LOG-Applikation

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Applikation der Technologie zur Verbrennung von flüssigen Ölgasen (LOG) in Wankel-Motoren

Öffentlicher Bericht

Wankel SuperTec GmbH, Cottbus

Stand: Juni 2015 Hinweis:

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde in den Jahren 2012 bis 2014 mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Europaangelegenheiten des Landes Brandenburg und der EU gefördert. (FKZ 80148453)

Die Verantwortung für den Inhalt der Veröffentlichung liegt beim Autor.

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Kurzfassung Ziel des Projektes war die Anpass-Entwicklung eines Wankel-Kreiskolbenmotors für den Betrieb mit LOG-Kraftstoff. Anhand der Wankel-SuperTec (WST) eigenen Baureihen KKM-500 und KKM-350 wurden Voruntersuchungen mit verfügbaren Flüssiggas-Kraftstoffen (Propan bzw. Propan/Butan-Gemisch) durchgeführt. Untersucht wurden dabei verschiedene Varianten der Kraftstoffzumessung (Mischung, externe und direkte Einblasung), Aufladung, Kompression sowie der Einfluss der Betriebsparameter von Zündung und Kraftstoff/Luft-Verhältnis. Basierend auf den Ergebnissen der Voruntersuchungen wurde ein Mustermotor KKM-352 (2-Läufer-Version, 2x 350cm3 Kammervolumen) aufgebaut, wobei noch eine Anpassung des Kühlsystems vorgenommen wurde. Für die Kraftstoffzumessung wurde ein System zur Saugrohreinblasung realisiert, bestehend aus adaptierten Komponenten, welche bei Flüssiggas(LPG)-Betrieb eingesetzt werden und auf dem Markt verfügbar sind. Für den Einsatz als Antrieb von Ultraleicht-Flugzeugen wurde eine Demonstrationseinheit erstellt, welche auch alle weiteren zum Betrieb erforderlichen Komponenten umfasst, d.h. Kühler, Gasführung, Verkabelung, etc. inkl. Untersetzungsgetriebe für einen Propeller. Bei den Dauerlaufuntersuchungen auf dem Motorprüfstand mit einem Belastungsprofil – angelehnt an Zulassungserfordernissen – wurden jedoch noch Defizite in der Dauerfestigkeit festgestellt, welche eine Freigabe für die anvisierte Leistung ohne weitere Änderungen in der vorgesehenen Fluganwendung verhindern. Eine grundlegende Überarbeitung der Konstruktion läuft derzeit, um in Kürze für dieses Anwendungsgebiet ein Produkt anbieten zu können. Eine Vermarktung des Antriebs in anderen Bereichen (BHKW, Range-Extender, etc.) bei reduzierten Leistungsanforderungen ist aber ohne Einschränkungen auch schon mit dem derzeitigen Stand für Flüssiggasbetrieb gegeben und wird von der WST verfolgt.

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1. Aufgabenstellung Ziel des Vorhabens war die Anpassung der vorhandenen Wankelmotoren-Technik zum Betrieb mit LOG-Kraftstoffen. In diesem Rahmen sollte ein Prototyp erstellt, optimiert und im Versuch für Fluganwendungen typischen Nachweistests unterzogen. Das Vorhaben war eingebettet in einen Verbund mit der BTU Cottbus (Lehrstuhl VFA, Prof. Berg) und der Firma QPAC (Niederlassung Schönefeld) und sollte im Rahmen einer Kooperation mit russischen Partnern (Aufbereitung vorhandener LOG-Resourcen) durchgeführt werden – koordiniert unter Mitwirkung des Netzwerkes BBAA. (Hintergrund s. Pkt. 2) Die Zusammenarbeit mit BTU/VFA und QPAC sah eine entsprechende Aufteilung von Aufgabenpaketen vor.

