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Projekte

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Greentech-Forschung Die Fokussierung auf eine an Grünen Technologien und Nachhaltigkeit orientierte Forschung gehört zu den besonderen Profilmerkmalen der Hochschule Emden/Leer. Alle vier Fachbereiche „Seefahrt, Soziale Arbeit und Gesundheit, Technik sowie Wirtschaft“ und die dazugehörigen Institute beteiligen sich an dem Ausbau der greentech-Forschung. Im Rahmen fachbereichsübergreifender Zusammenarbeit werden häufig interdisziplinäre Projekte generiert. Das hat den Vorteil, Problemstellungen unter verschiedenen fachlichen Aspekten beleuchten zu können. In enger Zusammenarbeit mit der Region sind die zur Dachmarke greentech gehörigen Projekte den Leitmärkten „Umweltfreundliche Energien und Energiespeicherung, Energieeffizienz, Rohstoff- und Materialeffizienz, Nachhaltige Mobilität, Kreislaufwirtschaft und Nachhaltige Wasserwirtschaft“ gewidmet. Die Forschungsarbeiten decken ein breites wissenschaftliches Spektrum ab, zum Beispiel in den Bereichen Naturwissenschaften, Produktion, Seefahrt und Transportwesen. Eine Übersicht über das gesamte Themenspektrum und Details zu den Inhalten entnehmen Sie der Projektübersicht.  

Zuordnung der greentech-Projekte zu den Forschungskernen

Im Interesse fächerübergreifender Zusammenarbeit wurden an der Hochschule Emden/Leer drei Forschungskerne identifiziert. Zwei dieser Forschungskerne enthalten Projekte, die sich mit greentech-Fragestellungen beschäftigen:

Forschungskern Industrielle Informatik und Automatisierungssysteme

  • Sichere Offshore-Operationen (SOOP)
  • Energie (-kosten) senken durch intelligente Produktionsplanung (E-PPS)
  • Regenerative Energie in der Produktion – Organisatorische Voraussetzungen und Implementierung (REN ProV)

Forschungskern Nachhaltige Technologien

Kommunale Kläranlagen als Energiespeicher

Mit Unterstützung des Ministeriums für Wissenschaft und Kultur, der Stadtwerke Emden (SWE) und anderer regionaler Partner kann die Hochschule Emden/Leer ein innovatives Projekt umsetzen. Die Idee ist, bei der Energiegewinnung durch das „Power to gas“-Prinzip, also der Umwandlung überschüssiger Windenergie in speicherbares Erdgas, das im Faulturm eines Klärwerks anfallende Kohlendioxid zu nutzen.

Da Strom aus Windkraft nur bedingt verfügbar ist, werden neue Wege gesucht, Energie zu speichern. Einer davon geht mit der Umwandlung von Windstrom in Erdgas einher. Dabei wird die überschüssige Energie genutzt, um Wasserelektrolyse zu betreiben, also Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff wird dann im nächsten Schritt durch die Zugabe von Kohlendioxid aus dem Emder Klärwerk in Methan, also künstliches Erdgas, umgewandelt. Dieses ist im Gegensatz zur Windenergie speicherbar und die Speicherkapazitäten für Erdgas sind hierzulande groß.

Im Rahmen des Projektes soll die Eignung kommunaler Kläranlagen als Energiespeicher untersucht werden. Es sollen zwei Ansätze betrachtet und gemeinsam bewertet werden:

  • Kann der Betrieb an die fluktuierende Energiebereitstellung angepasst werden („prozessintegrierte Speicherung“)?
  • Kann die Anlage sinnvoll mit der Power-to-Gas Technologie kombiniert werden („end-of-pipe Speicherung“)?

Schlüssel ist die Erstellung eines durchgängigen, zuverlässigen und dynamischen Modells des Gesamtprozesses zur Prozessentwicklung und –optimierung nach ökologischen und ökonomischen Aspekten. Im Anschluss an das Projekt erfolgt eine Umsetzung durch die Projektpartner. Die Implementierung bietet sich in der Region Ostfriesland an, da hier viele Windkraftanlagen vorhanden sind und mit einem starken Ausbau zu rechnen ist. Eine regionale Speicherung entlastet den Netzausbau. Die am Beispielprozess gewonnen Daten und Erfahrungen eröffnen ein wichtiges Feld der regionalen Entwicklung, da eine Nutzung und Speicherung der Energie vor Ort einen verminderten Netzausbau erfordert. Das Projekt ermöglicht die modellgestützte Entwicklung nachhaltiger Energieketten unter Berücksichtigung der Angots- und Nachfragesituation und verspricht einen deutlichen Nutzen für die Umwelt.

