14 Externe wissenschaftliche Einrichtungen
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Item Open Access Balancing of intermittent renewable power generation by demand response and thermal energy storage(2015) Gils, Hans Christian; Thess, André (Prof. Dr. rer. nat.)Balancing of intermittent renewable power generation from wind and solar energy is one of the central challenges within the energy system transformation towards a more sustainable supply. This work addresses the potential role of flexible electric loads and power-controlled operation of combined heat and power (CHP) plants in meeting increasing balancing needs in Germany. It conducts an enhancement of the cross-sectoral REMix model, which is designed for the preparation and assessment of energy supply scenarios based on a system representation in high spatial and temporal resolution. The analysis is composed of three fundamental parts. The first part is dedicated to the quantification of theoretical potentials for demand response (DR), district heating (DH) and industrial CHP in Europe. Special attention is given to the geographic distribution of potentials, as well as the derivation of hourly heat and electricity demand profiles. In the second part, the linear optimization model within REMix is extended by DR and the heating sector, enabling economic assessments of the balancing function of flexible electric loads and power-controlled heat supply. In the third part, REMix is applied to assess the future energy supply in Germany, making use of the model enhancements and identified potentials. In order to account for different renewable energy (RE) and grid capacity development paths, as well as transport and heat sector structures, nine scenarios are considered. For each scenario, least-cost dimensioning and operation of DR capacities, as well as heat supply systems are evaluated. According to the REMix results, the application of DR is mostly limited to short time peak shaving of the residual load. This implies that its focus is on the provision of power, not energy. As a consequence of different cost structures, the exploitation of available DR potentials is attributed almost exclusively to industrial and commercial sector loads, whereas those in the residential sector are hardly accessed. The model results indicate that the temporal availability of DR potentials, as well as their characteristic intervention and shift times are particularly suited for a combination with PV power generation. In the simulations, power-controlled heat supply has proven to be an effective measure to increase RE integration. It is achieved by a modified operation pattern of CHP and - to a lower extent - heat pumps (HP) enabled by thermal energy storage (TES) on the one hand, and an utilization of surplus power for heating purposes on the other. Due to the greater potential and thus longer storage times of TES, as well as the comparatively low investment costs of electric boilers, an enhanced coupling between power and heat sector is found to be especially favorable in combination with wind power utilization. Load shifting across all sectors provides substantial amounts of positive balancing power, which can substitute other firm generation capacity. The highest load reduction is achieved by controlled electric vehicle charging, lower contributions come from adjusted HP operation and other DR. As a consequence of higher RE integration, load shifting and power-controlled heat supply can contribute substantially to CO2 emission reductions in Germany. However, this is only the case if the additional balancing potentials are not applied as well for an economically motivated shift in power generation from low-emitting to high-emitting fuels. Furthermore, load flexibility and enhanced power-heat-coupling can enable energy supply cost reductions, arising from the substitution of back-up power plant capacity on the one hand, and a more cost-efficient power and heat supply on the other. The model application reveals that electric load shifting and power-controlled CHP operation are not competing but complementary measures in the realization of higher RE integration and lower back-up capacity demand. Negative interferences between both balancing options are found to be very small. On the contrary, they even promote each other, for example in the reduction of RE curtailments. Based on the REMix results it can be concluded that both DR and power-controlled heat supply enabled by TES are important elements in a future German energy system mainly relying on renewable sources.Item Open Access Boundary layer response to combustion instabilities and associated heat transfer(2010) Panara, Daniele; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)The development of efficient and environmental sustainable combustion systems is critical in the nowadays economy. The efficiency of an energy cycle is proportional to the highest cycle temperature but unfortunately, due to the major mechanism of nitric oxide formation, there is a temperature trade off between improved cycle efficiency, material constraints and low emissions. This considerations have pushed combustion chamber technology towards lean premixed flames where the tendency is to reduce local temperature peaks making use of a well studied air management. Unfortunately this kind of innovative systems have shown to be prone to combustion instabilities and higher wall heat load. In the present work, making use of numerical simulations, the wall boundary layer response to combustion instabilities has been studied in order to asses the effect of flow pulsations on heat transfer. In Chapter 2 the status of the art of combustor simulation has been presented. A full scale burner has been simulated with a commercial CFD (Computational Fluid Dynamic) code. The results have shown that in such complex simulations and in the presence of combustion instabilities, the correct predictions of wall heat load rely not only on the correct modeling of air-fuel turbulent mixing, chemical reactions and heat radiation, but also depend strongly on the near wall turbulence treatment and on the correct solution of the conjugate solid-fluid heat transfer problem at the wall (which details are discussed in Chapter 3). The main interest of the work is however the study of the near wall turbulence and the associated heat transfer in the presence of flow unsteadiness. In Chapter 4 the fundamental equations for the solution of the thermo-Fluid dynamic problem in turbulent unsteady flows have been introduced. Moreover, in Chapter 5 some unsteady analytical solutions in simple channel and pipe configurations as well as turbulent channel and pipe flow heat transfer and viscous loss correlations have been presented. In Chapter 6 and 7, making use of simplified but well defined academic test cases, the accuracy of different turbulence models for the prediction of the wall heat transfer response in presence of thermo-acoustic instabilities has been discussed. The results have shown the clear limitation of the use of wall functions both in URANS and LES applications and discrepancies with some experimental results. The most interesting results are however presented In