04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Untersuchung der Antriebsstrangdynamik in Windenergieanlagen(2020) Horch, JoachimDiese Arbeit beschäftigt sich damit die Stabilität und Funktionstüchtigkeit des Antriebsstranges einer Windenergieanlage der Größenordnung 10 MW zu untersuchen. Hierfür erfolgt der Aufbau eines Computermodells einer 10-MW-Windenergieanlage mithilfe des Mehrkörpersimulationsprogrammes SIMPACK. Weiterhin wird eine Parameterstudie durchgeführt, welche über eine Matlab-induzierte SIMPACK-Simulation speziell ausgewählte Parameter des Antriebsstranges variiert, Simulationen durchführt und so den Einfluss bestimmter Parameter, sowie Parameterkombinationen, auf die Stabilität des Antriebsstranges prüft. Auf diese Weise sollen Stabilitätskriterien für einen Antriebsstrang dieser Größenordnung ermittelt werden. Es erfolgen sowohl statische, als auch dynamische Untersuchungen.Item Open Access Microwave heating of plasmas with the new 14 GHz system at the stellarator TJ-K(2013) Loiten, MichaelThe aim of this thesis has been to investigate the plasmas generated by the newly installed 14 GHz microwave heating system at TJ-K in the equilibrium state. The new heating system has been installed in order to operate TJ-K at a wider range of controllable parameters. Several diagnostics have been used to investigate the plasma: An interferometer was used to obtain the line averaged density. A radially movable device with three Langmuir probes was used to obtain the radial profiles of the electron density and the electron temperature. An optical diode was used to obtain the radiation mainly in the visible range, whereas a bolometer with eight channels was used in order to obtain the poloidal radiation profiles. In addition, the neutral gas pressure, the magnetic field (based on the current running through the coils), and the injected and reflected microwave power was measured. Magnetic and pressure scans in the new regime have been performed, meaning that the scanned parameter has been varied on a shot to shot basis, whereas the other parameters have been kept constant. In addition to increase the parameter space, the magnetic field has been varied in order to vary the power deposition in the plasmas. The pressure has been varied in order to approach regimes where neoclassical effects become important. When lowering the collisionality, collisional regimes where neoclassical effects dominates can be reached. Lower collisional regimes were found for low pressures in hydrogen. However, operation at these collisional regimes is not readily available as it was found that the plasmas become increasingly unstable when closing in on these regimes. With this heating system one can operate at higher magnetic fields, and thus increase the confinement of the plasma. It has been found that plasmas in this regime have higher densities than the previously installed heating systems. This makes the new heating system a good candidate in studying over-dense plasmas.Item Open Access Operation and simulation of a technical-scale plant for CO2 capture via chemical absorption in a packed column(2018) Rincón Soto, Nelson FelipeDie Abscheidung und Speicherung von CO2 (CCS) aus Verbrennungsprozessen ist in den letzten Jahrzehnten eine akzeptable Lösung geworden, um die Menge der atmosphärischen Emissionen zu verringern. Post-Combustion-Verfahren für die CO2-Abscheidung gelten derzeit als eine Spitzentechnologie in diesem Bereich, besonders die chemische Absorption mit Amin-Lösungen ist eine der höchstentwickelten Techniken bis heute. Der Betrieb einer Pilotanlage (ABIGAIL - Aminosäuresalzlösungen zur Biogas Aufbereitung mit innovativer Lösungsmittelregeneration) zur CO2-Abscheidung mit MEA (Monoethanolamin) -Lösungen und Dampfregeneration wurde im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführt, simuliert und optimiert. Zunächst wurde eine erste Versuchskampagne durchgeführt, um die vorläufigen Parameter und Betriebsbedingungen zu sammeln. Anschließend wurde in Aspen Plus V8.6® eine Prozesssimulation entwickelt, die die gleichen Betriebsbedingungen und Sensitivitätsanalysen der wichtigsten Variablen und deren Auswirkungen auf die CO2-Abscheidung beinhaltet. Dann wurde der Prozess in Aspen Plus V8.6® optimiert. wobei die Kostenminimierung die Zielfunktion ist. Im Anschluss wurde eine Verbesserung des Wärmetauschnetzes mit Hilfe der HENS-Analyse im Aspen Energy Analyzer V8.6TM konzipiert. Abschließend wurde eine zweite Reihe von Experimenten durchgeführt, die die optimalen Betriebsbedingungen umsetzte. