04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Analyse und Optimierung einer einstufigen Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe(2021) Mirl, Nico; Spindler, Klaus (Apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird eine Komponentenoptimierung der Desorber-Einheit sowie des Absorbers einer Absorptionswärmepumpe durchgeführt. Die Anforderungen an die Wärmepumpe umfassen sowohl eine hohe Effizienz als auch möglichst geringe Systemkosten, wobei letzteres durch ausschließliche Verwendung von Standardkomponenten, wie beispielsweise Plattenwärmeübertrager und einfach fertigbare Behälter, erzielt wird. Es wird ein allgemeingültiges Analyseverfahren für Absorptionswärmepumpen und -kälte-maschinen erarbeitet und angewandt. Mit diesem Verfahren ist sowohl eine Quantifizierung der Potenziale des Absorptions- und Desorptionsprozesses als auch eine Zuordnung dieser Potenziale zu Problemstellungen der Wärmeübertragung bzw. Stoffübertragung möglich. Für das Analyseverfahren ist eine exakte Wiedergabe der Zustandsgrößen von zentraler Bedeutung. Es wird aufgezeigt, dass die Zustandsgleichung aus (Tillner-Roth und Friend, 1998a) die experimentellen Daten im relevanten Temperaturbereich von −30 °C ≤ 𝜗 ≤ 200 °C und Druck-bereich von 𝑝 ≤ 30 bar am besten wiedergibt. Diese Zustandsgleichung wird daher für die Prozess-analyse verwendet. Zur Optimierung der Absorptionswärmepumpe werden zwei Desorber-Konzepte experimentell untersucht: ein Desorber nach dem Naturumlaufprinzip und ein zwangsdurchströmter Desorber. Die Messungen zeigen, dass mit dem zwangsdurchströmten Desorber die erreichte Entgasungsbreite von 0,044 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,078 auf 0,066 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,102 erhöht wird. Auch der Desorberwirkungsgrad von 0,851 ≤ 𝜂_ξ,Des ≤ 0,923 belegt die sehr gute Funktionalität dieses Desorber-Konzeptes. In einem separaten Versuchsstand wird die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte des Absorbers untersucht. Diese Versuche werden in dem Ersatzsystem Luft/Wasser mit einer optischen Methode durchgeführt und ausgewertet. Es wird aufgezeigt, dass die bisher verwendete Vollkegel-düse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 90° in Verbindung mit einem Düsenabstand zum obersten Plattenspalt im Absorber von 𝑡 ≈ 0 mm die Flüssigkeit nicht gleichmäßig innerhalb des ersten Durchgangs verteilt. Durch die Verwendung einer Vollkegeldüse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 120° und einem Düsenabstand von 𝑡 ≈ 6 mm erfolgt die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte weitestgehend gleichmäßig. Bei Verwendung dieser Düse wird im Betrieb der Absorptionswärmepumpe, mit Ausnahme eines Betriebspunktes, die höchste Wärmeübertragungs-fähigkeit des Absorbers 𝑘𝐴Abs erreicht. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und erprobte zwangsdurchströmte Desorber eine nahezu ideale Desorption ermöglicht. Darüber hinaus wird durch einen Kondensat-Abscheider sichergestellt, dass der Ammoniakmassenanteil des Kältemittels maximal ist. Sowohl die Entgasungsbreite Δ𝜉_E als auch das Wärmeverhältnis 𝜁 als Maß für die Effizienz der Absorptionswärmepumpe werden durch diese Maßnahmen erheblich gesteigert.Item Open Access Agent-based modeling and simulation of renewable energy market integration : the case of PV-battery systems(2020) Klein, Martin; Thess, André (Prof. Dr.)This dissertation investigates how high shares of renewable energy sources (RES) can be integrated into the German electricity market. In particular, it examines how a large number of distributed residential RES plants affects the system as a whole and how these impacts can be sensibly modeled. Small-scale systems such as photovoltaic (PV) systems, possibly coupled with batteries, are a way of letting households participate in the energy system and tapping into the area potential of rooftops. However, it is currently unclear whether the incentives in the electricity market are designed so that investment and op- erating decisions of residential RES will benefit the overall system. Most energy system models can only depict the energy system from one perspective, for example from that of a central planner. In the case of small residential plants, investment and operating decisions are currently unaffected by the wholesale market at large. It is therefore difficult to model the behavior of household PV systems in conventional energy models alongside that of large producers. The thesis provides two contributions to the current literature. Firstly, we argue why the method of agent-based modeling and simulation (ABMS) is able to investigate problems as described above. We show that this due to one of the method’s core traits – to take several perspectives and to couple several model approaches into one overall model. This is demonstrated using the example of AMIRIS, an agent-based model of the German elec- tricity market. We also show how technical aspects such as a fast execution speed lead to the model being able to investigate the possibility space