Chapter 8 where the turbulent near wall structures and the associated heat transfer were in detail investigated by means of pulsating channel flow DNS (Direct Numerical Simulation) simulations. The response of the turbulent kinetic energy (k) and fluctuating temperature variance (k_theta) as well as their dissipation rates (epsilon and epsilon_theta) were reported at different flow pulsations and amplitudes. In order to highlight the most critical (for the turbulence models) flow conditions, the pulsation amplitudes and frequencies were chosen so to span different pulsating flow regimes. The DNS results have shown very complex turbulence unbalance phenomena depending on the flow pulsation and amplitude. Each term on the budget equation of k, k_theta and epsilon_theta have shown different answer to pulsation frequency and amplitude. The mean and phase locked averaged turbulent Prandtl number seems to be affected by flow pulsation as well as the unsteady heat transfer. The pulsation frequency increase determines an unsteady heat transfer amplitude decrease. The flow pulsation amplitude seems to affect the overall mean heat transfer value increasing up to two times its steady value with the increasing of pulsation amplitude. The present DNS database represents a highly valuable and unique work which can serve as a reference for the development of innovative unsteady turbulent heat transfer models. Finally, in Chapter 9, starting from the DNS data, a new turbulent heat transfer closure has been proposed. The new model was capable, in all the flow condition studied, to correctly predict the unsteady heat transfer mean value and pulsating amplitude showing the added value of the present DNS database for the understanding of the near wall turbulence behavior and the associated heat transfer in presence of flow unsteadiness.Item Open Access Enhancement of the REMix energy system model : global renewable energy potentials, optimized power plant siting and scenario validation(2014) Stetter, Daniel; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr.-Ing. habil. DEng/Auckland)As electricity generation based on volatile renewable resources is subject to fluctuations, data with high temporal and spatial resolution on their availability is indispensable for integrating large shares of renewable capacities into energy infrastructures. The scope of the present doctoral thesis is to enhance the existing energy modelling environment REMix in terms of (i.) extending the geographic coverage of the potential assessment tool REMix-EnDaT from a European to a global scale, (ii.) adding a new plant siting optimization module REMix-PlaSMo, capable of assessing siting effects of renewable power plants on the portfolio output and (iii.) adding a new alternating current power transmission model between 30 European countries and CSP electricity imports from power plants located in North Africa and the Middle East via high voltage direct current links into the module REMix-OptiMo. With respect to the global potential assessment tool, a thorough investigation is carried out creating an hourly global inventory of the theoretical potentials of the major renewable resources solar irradiance, wind speed and river discharge at a spatial resolution of 0.45°x0.45°. A detailed global land use analysis determines eligible sites for the installation of renewable power plants. Detailed power plant models for PV, CSP, wind and hydro power allow for the assessment of power output, cost per kWh and respective full load hours taking into account the theoretical potentials, technological as well as economic data. The so-obtined tool REMix-EnDaT can be used as follows: First, as an assessment tool for arbitrary geographic locations, countries or world regions, deriving either site-specific or aggregated installable capacities, cost as well as full load hour potentials. Second, as a tool providing input data such as installable capacities and hourly renewable electricity generation for further assessments using the modules REMix-PlasMo and OptiMo. The plant siting tool REMix-PlaSMo yields results as to where the volatile power technologies photovoltaics and wind are to be located within a country in order to gain distinct effects on their aggregated power output. Three different modes are implemented: (a.) Optimized plant siting in order to obtain the cheapest generation cost, (b.) a minimization of the photovoltaic and wind portfolio output variance and (c.) a minimization of the residual load variance. The third fundamental addition to the REMix model is the amendment of the module REMix-OptiMo with a new power transmission model based on the DC load flow approximation. Moreover, electricity imports originating from concentrating solar power plants located in North Africa and the Middle East are now feasible. All of the new capabilities and extensions of REMix are employed in three case studies: In case study 1, using the module REMix-EnDaT, a global potential assessment is carried out for 10 OECD world regions, deriving installable capacities, cost and full load hours for PV, CSP, wind and hydro power. According to the latter, photovoltaics will represent the cheapest technology in 2050, an average of 1634 full load hours could lead to an electricity generation potential of some 5500 PWh. Although CSP also taps solar irradiance, restrictions in terms of suitable sites for erecting power plants are more severe. For that reason, the maximum potential amounts to some 1500 PWh. However, thermal energy storage can be used, which, according to this assessment, could lead to 5400 hours of full load operation. Onshore wind power could tap a potential of 717 PWh by 2050 with an average of 2200 full load hours while offshore, wind power plants could achieve a total power generation of 224 PWh with an average of 3000 full load hours. The electricity generation potential of hydro power exceeds 3 PWh, 4600 full load hours of operation are reached on average. In case study 2, using the module REMix-PlaSMo, an assessment for Morocco is carried out as to determine limits of volatile power generation in portfolios approaching full supply based on renewable power. The volatile generation technologies are strategically sited at specific locations to take advantage of available resources conditions. It could be shown that the cost optimal share of volatile power generation without considering storage or transmission grid extensions is one third. Moreover, the average power generation cost using a portfolio consisting of PV, CSP, wind and hydro power can be stabilized at about 10 €ct/kWh by the year 2050. In case study 3, using the module REMix-OptiMo, a validation of a TRANS-CSP scenario based upon high shares of renewable power generation is carried out. The optimization is conducted on an hourly basis using a least cost approach, thereby investigating if and how demand is met during each hour of the investigated year. It could be shown, that the assumed load can safely be met in all countries for each hour using the scenario's power plant portfolio. Furthermore, it was proven that dispatchable renewable power generation, in particular CSP imports to Europe, have a system stabilizing