• Zukunftscluster Wasserstoff - „Innovationsnukleus der Wasserstoffökonomie (Umsetzungsphase 1)"

  • HylnnoICE - Entwicklung eines Fahrzeugs mit hochinnovativem Wasserstoffverbrennungsmotor (HyInnoICE)

  • HylnnoPEM - Mobile Antriebe mit zukunftsweisenden Brennstoffzellensystemen (HyInnoPEM)

  • HylnnoSys - Innovationsbegleitende Maßnahmen zur Marktvorbereitung, Vernetzung und zum Technologie- und Wissenstransfer (HyInnoSys)

  • HylnnoSOFC - Hochtemperatur Brennstoffzellen mit flexibler Brennstoffnutzung zur autarken Energieversorgung (HyInnoSOFC)

• GINI - „Roboter für flexibles automatisches Laden von Elektrofahrzeugen"
• Carbon2Chem - „Carbon2Chem-2 L-4: C2+-Alkohole, C2+-OIefine, synthetische Kraftstoffkomponenten"
• Methanolstandard – „Untersuchung der technischen Grundlagen zur Standardisierung von Methanol-Kraftstoffen in Europa"
• GNOSIS – „Holistische Bewertung des elektrischen Fliegens"

Abgeschlossene Projekte:

• Methcar – „Verbundprojekt: MethCar - Methan Motoren für Pkw
  Teilvorhaben: Injektorrobustheit und Abgaskatalyse in Abhängigkeit der Kraftstoffzusammensetzung"
• C3-Mobility – "Closed Carbon Cycle – Mobility: Klimaneutrale Kraftstoffe für den Verkehr der Zukunft"
• Leimot – „Leichtbau-Motor: Gewichtsreduzierung eines Verbrennungsmotors durch gezielte Strukturoptimierung und Verwendung von Hybrid Metall- und Kunststoff-Komponenten"
• X-EMU – „Entwicklung und Validierung eines Hochleistungs-Brennstoffzellen-Antriebes für Hybrid-EMU-Triebzüge in einem Traktionsbaukastensystem"
• P2X Kopernikus – „Erforschung, Validierung und Implementierung von Power-to-X Konzepten"
• XME-Diesel – „(Bio-)Methylether als alternative Kraftstoffe in bivalenten Diesel-Brennverfahren"
• VARIMOT – „Variable Systeme zur Effizienzsteigerung bei Ottomotoren mit kleinem Hubvolumen"
• GreenREx-BETRIEB – „Betriebsstrategie Range Extender Fahrzeug"
• Anfahrt – „Alternative Nutzfahrzeugantriebe für LKW und BUS „Sauberer energieeffizienter Straßentransport“
• BREEZE! – „Brennstoffzellen-Range-Extender für Elektrofahrzeuge: Zero Emission!"
• TEAM – "„Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen"
• Europa Hybrid PlugIn – „Entwicklung eines elektrischen Antriebs für ein rückspeisefähiges PlugIn-Hybridfahrzeug mit optimiertem Batteriemanagement und niedrigem Verbrauch"

Wasserstoff (H₂) bietet als kohlenstofffreier Energieträger das unmittelbare Potential zum Aufbau einer CO₂-neutralen Energiewirtschaft. Durch die Umwandlung aus und zu erneuerbarem Strom mittels Elektrolyse und Brennstoffzellen bietet Wasserstoff eine nachhaltige Lösung für verschiedenste Anwendungen in der Mobilität, Privathaushalten und der Industrie. Als Energieträger und Speicher lässt Wasserstoff sich direkt zur Sektorkopplung nutzen.

Aus diesen Gründen steht Wasserstoff aktuell im Fokus nationaler und internationaler Nachhaltigkeitsbemühungen. In Deutschland laufen zahlreiche Fördermaßnahmen zur Marktaktivierung. Diese möchte der Zukunftscluster Wasserstoff fortlaufend mit technischen Innovationen speisen. Dazu muss allerdings das „Valley of Death“ überwunden werden, sprich der Bereich mittlerer Technologiereifegrade, die nicht mehr durch Grundlagenforschung gefördert werden, aber für die Serienentwicklung noch nicht ausreichend ausgereift sind.

