Projekte

In „Windy Cities“ werden 12 Projekte bearbeitet, die sich thematisch ergänzen und untereinander vernetzt sind. Sie werden in die drei Schwerpunkte Simulation/Visualisierung, Windenergie und Energiespeicherung unterteilt.

Schwerpunkt Simulation/ Visualisierung

BETREUER-TANDEM NR. | THEMA DER PROMOTION
Prof. Dr. Coors
Prof. Dr. Ertl
1.1 | 3D Geodatenserver für urbane Strömungssimulation
In diesem Projekt steht die Erforschung und Entwicklung eines urbanen Informationsmodells zur Datenintegration auf Basis eines 3D-Stadtmodells im Mittelpunkt. Dies beinhaltet die Datenaufbereitung für die Strömungssimulation (Voß), die Integration raum- und zeitabhängiger Daten, insbesondere Strömungssimulationsdaten (Vektorfeld) und Messdaten wie gemessener Windströmung und Stromertrag von Kleinwindkraftanlagen. Als Schnittstelle zur interaktiven Analyse und Visualisierung (Ertl) soll der in Spezifikation befindliche OGC Standard 3D Portrayal Service evaluiert werden.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Coors
Prof. Dr. Ertl
1.2 | Visuelle Analyse raumbezogener Sensordatenströme
Im Rahmen dieser Promotion sollen Verfahren zur interaktiven visuellen Analyse von raumbezogenen Sensordatenströmen erforscht und evaluiert werden. Im Kontext von Windy Cities werden eine Vielzahl von raumbezogenen Sensordaten wie Wetterdaten, Stromerzeugung, Speicherung und Verbrauch erfasst. Die erfassten Datenströme müssen in Echtzeit analysiert und durch datenstrombasierte Algorithmen nach relevanten Informationen gefiltert werden. In diesem Zusammenhang ist Information als Entropie einer Nachricht nach Shannon zu verstehen. Komplexe Zusammenhänge zwischen verschiedenen Sensordatenströmen können oft durch geeignete Visualisierung von des Menschen besser erfasst werden als durch rein statistische Verfahren. Hierzu sollen verschiedene Visualisierungstechniken wie parallele Koordinaten, Hyperbolic Trees und TreeMaps im raumbezogenen Kontext erprobt werden. Ziel der Datenstromanalyse und der Visualisierung ist dabei das Monitoring und die optimale Steuerung der Kleinwindkraftanlagen und des Verteilnetzes inklusive CO2-basierten Wasserstoffbatterien.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Eicker
Prof. Dr. Ertl
1.3 | Intelligente Steuerung und Lastmanagement im lokalen und kommunalen Kontext
Lokale Windstromerzeugung in Kombination mit Wärmepumpen ist besonders gut auf den winterlich hohen Gebäudeenergiebedarf angepasst. Hier ergeben sich hohe Lastmanagement Potentiale, um bei Windstromangebot mithilfe intelligenter Steuerungsalgorithmen gezielt die Gebäude Energieabnahme zu erhöhen und die verfügbaren Speicherpotentiale zu nutzen. Der Überschuss-Strom, der nicht direkt nutzbar ist, kann in Wasserstoff umgewandelt und mit innovativen Speichertechnologien zur späteren Nutzung gespeichert werden. Aufgabe der Arbeit ist Entwicklung von Systemmodellen von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern, mit welchen systematisch Regelungsstrategien für die Komponenten sowie übergeordnete strategische Energiemanagement Funktionalitäten untersucht werden können. Insbesondere für die innovativen Systemkomponenten wie die reaktive Wasserstoffbatterie sind Regelungsstrategien zu entwickeln, welche die Ansteuerung einzelner Mikroreaktoren ermöglicht, um somit optimal sowohl auf Stromspitzenspeicherung als auch Lastprofilmaxima zu reagieren und auch kleine Strommengen aus Kleinwindkraftanlagen effizient speichern zu können. Das Ziel ist eine deutliche Erhöhung von Flexibilitäten im Stromsektor durch das gezielte Aktivieren von Speichern und Verbrauchern im Gebäudesektor. Durch die Steuerung von Gebäudegruppen in Stadtquartieren werden hohe Leistungssenken bereitgestellt, um dynamisch auf schwankende erneuerbare Erzeugung reagieren zu können.


