04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access A model-based framework for the assessment of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2022) Godin, Hélène; Radgen, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Thesis on the effect of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying.Item Open Access Operational impacts of large-scale wind power generation in the German power system and effects of integration measures : analyses with a stochastic electricity market model(2012) Hasche, Bernhard; Voß, Alfred (Prof.)A strong increase of onshore and offshore wind power capacities is an official political target in Germany and other countries. The wind energy shares therefore rise in many power systems. Wind power generation has other characteristics than the power generation by conventional power plants. The wind is a natural resource that is fluctuating. The meteorological dependency leads to a limited predictability of the available power. A third aspect is the concentration of wind farms at locations with high wind yields as in the North of Germany. From a methodological point of view, the thesis focuses on the analysis of the three aspects with regard to the power system operation and the development of related modelling approaches. This especially refers to the application of a stochastic optimization model for the system analysis and to the simulation of wind power generation and wind power forecasts. The application orientated focus is on a scenario analysis of the German power system in 2020. The analysis aims at the identification of promising system adaptations that lead to an improved wind power integration and a more efficient power system operation. Before the model presentation, the importance of the three aspects above is discussed giving the basics for the latter modelling. It is shown that the residual load fluctuations are increased by the wind power generation, especially if they are related to the residual load levels. The flexibility of thermal power plants is also regarded here. An analysis of operational uncertainties shows the importance of wind power forecast errors in relation to load forecast errors. The DC load flow model and characteristics of the transmission grid are explained. A stochastic market model is presented that allows an integrative analysis of the wind power integration. One characteristic of the optimization model is the application of a rolling planning so that forecast errors can be specifically considered. A main modification of the model compared to earlier model versions is given by the representation of grid constraints. A grid reduction approach is developed that reduces the transmission grid to a simplified structure that is applied in the market model. The grid reduction approach is based on a comparison of DC load flow solutions in the reduced and unreduced grid. Additionally, an approach for the calculation of tertiary reserves is given. The approach considers the wind forecast quality and combines probabilistic elements with an optimization. The simulation of wind power generation and forecasts combines different analyses and methods. General quantitative relations between the variability of wind power generation and the geographical region size are derived. The equations are applied in the simulation of wind power generation that is based on adapted wind power curves. The adapted power curves consider regional smoothing effects in the transformation of wind speed to wind power. The simulation results reflect the high variability of the concentrated offshore wind power. For the simulation of the wind power forecasts, a scenario generation method based on moment matching is presented that allows simulating non Gaussian distributed forecast errors and their correlations. The results of a statistical analysis of measured forecast errors are used in the simulation. An empirical relation between error correlation and geographical distance is for example given. The German forecast quality that is simulated for 2020 assuming an improvement of forecasting by 20% is, related to the installed capacity, similar to the one of today due to the high spatial concentration of the offshore capacities. For the scenario analysis of the power system in 2020, the power plant portfolios of twelve German regions and other parameters are derived based on different sources. This includes reserve requirement values and reduced grid parameters that are calculated by the methods mentioned above. The