Energietechnik und Energiewirtschaft
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In this thesis the effect of dc voltage bias on the equivalent series resistance (ESR) of capacitors and especially ferroelectric dielectric ceramic capacitors (FDCC) is analysed. Further the influence of the dc biased ESR on the losses of capacitors is investigated. Also piezoelectric resonances (PR) occurring in FDCCs with applied dc bias and their influence on the losses are analysed.
Therefore a measurement circuit to measure the impedance and thus the ESR of capacitors in combination with a vector network analyser (VNA) is developed. Using the developed circuit the ESR of capacitors of different technologies is measured and their behaviour with dc bias is evaluated. The losses of an FDCC are measured in a power electronic (PE) circuit with a developed calorimetric measurement system (CMS). The influence of the PR is investigated by tuning the switching frequency of the PE system and thus the frequency of the capacitor current exactly into the PR. The measured losses are then compared to a calculation based on the capacitor current harmonics and the respective ESR.
The measurements show an increase of the ESR with dc bias for all measured FDCCs. The loss measurements show a significant increase of the losses in an FDCC if the current frequency matches the PR frequency. Consequently a decrease of the PE system's efficiency is measured. The loss calculations do not exactly match the measurements but there is a systematic deviation of the same order for all measurements.
Aktuell beschäftigen steigende Energiepreise, zunehmend knappe Ressourcenvorkommen und der Klimawandel die Energiebranche mehr denn je. Aber auch andere Organisationen wie Unternehmen und Kommunen, die einen erheblichen Beitrag zum Energieverbrauch leisten, sind davon betroffen. Ein Instrument, das sich dieser Themen angenommen hat und eine Möglichkeit zur Steuerung bietet, ist das Energiemanagement.
Ungenutztes Energieeffizienzpotential kann mit einem gut aufgebauten und strukturierten Energiemanagement nutzbar gemacht werden. Gerade weil das Angebot technischer Lösungen sehr groß ist, liegt die Vermutung nahe, dass die Umsetzung oft durch strukturelle oder organisationsbedingte Barrieren erschwert wird.
Aus diesem Grund ist der Forschungsgegenstand dieser Arbeit eine ausführliche Untersuchung der Umsetzung von betrieblichem und kommunalem Energiemanagement. Es konnten Erkenntnisse gewonnen werden, welche Themen beim Energiemanagement eine Herausforderung darstellen und welche Aspekte spezifisch bei Unternehmen oder Kommunen wichtige Stellschrauben im Umsetzungsprozess sind.
Die Ergebnisse der Expertenbefragung und der Literaturanalyse haben gezeigt, dass Energiemanagement derzeit zu wenig Interesse geschenkt wird und deshalb die Investitionen, vor allem in ausreichend Personalressourcen, fehlen. Die größte Hürde ist die wirtschaftliche Darstellbarkeit von Maßnahmen, die insbesondere bei wenig energieintensiven Organisationen Schwierigkeiten bereitet beziehungsweise kaum durchsetzbar ist. Dies wiederum fordert ein Umdenken von Politik und Wirtschaft, was sich auch in anderen Einflussfaktoren deutlich wiederspiegelt.
Aber nicht nur in den entscheidenden Reihen einer Organisation muss ein Umdenken stattfinden. Nur wenn das Bewusstsein für Energie bei allen Beteiligten steigt und alle bei Strategie und Umsetzung an einem Strang ziehen, kann die Energiewende mithilfe von Energiemanagement gelingen.
Um ein möglichst kostengünstiges Laden von Elektrofahrzeugen zu erreichen, ist es nötig, diese möglichst in Zeiten zu laden, an denen die Kosten für die Energie geringer sind und die Entstehung von Leistungsspitzen vermieden wird. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit anhand des Verbrauches und den tariflichen Bedingungen eines Betriebes in Österreich die Kostenentwicklung von drei verschiedenen Ladeszenarien untersucht und verglichen. Dabei handelt es sich um das einfache Laden, intelligente Laden und das intelligente Laden mit Vehicle to Grid Erweiterung, wobei hierbei die Energie aus den Fahrzeugen ausschließlich zur Eigenverbrauchsoptimierung und Spitzenlastreduktion eines Betriebes dient und somit nicht in das Netz gespeist wird. Die Ergebnisse werden durch eine lineare Optimierung errechnet wobei bis zu vier Fahrzeuge simuliert werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass es durch das intelligente Laden zu keinen neuen Leistungsspitzen kommt und es zusätzlich zu einem erhöhten Eigenverbrauch aus der vorhandenen Photovoltaikanlage kommt.
