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Forschung, Entwicklung und Innovation

Das GWI als Energie-Institut

Die Förderung von Wissenschaft und Forschung ist seit der Gründung des Institutes in der Satzung fest verankert und steht nach wie vor an vorderster Stelle. Während die Forschungsthemen zunächst auf den Gas- und Wärmemarkt fokussiert waren, haben sich die Schwerpunkte der Forschung mit den Jahren durch die Globalisierung des Strom- und Gasmarktes sowie die nationale und Europäische Energie- und Umweltpolitik auf neue Technologiefelder erweitert.
Die Förderung von Wissenschaft und Forschung ist seit der Gründung des Institutes in der Satzung fest verankert und steht nach wie vor an vorderster Stelle. Während die Forschungsthemen zunächst auf den Gas- und Wärmemarkt fokussiert waren, haben sich die Schwerpunkte der Forschung mit den Jahren durch die Globalisierung des Strom- und Gasmarktes sowie die nationale und Europäische Energie- und Umweltpolitik auf neue Technologiefelder erweitert.

Aktuell sind der Klimaschutzplan 2050 und die eingeleitete Energiewende der Bundesregierung sowie die im Juni 2020 verabschiedete Wasserstoffstrategie die treibenden Kräfte der Innovations- und Forschungsvorhaben des GWI. Im Fokus der Arbeiten steht die Erforschung, Optimierung und wirtschaftliche Nutzung der Potenziale des Energieträgers Gas mit dem Ziel, erneuerbare Energie zu integrieren, speichern und zeitunabhängig bereitzustellen. Schwerpunktmäßig spielen dabei neben den „klassischen" Themen der Gas- und Verbrennungsforschung zunehmend die Technologien „Power-to-X", Dekarbonisierung und „Sektorenkopplung" die Hauptrolle, um die zukünftige Versorgung mit Energie zu sichern und zu den angestrebten Klimaschutzzielen beizutragen. Innerhalb dieser Schwerpunkte führt das GWI anwendungsnahe und praxisorientierte Forschungsvorhaben und Entwicklungsprojekte durch, die größtenteils über die umfangreichen Landes-, Bundes- und EU-Förderprogramme finanziert werden und sich insbesondere folgenden Themen widmen:

  • Effizienzsteigerung und Senkung der CO2-Emissionen
  • Erneuerbare Energien als tragende Säule der Energieversorgung
  • Analysen zum Energieträger Wasserstoff sowie Folgeprodukten (z.B. PtL, NH3) entlang der gesamten Wertschöpfungskette
  • alle Fragestellungen zu Gasbeschaffenheiten, z. B. Erdgase, LNG, H2, NH3 sowie Erzeugung, Aufbereitung, Einspeisung und Nutzung erneuerbarer Gase (Biogas, SNG, H2)
  • Ausbau leistungsfähiger Netzinfrastrukturen
  • Energiespeicherung mittels Power-to-Gas-Technologie
  • Analysen zur Systemintegration von hocheffizienten Technologien mittels einfacher Tools (in Anlehnung an VDI) oder komplexer Simulationen (Modelica) und räumlicher Darstellungssoftware (QGIS)
  • energetische Gebäudesanierung
  • optimaler Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung in dezentralen und zentralen Energieversorgungsstrukturen
  • numerische Modellierung turbulenter reaktiver Strömungen (ANSYS FLUENT), kinetische Berechnungen (COSILAB) und Prozesssimulationen (ChemCAD),
  • Energiespeichersimulationen und -untersuchungen
  • Innovative Brenner- und Feuerungstechnik und Anlagenoptimierung
  • Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung und Schadstoffminderung (wie CO, NOx, und vieles mehr)
     

Die Bearbeitung der Projekte erfolgt grenzüberschreitend und in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Wirtschaft, Wissenschaft und Industrie, aber auch mit Gremien, Verbänden, Stadt- und Netzwerken. Das Ziel ist dabei, die Synergien auszutauschen und effizienter zu nutzen; die Forschungsergebnisse kommen unseren Mitgliedsunternehmen, Partnern und Kunden zugute und stärken deren Wettbewerbsfähigkeit, national wie international.

Die Innovations- und Forschungsvorhaben werden von den F&E-Abteilungen „Brennstoff- und Gerätetechnik" und „Industrie- und Feuerungstechnik" durchgeführt, diese verfügen über verschiedene Versuchs- und Testanlagen, moderne Messtechnik und umfangreiche Simulationsprogramme.