2. Voraussetzungen Ausgangsbasis war die Absicht, die bei der Erdölförderung anfallenden Öl-Gase, welche bisher nur abgefackelt werden, ebenfalls einer Nutzung zuzuführen; dieser Wunsch bestand bei den Partnern auf russischer Seite. Eine Raffinierung der Rohgase vor der Verwendung wurde vorausgesetzt. Überlegungen zur notwendigen Infrastruktur für die Vermarktung des Kraftstoffes führten zum Vorschlag, zu Beginn den Bereich Luftfahrt damit zu bedienen. Die WST wurde in den Verbund einbezogen, um zur Nutzung dieses Brennstoffes geeignete Motoren bereitzustellen, d.h. eine Anpassentwicklung durchzuführen. Die Überlegung war dabei, nach Abschluss zum einen den Markt im Bereich des Kooperationspartners für diese Motoren-Technologie zu erschließen, aber auch zum anderen die Entwicklungsergebnisse für weitere Anwendungen mit ähnlichen Kraftstoffen zu übertragen, für welche eine Versorgungsinfrastruktur bereits besteht. (Stichwort: Flüssiggas allgemein) Von Seiten der WST wurde als Motortyp die neu entwickelte Baureihe 350 in der 2-Läuferversion gewählt, welche sich durch ein besonders niedriges Leistungsgewicht auszeichnet und für eine Nennleistung von ca. 70 kW ausgelegt ist, so dass der Einsatz für Fluggeräte der Klasse ULA / VLA prädestiniert ist. Die originäre Version sieht einen Betrieb dieser Motoren mit Diesel / Kerosin vor (Gemischbildung nach dem Schichtladeprinzip).

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Bild: KKM-352 Grundmotor mit Planetengetriebe zur Drehzahlreduktion Von russischer Seite war zu Beginn die Bereitstellung des Brennstoffs zugesagt worden. Dies wurde dann so definiert, dass statt einer direkten Lieferung von dort ersatzweise vergleichbarer Brennstoff aus hiesiger Produktion für Versuche zur Verfügung gestellt werden sollte. Im Laufe des Projektzeitraumes änderten sich allerdings diese Gegebenheiten auf Grund der politischen Lage, so dass ein wesentlicher Teil der genannten Voraus-setzungen entfiel. Bezüglich der Beispielanwendung Flugantrieb war für die Dieselversion des Motors KKM-352 zu einem früheren Zeitpunkt bereits ein Projekt zur Integration in ein UL-Flugzeug durchgeführt worden.

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Bild: Integration KKM-352 Diesel mit Reduktionsgetriebe in einem UL-Flugzeug

3. Planung und Ablauf Die durchgeführten Hauptaufgaben umfassten im Wesentlichen:

Auswahl / Anpassung / Entwicklung des LOG-Einspritz-, Zünd- und Verbrennungssystems für Wankel-Motoren

Anpassung des vorhandenen Wankel-Motors an das LOG-System

Einspritz-, Zünd- und Verbrennungsversuche auf dem Motorenprüfstand

Versuche unter Berücksichtigung fluganwendungstypischer Bedingungen Ohne weitere Zuordnung zu den definierten Arbeitspaketen wurde wie folgt vorgegangen: Da als Demonstrator / Prototyp ein Antrieb für die Klasse ULA realisiert werden sollte, wurde der Typ KKM-352 als Ausgangsbasis gewählt. Aufgrund der Verfügbarkeit wurden die experimentellen Voruntersuchungen jedoch mit dem KKM-501 begonnen, welche erste grundlegende Aufschlüsse zur Konfiguration lieferten.

