Energietechnik und Energiewirtschaft
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Die Aktualität des Klimawandels fordert Maßnahmen in privaten und wirtschaftlichen Bereichen. Die Veränderungen des Klimas führen dazu, dass Regelungen und Gesetze für das Energiewesen der Unternehmen entwickelt werden. Die Gesetze verpflichten die Unternehmen für Energie- und Umweltaudits. Viele Unternehmen führen noch zusätzliche Maßnahmen für eine Verbesserung der Energieeffizienz und des Emissionsausstoßes ein. Die Maßnahmen werden immer relevanter.
Die Norm ISO 50001 unterstützt Unternehmen bei der Einführung und bei der Aufrechterhaltung eines Energiemanagementsystems. Das Energiemanagement hilft dabei, die energiebezogene Leistung zu verbessern und einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess umzusetzen. Eine weitere freiwillige Möglichkeit ist das Klimaneutralitätsbündnis 2025. Das Bündnis soll den Mitgliedern helfen, den Emissionsausstoß zu verbessern. Die Mitglieder werden über einen definierten Zeitraum von 12 Jahren begleitet, um die Geschäftsprozesse anschließend klimaneutral zu gestalten.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Anforderungen der Norm ISO 50001 und dem Klimaneutralitätsbündnis. Beides sind freiwillige Instrumente, welche Unternehmen verwenden können, um das eigene Energiewesen zu optimieren und etwas zum Klimaschutz beizutragen. Die Forschung dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenwirken der beiden Instrumente. Es wird untersucht, ob eine parallele Einführung und Bearbeitung in den Unternehmen möglich ist. Zusätzlich werden die Inhalte und die Anforderungen gegenübergestellt. Mögliche Überschneidungen werden zu Zwecken einer Erleichterung für die Unternehmen überprüft.
Im Zuge dieser Arbeit wird ein Energiemonitoring beim Logistikunternehmen Gebrüder Weiss GmbH eingeführt. Das Unternehmen mit Sitz in Lauterach (Vorarlberg) betreibt weltweit rund 165 Standorte. Die Niederlassung in Lauterach bildet den Versuchsstandort für das Energiemonitoring. Es werden geeignete Partnerunternehmen gesucht, welche ein Energiemonitoringsystem anbieten. Im Zuge der Partnersuche wird ein Pilotprojekt umgesetzt, welches dem Unternehmen erste Einblicke in die Materie bietet. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Pilotprojektes folgt die Implementierung des Energiemonitorings. Die einzelnen Schritte und Herausforderungen des Projektes werden dargelegt und die abschließende Umsetzung wird beschrieben. Nach der Einführung in Lauterach folgt die weltweite Ausrollung des Energiemonitorings in allen Standorten.
Mit dem entwickelten, gemischt-ganzzahligen linearen Optimierungsmodell wird ein grosser Beitrag geleistet, das die wichtigen Betriebskennzahlen einer PV-Speicheranlage, wie der Eigenverbrauchsanteil um bis zu 89 % und der Autarkiegrad um bis zu 73 % durch eine variable Grenzkostenoptimierung bei zusätzlicher E-Auto Berücksichtigung gesteigert werden können. Der Eigenverbrauch der PV-Erzeugung wird durch den stationären Batteriespeicher auf 71 % mehr als verdoppelt. Das beispielhafte Szenario hat einen Haushaltsverbrauch von 5 MWh pro Jahr und besteht aus einer 5 kWp PV-Anlage, mit einem 5 kWh Batteriespeicher und dem Tesla Model 3 mit einer Jahresfahrleistung von 16778 km.
Das erstellte Softwareprogramm kann einfach auf weitere verschiedene Anlagenkonstellationen und mit eigenen Eingangszeitreihenprofile der Haushaltslast, der PV-Erzeugung und der E-Auto Nutzung parametriert werden. Neben der Kennzahlenberechnung des konkreten Szenarios wird der jeweilige Einfluss einer Anlagenkomponente, wie PV, Batterie und Last bei deren Variation, auf die Kennzahlen grafisch gut sichtbar dargestellt.
Die Ergebnisse bestätigen bisherige Arbeiten, dass die Dimensionierung der Anlagenkomponenten nach der einfachen Faust-Formel 1:1:1 erfolgen soll: Der stationäre Batteriespeicher und die PV-Anlage sollen gleich gross sein und ihre Grösse in kWh soll der Jahreslast in MWh entsprechen. Damit wird nahezu schon ein gutes Optimum von Eigenverbrauch, Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad bei minimalen Energiekosten gefunden und die Netzbelastung durch Bezug und Einspeisung kann reduziert werden.
