04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Behavior of sulfur oxides in air and oxy-fuel combustion(2019) Spörl, Reinhold; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)This thesis evaluates the behavior of sulfur oxides in pulverized fuel (PF) fired air and oxy-fuel systems. Sulfur oxides are responsible for certain operational problems and considerable gas cleaning requirements in air as well as oxy-fuel firing. A better understanding of the related issues will allow for a technical and economical optimization of the oxy-fuel combustion technology. A range of experimental investigations studying the stability and retention of sulfur oxides in ashes and deposits, acid gas (SO2, SO3, and HCl) control in air and oxy-fuel combustion by dry sorbent injection, and SO3 formation were conducted. The experimental work is in parts supported by theoretical considerations and thermodynamic equilibrium simulation. Studies for different coals and lignites showed that in practically relevant oxy-fuel configurations the exclusion of airborne N2 from combustion leads to an increase of the SO2 concentrations in oxy-fuel, compared to air firing, by a factor of about 3.4 to 4.2, referring to dry, and of about 2.9 to 3.5, when referring to wet flue gas conditions. The increased SO2 levels in oxy-fuel combustion are responsible for an increased stability of sulfates in oxy-fuel power boiler systems so that for example the decomposition temperature CaSO4 rises by about 50 to 80 °C, depending on flue gas atmospheres. The enhanced stability of sulfates in deposits at high temperatures when operating with increased SO2 levels was experimentally demonstrated. Compared to air firing, a considerable increase of the sulfur retention in the ash by 10 to 12 percentage points has been observed for oxy-fuel recycle combustion of Lusatian lignites. This leads to lower SO2 emissions and higher SO3 levels in process ashes and deposits. The results indicate that for fuels, such as the used lignites, the temperature level at which fouling by sulfatic deposits is problematic may be shifted to higher temperatures in oxy-fuel combustion and that the sintering of deposits by sulfation may be more pronounced. In contrast, in air and oxy-fuel combustion experiments with a hard coal with a low sulfur retention potential differences in the SO3 contents and degrees of sulfation of ashes and deposits were small. Besides higher SO3 contents and sulfation degrees, no other significant changes between the deposit samples from air and oxy-fuel combustion were identified. Experiments on dry sorbent injection in air and oxy-fuel mode showed that an increase of the average flue gas residence time in the furnace by flue gas recirculation and, to a lesser extent, the higher sulfate stability enhance the desulfurization efficiency in oxy-fuel recycle combustion considerably. SO2 capture efficiencies in oxy-fuel recycle combustion of 50 % to more than 80 % at moderate molar sulfur to calcium ratios between 1.7 and 2.9 were reached, when injecting CaCO3 and Ca(OH)2 together with the fuel or directly to the furnace. Under comparable injection conditions, the oxy-fuel performance was by as much as 29 percentage points higher than in air firing. Also an efficient SO3 and HCl control by DSI could be demonstrated. Experiments on formation of SO3 show that higher SO2 levels in oxy-fuel firing are the most important parameter responsible for the observed increase of the SO3 concentrations.Item Open Access Untersuchung der Antriebsstrangdynamik in Windenergieanlagen(2020) Horch, JoachimDiese Arbeit beschäftigt sich damit die Stabilität und Funktionstüchtigkeit des Antriebsstranges einer Windenergieanlage der Größenordnung 10 MW zu untersuchen. Hierfür erfolgt der Aufbau eines Computermodells einer 10-MW-Windenergieanlage mithilfe des Mehrkörpersimulationsprogrammes SIMPACK. Weiterhin wird eine Parameterstudie durchgeführt, welche über eine Matlab-induzierte SIMPACK-Simulation speziell ausgewählte Parameter des Antriebsstranges variiert, Simulationen durchführt und so den Einfluss bestimmter Parameter, sowie Parameterkombinationen, auf die Stabilität des Antriebsstranges prüft. Auf diese Weise sollen Stabilitätskriterien für einen Antriebsstrang dieser Größenordnung ermittelt werden. Es erfolgen sowohl statische, als auch dynamische Untersuchungen.Item Open Access Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerkspark im börslichen Strom- und Gasterminmarkt(2003) Bagemihl, Joachim; Voß, Alfred (Prof.