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Bild: Motorprüfstand mit KKM-501 für Gasbetrieb (ohne Aufladung) Untersucht wurden:

Kolbenmulde / Kompression

Kraftstoffzumessung: Mischung / Saugrohreinblasung / Direkteinblasung

Zündkerzen (einfach, mehrfach, Typen)

Aufladung

Anforderungen hinsichtlich der Motorsteuerung

Bild: KKM-501 Muldenformen, Kompression hoch/niedrig (links/rechts) Als Brennstoff wurde in diesem Stadium Propan verwendet. Die Einbringung erfolgt dabei als gasförmige Phase. Mit den Ergebnissen konnte eine vorläufige Kon-

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figuration der Baureihe KKM-350 zur Erstellung eines ersten Prototyps festgelegt werden. Die ursprüngliche Konstruktion der Baureihe KKM-350 sieht eine reine Ölkühlung vor. Im Versuchsbetrieb wurde allerdings festgestellt, dass in der aktuellen Ausführung der Wärmeübergang nicht ausreicht, um unter allen Betriebs-bedingungen das Mantelgehäuse im zulässigen Temperaturbereich zu halten. Die in diese Richtung dann durchgeführte 3D-CFD-/FEM-Analysen zu möglichen Verbesserungen mittels konstruktiver Änderungen ergab eine hohe Komplexität dieser Aufgabenstellung, so dass als vorläufige Lösung eine wassergekühlte Variante gewählt wurde, welche zusätzliche konstruktive Änderungen erforderten und zu einer Verzögerung in der Bereitstellung führten.

Bild: Wärmeübergangsproblematik bei Ölkühlung – Temperatur-Kennfeld/Verteilung Für die Konfiguration der Gemischbildung über das Kraftstoffzumess-System wurde auf Grund von Überlegungen Folgendes festgelegt:

Bei dem aufbereiteten LOG handelt es sich um ein Propan/Butan-Gemisch, welches unter Druck im Tank flüssig gespeichert wird; es ist in dieser Hinsicht wie handelsübliches Flüssiggas bzw. Autogas (LPG) anzusehen.

Da beide Gasanteile unterschiedliches Siedeverhalten besitzen, ist das Mischungsverhältnis in der Gasphase des Tanks nicht identisch mit dem der flüssigen Phase. Eine gasförmige Entnahme aus dem Tank führt deshalb zu einer „Entmischung“ im Betrieb. Zudem muss der Tank die Siedewärme des abfließenden Brennstoffes aufnehmen, damit der Druck im Tank infolge sinkender Temperatur nicht zusammenbricht.

Für Fluganwendungen in größerer Höhe ist die damit einhergehende geringere Außentemperatur gegebenenfalls zu berücksichtigen. (Mischungsverhältnis)

Deshalb wird ein Flüssiggassystem aus auf dem Markt verfügbaren Komponenten verwendet, welches aus beliebigen Flüssiggastanks betrieben werden kann; dieses besteht im wesentlichen aus einem Verdampfer mit integriertem Druckregler, welche das flüssig entnommene Gas auf ca. 1 bar

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Überdruck entspannt und auf einer Temperatur über dem Siedewert hält, so dass die Zumessung immer gasförmig über getaktete Einblasventile erfolgen kann.

Alternative Systeme zur Direkteinspritzung in flüssiger Phase bei ausreichend hohem Druck existieren zwar, sind aber nicht universell einsetzbar (Integration Druckpumpe / Tank). – Diese wären von Vorteil wegen besserer Füllung / „innerer“ Kühlung.

Bild: Systemaufbau LPG-Versorgung, Schema / real (oben / unten)

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Nach Beschaffung der Bauteile entsprechend der überarbeiteten Konstruktion wurde ein KKM-352 aufgebaut für die weitere Betriebsverhaltensoptimierung auf dem Motorprüfstand.

