Energietechnik und Energiewirtschaft
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This study deals with the energy situation in Ny-Ålesund, an Arctic research station on the archipelago Svalbard, and aims at analysing the technical feasability of a transition to renewable energies by taking into consideration both the environmental and climatic impediments.
The analysis is based on a 27 year long collection of authentic meteorological data with all its strong fluctuations, seasonal as well as yearly. Great emphasis was put on the discussion of tried-and-tested renewable technologies that were compared to a new wind-based energy device that has yet to be tested for its reliability in the harsh environment of notably the Arctic winter. Meticulous calculations lead to the result that bifacial solar modules are an efficient means even in months when the sun stands low and their combination with wind-based devices prove to generate a maximum output. Geothermal energy seems to be promising in the region, but could not be evaluated due to a crucial lack of relevant data.
The study comes to the conclusion that the research station of Ny-Ålesund could well rely on a combination of renewable energy devices to cover its energy load, but needs to keep a back-up system of diesel run generators to bridge short periods of possible dysfunctions or standstills due to meteorological circumstances. Battery storage could only contribute to solve the problem of an unfortunate interruption of the energy supply, but it cannot serve as the entire back-up system since, at present, the need would go beyond all possible dimensions.
In dieser Arbeit wird ein Luft-Clathrat Energiespeicher entworfen, der die Speicherung von elektrischer Energie bei einer Speicherdauer von etwa einem Tag ermöglichen soll. Als Speichermedium dient Luft. Die Luft wird zuerst komprimiert (Einspeichern der elektrischen Energie) und anschließend bei Temperaturen oberhalb des Wasser-Gefrierpunkts (mindestens 274 K, Drücke ab etwa 170 bar) zu Luft-Clathrat synthetisiert. Gespeichert wird das Luft-Clathrat in einem offenen Tank, der aufgrund des Selbstkonservierungseffekts bei moderaten Bedingungen von 1 bar und bei einer Temperatur von 271 K gehalten werden kann. Durch das Hinzufügen von Promotern zum Luft-Clathrat, lässt sich das Luft-Clathrat bei niedrigeren Drücken (< 50 bar) und bei leicht höheren Temperaturen (ca. 280 K) synthetisieren.
Bei den Druck- und Flüssigluftspeichern handelt es sich um ähnliche Speicher, da bei diesen Luft ebenfalls als Speichermedium dient. Vorteile des Luft-Clathrat Energiespeichers gegenüber den Druck- und Flüssigluftspeichern liegen darin, dass dieser bei milderen Bedingungen (Druck, Temperatur) die Luft speichert und für die Speicherung der Luft keine Kaverne benötigt, wie es bei den Druckluftspeichern der Fall ist.
In der folgenden Masterarbeit werden drei Systeme des Luft-Clathrat Energiespeichers thermodynamisch modelliert. Das isotherme und isentrope System dienen als ideale Systeme, während das reale System an die Wirklichkeit angenähert wird. Für das reale System wird bei reinem Luft-Clathrat ein Zykluswirkungsgrad von ca. 17 %, eine gravimetrische Energiedichte von ca. 22 Wh/kg und eine volumetrische Energiedichte von ca. 21 kWh/m3 erreicht. Mit Promotern konnte der Zykluswirkungsgrad auf ca. 47 % bei einer gravimetrischen Energiedichte von ca. 11 Wh/kg und einer volumetrischen Energiedichte von ca. 10 kWh/m3 erhöht werden.
Sonnenhaus 2.0
(2021)
Die vorliegende Arbeit befasst sich im Rahmen einer Fallstudie hauptsächlich mit der Steigerung des Anteils an PV-Batteriebeladungsenergie von Elektrofahrzeugen. Zentral ist die Frage einer möglichen Beeinflussung dieses PV-Ladeanteils durch Re-konfiguration des thermischen Systems (Speicherkapazitäten, Betriebsstrategie der WP).
