Nachhaltige Energie

Projektleitung: Prof. Dr. Rolf Bracke und Volker Wittig

Fördermittelgeber: EU Horizont 2020

Laufzeit: 2019 - 2022

Geothermal is the most under-utilized of renewable sources due to high investment costs and long development cycle. A big part (53%) of the cost is in drilling and it is time-dependent. Geo-Drill aims to reduce drilling cost with increased ROP and reduced tripping with improved tools lives. Geo-Drill is proposing drilling technology incorporating bi-stable fluidic amplifier driven mud hammer, low cost 3D printed sensors & cables, drill monitoring system, Graphene based materials and coatings. Geo-Drill fluidic amplifier driven hammer is less sensitive to issues with mud and tolerances, less impact of erosion on hammer efficiency and it continues to operate with varying mud quality in efficient manner. It is also less affected by the environmental influences such as shocks, vibrations, accelerations, temperature and high pressures. Low cost and robust 3D-printed sensors & cables along the surface of the whole length of the drill string provides real-time high bandwidth data during drilling; e.g. estimation of rock formation hardness, mud flow speed, density, temp, etc. Flow assurance simulations combined with sensor readings and knowledge-based system will assist in optimizing drilling parameters and cuttings transport performance and safety conditions. Graphene's ability to tune the particular form lends itself uniquely as a component in a wide variety of matrices for coating developments with enhanced adhesion and dispersion properties and improved resistance to abrasion, erosion, corrosion and impact. Placing few mm hard-strength materials on drill bit, drill stabilizer through diffusion bonding improves their wear resistance and improve the lifetime. Geo-Drill's hammers (being developed at GZB) improved efficiency and lifetime, drill parameter optimization and CTP via sensors, reduced time in replacing tools with improved lifetime work together to improve ROP & lifetime resulting in reduced drilling time. Thereby, Geo-Drill will reduce drilling cost by 29-60%.

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Projektleitung: Prof. Dr. Stephan Sommer

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Laufzeit: 2022-2025

Für das langfristige Gelingen der Energiewende ist es entscheidend, dass diese gerecht gestaltet wird. Bei der Standortwahl für Infrastruktur zur erneuerbaren Stromerzeugung und -verbreitung spielen Gerechtigkeitsaspekte besonders durch die räumliche Varianz damit verbundener lokaler Kosten (z. B. Lärmemissionen) und Nutzen (z. B. regionale Wertschöpfung) eine wichtige Rolle. Diese räumliche Ungleichverteilung lokaler Effekte kann zum Widerstand gegen Energieinfrastrukturprojekte beitragen.

In diesem Zusammenhang behandelt das Vorhaben die Frage, wie Verteilungsgerechtigkeit zwischen Regionen auch bei der Steuerung des Ausbaus erneuerbarer Energieinfrastruktur mitgedacht werden kann und sollte. Dazu wird erarbeitet, wie interregionale Verteilungsgerechtigkeit auf den räumlichen Ausbau von Energieinfrastruktur angewendet werden kann, zu welchen Verteilungs- und Effizienzwirkungen sie in der Praxis führt und wie sie regulatorisch umsetzbar ist.

Das Vorhaben umfasst dazu die konzeptionelle Aufarbeitung verschiedener Gerechtigkeitsansätze sowie deren empirische Anwendung auf den Ausbau erneuerbarer Energieinfrastruktur in Deutschland. Durch die enge Zusammenarbeit mit Partner:innen aus der Praxis werden die Projektergebnisse hinsichtlich ihrer Relevanz für und Anwendbarkeit auf die Praxis kritisch analysiert. Der Einbezug von Bürger:innen im Rahmen einer Befragung ermöglicht außerdem die Berücksichtigung der öffentlichen Präferenzen zu verschiedenen Gerechtigkeitskonzepten. Die abschließend erfolgende rechtliche und ökonomische Instrumentenanalyse zur Umsetzung verschiedener Gerechtigkeitskonzepte beim Ausbau von Energieinfrastruktur stellt damit eine fundierte wissenschaftliche Grundlage für politische Entscheider:innen dar.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Semih Severengiz

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV)

Laufzeit: 2023-2025

Das Projekt GH2GH hat zum Ziel, den nachhaltigen Aufbau von Strukturen zur Implementierung grüner Wasserstofftechnologie für dezentrale Energiesysteme in Subsahara-Afrika (SSA) zu ermöglichen. Dabei steht die ganzheitliche Betrachtung von Energieinfrastrukturen über den Lebenszyklus im Fokus. In einem Pilotprojekt werden Wasserstofferzeugung und Brennstoffzellentechnologie unter Berücksichtigung lokaler Anforderungen technisch und wirtschaftlich erprobt und angepasst. Dazu wird am Pilotstandort in Tema, Ghana, ein Elektrolyseur samt Systemkomponenten zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff in ein bestehendes Solar-Mini-Grid integriert. Eine Brennstoffzelle wandelt nach Bedarf den gespeicherten Wasserstoff in elektrische Energie um, damit der Pilotstandort vollständig vom Stromnetz autark werden kann. So sollen umweltschädliche Praktiken in netzfernen Energiesystemen, die z.B. durch den Einsatz von Dieselgeneratoren entstehen vermieden werden sowie die Energieautarkie in sonnenarmen Zeiten erreicht werden. Ziel ist es, den gesamten Lebenszyklus des Systems aus einer ganzheitlichen Perspektive mit Hilfe von Lebenszyklus- und Wirtschaftlichkeitsanalysen zu bewerten. Darüber hinaus werden Themenfelder wie die gesellschaftliche Akzeptanz, die Nachhaltigkeitsbewertung und die Identifizierung weiterer Anwendungsfälle für grünen Wasserstoff in Ghana und SSA untersucht. Im Fokus steht auch der Vergleich von Batterie- und Brennstoffzellensystemen mit dem Ziel, das richtige Verhältnis zwischen beiden Technologien zu finden. Darüber hinaus wird die End-of-Life-Phase betrachtet, indem Recyclingstrukturen in Ghana sowie Qualifizierungsmaßnahmen im Bereich des Recyclings von Komponenten der Wasserstofftechnologie untersucht werden. Für deutsche Unternehmen besteht ein erhebliches Potenzial, die im Projekt eingesetzten Systeme und Komponenten in Afrika zu exportieren und für weitere Anwendungsfälle zu replizieren. Voraussetzung dafür ist jedoch, die rechtlichen, politischen und administrativen Rahmenbedingungen zu schaffen und die Grundlage für einheitliche Umweltstandards zu legen. Das Projekt zielt daher darauf ab, mit Hilfe eines umfassenden Netzwerks die notwendigen Voraussetzungen zu schaffen. Darüber hinaus werden Qualifizierungsmaßnahmen durchgeführt, um eine nachhaltige und bedarfsgerechte Nutzung des Systems zu gewährleisten und den Wissenstransfer der eingeführten Technologie sicherzustellen.

