04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Global potentials and costs of synfuels via Fischer-Tropsch process(2023) Buchenberg, Patrick; Addanki, Thushara; Franzmann, David; Winkler, Christoph; Lippkau, Felix; Hamacher, Thomas; Kuhn, Philipp; Heinrichs, Heidi; Blesl, MarkusThis paper presents the potentials and costs of synthetic fuels (synfuels) produced by renewable energy via PEM water electrolysis and the subsequent Fischer-Tropsch process for the years 2020, 2030, 2040, and 2050 in selected countries across the globe. The renewable energy potential was determined by the open-source tool pyGRETA and includes photovoltaic, onshore wind, and biomass. Carbon dioxide is obtained from biomass and the atmosphere by direct air capture. The potentials and costs were determined by aggregating minimal cost energy systems for each location on a state level. Each linear energy system was modelled and optimised by the optimisation framework urbs. The analysis focused on decentralised and off-grid synthetic fuels’ production. The transportation costs were roughly estimated based on the distance to the nearest maritime port for export. The distribution infrastructure was not considered since the already-existing infrastructure for fossil fuels can be easily adopted. The results showed that large amounts of synthetic fuels are available for EUR 110/MWh (USD 203/bbl) mainly in Africa, Central and South America, as well as Australia for 2050. This corresponds to a cost reduction of more than half compared to EUR 250/MWh (USD 461/bbl) in 2020. The synfuels’ potentials follow the photovoltaic potentials because of the corresponding low levelised cost of electricity. Batteries are in particular used for photovoltaic-dominant locations, and transportation costs are low compared to production costs.Item Open Access Energie und Klima: ist eine klimaverträgliche Energieversorgung erreichbar?(1991) Voß, AlfredUnter den Wissenschaftlern besteht weltweit Übereinstimmung, daß durch menschliche Tätigkeit freigesetzte Spurengase das Klima verändern. Unter diesen Spurengasen nimmt CO2 eine herausragende Rolle ein. Es gilt also, den CO2-Ausstoß zu verringern. Der Autor stellt die durch Energieumwandlungen entstehenden CO2-Emissionen vor und beschreibt mehrere Möglichkeiten einer CO2-Minderung. Hierbei geht er insbesondere auf die CO2-Reduktionsstrategien ein, wie sie für die Bundesrepublik Deutschland im Rahmen der Enquete-Kommission "Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre" erarbeitet wurden.Item Open Access Rationelle Stromanwendung in den Haushalten(1994) Baur, Jürgen F.; Bonhoff, Claudia; Fahl, Ulrich; Voß, AlfredDas Projekt "Klimaverträgliche Energieversorgung in Baden-Württemberg" soll in zwei Phasen durchgeführt werden. Ziel der ersten Phase des Projektes ist es, - vorwiegend technologisch orientierte - Gutachten zu erstellen, die die Basis für die in der zweiten Phase zu erarbeitenden Szenarien bilden sollen. Das Projekt gliedert sich in insgesamt 16 Einzelgutachten, in denen Energieträger, Energieumwandlung und Endnutzung der Energie näher untersucht werden. Im Einzelgutachten "Rationelle Stromanwendung im Haushalt" werden Technikanalysen für Haushaltsgeräte erstellt, die nicht der Raumwärme- oder Brauchwasserbereitstellung dienen. Die Analysen werden für sechs unterschiedliche Energiedienstleistungen (EDL) durchgeführt: Kühlen und Gefrieren (EDL "Kühlen und Gefrieren", vgl. Kapitel 4), Kochen (EDL "Warme Mahlzeit", vgl. Kap. 5), Waschen und Trocknen (EDL "Gewaschene Wäsche", "Getrocknete Wäsche", vgl. Kap. 6), Spülen (EDL "Gespültes Geschirr", vgl. Kap 7), Beleuchtung (EDL "Beleuchtete Wohnung", vgl. Kap 8), Betrieb von Kleingeräten (vgl. Kap. 9).Item Open Access Strategien zur Reduktion der energiebedingten CO2-Emissionen(1992) Voß, AlfredEine robuste und flexible Politik zur Minderung der energiebedingten Treibhausgase sollte entsprechend dem Effizienzgebot zunächst die CO2-Minderungsmöglichkeiten, deren ökonomischer Nutzen allein schon größer ist als ihre Kosten, ausschöpfen. Die Ausnutzung der hier vorhandenen Treibhausgasminderungspotentiale erlaubt es der Bundesrepublik Deutschland und den anderen Industrieländern auch, eine Schrittmacherrolle zu übernehmen, ohne die Volkswirtschaft einseitigen Belastungen auszusetzen. Schritte und Maßnahmen in dieser Richtung tragen dabei gleichzeitig zur Realisierung mehrer Ziele, wie der Reduzierung der sonstigen Schadstoffbelastungen der Luft, der Preiswürdigkeit der Energie und der Ressourcenschonung bei. Eine effizienzorientierte Treibhausgasminderungspolitik wird dabei auf keine der vorhandenen Optionen, die einen spürbaren Beitrag zur CO2-Reduktion leisten können, verzichten können.