of the future German electricity market in higher resolution than usually found in the literature. Secondly, the work investigates in a model application the investment and operational behavior of residential PV systems in the frame of agent-based modeling. The investment and operational decisions are examined in detail from the perspective of the household before we integrate them into the ABMS and draw conclusions for the overall German electricity market. In particular, we show that certain artifacts of the residential PV investment curve can be explained by loss aversion, and that operating patterns of PV battery systems do not correspond to the overall system optimum. To overcome the latter problem, we design means to incentivize operating behavior that is more in alignment with market signals. We argue that household electricity tariffs should be reformed if they are to incentivize more efficient operating decisions. We show that the expansion of PV battery systems is at the early adoption stage and will likely increase with lower PV and battery prices. Finally, we argue that incentive asymmetries should be removed before a large number of systems requiring the current electricity rate scheme to refinance have been built.Item Open Access CO and H2S in H2: contamination, recovery and mitigation strategies in PEMFCs with ultra-low Pt loaded anode electrodes(2024) Prass, Sebastian; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Einige der größten Hürden für die Kommerzialisierung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) sind die Kosten und Lebensdauer der Systeme, sowie die fehlende Infrastruktur, die den Wasserstoff (H2) bereitstellt. Zur Verringerung der PEMFC-Kosten ist eine Reduktion des Gehalts an Katalysatoren der Platin (Pt)-Gruppe nötig, was jedoch durch Vergiftungsmechanismen erschwert wird, deren Wirkung bei niedrigeren Pt-Beladungen pro aktiver Fläche ([µgPt/cm²]) zunimmt. Verunreinigungen im H2, die durch kostenintensive Reinigungsverfahren herausgefiltert werden, beeinträchtigen die PEMFC-Leistung und Lebensdauer. Sind Kontaminations- und Erholungsmechanismen bekannt, können Betriebsweisen angepasst und der Katalysatorgehalt einerseits verringert, sowie die Herstellung und Aufreinigung des H2 andererseits kosteneffizienter gestaltet werden. Diese Dissertation untersucht daher die Auswirkung einer Verringerung der Platinbeladung der Anodenelektrode auf die Toleranz gegenüber Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H2S) im H2 anhand von Einzelzellen unter Verwendung klassischer elektrochemischer Charakterisierungsverfahren. Zunächst ist die Charakterisierung niedrig beladener Elektroden per Zyklovoltammetrie (engl. Cyclic Voltammetry, CV) durch Artefakte erschwert, die normalerweise bei höheren Beladungen (>100 µgPt/cm²) nicht auftreten. Bei niedrigen Beladungen (<50 µgPt/cm²) kann es zu einer spontanen Oxidation von angesammeltem Permeat-Wasserstoff während des kathodischen CV-Vorschubs kommen, was den Pt-Oxid-Reduktionsstrom überlappt und die Bestimmung der aktiven Fläche (engl. Electrochemically Active Surface Area, ECSA) beeinträchtigt. Werden PEMFCs mit gering beladenen Anodenelektroden (<25 µgPt/cm²) und H2 betrieben, der CO in Konzentrationen enthält, die gemäß H2-Qualitätsstandard ISO 14687 zulässig sind, kommt es zu inakzeptablen Spannungsabfällen von bis zu 40%. Dies deutet darauf hin, dass die CO-Toleranz des Katalysators verbessert, oder der ISO-Grenzwert für CO verringert werden sollte. Ist H2S in Konzentrationen gemäß ISO 14687 im H2 enthalten, kommt es während chronoamperometrischer Tests zu Spannungseinbrüchen, die bei niedrig beladenen Elektroden Schwefeldosisabhängig früher auftreten. Andererseits können sich PEMFCs durch Stopp/Start (engl. Shut-Down/Start-Up, SD/SU)-Prozeduren von Schwefelvergiftungen erholen. Gemeinsam mit den erst nach Dutzenden Stunden auftretenden Spannungseinbrüchen wirft diese Erholung durch SD/SUs die Frage auf, ob der ISO-Grenzwert für Schwefelspezies einer Anpassung bedarf. Eine Beschichtung des Pt-Katalysators in der Anodenelektrode mit einer Siliziumoxidschicht (SiO2-Pt/C) verbessert die Leistung und Toleranz der PEMFC beim Betrieb mit reinem und H2S-kontaminiertem H2, verschlechtert jedoch deren CO-Toleranz. Während die Verbesserung der Leistung und H2S-Toleranz auf Einflüsse des SiO2 auf Wassermanagement und Mobilität oxidierter Schwefelspezies zurückzuführen ist, steht die Verschlechterung der CO-Toleranz im Zusammenhang mit erschwerter Bildung und Mobilität der OH-Gruppen, die für die CO-Oxidation notwendig und in erhöhten Potentialen für CO-Oxidation sichtbar sind.Item Open Access Degradation study on solid oxide steam electrolysis(2020) Hörlein, Michael Philipp; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)Untersuchung der Degradation von Festoxidzellen im Elektrolysebetrieb von Wasserdampf anhand von Variationen der Betriebsbedingungen.Item Open Access Development and investigation of protonic ceramic cells for hydrogen production at intermediate temperatures(2024) Zheng, Haoyu; Thess, André (Prof. Dr.)