-Dr.)Terminbörsen für Strom und Gas sind von grundlegender Bedeutung für die Planungsprozesse der durch das Unbundling geschaffenen Unternehmenszweige Erzeugung und Handel. Für die Kraftwerkseinsatzplanung bedeutet dies, daß nicht mehr primär die langfristige Lastprognose, sondern in zunehmendem Maße die Terminpreise der Futureskontrakte den Kraftwerkseinsatz bestimmen. Dem Stromhandel müssen zur Bewertung der Börsenprodukte hingegen die Kosten der Erzeugung im konzerneigenen Kraftwerkspark bekannt sein. Da sich aber beide Akteure wechselseitig beeinflussen, muss der Kraftwerkseinsatz gemeinsam mit dem Stromhandel ko-ordiniert werden, um zu einem gesamtwirtschaftlichen Optimum im Konzern zu gelangen. Die vorgestellte Methode zur Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerksparks erlaubt dem Konzern die Identifizierung eines optimalen Geschäftsportfolios, in dem mit Ausnahme nicht ausgelasteter Kraftwerkskapazitäten keine offenen Positionen zu-gelassen werden. Ausgehend von einem hydro-thermischen Kraftwerkspark mit Jahresspei-cherkapazitäten für Wasser und Gas kann unter Berücksichtigung von Restriktionen, wie begrenzten Gas-/Strom-Durchleitungskapazitäten und Limits auf Handelsmengen, bei signifi-kanten Änderungen der Terminpreise die jeweils gewinnoptimale Veränderung im Portfolio identifiziert werden. Aufgrund der vielfältigen Freiheitsgrade, die ein solches hydro-thermi-sches System aufweist, ist es auf Basis des vorgestellten Verfahrens möglich, allein durch die Marktpreisbewegungen der unterschiedlichen börslich gehandelten Produkte im täglichen Handelsgeschäft, zusätzliche Margen zu erwirtschaften. Die langen Planungshorizonte, vorgegeben durch die Laufzeiten der Produkte an Termin-börsen (EEX bis 18 Monate), bedingen bei der Optimierung hohe Rechenzeiten und erfordern daher oft problemangepaßte Algorithmen wie etwa die Langrange Relaxation. Durch das Auf-treten neuer Handelsprodukte und die häufige Veränderung der Vertragsformen kann mit die-sen Algorithmen nur schwer entsprechend flexibel reagiert werden, da die Anpassung meist mit hohem Aufwand verbunden ist. Das Standardverfahren der Gemischt-Ganzzahlig-Linearen Programmierung (GGLP) bietet hier entscheidende Vorteile, da der dabei verwendete Lösungs-algorithmus Branch & Bound unabhängig von der Problemstellung angewendet werden kann. Die vorgestellte Methode basiert auf einem Dekompositionsansatz im Zeitbereich, so daß die für schnelle Reaktionszeiten nötigen Rechenzeiten von wenigen Minuten erreicht werden kön-nen. Das System zur Optimierung des Portfolios wurde mit dem Energiemanagementsystem MESAP/PROFAKO realisiert.Item Open Access Messung und Modellierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffschüttungen für vakuumwärmegedämmte Warmwasserspeicher(2022) Lang, Stephan; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, hinsichtlich Dämmwirkung und Kosten geeignete schüttfähige Wärmedämmstoffe für doppelwandige Warmwasserspeicher mit Vakuumwärmedämmung zu identifizieren und eine Vorhersage über die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur treffen zu können. Zu diesem Zweck werden expandierte Perlite unterschiedlicher mittlerer Korngrößen und Mischungen aus expandierten Perliten und pyrogener Kieselsäure untersucht. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Luftdrücken und Temperaturen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird in einer eigens entwickelten Versuchsanlage, nach einem stationären Messprinzip, bei Luftdrücken zwischen 0,001 mbar und Atmosphärendruck von (960 ± 20) mbar sowie bei Probenmitteltemperaturen zwischen -5 °C und 90 °C bestimmt. Die maximale relative Messunsicherheit der Versuchsanlage beträgt < 8 % bei den geringsten und < 3 % bei den höchsten gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Reine feinkörnige expandierte Perlite mit Dichten der Schüttungen ≥ 182 kg/m³ erreichen bei Luftdrücken ≤ 0,1 mbar und allen gemessenen Probenmitteltemperaturen die geringsten effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C liegen diese bei ≤ 4,84 mW/(m·K). Mischungen aus einem vergleichsweise grobkörnigen expandierten Perlit mit einer sehr feinkörnigen und feinporigen pyrogenen Kieselsäure können hingegen, bei technisch einfacher zu handhabenden Luftdrücken von > 1 mbar, z. T. geringere effektive Wärmeleitfähigkeiten erreichen als reine expandierte Perlite. Mischungen dieser Komponenten werden in dieser Arbeit erstmals in Form einer losen Schüttung bzgl. ihrer effektiven Wärmeleitfähigkeit untersucht. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C werden in diesem Luftdruckbereich effektive Wärmeleitfähigkeiten dieser Mischungen von > 12,17 mW/(m·K) gemessen. Anhand der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten sowie weiterer Stoffeigenschaften, werden vollständig prädiktive analytische Modelle der effektiven Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Das Modell für Mischungen gilt für ein ausgewähltes Stoffpaar, während das Modell für expandierte Perlite für beliebige ungemahlene expandierte Perlite verwendbar ist. Es handelt sich nach Kenntnis des Autors um das erste vollständig prädiktive analytische Modell der effektiven Wärmeleitfähigkeit für expandierte Perlite, welches auch die Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung berücksichtigt und für welches lediglich drei einfach und kostengünstig zu messende Größen bestimmt werden müssen. Diese Größen sind der volumengewichtet gemittelte Korndurchmesser, die mittlere Korndichte sowie die Dichte der Schüttung des expandierten Perlits. Aus den Messwerten der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird ein Zusammenhang von volumengewichtet gemitteltem Korndurchmesser zur Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung deutlich, der für das Modell für expandierte Perlite verwendet wird. Mit den Modellen ist es nun möglich, ohne entsprechende Messungen, die effektive Wärmeleitfähigkeit von Mischungen aus einem expandierten Perlit und einer pyrogenen Kieselsäure sowie für beliebige ungemahlene expandierte Perlite, mit zufriedenstellender bis hoher Genauigkeit vorherzusagen.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 Experimental investigation of flow boiling of water in narrow rectangular vertical channels(2009) Sobierska, Ewelina; Groll, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)In the last century electric and electronic devices have become an integral part of our life. Simultaneously, in pursuance of people's nature, needs and demands are incessantly increasing. Consequently, the devices are becoming more convenient (by means of being smaller and lighter) and the number of their functions is rising. One of the restrictions which stop this development is the Joule effect which creates a thermal management problem. Many options to achieve successful cooling are available, ranging from very simple passive cooling to active cryogenics methods. Among those, flow boiling offers very good heat transfer performance taking advantage of the latent heat of vaporisation. During flow boiling in microchannels a liquid coolant is pumped through an array of channels which can be attached to heated surfaces. A closed loop containing an evaporator with microchannels, a micropump and a condenser can be very compact and relatively inexpensive. There are three aspects of flow boiling: flow pattern, pressure drop and heat transfer. All three and their relationship are experimentally investigated in this work with the aim to find the best heat transfer performance conditions. The experiments were carried out in