Diese Herausforderung löst der Zukunftscluster Wasserstoff mittels Vernetzung. So werden technischen Einzelprojekte zu einem Gesamtbild verknüpft und dadurch Multiplikator-Effekte erzielt. Durch die interdisziplinären und anwendungsübergreifenden Arbeiten werden Forschung, Wirtschaft und Gesellschaft zusammengebracht. Dadurch entsteht ein regionaler Innovationsnukleus, der für ganz Deutschland einen Innovationsbeitrag leistet.

Der Zukunftscluster Wasserstoff verfolgt das Ziel der Nutzung und Stärkung von Netzwerken und die Schaffung einer Modellregion zur Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff: „Wasserstofftechnologien made in Germany“ soll weltweit für herausragende, innovative Spitzentechnologien stehen.

Der Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme (TME) ist Teil der Projekte HyInnoPEM zu Brennstoffzellen für mobile Antriebe, HyInnoSOFC zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen für kombinierte Wärme- und Stromerzeugung, HyInnoICE zum Wasserstoff-Verbrennungsmotor und HyInnoSys zu den innovationsbegleitende Maßnahmen.

Entwicklung eines Fahrzeugs mit hochinnovativem Wasserstoffverbrennungsmotor

HyInnoICE

03ZU1115GA

Um die CO₂-Ziele in der EU und in Deutschland zu erreichen, wird der Anteil erneuerbarer Energieträger im Verkehrssektor steigen. Regenerativ hergestellter Wasserstoff (H₂) bietet ein großes Potential, CO₂-neutrale Lösungen für mobile Anwendungen im Straßenverkehr sowie für Off-Highway Anwendungen zu ermöglichen. Neben dem Einsatz in der Brennstoffzelle kann H₂ auch für Motoren genutzt werden und damit auf der Nachfrageseite die weitere Markteinführung als Energieträger für die Mobilität unterstützen. Ziel des Projektes HyInnoICE ist es daher, die Machbarkeit eines hochinnovativen H₂-Verbrennungsmotors anhand eines Fahrzeugdemonstrators mit einer zu heutigen Serienfahrzeugen vergleichbaren Performanz darzustellen und gleichzeitig niedrigste NO_x-Emissionen zu erzielen. Dazu werden erstmalig unterschiedliche Technologiebausteine, deren Reifegrad sich erst in den letzten Jahren deutlich verbessert hat, miteinander kombiniert und durch neuartige Regelungskonzepte ergänzt. Entsprechend wird ein ganzheitlicher Ansatz aus Experimenten auf verschiedenen Ebenen und Simulationen verfolgt. Parallel zur Entwicklung des Antriebsstrangs widmet sich ein Arbeitspaket der effizienten Speicherung des Wasserstoffs in neuartigen Tanksystemen.

Bestehend aus einem OEM, einem Zulieferer, einem Entwicklungsdienstleister und vier wissenschaftlichen Partnern deckt das Konsortium die gesamte Forschungspalette bis hin zur Berücksichtigung aller Serienaspekte ab und stellt eine holistische Betrachtung des neuartigen Antriebsstrangs sicher. Die RWTH ist im Rahmen dieses Vorhabens verantwortlich für die grundlegenden Untersuchungen zum neuartigen Brennverfahren und optimiert den Wirkungsgrad sowie die Emissionen. Darüber hinaus werden neue, dezidierte Funktionalitäten und Regelungskonzepte für den innovativen H₂-Verbrennungsmotor entwickelt und auf einem Prototypensteuergerät implementiert sowie die Kalibrierung am Prüfstand erarbeitet und die Fahrzeuguntersuchungen begleitet.

Mobile Antriebe mit zukunftsweisenden Brennstoffzellensystemen

HyInnoPEM

03ZU1115EC

Das Forschungsprojekt HyInnoPEM ist Teil des Clusters4Future "Wasserstoff", das aus elf Projekten besteht, die einen umfassenden Überblick über die Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff in mobilen und stationären Anwendungen geben. Ziel des Clusters ist es, starke lokale Netzwerke in der Region Aachen und Jülich aufzubauen, um außergewöhnliche Forschung mit einflussreichen Industriepartnern zu verbinden, die an wasserstoffbezogenen Technologien arbeiten. Als Teil des Clusters4Future "Wasserstoff" befasst sich HyInnoPEM mit der Stromerzeugung mit Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran (PEM) Brennstoffzellen für mobile Anwendungen. Neben vier Lehrstühlen der RWTH Aachen unterstützen die Industriepartner EKPO, Pierburg und FEV das Projekt und verbinden so wissenschaftliche Forschung mit industriellen Erkenntnissen, um eine schnelle Durchsetzung der Projektergebnisse am Markt zu gewährleisten.

