In der Grossgewerbekälte gewannen Kälteanlagen, die das natürliche Kälte-mittel CO2 nutzen, stark an Bedeutung.
Schweizer Supermarkt- und Grosshan-delsketten installieren vorwiegend trans-kritische CO2-Kälteanlagen. Die Anlagen sind heute robust, erreichen sehr gute Leistungsziffern und haben den Vorteil, dass kein synthetisches Fluor-Kohlen-Wasserstoff-(FWK)-Kältemittel einge-setzt wird. Die speziellen Eigenschaften der CO2-Anlagen wie hohe Drücke und hohe Temperaturen erfordern auch be-sondere Massnahmen, um einen mög-lichst effizienten Betrieb zu gewähr-leisten. Im Projekt Effizienzsteigerung von transkritischen CO2-Kälteanlagen untersucht Frigo-Consulting AG [10]
entsprechende Methoden. Basis bilden drei Feldtestanlagen, in denen eine in-tegrierte Expansionsmaschine, die Kom-Figur 2: Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Systemsimulationen [14].
bination aus einer CO2-Kälteanlage und einer Adsorptionskälteanlage sowie eine CO2-Kälteanlage mit Parallelkompressi-on (Figur 3) untersucht werden. Zudem werden weitere Methoden zur Effizienz-steigerung evaluiert. Daraus sollen zwei bezüglich Einspar- und Marktpotenzial erfolgversprechende Methoden konkre-tisiert werden. Aus dem Projekt werden
ein systematisches Auswahlverfahren für die Effizienzsteigerung von trans-kritischen CO2-Kälteanlagen resultieren sowie von drei bereits realisierten Me-thoden anhand von Messresultaten das effektive Einsparpotenzial validiert sein.
Zur Effizienzsteigerung werden folgende Methoden untersucht:
• Reduktion der Drosselverluste (Expan-sionsmaschine, Parallelverdichtung);
• Reduktion der Wärmesenkentempe-ratur (andere Wärmesenke, adiabati-sche Kühlung, Speicher und nächtli-che Abkühlung);
• Externe Unterkühlung (mit Gebäude-klimaanlage, Ab-/Adsorberkältema-schine);
• Optimierte Regelungstechnik (Hoch-druckregelung, Gaskühler-Austritts-temperatur);
• Saugdruck erhöhen (CO2 -Umpump-system, Ejektor);
• Abwärme in Strom umwandeln (Ran-kine-Prozess, Stirling-Motor);
• Energiespeicherung (Kältespeiche-rung und Betrieb bei günstigem Strom oder Nachts bei tieferen Rück-kühltemperaturen).
Neben den in den vorgenannten Feld-testanlagen untersuchten Methoden, wird die Optimierung der Regelungs-technik sowie die adiabatische Kühlung bezüglich Effizienzverbesserung und Marktakzeptanz als vielversprechend weiterverfolgt.
Figur 3: Transkritische CO2-Kälteanlage der Migros Ebikon. Anlage mit 10 Verdichtern, wovon 5 für die Pluskühlung (170 kW), 4 für die Minuskühlung (40 kW) und 1 als Parallelverdichter eingesetzt werden [10].
Die Teams der Schweizer Wärmepumpen- und Kältema-schinen-Forschung sind gut vernetzt und pflegen eine Zusammenarbeit auch zwischen der Hochschul- und der Industrieforschung. Hinzu kommen die Kontakte zu den Umsetzungspartnern wie Architekten und Planern so-wie zu den Nutzern. Dies manifestiert sich an der jährlich vom BFE organisierten Wärmepumpentagung, an der sich in Burgdorf jeweils rund 300 Personen aus Forschung, Herstellung, Umsetzung und Anwendung treffen. Durch Projektbegleitgruppen mit Industrievertretern erfolgt der notwendige Praxisbezug in von Hochschulen bearbeiteten Projekten. So wurde das eher grundlagenorientierte Pro-jekt Zweiphasenkompressor für Wärmepumpen der HSR [9] durch Spezialisten der Firmen Burckhardt Compression, Haug Kompressoren, DUAP Einspritzsysteme sowie Hoval Wärmepumpen begleitet. Im Projekt Effizienzsteigerung von transkritischen CO2-Kälteanlagen [10] erfolgt eine Zu-sammenarbeit mit Prodega Basel und Prodega St. Blaise
so-wie Migros Ebikon, die als Anwender ihre Kälteanlagen für Feldtests zur Verfügung stellen. Zahlreiche Fachhochschu-len arbeiten im Projekt Kombination von Solarthermie, Fo-tovoltaik und Wärmepumpen [14] zusammen. Dazu gehö-ren die Institute IEBau (FHNW), SPF (HSR), HEFR (Fribourg), LESBAT (HEIG-VD) und FOREL (Universität Genf).
