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Forschungsfeld 3: Thermodynamisch-mathematische Prozess- und Systembetrachtung

Die Energiewirtschaft ist der Sektor mit den höchsten Treibhausgasemissionen sowohl in Deutschland als auch weltweit. Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Stromwirtschaft gilt die nachhaltige Erzeugung von elektrischem Strom aus erneuerbaren Energien als Schlüsseltechnologie. Leider steht die flächendeckende Nutzung von erneuerbaren Energien noch immer vor mehreren Herausforderungen, nicht zuletzt ihre volatile und örtlich gebundene Verfügbarkeit. Dies rückt die Beherrschung der zeitlichen und geografischen Unausgewogenheit zwischen Angebot und Nachfrage erneuerbarer Energien ins Zentrum einer erfolgreichen klimaneutralen Stromwirtschaft. Als Schlüsselkomponente zur Lösung dieser Problematik werden großskalige, transport- und lagerfähige Energiespeicher benötigt.

Im Rahmen des transdisziplinären Clusterprojekts Clean Circles wird an einem innovativen klimaneutralen Energie-Stoff-Kreislauf geforscht, welcher Eisen als lager- und transportfähigen chemischen Energieträger einsetzt. Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wird in Eisen eingespeichert und kann örtlich und zeitlich getrennt von der Einspeicherung durch thermochemische Oxidation (z.B. in umgerüsteten Kohlekraftwerken) rückverstromt werden.

Die Gesamtbewertung des Clean Circles Prozesses muss technische, ökologische, ökonomische und politisch-soziale Kriterien berücksichtigen. Eine Voraussetzung für diese multikriterielle Bewertung ist die holistische Analyse des Gesamtsystems auf der Basis eines thermodynamisch-mathematischen Modells. Im Rahmen dieses Teilprojektes werden alle relevanten Prozessschritte des Systems mit grundlegenden thermodynamischen Methoden beschrieben, um alle damit verbundenen Stoff- Energie- und Exergieströme zu modellieren. Die explizite Modellierung der Exergieströme erlaubt eine exergetische Bewertung individueller Komponenten und des Gesamtsystems, mit welcher die Ursachen und Orte thermodynamischer Verluste bestimmt werden können. Darauf aufbauend wird die exergetische mit einer ökonomischen Analyse in Form einer exergoökonomischen Analyse kombiniert, welche erste Abschätzungen der Kosten für das Gesamtsystem liefert.

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