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Labor für Nachhaltigkeit in der Technik

Projektleitung: Prof. Dr. Haydar Mecit

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Programm FH-Impuls

Laufzeit: Juli 2022 – Dezember 2024

Das Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Implementierung von Smart-City-Anwendungsfällen (Use Cases) als potenziell replizierbare Blaupausen zu den städtischen Anwendungsfall-Bereichen Smart Environment, Smart Mobility & Smart Energy. Die Hauptstudie baut auf den in einer Vor- und Zwischenstudie durchgeführten Aufbau und die Inbetriebnahme von Teilen eines Smart-City-Forschungslabors als Kollaborationsort für verschiedene Smart-City-Akteure in Workshops auf. Diese Smart City Workshops kennzeichnen sich dadurch, dass sie datenbasierte Simulations-, Prototypen- und Digital-Twins-Ansätze nutzen und Smart-City-Akteure aus unterschiedlichen Sektoren (z.B. Wissenschaft, Wirtschaft und Kommune) und Disziplinen in einer innovativen Arbeits- bzw. Kollaborationsumgebung zusammenbringen.

Die hierfür angebundenen Teile von Smart-City-Reallaboren (hauptsächlich Sensorik im und Daten aus urbanen Räumen) sollen nun final um weitere Datenlieferanten ergänzt und fertig entwickelt werden. Zuvor waren diese zu Test- und Validierungszwecken in vorangegangener Vor- und Zwischenstudie eingerichtet worden. Die so gewonnenen Daten sollen nun weiterverarbeitet und analysiert werden können, um Mehrwerte aus Daten gewinnen zu können. Hierbei ist eine tlw. vorhandene und weiter zu entwickelnde Smart-City-IT-Plattform von zentraler Bedeutung, die Datenlieferanten aus den Reallaboren mit dem Smart-City-Forschungslabor in einem Client-Server-Betrieb bedienen soll. Die derart erhaltenen Daten können somit im Forschungslabor zur weiteren Konzeption von Smart Environment-, Smart Mobility- und Smart Energy Use Cases und deren Implementierung herangezogen werden. Dies soll mithilfe moderner Visualisierungs- und Kollaborationsmethoden im Smart-City-Forschungslabor geschehen. Ein wesentlicher Gegenstand der Hauptstudie ist daher der finale Ausbau und Einsatz des Forschungslabors, welches in Workshops als integrativer, interdisziplinärer und intersektoraler Kollaborationsort dienen soll.

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Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Semih Severengiz

Fördermittelgeber: Europäische Kommission

Laufzeit: 2022-2026

SEED - Sustainable Energy EDucation trägt mit exzellenter und innovativer Berufsbildung dazu bei, den globalen Klimawandel zu verhindern und einen Kontinent ohne fossile Energien zu schaffen. Die Herausforderungen der Energiewende entwickeln sich schnell, mit einer hohen Nachfrage nach digitalen und grünen Technologien. Die Lösungen sind noch nicht klar, und die Technologien entwickeln sich ständig weiter. Für diese Aufgaben und Herausforderungen werden gut ausgebildete Studierende, Fachkräfte und geeignete Arbeitskräfte benötigt. Die Berufsbildung trägt als Motor für Innovation und Wachstum und für die flexible Anpassung an den Arbeitsmarkt eine große Verantwortung. Darüber hinaus zwingt uns der Mangel an Arbeitskräften dazu, neue Arbeits- und Ausbildungsmethoden zu entwickeln. 

Mit dem Ziel, Lernende, Studierende und Berufstätige mit Fähigkeiten und Kompetenzen auf die Zukunft vorzubereiten, regionale Innovationen auf der Grundlage regionaler Bedürfnisse zu fördern und die berufsbezogene Bildung auszubauen und zu unterstützen, wird das europaweite Projektkonsortium eine internationale Lerngemeinschaft und Lernzentren in fünf Regionen in den Niederlanden, Finnland, Spanien, Griechenland und Deutschland gründen. Die 14 Projektpartner bestehen aus Hochschulen, Unternehmen und Ausbildungseinrichtungen. Die Hochschulen in den jeweiligen Regionen umfassen dabei die University of Applied Sciences Utrecht (NL), welche als Koordinator auftritt, sowie die Turku University of Applied Sciences (FI), die Universidad Politecnica de Valencia (ES), die University of Western Macedonia (GR) und die Hochschule Bochum.

Das Ergebnis ist eine wachsende regionale Zusammenarbeit im Bereich der beruflichen Exzellenz in fünf Regionen, eine gemeinsam umgesetzte Vision für regionales Lernen, transnationales Lernen und die Anpassung an den Arbeitsmarkt, die Entwicklung und der Austausch von bewährten Verfahren und Instrumenten, innovative Ansätze für ein Lernen mit Wirkung und eine internationale Gemeinschaft für berufliche Exzellenz, die sich für nachhaltige Energie einsetzt.  

