Energietechnik und Energiewirtschaft
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A novel calorimetric technique for the analysis of gas-releasing endothermic dissociation reactions
(2020)
In der vorliegenden Masterarbeit wird das Verbesserungspotential von Gebäudeleitsystemen am Beispiel der Errichtergemeinschaft Frühlingstraße untersucht. Der Fokus bei der Analyse liegt auf der Ermittlung von Verbesserungen im Bereich der Regel- und Steuerstrategien. Beim Referenzobjekt handelt es sich um sieben Einfamilienhäuser, die durch einen zentralen Pelletkessel mit Wärmeenergie versorgt werden, welche über das miteinander verbundene Kellergeschoss verteilt wird.
Im Kapitel Stand der Technik werden die Gebäudeleitsysteme von Mehrfamilien-Wohnanlagen in den 2000er Jahren und in den 2020er Jahren mit dem ausgeführten Gebäudeleitsystem des Referenzobjektes der Errichtergemeinschaft Frühlingstraße, bei dem es sich ebenfalls um eine Mehrfamilien-Wohnanlage handelt, miteinander verglichen. Nach dem Kapitel Forschungsstand wird die verwendete Methode kurz umrissen. Ein wichtiger Schritt zur fertigen Simulation ist das Verstehen der bestehenden Steuer- und Regelstrategien. Dabei wird sehr genau auf die Regelung der Häuser und des Pelletkessels eingegangen. Ebenfalls werden die zu simulierenden Komponenten, die zur Verfügung gestellten Messdaten und die verwendete Simulationssoftware Polysun beschrieben. Bei der Simulation des Referenzobjektes wird speziell auf die verwendeten Komponenten, aber auch auf die umgesetzten Regel- und Steuerstrategien eingegangen. Die Beschreibung der einzelnen Varianten beschränkt sich auf den Unterschied zur Simulation des Referenzobjektes.
Die einzelnen Varianten unterscheiden sich im Bereich des solaren Deckungsanteils nur sehr geringfügig. Die solare Ausbeute in den Monaten Mai bis August ist bei den Varianten 3 und 4 jedoch deutlich höher als bei den anderen Varianten. Ein deutlicher Unterschied ist auch im Bereich des Pellet-Verbrauchs auszumachen. Bei der Variante 4 werden im Vergleich zum Referenzobjekt jährlich gut 800 kg Pellets eingespart. Dies bedeutet eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um 167,8 kg. Dieser Trend der Reduktion kann auch bei den Betriebsdauern des Pelletkessels fortgesetzt werden. Der größte Unterschied der einzelnen Varianten ist bei den Anforderungen des Pelletkessels auszumachen. Somit wird der Pelletkessel bei der Variante 2 14536-mal angefordert und bei der Variante 4 lediglich 3353-mal.
Diese Verbesserungen können durch kleine Anpassungen der Regel- und Steuerstrategien erzielt werden. Gerade weil die Low-Tech Gebäude des Referenzobjekts sehr energieeffizient umgesetzt und nicht mit technischer Ausstattung überladen wurden, können die ermittelten Verbesserungspotentiale bei anderen Gebäuden umgesetzt werden. Bei Gebäuden, die nicht als Low-Tech Gebäude errichtet wurden, ist durch die Anpassung des Gebäudeleitsystems ein größeres Verbesserungspotential zu erwarten.
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.
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 %.
Das Energieinstitut Vorarlberg hat zusammen mit mehreren Regionen in Vorarlberg das Sanierungslotsenprojekt gestartet, um die Beratungssituation bei der Gebäudesanierung zu verbessern. Durch wiederholten Kundenkontakt wurde festgestellt, dass es ein Beratungsdefizit für Besitzer älterer Einfamilienhäuser gibt. Zwischen der Erkenntnis, dass eine Sanierung des Gebäudes notwendig ist und dem Zeitpunkt, an dem die ersten Leistungen bestellt werden, gibt es keine sachkundige Betreuung in den Fragestellungen der zukünftigen Gebäudenutzung. In den bisher angebotenen Beratungen werden zwar auch unterschiedliche Sanierungsvarianten miteinander verglichen. Jedoch bezieht sich der Vergleich auf Variationen von Sanierungsmaßnahmen, wie beispielsweise Dämmstoff - und Fensterqualität oder die Auswahl eines Heizungssystems. Darüber hinaus gehende Fragen über altersgerechtes Wohnen, Generationenwohnen, Nachverdichtung und Vermietung werden in diesen Beratungen nicht behandelt. In allen Fragen der zukünftigen Nutzung und den zukünftigen Anforderungen an das Gebäude, den darauf abgestimmten Sanierungszielen und der zugehörigen Kostenschätzung mit Finanzierungsberechnung sind die Besitzer auf sich gestellt.