Graphite substrates underwent two methods of creating doped silicon carbide films via carbothermal reduction; the first method being liquid-phase processing, or dip-coating, and the second gas-phase processing, otherwise referred to as the solid-vapour reaction. The dip-coating procedure resulted in flaky coatings, while the solid-vapour reaction resulted in polycrystalline films with columnar growth that displayed promising morphological and electrical properties. The films were tested on their performance as semiconductor diodes, and proved that carbothermal reduction in the gas phase is a promising technique for creating polycrystalline silicon carbide films for the application of light-emitting diodes.
Eindimensionales Siliziumkarbid-Faserwachstum ohne Katalysator über karbothermische Reduktion
(2020)
In dieser Arbeit werden eindimensionale Siliziumkarbid-Fasern über die karbothermische Reduktion von stickstoffdotiertem Siliziumoxykarbid-Glas, welches über einen Sol-Gel-Prozess synthetisiert wurde, hergestellt. Als Wachstumssubstrat für die Fasern werden drei Arten von Kohlenstofffasern verwendet, die entweder in Sol eingelegt sind oder erst bei der karbothermischen Reduktion mit dem Precursor im Graphittiegel eingelegt werden. Es werden vier Formen von eindimensionalem Siliziumkarbid produziert, bei denen Durchmesser und Länge von <100 nm bis zu mehreren µm variieren. Die Charakterisierung der synthetisierten Fasern erfolgt über optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Raman-Spektroskopie. Der Einfluss der Druckentwicklung während der karbothermischen Reduktion auf das Faserwachstum wird anhand von Druck-Temperatur-Verläufen ermittelt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von dezentralen Warmwasserbereitungssystemen, wobei der Fokus auf Energieeffizienz liegt. Als Vergleichs- und Referenzobjekt wird das Wohngebäude „KliNaWo“ mit 19 Wohneinheiten am Standort Feldkirch herangezogen, in welchem eine zentrale Warmwasserbereitung realisiert wurde. Als ersten Schritt werden die theoretischen Grundlagen hinsichtlich der zentralen und dezentralen Warmwasserbereitungs-systeme sowie der unterschiedlichen Wärmeerzeuger, Speichertechnologien und Verteilsysteme erarbeitet. Anschließend erfolgt eine Erläuterung der aktuellen Normensituation und den wichtigsten Fakten bezüglich Trinkwasserhygiene.
Des Weiteren wird das Referenzobjekt „KliNaWo“ sowie die verwendeten Messdaten zur Kalibrierung der Simulationsmodelle beschrieben. Im nachfolgenden Kapitel erfolgt eine detaillierte Darstellung der zu untersuchenden Systeme, wobei es sich um das Wohnungssatellitensystem sowohl mit kontinuierlicher Beladung als auch im Ladefensterbetrieb sowie um dezentrale Boiler-Wärmepumpen handelt. Anschließend wird die verwendete Simulationssoftware Polysun erläutert und erklärt wie die Systeme in der Software abgebildet und welche Ersatzmodelle angewendet werden.
Die Nutzenergie in Bezug auf das Warmwasser beträgt bei der zentralen Variante 20.584 kWh und ist bei allen dezentralen Systemen mit 20.142 kWh etwas geringer, da die Verteilverluste der Warmwasser-Einzelleitungen aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus geringer ausfallen. Da die rückgewinnbaren Wärmeverluste berücksichtigt werden, ergeben sich auch für den Heizwärmebedarf in Abhängigkeit der Variante unterschiedliche Werte im Bereich von 54.322 kWh bis 58.104 kWh. Als Vergleichsgröße wird der gesamte Stromverbrauch der Wärmepumpen inklusive der Förderpumpen herangezogen, welcher für die Deckung des Heizwärmebedarfs, der Verluste sowie des Energiebedarfs bezüglich Warmwasser notwendig ist.
Aus dem Vergleich der Varianten ergibt sich, dass der Stromverbrauch des zentralen Systems mit 14.109 kWh am geringsten ausfällt und das Wohnungssatellitensystem im Ladefensterbetrieb mit einem Strombedarf von 14.441 kWh nur wenig darüber liegt. Beim Wohnungssatellitensystem mit kontinuierlicher Beladung und bei den Boiler-Wärmepumpen-Systemen liegen die Stromverbräuche deutlich höher. Anhand der Simulationsergebnisse kann festgestellt werden, dass die dezentralen Anlagenkonfigurationen unter Berücksichtigung der ÖNROM B 2531 nicht effizienter sind als das zentrale System, wobei das Wohnungssatellitensystem im Ladefensterbetrieb in derselben Größenordnung wie das zentrale System liegt. Allerdings sind beim Wohnungssatellitensystem höhere Investitionskosten gegenüber der zentralen Variante zu erwarten, wodurch das System wirtschaftlich schlechter abschneidet.