effect. Using the suggested concept, the utilization of the transfer capacities between countries would decrease until 2050.Item Open Access Entwicklung eines Szenariomodells zur Simulation der zukünftigen Marktanteile und CO2-Emissionen von Kraftfahrzeugen (VECTOR21)(2010) Mock, Peter; Friedrich, Horst E. (Prof. Dr.)Es wird ein Computermodell entwickelt, welches die Berechnung von Szenarien für die zukünftige Entwicklung des Kraftfahrzeugmarkts in Abhängigkeit einer Vielzahl von Einflussfaktoren ermöglicht. Der Schwerpunkt der Betrachtungen liegt hierbei auf Marktanteilen verschiedener Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffe sowie der damit verbundenen Kohlendioxid-(CO2)-Emissionen im Zeitraum 2009 bis 2030 für den Markt von Personenkraftwagen in Deutschland. Grundlage für die Szenariobetrachtungen ist eine umfangreiche Fahrzeug- und Technologiedatenbank. Das entwickelte Computermodell (VECTOR21) simuliert den Entscheidungsablauf von Kunden beim Neufahrzeugkauf und somit die Diffusion von Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffen in den Fahrzeugmarkt. Als wesentliche Grundlage für den Entscheidungsprozess werden die Relevant Cost of Ownership identifiziert. Das Verhalten der Gruppe der Fahrzeugproduzenten wird über die Berücksichtigung von Lernkurven und variablen Margensätzen für die Entwicklung von Produktionskosten und Verkaufspreisen nachgebildet. Der Einfluss bestehender sowie zukünftig denkbarer Steuerinstrumente, beispielsweise CO2-Flottenzielwerte und Strafzahlungen, sowie die Entwicklung von Rohstoffpreisen werden ebenfalls berücksichtigt.Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Verfahren für den quantitativen Nachweis von Stickoxid und die Bestimmung der Temperatur in Hochdruckflammen(2004) Dillmann, Martin Th.; Just, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit beruht auf experimentellen Untersuchungen zur kohärenten Beugung an optisch induzierten Gitterstrukturen für den laserspektroskopischen Einsatz zur Messung der Minoritätsspezies Stickoxid (NO) in technischen Verbrennungssystemen. Das kohärente Verfahren der Laser-induzierten Gitterspektroskopie (LIGS: laser-induced grating spectroscopy) wurde für den Einsatz zur lokalen Messung der Konzentration von NO und die Bestimmung von lokalen Temperaturen in Flammen bei Normal- und Hochdruck geprüft. Dazu wurde die Beugungsstrahlung erster Ordnung an laserinduzierten Gitterstrukturen im ultravioletten Spektralbereich der NO-A-X(0-0)-Bande untersucht. Bei der physikalischen Beschreibung der laser-induzierten Gitter werden zwei Phasen, Besetzungsgitter und thermische Gitter, unterschieden. Im Experiment wurde vorwiegend die entartete Vierwellenmischung (DFWM: degenerate four-wave mixing), ein monochromatisch kohärenter Vierphotonenprozess angewendet. Die Versuchsanordnung wurde in den meisten Fällen so aufgebaut, dass das detektierte Signal allein durch die Populationsgitterbeiträge bestimmt wurde. Die experimentell erhaltenen Spektren wurden mit berechneten Spektren verglichen. Mittels eines am Institut entwickelten Rechenverfahrens wurden relevante Prozessparameter wie die Temperatur T wurden so lange variiert, bis eine möglichst optimale Übereinstimmung zwischen experimentellem und berechnetem Spektrum erhalten wurde. Zur Kontrolle wurden simultan in der Laborflamme laserinduzierte Fluoreszenzspektren von NO (LIF: Laser-induced fluorescence) gemessen und mit einem etablierten computergestützten Auswerteverfahren analysiert. Die Interpretation eines DFWM-Spektrums wird erschwert durch die Abhängigkeit des erhaltenen Messwertes T von der eingestrahlten Laserintensität. Für eine gute Qualität der Spektren ist die Bereitstellung von Laserintensitäten, die zur Sättigung der angeregten NO-Niveaus im Anregungsgitter führen, eine wesentliche Voraussetzung. Die präzise quantitative Auswertung der gemessenen Spektren erfordert daher zusätzlich eine möglichst genaue Kenntnis des zugrundeliegenden Sättigungsgrades der angeregten Rotationsvibrations-Zustände der NO-Moleküle im Populationsgitter. Mit einem speziell entwickeltem Rechenverfahren wird der dem gemessenen Spektrum zugrundeliegende Sättigungsgrad mit einer Genauigkeit von etwa 10% ermittelt. Erstmals wurden unter Berücksichtigung des Sättigungsgrades im Populationsgitter Temperaturen im Abgas von Flammen anhand von NO-DFWM-Spektren bestimmt. Zudem wurden auch Untersuchungen zur Nachweisempfindlichkeit der entarteten Vierwellenmischung für Stickoxid sowie Messungen zur Bestimmung der NO-Konzentration in der Abgaszone der Flammen durchgeführt. Bei der Messanordnung, die den Einfluss thermischer Gitter unterbindet, zeichnet sich LIF bei Konzentrationsbestimmungen durch eine um mehr als eine Größenordnung höhere NO-Sensitivität aus. Sowohl für die Thermometrie als auch für die Konzentrationsbestimmung von NO erweist sich die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie als überwiegend vorteilhaft für den Einsatz in Hochdruckflammen gegenüber der auf Populationsgitter beruhenden DFWM-Technik. Dies ist im wesentlichen auf den rapiden Abfall des Besetzungsgittersignals bei steigendem Druck zurückzuführen. Prinzipiell sind kohärente Verfahren wie LIGS (DFWM) gegenüber LIF für die Anwendung in technischen Systemen überlegen, weil der erzeugte Signalstrahl ebenfalls Laserstrahl-Charakter hat und damit die erforderlichen Fenster für den optischen Zugang zum Brennraum klein bleiben können. Die Druckabhängigkeit des LIGS-Signals ist bei thermischen Gittern deutlich geringer als bei Populationsgittern. Bei paralleler Polarisation gewinnen thermische Gitter im Hochdruckbereich an Dominanz. Erstmalige Untersuchungen am OH-Radikal und Interpretationen des transienten Verhaltens thermischer Gitter im Abgas einer Hochdruckflamme durch eine englische Gruppe weisen auf ein hohes Potenzial des Beugungssignals thermischer Gitter für die Hochdruckverbrennungsdiagnostik hin. Die Auswertungen experimenteller Spektren der Beugungsstrahlung an thermischen Gittern basierend auf dem OH-Radikal sowie ein Vergleich der spektroskopischen und verbrennungsspezifischen Daten von OH und NO lassen auf die Eignung von LIGS für den Einsatz zur quantitativen Messung von Stickoxid in Hochdruckflammen schließen.Item Open Access Entwicklung und Charakterisierung von anodenseitigen Diffusionsbarriereschichten für metallgetragene oxidkeramische Festelektrolyt-Brennstoffzellen(2009) Franco, Thomas; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Die Langzeitbeständigkeit einer metallgetragenen SOFC (MSC, „Metall Supported Cell“) wird insbesondere durch thermisch aktivierte Diffusionsprozesse, wie z.B. der anodenseitigen Interdiffusion von Fe, Cr und Ni, limitiert. Während des MSC-Betriebs steht die Nickelphase der Ni/ZrO2-Anode bauartbedingt in di-rektem Kontakt mit der FeCr-Matrix des metallischen Trägersubstrates. Dadurch kann ein di-rekter Stofftransport von Ni aus der Anode in das FeCr-Substrat und vice versa von Fe bzw. Cr aus dem Substrat in die Ni-Matrix der Anode stattfinden. Die damit einhergehenden Gefü-geumwandlungen können zur beschleunigten Zelldegradation bis hin zum völligen Zellversagen führen. Dieser Prozess gilt derzeit als einer der hauptsächlichen Schädigungsmechanis-men