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 Mathematische Modellbildung und numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Blasenströmungen(2004) Sokolichin, Alexander; Eigenberger, Gerhart (Prof. Dr.-Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen Modells, das eine zutreffende und effiziente numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Reaktoren mit Blasenströmungen ermöglicht. Da ein mathematisches Modell aus einem System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen besteht, die auf numerischen Wege gelöst werden,ist die Validierung des Modells nur dann möglich, wenn die Simulationsergebnisse nicht zu sehr durch numerische Fehler beeinflußt werden. Bei der numerischen Behandlung der partiellen Differentialgleichungen stellt die Diskretisierung der konvektiven Terme ein besonders schwieriges Problem dar. Während die linearen Verfahren erster Ordnung an einem hohen numerischen Fehler infolge der numerischen Diffusion leiden, führen die linearen Verfahren höherer Ordnung zu einem unphysikalischen Verlauf der Lösungsprofile. Wegen der auftretenden Oszillationen im Lösungsprofil können diese Verfahren zum Lösen von konvektionsdominanten Problemen nicht eingesetzt werden, wenn die zu transportierende Größe physikalisch keine negativen Werte annehmen darf (wie z.B. Konzentration, Gasgehalt, turbulente kinetische Energie usw.). In der letzten Zeit wurde eine Reihe von neuen nichtlinearen Diskretisierungsverfahren entwickelt, die auf dem sog. TVD-Konzept (Total Variation Diminishing) basieren. Sie liefern oszillationsfreie Profile und sind auf glatten Lösungen bis zur dritten Ordnung genau. Eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem TVD-Konzept ist ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit. Da die TVD-Verfahren nicht nur zur Berechnung von Zweiphasenströmungen sondern auch allgemein zur Diskretisierung von beliebigen konvektionsdominanten Gleichungen eingesetzt werden können, und damit für ein breites Spektrum verfahrenstechnischer Anwendungen von Interesse sind, werden sie im ersten Teil der Arbeit behandelt. Zunächst wird am Beispiel einer eindimensionalen linearen Konvektionsgleichung mit einer konstanten Konvektionsgeschwindigkeit die Herleitung der TVD-Diskretisierung ausführlich erläutert. Anschließend wird die Verallgemeinerung des TVD-Konzepts auf komplexere lineare und nichtlineare ein- und mehrdimensionale hyperbolische Gleichungen diskutiert. Dabei werden die Vorteile der TVD-Verfahren gegenüber den linearen Diskretisierungsmethoden an 11 Testfällen veranschaulicht. Die Fragen der Modellbildung und numerischen Simulation von blaseninduzierten Strömungen werden dann im zweiten Teil dieser Arbeit behandelt. Zur Diskretisierung der Modellgleichungen werden die im ersten Teil entwickelten TVD-Verfahren eingesetzt. Ausgehend von einem sogenannten Basismodell des Euler-Euler-Typs, das nur solche Terme im Modell berücksichtigt, deren Existenz und mathematische Darstellung weitgehend akzeptiert ist, wird das Modell im engen Wechselspiel mit Experimenten validiert und weiterentwickelt. Es werden dazu unterschiedliche Konfigurationen von lokal begasten Blasensäulen, Schlaufenapparaten und gleichmäßig begasten Blasensäulen simuliert. Zu den ausführlich untersuchten Fragen gehört der Einfluß der unterschiedlichen Kräfte, insbesondere der Widerstandskraft, der "added mass force" und der "lift force" auf die Blasenbewegung, sowie die Frage der Erfassung und der Auswirkung von Turbulenz in der Gas-Flüssigkeitsströmung. Die Turbulenz äußert sich dabei zum einen in der Erhöhung der effektiven Viskosität der Flüssigphase und zum anderen in der Dispersion der Gasblasen, wobei die Gasblasen selber maßgeblich zur Turbulenz in der Flüssigphase beitragen. Als Ergebnis folgt, daß das typisch instationäre Strömungsverhalten in lokal begasten Blasensäulen mit niedrigem Gasgehalt gut vorhergesagt werden kann, wenn die instationären, dreidimensionalen Modellgleichungen mit den entwickelten numerischen Verfahren gelöst werden. Dazu reicht bei lokaler Begasung ein Turbulenzansatz nach dem Standard-k-epsilon-Modell aus. Bei vollständiger Begasung und höherem Gasgehalt muß dagegen die blaseninduzierte Turbulenz mitberücksichtigt werden. Bisherige Modellansätze dafür erlauben zwar eine zutreffende Beschreibung nach vorheriger Anpassung der entsprechenden Modellparameter aber noch keine sichere Vorausberechnung.Item Open Access Biomimetische Grenzflächen mittels hierarchisch strukturierter Systeme zur molekularen Erkennung(2004) Tovar, Günter; Roduner, Emil (Prof. Dr.)So genannte biomimetische Grenzflächen wurden mit Hilfe synthetischer und biologischer Materialien als hierarchisch strukturierte Multischichtsysteme aufgebaut, chemisch und strukturell analysiert und für molekulare Erkennungsreaktionen eingesetzt. Als funktionelle Schichten an der Festkörperoberfläche ahmen die synthetischen Konstrukte das biologisch zentrale Prinzip der molekularen Erkennung an der Fest/Flüssig-Grenzfläche