Das Ziel dieser Masterarbeit war die Untersuchung der Einflussgrößen Wassertemperatur, Füllstand, Gasleerrohrgeschwindigkeit und Blasengröße auf die Befeuchtung von Luft in einer mit Salzwasser befüllten Blasensäule. Dazu wurde eine umfangreiche Versuchsreihe durchgeführt, um die Auswirkungen zu untersuchen. Großer Wert wurde dabei auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gelegt. Es wurde eine große Anzahl Datensätze während den Versuchszeiten geloggt und analysiert. Die Auswertung hat ergeben, dass die Wassertemperatur ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Befeuchtung von Luft ist. Die Wassertemperatur zeigt gemäß des Antoine-Gesetzes exponentielle Auswirkungen auf die Kondensatproduktion auf. Hohe Füllstände in der Blasensäule wiesen im Vergleich zu niedrigeren Füllständen eine erhöhte Kondensatproduktion auf. Eine Steigerung der Gasleerrohrgeschwindigkeit in den Versuchen führte zu einer Zunahme der produzierten Kondensatströme. Die in dieser Arbeit untersuchten Spargerplatten der Variation des Lochdurchmessers konnten keine klaren Erkenntnisse auf die Befeuchtung von Luft liefern. Insgesamt sind die Forschungen an der Versuchsanlage noch nicht abgeschlossen und weitere Erkenntnisse zu dieser Thematik sollen in Zukunft gewonnen werden.
Die EU-Ziele umfassen die Steigerung des Anteils an erneuerbaren Energien an der Energieerzeugung um 32 % bis 2030. Doch erneuerbare Energien bringen neben den Vorteilen für den Umweltschutz auch Probleme mit sich. Ihre Schwankungen und Unkontrollierbarkeit stellen große Herausforderungen für das Stromnetz dar. Um die Netz- und damit die Versorgungssicherheit weiterhin gewährleisten zu können, braucht es Lösungen, die weder das Stromnetz, die Verbraucher noch die Energieversorger benachteiligen. Eine Möglichkeit wäre es, zusätzliche Kraftwerke und Infrastruktur (Redundanzen) aufzubauen, welche potenzielle Schwankungen ausgleichen können. Dieser Lösungsansatz gilt als traditioneller Weg, der hohe Kosten und negative Umweltauswirkungen mit sich bringt. Demand Side Management hat das Potenzial, effiziente Lösungen diesbezüglich anzubieten. Welche Vorteile der Einsatz von DSM auf Ebene der Haushaltsverbraucher für die Energieversorger in Bezug auf den Abruf von Ausgleichsenergie bringt, wird in dieser Arbeit behandelt. Dafür wurde ein agentenbasiertes Modell entwickelt, welches darauf abzielt, die Abweichung zwischen dem von dem Energieversorger prognostizierten Verbrauch und dem realen Verbrauch seiner Haushaltskunden zu verringern. Jeder Haushalt in dem vorgestellten Modell ist mit einer Flexibilität in Form eines Batteriespeichers ausgestattet. Die Speicherbewirtschaftung wird basierend auf einem Signal, welches der Energieversorger übermittelt, automatisch vom Haushalt für jeden Tag im Betrachtungszeitraum optimiert. Jede Abweichung zwischen der vom Energieversorger erstellten Prognose und der tatsächlich bezogenen Strommenge stellt dabei einen Bezug von Ausgleichsenergie dar. Untersucht werden die Auswirkungen der Anzahl an Haushalten sowie ein unterschiedlicher Wissensstand auf die Prognose. Weiters werden zwei unterschiedliche Arten von Demand Side Management analysiert. Einmal die Einflussnahme auf die Last der Haushalte durch ein Preissignal, einmal durch das Vorgeben eines Lastgangs. Um die Effektivität der beiden Varianten bestimmen zu können, wird auch die Menge an Ausgleichsenergie erhoben, welche ohne das Vorhandensein eines Batteriespeichers (also ohne Steuerung) anfallen würde. Das Modell wurde entwickelt, um einen Trend aufzuzeigen und keine spezifische Einsparungsmenge zu ermitteln, da dies von der jeweiligen Situation des Energieversorgers abhängt. Die Erstellung der unterschiedlichen Wissensstände basiert auf den österreichischen rechtlichen Vorgaben bezüglich der Datenübertragung bei intelligenten Messgeräten. Dabei ist einmal der Jahresverbrauch, einmal der Tagesverbrauch und einmal die stündlichen Verbrauchswerte bekannt. Das Preissignal ist negativ korreliert zu den am Day-Ahead-Markt gehandelten Mengen und das Lastsignal basiert auf einer der Prognosen des Energieversorgers, je nach Variante, die untersucht wird. Es zeigte sich, dass ein besserer Wissensstand nur teilweise eine Verbesserung der Prognose erzielte. Wobei die unterschiedlichen Wissensstände