Universität Stuttgart
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Item Open Access The lithium-sulfur battery : design, characterization, and physically-based modeling(2015) Fronczek, David Norman; Bessler, Wolfgang G. (Prof. Dr.)The lithium-sulfur (Li/S) battery is a promising candidate for next-generation electrochemical energy storage. Its unique combination of electrochemical performance, cost effectiveness, and environmental sustainability are unprecedented among battery materials. As of today, however, Li/S batteries are only used for few niche applications; a broader adoption of this technology is impeded by the yet unsatisfactory energy efficiency, self discharge, and limited lifetime. This work contributes to the advancement of Li/S technology in two respects: First, a novel kind of positive electrode, based on coated lithium sulfide, was prepared, tested and optimized. Second, the understanding of the complex chemical and physical processes in the cell was improved by creating and utilizing a computational model of the Li/S battery. For the experimental part of this work, a chemical vapor deposition process was developed to apply a carbon coating to lithium sulfide particles. The focus of this work was on the optimization of the process chain from commercially available chemicals to the final coin cell in general and on the characterization of the materials and electrodes during various processing steps in particular. For the modeling part, an existing multiscale electrochemical modeling framework was extended to enable full-cell simulations of Li/S batteries. The model includes a detailed description of electrochemistry, transport, and the evolution of solid phases in the cell, but also accounts for the electrical double layer and, in a generic fashion, the microstructure of the electrodes. Finally, a phenomenological description of the shuttle effect and associated cell degradation was implemented and analyzed. The parametrization and partial validation of the model makes use of original data collected for this purpose, but also data from literature. Simulation results comprise charge/discharge profiles, cyclic voltammetry, impedance spectra, and the evolution of the chemical composition of both the electrolyte and the electrodes over time. The analysis of these results reveals limiting factors and suggests improved operating conditions. The apt combination of theoretical and empirical methods enabled an improvement of the performance and cycle life of the novel cathode material, but also contributed to a more profound understanding of the Li/S battery.Item Open Access Thermal conductivity of saturated R123 and R134a : transient hot wire measurements(1990) Groß, Ulrich; Song, Youwang; Kallweit, Jörg; Hahne, ErichChemical stable chlorinated hydrocarbons destroy the protecting ozone layer in the upper parts of the atmosphere - this has been found about 15 years ago, and since that time it became more and more clear how serious the problem is. Traditional refrigerants, e.g. R11 (CCl 3F) and R12 (CCl 2F 2), have to be replaced in course of the next few years by substances which contain less or even no chlorine, for example by R123 (C2HCl 2F 3) and R134a (C 2H2 F4) respectively. Application of new substances as working fluids in refrigeration cycles and as blowing agents in foaming of polyurethane (PUR) requires detailed information about toxicological, chemical and thermophysical properties, like latent heat of vaporization, density, boiling curve, viscosity - and thermal conductivity.Item Open Access Enhancement of the REMix energy system model : global renewable energy potentials, optimized power plant siting and scenario validation(2014) Stetter, Daniel; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr.-Ing. habil. DEng/Auckland)As electricity generation based on volatile renewable resources is subject to fluctuations, data with high temporal and spatial resolution on their availability is indispensable for integrating large shares of renewable capacities into energy infrastructures. The scope of the present doctoral thesis is to enhance the existing energy modelling environment REMix in terms of (i.) extending the geographic coverage of the potential assessment tool REMix-EnDaT from a European to a global scale, (ii.) adding a new plant siting optimization module REMix-PlaSMo, capable of assessing siting effects of renewable power plants on the portfolio output and (iii.) adding a new alternating current power transmission model between 30 European countries and CSP electricity imports from power plants located in North Africa and the Middle East via high voltage direct current links into the module REMix-OptiMo. With respect to the global potential assessment tool, a thorough investigation is carried out creating an hourly global inventory of the theoretical potentials of the major renewable