Weiterführende Links:

Labor für Nachhaltigkeit in der Technik

https://coveseed.eu/

Projektleitung: Prof. Dr. Haydar Mecit

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Laufzeit: 2022-2025

Bei SEGuRo handelt es sich um ein Forschungsprojekt mit klarem Anwendungsbezug zum Thema der sicheren, digitalen Stromnetze (Secure Smart Grids) in Anbetracht des Ramp-up dezentraler, Erneuerbarer-Energien-Anlagen auf Erzeugerseite und der erhöhten Netzanforderungen auf der Demand-Seite (Verbraucher) z. B. durch neue Lasten, wie der nunmehr beschleunigten Marktdurchdringung durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. Damit adressiert SEGuRo den Förderschwerpunkt Stromnetze bzw. die Forschungsschwerpunkte Energielösungen in Verbindung mit der Nachhaltigkeit und Digitalisierung.

Die zunehmende Durchdringung von verteilten Erzeugern und Lasten auf Verteilnetzebene führt zu einem dynamischeren und zunehmend unvorhersehbaren Netzverhalten. Dies erfordert eine flexible Regelung der Anlagen in Verteilnetzen, um diese möglichst in Einklang mit den Lasten zu bringen, damit weiterhin Versorgungssicherheit und Netzstabilität zu gewährleisten sowie kritische Netzzustände zu vermeiden. In diesem Zusammenhang wird im Rahmen des Netzausbaubeschleunigungsgesetzes der Redispatch 2.0 eingeführt, welcher die Verschiebung der Stromproduktion auch für kleinere Anlagen ab 100kW vorsieht. Eine dementsprechende Regelung erfordert innovative Lösungen zur Verteilnetzüberwachung, welche ein ganzheitliches Systemverständnis ermöglicht und in diesem Projekt entwickelt werden soll.

Das SEGuRo Konzept sieht eine fälschungssichere Signierung von Messdaten direkt am Messpunkt, einen sicheren Kommunikationskanal zur Übertragung der Daten und eine echtzeitfähige Monitoring Plattform vor. Die Monitoring Plattform umfasst im Wesentlichen eine Kombination aus digitalem Zwilling und dynamischer Netzzustandsschätzung sowie Datenmanagement und Visualisierung. Eine solch vollumfängliche Kombination von Technologien ist eine Innovation in der Netzüberwachung und bietet eine elementare digitale Grundlage, nicht nur zur Netzregelung, sondern auch für die flexible Abrechnung von u.a. neuartigen Netzdienstleistungen.

Voraussetzung für eine flexible Regelung der eingangs erwähnten Anlagen, ist zunächst ein genaues Systemverständnis. Ziel des Projekts ist es deshalb, auf Basis einer detaillierten Systemmodellierung einen digitalen Zwilling, d.h. ein Abbild des gesamten Systems und nicht nur einzelner Komponenten, zu realisieren. Der digitale Zwilling unterscheidet sich von einer reinen Simulation insofern, dass er echtzeitfähig ist und die nötigen Schnittstellen besitzt, um in Kombination mit aktuellen Messdaten den operativen Betrieb des Stromnetzes zu unterstützen. Beispielsweise soll mit Hilfe des digitalen Zwillings die Zustandsschätzung gerade in Gebieten unterstützt werden, in denen sich wenige Messpunkte befinden. Außerdem können Prognosen für verschiedene zukünftige Szenarien berechnet werden und neue Regelungsstrategien oder Komponenten können anhand des digitalen Zwillings auf Kompatibilität mit dem echten Netz getestet werden, bevor sie ins Feld integriert werden.

Weiterführende Links:

Institut für Elektromobilität

halloherne.de

Projektleitung: Prof. Dr. Erik H. Saenger, Prof. Dr. Rolf Bracke

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (FHprofUnt)

Laufzeit: 2017 - 2020

Für die Entwicklung der Geothermie im Sinne eines Ausbaus der erneuerbaren Energien ist es unabdingbar, eine im Vergleich zu bisherigen Verfahren deutlich verbesserte seismische Risikoanalyse im Vorfeld von geothermischen Projekten zu gewährleisten. Seismische Risiken können bei jedem mitteltiefen und tiefen Geothermieprojekt auftreten, lassen sich aber bei genauer Kenntnis der örtlichen Begebenheiten deutlich reduzieren. Das vorgeschlagene Projekt will für die Metropolregion Rhein-Ruhr genau hier ansetzten und die verfügbaren geologischen Informationen für die geothermisch relevanten Gesteine und Tiefen in einem 3D-Untergrundmodell bündeln, das großräumige Spannungsfeld modellieren, und eine Risikoanalyse für durch die Nutzung geothermischer Energie induzierte Seismizität erleichtern. Im Fokus der Arbeit steht die Entwicklung eines Modellgestützten Anwendertools zur Risikoanalyse der Intrinsischen Erdbebengefährdung (3D-RuhrMarie). Projektentwicklern wird damit ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem sich Gebiete, die ein erhöhtes Risiko für die Reaktivierung von Störungen und damit verbundene Seismizität bieten, schnell identifizieren lassen. Im Umkehrschluss können auch seismisch stabilere Bereiche ermittelt werden. Gerade in Nordrhein-Westfalen betrifft eine seismische Gefährdungsanalyse neben Geothermieprojekten auch Eingriffe des Bergbaus im Untergrund sowie Nutzungsmöglichkeiten altbergbaulicher Strukturen und damit verbundene Fragestellungen zum Grundwassermanagement. Das Konzept der 3D-RuhrMarie kann außerdem für weitere Regionen Deutschlands und Anwendungen im Zusammenhang mit der Lagerung radioaktiver Abfälle, Kohlenwasserstoffproduktion und CO₂-Speicherung erweitert werden. Für eine Vielzahl von Unternehmen verschiedener Branchen stellt die 3D-RuhrMarie daher ein Anwendungstool dar, das die entscheidende Lücke zwischen Vorerkundung und Beginn der Projektphase im Sinne einer deutlichen Reduzierung des wirtschaftlichen Risikos schließt.