three rectangular channels with hydraulic diameters below 0.5 mm. Deionised water was used as working fluid. The heat transfer and pressure drop were investigated. Additionally a visualisation of two-phase flow was done in order to obtain a better understanding of the heat transfer mechanism. The results of this work can be briefly summarized as follows: The best heat transfer performance was found at thermodynamic vapour qualities close to zero, where slug flow was usually observed. The two-phase pressure drop can be predicted by a separate flow model which is based on governing equations (mass, energy and momentum conservation laws), the Lockhart-Martinelli method and the empirical void fraction equation with constants proposed by Lockhart and Martinelli.Item Open Access Entwicklung und Anwendung eines Integrated Assessment Modellinstrumentariums für die Analyse nachhaltiger Entwicklungen der Energieversorgung in Deutschland : Schlussbericht(2004) Fahl, Ulrich; Bickel, Peter; Blesl, Markus; Droste-Franke, Bert; Ellersdorfer, Ingo; Rehrl, Tobias; Remme, Uwe; Rout, Ullash Kumar; Voß, AlfredZiel des Forschungsvorhabens ist es, ein Integrated Assessment Modellinstrumentarium zu entwickeln und für die Analyse nachhaltiger Entwicklungen der Energieversorgung in Deutschland im globalen und europäischen Kontext anzuwenden. Das Modellinstrumentarium setzt sich aus vier Bausteinen zusammen. Zur Beurteilung der ressourcenbezogenen Effekte der globalen wie regionalen Nachfrage nach Primärenergieträgern ist das neu entwickelte Ressourcenmodell LOPEX an das Allgemeine Gleichgewichtsmodell NEWAGE-World gekoppelt worden. Auf der Basis der mit NEWAGE ermittelten weltweiten regionalisierten Nachfragen nach Energieträgern werden mit LOPEX Produktions- und Abbaupfade sowie Preispfade für die Energieträger Erdöl, Erdgas und Steinkohle abgeschätzt. Zum anderen wird durch die Anbindung des Umwelt Wirkungsmodells EcoSense an das europäische Energiesystemmodell TIMES-ES, das Deutschland und seine Nachbarstaaten hinsichtlich der gesamten Energieflüsse von den Energiedienstleistungen bis zur Primärenergiebereitstellung und die dabei entstehenden Emissionen erfasst, eine effiziente und zuverlässige Bewertung von Emissionsminderungsstrategien unter Berücksichtigung externer Effekte und Nachhaltigkeitsindikatoren auf europäischer Ebene ermöglicht.Item Open Access Multi-criteria comparison of energy and environmental assessment approaches for the example of cooling towers(2022) Wenzel, Paula M.; Radgen, PeterCooling towers remove economically or technically unusable heat using considerable amounts of electricity and, in many cases, water. Several approaches, which vary in methodology, scope, and level of detail, are used for environmental evaluations of these cooling systems. Although the chosen approach has a significant impact on decisions made at the plant level, no methodology has yet been standardized for selecting the approach that best serves the objectives of the evaluation. Thus, this paper provides comparison criteria for the systematic selection of suitable evaluation methods for cooling towers and classifies how the methods score in this respect. These criteria, such as ‘life cycle thinking’, ‘inventoried physical quantities’, ‘temporal resolution’, ‘formalization’, and ‘data availability’, are grouped by overall evaluation objectives such as ‘thoroughness’, ‘scientific soundness’, and ‘usability’. Subsequently, these criteria were used to compare material flow analysis, energy analysis, environmental network analysis, life cycle inventory, life cycle assessment, environmental footprint methods, emergy analysis, exergy analysis, and the physical optimum method. In conclusion, material flow analysis is best suited for the analysis of cooling towers when impact assessment is not required; otherwise, life cycle assessment meets most of the defined criteria. Moreover, only exergy-based methods allow for the inclusion of volatile ambient conditions.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.