Promotionsausschuss

Universität Stuttgart, Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Voss
Prof. Dr. Krämer
1.4 | Strömungssimulation im urbanen Umfeld zur Auslegung und Steuerung von Kleinwindkraftanlagen
Gegenstand ist der Einsatz  numerischer Simulation der  innerstädtischen  Luftströmungen  zur  Potenzialabschätzung, Auslegung  und  Steuerung  von  Kleinwindkraftanlagen.  Die Zielgrößen der Strömungssimulation sind dabei die relevanten Windparameter: mittlere und lokale Windgeschwindigkeit und Windrichtung    in  verschiedenen  Höhen  und  die  Druck-verteilung auf Gebäude. Dafür muss aus den im Teilprojekt „Geodatenserver“  aufbereiteten  Stadtmodellen  ein  für  CFD-Simulationen  geeignetes  effizientes  Berechnungsgitter  er-zeugt  werden.  Die  unterschiedlichen  räumlichen  und  zeitlichen Skalen müssen im physikalischen Modell und im numerischen Verfahren mit ausreichender Genauigkeit abgebildet werden, wobei auch die Auswahl des Turbulenzmodells systematisch untersucht werden muss. Zur Validierung der Berechnungsergebnisse  werden  Messergebnisse  aus  dem Teilprojekt  „Modellierung  des Windfelds  und  des Windenergiepotenzials  in  einer städtischen  Umgebung  mittels LiDAR (Cheng / Neuburger)“ herangezogen. Es geht dabei nicht um eine hochgenaue Ermittlung der Druckverteilung auf einzelne  Gebäudeteile,  sondern  vielmehr  um  die  Erstellung  flächen-deckender  Geschwindigkeits-  und  Druckprofile  und  Ermittlung anderer relevanter Kenngrößen zur Definition geeigneter Standorte und Betriebsparameter von Kleinwindkraftanlagen im urbanen Raum. Diese Arbeit liefert zudem einen wesentlichen Beitrag zur Anforderungsdefinition  im Teilprojekt „Web-basierte visuelle Analyse von Strömungen in Stadtmodellen“ und wendet gleichzeitig die dort entwickelten Verfahren und Werkzeuge pilothaft an.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Krämer
Prof. Dr. Voss
1.5 | Belastung und Ertrag von Kleinwindanlagen in urbaner Umgebung
Aufgrund der komplexen instationären und lokal stark variierenden Anströmung unterscheiden sich die dynamischen Lasten und der erzielbare Ertrag einer Kleinwindanlage in städtischem Gebiet signifikant von denen in flachem Gelände. Im Rahmen der Promotion sollen zeitlich und räumlich hoch aufgelöste CFD-Simulationen von Kleinwindanlagen durchgeführt werden, die auf exponierten Gebäuden in urbaner Umgebung installiert sind. Hierzu wird ein relevanter Ausschnitt aus dem städtischen Gebiet betrachtet, wobei die Basis für die CFD-Netze aus dem Vorhaben von Prof. Coors genutzt werden. Die lokalen Zuströmbedingungen werden den globalen Simulationen, die im Vorhaben von Prof. Voß durchgeführt werden, entnommen. Die LiDAR-Messungen von Prof. Cheng dienen darüber hinaus zur Validierung der Strömungsverhältnisse im direkten Umfeld der Anlage. Im vorliegenden Projekt sollen die auftretenden Strömungsphänomene an der Anlage im Detail numerisch untersucht werden, wozu auch die im Vorhaben von Prof. Ertl entwickelte Visualisierungssoftware genutzt werden soll. Die Simulationen sollen zunächst für eine generische Windenergieanlage durchgeführt werden, und es werden der Einfluss der Bebauung auf den Ertrag sowie die dynamischen Lasten, welche die Lebensdauer der Anlage bestimmen, untersucht und den Ergebnissen für einen Betrieb im flachen Gelände gegenüber gestellt. Im Anschluss daran wird die im Vorhaben von Prof. Neuburger speziell für den Betrieb im städtischen Gebiet optimierte Anlage betrachtet, und die erzielten Verbesserungen werden aufgezeigt.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Ertl
Prof. Dr. Coors
1.6 | Web-basierte visuelle Analyse von Strömungen in Stadtmodellen
Erforschung und Entwicklung von Visualisierungstechniken für die Analyse von Strömungsverhalten im Kontext von 3D-Stadtmodellen; adaptive Methoden und hierarchische Ansätze, um auch bei großen Datensätzen und komplexen Geometrien noch interaktive Analyse zur erlauben; visuelle Metaphern für Laien (Linien und Glyphen) und Experten (topologische Analyse, Kohärente Strukturen); Unterstützung verschiedener Zielplattformen: von hochauflösenden Displays (PowerWall) bis zu Webanwendungen auf mobilen Geräten; vergleichende und integrative Visualisierung von Simulationsergebnissen und Messwerten; Schnittstelle zum Geodatenserver (Projekt Coors).