results show that, in the regarded scenario, 3% of the yearly wind energy cannot be integrated into the system. They are curtailed nearly exclusively due to transmission constraints. The network congestions also lead to high differences between the regional electricity prices. The yearly costs of wind forecast errors amount to circa 180 million Euros or 1% of the operational system costs. The model results thereby indicate a large cost saving potential by risk management methods. Based on scenario modifications, integration measures related to CAES capacities, demand side management and more flexible power plants as well as infrastructural changes by grid expansions and an adapted geographical allocation of power plants are analysed. The importance of a stochastic modelling approach for the evaluation of flexibility related scenarios is shown. The comparison of the integration measures identifies infrastructural changes as most efficient system improvements whereas the benefits of CAES capacities are small. Assuming a grid without any transmission constraints, the yearly system costs are reduced by one billion Euros. A limited grid upgrade leads to 10% of this cost reduction. Similar cost savings are achieved by adapting the geographical locations of the power plants. Adjusting the generation to the grid is therefore a promising alternative to grid expansions especially considering the long processes that are involved with new transmission lines. A market design with regional electricity prices would give related incentives.Item Open Access Steam-oxygen fluidized bed gasification of sewage sludge(2023) Schmid, Max; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)Sewage sludge is a residue that is generated unavoidably by the population. On a first sight, sewage sludge may be a hazardous waste that requires safe disposal. By looking closer, it is recognized as secondary resource. The mineral fraction contains valuable elements such as phosphorous, which can be retrieved as secondary raw material. This thesis focuses on the organic fraction, which is a renewable fuel and carbon source and can be used to substitute fossil carbon in fuels and chemicals. The first step in converting sewage sludge to renewable goods is syngas production via gasification. The experimental work of this thesis demonstrated the feasibility of synthesis gas production from sewage sludge by steam-oxygen fluidized bed gasification. It was shown that the process works reliably in the investigated 20 kW scale and that the syngas contains high H2 and CO concentrations and is thus suitable for synthesis of fuels and chemicals. The impurities NH3, H2S, COS and tar species, including heterocyclic species such as pyridine, were measured in considerable concentrations in the syngas. Small amounts of limestone bed additive enabled cracking of heavy tars and partial capture of H2S and COS. It was further found that the cold gas efficiency increases with rising gasification temperature due to improved tar and char conversion at higher temperatures. The typical operation temperature 850 °C requires an oxygen ratio of 0.33, obtaining a cold gas efficiency of 63 %. Moreover, the H2/CO-ratio could be controlled efficiently by altering the steam to carbon ratio, as steam promotes the water gas shift reaction in the gasifier to achieve the desired stoichiometry for synthesis, however, resulting in higher energy demand for steam provision. The experimental results can be utilized for process design, e.g., for a TRL 7-demonstrator. Furthermore, a gasifier model was developed and an integrated process chain was simulated to assess the conversion of sewage sludge to synthetic natural gas (SNG) with and without inclusion of power-to-gas through electrolysis. The total efficiency of the conversion including own consumption for the case without electrolysis was 51 % with a carbon utilization of 33 %. These values could be enhanced by inclusion of power-to-gas. It was predicted that the produced SNG has a CH4-concentration of between 0.81 m3 m 3 and 0.84 m3 m 3 and nitrogen concentrations of up to 0.16 m3 m 3 originating from fuel-bound nitrogen. The simulations on process integration showed that up to 20% of the sewage sludge feed can be dried by heat integration. This implies that also external heat sources have to be used for drying. Overall, the steam-oxygen gasification proved to be an efficient and technically feasible process for sewage sludge treatment and can be considered as an alternative to fluidized bed incineration for future mono-treatment plants.Item Open Access Analyse der Einsatzpotenziale von Wärmeerzeugungstechniken in industriellen Anwendungen(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Ohl, Michael; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access The future role of alternative powertrains and fuels in the German transport sector : a model based scenario analysis with respect to technical, economic and environmental aspects with a focus on road transport(2012) Özdemir, Enver Doruk; Voß, A. (Prof. Dr.