resources solar irradiance, wind speed and river discharge at a spatial resolution of 0.45°x0.45°. A detailed global land use analysis determines eligible sites for the installation of renewable power plants. Detailed power plant models for PV, CSP, wind and hydro power allow for the assessment of power output, cost per kWh and respective full load hours taking into account the theoretical potentials, technological as well as economic data. The so-obtined tool REMix-EnDaT can be used as follows: First, as an assessment tool for arbitrary geographic locations, countries or world regions, deriving either site-specific or aggregated installable capacities, cost as well as full load hour potentials. Second, as a tool providing input data such as installable capacities and hourly renewable electricity generation for further assessments using the modules REMix-PlasMo and OptiMo. The plant siting tool REMix-PlaSMo yields results as to where the volatile power technologies photovoltaics and wind are to be located within a country in order to gain distinct effects on their aggregated power output. Three different modes are implemented: (a.) Optimized plant siting in order to obtain the cheapest generation cost, (b.) a minimization of the photovoltaic and wind portfolio output variance and (c.) a minimization of the residual load variance. The third fundamental addition to the REMix model is the amendment of the module REMix-OptiMo with a new power transmission model based on the DC load flow approximation. Moreover, electricity imports originating from concentrating solar power plants located in North Africa and the Middle East are now feasible. All of the new capabilities and extensions of REMix are employed in three case studies: In case study 1, using the module REMix-EnDaT, a global potential assessment is carried out for 10 OECD world regions, deriving installable capacities, cost and full load hours for PV, CSP, wind and hydro power. According to the latter, photovoltaics will represent the cheapest technology in 2050, an average of 1634 full load hours could lead to an electricity generation potential of some 5500 PWh. Although CSP also taps solar irradiance, restrictions in terms of suitable sites for erecting power plants are more severe. For that reason, the maximum potential amounts to some 1500 PWh. However, thermal energy storage can be used, which, according to this assessment, could lead to 5400 hours of full load operation. Onshore wind power could tap a potential of 717 PWh by 2050 with an average of 2200 full load hours while offshore, wind power plants could achieve a total power generation of 224 PWh with an average of 3000 full load hours. The electricity generation potential of hydro power exceeds 3 PWh, 4600 full load hours of operation are reached on average. In case study 2, using the module REMix-PlaSMo, an assessment for Morocco is carried out as to determine limits of volatile power generation in portfolios approaching full supply based on renewable power. The volatile generation technologies are strategically sited at specific locations to take advantage of available resources conditions. It could be shown that the cost optimal share of volatile power generation without considering storage or transmission grid extensions is one third. Moreover, the average power generation cost using a portfolio consisting of PV, CSP, wind and hydro power can be stabilized at about 10 €ct/kWh by the year 2050. In case study 3, using the module REMix-OptiMo, a validation of a TRANS-CSP scenario based upon high shares of renewable power generation is carried out. The optimization is conducted on an hourly basis using a least cost approach, thereby investigating if and how demand is met during each hour of the investigated year. It could be shown, that the assumed load can safely be met in all countries for each hour using the scenario's power plant portfolio. Furthermore, it was proven that dispatchable renewable power generation, in particular CSP imports to Europe, have a system stabilizing effect. Using the suggested concept, the utilization of the transfer capacities between countries would decrease until 2050.Item Open Access Eisspeicher - Stand der Technik und Ansatzpunkte zur Optimierung der Beladung sowie deren Modellierung(2016) Oechsle, Ursina; Spindler, KlausItem Open Access Experimentelle Untersuchungen und regelungstechnische Optimierung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine in Kombination mit einem solar angetriebenen Kühlsystem mit Eisspeicher(2012) Zetzsche, Marco; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing.habil.