Eines der Haupthindernisse für einen breiten Einsatz von PEM-Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen sind die hohen Kosten, die durch eine kurze Lebensdauer des Stacks sowie der Systemkomponenten entstehen. Es wird ein Brennstoffzellen-Systemmodell entwickelt, das in der Lage ist, die Systemdynamik zu beschreiben und durch Messdaten zu validieren. In einem zweiten Schritt wird das Modell um ein Degradationsmodul erweitert, das während eines speziellen transienten Lastzyklusbetriebs auf einem Prüfstand an der TME untersucht wird. Das Projekt ermöglicht die Entwicklung einer modellprädiktiven Steuerung, die einen hochdynamischen Betrieb unter Berücksichtigung der modellierten Degradation ermöglichen soll. Durch vorausschauende Wartungsstrategien und eine verlängerte Lebensdauer können die Gesamtbetriebskosten (TCO) von PEM-Brennstoffzellen auf ein wettbewerbsfähiges Niveau gesenkt werden. Das Projekt trägt somit dazu bei, den wirtschaftlichen Einsatz der Wasserstofftechnologie in mobilen Anwendungen der Zukunft zu ermöglichen.

Innovationsbegleitende Maßnahmen zur Marktvorbereitung, Vernetzung und zum Technologie- und Wissenstransfer

HyInnoSys

03ZU1115KA

Technologischer Wandel bedarf neben der gezielten Entwicklung der Technologie stets auch paralleler Aktivitäten in den Bereichen Wirtschaft, Gesellschaft und (volkswirtschaftlicher) Institutionen, die die Rahmenbedingungen für den Wandel darstellen und Markt-vorbereitend wirken. Die innovationsbegleitenden Maßnahmen sollen helfen, die Wirkung des Zukunftscluster vollumfänglich zu entfalten, indem Rahmenbedingungen geschaffen werden, durch die Forschung in Wertschöpfung umgesetzt wird. Dies soll unter Einsatz moderner Instrumente des Innovationsmanagements wie partizipativer Beteiligung von Bürger:innen und anderer Stakeholder geschehen. Es sollen Handlungsmöglichkeiten für Politik, gesellschaftliche Akteure sowie Unternehmen abgeleitet werden. Es ist erklärtes Ziel, den Wissenstransfer in die und aus der Region sowie über die Clustergrenzen hinweg in andere Förderprojekte zu ermöglichen sowie den Technologietransfer in die Industrie und zwischen Sektoren zu befähigen.

Im Rahmen des Projektes HyInnoSys wird die Wasserstoffwirtschaft aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet. Diese umfassen die ökologische, ökonomische, gesellschaftliche, politische und die technologische Sichtweise. Das TME organisiert im Rahmen des Projektes das Aachen Hydrogen Colloquium. Dort werden wissenschaftliche Ergebnisse aus allen Bereichen der Wasserstoffwirtschaft präsentiert und neue Forschungsfragen diskutiert. Damit trägt es direkt zur Vernetzung der Akteure bei.

Hochtemperatur Brennstoffzellen mit flexibler Brennstoffnutzung zur autarken Energieversorgung

HyInnoSOFC

03ZU1115FB

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads eine interessante Anwendung für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), werden aber in der Regel mit Erdgas als Brennstoff betrieben. Aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff stellt sich die Frage, inwieweit die SOFC flexibel mit unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden kann. Gemeinsam mit dem EON Energy Forschungszentrum der RWTH Aachen, dem IEK-14 des Forschungszentrums Jülich und dem Industriepartner Sunfire Fuel Cell GmbH hat das Konsortium das Ziel, ein µ-CHP SOFC System zu entwickeln, das mit einer flexiblen Wasserstoffmenge im Brenngas betrieben werden kann.