Projektleitung: Prof. Dr. Erik H. Saenger

Fördermittelgeber: Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (FH Zeit für Forschung)

Laufzeit: 2017-2020

Das weltweit erste interdisziplinäre virtuelle Labor zur Materialcharakterisierung soll im Internationalen Geothermiezentrum an der Hochschule Bochum etabliert werden. Im Fokus werden numerische Simulationen der Wellenausbreitung in heterogenen Materialien auf verschiedenen Skalen stehen. Geplant ist die Entwicklung und fachübergreifende Anwendung von Vorwärts- und Inversionsalgorithmen mit den zwei übergeordneten Zielen, (a) die geothermische Exploration kostengünstiger und die Nutzung geothermischer Energie sicherer zu gestalten bei gleichzeitiger Reduzierung des Fündigkeitsrisikos, und (b) die Sicherheit von Stahlbetonwerken (z.B. Brücken) effizient zu evaluieren. Im Förderzeitraum werden drei miteinander vernetzte Forschungsfelder bearbeitet und damit eine Synergie zwischen Methoden der Geophysik, der Geologie und des Bauingenieurwesens geschaffen: (1)  Mittels Simulationen der elastischen Wellenausbreitung in komplexen Geologien auf der Feldskala werden verschiedene Datensätze generiert, um die Interferometrie und die fk-Analyse, zwei Explorationsverfahren der passiven Seismik, miteinander zu kombinieren und zu optimieren. Ebenfalls sollen mit Feldskala-Simulationen Zonen für hohe Anfälligkeit seismischer Aktivität identifiziert werden. (2) Im Mittelpunkt dieses Teilprojektes steht die ganzheitliche Beschreibung geothermischer Reservoirgesteine. Des Weiteren wird im Rahmen der digitalen Gesteinsphysik der vorhandene numerische Setup um die Dämpfungsbestimmung mit monofrequenten Quellsignalen erweitert. (3) Um die Detektion, Lokalisierung und Charakterisierung von Schädigungszonen im Werkstoff Beton zu verbessern, werden etablierte zerstörungsfreie Prüfmethoden mit Time-Reverse-Modeling und Full-Waveform-Inversion Methoden aus der Geophysik kombiniert und unter Berücksichtigung der Anwendbarkeit auf Bauwerke optimiert.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Semih Severengiz

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: März 2020- April 2021

Das Projekt BaaS-LEV ist Teil des Ruhrvalley-Verbunds, einem Zusammenschluss aus Unternehmen und Hochschulen im Ruhrgebiet, die das gemeinsame Ziel verfolgen, sichere und vertrauenswürdige Technologie für die Bereiche Mobilität und Energie zu schaffen. Dieses wird gefördert durch das BMBF im Rahmen des Förderprogramms “Starke Fachhochschulen – Impuls für die Region (FH-Impuls)”. Ziel des Projekts ist es, nachhaltige Konzepte für die Energieversorgung von Mikromobilitäts-Sharingdiensten zu erforschen, prototypisch zu entwickeln, anhand von Demonstratoren zu erproben und zu bewerten. Zu den untersuchten technischen Lösungen zählen innovative Batteriewechselstationen, die einen Batteriewechsel durch den Nutzer ermöglichen sowie Off-Grid Solarladestationen zur direkten erneuerbaren Energieversorgung der Fahrzeuge. Mit den untersuchten Konzepten soll das Projekt zu einer klimaverträglichen Verkehrswende beitragen. Zur Datenerhebung und zur anwendungsnahen Erprobung wird in Zusammenarbeit mit lokalen Partnern ein Pilotprojekt zum e-Scooter Sharing implementiert. Die Forschungsfragen behandeln Potenziale von Energieversorgungskonzepten zur Verminderung der Umweltwirkungen des Verkehrs, Möglichkeiten zur Integration erneuerbarer Energien für Mobilitätsanwendungen sowie soziale Aspekte der Nachhaltigkeit durch Akzeptanzforschung.

Im Anschluss an dieses explorative Projekt ist ein weiterführendes Vorhaben im Ruhrvalley-Verbund geplant. Ziel des weiterführenden Vorhabens ist, konkrete technische Lösungen für die smarte und nachhaltige Energieversorgung von LEV-Sharingdiensten als Battery-as-a-Service-Konzepte selbst zu entwickeln und umzusetzen. Diese Lösungen sollen sich insbesondere durch die die Entwicklung von Software- bzw. Blockchain-Lösungen zur Verknüpfung unterschiedlicher urbaner Mobilitäts- und Energiesysteme und die Abwicklung von Bezahl- und Nutzungsvorgängen sowie die ganzheitliche, iterative Optimierung hinsichtlich der Nachhaltigkeitsaspekte von vorhandenen Konzepten abheben.