Themen der Forschung und Entwicklung

Simulationswerkzeuge

Das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. verfügt über umfangeiche leistungsstarke dynamische und numerische Simulations- und Berechnungsprogramme, die in den F&E-Abteilungen „Brennstoff- und Gerätetechnik (BGT)“ und „Industrie- und Feuerungstechnik (IFT)“ seit vielen Jahren zur Auslegung und Optimierung von Energieversorgungskonzepten sowie verfahrenstechnischen Anlagen und Prozessen sowohl im Rahmen von Forschungsprojekten als auch bei der Lösung kundenspezifischer Fragestellungen eingesetzt werden. Die dabei verwendeten Simulationswerkzeuge umfassen folgende Softwareprogramme:

  • ChemCAD®: Simulation chemischer Prozesse
  • Modelica®: Systemsimulation von Netzen, Quartieren, Gebäuden, Technologien, …
  • Cosilab®: Reaktionskinetische Berechnungen
  • ANSYS (FLUENT®): CFD-Simulation von Strömungen, Verbrennung, Wärmeübertragung und Schadstoffbildung

Zusätzlich setzt das GWI folgende Darstellungs- und Berechnungstools intensiv ein:

  • GIS – Geographisches Informationssystem (QGIS): Datenerfassung, Standortanalysen und räumliche Darstellung
  • GasCalc®, GasData, GWI-Arbeitsblätter: Brennstoffcharakteristik und -Verbrennung

Während in der BGT-Abteilung die oben genannten Simulationswerkszeuge und Berechnungsmodule für die Auslegung, Überprüfung und Optimierung zukünftiger Konzepte der Energieversorgung eingesetzt werden, werden sie in der IFT-Abteilung zur Untersuchung und Optimierung von industriellen Verbrennungsprozessen und -anlagen sowie deren Feuerungssystemen und -komponenten herangezogen.

Sowohl die numerische als auch die dynamische Prozesssimulation wird am GWI unter Berücksichtigung sämtlicher systemrelevanter Parameter durchgeführt, wobei Parameterstudien, Geometrievarianten, reaktionskinetische Vorgänge und dynamische Prozesszustände betrachtet werden können. Des Weiteren ist das GWI mit seinem Simulationswerkzeugen in der Lage, die dynamische Prozesssimulation für gesamte Energiesysteme (Erzeugung, Netze und Endanwendung) und die numerische Modellierung für ganzheitliche thermische Industrieprozesse durchzufahren und die komplexen physikalischen Vorgänge im Energiesystem zu beschreiben und Aussagen zu den Wechselwirkungen der einzelnen Prozesse (Strömung, Verbrennung, Strahlung etc.) zu liefern. Auf diese Weise können Optimierungs- und Retrofitting-Strategien im Voraus studiert und getestet werden, ohne dass es zu kostenintensiven Anlagenstillständen und somit zu Produktionsausfällen kommt.
Die erzielten Simulationsergebnisse erlauben Einblicke in den Prozessablauf, die mit Mitteln der Messtechnik kaum oder nur unter großem Aufwand möglich sind. Durch die Kombination dieser Ergebnisse mit messtechnischen Untersuchungen kann das GWI die Energiesysteme analysieren, optimieren und zur Lösung kunden- und prozessspezifischer Fragestellungen beitragen.

In den Forschungsabteilungen des GWI werden anwendungsnahe, praxisorientierte F&E-Projekte durchgeführt, die vom privaten Haushalt bis hin zum industriellen Maßstab reichen. Die Arbeitsschwerpunkte liegen u. a. auf Fragestellungen zu Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf Industrieprozesse und Gasanwendungstechnologien, der Integration der erneuerbaren Energien in bestehende Energieversorgungsstrukturen, der Sektorenkopplungstechnologien sowie der Kraft-Wärme-Kopplung in der häuslichen und gewerblichen Energieversorgung.

Die nachfolgend aufgeführten Steckbriefe für Aktuelle F&E-Projekte und Abgeschlossene F&E-Projekte vermitteln Ihnen einen ersten Eindruck über die genannten Projekte. Für weitere Informationen steht Ihnen die im Steckbrief genannte Kontaktperson gern zur Verfügung.     

Versuchsinfrastruktur

Das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. verfügt über umfangreiche, mit moderner Messtechnik ausgestattete Versuchsstände zur Durchführung praxisorientierter Untersuchungen für industrielle und F&E-Projekte, die über eine intelligente Kommunikationstechnologie in das sogenannte LivingLab des GWI eingebunden sind.

