Erfahren, diskutieren, mitwirken!

Ein Ziel des LLEC ist es, ein vernetztes und modernes Energiesystem in der bestehenden Infrastruktur unseres Campus zu errichten. Viele Einzelprojekte und Maßnahmen des LLEC sind bereits umgesetzt oder befinden sich in Umsetzung – das Reallabor erwacht dadurch immer mehr zum Leben! In dieser spannenden Phase des Projekts laden wir Sie zu unserem jährlichen Mitarbeiterworkshop ein.

Im virtuellen World-Café können Teilnehmende miteinander und mit dem LLEC-Projektteam über verschiedene Herausforderungen zukunftsfähiger Energiesysteme ins Gespräch kommen. Auf der Agenda stehen unter anderem die Themen Agri-Photovoltaik, innovative flüssige Wasserstoffspeicher, Elektrofahrzeuge als Pufferspeicher sowie weitere zentrale Themen des LLEC-Projekts.

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In July 2021 the so-called LLEC::VxG was initiated as a further extension of the LLEC project, in which various organizational units are involved. We have seen the LLEC-abbreviation (Living Lab Energy Campus) more frequently on this blog, but the abbreviation ‘VxG’ might be new. Very often the term ‘V2G’ is used, which stands for ‘Vehicle-to-Grid’. Basically, this means that the battery of an electric vehicle can be charged with energy from the electricity grid, but can also feed energy back into the grid. Hence, a V2G-capable electric vehicle and charging station support the bidirectional flow of electric power. Nevertheless, we decided to replace the ‘2’ in V2G with an ‘x’ because the project scope also includes unidirectional electric vehicles and charging stations that only support charging an electric vehicle. The charging power and charging moment/time might be controlled by the car user. In this case, ‘x’ can be replaced by ‘1’, making it V1G. The double colon (::) in LLEC::VxG is adopted from programming language and indicates that VxG is part of LLEC. 

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Im Rahmen des Projekts Living Lab Energy Campus (LLEC) wird ein neuartiger Wasserstoffspeicher auf Basis der LOHC-Technologie auf dem Gelände des Forschungszentrums geplant und errichtet. Der neuartige Wasserstoffspeicher wurde bereits in einem separaten Blogbeitrag angekündigt (https://blogs.fz-juelich.de/llec/2019/12/03/neuartiger-lohc-wasserstoffspeicher/). In diesem Artikel wird der aktuelle Stand der Planungen und Neuerungen am Reaktor erläutert. Zunächst möchte ich die LOHC-Technologie näher erläutern.

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Mit diesem ersten Beitrag wird das Thema Photovoltaik (PV) als erneuerbare Energie im LLEC-Netz näher beleuchtet. Starten werden wir mit einer Übersicht über die in der Planung bzw. im Aufbau befindlichen PV Systeme. Im weiteren Projektverlauf werden wir einzelne Projekte im Detail vorstellen.

Im LLEC Projekt wollen wir eine installierte Gesamtleistung von 1,5 Megawatt (Peak Leistung) auf dem Forschungs-Campus installieren. Dafür benötigt man heutzutage, je nach Anlagendesign, eine Fläche von ca. ein bis zwei Hektar. Für gesplittete Systeme (viele kleine Systeme, anstelle eines Gesamtsystems) auch deutlich mehr. Auf unserem Campus kommen dafür Gebäudedächer (Bestands- wie auch Neubauten), Gebäudehüllen (Building Integrated PV (BIPV)) und nicht genutzte Freiflächen in Betracht. Zunächst wurde das Potential von PV Installationen auf Dächern von Bestandgebäuden auf dem Campus untersucht, mit dem Resultat, dass nur einige wenige Bestandsgebäude für eine PV Installation geeignet sind. Insgesamt ist das PV Potential für die Bestandsgebäude in der Größenordnung von ca. 130 Kilowatt Peak Leistung. Zusätzlich soll PV auf den Dächern von Neubauten entstehen. Einfacher ist es, PV bei Neubauten zu berücksichtigen. Hier liegt das Potential bei den derzeit in der Planung befindlichen Bauvorhaben bei 340 Kilowatt Peak-Leistung. Insgesamt sind wir da noch deutlich weg von dem Ausbauziel von 1,5 Megawatt Gesamtleistung PV.