Bild: MP mit KKM-352, zus. Kühlwasserpumpe angebaut, je Läufer 3 Zündkerzen Zu diesem Ziel gehörten folgende Aufgaben:

Erprobung des Gassystems im Zusammenspiel aller Komponenten

Bei Bedarf Auswahl eines geeigneten Turboladers

Optimierung des Zündsystems (Zündkerzen)

Ermittlung der optimalen Parameter für die Motorsteuerung (Mapping) Bei der Konfiguration der externen Komponenten auf dem Motorprüfstand ist zu beachten, dass nicht in allen Details eine Anordnung, identisch mit der Integration in der späteren Anwendung, möglich ist. Für die Grundauslegung hatte die erzielbare Leistung höchste Priorität. Hierbei ergaben sich folgende Festlegungen:

Brennstoffzufuhr über getaktete Einblasventile in den Ansaugtrakt

Aufladung mittels Turbolader erforderlich

Ladeluftkühlung zur Reduktion der (thermischen) (Maximal-)Belastung sinnvoll

Mehrere Kerzen pro Läufer / Scheibe vorteilhaft Im Versuchsbetrieb zeigte sich folgendes Verhalten:

Bester Wirkungsgrad im sogenannten Magerbetrieb (Lambda 1,1…1,4) mit dem Nachteil einer reduzierten Maximalleistung

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Kompensation der geringeren Leistung durch aufgeladenen Betrieb (ATL), jedoch bei erhöhter Motoreintrittstemperatur (thermische Belastung)

Absenken der Eintrittstemperatur durch Ladeluftkühler möglich, in der späteren Anwendung (Integration) aber nur bedingt umsetzbar

Zündkerzenkonfiguration von starkem Einfluss: mehrfach = bessere Verbrennung, aber höhere Verluste infolge Überströmen „kalte“ Kerzentypen erforderlich, generelle Neigung zur Selbstzündung Sonderform Plasma-Zündung nicht möglich

Erzielbar waren bei Drehzahlen bis 6000/min Mitteldrücke von ca. 9 bar, d.h. annähernd 90% der erwarteten Zielleistung von 70 kW

Die Abgastemperaturen (vor Turbolader) lagen hierbei bereits über 800°C

Beim Wirkungsgrad wurden Bestwerte von ca. 30% erreicht

Die Schadstoff-Rohemission zeigte folgendes Bild: (um Defizite bei der Gemischbildung auszuschließen, wurden die beiden alternativen Zumessungsvarianten gegengemessen)

Gesamt-Wirkungsgrad

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

Lambda -->

NDE-LPG SRE-LPG Mix-Propan

Bild: Wirkungsgrad und Emission (CO, NOx, HC) abhängig von Lambda Die deutlich überhöhten UHC-Werte (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) konnten auf Defizite bei der Funktion des motorinternen Öldichtsystems zurückgeführt werden. Da Modifikationen an der bestehenden Ausführung keine dauerhafte Abhilfe erbrachten, wurde eine grundlegende Umkonstruktion erforderlich (Abdichtung mittels axialer Gleitringe aus gefedertem Sonderwerkstoffverbund), welche eine erhebliche zusätzliche Zeit in Anspruch nahm.

Bild: neues Öldichtsystem mit Varianten von Dichtlippenformen

CO

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

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Lambda -->

NDE-LPG SRE-LPG Mix-Propan

ppm NOx

0

500

1000

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2000

2500

Lambda -->

NDE-LPG SRE-LPG Mix-Propan

ppm HC

0

1000

2000

3000

4000

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8000

9000

Lambda -->

NDE-LPG SRE-LPG Mix-Propan

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Bild: neues Öldichtsystem mit Details des Aufbaus / der Integration Mit dem so überarbeiteten Motor waren 2 wesentliche Aufgaben vor Abschluss des Vorhabens zu erfüllen:

Aufbau einer Demonstrationseinheit

Nachweise im Dauerlaufversuch Ursprünglichen war für die Demonstration an den Aufbau eines eigens hierfür geeigneten Propellerprüfstands gedacht worden. Durch die Unterstützung des Verbundpartners QPAC und in Anbetracht der guten Erfahrungen bei dem früheren Projekt mit Fläming-Air (s. Pkt. 2) wurde dann jedoch vorgesehen, die Mustereinheit direkt im UL-Flugzeug vom Typ „Smaragd“ (bereitgestellt durch den Eigner Prof. Wernicke) zu demonstrieren. Zur Durchführung des Dauerlaufversuchs wurde der Motorprüfstand herangezogen, so dass bei parallelem Ablauf – Aufbau des Demonstrators / Dauerlauf – die Möglichkeit gegeben war eingetretene Verzögerungen im Ablauf zu kompensieren. Für die Integration wurde die Trägerkonstruktion des Fluggeräts, die dort vor dem sogenannten Brandschott sitzt, separat mit allen erforderlichen Komponenten der Antriebseinheit (außer dem Brennstoffbehälter) aufgerüstet. Zur Montage eines