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 Integrierte Ressourcenplanung und Least Cost Planning - neue Anwendungsbereiche für die Optimierung(1994) Voß, Alfred; Hoecker, HildegardIRP ist ein Planungsprozeß, in dem alle Möglichkeiten der Strombereitstellung sowie der Beeinflussung der Nachfrage (Nachfragemanagement) nach gleichen Kriterien gegeneinander abgewogen werden. Das heißt: Wenn es kostengünstiger ist, Energie einzusparen, sollen vorrangig Investitionen in die Verringerung des Energieverbrauchs getätigt werden, statt Strom zu produzieren bzw. neue Kraftwerke zu bauen. Ziel des Planungsprozesses ist die kostenminimale Bereitstellung der Energiedienstleistung durch eine optimale Kombination von strombereitstellenden und nachfragebeeinflussenden Maßnahmen. Der zu deckende Energie- bzw. Strombedarf wird demnach nicht als gegeben hingenommen, sondern als direkt beeinflussbar angesehen.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 Air pollution control strategies : a comparative analysis for Poland and the Federal Republic of Germany(1990) Balandynowicz, Henryk W.; Cofala, Janus; Parczewski, Zygmunt; Schmid, Günter; Voß, AlfredThe study has four main objectives, namely: - to describe and compare the energy and environmental situation in Poland and in the FRG, - to develop and compare energy-environment models for Poland and for the FRG, - to elaborate emission control strategies for the next twenty years for Poland and for the FRG, - to perform a comparative analysis. The study refers to two countries being very different in many aspects. Different levels of development and a different economic system are basic causes of differences concerning the way in which energy is used.Item Open Access Regenerative Energiequellen im Spannungsfeld zwischen öffentlichen Erwartungen und technisch-ökonomischer Realität(1987) Voß, AlfredDer Verfasser macht den Versuch, den Stand der Entwicklung, die Entwicklungsperspektiven sowie die noch bestehenden Probleme derjenigen Techniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen aufzuzeigen, die für die Bundesrepublik Deutschland von Bedeutung sein könnten. In Anbetracht der niedrigen Energiepreise kann festgestellt werden, daß trotz großer technischer Fortschritte keine der neuen Techniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen heute schon wirtschaftlich konkurrenzfähig ist. Allerdings weist der Verfasser darauf hin, daß viele Techniken noch ein erhebliches Entwicklungspotential aufweisen. Die Alternative "Kernenergie oder Sonnenenergie" stellt sich somit heute nicht.Item Open Access Hochaufgelöste Emissionskataster für Luftschadstoffe in Baden-Württemberg(1988) Müller, Thomas; Boysen, Barbara; Friedrich, Rainer; Obermeier, Andreas; Voß, AlfredAufbauend auf das im Laufe des TULLA-Experimentes erstellte stündliche Emissionskataster für die Stoffe SO2 und NOx wird am IKE ein Modell erarbeitet, das es erlaubt, Szenarien stündlicher Emissionen für beliebige zukünftige Perioden unter Berücksichtigung von meteorologischen und sonstigen Parametern zu berechnen. In diesem Zwischenbericht wird vorwiegend auf die Methoden eingegangen, mit denen für die öffentlichen Kraftwerke und für den Verkehrssektor Aussagen gemacht werden können. Des weiteren wurde eine Pilotstudie erarbeitet, in der untersucht wurde, mit welchen Methoden ein in Raum und Zeit hoch aufgelöstes Emissionskataster für gasförmige organische Verbindungen erstellt werden kann. Einige Ergebnisse dieser Studie werden kurz dargestellt. Für die Verursachergruppen Feuerungen, Prozesse in Industrie, bei Kleinverbrauchern und Haushalten, sowie natürliche Quellen (Wälder) wird dabei anhand einiger Beispiele die jeweils mögliche Vorgehensweise erläutert.