierzu werden, die im vorangegangenen Hauptprojekt des Virtuellen Instituts Strom zu Gas und Wärme errichtete Demonstrationsanlage und begleitende Modelle, weiter genutzt. Im Fokus stehen der Betrieb der Systemkomponenten (Elektrolyse, Methanisierung, KWK), die Modellierung der Prozessschritte zur Charakterisierung der Einzeltechnologien, Betrachtungen zum Scale-up von PtG-Technologien, PtH als Flexibilitätsoption sowie insgesamt der Einsatz von Flexibilitätsoptionen aus dem Blickwinkel der Sektorenkopplung.

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Band V: SMART heating - Bivalente power-to-Heat in wohngebäuden

Die Wärmebereitstellung für Raumwärme, Prozesswärme und Warmwasser stellt den dominierenden Endenergiebedarf Deutschlands dar. Dennoch geht der große Erfolg der Energiewende im Stromsektor bis dato weitestgehend am Wärmesektor vorbei, weshalb die Wärmewende aktuell häufig als „schlafender Riese“ des deutschen Energiesystems bezeichnet wird. Im Teilprojekt „Smart Heating – Bivalente Power-to-Heat-Systeme in Wohngebäuden“ wird das Wärmekonzept der hybriden Wärmepumpen (WP) für den häuslichen Bereich mittels Simulation und experimentellen Untersuchungen analysiert. Die Möglichkeit die Gebäudewärmeversorgung durch Strom oder Erdgas bereitzustellen, bietet im Zuge der Energiewende neue ökologische und auch ökonomische Potenziale, die in dieser Arbeit aufgezeigt werden sollen.

Download Band V

Band VI: Power2C4

In diesem Band untersucht das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT ein neues Power2X-Verfahren zur Herstellung von 1,3-Butadien. Die neue Syntheseroute basiert auf dem Einsatz von Ethanol als nachhaltigem Rohstoff, welches entweder fermentativ oder elektrokatalytisch unter Einsatz von CO2 gewonnen wird. Neben der Entwicklung und Testung eines neuen multifunktionalen Katalysatorsystems zur einstufigen Butadiensynthese aus Ethanol (Lebedev Prozess) wurden die potenziellen Umweltauswirkungen des neuen Verfahrens im Rahmen einer Lebenzyklusanalyse (LCA) ermittelt. Hierbei wurden die neue Syntheseroute bei Verwendung verschiedenen Katalysatoren mit der konventionellen Butadienherstellung aus dem Weiterverarbeitungsprozess fossiler Rohstoffe (Steamcracking) verglichen. Die hier präsentierten Ergebnisse geben Rückschlüsse auf das Potential des neuen Katalysatorsystems und des neuen Power2CX-Verfahrens zur Herstellung von 1,3-Butadien im Vergleich zum konventionellen Prozess.

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Abschlussbericht des Hauptprojekts 2015 - 2017


Das Hauptprojekt des Virtuellen Institutes – Strom zu Gas und Wärme stellt nachfolgend seinen Abschlussbericht über die Forschungsaktivitäten der Jahre 2015 - 2017 vor. Die Ergebnisse zur Integration von Flexibilitätsoptionen ins Energiesystem werden in fünf Bänden plus Management Summary veröffentlicht und finden sich hier zum freien Download.

 Abschlussbericht des Vorprojektes 2015

Nach dem Abschluss des einjährigen Vorprojekts sind nun erste Ergebnisse veröffentlicht worden und stehen hier zum Download bereit. Das Virtuelle Institut wird nun mit seinen Akteuren im Rahmen des Hauptprojektes an der Umsetzung der im Bericht aufgezeigten Forschungsagenda arbeiten.

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