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Simulationen verglichen, wobei ein Gesamtkorrelationsindex von 97.5% aufgezeigt werden konnte. Es konnte gesehen werden, dass das L/G-Verhältnis und die Lösungsmitteleintrittstemperatur die am meisten beeinflussenden Variablen im Betrieb des Absorbers sind, während der Druck im Stripper ist. Eine Kombination von L/G gleich 5.5 l/m3, 37ºC Einlasstemperatur und 2 bar im Desorberdruck stellte eine erhebliche Minimierung der Betriebskosten von 14.23 €/day dar, ohne den erforderlichen CO2-Abscheidungsprozess erheblich zu beeinflussen. Eine mögliche Wärmerückgewinnungskonfiguration für die aktuelle Pilotanlage wurden konzipiert und 309 kJ/h konnten in zusätzlichen Versorgungseinrichtungen eingespart werden.Item Open Access Implementierung eines Vorhersage- und Optimierungsalgorithmus in eine Datenschnittstelle für Smart Meter Gateways(2022) Kimmich, JoelDie Steigerung des Anteils erneuerbarer Energieträger am Gesamtenergieverbrauch geht mit einer zunehmend fluktuierenden Stromerzeugung einher. Daher werden Maßnahmen für die Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebs künftig an Bedeutung gewinnen, beispielsweise die angebotsgesteuerte Aufnahme elektrischer Leistung mit individuellen Speicherungskonzepten zur Umverteilung von Lasten. Mittels Smart Meter Gateways, die konventionelle Stromzähler in Gebäuden ersetzen, wird eine Kommunikation zwischen Netzbetreiber und Gebäude ermöglicht. Auf Basis geeigneter Marktsignale können entsprechende Regelungsansätze umgesetzt werden, die die elektrische Leistungsaufnahme hinsichtlich einer gegebenen Größe optimieren und Lasten umverteilen. Gleichzeitig können dadurch CO2-Emissionen und Stromkosten eingespart werden, sofern der Stromanbieter schwankende Marktpreise an den Verbraucher weiterleitet. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit ein Applikationsmodell erstellt, das mittels Modellprädiktion und Optimierung eine Lastumverteilung ermöglicht. Am Beispiel der Heizleistung eines typischen Einfamilienhauses werden Model-in-the-Loop-Simulationen zur Funktionsüberprüfung des Applikationsmodells durchgeführt. Dazu werden Simulationsdaten des Gebäudes am Standort Stuttgart und die zugehörigen Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes berücksichtigt. Zur Vorhersage wird ein neuronales Netz implementiert, das mit historischen Daten trainiert wird. Die erstellten Werte werden einem neuartigen Optimierer übergeben, der unter Einhaltung der physikalischen Randbedingungen die Lastumverteilung mittels eines thermischen Speichers bis zum Vorhersagehorizont plant. Eine gegebene Kostenfunktion - beispielsweise der Anteil fossiler Energieerzeuger am Strommix oder der Strompreis - wird dabei minimiert. Abschließend wird das Applikationsmodell anhand von Realdaten auf Praxistauglichkeit untersucht. Die Simulationen zeigen bei den CO2-Emissionen ein Einsparpotential durch Lastumverteilung in Höhe von 9,5 % pro Jahr. Die jährlichen Stromkosten können um 19 % reduziert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Qualität der Vorhersage einen geringen Einfluss auf die Einsparpotentiale bei Strompreis und CO2-Emissionen hat, da die Kostenfunktion den bedeutenderen Faktor bei der Optimierung darstellt. Wird hinsichtlich eines minimalen Strompreises optimiert, kann gleichzeitig der CO2-Ausstoß während der Stromerzeugung um 5,1 % gesenkt werden. Umgekehrt gelingt eine Stromkostensenkung um 10 %, wenn hinsichtlich geringstmöglicher CO2-Emissionen optimiert wird. Die Potenziale zur Reduzierung von Kosten bzw. CO2-Emissionen sind vom betrachteten Lastfall und der Anlagentechnik abhängig. Die Realdatensimulationen bestätigen trotz verschlechterter Vorhersagequalität die Simulationen zur CO2-Emissionsoptimierung. Bei der Stromkostenoptimierung resultiert ein um 50 % höheres CO2-Einsparpotential, wenn die Nutzung einer Nachtabsenkung in die Betrachtung einbezogen wird. Das Applikationsmodell zeigt die Potentiale der Lastumverteilung auf und zeigt seine Funktionstüchtigkeit mittels effektiver Kostenreduzierung durch Optimierung. Weitere Forschung kann sich mit der Verbesserung der Optimierung befassen und weitere Technologien zur Energiespeicherung, beispielsweise Stromspeicher, betrachten.Item Open Access Auswirkungen von unsicheren Stromgestehungskosten thermischer Kraftwerke auf Strommarktpreise