bei der metallgetragenen SOFC, den es im Sinne eines angestrebten langzeitstabilen SOFC-Betriebs zu minimieren gilt. Die Integration einer oxidkeramischen Trennschicht, als Diffusionsbarriere (DBL) an der Grenzfläche „Substrat-Anode“, stellt für diesen Zweck nicht nur einen naheliegenden, sondern auch sehr aussichtsreichen Lösungsansatz dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ausgehend von den hohen Anforderungen, die an eine zusätzliche Diffusionsbarriereschicht im SOFC-Betrieb gestellt werden, systemati-sche SOFC-relevante Untersuchungen zur Qualifizierung geeigneter Materialien durchge-führt. Betrachtet wurden dabei insbesondere unterschiedlich dotierte Perowskite auf Basis von LaCrO3, die mit Hilfe des „Atmosphärischen Plasmaspritzens (APS)“ auf dem metallischen Trägersubstrat appliziert werden können. Durch gezielte Schichtentwicklung mit einigen qua-lifizierten Materialien konnten im Ergebnis plasmagespritzte Barriereschichten entwickelt werden, deren Tauglichkeit im Langzeitbetrieb einer MSC erfolgreich demonstriert werden konnte.Item Open Access Fernübertragung regelbarer Solarenergie von Nordafrika nach Mitteleuropa(2013) Hess, DenisDie Forschungsergebnisse regelbarer Solarstromimporte zeigen ein wissenschaftliches Bild, welches Menschen auf kommunaler Ebene in vier Nationen mit Hilfe von erneuerbaren Energien verbinden kann. Die rein wissenschaftliche Modellstudie umfasst die integrale Betrachtung eines regelbaren Solarstromtransfers von Marokko nach Baden-Württemberg. Hierbei wird eine Analyse von gesellschaftlichen, technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten dargestellt. Es wird gezeigt welche politischen Rahmenbedingungen gelten. Anhand des Beispiels Baden-Württembergs wird der Strombedarf aus erneuerbaren Energien mit bis zu 95% analysiert. Als Importmöglichkeit von gut regelbaren erneuerbaren Energien als ideale Ergänzung zu den heimischen fluktuierenden Energien bietet sich elektrischer Strom aus solaren Dampfkraftwerken in Nordafrika an. Für die Fernübertragung wird eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung verwendet, welche verlustarm und kosteneffizient den Strom transportiert. Eine Kostenrechnung stellt die Gesamtkosten von 11,7 €Cent/kWh und die potentielle Ersparnis von bis zu 3,8 Mrd. € gegenüber regelbaren fossilen Energien da. Für die Umsetzung werden Bürgerbeteiligungskonzepte erläutert und Strategien für die Finanzierung gezeigt. Eine internationale genossenschaftliche Projektstruktur soll den Rahmen für eine Umsetzung als Bürgerprojekt mit demokratischer Legitimation auf kommunaler Ebene sichern. Dauerhaft Betroffene werden so zu dauerhaft Beteiligten und ggf. sogar zu Initiatoren des Projekts. Hierdurch entsteht eine Partnerschaft mehrerer Nationen auf kommunaler Ebene, die durch politische Arbeit auf Regierungsebene unterstützt werden kann.Item Open Access Impact of COVID-19 on electricity demand : deriving minimum states of system health for studies on resilience(2021) Manjunath, Smruti; Yeligeti, Madhura; Fyta, Maria; Haas, Jannik; Gils, Hans-ChristianTo assess the resilience of energy systems, i.e., the ability to recover after an unexpected shock, the system’s minimum state of service is a key input. Quantitative descriptions of such states are inherently elusive. The measures adopted by governments to contain COVID-19 have provided empirical data, which may serve as a proxy for such states of minimum service. Here, we systematize the impact of the adopted COVID-19 measures on the electricity demand. We classify the measures into three phases of increasing stringency, ranging from working from home to soft and full lockdowns, for four major electricity consuming countries of Europe. We use readily accessible data from the European Network of Transmission System Operators for Electricity as a basis. For each country and phase, we derive representative daily load profiles with hourly resolution obtained by k-medoids clustering. The analysis could unravel the influence of the different measures to the energy consumption and the differences among the four countries. It is observed that the daily peak load is considerably flattened and the total electricity consumption decreases by up to 30% under the circumstances brought about by the COVID-19 restrictions. These demand profiles are useful for the energy planning community, especially when designing future electricity systems with a focus on system resilience and a more digitalised society in terms of working from home.Item Open Access Integrated multidimensional sustainability assessment of energy system transformation pathways(2021) Naegler, Tobias; Becker, Lisa; Buchgeister, Jens; Hauser, Wolfgang; Hottenroth, Heidi; Junne, Tobias; Lehr, Ulrike; Scheel, Oliver; Schmidt-Scheele, Ricarda; Simon, Sonja; Sutardhio, Claudia; Tietze, Ingela; Ulrich, Philip; Viere, Tobias; Weidlich, AnkeSustainable development embraces a broad spectrum of social, economic and ecological aspects. Thus, a sustainable transformation process of energy systems is inevitably multidimensional and needs to go beyond climate impact and cost considerations. An approach for an integrated and interdisciplinary sustainability assessment of energy system transformation pathways is presented here. It first integrates energy system modeling with a multidimensional impact assessment that focuses on life cycle-based environmental and macroeconomic impacts. Then, stakeholders’ preferences with respect to defined sustainability indicators are inquired, which are finally integrated into a comparative scenario evaluation through a multi-criteria decision analysis (MCDA), all in one consistent assessment framework. As an illustrative example, this holistic approach is applied to the sustainability assessment of ten different transformation strategies for Germany. Applying multi-criteria decision analysis reveals that both ambitious (80%) and highly ambitious (95%) carbon reduction scenarios can achieve top sustainability ranks, depending on the underlying energy transformation pathways and respective scores in other sustainability dimensions. Furthermore, this research highlights an increasingly dominant contribution of energy systems’ upstream chains on total environmental impacts, reveals rather small differences in macroeconomic effects between different scenarios and identifies the transition among societal segments and climate impact minimization as the most important stakeholder preferences.Item Open Access Investigation of the long‐term stability of solid oxide electrolysis stacks under pressurized conditions in exothermic steam and co‐electrolysis mode(2020) Riedel, Marc; Heddrich, Marc P.; Friedrich, K. AndreasIn this study three identically constructed ten‐layer stacks with electrolyte supported cells were tested in exothermic steam and co‐electrolysis mode at elevated pressures of 1.4 and 8 bar. Investigations during constant‐current operation at a current density of -0.5 A cm-2 and a reactant conversion of 70% over 1,000-2,000 h were carried out. The inlet gas composition for steam electrolysis was 90/10 (H2O/H2) and 63.7/31.3/3.3/1.7 (H2O/CO2/H2/CO) for co‐electrolysis operation. All stacks showed highly similar