Projektförderung: Europäischer Strukturfonds (EFRE) | Ministerium für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen.
Projektdauer: 01.11.2012 - 31.10.2014

http://www.hs-emden-leer.de/forschung-transfer/institute/eutec/arbeitsgruppe-umweltverfahrenstechnik/projekte-in-der-ag-umweltverfahrenstechnik/klaeranlagen-als-energiespeicher.html

Herstellung von Biomethan aus landwirtschaftlichen Quellen nach Kriterien der Ökoeffizienz

Grundlage ist die Erstellung einer durchgängigen, zuverlässigen Prozesssimulation, die zur Nachhaltigkeitsbewertung herangezogen werden kann. Dabei wird der Gesamtprozess der Biomethanherstellung, angefangen bei der Vergärung der Substrate über die Aufarbeitung bis zur Einspeisung ins Erdgasnetz betrachtet. Die wesentlichen Ziele sind:

  1. Die Weiterentwicklung eines Modells zur Nassfermentation verschiedener Substrate.
  2. Die Entwicklung eines thermo-dynamischen Modells für die CO2-Entfernung durch chemische Wäsche zur Erzeugung von Biomethan.
  3. Die verfahrenstechnische Modellierung verschiedener Techniken zur Biogas-reinigung.
  4. Die quantitative Analyse, Bewertung und Optimierung der verschiedenen Prozessalternativen nach Kriterien der Ökoeffizienz

Im Rahmen des Projekts soll am Beispiel der Herstellung von Biomethan (d.h. Biogas mit Erdgasqualität)  aufgezeigt werden, wie Nachhaltigkeitsaspekte bei der Prozessentwicklung berücksichtigt werden können. Grundlage ist die Erstellung einer durchgängigen, zuverlässi­gen Prozesssimulation, die zur Nachhaltigkeitsbewertung herangezogen werden kann. Dabei wird der Gesamtprozesses der Biomethanherstellung, angefangen bei der Vergärung der Substrate über die Aufarbeitung bis zur Einspeisung ins Erdgasnetz betrachtet. Besonders detailliert soll dabei die Kombination aus Biogasaufarbeitung mit anschließender chemischer Wäsche untersucht werden. Dabei werden Möglichkeiten der Prozessintegration und der dynamischen Anpassung des Absorbens an Schwankungen in der Gaszusammensetzung untersucht. Screening und Auswahl des Waschmediums sollen nach Kriterien der Ökoeffizienz erfolgen.

Die Ökoeffizienzanalyse des Gesamtverfahrens erfolgt unter Anwendung realistischer Sze­narien. Die Ergebnisse werden in einer Prozessdesignstrategie zusammengefasst, die in Form eines Leitfadens den Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt, auf Fachtagungen präsentiert und in Fachzeitschriften veröffentlicht wird. Am Beispiel des betrachteten Prozes­ses soll eine Prozessdesignstrategie unter Nachhaltigkeitsaspekten entwickelt werden. Diese kann in Folgeprojekten weiter entwickelt und verallgemeinert werden.

Projektförderung: BMBF
Projektdauer: 01.09.2010 – 15.10.2013

http://www.hs-emden-leer.de/forschung-transfer/institute/eutec/arbeitsgruppe-umweltverfahrenstechnik/projekte-in-der-ag-umweltverfahrenstechnik/biomethanherstellung.html

Implementierung einer modellgestützten Prozessführung zur Minimierung des Fremdenergieanteils von kommunalen Abwasserreinigungsanlagen

Im Projekt soll das gekoppelte System Abwasserreinigung/Klärschlammfaulung optimiert werden. Unter Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen Ablaufwerte soll mit Hilfe der dynamischen Simulation ein energetisches Minimum ermittelt werden.

Es wurden exemplarisch die baulichen Gegebenheiten und die Ausstattung des Hauptklärwerks Emden/Larrelt aufgenommen und die Verbrauchsdaten bestimmt.

Aus den ermittelten Werten wurde eine Simulation entwickelt, mit der der Ist-Zustand der Anlage sehr gut abgebildet werden konnte. Durch die Anwendung von Energie-Blöcken konnten auch der Energieverbrauch unterschiedlicher Anlagenteile und der Energiegewinn durch Faulung des Klärschlamms mit anschließender Umsetzung des entstandenen Klärgases in einem Blockheizkraftwerk bestimmt werden. Die Energie-Blöcke konnten anschließend durch Stromzangenamperemeter-Messungen verifiziert werden.

