04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Kraft-Wärme-Kopplung im Wärmemarkt Deutschlands und Europas : eine Energiesystem- und Technikanalyse(2014) Blesl, Markus; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Im Wärmemarkt stehen seit Jahren unterschiedlichste Wärmeversorgungstechnologien auf Basis fossiler und erneuerbarer Energieträger, sowie Strom und Fernwärme untereinander als auch mit Einsparoptionen im Wettbewerb. Ein Großteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland und der EU27 wird heute und zukünftig für die Deckung der Wärmenachfrage aufgewendet. Der Wärmemarkt steht damit im Fokus energiepolitischer und –wirtschaftlicher Fragestellungen. Ziel der Ausführungen ist es, mögliche Einflussfaktoren auf den Wärmemarkt in Deutschland und Europa zu analysieren. Die Auswirkungen hinsichtlich der Struktur der eingesetzten Energieträger und Technologien bis zum Jahr 2050 werden untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärme gelegt. Die Bewertung der KWK und Fernwärme und deren Vergleich zur getrennten Erzeugung hängen von der gewählten Versorgungsaufgabe ab. Entsprechend werden unterschiedliche Rangfolgen gekoppelter und ungekoppelter Wärmeversorgungstechnologien bei einer Analyse mit Hilfe von CO2-Vermeidungskosten, der ganzheitlichen Bilanzierung und einer para-metrisierten Versorgungsaufgabe ermittelt. Für die Beurteilung der energetischen, umweltseitigen und kostenseitigen Implikationen un-terschiedlicher Versorgungssysteme im Wärmemarkt wird eine detaillierte länderspezifische Untersuchung mittels einer Energiesystemanalyse durchgeführt. Hierfür wird das paneuropäi-sche Energiesystemmodell TIMES PanEU entwickelt, in welchem sowohl länderspezifische und sektoral differenzierte Versorgungstechnologien des Wärmemarktes als auch die beste-henden Versorgungsstrukturen modelliert sind. Die Entwicklung der Wärmenachfrage auf Nutzenergieebene wird basierend auf Simulationsergebnissen vorgegeben. So reduziert sich beispielsweise der spezifische Wärmebedarf des Gebäudebestandes in Deutschland bis zum Jahr 2050, trotz regulatorischer Vorgaben z. B. hinsichtlich des Gebäudestandards sowie de-ren Fortschreibung, aufgrund der aktuellen energetischen Sanierungszyklen und -quoten le-diglich auf Neubaustandard des Jahres 2007. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen mit dem Energiesystemmodell TIMES PanEU zeigen, dass fossile Energieträger in wesentlich größerem Maße als Elektrowärmeanwendungen und der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmemarkt von politischen Vorgaben (z.B. einem Treibhausgasminderungsziel) beeinflusst werden. Die Rolle der Fernwärme wird in erheblicher Weise dadurch bestimmt, ob diese quasi CO2-frei erzeugt werden kann. Optionen hierfür bestehen in Form von KWK-Anlagen auf Basis fossiler Energieträger mit CO2-Abscheidung und Speicherung, auf Basis von Geothermie oder Biomasse sowie durch Wärmepumpen und Solarthermie. Das technische und wirtschaftliche Potenzial dieser Erzeugungsoptionen ist ein limitierender Faktor für den Ausbau der Fern- und Nahwärmeversorgung in Deutschland.Item Open Access Verformungsinduzierte Selbstorganisation steifer Makromoleküle in thermotropen flüssigkristallinen Polymerschmelzen(2013) Geiger, Kalman; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Thermotrope flüssigkristalline Polymere werden bei ihrer thermoplastischen Verarbeitung im Spritzguss oder in der Extrusion den makroskopischen Deformationen Scherung und/oder Dehnung unterworfen. Makroskopische Deformationen bewirken die Entwicklung der für die flüssigkristalline Ordnung der Schmelze spezifischen Orientierungszustände steifer Stäbchenmoleküle und damit eine vom Verarbeitungsprozess empfindlich abhängige Anisotropie des thermoplastisch urgeformten LCP-Formteils. Das bei der Verarbeitung von LCP-Schmelzen ungelöste Problem besteht darin, dass der Ablauf der Orientierungs-vorgänge mit den makroskopischen Deformationen nichtaffin erfolgt und dabei das Fließverhalten der LCP-Schmelze von dem jeweils aktuellen lokalen Orientierungszustand der steifen Stäbchenmoleküle determiniert wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verknüpfung zwischen den makroskopischen Deformationen in der Scher- und/oder Dehnströmung und der durch sie induzierten Orientierungszustände in der anisotropen LCP-Schmelze zu finden. Mit Hilfe geeignet ausgewählter, in dem verarbeitungsrelevanten Schergeschwindigkeits- und Schubspannungs-bereich arbeitenden Rheometersysteme wird das komplexe, von den scher- und dehninduzierten Orientierungszuständen der Stäbchenmoleküle abhängige Fließverhalten der LCP-Schmelzen untersucht. Die für die thermotropen Hauptketten-LCPs spezifischen Orientierungsvorgänge, Defekte und Texturen werden im Ruhezustand und unter Schereinfluss mittels polarisationsoptischer Durchlichtverfahren analysiert. Unter Zugrunde-legung der für LC-Polymere relevanten Frank’schen Elastizitätstheorie