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Das Energiesystem der Zukunft, das im LLEC schon jetzt aufgebaut wird, basiert auf erneuerbaren und damit fluktuierenden Energiequellen. Dies macht neben der intelligenten Kopplung der Systeme auch die dezentrale Energiespeicherung für eine sichere und klimafreundliche Energieversorgung erforderlich. Um Wasserstoff als Energieträger für die Speicherung erfolgreich einsetzen zu können, ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung und Speicherung von zentraler Bedeutung. Mit Hochtemperatur-Festoxidwandlern ist es sowohl möglich mit elektrischer Energie per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, als auch umgekehrt, als Brennstoffzelle betrieben, Wasserstoff bei Bedarf zu verstromen. Dabei kann derselbe Zellenstapel für beide Betriebsmodi mit sehr hoher Effizienz eingesetzt werden. In diesem Fall wird in der Fachsprache von einer reversiblen Festoxidzelle bzw. rSOC (reversible Solid Oxide Cell) gesprochen. Die eingesetzten Zellen bestehen im Wesentlichen aus einem festen Elektrolyten, der bei hohen Temperaturen durchlässig für Sauerstoffionen ist, und zwei porösen Elektroden über die der elektrische Strom zu- bzw. abgeführt wird.

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Ein Schlüsselelement eines zukünftigen Energiesystems ist Wasserstoff, der aus erneuerbar erzeugter elektrischer Energie hergestellt wird. Dieser Wasserstoff kann gasförmig gespeichert oder aber noch weiter umgewandelt werden, ehe er als Rohstoff oder Energieträger genutzt wird.

Eine wichtige Forschungsfrage liegt darin, wie man möglichst viel Wasserstoff mit der via Photovoltaik oder Wind produzierten elektrischen Energie erzeugen kann. Hier konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte, gegenüber kommerziell erhältlichen System erzielt werden, diese wurden aber fast ausschließlich im Labormaßstab nachgewiesen. Im Rahmen des Living Lab Projektes wird nun vom IEK-14 ein Zellstapel (Stack) mit einer Leistung von 400 kW aufgebaut, der besonders leistungsstark und effizient ist. Dazu wurden neue Herstellungsverfahren am Forschungszentrum erarbeitet und in den technischen Maßstab skaliert und derzeit erfolgen die Tests der so hergestellten Komponenten der nächsten Generation.

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Der Jülicher Supercomputer JUWELS wurde im vergangenen Jahr in Betrieb genommen und ermöglicht das Lösen rechenintensiver Problemstellungen. Für den Betrieb wird JUWELS über einen Wasserkreislauf gekühlt, der die entstehende Abwärme an die Umwelt abführt.

Bislang wurden technische Prozesse meistens einzeln optimiert, ohne Betrachtung von benachbarten Prozessen. So wird aktuell die Abwärme der Supercomputer aktiv „weggekühlt“ obwohl gleichzeitig umliegende Gebäude in der Heizperiode Heizwärme benötigen. Das geht sicherlich effizienter. Ein solche innovative Möglichkeit wird bald im Reallabor Living Lab Energy Campus (LLEC) demonstriert.

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As part of the LLEC energy demonstrators, two battery energy storage systems will be installed on the FZJ campus. These battery systems are quite different from each other in terms of storage capacity and power because this makes them more interesting for the LLEC science case. The first battery is a high-energy battery system with a capacity of 2600 kWh and a power of 595 kW. The second battery is a high-power system with a capacity of 500 kWh and a total power of 1500 kW. Note that kWh is actually a unit to express (electrical) energy consumption for which e.g. the energy company charges you every month some money. However, in this context, it is more common to speak about capacity. The difference between a high-energy and high-power battery is that a high-energy battery has a high number of kWh’s per unit of weight. High-energy batteries are, for example, typically found in battery electric vehicles and laptops to allow long-range driving and user time, whereas high-power batteries are often used in hybrid electric vehicles and mobile power tools to (shortly) boost an electric device with high power.

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Unser Umgang mit Energie ist im Wandel. Dies betrifft nicht nur die alltäglichen Situationen, in denen wir uns selbst daran erinnern, das Licht auszuschalten oder einmal auf das Auto zu verzichten, sondern auch die gesamte Infrastruktur von Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Nutzung von Energie – kurzum unser gesamtes „Energiesystem“. Um diesen Wandel zu vollziehen, benötigen wir intelligente, dezentrale und vor allem vernetzte Technologien, die im Rahmen des Projektes „LLEC::JuPilot“ entwickelt und am Schülerlabor des Forschungszentrums Jülich erlebbar gemacht werden sollen.

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Das Energiesystem des Forschungszentrums Jülich (FZJ) wird sich im Laufe des Projekts „Living Lab Energy Campus“ (LLEC) fundamental verändern. Wir sind davon überzeugt, dass die erfolgreiche Umgestaltung des Energiesystems maßgeblich von der Mitwirkung der Nutzerinnen und Nutzer abhängt. Deshalb ist die Nutzereinbindung ein zentrales Element des LLEC-Projekts, für das wir ein eigenes Projektteam „Engagement und Dissemination“ eingerichtet haben. Hier berichten wir über die Arbeit unseres Teams.

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