Es wurden verschiedene Fahrweisen des HKW Emden bezüglich der Ablaufwerte und des Energie-Bedarfs mittels der Simulation untersucht.

Diese Simulation der gekoppelten Systeme Abwasserreinigung und Klärschlamm-Faulung diente dazu, das Potenzial des Gesamtsystems zu ermitteln.

Zurzeit wird versucht (mit Hilfe der in den vorangegangenen Projektstufen ermittelten Ergebnisse) mit unseren Projektpartnern von der FH Lübeck eine Steuerung und Regelung der Versuchs- und Ausbildungs-Kläranlage (VAK) Lübeck aufzubauen.

Emden 153

Projektförderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) AZ 27122/04
Projektdauer: bis 28.09.2015 (Kostenneutrale Verlängerung beantragt)

http://www.hs-emden-leer.de/forschung-transfer/institute/eutec/arbeitsgruppe-umweltverfahrenstechnik/projekte-in-der-ag-umweltverfahrenstechnik/simulation-von-klaeranlagen.html

Nachhaltigkeitsbewertung in frühen Phasen der Prozessentwicklung

In diesem Projekt war es das Ziel, für den Chemiker in frühen Entwicklungsphasen einer Synthese ein Instrument zu entwickeln, mit dem dieser ohne viel Aufwand und Vorwissen eine Nachhaltigkeitsbewertung von einem Verfahren erstellen kann.

Die Projektpartner konnten bei der Prototypentwicklung auf die Software Umberto 14 , Sabento 15 und EATOS 16 zurückgreifen, um bereits existierende Grundlagen in die neue Software einzubinden. Der Prototyp wird derzeit bei der ifu Hamburg GmbH mit deutlich verbesserter Benutzungsfreundlichkeit entwickelt. Dabei wurde das Konzept des evolutionary Prototyping genutzt, bei dem ein Prototyp schrittweise weiterentwickelt wurde und dadurch Testversionen zur Validierung der Anforderungen bereitstanden.

Die Etablierung umweltfreundlicher, nachhaltiger Prozesse erfordert die Bewertung der Stoff- und Energieströme im Prozess nach Kriterien der Nachhaltigkeit. Besonders zu Beginn der Verfahrensentwicklung bestehen dabei viele Freiheiten, den Prozess umweltfreundlich zu gestalten. Die Nachhaltigkeitsbewertung muss daher in die Phase des konzeptionellen Prozessdesigns integriert werden. Eine spätere Korrektur ist meist mit erheblichen Kosten verbunden und nicht mehr möglich.

Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, dass zu Beginn der Verfahrensentwicklung oftmals erforderliche Daten zu den einzelnen Prozessschritten und relevante Stoffdaten fehlen.

Im Rahmen des Projekts soll der Prototyp einer integrierten Entwicklungsumgebung entwickelt werden, der es dem Chemiker und Verfahrensingenieur gestattet, bereits in frühen Phasen der Verfahrensentwicklung eine Abschätzung hinsichtlich der Nachhaltigkeit des Prozesses zu ermöglichen. Bestandteile sind neben einer automatisierten Abfrage in einschlägigen Datenbanken eine Bewertung von Datenunsicherheiten und eine Implementierung von Short-Cut Modellen zur Abschätzung des Energiebedarfs.

Durch die komponentenbasierte Architektur der Software war eine Erweiterung oder Spezialisierung für verschiedene Anwendungsbereiche gut möglich. Auf diese Weise konnten z.B. neue Methoden zur Transitionsspezifikation als Komponenten nahtlos in die bestehende Anwendung integriert werden. Es wurden folgende „Plugins“ für den neuen Prototypen entwickelt:

  • der chemische Reaktor
  • der chemische Editor
  • der Stöchiometrie-Rechner
  • die Search-Support Funktion
  • die Module-Gallery
  • das „Daten-Merge-Tool“

Damit konnte ein Software-Prototyp entwickelt werden, der den Synthesechemiker in die Lage versetzt, schon in ganz frühen Phasen der Syntheseplanung in Frage kommende Synthesewege für ein neues Produkt hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Aspekte zu bewerten. Dabei wurde sehr viel Wert auf eine intuitive Bedienbarkeit des Prototypen gelegt. Die Integration eines chemischen Editors ist zudem eine Schlüsselfunktionalität, die dem Chemiker den Einstieg in die Stoff- und Energiefluss-Modellierung erheblich erleichtert.

