04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Strömungssimulation am IKE(1999) Becker, Sascha; Demuth, Rainer; Giese, Tobias; Heiken, Stefan; Niemann, Jens; Saptoadi, Dewanto; Laurien, EckartDie Simulation von Strömungen ist für die ingenieurmäßige Auslegung und die Sicherheitsanalyse von Energiesystemen, z.B. Kraftwerke, kern- oder klimatechnische Anlagen, von hoher Bedeutung. Die wachsende Relevanz des Forschungsgebietes Strömungssimulation in der Energietechnik wurde am Institut für Kernenergetik und Energiesysteme der Universität Stuttgart zum Anlaß genommen, die Abteilung Thermofluiddynamik zu gründen. Sie befaßt sich in Lehre und Forschung seit dem Sommer 1996 unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. E. Laurien mit der numerischen Simulation von Strömungen mit Wärmetransport und Turbulenz. Unter anderem werden Simulationen zweiphasiger Strömungen von z.B. Wasserdampf-Wasser oder Luft-Wasser durchgeführt. Von grosser Bedeutung sind hierbei Phasenaustauschvorgänge durch Schmelzen, Sieden und Kondensation, welche neben der numerischen Simu-lation von Blasenströmungen ein wichtiges Forschungsgebiet am IKE darstellen.Item Open Access Nachhaltigkeit in der Energieversorgung - relevante Stromerzeugungstechniken auf dem Prüfstand(1998) Voß, AlfredDas Leitbild einer "Nachhaltigen Entwicklung" (sustainable development) hat in den letzten Jahren eine erstaunliche Karriere gemacht. Seit der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung (UNCED) in Rio de Janeiro 1992 ist das Ziel einer nachhaltigen Entwicklung das zentrale Leitbild der internationalen umwelt-, wirtschafts- und entwicklungspolitischen Diskussion, das wirtschaftliche Entwicklung zur Überwindung von Hunger und Armut, und die Schaffung humaner Lebensbedingungen sowie den Erhalt der natürlichen Lebensgrundlagen miteinander verbinden will. Auch in die energiepolitische und energiewirtschaftliche Diskussion hat das Leitbild einer nachhaltigen Entwicklung mittlerweile verstärkt Eingang gefunden. Obwohl festzustellen ist, daß das Leitbild einer nachhaltigen Entwicklung auch über die verschiedenen gesellschaftlichen Gruppen hinweg eine breite prinzipielle Zustimmung findet, so spannen doch die Vorstellungen und Interpretationen des Leitbildes, sowohl hinsichtlich ihrer normativen bzw. theoretisch-naturwissenschaftlichen Fundierung als auch hinsichtlich ihrer abgeleiteten Handlungsziele bzw. Handlungsanweisungen - dies gilt gerade für den Energiebereich - eine große Bandbreite auf. Dies birgt nicht nur die Gefahr, daß dieses Leitbild von verschiedenen Interessengruppen instrumentalisiert wird, sondern auch, daß falsche Weichenstellungen vorgenommen werden. Aus diesem Grund erscheint es notwendig, auch wegen der essentiellen Bedeutung, die der Energieversorgung für eine nachhaltige Entwicklung zukommt, sich über die Konkretisierung des Leitbildes zu verständigen, um die Energieversorgungsoptionen, aber auch die energiepolitischen Vorstellungen, diesbezüglich einordnen zu können.Item Open Access Energie und Klima - Wirtschaftsverträglicher Klimaschutz, die Quadratur des Kreises?(1996) Voß, AlfredDie Vermeidung nicht tolerierbarer Klimaveränderungen und die Sicherung des Wirtschaftsstandortes Deutschland sowie die Schaffung ausreichender Arbeit stellen zentrale Herausforderungen dar, denen wir an der Schwelle zum dritten Jahrtausend gegenüberstehen. Diese Herausforderungen haben einen direkten Bezug zur Energieversorgung, da der überwiegende Teil der anthropogenen Treibhausgasemissionen aus der Energieversorgung stammt und da die Sicherung des Wirtschaftsstandortes und die Schaffung zukunftsfähiger Arbeitsplätze in einem