Universität Stuttgart
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Item Open Access Charakterisierung umweltneutraler, natürlicher eisenhaltiger Sauerstoffträger für Chemical-Looping-Combustion (CLC)-Kraftwerke(2018) Schopf, Alexander; Massonne, Hans-Joachim (Prof. Dr.)Chemical Looping Combustion (CLC) ist eine großtechnische Verbrennungstechnologie zur Stromerzeugung mittels Wirbelschichtreaktoren unter Verwendung von Feststoffen anstelle von Luft als Sauerstoffträger. CLC zählt zu den CO2-Sequestrierungsverfahren für Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS). Das Rauchgas besteht hauptsächlich aus Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid, die Produktion von Stickoxiden wird prozessbedingt vermieden, der Wirkungsgradverlust liegt bei theoretisch 2 bis 3 %. Das bislang als Sauerstoffträger für CLC verwendete Mineral Ilmenit ist im Vergleich mit anderen Erzen relativ selten. Synthetisch hergestellte Sauerstoffträger sind dagegen teurer und daher unwirtschaftlich. Ziel der Arbeit war die Identifikation umweltneutraler natürlicher Sauerstoffträger für CLC-Kraftwerke die sowohl gut verfügbar sind als auch wirtschaftliche Alternativen darstellen. Für die Untersuchungen wurden die Gütekriterien der Effektivität für CLC und Kraftwerkseignung zu Grunde gelegt: gute Abriebfestigkeit, hohe Reaktivität mit Brenngasen bei 900 °C, insbesondere Methan, hohe Sauerstofftransportkapazität mit ca. 10 % Masseverlust bei der Reduktion, hohe Reaktivität mit Luftsauerstoff bei der Oxidation und eine Temperaturstabilität von mindestens 1000 °C unter oxidierenden Bedingungen. Weiteres Forschungsziel war die Aufklärung der ablaufenden Prozesse der Reduktions- bzw. Oxidations-Reaktionen bei den einzelnen Sauerstoffträgern unter simulierten Kraftwerksbedingungen. Mit der Entwicklung eines systematischen, für alle Sauerstoffträger anwendbaren, Untersuchungsgangs wurde eine fundamentale Methode zur Visualisierung der inhärenten chemischen Reaktionen bei wiederholender sukzessiver Reduktion und Oxidation geschaffen. Die experimentelle Versuchsabfolge gliederte sich in vier Teile: Vorbereitung und mineralogische Untersuchung zur Beschreibung des Ausgangsmaterials, Vorstudie zur Überprüfung der Temperaturstabilität von 1000 °C in der Thermowaage (TGA), Hauptstudie mit Simulation von CLC in der TGA und eine Vergleichsstudie unter Kraftwerksbedingungen im Versuchskraftwerk des Instituts für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart zur Korrelation der Ergebnisse der Hauptstudie. Unter ihrer Anwendung wurden die hier einbezogenen Proben charakterisiert, wobei sich sieben von 12 Proben der Hauptstudie (aufgrund der formulierten Anforderungskriterien) als Sauerstoffträger besonders geeignet erwiesen: Magnetiterz, Maphopha (RSA), Magnetiterz, Thạch Khê (SGA), Roter Glaskopf, Toulkine (IMI), MIOX ME400, Waldenstein (KMI), Hämatiterz, Norwegen (DH), Bändereisenerz, Bogalatladi (RSA) und Ilmeniterz, Capel (IFK). Bei sehr lang gewählten Reduktionszeiten mit Brenngas entstanden zudem Varietäten des Kohlenstoffs, wie bspw. amorpher Kohlenstoff, Graphit und Graphen, als Abscheidung aus der Gasphase auf den Sauerstoffträgeroberflächen. Dies gibt Anlass zu weiteren Forschungen.Item Open Access Modeling and simulation of closed low-pressure adsorbers for thermal energy storage(2019) Schäfer, Micha; Thess, André (Prof. Dr. rer. nat.)Closed low-pressure adsorption systems can be applied for thermal energy storage. Their performance is determined by the mass and heat transport processes in the adsorber. Therefore, thorough knowledge of these transport processes is required for further storage development. The present thesis contributes to this by providing detailed models of closed low-pressure adsorbers and by conducting simulations over a broad range of parameters and configurations. The focus is on adsorbers of larger scale (length L = 0.1 . . . 