resistances at the beginning of the tests indicating a high level of accuracy and repeatability during manufacturing. The stack operated in steam electrolysis mode at 1.4 bar showed comparably low degradation of 8 mV kh-1 cell-1, whereas the stack operated at 8 bar showed an approximately four times higher degradation. The third stack was operated in co‐electrolysis mode at 1.4 and 8 bar and showed noticeably higher degradation rates than during steam electrolysis mode. The predominant increase of the ohmic resistance during operation was identified to be mainly responsible for the observed degradation of all three stacks, whereas the increase of the polarization resistances played a subordinate role. Within the post‐test analysis, noticeably high nickel depletion was observed for the stack operated at the highest pressure in steam electrolysis mode. Furthermore, partial delamination of electrodes was observed. The degradation is discussed with relation to phenomena and experimental parameters during operation.Item Open Access Kinetische Untersuchungen zur Hochtemperaturpyrolyse und -oxidation von Cyclopentadien und Cyclopentadienyl mit Hilfe der Stosswellentechnik(1999) Roy, Karin; Just, Thomas (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurde die Pyrolyse und die Oxidation von Cyclopentadien sowie die Pyrolyse des Cyclopentadienyl-Radikals bei hohen Temperaturen untersucht. Diese C5-Spezies sind Zwischenprodukte beim Abbau von Aromaten und bei der Bildung von Rußpartikeln. Im Rahmen der Arbeit wurden Stoßwellenexperimente bei Temperaturen von 1100 K bis 1600 K und Drücken von 0.7 bar bis 6 bar durchgeführt. Wasserstoff-, Iod- und Sauerstoffatome sowie Kohlenmonoxidmoleküle wurden mit der UV-Absorptionsspektroskopie detektiert. Die Reaktionen wurden in Gasmischungen, verdünnt mit Argon, durchgeführt und über einen Zeitraum von ca. 1 ms beobachtet. Mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen konnten komplexe Reaktionsmechanismen auf wenige wichtige Reaktionspfade reduziert und Geschwindigkeitskoeffizienten der Elementarreaktionen bestimmt werden. Der Geschwindigkeitskoeffizient für den Zerfall von Cyclopentadien in ein Cyclopentadienyl-Radikal und ein Wasserstoffatom wurde bestimmt. Mittels der Fall-off-Analyse wurde der Hochdruckgeschwindigkeitskoeffizient für diese Reaktion berechnet und die Bildungsenthalpie des Cyclopentadienyl-Radikals abgeleitet. Aus der Reaktion von Cyclopentadien mit Wasserstoffatomen wurden die Geschwindigkeitskoeffizienten für zwei parallel verlaufende Reaktionskanäle ermittelt. Für die Untersuchung des Zerfalls des Cyclopentadienyl-Radikals sowie dessen Reaktion mit Wasserstoffatomen wurde Iodcyclopentadien als Radikalvorläufermolekül eingesetzt. Es wird erläutert, welche Rolle die Cyclopentadienylrekombination bei der Bildung von Naphthalin spielt. Die Oxidation von Cyclopentadien wurde mit molekularem Sauerstoff mit variierenden Sauerstoffanteilen untersucht. Zur Modellierung der gemessenen Absorptionsprofile von H- und O-Atomen und CO-Molekülen bei der Pyrolyse und Oxidation des C5-Systems wurde ein Reaktionsmechanismus entwickelt.Item Open Access Marktpotentiale elektrifizierter Fahrzeugkonzepte unter Berücksichtigung von technischen, politischen und ökonomischen Randbedingungen(2016) Propfe, Bernd; Friedrich, Horst E. (Prof. Dr.-Ing.)Die deutsche Bundesregierung hat das Ziel ausgegeben, bis zum Jahr 2020 einen Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen in der deutschen Fahrzeugflotte zu erreichen. Bis zum Jahr 2030 soll der Bestand bis auf sechs Millionen Elektrofahrzeuge ansteigen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit das Marktpotential elektrifizierter Fahrzeugkonzepte quantifiziert. Darüber hinaus werden kritische technische, politische und ökonomische Einflussfaktoren identifiziert, welche den Markterfolg von Elektrofahrzeugen maßgeblich beeinflussen können. Hierbei werden die Berechnungen für den deutschen PKW-Markt im Zeithorizont bis zum Jahr 2040 durchgeführt. Um die Szenariorechnungen auf einer fundierten Datenbasis aufzubauen, werden zudem neue Berechnungsmodelle entwickelt, welche die notwendigen Eingangsdaten für die Simulationen liefern. Hierzu gehören neben einem Ladeinfrastrukturmodell Kostenmodelle für Traktionsbatterien und E-Maschinen sowie für Instandhaltungskosten und Wiederverkaufserlöse elektrifizierter Fahrzeugkonzepte. Das neu entwickelte Ladeinfrastrukturmodell ermöglicht die Bewertung der Wechselbeziehung der Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur und der Darstellbarkeit deutscher Fahrprofile durch Batteriefahrzeuge. In den Szenariorechnungen kann gezeigt werden, dass aus technischer Sicht der Aufbau von Ladeinfrastruktur wichtiger ist, als die Steigerung der realen elektrischen Reichweiten von Batteriefahrzeugen über 150 km hinaus. Mit Hilfe der neu entwickelten Modelle zur Berechnung der Produktionskosten von Traktionsbatterien und Elektromaschinen kann neben der Quantifizierung des Einflusses von Rohstoffpreisen sowie des Einflusses unterschiedlicher Zellchemien bzw. Aufbauarten gezeigt werden, welche Kostenentwicklungen in Abhängigkeit der kumulierten Produktionsmengen zu erwarten sind. So lassen sich für eine beispielhafte Lithium-Ionen-Batteriekonfiguration langfristige Produktionskosten für die gesamte Traktionsbatterie von 180 €/kWh ableiten. Für die gewählte beispielhafte permanenterregte Synchronmaschine werden minimale Kosten von 8 €/kW berechnet. Die Ergebnisse des neu entwickelten Instandhaltungskostenmodells zeigen, dass die Kosten pro gefahrenem Kilometer deutlich in Abhängigkeit des Antriebsstrangs variieren, wobei alle betrachteten elektrifizierten Fahrzeugkonzepte geringere Instandhaltungskosten aufweisen als konventionell angetriebene Fahrzeuge. So fallen die Instandhaltungskosten für ein exemplarisches Batteriefahrzeug 30% niedriger aus, als die des vergleichbaren konventionell angetriebenen Fahrzeugs. Die auf Basis der vorangegangenen Ergebnisse durchgeführte Simulation des Marktpotentials elektrifizierter Fahrzeuge zeigt auf, dass die klassische Zweiteilung des deutschen Neufahrzeugmarktes, bestehend aus Benzin- und Dieselfahrzeugen, einem Portfolio unterschiedlicher, elektrifizierter Triebstränge weichen kann. Das Simulationsergebnis zeigt, dass hybride Triebstränge eine Übergangstechnologie hin zu höheren Elektrifizierungsgraden darstellen, sodass im Ausgangsszenario der Anteil rein-elektrisch angetriebener Fahrzeuge bis zum Jahr 2040 auf 39% steigt. Abschließend werden mit Hilfe von 80 technischen, politischen und ökonomischen Sensitivitätsrechnungen sechs kritische Einflussfaktoren abgeleitet. Hierbei handelt es sich um die Kostenentwicklung von Traktionsbatterien und Elektromaschinen, die Höhe der CO2-Grenzwerte für Neufahrzeuge, die Einführung einer Fahrstromsteuer, die Ölpreisentwicklung sowie im kurzfristigen Zeithorizont um die Einführung staatlicher Subventionszahlungen. In den Simulationsrechnungen wird deutlich, dass das Millionenziel der Bundesregierung erreichbar erscheint und dass das avisierte Ziel von sechs Millionen Elektrofahrzeugen sogar übertroffen werden kann.Item Open Access Microscopic spatio-temporal dynamics of semiconductor quantum well lasers