auf den realen Werten der nicht verwendeten Haushalte aus dem gleichen Datensatz aufbauen und so beispielsweise Wettereinflüsse in der Prognose schon bekannt waren, was die Prognose basierend auf Jahreswerten sehr genau machte. Der Aggregationseffekt von mehreren Haushalten beeinflusst die Prognose positiv. Auf einzelner Haushaltsebene schneiden die Vorhersagen deutlich schlechter ab als bei Prognosen des Gesamtverbrauchs aller Haushalte. Die Optimierung basierend auf dem Lastsignal generiert eine geringere Menge an Ausgleichsenergie als das Preissignal. Das liegt unter anderem daran, dass die Prognose nur die Verbräuche der Haushaltskunden berücksichtigt und nicht die Mengen, die am Markt gehandelt werden. In den untersuchten Varianten stellte sich heraus, dass am wenigsten Ausgleichsenergie über alle Haushalte erzeugt wird, wenn kein Demand Side Management betrieben wird, also keine Batteriespeicher vorhanden sind und die Prognose des Energieversorgers auf Stundenwerten basiert. Auf einzelner Haushaltsebene fällt bei der Optimierung mittels Lastsignal am wenigsten Ausgleichsenergie an.
A novel calorimetric technique for the analysis of gas-releasing endothermic dissociation reactions
(2020)
Autonome Steuerung für das Demand Side Management von Wärmepumpenboilern mit linearer Optimierung
(2020)
Wärmepumpen, im Speziellen Wärmepumpenboiler, stellen mit ihrer thermischen Speicherkapazität eine gute Möglichkeit für autonome verbraucherseitige Laststeuerung (Autonomes Demand Side Management ADSM) dar. Zudem gewinnt diese Art der Brauchwarmwassererzeugung durch ihren dezentralen Ansatz und das Auskommen ohne fossile Energieträger im privaten Wohnbau immer mehr an Bedeutung. In Kombination mit staatlichen Fördergeldern ist die Anzahl verkaufter Einheiten in den letzten 5 Jahren am deutschen Markt um circa 25 % gestiegen. Obwohl das Lastverschiebungspotenzial von Wärmepumpenboilern unter Anwendung von Optimierungsalgorithmen in der Literatur theoretisch nachgewiesen ist, fehlen Verifikationen unter realen Bedingungen. Diese Arbeit will einerseits das theoretische Potential aufzeigen und andererseits mit dem vorgestellten Laborversuch einen Beitrag dazu liefern, die Verifikationslücke zu schließen. Für die Untersuchung im Labor wird ein handelsüblicher Wärmepumpenboiler bestehend aus einer Luft-Wärmepumpe und einem 300 Liter Warmwasserspeicher mit Sensoren und Aktoren ausgestattet. Insgesamt vier Temperatursensoren befinden sich am Speicherzulauf und -ablauf, sowie nahe der Speichermitte. Für die Aufzeichnung des Volumenstroms wird ein magnetisch-induktiver Messsensor am Speichereingang installiert. Zusätzlich wird mithilfe eines Proportionalventils am Speicherausgang das gewünschte Zapfprofil realisiert. Die Datenakquisition wird durch einen Datenlogger durchgeführt und die Optimierungsroutine auf dem PC implementiert. Die autonome Steuerung basiert auf einer von Day-Ahead-Marktpreisen der Energy Exchange Austria (EXAA) getriebenen linearen Optimierung mit dem Ziel, die Kosten der elektrischen Energie zu minimieren. Das Warmwasserverbrauchsprofil bildet den Verbrauch eines 4- Personen-Haushalts ab. Alle Mess- und Simulationsreihen basieren auf den gleichen Day-Ahead Preisfunktionen und Nutzerprofilen. Zur Verifikation des Lastverschiebungspotentials werden die Kosten pro MWh elektrischer Energie und die Kosten pro MWh thermischer Nutzenergie im Hysteresebetrieb (Normalbetrieb) denen des optimierten Betriebs gegenübergestellt. Durch eine Jahressimulation konnte das theoretische Potential nachgewiesen werden. Die Auswertungen der Kosten pro MWh elektrischer Energie zeigen Kosteneinsparungen am Day-Ahead-Markt von rund 18 %. Die Kosten pro MWh thermischer Nutzenergie konnten durch die Optimierung um rund 19 % gesenkt werden. Die thermische Effizienz konnte somit um rund 1 % gesteigert werden. Der Wärmepumpenboiler wurde insgesamt zwei Wochen betrieben; eine Messreihe davon fand dabei im Normalbetrieb statt. In einer weiteren Messreihe wurde die Wärmepumpe mit der Optimierungsroutine betrieben. Die Auswertungen der Kosten pro MWh elektrischer Energie zeigen Kosteneinsparungen am Day-Ahead-Markt von circa 23 %. Ebenso konnten die Kosten pro MWh thermischer Nutzenergie um 19 % gesenkt werden. Gleichzeitig sank die thermische Effizienz um 6 %.