Abstandshalter

Dichtscheibe

Führungsring ST

Ring Rotor

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Propellers ist der Motor mit einem Reduktionsgetriebe ausgestattet, in welches auch der Elektrostarter integriert ist.

Bild: Blockschaltbild des Antriebssystem

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Bild: lauffähige Antriebseinheit Kerzenseite / Ein-Auslass-Seite (oben / unten) Vor Inbetriebnahme dieser Einheit war das Ergebnis des Dauerlaufes abzuwarten. Angelehnt an die Vorschriften für die Zulassung von Flugmotoren im Luftfahrtbereich (Europa: CS-E / USA: FAR-Pt.33) wurde ein abgewandelter Zyklus festgelegt. Im wesentlichen werden dabei 2 Abläufe im Zeitraffer simuliert, nämlich den Betrieb vor Start mit kurzzeitigem Wechsel (jeweils einige Minuten) zwischen „Leerlauf“ und Maximalleistung, sowie den Reiseflug mit längeren Perioden für Steig-, Horizontal- und Sinkflug bei verschiedenen Lasten zwischen 50% über „Best-Cruise“ bis 100% Nennleistung. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung wird dabei durch eine vereinfachte sogenannte Propellerkennlinie in kubischer Form repräsentiert. Die typische Gesamtdauer ist 150h. (Zum Vergleich: für UL-Flugzeuge werden abweichend 50h Betrieb des Fluggeräts für eine VVZ = vorläufige Verkehrszulassung benötigt.)

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Bild: Lastprofil für Dauerlauf – Leistung über Zeit (zu wiederholender 10h-Zyklus) Kurz vor Erreichen der 50h-Marke trat ein gravierender Schaden auf: Versagen durch Rissbildung im Mantel(Trochoiden)-Gehäuse. Die Untersuchung des Materials im Bereich des Schadensursprungs, der im Übergangsgebiet zwischen Grund-material (Aluguss) und Laufflächenbeschichtung (Keramikverbund) liegt, konnte den Grund nicht einem Material-/Fertigungsfehler zuordnen. Vermutlich führen die gegenüber dem Schichtladebetrieb (Diesel) anderen Verhältnisse bei der Verbrennung von Gas zu einem höheren Anteil der thermischen Belastung.

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Bild: Schadensbild gerissenes Trochoidengehäuse Zur Beseitigung dieser Schwachstelle ist eine konstruktive Überarbeitung des Bauteils erforderlich, die derzeit umgesetzt wird. Bis zur erfolgreichen neuen Überprüfung wurde aus Sicherheitsgründen keine Freigabe für einen Leistungsbetrieb mit Propeller erteilt. Die Inbetriebnahme der aufgebauten Antriebseinheit wurde demgemäß vorläufig auf Start und Lauf ohne Last beschränkt.

4. Wissenschaftlicher / technischer Stand zu Beginn Ausgangspunkt waren im Wesentlichen die Motorentwicklungen bei der WST: hierbei handelte es sich um die Baureihen KKM-500 und KKM-350. Schwerpunkt bis dahin war der Betrieb mit Diesel und Turbinenkraftstoffen (Kerosin) mittels Verbrennung nach dem Schichtladeprinzip unter Zuhilfenahme von Hochdruck-Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung. (Alleinstellungsmerkmal der WST) Prototypen für den Betrieb mit Benzin / Gas bei externer Brennstoffzufuhr zur homogenen Gemisch-bildung waren jedoch ebenfalls im Versuch gefahren worden. Die vorliegenden Konstruktionen sind in wichtigen Details durch eigene Schutzrechte (nationale und internationale Patente) abgesichert. Eine Verwendung fremder