stärker werdenden internationalen Wettbewerb ohne eine leistungsfähige Energieinfrastruktur und wettbewerbsfähige Energiepreise nicht gelingen wird. Der Intergovernmental Panel on Climate Change hat in seinem Anfang 1996 erschienenen zweiten Bericht über den gegenwärtigen Wissensstand zur Klimabeeinflussung festgestellt, daß sich das Klima in den letzten hundert Jahren verändert hat. Die globale mittlere Temperatur ist um 0,3 bis 0,6 °C und der Meeresspiegel zwischen 10 und 25 cm angestiegen. Die letzten zehn Jahre waren die wärmsten seit 1860. Er kommt zu der Schlußfolgerung, daß es bei Bewertung aller Kenntnisse einen erkennbaren menschlichen Einfluß auf das Klima gibt. Es sei unwahrscheinlich, daß die signifikanten Änderungen wichtiger Klimaparameter ausschließlich natürlichen Ursprungs sind. Diese Feststellungen sollen hier nicht hinterfragt werden, sondern es wird davon ausgegangen, daß ein Handlungsbedarf besteht, um nicht tolerierbare Klimaveränderungen mit ihren weitreichenden Konsequenzen zu vermeiden.Item Open Access PlaNet : ein entscheidungsunterstützendes System für die Energie- und Umweltplanung(1998) Schlenzig, Christoph; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Strategische Energieplanung soll durch eine systematische und zukunftsbezogene Analyse Wege zu einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Energieversorgung aufzeigen. Diese Arbeit gibt einen Überblick über aktuelle entscheidungsunterstützende Planungsinstrumente und stellt das neue Instrument PlaNet für die strategische Energie- und Umweltplanung vor. Das Planungsinstrument PlaNet unterstützt das methodische Konzept der strukturierten Planung von der Definition der Problemstellung über die Modellierung bis hin zur Erfolgskontrolle. Die Daten stehen im Mittelpunkt des Planungsprozesses und werden in einer relationalen Datenbank zentral verwaltet. Energiesysteme werden in PlaNet mit dem Konzept des Referenzenergiesystems (RES) modelliert, einer Netzwerkdarstellung der Topologie der Energieflüsse. Durch die Trennung von Topologie des Energiesystems, Datenverwaltung und mathematischer Struktur des Modells konnte zum erstenmal ein standardisiertes Informationssystem für Energiesystemmodelle entwickelt werden. Simulationsmodule berechnen Energie-, Schadstoff- und Kapazitätzsbilanzen für beliebige Energiesysteme und ermitteln anhand der Investitionskosten, Brennstoffkosten, fixen und variablen Betriebskosten die über den Beobachtungszeitraum abdiskontierten Gesamtkosten des Energiesystems. Um Transparenz und Nachvollziehbarkeit der Planung zu erhöhen und eine regelmäßige Aktualisierung der Modellierung zu erleichtern, ermöglicht PlaNet die umfangreiche Dokumentation der Modellierungsarbeiten. PlaNet ist modular aufgebaut und integriert unter einer einheitlichen Bedienoberfläche ein Datenbanksystem, Simulationsmodule sowie entscheidungsunterstützende Werkzeuge für Szenariomanagement, Datenanalyse und multikriterielle Bewertung. PlaNet ist ein ideales Werkzeug für die strategische Analyse und die Erfolgskontrolle im Bereich der Energie- und Umweltplanung.Item Open Access Analyse eines Vielstrahl-Wellenleiters zur Übertragung hoher Mikrowellenleistungen(1999) Empacher, Lars; Schumacher, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Analyse der optischen Eigenschaften eines Spiegelsystems, welches gleichzeitig die Übertragung mehrerer quasioptischer Strahlen erlaubt. Dieser Vielstrahl-Wellenleiter ist eine elegante Alternative zum konservativen Design aus vielen einzelnen Übertragungsleitungen, da Aufwand und Kosten erheblich reduziert sind bei sehr geringen Einbußen der Abbildungsqualität und unter Erhalt