Die Basis des HyInnoSOFC-Projekts ist ein auf dem Markt verfügbares Erdgas-SOFC-System. Innerhalb von fünf Arbeitspaketen wird das System an einen erhöhten Wasserstoffmassengehalt im Brenngas angepasst. Dazu wird das Konsortium Lastprofile und ideale Gaszusammensetzungen untersuchen, um einen ökologischen und ökonomischen Betrieb des Systems zu gewährleisten. Anschließend werden die Einlasskomponenten wie der katalytische Partialoxidationsreformer (CPOX) und die Entschwefelungsgranulate an eine angereicherte Wasserstoffumgebung angepasst. Mit den definierten Lastprofilen und den angepassten Einlasskomponenten wird eine adaptive Regelungsstrategie einschließlich der erforderlichen Sensoren entwickelt. Schließlich wird das µ-CHP-SOFC-System bei TME ausführlichen Tests unterzogen, um experimentelle Erkenntnisse und Daten zu den Anpassungen und der implementierten Regelungsstrategie zu gewinnen. Zu diesem Zweck werden wichtige Leistungsparameter wie die Polarisationskurve, Betriebstemperaturen und Degradation sowie die Abgaszusammensetzung ermittelt und bewertet. Basierend auf den Ergebnissen der Abgaszusammensetzung werden unter Ausnutzung von Synergien mit der eigenen Verbrennungsmotorforschung Abgasnachbehandlungskonzepte entwickelt und umgesetzt.

Parallel zu den Untersuchungen an einer bestehenden SOFC wird bei TME eine Marktforschung zur Ermittlung geeigneter µ-CHP SOFC-Anwendungen im maritimen Sektor und anderen Schwerlastanwendungen durchgeführt, um einen ganzheitlichen Forschungsansatz zu gewährleisten.

01.10.2021 – 31.10.2024

Roboter für flexibles automatisches Laden von Elektrofahrzeugen

GINI

01MV21019A

Im Forschungsprojekt GINI wird ein smarter, teilautonom-agierender, mobiler Laderoboter mit Schnellladetechnik und induktiver Ladeschnittstelle entwickelt. Neben der Funktion für das Laden von elektrifizierten Fahrzeugen im städtischen Raum soll zusätzlich das Laden von E-Bike-Sharing-Stationen, sowie die Datenaufnahme, -vorverarbeitung und -analyse im vernetzten Umfeld ermöglicht werden. Dadurch kann ein signifikanter Beitrag zum dringend benötigten Ausbau kosteneffizienter, leistungsfähiger und flexibler Ladeinfrastruktur für elektrifizierte Mobilitätslösungen geleistet werden.

Insgesamt sollen im Projekt zwei Laderoboter und E-Bike-Sharing-Stationen aufgebaut werden, um die Möglichkeiten einer intelligenten Ladeinfrastruktur zu demonstrieren und ein netzorientierteres Laden zu erlauben. Die hierbei entwickelten Versuchsträger sollen zugelassen werden, um eine Umsetzbarkeit in die Kleinserie und den Markt zu verdeutlichen. Zuvor fließen bereits Erkenntnisse aus umfangreichen Tests unter anwendungsnahen Bedingungen in die Entwicklung ein. Die kontinuierlich erfassten Daten können ebenso projektübergreifend verwendet werden und wertvolle Erkenntnisse über Nutzer, Bedarf und Akzeptanz liefern.

Carbon2Chem-2 L-4: C2+-Alkohole, C2+-OIefine, synthetische Kraftstoffkomponenten

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Unter der Leitung von Thyssen Krupp entwickeln in Carbon2Chem® zahlreiche Industrieunternehmen gemeinsam mit Max-Planck und Fraunhofer-Gesellschaft sowie Universitäten bereits seit 2016 eine weltweit einsetzbare Lösung, um die Abgase der Hochöfen der Stahlproduktion in Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Dünger umzuwandeln. In der zweiten Phase des durch das BMBF geförderten Projekts, welche dieses Jahr begonnen hat, untersucht das TME den Einfluss der entwickelten Kraftstoffe auf die Effizienz und die Schadstoffemissionen bei deren Anwendung im Verbrennungsmotor.