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik, Dr.rer.nat.

Schwerpunkt Windenergie

BETREUER-TANDEM NR. | THEMA DER PROMOTION
Prof. Dr. Neuburger
Prof. Dr. Cheng
2.1 | Optimale Kleinwindkraftanlage für den Einsatz in turbulenter Strömung
Kleinwindkraftanlagen (KWKAs) mit einer Leistung von bis zu 3,3kW ermöglichen über die Photovoltaik hinaus die regenerative Energieerzeugung für Privatpersonen. Bis dato ist die Verbreitung sehr gering, weshalb in dieser Arbeit eine KWKA als Gesamtsystem betrachtet und optimiert wird. Es sind viele Bereiche wie Mechanik, Aerodynamik, Elektronik und Regelung zu berücksichtigen. Der Schwerpunkt in dieser Ausschreibung liegt auf der Elektronik, wobei alle Facetten mit zu berücksichtigen sind.
Die Arbeit beginnt mit einer theoretischen Beschreibung der Abhängigkeiten, welche rechnergestützt validiert werden. Abschließend wird der Aufbau (eine KWKA) realisiert und in einem Windkanal vermessen.
Die praktischen Umsetzungen laufen an der Hochschule Esslingen (Prof. Dr. M. Neuburger) in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart (Prof. Dr. P. W. Cheng).


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Cheng
Prof. Dr. Neuburger
2.2 | Modellierung des Windfelds und des Windenergiepotenzials in einer städtischen Umgebung mittels LiDAR
Die Strömung in einer städtischen Umgebung ist sehr komplex durch die Interaktion der Gebäude mit der Strömung, die unstetige Rauigkeitsänderung und die thermischen Effekte. Die komplexe Umströmung um ein Gebäude bedeutet, dass es lokal zu großen Schwankungen in der Windgeschwindigkeit kommen kann. Um das Nutzungspotenzial der Windenergie, vor allem von Kleinwindenergieanlagen in städtischer Umgebung, genau quantifizieren zu können, ist eine präzise räumliche und zeitliche Charakterisierung des Windfeldes notwendig. Hier wird neben der Standardmesstechnik auch LiDAR (Light Detection and Ranging) eingesetzt, um das inhomogene Windfeld zu beschreiben. Um aus den Lidarrohdaten eine Beschreibung der Umströmung zu generieren müssen Algorithmen zur Windfeldrekonstruktion entwickelt werden. Dazu wird in einem ersten Schritt ein Lidarsimulator in die Strömungssimulation integriert um diese als Referenz für die Algorithmen nutzen zu können. In einem zweiten Schritt sollen die Ergebnisse dann mit Messungen abgeglichen werden. Damit kann eine Energieoptimierung durch die optimale Positionierung der Windenergieanlagen erreicht werden und eine Kurzzeit-Vorhersage der Energieeinspeisung ermöglichen.
Gesucht werden Kandidaten mit Kenntnissen in Strömungsphysik und Meteorologie. Erfahrung mit Messtechnik, Lidar und Windenergie sind erwünscht.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie, Dr.rer.nat.