und unter Berücksichtigung der topologischen Eigenschaften von Defekten und Texturen werden einfache Modelle für die Beschreibung der scherinduzierten Ausbildung von Orientierungs-zuständen und Defekten hergeleitet und die bei der rheologischen Charakterisierung der LCP-Schmelze beobachteten Phänomene mit diesem Modell beschrieben.Item Open Access Gas-solid reactions for energy storage and conversion(2022) Linder, Marc; Thess, André (Prof. Dr.)Reversible gas-solid reactions could offer relevant technological contributions to an energy system predominantly based on renewable energy. However, our current understanding of this technology is mainly based on fundamental material research and generic application concepts. Therefore, the first part of this work summarizes the current state of knowledge in order to identify unique advantages that could arise from reversible gas-solid reactions for energy storage and conversion. Starting with a technological differentiation between various reversible processes used for energy storage, a classification of different reactor designs and a generic approach for thermal integration and necessary reaction gas supply, three main directions are derived that currently seem most promising to transfer the specific properties of gas-solid reactions to technical systems: (1) open configurations to reduce system complexity, (2) utilization of available pressure differences to adjust the reaction temperature and (3) combination of abundant materials with the intrinsic possibility of lossless storage. Based on these considerations, the second part of this work summarizes our approach to transfer material properties to technical systems, e.g. by developing storages that utilize oxygen from air, by taking advantage of the pressure dependency of the reaction temperature of metal hydrides and salt hydrates or by combining the long-term energy storage possibility with abundant and costefficient reactants such as calcium oxide and water.Item Open Access Regenerative fixed-bed processes : approximative analysis and efficient computation of the cyclic steady state(2014) Kolios, Grigorios; Eigenberger, Gerhart (Prof. Dr.-Ing. habil.)The aim of the thesis is to combine heuristic knowledge with theoretical principles to a simple, comprehensive procedure for calculating the state of operation of regenerative fixed-bed processes and their parametric dependence. Regenerative fixed-processes are heat-, mass-transfer or reaction processes with fluids flowing through fixed-beds, where the fixed-bed is periodically exposed to changing fluid inlet conditions. Their principle of operation is relying on the phenomenon of travelling fronts. Travelling fronts occur during the transition state after a sudden change of the fluid inlet conditions, virtually flushing out the original state of the fixed-bed. The properties of travelling fronts can be described by a low number of characteristic variables, based on the wave theory. A second ingredient of the procedure is the equivalence in the behavior of regenerative and continuous countercurrent processes. A theoretically sound explanation of the equivalence relation is provided. Accordingly, the cyclic steady state of regenerative processes results from superposition of the steady state of the equivalent continuous process and the axial displacement caused by travelling fronts. The procedure is evaluated using the reverse-flow reactor as a representative test case. The reverse-flow reactor is a multifunctional reactor concept, originally designed to carry out weakly exothermic reactions in an autothermal mode of operation. The cyclic steady can be closely approximated by an explicit short-cut procedure. Further, the theory is applied to design a reverse-flow reactor for coupling endothermic with exothermic reactions. As attractive this concept seems on a first sight, the major challenge toward a viable implementation is the inherent tendency of endothermic and exothermic reaction zones to repel each other. The problem can be solved by imposing an axially distributed heat supply along the fixed-bed. A rational short-cut procedure is developed for specifying the major design parameters such as flow-rates, cycle period, axial structure of fixed-bed as well as an approximate solution for the cyclic steady state. Finally, the theory is useful in developing dedicated algorithms for detailed simulation and parametric analysis of cyclic processes. The underlying concept is to construct the exact solution by combining the approximate solution of the short-cut procedure with a minor correction term. The performance of these algorithms is demonstrated in the final part of the thesis. The developed methodical framework is directly applicable only to simple process configurations. Nevertheless, the fundamental insight gained from simplified modelling is useful for a rational design of complex, technically relevant configurations.