Deshalb ist der Bedarf nach einem einfachen Rechentool, welches in einer frühen Phase der Sanierungsberatung, eine schnelle Berechnung der in Betracht kommenden Sanierungsvarianten ermöglicht, entstanden. In dieser frühen Phase ist es bislang nicht üblich eine Kostenschätzung abzugeben. Für diese Berechnungen wird eine Datenbank mit Sanierungs - und Umbaukostenelementen benötigt, sodass mit einer abgesicherten Basisdaten kalkuliert werden kann.
In der vorliegenden Masterarbeit werden eine auf Microsoft Excel basierende Datenbank und das dazugehörige Rechentool vorgestellt, die die beschriebenen Anforderungen erfüllen. Mit Hilfe der Datenbank wird eine Grundlage geschaffen, an denen sich die Sanierungslotsen orientieren können. Zusätzlich zu den Netto- und Bruttokosten, die bei den einzelnen Sanierungsmaßnahmen anfallen, werden auch Einheitskosten angegeben, die in das Rechentool eingetragen werden können.
Das Rechentool ermöglicht den Vergleich von fünf unterschiedlichen Sanierungsvarianten. Durch die freie Eingabe der Flächen können auch Varianten mit unterschiedlichen Nutzungskonzepten und unterschiedlichen Grundrissen verglichen werden. Neben einer Grobkostenrechnung der Sanierungskosten erfolgt im Tool auch die Berechnung der Förderung laut der Wohnaussanierungsrichtlinie und Energieförderungsrichtlinie des Landes Vorarlberg. Weitere Förderungen können als Einmalzuschüsse eingetragen werden. Eine vereinfachte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt über die Berechnung der Finanzierung der Sanierung. Hierbei werden auch Einnahmen durch Vermietung berücksichtigt.
Damit eine möglichst ausfallsichere Energieversorgung und Energieübertragung gewährleistet werden kann, werden verschiedene Betriebsmittel benötigt. Diese Betriebsmittel müssen gewisse Genauigkeitsgrenzwerte einhalten. In dieser Masterarbeit wird die Prüfung der Genauigkeit von Stromwandlern diskutiert. Die Ermittlung der Genauigkeit kann durch das Einspeisen eines Primärnennstroms (einige kA) und eine Messung des Sekundärstroms erfolgen. Daraus wird der Übertragungsfehler bestimmt. Die Genauigkeit wird unter anderem durch den Übertragungsfehler beschrieben, welcher sich aus dem Übersetzungsfehler und dem Phasenfehler zusammensetzt. Es wird bei diesem Verfahren von der Primärmethode oder auch Primärstrommethode gesprochen, dies ist die Referenzmessung nach den Normen IEC 61869-2 und IEEE C57.13. Die Firma OMICRON electronics GmbH entwickelte ein modellbasiertes Messverfahren, das den Einsatz eines mobilen und leichten Messgeräts erlaubt. Das Messgerät wird CT Analyzer genannt. Bei Verwendung dieser Methode werden keine hohen Ströme verwendet, was den BenutzerInnen zusätzlich eine höhere Sicherheit für die Bedienung des Geräts bietet. Mit diesem Messverfahren werden die einzelnen Komponenten des elektrischen Ersatzschaltbildes des Transformators bestimmt. Mit den ermittelten Komponenten kann dann der Übertragungsfehler berechnet werden. Das modellbasierte Messverfahren beruht auf Messungen, die von der Sekundärseite des Stromwandlers her durchgeführt werden. Man spricht bei diesem Messverfahren von der Sekundärspannungsmethode, welche inzwischen in der Norm IEC 61869-2 als alternative Messung angeführt ist. Der Vorteil der Primärmethode ist die Hoch-Präzisionsmessung, da die Prüfung unter realen Bedingungen und mit einer direkten Messung durchgeführt wird. Die Genauigkeit dieser Methode wird durch die Messtechnik selbst bestimmt, sie ist sehr genau und daher als Referenz gültig. Das Ziel der Sekundärspannungsmethode ist es, den Vorteil der Hoch- Präzisionsmessung für die Sekundärspannung zu nützen. Da es sich um ein modellbasiertes Messverfahren handelt, wird die Messgenauigkeit bei diesem Verfahren durch das angewandte Modell bestimmt und