-Ing.)The transport sector is facing the challenges of satisfying the ever increasing transport demand on the one hand and achieving greenhouse gas (GHG) emission reduction targets without compromising economic development on the other hand. There are various alternative fuels and powertrains which might play a role in the future of the German transport sector. Amongst these options, biofuels are considered to help lower GHG emissions. However, they are severely criticized to create an additional strain for the energy system and particularly for the transport sector with land area requirement for energy crop production, which may imply a competition with food production. This study aims to assess the future role of alternative fuels and powertrains in the German transport sector in terms of their costs, efficiencies, GHG emissions and land area requirement for energy crops. To fulfill this aim, a techno-economic analysis of all relevant fuels and powertrain options was performed and a model based approach was employed. The utilized model belongs to the TIMES (The Integrated MARKAL EFOM System) family and is a bottom-up linear cost optimization energy system model. A scenario analysis was employed in order to assess the effect of different technological, economic, environmental and political conditions on the overall system. The results of the scenario analysis indicated that the transport system will still be dominated by conventional powertrains in 2030. Alternative powertrains are projected to play only a secondary role until 2030. It is not expected that fuel cell or battery electric passenger cars will be introduced into the market until 2030 in Germany. Nevertheless, hybrid electric powertrains have to be used in the German passenger car sector under ambitious GHG emission reduction targets and high oil prices. The introduction of alternative powertrains (such as hybrid electric and fuel cell powertrain) is much more likely in the bus sector (especially for public buses) than in passenger cars or in the road freight sector. Furthermore conventional fuels are expected to remain an important part of the German transport system until 2030. However, not only conventional fuels will be utilized in the future, but also biofuels and hydrogen are required. It is concluded that the transport sector should not be the first sector to reduce GHG emissions within an overall GHG emission mitigation strategy. However, with the ambitious GHG emission reduction targets (such as self-commitment of the German government) some contributions should also come from the transport sector.Item Open Access Leaching of fly ash particulate matter in MEA solutions and its relevance to the CO2 capture process with flue gas of coal-fired power plants(2020) Schallert, Bernd; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr.)This study underlines the relevance of leaching of fly ash particulate matter to carbon capture plants and strives for a better understanding of the solubility of various elements and heavy metals, especially Fe, in MEA solutions and of relevant leaching parameters.Item Open Access CO2-Abtrennung aus Synthesegasen mit Hydrotalciten unter Hochtemperatur-Hochdruckbedingungen(2017) Bublinski, Martin; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)Membranverfahren trennen Gasgemische kontinuierlich, selektiv und energieeffizient. Damit stellt dieses Trennverfahren eine interessante Alternative zu herkömmlichen, energieintensiven Gasreinigungsverfahren mittels Wäschern dar. Allerdings steigen insbesondere für Hochtempera-turanwendungen die material- und prozesstechnischen Anforderungen an das Membransystem, wodurch die Materialauswahl stark eingegrenzt wird. Bisher existiert im kommerziellen Maßstab noch kein hochtemperaturtaugliches, kontinuierliches Abscheideverfahren für die selektive Abscheidung von CO2 aus Synthesegas. Der Einsatz von Membranen aus Hydrotalcit stellt für die CO2-Abscheidung aus vorgereinigten