Dazu wurde das Mehrfamilienhaus anhand der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation nachgebildet. Im ersten Schritt erfolgte die Ermittlung der für die Gebäudekonditionierung notwendigen Nutzenergie anhand eines Gebäudemodells. Anschließend erfolgte eine Bedarfsoptimierung, um die Grundlast des Wärmeerzeugers möglichst weit zu senken. Dabei wurde zum einen der thermische Komfortbereich ausgenutzt, zum anderen wurde eine Steuerungslogik für die Verschattungs- und Nachtlüftungsautomatik erstellt. Hierdurch konnte der Heizwärmebedarf um 24% und der Kühlwärmebedarf um 70% gesenkt werden. Die Performance des Systems wurde außerdem in Simulationen mittels zukünftigen Klimaszenarien überprüft, in welchen sich die Reduzierung KWB als besonders vorteilhaft herausstellte. Im zweiten Schritt wurde die fassadenintegrierte PV-Anlage nachsimuliert und hinsichtlich ihrer standortspezifischen Ertragssituation mit konventioneller Dachbelegung verglichen. Es zeigte sich, dass die Fassadenbelegung in Südausrichtung über die Wintermonate ertragreicher ist als die, in der Jahresbilanz superiore Dachaufständerung. Im dritten Schritt wurde das technische Gebäudesystem des realen Objektes in der Software Polysun nachgebildet und mittels eigens entworfener Regelungslogik betrieben. Es wurden Variantenstudien der zentralen Parameter Speicherkapazität, Speichertemperatur und Betriebsstrategie durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Variation von Speichergröße und maximaler Speichertemperatur keinen relevanten Einfluss auf die PV-Beladeenergie der Elektrofahrzeuge hat. Jedoch zeigte die erhöhte Betriebsweise der Wärmepumpe bei PV-Überschuss (PVready) eine Steigerung der PV-Batteriebeladung von jährlich ca. 2 % sowie in einzelnen Monaten bis zu 6%. Außerdem konnte eine Steigerung der Autarkie des Gesamtsystems von 13,6% sowie eine Halbierung des Netzbezuges beobachtet werden.
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.
Seit jeher versuchen Energieversorgungsunternehmen den Einsatz ihrer Kraftwerke zu optimieren. Grund für die Optimierung ist die Sicherstellung der Stromversorgung bzw. das wirtschaftliche Handeln eines Unternehmens. Bisher gibt es am Markt kaum intelligente Lösungen für sehr komplexe, hydraulisch zusammenhängende Kraftwerksgruppen. Obwohl die deterministische Optimierung der illwerke vkw sehr ausgereift ist, wird hier ein Schritt weitergegangen. Als Methode dient eine detaillierte Bewertung des Kraftwerkseinsatzes bei gleichzeitiger Reduzierung von Risiken. Es wird nach Strategien und Regeln gesucht, welche den Einsatz zusätzlich optimieren. Für das Ziel dieser Forschung stellt sich in der vorliegenden Masterarbeit folgende Frage: „Wie können Kraftwerkseinsatzstrategien mithilfe eines Trainingssimulators bewertet und verallgemeinert werden?“
Zur Beantwortung der Forschungsfrage wurden Simulationsfahrten von mehreren Dispatchern durchgeführt. Die Bewertungsmethodik basiert auf der Analyse der unterschiedlichen Strategien und gewichteten Kennzahlen. Zusätzlich wurde ein Fragebogen erstellt. Dieser beinhaltet Aspekte zu bereits bekannten Regeln im Dispatching, zur Gewichtung der Kennzahlen, zur Erfahrung der Dispatcher und zum Verhalten in verschiedenen Einsatzsituationen. Die Antworten der Dispatcher zeigen, dass bereits verschiedene Regeln im Kraftwerkseinsatz zur Anwendung kommen.
Die Ergebnisse belegen, dass ein größeres rotierendes Regelband trotz geringfügiger Wirkungsgradeinbußen, optimal ist. Dadurch können spontane Regelenergieabrufe ohne Fehlarbeit beantwortet werden. Ebenso werden die Umstellungen und somit die Maschinenbelastung deutlich geringer gehalten. In allen Strategien der Dispatcher wurden die Endpegelstände so gewählt, dass min. 1,5 h mit Vollabrufen weitergefahren werden konnte. Außerdem zeigt die Arbeit, dass es nicht möglich ist, Pegelreserven während des Einsatzes zu bewerten.
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.