Weiterführender Link

Das zentrale Ziel des GeoMTES Projektes(Machbarkeitsstudie) ist die Entwicklung eines technisch und wirtschaftlich umsetzbaren thermischen Speicherkonzeptes zur energetischen Nachnutzung des Bergwerks Prosper-Haniel in Form einer thermischen Speicherung. Die Konzeptidee sieht vor, saisonal nicht nutzbare Abwärme aus Industrie- und Kraftwerksprozessen und/oder auf umliegenden Bergwerksbrachflächen erzeugte solare Wärme in das Grubengebäude einzuspeisen und bei Bedarf im Winterhalbjahr zur Wärmeversorgung von Gewerbe- und Wohnimmobilien ggfs. auch über bestehende Fernwärmenetze zu nutzen. Für die Etablierung solch untertägiger thermischer Speicher müssen im Grubengebäude entsprechende Infrastrukturmaßnahmen durchgeführt und geeignete Erschließungs- und Fördersysteme entwickelt werden. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein eines noch vollständig zugänglichen und möglichst noch aktiven Bergwerks. Bis mindestens 2018 ist das Steinkohlebergwerk Prosper-Haniel hierfür noch vollständig zugänglich, sodass gezielte Wärmespeicherkonzepte entwickelt und etabliert werden können. Als Grundlage eines saisonalen Wärmespeichers können innerhalb des Bergwerks Prosper-Haniel Temperaturen von 30 - 50º C genutzt werden, da die Abbaubereiche bis auf eine Teufe von über 1200 m reichen.

Projektleitung: Prof. Dr. Erik H. Saenger, Prof. Dr. Rolf Bracke

Fördermittelgeber: EU (H2020-LCE-2016-2017)

Laufzeit: 2017-2020

GEMex has the ambition to bring together the extended Mexican know how of discovering, developing, and deploying conventional geothermal energy systems with a variety of European expertise from similar geothermal energy systems (Italy, Iceland etc.), of developing EGS technology, and finding new approaches to make use of super-hot geothermal systems. The approach should lead to concepts for extended future deployment of geothermal energy in Europe and Mexico. This will be done by common site developments, one for hot-EGS (Enhanced Geothermal Systems) and one for SHGS (Super-Hot Geothermal Systems). This approach will open synergies of competencies and technologies and will lead to an acceleration of the learning curve for geothermal development. Potential drill paths will be developed in the target areas in order to maximise the scientific output. The findings will be compared to extended experiences in EGS projects in Europe and elsewhere and with the few SHGS-projects in Europe (IDDP1) and Japan (Kakkonda).

We at Hochschule Bochum contribute to two sub-projects: (1) Seismic imaging from earthquake analysis, travel-time tomography and ambient noise correlation methods, and (2), Development and verification of concepts and technologies to access and exploit super-hot reservoirs (>300°C, including conditions above the critical point of water in the reservoir).

Weiterführende Links: http://www.gemex-h2020.eu

Das Novum dieses Forschungsvorhabens ist es, eine Pilotanlage zur Wärmespeicherung innerhalb eines ehem. und nicht mehr zugänglichen Steinkohlebergwerkes am ehem. Opelstandort (Werk I) in Bochum-Laer zu konzeptionieren. Unterhalb dieses Geländes ist die ehemalige Zeche Dannenbaum (1859-1958) lokalisiert. 

Auf dem Betriebsgelände des ehemaligen Opel Werks befinden sich im Nordwesten die beiden Hauptförderschächte. Das Grubengebäude ist bis auf eine Teufe von -695,5 m NN bergbaulich erschlossen. Nach Stilllegung der Zeche wurden die beiden Schächte verfüllt. Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Grubengebäude bis auf -190 m NN geflutet. Es ist davon auszugehen, dass innerhalb des Grubengebäudes ein ungestörtes Temperaturniveau von ca. 27°C auf der 8. Sohle, bei einer Teufe von -693 m NN, anzutreffen ist. 

Nach erfolgreicher Beendigung der Machbarkeitsstudie ist die zeitnahe Realisierung einer Pilotanlage geplant. Dies würde die Etablierung einer Heizzentrale mit Sonnenkollektoren und einer Wärmepumpe zur ausschließlichen Wärmeversorgung für die Neuansiedlungen auf dem ehem. Opel Werksgelände (Mark 51°7) anstreben. 

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Die Hochschule Bochum erhält im Zuwendungszeitraum eine Förderung in einer Gesamthöhe von 230.357,25 €. 

Geothermal resources tend to be found in deeper and harder geologic formations than typical hydrocarbon reservoirs. Therefore, drilling technologies and processes from the oil & gas field need to be improved constantly to make for more efficient and economic drilling. Drilling speeds or rate of penetration (ROP) of classic drilling technologies, e.g. tricone bits, suffers greatly in deep and hard formations. Thus, there is a great need for tools with higher ROP and low wear to reduce drilling, trip time and cost. Down-the-hole hammers (DTH) using compressed air have successfully been proven for decades in shallow drilling < 400 m depth. To reach greater depth, the working medium must rather be a liquid, due to the compressibility of air and the possible need of drill mud for borehole stability.

One of those improvements over the past ten plus years has been the development and application of hydraulic downhole hammer systems at GZB in Bochum and elsewhere worldwide for geothermal, hydrocarbon, and mining drilling applications. However, several disadvantages of these hydraulic, so far mainly clean water hammer systems, held back their widespread use so far. Main hindrances were e.g. water quality of almost clean tap water, missing recirculation systems and thus, no possibility of using drill mud additives for borehole control and improved hole flushing capabilities. With new hydraulic hammer systems being developed in Bochum, Germany and coming onto the market elsewhere, most of these problems have been addressed, if not solved up to now, also pushing their drilling capabilities further down to beyond 5.000 m depth. Work has been done and will be presented here on a summary on past and current hydraulic hammer technologies. Beginning with an introduction to main basic working principles, different hammer types are discussed. The results of recent field tests are being presented. Furthermore, recirculation units for hammer drilling, multiple phase or, respectively, fluid flows, and the potential product of DTD mud powered hammers are being shown and discussed.

These innovative, DTH hammer tools will greatly help the geothermal or other deep drilling industry to make their drilling efforts far more economic, especially but not exclusively, in deep, hard rock drilling situations. Furthermore, hard sedimentary rocks may be drilled much more economically with hydraulic mud hammers being able to be powered by (light) mud and thus, allowing for good borehole control.

