04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Aktuelle Situation und Trends im Europäischen und Deutschen Kraftwerksmarkt(2002) Voß, AlfredMit der Liberalisierung der Strommärkte in Europa im Jahr 1998 wurde ein Prozess des Wandels und der strukturellen Veränderungen eingeleitet, der in seiner Dynamik und Reichweite nur von wenigen vorausgesehen worden ist. Der mit der Aufhebung der rechtlich geschützten Versorgungsgebiete einsetzende Preis- und Veränderungswettbewerb hat zu Strompreiseinbrüchen sowohl bei den Großhandelspreisen wie auch bei den Endkundenpreisen geführt. Nachdem der Wholesale-Strompreis mit unter 18 Euro/MWh im Jahr 1999 sein tiefstes Niveau erreicht hatte, kam es in der Folgezeit zu einem Preisanstieg, der jedoch im Wesentlichen durch das Anziehen der Preise für Steinkohle, Erdgas und Öl bedingt war. Dem auch durch neue Marktteilnehmer härter gewordenen Wettbewerb sowie dem drohenden Margenverfall und Umsatzeinbußen begegnen die traditionellen Stromanbieter durch radikale Kostensenkungsprogramme, Umorganisationen, neue Produkte und Dienstleistungen, eine neue Kundenorientierung aber auch durch Fusionen, Übernahmen und Allianzen. Mit dem angestrebten europäischen Binnenmarkt für Energie verlieren die Grenzen zu unseren Nachbarn an Bedeutung. Dies erfordert EU-weite Kategorien und Handlungsstrategien. Diese werden derzeit noch dadurch erschwert, dass die Bedingungen für die Stromerzeugung in den einzelnen Mitgliedsstaaten der EU durchaus noch unterschiedlich sind. Angefangen von den Umweltanforderungen, der steuerlichen Belastung der Unternehmen, über direkte und indirekte staatliche Interventionen zugunsten einzelner Stromerzeugungstechnologien bis hin zu der Tatsache, dass es staatliche Unternehmen gibt, die von der ungleichgewichtigen Marktöffnung profitieren. Es ist offenkundig, dass der größte Druck der Liberalisierung und Deregulierung auf der Stromerzeugung lastet, denn die Wettbewerber kommen nicht nur aus Deutschland, sondern aus ganz Europa, d.h. die eigenen Erzeugungsanlagen stehen aus Unternehmenssicht in Konkurrenz mit denen der Wettbewerber. Kostensenkungsprogramme, Kapazitätsanpassungen aber auch neue operative Prozesse wie bilateraler und börslicher Stromhandel, Risikomanagement und Beschaffungsoptimierung sollen die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der bestehenden Kraftwerke sicherstellen. Nach der Konzentration auf die mehr kurzfristigen operativen Herausforderungen in den letzten Jahren, müssen sich die verbleibenden Akteure nun mit den längerfristigen Perspektiven, d.h. auch mit dem Zubau von Kraftwerksleistung beschäftigen, um den dauerhaften gewinnbringenden Fortbestand ihrer Unternehmen zu sichern. Auch aus dem Bereich der Elektrizitätswirtschaft häufen sich die Stimmen, die vor einem Mangel an Kraftwerksleistung und Versorgungsengpässen in Deutschland und Europa nach 2010 warnen, wenn nicht rechtzeitig ein Neubauprogramm in Angriff genommen wird.Item Open Access Leistungssteigerung einer Diffusions-Absorptionskältemaschine durch Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms(2021) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKMs mit Kälteleistungen bis ca. 100 W weit verbreitet. Eine DAKM in einem größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial beispielsweise für die Gebäudekühlung klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Im Gegensatz zu beispielsweise Kompressionskältemaschinen wird das Kältemittel einer DAKM nicht durch Drosselung auf einen niedrigeren Absolutdruck verdampft, sondern durch Partialdruckabsenkung in eine Hilfsgasatmosphäre verdunstet. Um kontinuierlich Kälteleistung zu erzeugen, muss das gasförmige Kältemittel in einem weiteren Prozessschritt wieder aus dem Hilfsgas absorbiert werden. Der Transport des Hilfsgas vom Verdunster zum Absorber im sogenannten Hilfsgaskreislauf beruht auf dem Dichteunterschied zwischen dem mit Kältemittel angereichertem und dem an Kältemittel armen Hilfsgas. Untersuchungen in der Literatur belegen die entscheidende Bedeutung einer Steigerung des Hilfsgasumlaufs für eine Erhöhung der Kälteleistung der DAKM. Es werden experimentelle Untersuchungen an einem Prototyp einer DAKM vorgestellt. Der Hilfsgasvolumenstrom wird kontinuierlich und eingriffsfrei mittels Clamp-On Ultraschallmessverfahren gemessen. Der Hilfsgasvolumenstrom kann sowohl durch Steigerung der Antriebskräfte als auch Reduzierung der Druckverluste im Hilfsgaskreislauf erhöht werden. Es werden Entwicklungsschritte des Prototyps zur Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms vorgestellt und evaluiert.Item Open Access Abschaltung von dezentralen Erzeugungsanlagen infolge von Unterspannungen im Kontext von LFSM-O(2022) Schöll, Christian; Lehner, Joachim; Weidner, Johannes; Lens, HendrikBei einer Überfrequenz jenseits von 50,2 Hz müssen sämtliche Erzeugungsanlagen ihre in das Netz eingespeiste Wirkleistung reduzieren. In den zumeist resistiv geprägten Verteilungsnetzen der Mittel- und Niederspannung führt diese überfrequenzbedingte