nach. Über drei unterschiedliche Wege wurden biologische Makromoleküle mit spezifischen Bindestellen chemisch kontrolliert an ultradünn organisch beschichteten anorganischen oder polymeren Festkörperoberflächen verankert. Alternativ dazu wurden synthetische Bindestellen während der Synthese polymerer Festkörper durch molekulares Prägen induziert. Die so erzeugten Funktionsmaterialien wurden entweder unmittelbar in bioanalytischen Verfahren eingesetzt oder zunächst zu mesoskopischen Strukturen weiterverarbeitet und dann als bioanalytische Funktionselemente verwendet. Die zur Oberflächenfunktionalisierung eingesetzten Moleküle, der Verlauf der Oberflächenreaktionen sowie die molekülspezifischen Bindeereignisse an den Oberflächen wurden mit Hilfe von auf die jeweiligen Materialien spezifisch angepassten Untersuchungsmethoden charakterisiert. Zur Analyse der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Einzelmoleküle sowie deren Eigenschaften wurden Experimente mit Hilfe von FT-IR-Spektroskopie, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie, Isotherme Titrationsmikrokalorimetrie (ITC), Verbrennungselementaranalyse (EA), MALDI-TOF-MS, Wilhelmy-Waage-Grenzflächenspannungsmessungen und der Langmuir-Blodgett-Filmwaage durchgeführt. Die Kolloide wurden mit Hilfe von Dynamischer Lichtstreuung (DLS), Zetapotenzialmessungen, ITC, Partikelladungstitrationsmessungen (PCD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM/TEM), konfokaler Fluoreszenzmikroskopie, 1H- und 13C-NMR, EA und MALDI-TOF-MS untersucht. Zur Charakterisierung der planaren Oberflächen wurden Untersuchungen mittels Null-Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Kontaktwinkelmessungen, Optische Wellenleiterspektroskopie sowie AFM, REM, Licht- und Fluoreszenzmikroskopie durchgeführt. Durch den Einsatz dieses reichen Methodenspektrums konnten weitreichende Einsichten in Entstehung, Struktur und biomimetische Funktion der beschriebenen hierarchisch aufgebauten Materialien gewonnen werden. Die Molekül-spezifisch bindenden Oberflächen wurden nach zwei grundsätzlich verschiedenen Prinzipien aufgebaut: Entweder wurden durch chemische Prozesse an der Oberfläche reaktive Gruppen kontrolliert verankert, die mit Hilfe einer weiteren Reaktion biologische Rezeptormoleküle unter Erhalt deren biologischer Aktivität an der Oberfläche immobilisieren. Oder es wurden während der Entstehung der Festkörperoberfläche synthetische Erkennungsstellen für biologische Ligandenmoleküle durch eine Templatpolymerisation dargestellt. Diese chemischen Reaktionen zur Ausstattung der Oberflächen für die molekulare Erkennung fanden an sphärischen Kolloiden oder makroskopisch ausgedehnten planaren Trägern statt. Weiterhin wurden die mit molekularer Erkennungsfunktion ausgestatteten Kolloide zu Schichten an planaren Trägern abgeschieden. Dabei wurden diese Schichten mikrostrukturiert, so dass lateral aufgelöste Mikrostrukturen mit multifunktionaler Oberfläche entstanden. Die Kolloid-Multischichtsysteme wurden als Funktionselemente in bioanalytischen Verfahren zur spezifischen Molekülbindung eingesetzt. Kompositmembranen mit molekular erkennenden Kolloiden als Selektoren wurden zur spezifischen Festphasenextraktion in Membranverfahren eingesetzt. Die hier präsentierte Forschung an den dargestellten neuartigen nanoskopisch strukturierten Systemen führt zu einem weitreichenden Erkenntnisgewinn über die Struktur-Funktionsbeziehungen chemischer Systeme mit molekularer Erkennungsfunktion. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum weitergehenden Verständnis chemischer Funktionsmaterialien und erlaubt eine Erweiterung der Methoden zur Oberflächen-gestützten Analyse von Proben biologischen Ursprungs.Item Open Access Experimentelle und numerische Beschreibung katalytischer Zünd- und Verbrennungsprozesse(1999) Behrendt, Frank; Maas, Ulrich (Prof. Dr.)In der hier vorgestellten Arbeit wird ein räumlich eindimensional behandelbares Modellsystem für die numerische Simulation und experimentelle Untersuchung der katalytischen Zündung und Verbrennung für verschiedene Brennstoffe und Katalysatoren vorgestellt. Darüberhinaus wird die Anwendbarkeit von Modell und Rechenprogramm für die Materialdeposition aus einer reaktiven Gasphase am Beispiel der Diamantabscheidung erfolgreich demonstriert. Das Rechenprogramm löst hierbei die zeitabhängigen Navier-Stokes-Gleichungen für eine Staupunktströmung, die auf eine reaktive Oberfläche gerichtet ist. Die Beschreibung der Oberflächenreaktionen und der daraus resultierenden Wärmefreisetzung bilden die Randbedingungen für die Integration der Erhaltungsgleichungen in der Gasphase. Auf der Oberfläche wie in der Gasphase wird das chemische Geschehen unter Zuhilfenahme detaillierter Mechanismen aus Elementarreaktionen beschrieben. Der Transport in der Gasphase sowie zwischer dieser und der Oberfläche wird durch ein vereinfachtes Multikomponenten-Transportmodell, das auch die Thermodiffusion berücksichtigt, erfaßt.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.