Mit den Branchenverbänden besteht ein Informationsaus-tausch, so zum Fachverband Wärmepumpe Schweiz (FWS), Schweizer Verein für Kältetechnik (SVK) sowie Schweizer Verein für Gebäudetechnik-Ingenieure (SWKI). Im Rahmen der BFE-Forschungsprogramme besteht vor allem eine Zu-sammenarbeit mit den Programmen Solarwärme und Wär-mespeicherung, Energie in Gebäuden, Elektrizitätstechno-logien und -anwendungen sowie Verfahrenstechnik.
Zudem bestehen Kontakte zu anderen Forscherorganisati-onen wie SwisselectricResearch sowie zu kantonalen Äm-tern.
Nationale Zusammenarbeit
Die internationale Zusammenarbeit erfolgt vor allem durch eine aktive Mitarbeit im IEA HPP. Schweizer Forschende ar-beiteten 2012 in 4 Projekten (Annexes) des IEA HPP mit.
Im Annex 37 Demonstration of Field Measurements on Heat Pump Systems in Buildings [12] sind Forschende aus 4 verschiedenen Ländern engagiert, wobei die Schweizer Vertreter ein Teilprojekt (Task) bearbeiten. Eine sehr umfas-sende internationale Zusammenarbeit findet im Annex 38 Solar and Heat Pump Systems [13] statt, der gemeinsam mit dem Annex 44 das IEA Implementing Agreement Solar Heating and Cooling bearbeitet wird. In dieser Kooperati-on sind 12 verschiedene Länder involviert und sie wird vKooperati-on der Schweizer Vertretung geleitet. Die Schweiz steuert je ein Projekt der FHNW und der FH Fribourg bei. Im Annex 39 A common method for testing and rating of residential heat pumps and air conditioners annual/ seasonal perfor-mance (SPF) [15] an dem 8 verschiedene Länder beteiligt
sind, bearbeitet die FHNW mit dem Projekt Effizienz kom-binierter Systeme mit Wärmepumpen [16] ein Teilprojekt.
Hier findet auch eine Zusammenarbeit mit dem deutschen Bundesverband Wärmepumpen (bwp) statt. Der 2012 neu gestartete Annex 40 Heat Pump Concepts for Nearly Zero Energy Buildings [17]wurde auf Initiative des IET der HSR gestartet und wird von diesem geleitet. Zur Zeit arbeiten darin 6 verschiedene Länder zusammen.
Die Berichte aus den IEA HPP Annexes werden jeweils auf der Website des Heat Pump Centres publiziert und sind für die Mitglieder zugänglich. Dadurch wird ein breit abge-stütztes Wissen zur Verfügung gestellt. Im Rahmen der Pro-jektarbeit organisiert das IEA HPP zahlreiche Workshops.
Alle drei Jahre wird eine internationale Wärmepumpenkon-ferenz durchgeführt. Die nächste wird 2014 in Montreal stattfinden.
Internationale Zusammenarbeit
[1] Wärmepumpenstatistik 2012, Fachverband Wärmepumpen Schweiz (FWS)
[2] Th. Kopp, A. Eckmanns: Detailkonzept des Forschungs-programms Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte 2008–2011, BFE (2009)
[3] BFE, Forschungsprogramm Wärmepumpen und Kälte, www.