nicht durch die Messtechnik wie bei der Primärmethode. Daher sind Untersuchungen am Modell notwendig. Es gibt einige wenige Stromwandlertypen, bei denen es größere nicht akzeptable Differenzen zwischen der Primärmethode und der Sekundärspannungsmethode gibt. Diese Masterarbeit befasst sich deshalb mit Untersuchungen von Möglichkeiten und Grenzen der Sekundärspannungsmethode. Zu Beginn wird eine theoretische Sensitivitätsanalyse mathematisch erarbeitet. In diesem Zusammenhang wird der komplexe Fehlervektor eines Stromwandlers eingeführt. Diese Sensitivitätsanalyse dient der Ermittlung des Einflusses auf den komplexen Fehler in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern und zur Auswahl von Stromwandler-Testobjekten. Des Weiteren wird die Sensitivitätsanalyse durch Messungen an verschiedenen Stromwandlern verifiziert. Die Untersuchungen basieren auf MATLAB-Simulationen und Messungen mit dem OMICRON Messgerät CT Analyzer, welches die Sekundärspannungsmethode anwendet. Die Ergebnisse werden mit den Herstellerdaten (Primärmethode) verglichen und analysiert werden.
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.
Da konventionelle Kältemittel im Vergleich zu CO2 ein großes Treibhauspotential (GWP) aufweisen, gewinnen neue, alternative Kältemittel, sogenannte low-GWP Kältemittel, stärker an Bedeutung. Zu diesen low-GWP Kältemitteln gehören u.a. die Fluide der HFO und HCFO Kältemittel. Durch ihre thermophysikalischen Eigenschaften eignen sie sich insbesondere für die Anwendung in industriellen Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP), die im Temperaturbereich von 100 °C bis 160 °C ein großes Potenzial in der Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie zur Prozesswärmebereitstellung aufweisen. In dieser Masterarbeit werden die Kältemittel R1336mzz(Z), R1233zd(E), R1224yd(Z), R1234ze(Z) und R514A auf ihre Anwendbarkeit in drei verschiedenen Kältekreiskonfigurationen untersucht. Dabei soll herausgefunden werden, welches Kältemittel sich unter Berücksichtigung des COPs, der volumetrischen Heizleistung, der Verdichtungsverhältnisse und Verdichtungsendtemperaturen am besten eignet. Der Kreislauf mit internem Wärmeübertrager (IHX) findet bereits Anwendung in HTWP und dient zum grundlegenden Vergleich der Kältemittel. Die beiden neuen Kreisläufe eignen sich u.a. für große Spreizungen an der Senke. Eine in dieser Arbeit betrachteten Kältekreiskonfiguration besteht aus zwei parallel angeordneten IHX Kreisläufen (2KP) und die andere aus einer zweistufigen Kreislaufkonfiguration (2SE).
Mithilfe des Programms EES wird für die Kreisläufe ein Modell erstellt, mithilfe dessen der Senkentemperaturbereich von 100 °C bis 160 °C und der Quellentemperaturbereich von 40 °C bis 80 °C untersucht werden kann. Die Auswertung der Simulationen kam zu dem Ergebnis, dass R514A bis zu einer Senkentemperatur von 130 °C und R1336mzz(Z) ab dieser Senkentemperaturen im IHX und 2SE Kreislauf die besten COP Werte aufweist. Zudem sind die Verdichtungsendtemperaturen und das Verdichtungsverhältnis günstig, die volumetrische Heizleistung hingegen am geringsten. Im 2KP Kreislauf besitzt die Kältemittelkombination R1336mzz(Z)/R514A die besten COP Werte. Der 2KP Kreislauf weist die besten COP Werte der betrachteten Kältekreiskonfigurationen auf. Im Betriebspunkt bei einer Senkentemperatur von 130 °C (ΔT Senke 60 K) und einer Quellentemperatur von 60 °C (ΔT Quelle 10 K) liegt der COP des IHX bei 3,95, der des 2SE bei 4,05 und der des 2KP bei 4,26. R1233zd(E) überzeugt im IHX und 2SE Kreislauf mit einer deutlich höheren VHC im Vergleich zu R1336mzz(Z), bei etwas geringeren COP Werten. Die Untersuchung zeigt auch, dass die Auswahl einer Kältekreiskonfiguration und eines Kältemittels stark von den Betriebstemperaturen abhängt.