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit messtechnischen Untersuchungen an einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine und deren Verwendung zur solaren Kühlung. Dafür wurde die Absorptionskältemaschine thermodynamisch analysiert und eine angepasste Regelstrategie entwickelt. Zur Regelung wurden zwei verschiedene Bauformen von Expansionsventilen untersucht. Die Kältemaschine kann aufgrund der umfangreichen Wärmerückgewinnung in einem großen Verdampfungstemperaturbereich arbeiten. Es wurde ein System zur solaren Kühlung von fünf Büroräumen des Institutsgebäudes aufgebaut. Das System besitzt einen großen Neuheitscharakter, da ein Eisspeicher für die Speicherung von Kälteenergie verwendet wird. Der Eisspeicher bietet den Vorteil, dass auch bei fehlender Antriebsleistung der Absorptionskältemaschine die Raumkühlung über längere Zeiten erfolgen kann. Gleichzeitig ist der Speicher kompakt und hat ein geringes Gesamtvolumen. Die gesamte Anlage ist in der Lage schnell zwischen den Betriebspunkten Eisspeicherbeladung und -entladung sowie Raumkühlung umzuschalten und auf diese Weise den Kühlkomfort im Raum dauerhaft zu gewährleisten.Item Open Access Entwicklung einer direkt solarthermisch angetriebenen Diffusions-Absorptionskältemaschine(2016) Schmid, Fabian; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird die technische Machbarkeit eines direkt durch die Sonne angetriebenen Diffusions-Absorptionskälteprozesses nachgewiesen. Der Austreiber, der direkt in einen doppelt verglasten Flachkollektor integriert ist, stellt das zentrale Bauteil dieser Kältemaschine dar. Er ist gleichzeitig die Thermosiphonpumpe des Kälteprozesses. Üblicherweise wird diese im unteren Bereich des Rohres von Heizbändern mit einer hohen Wärmestromdichte beheizt. In einem kombinierten Kollektoraustreiber limitieren die Solarstrahlung und der Kollektorwirkungsgrad die maximale Wärmestromdichte. Zusätzlich muss die Thermosiphonpumpe aufgrund der Kollektorneigung entlang einer geneigten Ebene fördern. Diese Randbedingungen erfordern umfangreiche Untersuchungen zum Förderverhalten der Thermosiphonpumpe. Neben der Thermosiphonpumpe ist der Hilfsgaskreislauf, sowohl für die Kälteleistung als auch für den Wirkungsgrad des Diffusions-Absorptionskälteprozesses, von besonderer Bedeutung. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die detaillierte Untersuchung des Hilfsgaskreislaufs. Mittels Clamp-On-Ultraschallsensoren gelingt es erstmalig den Ammoniakmolanteil sowie den Gasvolumenstrom kontinuierlich und ohne Eingriffe in den Prozess zu erfassen. Ein magnetgekoppelter Edelstahlpropeller ermöglicht, statt der üblichen Naturzirkulation, eine Zwangsumwälzung des Hilfsgaskreislaufs. Somit kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stoffübertragung im Absorber und Verdunster nachgewiesen und bewertet werden. Mit den Messergebnissen wird ein neu erstelltes Simulationsmodell, welches die Stoffübertragung im Hilfsgaskreislauf abbildet, validiert. Aufbauend auf den Messergebnissen einer elektrisch beheizten Diffusions-Absorptionskältemaschine, den Förderversuchen der Thermosiphonpumpe und der Vermessung des Kollektoraustreibers im Sonnensimulator wird schlussendlich eine solarthermisch angetriebene Diffusions-Absorptionskältemaschine ausgelegt und aufgebaut. Durch einen anschließenden, erfolgreichen Test in einem Freiluftprüfstand wird die Funktionsfähigkeit des Anlagenkonzepts nachgewiesen.Item Open Access Die Wirkung staatlicher Fördermaßnahmen auf die Innovationsdynamik im Bereich der erneuerbaren Energien : eine Analyse der deutschen PV-Branche auf Basis eines agentenbasierten Simulationsmodells(2012) Roloff, Nils; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Der zu erwartende Anstieg des Weltenergiebedarfs macht angesichts der Klimaproblematik und der begrenzten fossilen Ressourcen eine Umgestaltung der Energiesysteme dringend notwendig. Die erneuerbaren Energien sind jedoch noch nicht in der Lage, eine zuverlässige und kostengünstige Energieversorgung zu gewährleisten. Die technologische Weiterentwicklung der regenerativen Energien sowie eine effektive Gestaltung geeigneter Förderstrategien sind daher zentrale Herausforderungen, denen Industrie und Politik gegenüberstehen. In Anbetracht der steigenden Nachfrage nach innovativen Lösungen und den daraus resultierenden Exportchancen spielen hierbei nicht nur Aspekte des Klimaschutzes, sondern auch industriepolitische Motive eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der grundsätzlichen Frage der Technologieförderung, ob Innovationsprozesse durch „Technology-Push“- oder durch „Market-Pull“-Faktoren ausgelöst werden, besteht in der Innovationsforschung zwar Konsens darüber, dass beide Arten von Einflussgrößen von Bedeutung sind. Dennoch existiert in Bezug auf die Frage, welche Faktoren die Wirkung staatlicher Förderinstrumente beeinflussen und welche Effekte durch Interdependenzen zwischen verschiedenen Fördermaßnahmen hervorgerufen werden können, noch Forschungsbedarf. So werden insbesondere die Wirkungsweise und die Effektivität nachfrageorientierter Förderinstrumente nach wie vor kontrovers diskutiert. Um ein besseres