1 m) and on the discharging process. As the adsorption pair, binderless zeolite 13X with water is examined. The models are developed in a stepwise manner from pore to storage scale. The Finite-Difference-Method is implemented to numerically solve the models. Simulations are conducted for defined reference cases as well as over a broad range of geometric and process parameters. The reference cases are analyzed in detail to gain a better understanding of the transport processes. Furthermore, the results are analyzed with respect to two particular modeling aspects: equilibrium assumptions and rarefaction effects (e. g. slip effect). With respect to the application, the discharging performance is analyzed in terms of thermal power and a defined discharging degree. Both the adsorber and the adsorbent configurations are varied. In addition, the effect of the discharging conditions is evaluated. Finally, one exemplary charging process is examined. The detailed analysis of the reference cases reveals that the mass and heat transport and the adsorption processes are strongly coupled and can only be understood in their interaction. For onedimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in the same direction, the discharging process is generally limited by the heat transport. This leads to insufficient thermal power and unsuitable discharging durations of up to one year. In contrast, for two-dimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in perpendicular directions, the discharging process can be limited either by the mass or heat transport or by the adsorption. The limitation depends on the configuration of the adsorber and adsorbent. Moreover, the twodimensional adsorber configurations can provide sufficient thermal power. With respect to the modeling, it is found that the assumption of a uniform pressure distribution is applicable for one-dimensional adsorber configurations. In contrast, for two-dimensional configurations, no equilibrium assumptions can be applied in general. However, for powder adsorbent it is always valid to assume local adsorption equilibrium. Regarding the rarefaction effects in twodimensional adsorber configurations with honeycombs and granules, the slip effect is relevant for small channel and particle diameters (d = 1 mm). For adsorbers with powder adsorbent, the reduction of the effective heat conductivity due to the rarefaction effect becomes relevant. With respect to the application, the variation of the adsorber configuration shows that the volumetric thermal power generally decreases with increasing adsorber length. Furthermore, the power decreases with increasing width between the parallel heat exchanger plates in the adsorber. Regarding the adsorbent configuration in two-dimensional adsorber configurations, it is found that the volumetric thermal power can be optimized by variation of the channel or particle diameter. Interestingly, the optima for peak and mean power do not coincide. In addition, the discharging degree is found to strongly depend on the discharging conditions in terms of discharging temperature and volume flow of the heat transfer fluid extracting the heat from the adsorber. In general, the discharging degree decreases with increasing discharging temperature. Similarly, the discharging degree decreases with increasing volume flow of the heat transfer fluid. Finally, the analysis of an exemplary charging process revealed that the pressure in the adsorber can increase significantly (> 50%) due to the desorption.Item Open Access Stand und Entwicklungspotenziale der landwirtschaftlichen Biogasnutzung in Baden-Württemberg : ein regionalspezifischer Vergleich(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Stenull, Maria; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht darin, den Stand und die zukünftigen Entwicklungsmöglichkeiten für die landwirtschaftliche Biogasnutzung in Baden-Württemberg auf der Basis einer hohen regionalen Auflösung zu erheben und dabei zu analysieren, welche Unterschiede es in den Regionen gibt. Dabei werden „typische Modellanlagen“ für die Regionen Baden-Württembergs unter Berücksichtigung der bestehenden regionalen Agrarstruktur identifiziert und bewertet. Im Ergebnis werden Strategien für die Entwicklung der Biogasnutzung in Baden-Württemberg aus technologischer, ökonomischer und ökologischer Sicht vorgeschlagen. Hierfür wurden zuerst Biomassepotenziale zur Biogaserzeugung kleinräumig auf Landkreisebene ermittelt. Die Landkreise wurden in vier verschiedene Regionen (sog. Biogasregionen) zusammengefasst, die sich durch einheitliche Eigenschaften für die Biogasproduktion in Bezug auf Substratverfügbarkeit auszeichnen: die ackerreiche und gülledurchschnittliche Biogasregion 1 (BG1) im Nordwesten, die ackerland-, grünland- und güllereiche Biogasregion 2 (BG2) im Nord- und Südosten, die grünlandreiche und gülledurchschnittliche Biogasregion 3 (BG3) überwiegend im Südwesten und die ackerland- und grünlandarme Biogasregion 4 (BG4) in Mitte-Westen von Baden-Württemberg. In den so gebildeten Biogasregionen wurden anschließend die Analyse der Potenzialausnutzung und die Bilanz der Biogasnutzung dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der gegenwärtigen Substratzusammensetzung der Biogasanlagen nur die Energiepflanzenpotenziale im hohen Ausmaß ausgeschöpft werden. Die Anlagen, die überwiegend auf Basis von Energiepflanzen betrieben werden, könnten insgesamt bis zu 2,43 TWhel/a (Strategie „niedrige CO2-Vermeidungskosten“) Strom erzeugen (2020). Eine deutliche Steigerung der Stromerzeugung (auf 3,39 TWhel/a) kann nur erreicht werden, wenn im Schnitt Anlagen in der Größenklasse <100 kWel, mit hohen Gülleanteilen in der Substratzusammensetzung zugebaut werden (Strategie „Ausnutzung Biomassepotenzial“). Um die freien Gülle- und Dauergrünlandpotenziale maximal auszuschöpfen, müsste die Substratzusammensetzung der zukünftig zugebauten Biogasanlagen grundlegend geändert werden.Item Open Access Wasserinfiltration in die ungesättigte Zone eines makroporösen Hanges und deren Einfluss auf die Hangstabilität(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2016) Germer, Kai; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Hangrutschungen stellen in besiedelten Regionen eine große Gefahr dar, weil nicht selten direkt bewohnte Bereiche betroffen sind. Aber auch die Rutschungsauswirkungen auf die Infrastruktur wie Verkehrswege und Versorgungseinrichtungen können der Gesellschaft Schaden zufügen. Zum einen ergibt sich im Zusammenhang mit Hangrutschungen und allgemein Massenbewegungen das Betätigungsfeld der direkten Stabilisierung und Verhinderung von Rutschungen durch beispielsweise Tiefdrainagen und aufwendige ingenieursbauliche Maßnahmen. Zum anderen, und das ist Gegenstand dieser Arbeit, ergibt sich das Tätigkeitsfeld der grundlagenorientierten Forschung, um die Prozesse, die zu Hangrutschungen führen, besser verstehen zu können. Mit dem Heumöser Hang in Österreich (Vorarlberg), einem sich sehr langsam bewegenden Großhang (Kriechhang), liegt ein Untersuchungsobjekt vor, an dem vielfältige hydrologische Prozesse stattfinden, die schon über mehrere Jahre hinweg untersucht wurden. Die Untersuchungen resultierten in der Hypothese, dass sich am Heumöser Hang entwickelnder Makroporenfluss zu schnellen hydraulischen Veränderungen im Innern des Hangkörpers führe. Die hydraulischen Veränderungen zeigen sich insbesondere in starken Porenwasserdruckanstiegen (unter anderem in einem gespannten Grundwasserleiter), die teilweise in der Tiefe des Hanges zu Auftriebskräften führen, die den Hang destabilisieren, so dass dieser sich schubweise insgesamt etwa ein bis zwei Dezimeter im Jahr talwärts bewegt. Zum Erarbeiten des Prozessverständnisses bezüglich des Zusammenhanges zwischen Infiltration und Hangstabilität wurden große Bodenproben vom Hang im Labor untersucht und Experimente an zwei technischen Modellen durchgeführt. Mit der vorgestellten Vorgehensweise und der Separierung der Untersuchungen und Experimente konnten für den Heumöser Hang relevante hydrologische und mechanische Teilaspekte erarbeitet werden, die verknüpft die Hangbewegungshypothese in weiten Teilen bestätigen können. Insbesondere bestätigten die Messungen an den originären Bodenproben vom Heumöser Hang, dass der Makroporenfluss so dominant sein kann, dass potentiell schneller Porenwasserdruckanstieg in der Tiefe erzeugt werden kann. Dennoch kann ein Makroporenfluss generell insbesondere bei trockenen Matrixbedingungen vermindert werden. Die Verminderung des Makroporenflusses wurde anhand von Experimenten mit Sand gezeigt. Der Prozess des Wassertransfers von Makropore zu umgebender Matrix ist im Sand sehr deutlich zu sehen. Darüber hinaus konnten bei Bodensäulen- und Bodenprobenexperimenten viele methodische Herangehensweisen getestet und verglichen werden. Weil im Vorfeld der Untersuchungen schon abgeschätzt wurde, dass nur mit größeren Proben eine für den Standort bessere Repräsentativität der Ergebnisse erhalten werden kann, wurde besonders viel Wert auf die Methodik der Großprobennahme gelegt. So ist in der vorgestellten Arbeit ein neuartiger Ansatz zur Großprobennahme entwickelt worden, bei dem die Proben ungestört frei gelegt wurden und mit Haushaltsfolie, Montageschaum und Außenmodulen eingehüllt wurden. Nur die Großprobennahme garantierte ein Mindestmaß an Erfassung von Heterogenitäten und Bodenstrukturen im Dezimeterbereich, wie z.B. Makroporen und Risse. Auch die laboratorischen Versuchsaufbauten zur Anwendung der Multi-Step-Outflow- und Evaporationsmethode an den Großproben wurden einmalig größenangepasst entwickelt.Item Open Access Spatiotemporal change detection based on persistent