bfe.admin.ch/forschungwkk/
[4] Eidgenössische Energieforschungskommission CORE: Konzept der Energieforschung des Bundes 2008–2011, BFE (2007) [5] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2010, BFE (2011) [6] Thomas Lang, Basler & Hofmann: Workshop Lücken zwischen den Gewerken, Kälte-Forum 2008
[7] L. Gasser, M. Albert, M. Häusermann, B. Wellig: Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsrege-lung, BFE-Schlussbericht (2012)
[8] P. Kurmann, T. Mesot, T. Ursenbacher: OPTIGEN Optimierung der Einbindung eines 28-m3-Wasserspeichers in die Beheizung und die WW-Versorgung eines EFH mit W/W-Wärmepumpe und Solarkollektoren, BFE-Schlussbericht (2012)
[9] M. Friedel, Th. Wüst: Zweiphasenkompressor für Wärmepum-pen, BFE-Schlussbericht (2012)
Referenzen
[10] J. Schönenberger: Effizienzsteigerungen von transkritischen CO2-Kälteanlangen, BFE-Jahresbericht (2012)
[11] I. Wyssen, A. Brun, L. Gasser, B. Wellig: Sole/Wasser-Wärme-pumpen mit kontinuierlicher Leistungsregelung, BFE-Jahresbe-richt (2012)
[12] IEA-HPP-Annex 37: Demonstration of Field Measurements on Heat Pump Systems in Buildings,(www.heatpump-centre.org ) [13] IEA-HPP-Annex 38: Solar and Heat Pump Systems, (www.
heatpumpcentre.org)
[14] R. Dott, Th. Afjei: SOFOWA – Kombination von Solarther-mie, Fotovoltaik und Wärmepumpen, BFE-Jahresbericht (2012) [15] IEA-HPP-Annex 39: A common method for testing and rating of residential heat pumps and air conditioners annual/
seasonal performance, (www.heatpumpcentre.org)
[16] A. Generkinger, Th. Afjei: EFKOS - Effizienz kombinierter Systeme mit Wärmepumpen, BFE Jahresbericht (2012) [17] ] IEA-HPP-Annex 40: Heat Pump Concepts for Nearly Zero Energy Buildings, (www.heatpumpcentre.org )
Laufende und im Berichtsjahr abgeschlossene Projekte
(* IEA-Klassifikation)
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EFFiZiEnTE lUFT/wassEr-wärmEpUmpEn dUrCh KonTinUiErliChE lEisTUngsrEgElUng R&D 7.2*Lead: Hochschule Luzern – Technik und Architektur Funding: BFE
Contact: Beat Wellig beat.wellig@hslu.ch Period: 2008–2012
Abstract: Als Ziel sollen Auslegungs- und Planungsgrundlagen für L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung erarbeitet werden. Das Potenzial der Leistungsregelung wurde durch drei verschiedene Prototypen leistungsgeregelter L/W-WP bestätigt. Bei der Verwendung effizient regelbarer Kompressoren und Ventilatoren liegen die erreichbaren Jahresarbeitszahlen leistungsgeregelter L/W-WP im Bereich von heutigen Ein/Aus-geregelten Sole/Wasser-Wärmepumpen.
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iEa-hpp-annEx 38: solar and hEaT pUmp sysTEms R&D 7.2Lead: IEA Heat Pump Programme, Borås, Sweden Funding: BFE
Contact: www.heatpumpcentre.org Period: 2010–2014
Abstract: Das internationale Gemeinschaftsprojekt IEA-HPP Annex 38 hat das Ziel, die Einsatzmöglichkeiten der Kombination von Wärmepumpen und Solarthermie zu evaluieren und zu optimieren. Dazu werden existierende Systeme bewertet und heutige Testmethoden verglichen.
Simulationen von heutigen Systemen und ergänzenden neuen Komponenten sollen das erreichbare Potenzial aufzeigen.
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soFowa – KomBinaTion von solarThErmiE, FoTovolTaiK Und wärmEpUmpEn R&D 7.2Lead: Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut am Bau Funding: BFE
Contact: Ralf Dott, Thomas Afjei thomas.afjei@fhnw.ch Period: 2010–2014
Abstract: Niedrigenergiehäuser sind durch die Verschärfung der Energievorschriften zum Standard für Neubauten geworden. Nach gängiger Definition gehen Netto-Nullenergiehäuser meist mit einer gebäudeintegrierten Solartechnik einher. Ziel des Projekts ist mittels Simulation erfolg versprechende Kombinationen von Wärmepumpe und Solartechnik zu identifizieren, die Praxistauglichkeit mit einem Feldtest zu verifizieren und einen Leitfaden zu erstellen.