Methanolstandard – Untersuchung der technischen Grundlagen zur Standardisierung von Methanol-Kraftstoffen in Europa

Methanolstandard

19 I 20005H

Auf der Pariser Klimakonferenz wurde 2015 eine Reduzierung der CO₂-Emissionen um 38 % bis 2030 und um 90 % bis 2050 beschlossen. Aufgrund des benötigten regenerativen Anteils im Primärenergieverbrauch, muss der Verkehrssektor auf weitere Möglichkeiten CO₂-neutraler Kraftstoffe zurückgreifen.

Mögliche Optionen für eine regenerative Energiebereitstellung sind Power-to-Gas oder Power-to-Liquid Konzepte. Für mobile Anwendungen sind flüssige Kraftstoffe aufgrund der höheren Energiedichte und einfacheren Speicherung vorteilhafter. Ein vielversprechender Kraftstoff ist Methanol, unter anderem weist die Herstellung von Methanol bereits heute eine hohe technologische Reife auf (TRL 9). Das Potential von Methanol-Kraftstoffen, bereits mittelfristig einen signifikanten Beitrag zur Reduktion der CO₂-Emissionen zu leisten, ist als hoch zu bewerten.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, eine Grundlage für eine Standardisierung von geeigneten Methanol-Kraftstoffen innerhalb Europas zu schaffen, wobei Deutschland hier mit Modellcharakter vorangehen soll und der Standard dann auf ganz Europa ausgerollt werden kann. Damit soll der Weg zur Zertifizierung und Markteinführung von Methanol-Kraftstoffen geebnet werden.

Dazu werden die Methanol-Produktion über regenerative Pfade, die Handhabung und die Methanol-Infrastruktur analysiert und Optimierungspotentiale werden herausgestellt. Außerdem wird die Interaktion von Methanol mit bestehenden Fahrzeugkomponenten, das Alterungsverhalten sowie der Einfluss von Additiven auf die Materialverträglichkeit und das Alterungsverhalten untersucht. Des Weiteren wird die Verwendung in Ottomotoren als Drop-In Kraftstoff (M15) und in maßgeschneiderten Motoren (M100) untersucht.

Der Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme (TME) führt hierbei experimentelle Untersuchungen zum Kaltstartverhalten, zum Wirkungsgradpotential und zum Einfluss von Additiven auf die Verbrennung und die Emissionen durch.

Das im Rahmen der Luftfahrtforschungsprogramms des BMWi geförderte Verbundprojekt beschäftigt sich mit seinen 13 Partnern mit der (Teil-) Elektrifizierung der Luftfahrt. Dabei wird eine erweiterte Verwendung elektrischer Komponenten als Möglichkeit gesehen, die Betriebskosten sowie ökologische Belastungen in Form von Treibhausgas-, Stickoxid- sowie und Lärmemissionen zu reduzieren. Dies gilt für eine zukünftige Elektrifizierung der heutigen Flugzeugmuster, eröffnet jedoch außerdem neue Mobilitätsoptionen, zum Beispiel durch den Betrieb von neuartigen urbanen und regionalen Lufttaxis.

Der aktuelle Stand von Forschung und Technik macht deutlich, dass eine Elektrifizierung der Luftfahrt nicht per se zielführend ist. Vielmehr muss ihre Berechtigung individuell für verschiedene Systemarchitekturen und Flugzeugkonfigurationen über die verschiedenen Flugzeugklassen hinweg nachgewiesen werden. Dennoch arbeitet GNOSIS unter der Hypothese, dass durch die Einführung bzw. Anwendung neuer Technologien, insbesondere der (Teil-) Elektrifizierung, neue Optima zugänglich gemacht werden können, die gegenüber dem lokalen Optimum der klassischen Systemarchitektur und Betriebsprozesse gesamtheitlich bestehen können.

Eine holistische Analyse des Potentials des elektrischen Fliegens wurde bislang in keinem Vorhaben erarbeitet. Genau an diesem Punkt setzt das Projekt GNOSIS an. Im Anschluss an eine strukturierte Technologieauswahl erfolgt eine umfassende Bewertung sowohl auf Flugzeugvehikel- als auch auf Lufttransportsystem-Ebene. Die Bewertung erfolgt zu zwei Bewertungshorizonten (2025 und 2050) zunächst für Flugzeuge mit 19 Sitzplätzen und im weiteren Verlauf auch für Flugzeuge mit 9 bzw. 50 Sitzplätzen und wird in eine Lebenszyklusanalyse eingebunden.