ÖKOPROFIT ist ein Kooperationsprojekt zwischen den örtlichen Gemeindenund der lokalenWirtschaft.Die Teilnahme ist für die Betriebe freiwillig. Ziel ist die Betriebskostensenkung bei gleichzeitiger Schonung der Ressourcen. In Vorarlberg sind derzeit circa170 Betriebe zertifiziert. Im Rahmen der Rezertifizierung, die jedes Jahr stattfindet, wird von den Betrieben ein Umweltbericht erstellt. Die Berichte werden derzeit in Word verfasst, in eine Cloud geladen und dort von den Auditoren geprüft. Dies ist jedoch nicht mehr zeitgemäß. Im Rahmen des CESBA-AlpsInterreg Alpine Projektes (2016-2019) wurde ein Tool entwickelt, mit dem Ziel Nachhaltigkeit und Energieeffizienz im Alpenraum zu verbessern. In dieser Arbeit wird nun geprüft, inwiefern das bestehende CESBA-Alps-Tool in Wert gesetzt und somit in den Rezertifizierungsprozess von ÖKOPROFIT integriert werden kann. Das Tool wird zunächst so eingerichtet, dass die Betriebe mit ihren dazugehörigenIndikatoren sowie passende Indikatoren-Sets angelegt werden können. Für den Test werden historische Daten bis zum Jahr 2013von zwei Pilot-Clustern (Landeskrankenhäuser und Landesregierungsgebäude) mit unterschiedlichen Indikatoren-Sets eingepflegt. Es wird untersucht, inwiefern die Auswertungen und Exporte für den Rezertifizierungsprozess bereits tauglich sind. Jegliche Auffälligkeiten, Fehler oder Verbesserungsvorschläge werden gesammelt. Es wird klar, dass die Export-Dateien verschlankt und optimiert werden müssen, damit sie ohne Mehraufwand verwertet werdenkönnen. Die wichtigste Handlungsempfehlung ist die automatisierte Berichtlegungsfunktion. Es sollte ein Texteditor in das Tool eingearbeitet werden, in den Unternehmen einzelne Textbausteine einpflegen können, sodass mithilfe des Tools nicht nur das Kennzahlenkapitel des Umweltberichts, sondern alle Kapitel standardisiert erarbeitet werden können. Nur so kann sichergestellt werden, dass das Tool für die Betriebe eine Arbeitserleichterung und somit Zeitersparnis generiert. In einem weiteren Arbeitspaketwurden ähnliche Online-Tools anhand von im Vorhinein ausgewählten und priorisierten Kriterien, die ein optimales Tool erfüllen sollte, mithilfe einer gewichteten Entscheidungsmatrix semiquantitativ verglichen. Hierbei schnitt das in dieser Arbeit getestete Tool selbst ohne die Verbesserungen am besten ab. Es stellt sich heraus, dass es bereits die Hälfte der ausgewählten Kriterien in einer sehr guten Weise erfüllt. Die Kriterien wurden von der ÖKOPROFIT-Programmleitung definiert. Werden die Handlungsempfehlungen in der Zukunft noch umgesetzt, könnte mit dem Tool tatsächlich eine Verbesserung des derzeitigen ÖKOPROFIT-Rezertifizierungsprozesses erwirkt werden.