der vollen Breitbandigkeit einer quasioptischen Leitung. Der Wellenleiter wurde mit numerischen Methoden, experimentell und nicht zuletzt analytisch untersucht. Es fand sich jeweils eine sehr gute Übereinstimmung. Günstige optische Eigenschaften ergeben sich, wenn vier Spiegel gleicher Brennweite konfokal angeordnet werden, wobei sie entweder die Ecken eines Quadrates bilden oder in Zick-Zack-Anordnung stehen. Ein solches System wird eingesetzt werden in einer Anlage zur Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung eines magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmas. Hier müssen zehn Millimeterwellenstrahlen mit 70-140GHz und Leistung im Megawattbereich über circa 50 Meter transmittiert werden. Außerdem wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem ein beliebiges paraxiales Mikrowellenfeld mit Hilfe von zwei phasenkorrigierenden Spiegeln, hergestellt auf der Basis von Thermobildern, an die Übertragungsleitung angepasst, das heißt in einen gaußschen Strahl umgewandelt wurde.Item Open Access EcoSense 2.0 : user´s manual(1999) Heck, Thomas; Krewitt, Wolfram; Malthan, Dirk; Mayerhofer, Petra; Pattermann, Frank; Trukenmüller, Alfred; Ungermann, Ralf; Friedrich, RainerThe User's Manual explains how to use the Windows software EcoSense 2.0. Within the framework of ExternE, a research project supported by the European Commission, a method for estimating environmental impacts and external costs caused by electricity generation has been developed. The method has been implemented in the EcoSense model by the Institute of Energy Economics and the Rational Use of Energy (IER), University of Stuttgart. EcoSense 2.0 enables the user to calculate the impacts on human health, crops, ecosystems, forests and materials in Europe due to air emissions from a power plant.Item Open Access Einbindung des ECOLOG-Modells "E3Net" und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)(1998) Schaumann, Peter; Blesl, Markus; Böhringer, C.; Fahl, Ulrich; Kühner, R.; Läge, E.; Molt, S.; Schlenzig, Christoph; Stuible, Achim; Voß, AlfredZiel des Forschungsvorhabens „Einbindung des ECOLOG-Modells ‘E³Net’ und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)' war es, veschiedene Modellbildungsansätze und Werkzeuge für die energiewirtschaftliche Analyse zu einem Instrumentarium zusammenzufügen. Dazu wurde auf die Projekte IKARUS „Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien' und ECOLOG „Entwicklung eines Computermodells mit linearer Optimierung zur Abbildung eines regionalisierten Energiesystems am Beispiel Gesamtdeutschlands' aufgebaut. Das Projekt ECOLOG II umfaßt Weiterentwicklungen in den folgenden sechs Aufgabenbereichen: (1) Integration von E³Net in das IKARUS-Instrumentarium; (2) Nichtlineare Modellansätze für E³Net; (3) Makroökonomische Erweiterung von E³Net; (4) Entwicklung und Anwendung eines multisektoralen Energiewirtschaftsmodells NEWAGE; (5) Entwicklung eines Simulationsansatzes für Energiesystemmodelle PlaNet; (6) Erweiterung der Analysemöglichkeiten von NetWork. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden eine Kopplung der FIZ-Technik-Datenbank an die Datenbank NetWork, eine Verbindung der FIZ-LP-Datenbank mit NetWork, eine Überführung des IKARUS-LP-Datensatzes in eine Fallstudie für das optimierende Energiesystemmodell E³Net, ein optimierendes Energiesystemmodell mit preiselastischer Nachfrage E³Micro, ein Gleichgewichtsmodell NEWAGE, das prototypisch ein prozeßtechnisches Energieversorgungsmodell in ein übergeordnetes gesamtwirtschaftliches Modell integriert, ein Simulationsmodell PlaNet sowie ein Netzwerkdesigner und -analyst (NDA) realisiert und durch