Das Spektrum reicht von Versuchsständen für kleine Brennstoffzellen mit Leistungen kleiner 1 kW bis zu semi-industriellen Hochtemperaturversuchsständen bis zu 1,3 MW. Die Teststände und Versuchsanlagen sind teilweise modular und mobil aufgebaut; sie können mit sämtlichen brennbaren Gasen und Gasgemischen beaufschlagt und mit Luft (Vorwärmung bis zu 1.200 °C) bis reinem Sauerstoff betrieben werden. Mit dieser flexiblen Versuchsinfrastruktur sind wir in der Lage, sowohl Einzeltechnologien als auch die Energieversorgung für Gebäude, Gewerbe und Industrieanwendungen nach prozessspezifischen Kriterien zu untersuchen, zu optimieren und auch Untersuchungen vor Ort direkt beim Kunden durchzuführen. Durch die fachliche Analyse, Auswertung der Messergebnisse und jahrelangen Erfahrungen können wir bei der Lösung der in der Praxis auftretenden Problemen, bei der Durchführung von Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Schadstoffminderung unterstützend agieren.

Fragen der gesamten Kette der Energieversorgung in den Sektoren Haushalt und Gewerbe sowie deren Geräte und Systeme werden an den Testständen der Abteilung Brennstoff- und Gerätetechnik behandelt. Im Labor werden Anlagen und Anlagenkombinationen auf Effizienz, Dynamik und Emissionen getestet und optimiert. Neben Wirkungsgradmessungen können dabei auch zeitabhängige Lastprofile vorgegeben und hieraus Nutzungsgrade abgeleitet werden. Für besondere Anforderungen/Fragestellungen werden speziell zugeschnittene Teststände konzipiert, gebaut und in Betrieb genommen. Des Weiteren bietet ein Technologie-Demonstrations-Haus die Möglichkeit, verschiedene Anlagen und Anlagenkombinationen unter realen Bedingungen zu testen. Darin können das Nutzerverhalten gezielt simuliert und die jeweiligen Auswirkungen mit Hilfe modernster Messtechnik detailliert erfasst und ausgewertet werden. Darüber hinaus werden an den installierten Anlagen Schulungen, Demonstrationen und Informationsveranstaltungen durchgeführt.

Das Demo-Haus ist eine Plattform, um innovative Gasanwendungstechnologien wie KWK-Anlagen, Brennstoffzellen und Wärmepumpen einem breiten Fachpublikum im realen Betrieb vorstellen zu können und einen detaillierten Einblick in die wichtigsten Betriebsparameter der Anlagen direkt vor Ort zu erhalten.

Für die Betreiber von thermoprozesstechnischen Anlagen, aber auch für Ofenbauer und Brennerhersteller werden Prüfstände der Abteilung Industrie- und Feuerungstechnik herangezogen. An diesen Prüfständen kann die Einbindung alternativer Brennstoffe in Industrieprozesse untersucht und Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und Minderung der Schadstoffemissionen überprüft werden, um Lösungen für optimale Praxiseinstellungen zu bieten. Hierzu zählen u. a. zwei leistungsfähige Hochtemperaturversuchsöfen mit einer Feuerungsleistung von 300 kW bis zu 1,3 MW. Mit Hilfe von wassergekühlten Sonden können sowohl Spezieskonzentrationen als auch Gastemperaturen gemessen werden. Zur Evaluierung von Verbrennungsprozessen wird die UV-Flammenvisualisierung herangezogen, so dass Flammeneigenschaften, wie Flammenform, -stabilität oder -länge ermittelt werden können. Mit einer speziellen Kamera können Thermografieaufnahmen gemacht und Schwachstellen und Schäden in der Isolierung von Thermoprozessanlagen früher erkannt werden, so dass die Sicherheit und Energieeffizienz der Anlagen gesteigert werden können. Unser Dienstleistungsspektrum wird durch einer mobilen mit Messtechnik abgerundet, mit dem wir beim Kunden vor Ort hochgenaue Analysen der wichtigsten Verbrennungsparameter der Industrieanlage vornehmen und ihm bei der Optimierung des Betriebes an Ort und Stelle beraten und unterstützen können.

Die in den Forschungsprojekten des GWI erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse werden kontinuierlich auf nationalen und internationalen Konferenzen, Tagungen, Seminaren und Workshops der Öffentlichkeit bekannt gemacht und sind nachfolgend (teilweise auch zum Downloaden) aufgelistet in Form von:

Sollten Sie Fragen zu bestimmten Artikeln unserer Veröffentlichungen haben können Sie uns gern kontaktieren.