Schwerpunkt Energiespeicherung

BETREUER-TANDEM NR. | THEMA DER PROMOTION
Prof. Dr. Plietker
Prof. Dr. Klemm
3.1 | Entwicklung immobilisierter Ru-basierender Katalysatoren zur Hydrierung-Dehydrierung von CO2
Die chemische Reduktion von CO2 zu Ameisensäure, Methanol oder Dimethylether ermöglicht die effiziente Speicherung von explosivem Wasserstoffgas. Das Fehlen effizienter aber auch sicherer Wasserstoffspeicher stellt den momentanen Flaschenhals bei der Einführung der Brennstoffzellentechnologie sowohl in Industrie als auch im privaten Umfeld dar. Anders als bei den momentan etablierten Technologien (kryogener Wasserstoff, adsorptive H2-Speicher) kann im Fall der Verwendung von CO2-basierten Speichern auf die bestehende Infrastruktur (Pipelines, Kesselwagen) zurückgegriffen werden. Dazu muss die elektrische Energie (aus z.B.Windkraftanlagen) in chemische Energie (d.h. Atombindungen) transformiert werden. Um sich flexibel an die unterschiedliche Größe der Windkraftanlagen und damit der Menge an elektrischer Energie anpassen zu können, soll eine effiziente Mikroreaktortechnologie entwickelt werden. Die Implementierung von Mikroreaktoren in ein Micro-Smart-Grid-Modul soll es ermöglichen, durch geschickte Ansteuerung flexibel auf sich verändernde Mengen an Energie zu reagieren und dies unabhängig von der Größe der Windkraftanlage. Um diese Technologie zu entwickeln, sollen verschiedene Probleme gelöst werden.

  • Entwicklung immobilisierter molekularer Katalysatoren zur Implementierung in die Mikro-Reaktor-Technologie.
  • Entwicklung von Elektrokatalysatoren zur entweder effizienten Wasserreduktion (H2-Generierung) oder direkten CO2-Reduktion unter Verwendung von Wasser als einem verfügbaren (grünen) H2-Surrogat.

Im Rahmen des Projekts sollen ausgehend von existierenden Katalysatorprototypen modifizierte (PNNP)Ru-Komplexe dargestellt werden, die über Linker an heterogene Träger (Polymere, Metalloxide) angeknüpft werden können. Diese neuartigen Katalysatoren müssen in Bezug auf Reaktivität sowohl bei der CO2-Reduktion zu Ameisensäure (-> Batterieladevorgang) als auch der Ameisensäurezersetzung (-> Batterieentladung) profiliert werden. Mit dem optimalen System in Händen soll in Zusammenarbeit mit der AG Klemm eine Verwendung in Mikroreaktoren entwickelt werden.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Chemie Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Plietker
Prof. Dr. Klemm, Prof. Dr. Neuburger
3.2 | Entwicklung von Fe-Katalysatoren zur elektrochemischen Wasserspaltung
Die chemische Reduktion von CO2 zu Ameisensäure, Methanol oder Dimethylether ermöglicht die effiziente Speicherung von explosivem Wasserstoffgas. Das Fehlen effizienter aber auch sicherer Wasserstoffspeicher stellt den momentanen Flaschenhals bei der Einführung der Brennstoffzellentechnologie sowohl in Industrie als auch im privaten Umfeld dar. Anders als bei den momentan etablierten Technologien (kryogener Wasserstoff, adsorptive H2-Speicher) kann im Fall der Verwendung von CO2-basierten Speichern auf die bestehende Infrastruktur (Pipelines, Kesselwagen) zurückgegriffen werden. Dazu muss die elektrische Energie (aus z.B.Windkraftanlagen) in chemische Energie (d.h. Atombindungen) transformiert werden. Um sich flexibel an die unterschiedliche Größe der Windkraftanlagen und damit der Menge an elektrischer Energie anpassen zu können, soll eine effiziente Mikroreaktortechnologie entwickelt werden. Die Implementierung von Mikroreaktoren in ein Micro-Smart-Grid-Modul soll es ermöglichen, durch geschickte Ansteuerung flexibel auf sich verändernde Mengen an Energie zu reagieren und dies unabhängig von der Größe der Windkraftanlage. Um diese Technologie zu entwickeln, sollen verschiedene Probleme gelöst werden.