Ziel des Projekts LaserJetDrilling ist die Entwicklung eines neuartigen Bohrverfahrens, mit dem eine flächendeckende Strom- und Wärmegewinnung aus Tiefer Geothermie in Deutschland realisiert werden kann. Hierfür wird ein neuartiges Bohrverfahren entwickelt, welches zur Steigerung der Vortriebgeschwindigkeiten hochenergetische Laserstrahlung verwendet.

Das Fraunhofer IPT entwickelt im Rahmen des Projektes das Optikmodul mit wasserstrahlgeführter Laserstrahlung, das in einen konventionellen Bohrkopf integriert wird. Durch die Bestrahlung des Gesteins mit hochenergetischer Laserstrahlung wird ein deutlich höherer Bohrfortschritt erwartet als bei konventionellen Bohrverfahren. Der den Laserstrahl ummantelnde Wasserstrahl wird benötigt, um die Laseroptiken vor Verunreinigungen im Bohrloch zu schützen.

Die größte technologische Herausforderung liegt in der Einkopplung des Laserstrahls in den Wasserstrahl. Für Mikroanwendungen (Düsendurchmesser < 100 µm) ist dies bereits Stand der Technik. Für Makroanwendungen wie Gesteinsbohren ist dieser Ansatz bisher nicht umgesetzt worden. Im Rahmen des Projektes LaserJetDrilling wird ein Optikmodul in einen konventionellen Bohrkopf mit einem wassergeführten Laserstrahl integriert. Zur Umsetzung dieses Ansatzes ist die Entwicklung einer Laserstrahlquelle mit angepassten Strahleigenschaften (IPG) sowie einer speziellen Wasseraufbereitung und 'förderung (KAMAT) notwendig. Diese Entwicklungen sind Kernkomponenten des optischen Systems, welches vom IPT entwickelt wird. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme des optischen Systems erfolgt die Integration des Optikmoduls in den Bohrkopf. Abschließend wird der Demonstratorbohrkopf mit integriertem Optikmodul an einem Prüfstand des GZB getestet und die Technologie evaluiert.

In dem FH STRUKTUR-geförderten Projekt „Rapid Optical Imaging for Waterjet Drilling Technology Enhancement“ (ROWDY) entwickeln das Internationale Geothermiezentrum Bochum (GZB) und das Institut für Thermo- und Fluiddynamik der Hochschule Bochum einen auf Hochdruck Wasserstrahltechnik basierenden Bohrprozess für die Tiefengeothermie.

In dem interdisziplinären Projekt von Gesteinsphysikern, Bau- und Maschinenbauingenieuren wird das Wasserstrahlschneiden von Festgestein, wie es in großen Tiefen vorkommt, untersucht und ein optimierter Bohrprozess entwickelt. Dieser neuartige dynamische Bohrprozess reduziert signifikant den Energie- und damit den Ressourcenverbrauch. Für die regenerative Energietechnik Geothermie ist damit ein Technologieschub und eine Kostenreduktion zu erwarten, der zu einer weiteren Verbreitung der Geothermie beitragen soll und so eine sichere, saubere und effiziente Energieversorgung fördert.

Hochdruck-Wasserstrahlschneiden kommt in verschiedensten Bereichen der Industrie seit vielen Jahren zum Einsatz. Es ist somit in der praktischen Anwendung zwar gut bekannt, jedoch mathematisch, physikalisch und strömungsmechanisch bisher kaum beziehungsweise gar nicht beschrieben. Daher wurden eventuelle Verbesserungen lediglich aus zahlreichen Anwendungen in der Praxis iterativ entwickelt. Diese Herangehensweise ist langwierig, teuer und vor allem im untertägigen Bereich wie der Bohrtechnik so nicht durchführbar.

Ein zentrales Ziel von ROWDY ist es daher, die Vorgänge zwischen Hochdruck-Wasserstrahl und Gestein sichtbar und damit mathematisch und strömungsmechanisch „greifbar“ zu machen. Zum Einsatz kommen hierzu modernste optische Messverfahren wie Ultrahochgeschwindigkeitsfotografie, Sprayanalyse und die bildgebende Geschwindigkeitsmesstechnik Particle Image Velocimetry (PIV). Diese Expertise kann auch zur Untersuchung anderer technischer, biologischer oder medizinischer
Strömung genutzt werden.

Der neuartige Bohrprozess wird im weiteren Verlauf des Projekts unter tatsächlichen Druck- und Temperaturbedingungen der geothermischen Reservoire in dem In-Situ Borehole and Geofluid Simulator (IBGS) des GZB getestet.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Semih Severengiz

Fördermittelgeber: Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (MKW)

Laufzeit: 2019

Im Rahmen des Förderprogramms "FH BASIS 2018" untersuchte das Labor für Nachhaltigkeit in der Technik smarte Akkuade- und Wechselsystemkonzepte in Bezug auf nachhaltige Sharing-Anwendungen im Bereich der e-Mobilität. Zur Durchführung der Forschungsarbeiten wurde eine Akkulade- und Wechselstation beschafft und auf dem Gelände der Hochschule Bochum (Westseite des D3-Gebäudes) aufgestellt. Dem gewählten Produkt „Swobbee“ der Fa. Greenpack liegt ein modulares Konzept zugrunde, das unterschiedliche Batterietypen verschiedener Geräte (Motorroller, Tretroller, Lastenräder, Geräte für den Garten- und Landschaftsbau etc.) integriert.

Das Projektteam, testet unter Beteiligung von 16 Studierenden der Hochschule mithilfe der Akkuwechselstation neue Möglichkeiten der Energieversorgung von Light Electric Vehicles (LEV). Sie führten dazu im Förderzeitraum Funktionstests und Versuche mit Testflotten z.B. zur Beurteilung der sozialen Akzeptanz und des realen CO₂-Einsparpotentials durch.