and amplifiers(2007) Böhringer, Klaus; Hess, Ortwin (Prof. Dr.)This work discusses light-matter interaction and optical nonlinearities in semiconductor nanostructures and presents a detailed numerical analysis of the spatio-temporal dynamics in novel high-power diode lasers. We derive a microscopic, spatially resolved model that combines a density matrix approach to the carrier and gain dynamics in semiconductor quantum well gain media with the macroscopic Maxwell equations for the electromagnetic field dynamics. We present Maxwell semiconductor Bloch equations in full time-domain that cover many-body interactions, a diversity of time scales and gain saturation mechanisms, and comprise the fast-oscillating carrier wave and a sub-wavelength spatial resolution. Our work focuses on ultrafast carrier effects, a quantitative understanding of optical nonlinearities, the engineering of the mode structure in microcavities, and their impact on the laser emission characteristics. Optical dephasing and carrier relaxation due to the screened Coulomb interaction and scattering with phonons are explored in detail. This work aims to improve the quantitative understanding of lasing systems of technological or fundamental relevance by performing numerical experiments: Within the framework of the paraxial wave approximation, we study the excitation of multiple transverse modes, multi-mode dynamics and the occurrence of unstable optical filaments in broad area edge-emitting lasers. We analyse vertical cavity surface-emitting laser devices with a periodically structured defect as an example of a photonic band edge band gap laser. In particular, we explore the utilisation of photonic crystal structures: gain enhancement for band edge modes and the reduction of optical losses. The complex interplay between the intracavity optical field and quantum well gain dynamics is investigated for realistic optically pumped external cavity surface-emitting laser structures. We also consider the interaction of high-intensity femtosecond and picosecond pulses with semiconductor optical amplifiers and absorbers. We identify the microscopic origin of the fast nonlinearities, obtain nonlinear gain coefficients and recovery rates, and analyse the nonlinear pulse reshaping, i.e. changes and asymmetries in the amplified pulse shape and spectrum. Built upon efficient numerical algorithms and the increased availability of inexpensive high-performance computing resources, our microscopic time-domain approach is well suitable for the engineering and design optimisation of modern nanostructured high-power diode lasers.Item Open Access Modellierung der Turbulenz-Chemie-Interaktion in technischen Brennkammern(2000) Theisen, Peter; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Modellierung von turbulenten Strömungen mit chemischer Reaktion in praxisnahen Brennkammern stellt nach wie vor hohe Ansprüche an heutige Rechnersysteme. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur sinnvollen Vereinfachung der bestehenden Modelle und zeigt Wege auf, adäquate Ergebnisse in vertretbaren Rechenzeiten zu erreichen. Hierfür werden Ergebnisse zeitlich aufgelöster Messungen an Hand numerischer Methoden analysiert. Die Messergebnisse liefern die Wahrscheinlichkeiten, mit der die verschiedenen Kombinationen der Einflussparameter auf die chemische Reaktion auftreten. Diese Größen, die normalerweise vom Strömungslöser bereitgestellt werden, sind hier die Grundlage für den Vergleich verschiedener Modellierungsmethoden für die Bestimmung der mittleren chemischen Quellterme. Insbesondere werden verschiedene Ansätze für die Modellierung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Einflussparameter auf die chemische Reaktion mit den gemessenen Schwankungen verglichen. Aus dem Vergleich der Ergebnisse ergeben sich Kriterien, in welchen Fällen vereinfachte Modelle zur Verringerung der Rechenzeit Anwendung finden können, ohne Einbußen in der Qualität der Ergebnisse hinnehmen zu müssen. Um die Vielzahl von möglichen Berechnungsmethoden flexibel einsetzen zu können, wurde eine Programm-Struktur entwickelt, die das modulare Hinzufügen neuer Modelle zulässt. Durch die neue Programm-Struktur kann das entsprechende Chemiemodell während der Berechnung in Abhängigkeit der lokal herrschenden thermodynamischen Zustände frei gewählt werden. Zur weiteren Effizienzsteigerung wurde ein n-dimensionales Tabellensystem entwickelt, welches sich nach Angabe der geforderten Genauigkeit in Punkto Zugriffszeit und Speicherplatzbedarf automatisch optimiert. Das entstandene Programmsystem zur Bereitstellung der mittleren chemischen Quellen kommt an einem praxisnahen Methan-gefeuerten Drallbrenner zur Anwendung.Item Open Access A new approach to establish tactility in minimally invasive robotic surgery : development, design, and first evaluation of a haptic-tactile feedback system for improved localization of arteries during surgery such as closed-chest revascularization(2010) Kübler, Bernhard; Nagel, Joachim H. (Prof. Dr. rer. nat.)In der konventionellen robotergestützten, minimal invasiven Chirurgie (MIC) besteht eine vollständige mechanische Entkopplung zwischen Chirurg und Patient. Die Entwicklung kinästhetischer Rückkopplungssysteme ist fortgeschritten, die Rückkopplung taktiler Eindrücke ist jedoch nach wie vor problematisch. Es wurden viele Versuche unternommen, vollständige teletaktile Eindrücke zu vermitteln, die jedoch aus unterschiedlichen Gründen scheiterten. Als hauptsächlicher Grund hierfür ist anzusehen, dass die Ausgabeschnittstelle üblicherweise ein eigenständiges Gerät ist, was die gleichzeitige Wahrnehmung von Eindrücken und Steuerung des Instruments erschwert. Die menschliche Wahrnehmung taktiler Eindrücke beruht weitgehend auf dem Betasten des Objekts mit Bewegen des "Sensors", was mit zwei verschiedenen Geräten schwer nachzubilden ist. Außerdem war die Interpretation des rückgekoppelten Signals nicht eindeutig und intuitiv genug. Eine der größten Schwierigkeiten in der (robotergestützten) minimal invasiven Chirurgie ist die große, durch die fehlende taktile Rückkopplung begründete Gefahr einer unbeabsichtigten Arterienverletzung mit der Folge schwer kontrollierbarer Blutungen. In der offenen Chirurgie kann Gewebe betastet werden, und ein Pulsieren deutet auf eine im Gewebe liegende Arterie hin. Eine Substitution des Tastsinns wäre aber auch aus anderen Gründen wünschenswert. So können in der offenen Herzchirurgie die präoperativ geplanten Anastomosestellen durch Betasten aufgefunden werden. Stehen jedoch nur optische Untersuchungsmethoden zur Verfügung, kann ein sehr zeitaufwendiges Freipräparieren der Arterien notwendig werden, um die präoperativ geplanten Anastomosestellen aufzufinden. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Lösung bietet keine umfassende taktile Rückkopplung, sondern konzentriert sich auf das ultraschallgestützte, quasi taktile Lokalisieren besonderer Strukturen unter verdeckendem Gewebe. Mit den erfassten Daten erfolgt eine Modalitätssubstitution, dem Nutzer werden intuitive haptische bzw. Mehrkanalinformationen zurückgegeben. Um die Doppler-Frequenzverschiebung des in den betreffenden Arterien fließenden Blutes zu erkennen, wird ein Ultraschalltransducer verwendet, der in ein minimal invasives Instrument integriert ist. Die gemessenen Signale werden analysiert und an ein haptisches Eingabegerät weitergeleitet, mit dem die Erkennung und die Eigenschaften der verdeckten Gefäße intuitiv erfassbar dargestellt werden. Erste Versuche zeigten, dass ein leichtes Zucken des Eingabegerätes in Verbindung mit dem typischen Doppler-Geräusch das direkte Betasten sehr zuverlässig und intuitiv ersetzen. Weiterführende Untersuchungen, die die Verlässlichkeit bestätigen und zu einem tieferen Verständnis dieser Ergebnisse führen sollen, stehen noch aus. Es ist sehr fraglich, ob eine vollständige Rückkopplung aller möglichen taktilen Eindrücke in der robotergestützten MIC erstrebenswert ist – der medizinische Nutzen scheint die Anstrengungen und Kosten nicht zu rechtfertigen. Deshalb verspricht, wie in dieser Arbeit, der Ersatz nur von Teilen der Taktilität, der mit der menschlichen Wahrnehmung vergleichbar ist, eine bessere Lösung zu sein. Im Gegensatz zu in der Literatur beschriebenen Realisierungen, die sich im praktischen Einsatz nicht durchgesetzt haben, hat das hier beschriebene System erste Tests bestanden und seine überlegene Leistungsfähigkeit bewiesen. Ein Patent hierzu wurde bereits erteilt.Item Open Access Numerical modeling of ignition processes in single- and multiphase flows(2014) Boyde, Jan Michael; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing. )In this work a combustion model is developed and presented which is applicable to a wide range of conditions through modifications to the Turbulent Flame Speed Closure model. The model predictions show that for all examined test cases including single- and multiphase conditions, a satisfying agreement with available experimental data is achieved. This underlines the usefulness of numerical tools for the investigation of ignition processes in the context of aircraft engines.Item Open Access Numerical simulations and experimental investigations on quasi-static and cyclic mixed mode delamination of multidirectional CFRP laminates(2011) Naghipour, Parya; Voggenreiter, Heinz (Prof. Dr.-Ing)The structural applications of Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP) composites are gradually expanding in aerospace industry as a result of their outstanding mechanical properties such as high stiffness to weight ratio and fatigue resistance. With the increasing application, the need for understanding their mechanical behaviour and failure mechanisms also rises. Interfacial cracking between layers or delamination is one of the most common failure types in laminated fibre-reinforced composites due to their relatively weak inter-laminar strengths. Typically, delamination failures initiate and propagate under mixed mode effect of normal and shear stresses. Therefore, mixed mode delamination failure in fibrous composites has been one of the major issues being studied extensively in recent years. In this scope, the development of predictive, reliable and robust numerical and experimental analysis tool for quasi-static or cyclic mixed mode delamination of CFRPs is the major focus of the thesis. Quasi-static and cyclic mixed mode delamination failure in unidirectional and multidirectional CFRP laminates are analyzed using fracture experiments, finite element (FE) simulations, analytical calculations, and Scanning Electron Microscopy (SEM). Quasi-static delamination tests under mixed mode bending (MMB) represented by a superposition of normal and shear loadings are conducted to obtain the load-displacement response and investigate the effect of fiber orientation and stacking sequence on the progressive mixed mode delamination failure. The experiments designate that varying fibre orientation and stacking sequences have a considerable effect on load-displacement response and mixed mode fracture toughness of multidirectional laminates. The other important outcome of the experiments is that delamination resistance in multidirectional laminates is also considerably higher than in their unidirectional counterpart. The numerical model of the laminate is described as an assembly of individual layers and interface elements. Each individual ply is assumed as an orthotropic homogenized continuum under plane stress, permitting the modelling of damage initiation in each ply under the combination of longitudinal, transverse, and shear stress states. The interface elements, the constitutive behaviour of which are implemented as a user element routine in ABAQUS, are represented via the cohesive zone concept with bilinear and exponential softening laws. The sensitivity of the interface element has also been tested with respect to input parameters, such as interface element length and initial stiffness, using numerical examples. The numerical results revealed that in order to achieve a closer response to experimentally obtained results there must be some limitations on input values, which in turn influence the computational cost of the simulation. The numerical model is able to successfully capture the experimentally observed effects of fibre angle orientations and variable stacking sequences on the global load-displacement response and mixed mode inter-laminar fracture toughness of the various laminates. A reliable numerical simulation requires a correct evaluation of quasistatic fracture toughness especially in between plies with different orientations. Therefore, the total mixed mode and decomposed fracture energies for different multidirectional laminates were estimated by an analytical approach based on the combination of classical laminated plate theory and linear fracture mechanics. The analytical approach produces quite accurate predictions of the fracture toughness values obtained experimentally. It can further be used as a widely applicable calculation tool of mixed mode delamination toughness. The analytical solution is further enhanced by adding the effect of thermal residual stresses. The fracture toughness values calculated with and without residual thermal stress terms indicate that for the chosen quasi-symmetric multidirectional laminates, the influence of thermal stresses can be neglected. Cyclic mixed mode delamination in multidirectional composite laminates subjected to high cycle fatigue loading is investigated by numerical simulations and cyclic MMB experiments. Similar to the quasi-static case, the numerical model includes lamina and interface elements. The description of the cyclic delamination crack growth rate is based on the cyclic degradation of bilinear interface elements, with subsequent unloading/ reloading cycles. In other words, the interfacial fatigue damage evolution law, added to the previously implemented user element routine, is a cohesive law that links fracture and damage mechanics to establish the evolution of the damage variable in terms of the cyclic crack growth rate. The constitutive cyclic damage model is calibrated by means of mixed mode fatigue experiments and reproduces the experimental results successfully and with minor error.Item Open Access Numerical simulations of soot formation in turbulent flows(2008) Di Domenico, Massimiliano; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)This