Verständnis der Komplexität von Innovationsprozessen zu erhalten und die Einflüsse staatlicher Maßnahmen systematisch untersuchen zu können, wurde in dieser Arbeit ein agentenbasiertes Simulationsmodell entwickelt, auf Basis dessen sich die historische Entwicklung der deutschen Fotovoltaikbranche analysieren lässt. Hierbei bietet sich die Fotovoltaiktechnologie (kurz: PV) zum einen deshalb an, weil sie schon seit Anfang der 1960er Jahre gefördert wird. Zum anderen wurden und werden nicht allein Maßnahmen zur Forschungsförderung, sondern auch nachfrageorientierte Förderprogramme, z. B. das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG), eingesetzt. Die agentenbasierten Modellierung zeichnet sich dadurch aus, dass komplexe Zusammenhänge ausgehend von den Interaktionen einzelner, autonomer Akteure abgebildet werden. Daher lassen sich die dynamischen Wechselwirkungen zwischen der Mikroebene des Akteursverhaltens und der Makroebene des Innovations- und Marktgeschehens unmittelbar analysieren. Außerdem erlaubt die agentenbasierte Modellierung die Abkehr von Modellen, die auf dem Leitbild des „homo oeconomicus“ der neoklassischen Ökonomik basieren, da es möglich ist, Aspekte wie begrenzte Rationalität oder die individuellen Strategien heterogener Akteure zu modellieren. Im Vergleich zu bisherigen Arbeiten wurden dabei wichtige Ergänzungen und Fortschritte erfolgreich umgesetzt: Hatten bislang erstellte Modelle, in denen industriespezifische Innovationsprozesse untersucht wurden, primär qualitativen Charakter, konnte die historische Technologie- und Marktentwicklung der betrachteten Branche im Rahmen dieses Vorhabens weitestgehend auch quantitativ nachgebildet werden. Die verschiedenen Prozesse der Wissensgenerierung, -verbreitung und -akkumulation wurden außerdem deutlicher differenziert, wodurch eine bessere Nachvollziehbarkeit des Innovationsvorgangs selbst erreicht wird. Ebenso wurden nachfrageseitige Prozesse stärker in die Modellierung mit einbezogen. Somit sind aussagekräftigere Analysen nachfrageorientierter Fördermaßnahmen möglich. Insgesamt sind daher auf Basis des entwickelten Agentenmodells sehr umfassende Analysen staatlicher Fördermaßnahmen möglich. So demonstrieren die verschiedenen Simulationsexperimente, in deren Rahmen die Wirkungen einzelner Instrumente auf das Innovations- und Marktgeschehen in der Fotovoltaikbranche gezielt untersucht werden konnten, nicht nur die Tragfähigkeit der verwendeten Methode. Vielmehr wird anhand der Simulationsergebnisse ebenfalls deutlich, wie stark die Effekte von „Technology-Push“- und „Market-Pull“-Instrumenten ineinandergreifen und wie sehr die Wirkungen dieser Maßnahmen dabei von der Entwicklungsphase der Branche abhängen. Darüber hinaus zeigt sich zum einen, dass die geeigneten Zeitfenster für die Durchführung der jeweiligen Förderprogramme mitunter begrenzt sind. Zum anderen sind die kurz- und die langfristigen Effekte einzelner Maßnahmen manchmal sogar gegenläufig. Ausgehend von den im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Simulationsergebnissen lässt sich zusammenfassend feststellen, dass die bisher in Deutschland durchgeführten Fördermaßnahmen verhältnismäßig effektiv einzuschätzen sind. Trotz der hohen Komplexität der zugrundeliegenden Innovations- und Marktprozesse wurde ein ausgewogener Kompromiss zwischen einer schnellen Kostenreduktion einerseits und der Aufrechterhaltung einer technologischen Vielfalt anderseits erreicht. Dies deutet insgesamt darauf hin, dass Forschungs- und Nachfrageförderung gut aufeinander abgestimmt waren.Item Open Access Renewable energy based electricity supply at low costs : development of the REMix model and application for Europe(2012) Scholz, Yvonne; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr.)Climate change, limited fossil fuel availability and the dependency on energy carrier imports lead the European Union to the formulation of an energy policy for Europe. The EU sets the following criteria for its future energy supply: sustainability, security of supply and competitiveness. Considering the carbon dioxide emissions of fossil fuels and the unsolved problem of the ultimate disposal of radioactive waste, only renewable energy can currently be considered sustainable if applied in a socially acceptable way and in accordance with nature conservation. The use of renewable energy can also reduce the dependency on energy carrier imports. Contrary to fossil fuels, renewable energy will become cheaper in the future due to technological learning. The main disadvantage of some renewable energy resources is their fluctuating availability. Adaptation of the energy supply system must take place especially in the power sector in order to reliably cover fluctuating demand with fluctuating resources at any time. In this work, the energy system model ‘REMix’ (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) is