Die Station wird seit der Aufstellung im Dauerbetrieb genutzt. Sie trägt dazu bei, die Hochschule Bochum in den zentralen Zukunftsfeldern der Mobilität, Energieforschung und Digitalisierung zu einem Schaufenster für nachhaltige Sharing-Anwendungen auszubauen.

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Im SURE-Projekt soll die Anwendbarkeit eines Bohrverfahrens auf die Erschließung geothermischer Reservoire untersucht werden, welches konzentrierte Hochdruckwasserstrahlen zur Herauslösung des Gesteins aus der Formation nutzt. Dieses Verfahren wird als „Radial Water Jet Drilling“ bezeichnet. Ausgehend von einer vorhandenen Bohrung werden weitere Zweige in die Formation gebohrt, um Strömungszonen im Abstand von maximal 100m anzuschließen. Dieses Konzept wurde von der Öl- und Gasindustrie adaptiert und stellt eine umweltschonende Alternative zur hydraulischen oder säurebasierten Stimulierung von Formationen dar, um hochpermeable Zonen im Gestein zu erschließen.

Im Rahmen der Geothermie muss bei diesem Bohrverfahren jedoch besonders auf die Wirtschaftlichkeit geachtet werden, welche durch den Einsatz von mobilen und kostengünstigen Bohrgeräten, sog. „Coiled Tubing Rigs“, gegeben ist. Die Anwendung dieses Bohrverfahrens zur Erschließung geothermischer Reservoire stellt eine Neuerung dar und wurde bisher nur an der Oberfläche getestet und nicht unter den Bedingungen wie sie in einer entsprechenden Formation vorzufinden sind. Um ein besseres Verständnis über die Wechselwirkung zwischen Bohrflüssigkeit und Formation zu erhalten, wird der Bohrprozess von verschiedenen Projektpartnern auf unterschiedlichen Ebenen untersucht.

Auf Mikroskala werden diejenigen Gesteinseigenschaften bestimmt, die notwendig sind um den Abtragprozess durch Wasserstrahlen physikalisch beschreiben zu können, ebenso wie die Effektivität der zusätzlichen Zweige in der Formation im Vergleich zu herkömmlicher hydraulischer Stimulierung. Auf Mesoskala wird der Bohrprozess an sich untersucht, indem unter Umgebungs- und simulierten Reservoirbedingungen Versuche durchgeführt werden. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse wird dann das Bohrverfahren optimiert und mit Hinblick auf die Erschließung geothermischer Formationen weiterentwickelt. An dieser Stelle setzt das Geothermie Zentrum Bochum mit seinen vorhandenen Testeinrichtungen und Infrastruktur an.Auf Ebene der Makroskala wird das „Radial Water Jet Drilling“ in einer echten Bohrung untersucht um festzustellen, ob sich permeable Gesteinszonen zuverlässig lokalisieren und anschließen lassen, und in wie weit sich die Produktivität der Lagerstätte steigern lässt. Begleitet werden die Untersuchungen auf Mikro-, Meso- und Makroskala durch die Entwicklung modellbasierter Simulationen und Methoden, deren Ergebnisse anhand der Auswertung der durchgeführten Experimente und Versuche verifiziert werden sollen.

Die Ergebnisse des SURE-Projekts werden durch eine Steigerung der Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Anzahl von Geothermiebohrungen maßgeblichen Einfluss auf die Erschließung und Entwicklung von geothermalen Energiesystemen haben. Durch den technologischen Fortschritt im Bereich des „Radial Water Jet Drilling“ Bohrverfahrens, den verbesserten Anschluss hoch permeabler Gesteinsschichten und Strömungszonen an das Bohrloch und die Reduktion der Umweltbelastung durch den Bohrprozess und die Stimulierung des geothermischen Reservoirs, soll dies realisiert werden.

Konventionelle seismische Methoden, die ein Bild vom Erdinneren erzeugen, basieren auf aktiven Quellen, welche teuer in der Anwendung und nicht in jeder Umgebung (z.B. in Städten) praktikabel sind.  Die Analyse seismischen Rauschens ("Noise") durch passive seismische Methoden bietet die Möglichkeit den Untergrund kontinuierlich unter geringeren Kosten und minimalen Auswirkungen auf die Umwelt zu beobachten. Das Ziel dieses Projektes ist es, eine explizite Beziehung zwischen den beiden passiven Methoden der Frequenz-Wellenzahl (fk) Analyse und der seismischen Interferometrie herzustellen, und sie gemeinsam zur Charakterisierung und Überwachung geothermischer Reservoire zu nutzen.

Die fk Analyse bestimmt aus den Daten seismischer Netzwerke Backazimuth und Slowness der registrierten Wellen und erlaubt damit Rückschlüsse auf den Ursprungsort der Noise-Quellen und die lokalen seismischen Geschwindigkeiten. Zusätzlich liefert sie Informationen über Anisotropie, welche in engem Zusammenhang mit der Dichte und der Orientierung von Störungszonen im Gestein steht. Dieser Aspekt der Methode wurde erst kürzlich erstmalig angewendet und bisher nicht systematisch untersucht. Anisotropie spielt jedoch eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung geothermischer Reservoire: Störungszonen dienen hier als Verbindung zwischen zwei Bohrlöchern, in denen sich induzierte Flüssigkeiten ausbreiten. Nutzt man das natürliche Vorkommen solcher Verbindungen kann dies die Notwendigkeit für künstliche Risserzeugung durch Einbringen hoher Wasserdrucke (so genanntes "hydraulic fracturing") verringern. Dieses Projekt überprüft inwiefern die fk Analyse geeignet ist Anisotropie anhand von Noise-Messungen festzustellen und bestimmt die Sensibilität der Methode gegenüber Veränderungen anisotroper Parameter. Mit Hilfe von synthetischen Daten, akustischen Labordaten und seismischen Daten werde ich die Bedingungen analysieren unter denen die Methode zuverlässig funktioniert.