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Patente ist nicht notwendig. Bei Subsystemen und Komponenten werden nach Möglichkeit keine Eigenentwicklungen – Ausnahme Motorsteuergerät RECU – durchgeführt, sondern Zukaufteile verwendet, die von Herstellern/Lieferanten geschützt sein können. Von Kraftstoffseite (LOG) war zu anfänglich keine genaue Spezifikation bekannt; Bedenken, dass es sich um ein Gemisch mit undefinierten Anteilen (z.B. länger-kettiger Moleküle) handelt, welche bei der Verbrennung / im Betrieb ein ungünstiges Verhalten zeigen, wurde im weiteren Verlauf dahingehend ausgeräumt, dass das LOG erst noch raffiniert wird und dann auf die Hauptbestandteile Propan und Butan reduziert wird. Insofern waren beim Aufbau des externen Kraftstoffsystems keine Unwägbarkeiten vorhanden (Verwendung verfügbarer Komponenten) – im Unterschied zur motorinternen Gestaltung (Konstruktion).

5. Ergebnisse / Verwertung Abgesehen von der vorläufig nicht darstellbaren maximalen Leistung, ist die Motor-baureihe KKM-350 in der 1- und 2-Läufer-Version als (Flüssig-)Gasmotor einsetzbar. Bezüglich der möglichen Anwendungen ist im Unterschied zur ursprünglichen Intention bei Gründung des Verbundes folgendes zu beachten: Hinsichtlich der Versorgung mit dem Sonderbrennstoff LOG ist die derzeitige Situation unklar. Eine Verfügbarkeit gasförmiger Brennstoffe auf kleineren Flugplätzen für den „Freizeit“-Flieger ist nicht abzusehen und kurzfristig eher ungewiss. Dagegen ist die Versorgung mit Flüssiggas standardmäßig gewährleistet im Bereich Heizung und Straßenverkehr. Insofern kommen Anwendungen wie (Klein-)BHKW für Häuser und Wohnanlagen und Range-Extender für Elektrofahrzeuge als mögliche Märkte für den entwickelten Motor ohne Einschränkung zum Tragen. Bemühungen, in Kooperation mit einem Systemhersteller Klein-BHKWs als Komplettlösung auf derselben Basis zur Serien-/Marktreife zu bringen, wurden in die Wege geleitet. Voraussichtlicher Beginn dieser Aktivitäten Ende 1. Quartal 2016.

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Vorhabenspartner BBAA (Berlin-Brandenburg Aerospace Allianz e.V, Wildau): Koordination des Verbundvorhabens, insbesondere nach außen. BTU/VFA (Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg / Lehrstuhls Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe): Exemplarische Untersuchung möglicher aus Roh-LOG raffinierbarer Kraftstoff-varianten hinsichtlich der Verwendung in Verbrennungsmotoren. QPAC (QualityPark AviationCenter GmbH, Hamburg / Wildau): Entwicklung einer speziellen Lösung zur Speicherung des LOG-Brennstoffes im Luftfahrzeug. Unterstützung bei der Bereitstellung des Demonstrator-ULs. außerhalb des Verbundes:

Prof. Wernicke (Fläming-Air): Eigner des zur Verfügung gestellten Fluggeräts zum Demonstrationsaufbau (Integration) des Flugantriebs am Beispiel des VLA „Smaragd“ (Fläming-Air, Brandenburg).

Förderung Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde in den Jahren 2012 bis 2014 mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Europaangelegenheiten des Landes Brandenburg und der EU gefördert. (FKZ 80148453)

mit den beteigten Stellen/Organen:

ILB (Investitionsbank des Landes Brandenburg, Potsdam) ZAB (ZukunftsAgentur Brandenburg GmbH, Potsdam)