exemplarische Fallstudien, die im Kontext des IKARUS-Instrumentariums stehen, getestet.Item Open Access Verfeuerung von Biomasse als Option zur Minderung der energieverbrauchsbedingten CO2-Emissionen(1996) Hein, Klaus R. G.; Spliethoff, Hartmut; Siegle, Volker; Heinzel, TimmVorwiegend in den industrialisierten Ländern wurden zur Minderung des Treibhauseffektes Beschlüsse zur Stabilisierung beziehungsweise Reduzierung der CO2-Emissionen gefaßt. In Deutschland sollen bis zum Jahre 2005 die CO2-Emissionen um 25 Prozent unter das Niveau von 1987 gesenkt werden. Um dieses hochgesteckte Ziel zu erreichen, sind alle Möglichkeiten einer CO2-Reduzierung auszuschöpfen. Neben einer rationelleren Nutzung der Energie, wie zum Beispiel durch Wirkungsgradsteigerungen bei der Stromerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung, müssen in Zukunft auch die Möglichkeiten einer regenerativen Energieerzeugung, u.a. auch der Einsatz von Biomasse, genutzt werden. Die Produktion von Biomasse und deren thermische Nutzung stellt einen zeitlich geschlossenen CO2-Kreislauf dar, da während der Wachstumsphase der Pflanzen der Luft die CO2-Menge entzogen wird, die bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Eine Abschätzung der CO2-Bilanz zeigt, daß unter Berücksichtigung aller Aufwendungen für Brennstoffproduktion und Transport vergleichend zur Verbrennung von Steinkohle die CO2-Emissionen wesentlich gemindert werden können. Biomasse zur thermischen Nutzung weist sowohl ein beachtliches Potential als auch ein im Vergleich zu anderen regenerativen Energien günstiges Kostenniveau auf. Als mögliche Brennstoffe kommen sowohl Reststoffe aus Forst- und Landwirtschaft, wie Holz und Stroh, als auch speziell angebaute nachwachsende Rohstoffe wie Miscanthus Sinensis, Getreideganzpflanzen, Pappeln oder Weiden in Frage. Das Potential allein der Reststoffe wird mit etwa drei bis fünf Prozent des deutschen Primärenergieverbrauches angegeben. Spitzenreiter der Biomassenutzung in Europa ist gegenwärtig Österreich, wo etwa 12 Prozent des Primärenergieverbrauches im wesentlichen durch Nutzung von Holz gedeckt werden.Item Open Access Nachhaltige Entwicklung ohne Kernenergie?(1999) Voß, AlfredDas Leitbild einer 'Nachhaltigen Entwicklung' (sustainable development) hat in den letzten Jahren eine erstaunliche Karriere gemacht. Auch in die energiepolitische und energiewirtschaftliche Diskussion hat das Leitbild einer nachhaltigen Entwicklung mittlerweile verstärkt Eingang gefunden. So z.B. betont auch die neue Bundesregierung, daß ihre Energiepolitik sich am Leitbild der Nachhaltigkeit orientiert. Sie bezeichnet den Ausstieg aus der Kernenergie als Einstieg in eine 'nachhaltige, das heißt wirtschaftlich leistungsfähige, sozial gerechte und ökologisch verträgliche Entwicklung'. Obwohl festzustellen ist, daß das Leitbild einer nachhaltigen Entwicklung auch über die verschiedenen gesellschaftlichen Gruppen hinweg eine breite prinzipielle Zustimmung findet, so spannen doch die Vorstellungen und Interpretationen des Leitbildes, sowohl hinsichtlich ihrer normativen bzw. theoretisch-naturwissenschaftlichen Fundierung als auch hinsichtlich ihrer abgeleiteten Handlungsziele bzw. Handlungsanweisungen - dies gilt gerade für den Energiebereich - eine große Bandbreite auf. Aus diesem Grund erscheint es, auch wegen der essentiellen Bedeutung, die der Energieversorgung für eine nachhaltige Entwicklung zukommt, notwendig, sich über die Konkretisierung des Leitbildes zu verständigen, um die Energieversorgungsoptionen, aber auch die energiepolitischen Vorstellungen diesbezüglich einordnen zu können.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.