scatterer interferometry : a case study of monitoring urban area(2019) Yang, Chia-Hsiang; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Development of efficient multiscale multiphysics models accounting for reversible flow at various subsurface energy storage sites(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Becker, Beatrix; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Energy storage is an essential component of future energy systems with a large share of renewable energy. Apart from pumped hydro storage, large scale energy storage is mainly provided by underground energy storage systems. In this thesis we focus on chemical subsurface storage, i.e., the storage of synthetic hydrogen or synthetic natural gas in porous formations. To improve understanding of the complex and coupled processes in the underground and enable planning and risk assessment of subsurface energy storage, efficient, consistent and adequate numerical models for multiphase flow and transport are required. Simulating underground energy storage requires large domains, including local features such as fault zones and a representation of the transient saline front, and simulation times spanning the whole time of plant operation and beyond. In addition, often a large number of simulation runs need to be conducted to quantify parameter uncertainty, and efficient models are needed for data assimilation as well. Therefore, a reduction of model complexity and thus computing effort is required. Numerous simplified models that require less computational resources have been developed. In this thesis we focus on a group of multiscale models which use vertically integrated equations and implicitly include fine-scale information along the vertical direction that is reconstructed assuming vertical equilibrium (VE). Classical VE models are restricted to situations where vertical equilibrium is valid in the whole domain during most of the simulated time. This may not be the case for underground energy storage, where simulated times may be too short and locally a high degree of accuracy and complexity may be required, e.g., around the area where gas is extracted for the purpose of energy production. The three core chapters of this thesis present solutions to adapt VE models for the simulation of underground energy storage, with increasing complexity.Item Open Access Conceptual approaches for the analysis of coupled hydraulic and geomechanical processes(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2019) Beck, Martin; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Der biologische Abbau von hydroxylierten Alkylethern(2018) Woiski, Christine; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Item Open Access Stochastic model comparison and refinement strategies for gas migration in the subsurface(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Banerjee, Ishani; Nowak, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Gas migration in the subsurface, a multiphase flow in a porous-medium system, is a problem of environmental concern and is also relevant for subsurface gas storage in the context of the energy transition. It is essential to know and understand the flow paths of these gases in the subsurface for efficient monitoring, remediation or storage operations. On the one hand, laboratory gas-injection experiments help gain insights into the involved processes of these systems. On the other hand, numerical models help test the mechanisms observed and inferred from the experiments and then make useful predictions for real-world engineering applications. Both continuum and stochastic modelling techniques are used to simulate multiphase flow in porous media. In this thesis, I use a stochastic discrete growth model: the macroscopic Invasion Percolation (IP) model. IP models have the advantages of simplicity and computational inexpensiveness over complex continuum models. Local pore-scale changes dominantly affect the flow processes of gas flow in water-saturated porous media. IP models are especially favourable for these multi-scale systems because using continuum models to simulate them can be extremely computationally difficult. Despite offering a computationally inexpensive way to simulate multiphase flow in porous media, only very few studies have compared their IP model results to actual laboratory experimental image data. One reason might be the fact that IP models lack a notion of experimental time but only have an integer counter for simulation steps that imply a time