developed. It uses data on the availability of renewable energy across Europe and North Africa (EUNA) to dimension low-cost power supply structures for the EUNA-region, or parts of it, under specific conditions, such as specified shares of renewable energy in the power supply or specified national self-supply shares. The model takes into account the costs of generation technologies, transmission lines and storage units, and finds a combination of these technologies and their geographic locations that is least-cost under the given assumptions. A geographic information system was used for the analysis of the installable capacities and power generation potentials of typical technologies for harnessing renewable energy resources. This analysis is described and the potentials of solar PV, solar CSP, wind onshore and wind offshore, biomass, hydro and geothermal power plants are shown in tables and maps. The data are used as input into a linear programming energy system model which uses them as constraints on the power supply system to be dimensioned. The model, its sensitivity to input parameter variations and a test application are described. The findings confirm the basic findings of other work in this field: transmission lines can be a crucial element of a low-cost, renewable-energy-based electricity supply because they enable balancing effects in a large grid and the use of the highest quality resources even in remote areas, such as deserts or at sea. However, the international cooperation that is necessary to reach the cost-minimum for a given supply task may not be reached by politics or resulting dependencies may be opposed to political goals. Therefore, REMix was built such that countries can be examined individually and the influence of different parameters on their energy supply costs and structure can be investigated. In the test model application, power supply systems for 36 regions in Europe and North Africa, almost all individual countries, are designed with REMix as island grids on the one hand and on the other hand as a network without transmission restrictions (other than the costs of the transmission lines). The model shows that in certain regions the island grid electricity costs can be much higher than, only a little higher than, or even lower than the electricity costs in the network, under the given technological and economic assumptions. The sensitivity to parameter variations is shown to be high; the results of the test application must therefore be considered one example of a technically feasible and efficient supply system but cannot claim to be least-cost in general.Item Open Access Thermische Solarenergienutzung(2004) Heidemann, WolfgangDie Nutzung thermischer Solarenergie erfreut sich zunehmender Beliebtheit. In den vergangenen Jahren stieg die jährlich installierte Kollektorfläche in Deutschland um durchschnittlich ca. 20 Prozent und beträgt derzeit ca. 900 000 Quadratmeter pro Jahr. Der größte Anteil dieser Kollektorfläche wird auf Ein- und Zweifamilienhäuser (kleine Solaranlagen) installiert und dient entweder der ausschließlichen Trinkwassererwärmung oder der kombinierten Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung (Kombianlagen). Weitere Anwendungsgebiete sind der Einsatz von Solaranlagen bei der Schwimmbaderwärmung und solar unterstützte Nahwärmeversorgungssysteme (große Solaranlagen für mindestens 100 Wohneinheiten), mit denen bis zu 50 Prozent der bei konventioneller Wärmeversorgung notwendigen fossilen Energiemenge solar abgedeckt werden können.Item Open Access Effektive Wärmeleitfähigkeit von Metalllhydriden(1994) Kallweit, Jörg; Song, Youwang; Spindler, Klaus; Hahne, ErichIn der Phase II des Teilprojektes B4 im SFB 270 wird auf experimentellem Wege der Einfluß verschiedener Parameter auf die effektive Wärmeleitfähigkeit von Metallhydriden und damit auf den Wärme- und Stofftransport ermittelt. Die Versuchsergebnisse werden mit Ergebnissen aus Modellrechnungen verglichen. Die Messungen der effektiven Wärmeleitfähigkeit an HWT 5800 (Ti 0,98, Zr 0,02, V 0,43, Fe 0,09, Cr 0,05, Mn1,5) sowie an Mg (Ni-dotiert) erfolgen mit Hilfe der in Phase I aufgebauten Heißdraht-Apparatur. Diese wurde lediglich für den Hochtemperaturbereich geringfügig modifiziert. Aufbauend auf dem Modell der Einheitszelle von Zehner, Bauer und Schlünder für nicht reagierende Schüttungen wird ein erweitertes Modell zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Metallhydrid-Schüttungen entwickelt. Dabei werden die aus der Elastizitätstheorie abgeleiteten Zusammenhänge der Hertzschen Pressung verwendet. Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmetransports wie das Einbringen von Wärmeleitstrukturen können hierin ebenfalls berücksichtigt werden. Für Metallhydrid-Materialien, die zum Versintern neigen (Mg) und somit selbst eine Wärmeleitstruktur bilden, ist das erweiterte Modell bisher nicht anwendbar.