Neben der prototypischen Umsetzung wurden in diesem Projekt vier weitere Arbeitspakete erfolgreich behandelt: die Vereinfachung der Datenakquise, die Bearbeitung von Referenzmodellen, die Entwicklung von Shortcutmodulen sowie die Erstellung von Bewertungssystemen.

Die Bereitstellung von Shortcut-Modulen wird nicht nur Synthesechemikern helfen, eine Abschätzung über Stoff- und Energieverbräuche zu ermitteln, sondern auch vielen kleinen und mittleren Unternehmen. Eine Auswertung der Modelle wird mit den in diesem Projekt entwickelten Bewertungssystemen ermöglicht. Diese beleuchten sowohl ökologische, ökonomische als auch soziale Aspekte bei einer chemischen Produkt- bzw. Prozessentwicklung.

 

Projektförderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Projektdauer: 01.09.2008 – 31.12.2011

http://www.hs-emden-leer.de/forschung-transfer/institute/eutec/arbeitsgruppe-umweltverfahrenstechnik/projekte-in-der-ag-umweltverfahrenstechnik/nachhaltigkeitsbewertung.html

Steuerung und Regelung von Biogasanlagen basierend auf der Zustandsanalyse mittels Raman-Spektroskopie und Vorhersagemodellen zur Beschickung mit unkonventionellen Einsatzstoffen

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuartigen Steuerung und Regelung von Biogasanlagen basierend auf einer kontinuierlichen Zustandsanalyse mittels Raman-Spektroskopie und Vorhersagemodellen zur Beschickung mit unkonventionellen Einsatzstoffen.

Zum einen geht es um die Erforschung und Entwicklung einer Prozessanalytik, die den spezifischen Anforderungen der biologischen Abläufe innerhalb von Biogasanlagen gerecht wird und den Zustand in Echtzeit abbildet. Zum anderen geht es um Vorhersage- sowie Steuer- und Regelungsalgorithmen. Die Verknüpfung mathematischer Modellierung und Messtechnik soll helfen, ein selbstlernendes System zu entwickeln.

Die Sicherung der Prozessstabilität von Biogasanlagen ist für die Vermeidung von Betriebsproblemen entscheidend. Sie gewährleistet zudem eine konstante und optimale Effizienz und sichert die Rentabilität der Anlagen. Dies ist umso mehr notwendig, wenn Standard-NAWARO-Anlagen auch für die Verarbeitung unterschiedlichster Abfallstoffe vorgesehen werden.

Das Projekt wird in Kooperation  mit dem Biogasanlagenbauer Biogas Weser-Ems GmbH & Co. KG, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (Institut f. Physikalische Chemie, Prof. Bettermann) und der Hochschule Emden/Leer durchgeführt. Das Projekt zielt auf die Erforschung und Entwicklung einer Prozessanalytik ab, die den spezifischen Anforderungen der biologischen Abläufe innerhalb von Biogasanlagen gerecht wird und den Zustand in Echtzeit abbildet. Die kontinuierlichen Zustandsanalysen werden mittels Raman-Spektroskopie ermittelt und so ein Vorhersagemodell entwickelt, welches eine Beschickung der Biogasanlage mit unkonventionellen Einsatzstoffen ermöglicht.
Dieses Überwachungs- und Steuerungskonzept soll dazu dienen, den Wirkungsgrad der Anlagen zu steigern, durch Biogasanlagen Regelenergie bereitzustellen und Mehrstoffanlagen effizient und prozesssicher zu betreiben.

Ein Unternehmen wie die Biogas Weser-Ems GmbH & Co. KG wird von dem System ganz erheblich profitieren. Schließlich gilt die Sicherung der Prozessstabilität von Biogasanlagen als entscheidendes Kriterium für die Vermeidung von Betriebsproblemen und zur Gewährleistung einer konstanten und optimalen Effizienz sowie Rentabilität der Anlagen. Die Gasproduktion wird sich saisonalen Gegebenheiten sowie Randbedingungen anpassen lassen und die Biogasanlage könnte nicht nur Grundlastenenergie sondern auch deutlich gezielter und effizienter Regelenergie liefern.

Biogasversuchsanlage

Projektförderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie / ZIM, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand
Projektdauer: 01.03.2015 - 31.10.2016

http://www.hs-emden-leer.de/forschung-transfer/institute/eutec/arbeitsgruppe-umweltverfahrenstechnik/projekte-in-der-ag-umweltverfahrenstechnik/intelligentes-vorhersagemodell-mit-steuer-und-regelalgorithmen.html