Leistungsreduktion zu einer lokalen Absenkung des Spannungsprofils. Unterschreiten die Spannungen die Vorgaben aus den Netzanschlussbedingungen, unter denen dezentrale Erzeugungsanlagen die Verbindung zum Netz aufrechterhalten müssen, kann es zu unterspannungsbedingten Schutzabschaltungen kommen. Theoretisch könnten diese bei großflächigem Auftreten zu einer Umkehr des ursprünglichen Überfrequenzereignisses in ein Unterfrequenzereignis führen. Anhand von simulationsbasierten Untersuchungen wird in diesem Beitrag jedoch aufgezeigt, dass unter realitätsnahen Annahmen und unter Berücksichtigung der nationalen Richtlinien sowie der zugehörigen netzplanerischen Leitplanken kein besonderes Risiko hinsichtlich der Anregung der beschriebenen Wirkungskette vorliegt.Item Open Access Wettbewerbsfähigkeit der verschiedenen Stromerzeugungsarten im liberalisierten Markt(2000) Voß, AlfredMit dem Inkrafttreten der Neufassung des Energiewirtschaftsgesetzes am 29. April 1998, als nationale Umsetzung der EU-Binnenmarktrichtlinie, ist die deutsche Elektrizitätswirtschaft in den Wettbewerb entlassen worden. Die geschlossenen Versorgungsgebiete wurden beseitigt und der deutsche Strommarkt für ausländische Anbieter vollständig geöffnet. Damit wurde ein Prozeß des Wandels und struktureller Veränderungen eingeleitet, der in seiner Dynamik und Reichweite wohl nur von wenigen vorausgesehen worden ist. Der einsetzende Preis- und Verdrängungswettbewerb hat zu Strompreiseinbrüchen auf breiter Front geführt. Dem auch durch neue Marktteilnehmer härter gewordenen Wettbewerb sowie dem drohenden Margenverfall und Umsatzeinbußen versuchen die traditionellen Stromanbieter durch radikale Kostensenkungsprogramme, Umorganisationen, neue Produkte und Dienstleistungen, eine neue Kundenorientierung aber auch durch Übernahmen, Fusionen und Allianzen zu begegnen. Der größte Druck der Liberalisierung und Deregulierung lastet auf der Stromerzeugung. Es ist offenkundig, daß der die jetzige Phase der Marktentwicklung charakterisierende Verdrängungswettbewerb die Erzeugung besonders tangiert, zumal aus Unternehmenssicht die eigenen Erzeugungsanlagen in Konkurrenz mit dem Fremdbezug stehen. Angesichts dieser Situation stellt sich natürlich auch die Frage, wo stehen die verschiedenen Erzeugungsanlagen im Beschaffungswettbewerb oder wie ist die Wettbewerbsfähigkeit der verschiedenen Stromerzeugungstechniken im liberalisierten Markt zu beurteilen?Item Open Access DNS of multiple bubble growth and droplet formation in superheated liquids(2018) Loureiro, Daniel Dias; Reutzsch, Jonathan; Dietzel, Dirk; Kronenburg, Andreas; Weigand, Bernhard; Vogiatzaki, KonstantinaFlash boiling can occur in rocket thrusters used for orbital manoeuvring of spacecraft as the cryogenic propellants are injected into the vacuum of space. For reliable ignition, a precise control of the atomization process is required as atomization and mixing of fuel and oxidizer are crucial for the subsequent combustion process. This work focuses on the microscopic process leading to the primary break-up of a liquid oxygen jet, caused by homogeneous nucleation and growth of vapour bubbles in superheated liquid. Although large levels of superheat can be achieved, sub-critical injection conditions ensure distinct gas and liquid phases with a large density ratio. Direct numerical simulations (DNS) are performed using the multiphase solver FS3D. The code solves the incompressible Navier-Stokes equations using the Volume of Fluid (VOF) method and PLIC reconstruction for the phase interface treatment. The interfaces are tracked as multiple bubbles grow, deform and coalesce, leading to the formation of a spray. The evaporation rate at the interface and approximate vapour properties are based on pre-computed solutions resolving the thermal boundary layer surrounding isolated bubbles, while liquid inertia and surface tension effects are expected to play a major role in the final spray characteristics which can only be captured by DNS. Simulations with regular arrays of bubbles demonstrate how the initial bubble spacing and thermodynamic conditions lead to distinct spray characteristics and droplet size distributions.Item Open Access Effizienzsteigerung einer NH3/H2O-Absorptionskältemaschine : experimentelle Untersuchung eines Anlagenkonzepts mit Plattendesorber(2021) Haak, Luisa; Mirl, Nico; Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosBeim Absorptionskältemaschinen-Prozess wird die Antriebsenergie weitgehend in Form von Wärme zugeführt. Durch Verwendung von beispielsweise industrieller Abwärme oder von Wärme aus regenerativen Energieträgern zum Antrieb, ist mit Absorptionskältemaschinen (AKM) eine sehr klimaschonende Kälteerzeugung möglich. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden aktuell experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von NH3/H2O-Absorptionssystemen durchgeführt. Entwickelt wurde ein Desorber-Konzept mit einem direkt von der reichen Lösung durchströmten Plattenwärmeübertrager. Zur Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel wird ein Plattendephlegmator mit nachgeschaltetem Kondensatabscheider verwendet. Verglichen mit den verbreitet eingesetzten Desorbern in Behälterbauweise mit integrierter Rektifikationskolonne zeichnet sich das Desorber-Konzept mit Plattenwärmeübertrager durch eine sehr geringe Füllmenge sowie geringe Fertigungskosten aus. Ein Nachweis für die hohe Effizienz des Absorptionssystems mit Plattendesorber ist bereits für den Betrieb als Wärmepumpe im Rahmen des Projekts „Optimierung von Absorptionswärmepumpen zum Einsatz im Wärmenetz 4.0“ erbracht worden. In diesem Beitrag wird das Konzept des direkt durchströmten Plattendesobers auf die AKM übertragen. Es werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen vorgestellt und mit der AKM aus der Dissertation von Zetzsche verglichen. Da beim Anlagenkonzept mit Plattendesorber keine Rektifikation vorgesehen ist, wird eine Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel allein durch die Dephlegmation realisiert. Eine Herausforderung bei der Optimierung des verwendeten Plattendephlegmators zur Steigerung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel stellen die unterschiedlich großen Volumenströme der beiden Fluidströme, Kältemitteldampf und reiche Lösung, dar. Anhand von Thermographieaufnahmen wird die Temperaturverteilung über Plattendephlegmator analysiert. Zur Steigerung des übertragenen Wärmestroms wird einerseits ein Konzept für einen asymmetrischen Plattendephlegmator vorgeschlagen, andererseits wird die Orientierung des Plattendephlegmators diskutiert.Item Open Access Design- and simulation-based comparison of grid-forming converter control concepts(2021) Schöll, Christian; Lens, HendrikUntil now, the textbook example of voltage source behavior along with the provision of inertia is the behavior of the synchronous generator (SG). This can be explained by the historical success of large scale electrification with AC power systems, which is closely linked to the SG. Therefore, previously SG-based electrical power systems face significant challenges due to the shift towards renewable energy sources (RES). Being generally converter-based, these do not provide essential stabilizing properties as SG do. Consequently, beyond a certain share of this kind of generation, interconnected power system stability is at stake. If, on the other hand, the previous paradigm of converter control is changed, then system operation without any SG is possible. To this end, the converters have to exhibit essential voltage source properties as SG do. Such converters are then referred to as grid-forming converters (GFC). However, the dynamic behavior of GFC is not defined by physical properties as in the case of SG. It is defined by the grid-forming control concept only, providing a high degree of freedom for possible implementations. Taking advantage of this freedom, a wide range of different, but partly also similar or even equivalent grid-forming control concepts have been developed in recent years. Therefore, in this paper, ten of today's most discussed control concepts are compared. In this comparison, unique features, similarities and equivalences of the control concepts are shown. The focus is on the instantaneous and stationary behavior of the control concepts, which is analysed by means of a system-theoretical and simulative analysis. The insights gained from this comparison can be helpful for the functional specification, development and improvement of GFC, as the variety of control concepts can be better understood.Item Open Access Eisspeicher - Stand der Technik und Ansatzpunkte zur Optimierung der Beladung sowie deren Modellierung(2016) Oechsle, Ursina; Spindler, KlausItem Open Access Optimization potentials for the absorber and the generator of an ammonia-water absorption heat pump(2019) Mirl, Nico; Spindler, KlausExperimental investigations to identify optimization potentials of an ammonia-water absorption heat pump are performed. In this heat pump, both the absorber and the generator are designed as plate heat exchangers. At the inlet of the absorber, the weak solution is sprayed through a nozzle into the refrigerant vapor, thus creating a high surface for the mass transfer. The advantages of this system are a compact design and a low refrigerant filling quantity. The aim of these investigations is to identify and classify optimization potentials in heat and mass transfer in the absorber and generator. The potentials in heat transfer are determined using calculated temperature profiles. For an analysis of the mass transfer, the ammonia mass fractions of the strong and the weak solution are calculated with measured densities. By comparison with the theoretically possible ammonia mass fractions, a classification in the areas of heat or mass transfer is carried out for further optimization.Item Open Access Investigation of the nucleation temperature of different heat exchanger surfaces in an ice store(2019) Oechsle, Ursina; Spindler, Klaus