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opTimiErUng dEr EinBindUng EinEs 28 m3 wassEr spEiChErs in diE BEhEiZUng Und diEww-vErsorgUng EinEs EFh miT w/w-wärmEpUmpE Und solarKollEKTorEn R&D 7.2
Lead: EIA-FR Ecole d‘ingénieurs et d’architectes Funding: BFE
Contact: Peter Kurmann peter.kurmann@hefr.ch Period: 2010–2012
Abstract: Simulationen und Messungen in einem EFH mit 185m2 EBF, gebaut nach SIA380/1:2009, mit Solarkollektoren (40m2), einer W/W Wärmepumpe (6.4kW) mit einer Erdsonde (150m) sowie zwei thermischen Speicher mit Wasser (1: ungeschichtet, 28m3, 2: geschichtet, 1.65m3) sollen das Potenzial des Gesamtsystems aufzeigen. Bisher wurden die technischen Einrichtungen während mehreren Tagen mit und ohne Heizlast simuliert und mit reellen Messdaten validiert.
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UTilisaTion dE géoThErmiE proFondE poUr lE ChaUFFagE dE grands BâTimEnTs avECdEs pompEs à ChalEUr à Très haUTEs pErFormanCEs R&D 7.2
Lead: Planair SA Funding: BFE
Contact: Fabrice Rognon fabrice.rognon@planair.ch Period: 2010–2012
Abstract: Das Projekt hat das Ziel, Sonden mit Längen zwischen 300 und 800 m zu beurteilen und mit klassischen Sonden und Sondenfeldern zu vergleichen. Untersucht wird das Leistungsvermögen und die Wirtschaftlichkeit. Das Projekt läuft in Zusammenarbeit mit dem BFE-Programm Geothermie.
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mEU - insTrUmEnTs innovanTs dE planiFiCaTion ET dE managEmEnT dE sysTèmEsénErgéTiqUEs En ZonEs UrBainEs R&D 7.2
Lead: EPFL - Energy Center, CREM, EPFL - LESO-PB, EPFL LENI, HES-SO Valais Funding: BFE, FOGA
Contact: M. Capezzali massimiliano.capezzali@epfl.ch Period: 2008–2012
Abstract: Das ziel des Projektes ist eine Software, die die Planung von Energienetzen vereinfachen soll. Vier Städte, Lausanne, Martigny, Neuchâtel und La-Chaux-de-Fonds unterstützen das Projekt durch aktive Mitarbeit und durch Analyse von konkreten Situationen. Das Projekt soll anfangs 2012 abgeschlossen werden.
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ZwEiphasEnKomprEssor Für wärmEpUmpEn - phasE 1: KonZEpT R&D 7.2Lead: IPEK-HSR Funding: BFE
Contact: Theodor Wüst, Markus Friedl twuest@hsr.ch Period: 2011–2012
Abstract: In diesem Projekt soll ein Kompressionsvorgang untersucht werden, der mit einem zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Gemisch startet und möglichst in der Nähe des Sattdampf-Grenzlinie endet. Damit soll eine Ueberhitzung des Mediums vermieden werden. Ein Konzept für einen realen Prototyp wird erarbeitet.
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iEa-hpp-annEx 37: dEmonsTraTion oF FiEld mEasUrEmEnTs on hEaT pUmp sysTEms inBUildings R&D 7.2
Lead: IEA Heat Pump Programme Funding: BFE
Contact: www.heatpumpcentre.org Period: 2011–2013
Abstract: Das internationale Gemeinschaftsprojekt IEA-HPP Annex 37 hat das Ziel, das Potenzial von Wärmepumpen für den Einsatz in verschiedenen Gebäuden ausgehend von existierenden Feldmessungen aufzuzeigen. Es sollen nur die besten technischen Lösungen einbezogen werden. Die Feldmessungen werden auf gleichartige Auswertungsmethodik verglichen und Unterschiede sollen quantifiziert werden. Hier wird auch ein Vergleich zum SEPEMO-Projekt gemacht.
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iEa-hpp-annEx 39: a Common mEThod For TEsTing and raTing oF rEsidEnTial hEaTpUmps and air CondiTionErs annUal/sEasonal pErFormanCE (spF) R&D 7.2
Lead: IEA Heat Pump Programme Funding: BFE
Contact: www.heatpumpcentre.org Period: 2010–2013
Abstract: Das internationale Gemeinschaftsprojekt IEA-HPP Annex 39 hat das Ziel, eine international anerkannte Methode zur Berechnung von SPF (Seasonal Performance Factor) aus gemessenen Momentanwerten COP (Coefficient of performance) für verschiedene Wärmepumpentypen zu evaluieren. Bisher angewendete Methoden können neuere Wärmepumpen, wie zum Beispiel frequenzgeregelte Wärmepumpen oder CO2-Wärmepumpen nicht genügend abbilden.