Eine weitere, relativ neue Methode zur Interpretation von seismischem Noise ist die seismische Interferometrie. Ähnlich wie die fk Analyse basiert sie auf der Kreuzkorrelation von seismischem Noise, aufgezeichnet an unterschiedlichen Empfängern. Das Ergebnis ist die sogenannte Green'sche Funktion - die Antwortfunktion des Mediums auf eine Impuls-Quelle - zwischen zwei Empfängern. In diesem Projekt werde ich die Vorzüge beider Methoden herausstellen und aufzeigen inwiefern sie sich ergänzen. Letztendlich werde ich beide Methoden kombinieren um erstmalig die Anisotropie am Internationalen Geothermiezentrum Bochum aus Noise-Daten zu bestimmen. Zwar werden passive Methoden nicht die Genauigkeit aktiver Messungen erreichen, mein Ziel ist es aber zu zeigen, dass sie ein ausreichend gutes Bild erzeugen können auf dessen Basis folgende aktive Methoden effizienter und damit kostensparender und umweltschonender angewendet werden können.

Projektleitung: Prof. Dr. Haydar Mecit, Leonie Wegener

Link zu der personenbezogenen Seite der HSBO

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: 2020 – 2021

Bei der Frage, wie smarte Städte der Zukunft aussehen und funktionieren, rücken vor allem Vernetzungs- und Digitaltechnologien auf Basis neuer Use Cases für die Bereiche Energie und Mobilität in den näheren Fokus. Während sich Ökosysteme wie Apple iOS und Google Android zum Quasi-Standard für Smartphone-Plattformen entwickelt haben, so z.B. zur Energiesteuerung in Wohnungen (Smart Home) oder dem Sharing von vernetzten E-Kleinstfahrzeugen (Smart Mobility), sind Smart-City-IT-Plattformen für Städte noch am Anfang ihrer Entwicklung. Aufgrund dieser Relevanz Plattform gebundenen Use Cases (und entsprechender Hard- & Software) kommt folglich auch der Betrachtung von solchen Forschungskonzepten eine besondere Bedeutung zu, welche die Entwicklung von integrativen, interdisziplinären und intersektoralen Untersuchungsansätzen verfolgen. Denn angesichts der eingeforderten Energie- und Mobilitätswende sowie nationalen und EU-Klimaschutzzielen wird deutlich, dass zur Entwicklung nachhaltiger Städte die Akteure der Sektoren Wissenschaft, Wirtschaft und öffentliche Institutionen bzw. städtischen Einrichtungen enger und systematischer zusammenarbeiten müssen.

Dementsprechend ist Gegenstand der Vorstudie der initiale Aufbau eines Smart-City-Forschungslabors, welches u.a. im Rahmen von Workshops als Kollaborationsort für eben besagte Akteure dient. Hier sollen solche Smart Energy- & Smart Mobility Use Cases auf Basis des Stands der Wissenschaft & Technik erforscht und entwickelt werden, die später als Input für Business Cases dienen können. Dazu sollen erste Teile angebundener Reallabore in Form von Sensorik und Geräten im städtischen Umfeld (Demonstratoren) als Datenlieferanten fungieren. Per Client-Server-Betrieb zur (Sensor-)Datenübermittlung und per 3D-Visualisierungen zu Gebäuden und Stadtquartieren sollen Digital-Twin-Untersuchungsansätze genutzt werden

Weiterführender Link

Website der VorstudieSCiLABS

Projekttitel: Zwischenstudie SCiLivLabs – Zwischenstudie zu Smart City Living Labs - Ruhr

Projektleitung: Prof. Dr. Haydar Mecit

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: 2021 - 2022

Das Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Detailkonzeption zu Smart City Anwendungsfällen als potenziell replizierbare Blaupausen zu den Bereichen Smart Environment, Smart Mobility und Smart Energy mittels Smart-City-Reallaboren, -Prototypen und
-Simulationen mithilfe einer Zwischenstudie. Die Zwischenstudie baut nun auf den in der Vorstudie durchgeführten, initialen Aufbau und die Inbetriebnahme von Hauptteilen eines Smart-City-Forschungslabors als Kollaborationsort für verschiedene Smart-City-Akteure auf. Die dabei angebundenen Teile von Smart-City-Reallaboren, welche zu Testzwecken im urbanen Raum in der Vorstudie eingerichtet wurden, wie vernetzte Sensoren, Geräte und Fahrzeuge, sollen nun um weitere. Datenlieferanten ergänzt und weiterentwickelt werden. Die gewonnenen Daten sollen über eine in der Vorstudie begonnene, weiter aufzubauende Smart-City-IT-Plattform im Client-Server-Betrieb gesammelt, analysiert und weiterverarbeitet werden. Die derart erhaltenen Daten sollen wiederum im Forschungslabor zur weiteren Konzeption von Smart Environment-, Smart Mobility- und Smart Energy Use Cases herangezogen werden. Ein wesentlicher Gegenstand der Zwischenstudie ist daher der weitere Ausbau eines Smart-City-Forschungslabors, welches u.a. im Rahmen von Workshops als integrativer, interdisziplinärer und intersektoraler Kollaborationsort dienen soll. Dabei sollen solche Smart Environment-, Smart Mobility und Smart Energy Use Cases auf Basis des Stands der Wissenschaft & Technik erforscht werden, die später auch als Input für Business Cases dienen können. Das Forschungsvorhaben verfolgt ganzheitliche und integrative Untersuchungsansätze, zumal angesichts der eingeforderten Energie- und Mobilitätswende deutlich wird, dass zur Entwicklung nachhaltiger Städte die Akteure der unterschiedlichen Sektoren Wissenschaft, Wirtschaft und öffentliche Institutionen bzw. städtischen Einrichtungen enger und systematischer zusammenarbeiten müssen.

Weiterführender Link:

Website ZwStudieSCiLivLabs