Synthesegasen einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. In dieser Arbeit wird die systematische Entwicklung von anorganischen mehrschichtigen Hydrotalcit-Membranen vorgestellt, mit denen CO2 selektiv aus dem Gasstrom unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (T > 350 °C, p ≤ 80 bar) abgeschiedenen werden kann. Die Prozesse CO2-Sorption bzw. CO2-Desorption auf der Membranoberfläche sowie die Diffusionseigenschaf-ten der Membran wurden dabei getrennt voneinander untersucht. Zuerst wurden an reinen und mit Kaliumcarbonat dotierten Hydrotalciten mit einem Sorptions-/Druckreaktor CO2-Sorptionsgleichgewichtsdaten im Temperatur- und Druckbereich zwischen 200-500 °C bzw. 20-80 bar aufgenommen. Dabei wurden maximale CO2-Kapazitäten von 1,2 mol/kg für reines Hydrotalcit und 2,0 mol/kg für dotiertes Hydrotalcit mit trockenem, bzw. 1,95 mol/kg für reines Hydrotalcit und 5,70 mol/kg für K-dotiertes Hydrotalcit mit feuchtem Gas ermittelt. Die Desorptionseigenschaften wurden mittels zyklischen CO2-Sorptionsexperimenten bestimmt. Dabei stellte sich sowohl für reines als auch für K-dotiertes Hydrotalcit für trockenes und feuchtes Gas eine konstante Arbeitskapazität nach mehreren Sorptionszyklen auf dem Niveau von zwei Drittel der ursprünglichen CO2-Sorptionskapazität ein. Die Hydrotalcit-Membransynthese erfolgte auf Al2O3-Substraten mit einem Harnstoff-Hydrolyse-Verfahren. Dadurch konnte ein Wachstum der Hydrotalcit-Kristalle direkt auf der Substratoberfläche erreicht werden und eine homogene Hydrotalcit-Membran synthetisiert werden. Durch eine weitere Hydrotalcit-Schicht gelang es, die Defekte der Membran weiter zu verringern. Die CO2-Permeanzen wurden mit einem Hochtemperatur-Membranmodul bei 200 °C auf 3,03·10-7 mol/(m2·s·Pa) und 500 °C auf 1,06·10-6 mol/(m2·s·Pa) bestimmt. Neben der Knudsen-Diffusion wurde die Lösungs-Diffusion von CO2 als weiterer Transportmechanismus durch die Hydrotalcit-Membran identifiziert. Die idealen CO2-Selektivitäten bezüglich N2, H2 und CO lagen demnach meist leicht über den Knudsen-Selektivitäten. Gegenüber N2 konnte bei Tempera-turen von 350 °C eine Selektivität von 1,31 ermittelt und folglich eine partielle CO2-selektive Trennung mit den synthetisierten Hydrotalcit-Membranen erzielt werden.Item Open Access Räumlich detaillierte Potenzialanalyse der Fernwärmeversorgung in Deutschland mit einem hoch aufgelösten Energiesystemmodell(2014) Kempe, Stephan; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die regionalen Entwicklungsmöglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung und der Fernwärmeversorgung in Deutschland werden unter umwelt- und energiepolitischer Rahmenannahmen untersucht. Ausgehend von der Bedarfsseite wird die Wärme-nachfrage in den Verbrauchssektoren (Haushalte, Gewerbe, Handel, Dienstleistung und Industrie) durch geeignete Indikatoren ermittelt. Die Entwicklung der Potenziale der Fernwärmenutzung zur Deckung der Wärmenachfrage leitet sich von der Entwicklung der Nutzwärmenachfrage ab. Die Untersuchung der regionalen Wärmebedarfsstrukturen erfolgt anhand acht unterschiedlicher Gemeindekategorien in die die Gemeinden Deutschlands nach ihrer Einwohnergröße eingeteilt wurden. Die ermittelten Werte der technisch erschließbaren Potenziale der Fernwärme-nutzung gehen als Obergrenzen der Fernwärmeversorgung in das entwickelte Energiesystemmodell TIMES-AREA ein. Mit Hilfe der modellgestützten Energiesystemanalyse wird die wirtschaftliche Fernwärmeversorgung und Entwicklung der KWK-Anlagen in den Gemeindekategorien aufgezeigt. Eine Szenarienanalyse stellt den Einfluss einer Förderung für den Ausbau von Fernwärmenetzen und der Minderung an Treibhausgasen auf den Einsatz von KWK-Anlagen dar. Im Subventionsszenario (SUB) liegen die Kosten der Fernwärmeversorgung um 30 % unter denen des Referenzszenarios (REF), das die Fortsetzung der Energiepolitik vom Ende des letzten Jahrzehnts beschreibt. Im Treibhausgasminderungsszenario (THG) ist ein Minderungspfad an Treibhausgasen gegenüber 1990 vorgegeben. Das von der Bundesregierung angestrebte Ziel den KWK-Strom bis 2020 auf einen Anteil von mindestens 25 % der Nettostromerzeugung zu erhöhen wird verfehlt: Die Anteile liegen 2020 bei 18,8 % (REF), 23,6 % (SUB) und 19,8 % (THG). In der Entwicklung bis 2050 findet die größte KWK-Stromerzeugung von 133 TWh in 2030 im Subventionsszenario statt. Erdgas-KWK-Anlagen tragen am meisten zur KWK-Stromerzeugung bei. Deren Anteile liegen zwischen 2010 und 2050 durchschnittlich bei 34,0 % (THG) und 65,3 % (SUB). Ab 2030 werden Erdgas-KWK-Anlagen zunehmend durch Biomasse- und Biogas-KWK-Anlagen verdrängt.Item Open Access Entwicklung eines global übertragbaren raumbezogenen Planungsinstruments für das integrierte urbane Wassermanagement(2014) Haller, Birgit E.