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EFFiZiEnTE KälTEErZEUgUng von TransKriTisChEn Co2-KälTEanlagEn R&D 7.2Lead: Frigo-Consulting AG, Gümligen Funding: BFE
Contact: J. Schöneberger j.schoenebergerr@frigoconsulting.ch Period: 2011–2013
Abstract: Das Kältemittel CO2 kommt in stationären Kälteanlagen vermehrt zum Einsatz. Die relativ schlechte Leistungszahl des Kaltdampfprozesses mit CO2 kann mit einer arbeitsleistenden Entspannung thermodynamisch verbessert werden. Drei verschiedene Varianten (Expansionsmaschine, Adsorptionskälte, Parallelkompression) werden in Feldtests und weiter theoretisch untersucht.
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solE/wassEr-wärmEpUmpEn miT KonTinUiErliChEr lEisTUngsrEgElUng R&D 7.2Lead: Hochschule Luzern – Technik und Architektur Funding: BFE
Contact: Beat Wellig beat.wellig@hslu.ch Period: 2012–2014
Abstract: Als Ziel sollen Auslegungs- und Planungsgrundlagen für S/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung erarbeitet werden. Für L/W-WP konnte gezeigt werden, dass mit kontunierlicher Leistungsregelund die Jahresarbeitszahl erheblich (bis zu 50%) verbessert werden kann.
Bei S/W-WP ist die Wärmequellentemperatur zwar eher konstant, Temperatur- und Leistunsbedarf der Abnehmerseite schwankt jedoch identisch.
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iEa-hpp-annEx 40: hEaT pUmp ConCEpTs For nEarly ZEro EnErgy BUildings(opEraTing agEnT) R&D 7.2
Lead: Hochschule für Technik Rapperswil, Institut für Energietechnik Funding: BFE
Contact: Carsten Wemhöner carsten.wemhoener@hsr.ch Period: 2012–2015
Abstract: Der sehr geringe Energiebedarf von neuen Gebäuden stellt auch besondere Herausforderungen an die Wärmepumpen. In einem internationalen Rahmen sollen der Stand der Technik und die Definition von «Nearly Zero Emission Buildings» erfasst werden. Zudem werden vielversprechende Wärmepumpnekonzepte analysiert und Fragen zu Netzrückwirkungen und Speicherintegration untersucht.
Einfluss der Brennstoffzusammensetzung auf Einspritzung, Zündung und Brennverlauf
Für die Validierung numerischer Modelle zur Berechnung der dieselmotorischen Verbrennung sind Versuche an optisch zugäng-lichen Versuchsträgern notwendig. Im Projekt CRFD-Simulation für neue motorische Brennverfahren und Kraftstoffe wurden in einer Hoch-Temperatur-Druck-Zelle (HTDZ) verschiedene Kraftstoffe untersucht. Aus den OH-Chemilumineszenz-Bildern können relevante Eigenschaften erfasst werden. Die Zündung erfolgt 550 µs nach dem Start der Einspritzung. Bis alle 6 Einspritzstrahle brennen, dauert es 100 µs. Nach 1800 µs ist die Einspritzung abgeschlossen und der restliche Brennstoff verbrennt bis zur Ein-spritzdüse. Auf dem letzten Bild ist ersichtlich wie der restliche Brennstoff an der Zylinderwand entlang verbrennt und ungewollt zusätzlich Brennstoff aus der Düse strömt und abbrennt. Dies wird durch das Zurückschlagen der Nadel beim Schliessen in der Einspritzdüse verursacht.
Stephan Renz
Verbrennung und
Wärme-Kraft-Kopplung
IEA Klassifikation: 2.1.4 Oil and gas combustion Schweizer Klassifikation: 1.8 Verbrennung
Einleitung
Die Verbrennung ist nach wie vor der weltweit wichtigste Energieumwand-lungsprozess, um unterschiedliche Brennstoffe in nutzbare Energieformen wie Wärme, mechanische Arbeit oder Strom umzuwandeln. Der chemisch einfach darstellbare Oxidationsprozess verläuft in der Praxis selbst unter atmo-sphärischen Bedingungen in der Flamme eines Bunsenbrenners hochkomplex ab.