Aufgrund des anhaltenden Klimawandels wird eine Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid (CO2) immer wichtiger. Dabei könnte die Verwendung und Weiterentwicklung von CO2-Gashydraten als „Carbon Capture“-Methode (CC) einen großen Beitrag leisten. Bei der Bildung von Gashydraten wird Gas in den Hohlräumen eines Hydratgitters, welches sich unter hohen Drücken und niedrigen Temperaturen bildet, eingeschlossen. In dieser Arbeit wurden verfahrenstechnische Methoden getestet, um die Dynamik der Gashydratbildung zu verbessern. Dies wird vor allem durch eine Verbesserung von Massen- und Wärmetransport erreicht. Das Hauptproblem für die langen Bildungszeiten ist unter anderem eine sehr geringe Kontaktfläche. Diese kann durch den Einsatz eines Rührers, eines permanenten Gasdurchflusses und durch die Verwendung von Dry Water erhöht werden. Dry Water besteht aus vielen winzigen Wassertröpfchen, die von hydrophobiertem Siliziumdioxid (SiO2) umschlossen sind. Dadurch kann die Dauer der Induktions- und Wachstumsphase der Gashydratbildung verkürzt werden.
In dieser Arbeit wird ein Reaktor mit 30 ml Volumen und ein Schrägblattrührer mit einem Durchmesser von 17 mm verwendet. Der Rührer wurde bei einer maximalen Drehzahl von 15 000 rpm ca. alle 10 min für max. 30 s betrieben, bis die Wachstumsphase der Gashydratbildung beginnt. Der Gasdurchfluss hatte einen Volumenstrom von ca. 4 slm. Das verwendete Dry Water wurde in einem Haushaltsmixer bei 25 000 rpm aus Kieselsäure und Wasser hergestellt und besitzt einen Wasseranteil von 95 %. Es wurden unterschiedliche Kombinationen getestet. Die kürzeste Induktionszeit wurde mit durchschnittlich 6,9 min durch den Einsatz eines Rührers in Kombination mit einem Gasdurchfluss und Wasser erreicht, bei einem Volumenverhältnis zwischen Gas und Wasser von 8,8 v/v nach 60 min. Die größte Menge an Gashydrat konnte durch den Einsatz von Dry Water in Kombination mit einem Gasdurchfluss erreicht werden. Das führte nach 60 min zu einem Volumenverhältnis zwischen Gas und Wasser von 14,9 v/v. Die Induktionszeit betrug dabei 120 min.
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zur Prognose von Anomalien in einzelnen Sensordaten für die Anwendung in Expertensystemen im Bereich der Biomassekraftwerke. Die in fünf Schritten beschriebene Methode beinhaltet neben der Datenaufbereitung eine Anomalievorauswahl durch eine unüberwachte Ausreißererkennung, welche mittels des PYOD-Toolkit umgesetzt wurde. Bei der anschließenden Anomaliebestimmung wird der zuvor generierte binäre Zielvektor durch einen mit dem System vertrauten Experten validiert. Eine darauffolgende überwachte binäre Klassifikation mit unbekannten Betriebsdaten ergibt, dass mittel- bis langfristige Anomalien im Mehrstunden- bis Mehrtagesbereich in Form eines Trends reproduktiv vorhergesagt werden können. Kurzfristige Anomalien im Minutenbereich in Form von Extremfällen können hingegen nicht reproduktiv vorhergesagt werden. Eine zusätzliche Untersuchung zur Vorhersage einer Anomalie noch vor deren tatsächlichen Eintrittszeitpunkt brachte keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Demnach lässt sich mit dieser Methode nur eine bestimmte Art von Anomalien in Expertensystemen für Biomassekraftwerke vorhersagen. Dazu sollte zudem darauf geachtet werden, dass es trotz positiv erzielter quantitativer Ergebnisse notwendig ist, für die qualitative Prüfung einen mit dem System vertrauten Experten hinzuzuziehen und dass für die zu prognostizierende Anomalie die geeignete Abtastzeit zu wählen ist. Abschließend bleibt zu erwähnen, dass Anomalien, welche nur durch Über- bzw. Unterschreitung eines definierten Grenzwertes gekennzeichnet werden, als zu trivial für diese Methode gelten. Diese können über eine einfache Grenzwertbetrachtung identifiziert werden.