work deals with the simulation of soot formation phenomena under gasturbine-like conditions. Main goal is the development of a reliable CFD simulation tool able to predict trends of soot formation under different operating conditions. A detailed, finite-rate chemistry combustion model is presented and validated. Since soot particles are the result of thousands of reactions involving hundreds of species, an efficient, new sectional approach for soot precursors and related reactions is chosen in this work. Effects of turbulent fluctuations in temperature and species concentration on the chemical reaction rate are included by employing an assumed Probability Density Function approach. Finally, the simulation of a semi-technical scale burner under gasturbine-like conditions will demonstrate the validity of the developed tools. Although discrepancies with experimental soot particle distributions are observed, numerical simulations are able to reproduce the pressure dependence of the peak soot volume fraction quite well.Item Open Access Optimierung und Analyse von Fachwerkstrukturen durch Neuronale Netze(2001) Streng, Jürgen; Kröplin, Bernd (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die in dieser Arbeit neu entwickelte Systematik einer Multikriterienoptimierung ebener Fachwerkstrukturen basiert auf der Integration Neuronaler Netze in den Algorithmus einer mehrgliedrigen Evolutionsstrategie. Die trainierten konventionellen und problemspezifischen Neuronalen Netze erfassen Kriterien und Restriktionen der zu untersuchenden Optimierungsaufgabe. Optimierungssimulationen bestätigen die Funktionsfähigkeit dieser neuen Systematik. Am Beispiel statisch bestimmter und unbestimmter Fachwerkstrukturen werden Möglichkeiten einer selbstadaptiven Schadensanalyse durch trainierte sowie durch Pruning reduzierte Neuronale Netze untersucht. Dies ermöglicht die Bestimmung eines unbekannten inversen Zusammenhangs. Weiterhin wird ein auf problemspezifischen Neuronalen Netzen beruhendes, neuartiges Lösungsverfahren inhomogener linearer Gleichungssysteme vorgestellt.Item Open Access Ortsaufgelöste Charakterisierung von Festelektrolyt-Brennstoffzellen(2010) Metzger, Patrick; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Die Detailprozesse in Festelektrolytbrennstoffzellen (SOFC= Solid Oxide Fuel Cell) werden bis heute nur unzureichend verstanden und sind ausgesprochen zeit- und ortsabhängig. Zur Bestimmung dieser Prozesse wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Messsystem zur ortsauflösenden Charakterisierung von Festelektrolytbrennstoffzellen entwickelt und für Charakterisierungen entlang des Strömungsweges in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Das Ziel dabei war, eine hohe Integration verschiedener messtechnischer Verfahren in einem einzelnen Aufbau zu erreichen, um damit umfassende und verlässliche Aussagen für die Weiterentwicklung von SOFCs und die Kalibrierung von Simulationsmodellen zu erhalten. Das System liefert ortsaufgelöste und integrale Spannungen, Stromdichten, Temperaturen, Gaskonzentrationen an der Anode und Impedanzen an 16 Segmenten (4x4 Matrix) entlang des Brenngasströmungswegs. Die Entwicklung des Messsystems erforderte die Identifikation und Charakterisierung von hochleistungsfähigen Schichten zur Isolation und Gasdichtigkeit. Als geeignete Schicht wurde MgAl2O4 bestimmt. Das metallische Gehäuse setzte außerdem eine hohe räumliche Integration der Messabgriffe voraus. Das gesamte Messsystem wurde einem umfassenden Qualifikations- und Verifikationsprozess unterzogen. Die Impedanzmessung konnte schließlich eine höhere Güte als bei typischen Einzelzellmessungen erzielen. Durch die Zugrundelegung eines Bilanzmodells konnten die Effekte der stromaufwärtsliegenden Segmente auf die folgenden zuverlässig abgebildet werden. Dabei spielt die Bestimmung des Wassergehalts über die offene Zellspannung (OCV = Open Circuit Voltage) eine wichtige Rolle. Auf Basis der Erkenntnisse des Bilanzmodels können die auftretenden Verlustmechanismen in der Zelle ortsabhängig beschrieben werden. Als prinzipielle Verlustmechanismen sind die Kontaktierung, Leckagen, die ohmschen Verluste des Elektrolyts und die Kinetik der elektrochemischen Reaktionen in den Elektroden anzusehen. Die Verlustmechanismen und der damit verbunden Verlustfaktoren wurden als Eingangsgrößen für die Simulationsmodelle, zur Kalibrierung dieser und zur eigentlichen Brennstoffzellensimulation eingesetzt. In den detaillierten Untersuchungen zur Kinetik des Systems konnten die Prozesse einer anodengetragenen Zelle ortsaufgelöst bestimmt und deren Änderung bei Veränderung der Betriebsbedingungen mathematisch erfasst werden. Nur durch die Segmentierung konnten lokale Effekte erfasst werden, die bei einer nicht segmentierte Zelle nicht eindeutig zugeordnet werden können. Als bestimmende Prozesse wurden für den niederfrequenten Bereich bei 0,1-5 Hz eine Adsorptionslimitierung des Wasserstoffs an der Anode oder eine Diffusionslimitierung einer Reaktionszwischenspezies im Material bzw. an der Materialoberfläche der Anode identifiziert. Der mittelfrequente Prozess von 10-100 Hz ist auch hauptsächlich auf die Anode zurückzuführen, wobei eine Gasdiffusion als wahrscheinlichste Ursache anzuführen ist. An der Kathode wirkt in diesem Frequenzbereich die Sauerstoffionendiffusion im Material limitierend. Im hochfrequenten Bereich (3-40 kHz) ist wiederum die Anode limitierend. In diesem Bereich erfolgt die Ladungsübertragung. Als charakteristischer Limitierungsbereich wurde abhängig vom Volumenstrom eine segmentbezogene Brenngasausnutzung von 10-14 % gefunden. Bei dieser Brenngasausnutzung kommt zu einem starken Anstieg des aus dem mittelfrequenten und insbesondere des niederfrequenten Prozess resultierenden Widerstands. Bei der anfänglichen Reduktion der Zelle konnten 0,750 V als charakteristische Gleichgewichtszellspannung des Ni-NiO-System gemessen werden. Insbesondere die Degradation zeigte sich dabei zeit- und ausgeprägt ortsabhängig und wurde negativ von hohen Wasserdampfgehalten beeinflusst. Das Gegenstromdesign wurde im Hinblick auf Homogenität der Temperatur- und Leistungsdichteverteilung und mit einer Brenngasausnutzung von 87,1 % bei 274 mW/cm² (0,7 V) als überlegen gegenüber dem Gleichstromdesign identifiziert. Im Kohlenwasserstoffbetrieb konnte durch die lokalen Stromdichtemessungen und Gasanalysen eine vollständige Komponentenbilanz entlang des Strömungsweges erstellt und ein positiver kinetischer Effekt des Stromflusses auf die Kohlenwasserstoffreformierung (NEMCA-Effekt) identifiziert werden. Kritische lokale Bedingungen wurden dabei identifiziert und Vorschläge zu deren Vermeidung erarbeitet. Die Messdaten werden abschließend anhand von drei verschiedenen Simulationsansätzen zur zuverlässigen Beschreibung des ortsauflösenden Systemverhaltens eingesetzt. Die vorliegende Arbeit ermöglicht durch die erfolgreiche Entwicklung des universell einsetzbaren Messsystems eine zuverlässige Bestimmung der ortsabhängigen Brennstoffzellenprozesse. Die erhaltenen Messdaten können damit sowohl direkte Rückmeldung für die Entwicklung und Verbesserung der Brennstoffzellen als auch der Weiterentwicklung dieser durch genauere Simulationsmodelle geben.