Es bilden sich diverse Zwischenprodukte, nicht gewollte Inhaltsstoffe des Brenn-stoffes und der Luft nehmen an den Re-aktionen teil und es bilden sich schluss-endlich Luftfremdstoffe, die wir als Schadstoffe wahrnehmen. Hinzu kom-men mit festen, flüssigen und gasförmi-gen Stoffen gemischte Strömungasförmi-gen.
Die vielfach wichtigste Anforderung an ein Verbrennungssystem ist möglichst viel des Energieinhalts des eingesetzten Energieträgers in nutzbare mechanische Arbeit umzuwandeln. Damit wird die Wertigkeit des Energieträgers optimal genutzt bzw. es wird ein maximaler ex-ergetischer Wirkungsgrad erreicht. Der Prozess soll zudem mit möglichst gerin-gen Schadstoffemissionen ablaufen. Mit den besten Systemen gelingt es heute, über 60 % des Energieinhalts des einge-setzten Energieträgers in Strom umzu-wandeln. Die restlichen 40 % sind Ab-wärme auf geringem Temperaturniveau, die allenfalls noch für die Beheizung von Wohnräumen genutzt werden kann.
Daraus erkennen wir drei wichtige He-rausforderungen an die Verbrennungs-forschung: (1) Die Vorgänge im Ver -brennungsprozess müssen möglichst gut verstanden und abgebildet werden können, (2) Verbrennungssysteme sollen mit diesem Wissen so simuliert werden können, dass der Prozess optimal abläuft
und nur wenige Schadstoffe entstehen;
(3) Verbrennungskraftmaschinen müs-sen so gebaut und gesteuert werden, damit der Energieinhalt vorwiegend in Arbeit umgewandelt wird und die verbleibenden Schadstoffe durch Ab-gasnachbehandlungssysteme eliminiert werden können. Schlussendlich ist anzu-merken, dass die Herausforderungen für eine zunehmende Anzahl und Komplexi-tät von Brennstoffen beherrscht werden müssen.
Die heute vorwiegend eingesetzten fos-silen Energieträger Erdgas, Erdöl und Kohle haben den Nachteil der begrenz-ten Verfügbarkeit sowie der Klima schä-digenden CO2-Emissionen. Auf Biomas-se basierende Energieträger sowie aus verschiedenen Stoffen künstlich erzeug-te, sogenannte synthetische Brennstof-fe, werden in der Zukunft an Bedeutung gewinnen. Hintergrund dieser Entwick-lung sind die hohe Energiedichte und die gute Speicherfähigkeit der flüssigen Brennstoffe. Diese sind für viele Anwen-dungen wie die Mobilität über grosse Di-stanzen (Transportwesen) oder Produkti-onsmaschinen mit langer Betriebsdauer (Baumaschinen) im Vergleich zu anderen Energieträgern von grossem Vorteil. In der Zukunft kann auch aus überschüs-sigem Strom hergestellter Wasserstoff oder synthetisch erzeugtes Methan dazu gehören.
Die Schweiz verfügt über international anerkannte Kompetenzen in der Ver-brennungsforschung. Dazu gehören Forschungsinstitute der Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) und an Fachhochschulen aber auch von zahl-reichen global agierenden Herstellern von Verbrennungsmotoren und Gastur-binen. Dies ist durch die lange Tradition
der Schweizer Industrie in diesem Be-reich, die seit den Anfängen der Ent-wicklung der Verbrennungskraftma-schinen bahnbrechende Erfindungen hervorgebracht hat, begründet. Auch zahlreiche Entwickler und Hersteller von peripheren Komponenten wie Turbola-der, Einspritzsysteme, Katalysatoren, Par-tikelfilter, Mess- und Steuersysteme sind in der Schweiz aktiv. Pro Jahr investiert die Schweizer Industrie rund 150 Mio.
CHF in die Forschung zur Verbesserung von Verbrennungssystemen.
Die Ziele der vom Bund mitfinanzierten Verbrennungsforschung sind die Erhö-hung des (exergetischen) Wirkungsgrads von Verbrennungssystemen, die Ver -minderung des Verbrauchs an fossilen Brennstoffen und damit der CO2 -Emis-sionen sowie die Reduktion der Schad-stoffe wie Russ, Feinstaub, Stickoxid oder Kohlenwasserstoffe. Hinzu kommt die Optimierung von Verbrennungssys-temen für Energieträger aus Biomasse der 2. Generation sowie synthetisch her-gestellte Brennstoffe. Die Forschungszie-le stimmen auch gut mit den internati-onalen Bestrebungen überein. Dies wird durch die Forschungsschwerpunkte der Verbrennungsfachgruppe der Internatio-nalen Energieagentur (IEA) [1] bestätigt.