order. The few existing experiments-to-model comparison studies have used perceptual similarity or spatial moments as comparison measures. On the one hand, perceptual comparison between the model and experimental images is tedious and non-objective. On the other hand, comparing spatial moments of the model and experimental images can lead to misleading results because of the loss of information from the data. In this thesis, an objective and quantitative comparison method is developed and tested that overcomes the limitations of these traditional approaches. The first step involves volume-based time-matching between real-time experimental data and IP-model outputs. This is followed by using the (Diffused) Jaccard coefficient to evaluate the quality of the fit. The fit between the images from the models and experiments can be checked across various scales by varying the extent of blurring in the images. Numerical model predictions for sparsely known systems (like the gas flow systems) suffer from high conceptual uncertainties. In literature, numerous versions of IP models, differing in their underlying hypotheses, have been used for simulating gas flow in porous media. Besides, the gas-injection experiments belong to continuous, transitional, or discontinuous gas flow regimes, depending on the gas flow rate and the porous medium's nature. Literature suggests that IP models are well suited for the discontinuous gas flow regime; other flow regimes have not been explored. Using the abovementioned method, in this thesis, four macroscopic IP model versions are compared against data from nine gas-injection experiments in transitional and continuous gas flow regimes. This model inter-comparison helps assess the potential of these models in these unexplored regimes and identify the sources of model conceptual uncertainties. Alternatively, with a focus on parameter uncertainty, Bayesian Model Selection is a standard statistical procedure for systematically and objectively comparing different model hypotheses by computing the Bayesian Model Evidence (BME) against test data. BME is the likelihood of a model producing the observed data, given the prior distribution of its parameters. Computing BME can be challenging: exact analytical solutions require strong assumptions; mathematical approximations (information criteria) are often strongly biased; assumption-free numerical methods (like Monte Carlo) are computationally impossible for large data sets. In this thesis, a BME-computation method is developed to use BME as a ranking criterion for such infeasible scenarios: The \emph{Method of Forced Probabilities} for extensive data sets and Markov-Chain models. In this method, the direction of evaluation is swapped: instead of comparing thousands of model runs on random model realizations with the observed data, the model is forced to reproduce the data in each time step, and the individual probabilities of the model following these exact transitions are recorded. This is a fast, accurate and exact method for calculating BME for IP models which exhibit the Markov chain property and for complete "atomic" data. The analysis results obtained using the methods and tools developed in this thesis help identify the strengths and weaknesses of the investigated IP model concepts. This further aids model development and refinement efforts for predicting gas migration in the subsurface. Also, the gained insights foster improved experimental methods. These tools and methods are not limited to gas flow systems in porous media but can be extended to any system involving raster outputs.Item Open Access Developing and calibrating a numerical model for microbially enhanced coal-bed methane production(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Emmert, Simon; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing.)Experimental investigations demonstrate the potential of microbially enhanced coal-bed methane (MECBM) production on the lab scale. However, no in-depth mathematical and conceptual model including all sub-processes is reported in literature so far. With this study, we develop and present a conceptual food-web, included into a numerical model, that is calibrated and validated using batch experiments. The model is extended to model flow and transport features, test hypotheses, and compare against column experiments. Additionally, a sensitivity analysis of the model parameters as well as a preliminary study regarding operator-splitting techniques for the MECBM model are presented.