am Beispiel Norwegens - eine Sensitivitätsanalyse(Stuttgart : Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2019) Scholl, Lars EricNorwegen ist mit ca. 98 % der jährlichen Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien eine bedeutende Energie-Nation Europas. Die Preise am Strommarkt bilden sich auf Basis der kurzfristigen Grenzkosten der Erzeugung. Bei der Modellierung von Elektrizitätsmarktmodellen und den daraus resultierenden kurzfristigen Grenzkosten thermischer Kraftwerke sind jedoch einige preisbeeinflussende Faktoren unsicher oder aber nicht bekannt. Jedoch spielen diese Grenzkosten eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Wasserwertes von Wasserspeichern. Die Auswirkungen der Veränderungen bestimmter Parameter auf die kurzfristigen Grenzkosten und damit auf die Strommarktpreise sollen in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die technisch-ökonomischen Parameter thermischer Kraftwerke Norwegens sowie weitere Eingangsdaten recherchiert und in der Datenbank hinterlegt. Nachfolgend werden die elektrischen Nettowirkungsgrade, die Primärenergiepreise, die zusätzlichen Primärenergiekosten und die variablen Betriebs- und Wartungskosten gemäß realistischer Bandbreiten gegenüber den zuvor festgelegten Basiswerten in einem Minimum-, Maximum- und Disaggregations-Szenario variiert. Daraufhin werden die modellierten Strommarktpreise der Jahre 2017, 2015 und 2010 mit den historischen Preisen verglichen. Dabei kann gezeigt werden, dass die modellierten Preise im Jahr 2017 mit 36,47 €/MWh im Basis-Szenario für die Regionen NO1, NO2, NO3 und NO5 in allen vier Regionen etwas über den historischen Preisen von 23,83 €/MWh bis 29,53 €/MWh liegen. In der Region NO4 belaufen sich die modellierten Werte auf 1,50 €/MWh, was durch die überwiegende Erzeu-gung aus Wasserkraft zu begründen ist. Die modellierten Preise für das Minimum-, Maximum- und Disaggregations-Szenario weichen nur leicht von den Werten des Basis-Szenario ab. Im Jahr 2015 hingegen fallen die modellierten Preise mit 371,14 €/MWh im Minimum-Szenario bis 453,32 €/MWh sehr viel höher aus als die historischen Strommarktpreise von 14,82 €/MWh bis 21,28 €/MWh. Diese hohen Preise könnten durch die Anfahrprozesse und damit verbundenen Anfahrkosten diverser Anlagen erklärt werden. Des Weiteren finden die hinterlegten Pumpspeicherkraftwerke, bis zum jetzigen Zeitpunkt der Arbeit, bei der Modellierung keine Anwendung. Die Konstanz der modellierten Werte über alle Stunden eines Jahres ist durch die, bis zum jetzigen Zeitpunkt, hohe Flexibilität der Wasserkraft aufgrund fehlender Restriktionen, zu begründen. Darüber hinaus können die Importpreise aus Drittländern sowie die Stromübertragungen zwischen den Regionen eine wichtige Rolle für das Strom-preisniveau spielen.Item Open Access Application of source apportionment methods to identify emission sources with the help of ambient air quality measurements in six European cities(2019) Chacón-Mateos, MiriamThe quantification of pollution sources' contributions is a crucial element for implementing the Directives on Air Quality (2008/50/EC and 2004/107/EC). Within the ICARUS project, the source apportionment of PM2.5 in six cities of Europe (Athens, Brno, Ljubljana, Madrid, Thessaloniki, and Stuttgart) was assessed using datasets of measurements made in two different seasons (summer and winter) and two modeling tools: the Lenschow approach and the Positive Matrix Factorization. In order to increase the reliability and robustness of the results, an inter-comparison exercise was carried out with two receptor models for the same datasets: the Principal Component Analysis and the Positive Matrix Factorization model run by a different institution. It was observed that the Lenschow approach does not show the same results as the receptor models and therefore cannot be used to design strategies for urban air quality planning but just as a qualitative method. The comparison of the receptor models led to the validation of the results. Five sources have been found to be the main sources of PM2.5 in all the participating cities, namely, traffic, secondary inorganic aerosols (nitrates and sulphates), resuspension of soil dust, heating systems (biomass burning and/or fuel oil combustion) and industry. Geographical and seasonal variations have been observed, especially for heating sources hence, air quality measures at a local scale should be designed for the abatement of air pollution.