Schweizer Forschende sind an mehreren Projekten beteiligt. Im Forschungspro-jekt HERCULES der Europäischen Union (EU) [2] arbeiten verschiedene Institute des ETH-Bereichs, von Fachhochschu-len und Schweizer Industrieunterneh-men mit EU-Partnern zusamIndustrieunterneh-men. Auch in Forschungsprojekten der deutschen Forschungsvereinigung Verbrennungs-kraftmaschinen (FVV) [3] sind mehrere Industrieunternehmen und Schweizer Hochschulforscher engagiert.
Die Zielsetzungen der Programme Ver-brennung und Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) richten sich nach den Vorgaben des Energieforschungkonzepts des Bun-des [4].
Verbesserte Forschungsmethoden und -instrumente: Die Instrumente der For-schung wie physikalische Grundlagen, numerische Simulation, Messmethoden und Versuchsträger sind weiter zu ent-wickeln und an neue Anforderungen anzupassen.
Erhöhung des Systemwirkungsgrads:
Der Brennstoffverbrauch und die Schad-stoffemissionen werden dadurch redu-ziert. Wichtig ist der Einbezug des Ge-samtsystems und der unterschiedlichen Lastzustände.
Reduktion von Schadstoffemissionen:
International werden die Emissionsvor-schriften für Stickoxide, Kohlenwasser-stoffe, Kohlenmonoxide sowie Russ und Feinstaub weiter verschärft.
Nutzung verschiedener Energieträger:
Zur Verbesserung des Wirkungsgrads und zur Reduktion der Schadstoffe wird auch die Zusammensetzung der Brennstoffe geändert. Hinzu kommt die zunehmende Nutzung von biogenen Brennstoffen.
Effizenzverbesserung bei WKK-Anlagen:
Erhöhung des Wirkungsgrads des Ge-samtsystems inklusive Abwärmenutzung und Einsatz erneuerbarer Brennstoffe.
Schwerpunkte der Periode 2008–2012:
• Weiterentwicklung der Methoden und -instrumente für konventionelle und für biogene Energieträger.
• Verbesserung und stärkere Vernet-zung der experimentellen und nume-rischen Methoden für die Optimie-rung des Gesamtsystems «Motor», welches die Prozesskette Gemischbil- dung–Zündung-Verbrennung–Abgas-nachbehandlung umfasst.
• Darstellung von «Null-Emission-Syste-men» für die kleinskalige (10 kW bis 100 kW) kombinierte Strom–Wärme–
Kälte–Erzeugung.
• Senkung der Wartungskosten von WKK-Anlagen und Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Steuerung und Diagnose.
• Optimierung von Gemischaufberei-tung, Verbrennung und Abgasnach-behandlung sowie Minimierung von Schadstoffemissionen beim (Teil-)Ein-satz von biogenen Kraftstoffen auch für kleinskalige atmosphärische Sys-teme.
• Stärkere Vernetzung und Auftritt der Akteure in der Schweizer Verbren-nungsforschung und -industrie inkl.
Leistungserbringern von Komponen-ten.
Rückblick und Bewertung 2012 Verschiedene Projekte konnten erfolg-reich abgeschlossen werden; so z. B. das Projekt Entwicklung schneller Mess- und Rechenverfahren für Dieselbrennver-fahren, in dem ein virtueller Russsen-sor entwickelt wurde. Dadurch wird es möglich, durch Eingreifen in die Motor-steuerung die Russentwicklung zu redu-zieren. Im Projekt CRFD-Simulation für neue motorische Brennverfahren und Kraftstoffe wurden Rechenmodelle für die Vorhersage der Energieumwandlung und der Emissionsbildung entwickelt. In Ergänzung zum laufenden EU-Projekt HERCULES wurde im Projekt Spray Com-bustion Chamber von Grossdieselmoto-ren der Versuchsträger verbessert, die Messsysteme ausgebaut und Versuche mit Schweröl gefahren. Neue Projekte wurden zur Charakterisierung von
syn-thetischen Kraftstoffen für die Diesel-verbrennung sowie für die Entwicklung von Modellen für die emissionsarme
syn-thetischen Kraftstoffen für die Diesel-verbrennung sowie für die Entwicklung von Modellen für die emissionsarme