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen in der Wasserwirtschaft wurde in dieser Dissertation ein standortangepasstes Planungsinstrument für eine nachhaltige Wasserver- und Abwasserentsorgung entwickelt. Das GIS-gestützte Bewertungssystem ermöglicht die Potenzialanalyse von siedlungsnahen Flächen für eine integrierte Nutzung der verfügbaren kommunalen Wasserressourcen. Zwei Untersuchungsgebiete in Deutschland dienten der Entwicklung der Analyseprozesse, deren Übertragbarkeit auf andere Regionen wurde im Staat São Paulo / Brasilien untersucht. Zunächst wurde eine Methodik erarbeitet zur regionalen Bewertung der Eignung von Landflächen für die Versickerung von aufbereitetem kommunalem Abwasser oder Regenwasser im Sinne einer gezielten Grundwasseranreicherung (regionale Eignungsanalyse). Dabei wurden Elemente der multikriteriellen Entscheidungsanalyse eingesetzt. Zur quantitativen Abschätzung des Potenzials zur Wasserwiederverwendung wurde eine Methodik zur Erfassung kommunaler Wasserressourcen und des Brauchwasserbedarfs entwickelt (Ertrags-Bedarfs-Analyse). Die Eignungs- sowie die Ertrags-Bedarfs-Analyse münden in standortbezogenen Szenarien der integrierten Wassernutzung.Item Open Access Entwicklung und Analyse einer selbstkühlenden und substratunabhängigen Beschichtung für technische Textilien unter Nutzung der energiefreien Strahlungskühlung(2024) Zimmermann, Lea; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Aufgrund des Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und des städtischen Wärmeinseleffekts (UHI) ist der Bedarf an Kühlenergie insbesondere in städtischen Gebieten gestiegen und wird voraussichtlich auch in Zukunft weiter zunehmen. Bisherige konventionelle Kühlsysteme für Gebäude wie Klimaanlagen basieren auf thermodynamischen Kreisläufen, die einen großen Teil des Strombedarfs ausmachen und gleichzeitig Abwärme und Kohlendioxid (CO2) an die Umwelt abgeben. Technologien wie die Strahlungskühlung bieten eine nachhaltige und energiefreie Lösung, indem sie die Wellenlängenbereiche der Atmosphäre, die für elektromagnetische Strahlung transparent sind, das so genannte atmosphärische Fenster (8-13 µm), nutzen, um Wärmestrahlung in den kälteren (3 K) Weltraum abzugeben. Durch die Entwicklung von Beschichtungen, die selektiv Wärme durch die Atmosphäre abstrahlen und weniger Sonnenwärme absorbieren, ist eine Abkühlung unter die Umgebungstemperatur auch tagsüber möglich. Während sich bisherige Veröffentlichungen im Bereich der textilen Gebäudekühlung auf spezifische Faserstrukturen und textile Trägermaterialien sowie komplexe Mehrschichtaufbauten konzentrierten, was den Einsatz für hochskalierte Außenanwendungen einschränkt, zielt diese Arbeit auf die Entwicklung einer neuartigen, substratunabhängigen Beschichtung mit spektral selektiven Strahlungseigenschaften hin. Durch die detaillierte Abstimmung von Beschichtungsparametern wie der Partikelkonzentration, verteilung und -größe in Kombination mit niedrig emittierenden und solarreflektierenden Partikeln sowie einem stark im mittleren Infrarot emittierenden Matrixmaterial, wird eine substratunabhängige Kühlung unter die Umgebungstemperatur erreicht, gezeigt am Beispiel von drei für den Membran- und Zeltbau typischen Gewebetypen. Darüber hinaus ist die Beschichtung so konzipiert, dass sie einfach auf verschiedene textile Materialien appliziert werden kann und gleichzeitig eine geringe Dicke aufweist, um hohe Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten. Um die Funktionsweise des entwickelten Beschichtungssystems weiter zu validieren, wurden Tests im Freien mit einem konzipierten Messaufbau durchgeführt, um Temperaturunterschiede und Kühlleistungen unter realen Wetterbedingungen zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Beschichtung (zwischen 7-19 Uhr) an einem heißen Sommertag um durchschnittlich 2 °C unter der Umgebungstemperatur liegt. Darüber hinaus wird ein thermisches Modell an textile Materialien angepasst und validiert, um die Kühlleistung für verschiedene Wetterszenarien zu simulieren und zu berechnen. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger textilbasierter Kühltechnologien und bietet eine vielversprechende Lösung für den wachsenden Bedarf an energieeffizienter Kühlung in städtischen Umgebungen.