  • Entwicklung immobilisierter molekularer Katalysatoren zur Implementierung in die Mikro-Reaktor-Technologie.
  • Entwicklung von Elektrokatalysatoren zur entweder effizienten Wasserreduktion (H2-Generierung) oder direkten CO2-Reduktion unter Verwendung von Wasser als einem verfügbaren (grünen) H2-Surrogat.

Im Rahmen des Projekts sollen in enger Zusammenarbeit mit der AG Klemm und Neuburger [Fe]- bzw. [FeFe]-Hydrogenasemimetika dargestellt und hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität in der elektrochemischen Wasserspaltung (Protonenreduktion) untersucht werden. Die Implementierung der Katalysatoren in Mikro(elektrolyse)reaktoren und die Vernetzung innerhalb der Speichermodule sollen in enger Abstimmung mit der AG Neuburger (Windenergie) und AG Eicker (Vernetzung) erfolgen.


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Chemie Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Klemm
Prof. Dr. Plietker
3.3. | Reaktionstechnische Untersuchungen einer CO2-basierten Wasserstoffbatterie
In enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Plietker, Institut für Organische Chemie, werden molekulare Katalysatoren wie Ru-PNNP eingesetzt, um Strom durch elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure zu speichern. Prinzipiell gibt es hier drei mechanistisch unterschiedliche Routen:

  1. Wasserstoffbildung an der Kathode und in-situ-Reduktion des Kohlendioxids zu Ameisensäure durch Einsatz molekularer Katalysatoren und – falls erforderlich – einer Base wie DBU [1].
  2. Elektrochemische Reduktion von Protonen des Wassers an einem molekularem Katalysator zu Hydrid-Spezies, die dann einen nukleophilen Angriff am Kohlenstoff des Kohlendioxids unter Bildung von Ameisensäure durchführen.
  3. Elektrochemische Aktivierung des Kohlendioxids an der Kathode und Umwandlung mit Protonen des Wassers zu Ameisensäure bzw. Formiat [2].

In allen drei Fällen kann der molekulare Katalysator in homogener Phase im Elektrolyt oder in heterogener Phase durch Immobilisierung an der Elektrode eingesetzt werden. Die Zellen werden durch Messung von Polarisationskurven hinsichtlich des optimalen Elektrodenpotentials charakterisiert. In galvanostatischen und potentiostatischen Messungen kann das Zeit-Verhalten bewertet und die Stromdichten sowie Energie- und Faraday-Effizienzen bestimmt werden. Die Anzahl an Belade- und Entladezyklen sind für die Anwendung als Wasserstoff-Batterie in der Stromspeicherung relevant


Promotionsausschuss
Universität Stuttgart, Fakultät Chemie, Dr.rer.nat.

Prof. Dr. Eicker
Prof. Dr. Plietker
3.4 | Systemintegration von Windstrom in lokale Energiesysteme mit Power to Gas und reaktiven Wasserstoffbatterien
Nicht direkt von den Verbrauchern genutzter Wind- oder Solarstrom muss in das Energiesystem integriert werden, um bei langfristig sehr hohen erneuerbaren Energieanteilen im elektrischen Netz ein Abschalten der Energieerzeuger zu vermeiden. Dazu werden systemisch Power to Gas Technologien mit innovativer chemischer Wasserstoffspeicherung und Rückverstromung über Brennstoffzellen bzw. direkter Nutzung im Verkehrsbereich analysiert und bewertet. Für das Energiesystem sind Systemmodelle mit Erzeugern, Speichern und Verbrauchern zu entwickeln, um zum einen unterschiedliche Technologiekombinationen energetisch, ökologisch und wirtschaftlich bewerten, zum anderen aber auch die Dynamik fluktuierender Erzeuger abbilden zu können und geeignete Regelungskonzepte zu entwickeln.


Promotionsausschuss

Universität Stuttgart, Fakultät Chemie, Dr.rer.nat.