Dadurch reduzieren sich die Ladekosten in jedem Szenario. Auch in Betrachtung auf die Anschaffungskosten, ist eine Verbesserung ersichtlich. Beim Vehicle to Grid Laden werden die Arbeits- und Leistungskosten noch weiter gesenkt, wobei die Leistungskosten bei zwei Fahrzeugen ihren Tiefpunkt erreicht haben. Zusätzlich kann der Eigenverbrauch aus der Photovoltaikanlage noch weiter erhöht werden. Nachdem hierbei die Investitionskosten noch berücksichtigt wurden, kommt der Autor zum Schluss, dass es nur mit einem Fahrzeug zu einer Verringerung der gesamten Kosten kommt. Dies kommt durch die erhöhten Investitionskosten und dem mit höher werdender Anzahl an Fahrzeugen geringer werdenden Vehicle to Grid Einsatz zustande.
Weltweit hatten 2017 840 Millionen Menschen keinen Zugang zu Strom. Hinzu kommen Millionen weitere Menschen, die an unzuverlässige Stromquellen angeschlossen sind. Für das Wirtschaftswachstum, die menschliche Entwicklung und ökologische Nachhaltigkeit ist eine zuverlässige Stromversorgung jedoch von großer Bedeutung.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Konzeptionierung einer zuverlässigen Stromversorgung für eine Hochschule in Benin (Westafrika), die sich mit einem unzuverlässigen Netzanschluss konfrontiert sieht. Die Konzeptionierung erfolgt mithilfe der Software HOMER.
Aufgrund unsicherer Systembedingungen wurden mehrere Szenarien und der Einfluss verschiedener Systemparameter untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine zuverlässige Stromversorgung durch die Implementierung eines Mini-Grids erreicht werden kann. Dabei hat die Ausgangssituation einen bedeutenden Einfluss auf die Systemauslegung. Für das untersuchte Szenario, in dem die Hochschule keine Stromkosten bezahlte, erwies sich ein PV/Dieselgenerator/Batterien-Mini-Grid als geeignet. Dabei entstehen Stromkosten von mindestens 0,013 USD pro kWh, was leicht erhöhte Kosten gegenüber den Bezugskosten bedeutet. Dieser Kostenzuwachs lässt sich aber mit der erhöhten Zuverlässigkeit rechtfertigen. Auch unter der Annahme, dass die offiziellen Bezugskosten bezahlt werden müssen, erwies sich ein PV/Dieselgenerator/Batterie-Mini-Grid als geeignet. Die Größe der PV-Anlage fällt in diesem Fall deutlich größer aus, was zu einem reduzierten Einsatz des Dieselgenerators führt. Ein untersuchtes Off-Grid erwies sich als unwirtschaftlich.
Somit enthält die Arbeit wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich verschiedene Parameter auf ein geeignetes System auswirken. Zudem wurde ein Systemvorschlag ausgearbeitet. Diese Informationen sollen nicht nur den beteiligten Personen vor Ort helfen, sondern auch als Grundlage für zukünftige Projekte dienen.
In den letzten Jahrzehnten gewann Aluminium als vielseitig einsetzbarer Werkstoff immer mehr an Bedeutung. Das Vorarlberger Unternehmen Hydro Extrusion Nenzing ist Teil der Aluminiumverarbeitungsindustrie und stellt stranggepresste Aluminiumprofile her. Beim Strangpressen werden Aluminiumstangen in einem Durchlaufinduktionsofen auf bis zu 520 °C erhitzt und anschließend durch ein formgebendes Werkzeug gepresst. Nach dem induktivem Aufwärmen wird ein Teil der Stange aus dem Ofen gefahren und abgeschert. Die erzeugte Temperaturverteilung an diesem abgescherten Bolzen ist der sogenannte Taper. Das induktive Aufwärmen ist ein wichtiger Teil der Extrusion und steht im Fokus dieser Forschungsarbeit. Ziel dieser Arbeit ist es, den Aufwärmprozess der Aluminiumstangen, mithilfe einer Kombination aus explorativer Datenanalyse und Methoden des maschinellen Lernens, genauer zu verstehen und den resultierenden Taper vorherzusagen. Außerdem werden parallel die signifikanten Einflussparameter, ohne Berücksichtigung von Materialparametern, untersucht.
Nach der explorativen Datenanalyse wurden mithilfe eines k-means-Clusterverfahren zwei Klassifizierungsvarianten entwickelt. In der ersten Variante liegen die Taper nach ihrer Bolzenlänge und Form gegliedert vor. Es zeigte sich, dass die Taper der Bolzen mit ähnlicher Länge auch ähnliche Formen annehmen. Ein einfacher Entscheidungsbaum konnte die 13 Zielklassen zu etwa 85 % vorhersagen. Die Bolzenlänge spielt bei der Vorhersage eine wichtige Rolle. Die zweite Klassifizierungsvariante basiert hingegen ausschließlich auf der Taperform. Die angewendeten Modelle (k-Nearest-Neighbor, Decision Tree, Random Forest) waren jedoch kaum in der Lage, die 11 Klassen abzubilden. Grund für die unzureichende Vorhersageleistung können die vielen Unsicherheiten in der Datenstruktur sein. Die anschließende detaillierte, explorative Analyse der formabweichenden Taper deutet fehlende Merkmale im Datensatz an. Einige Bolzen setzen sich aus zwei Stangenenden zusammen. Diese geteilten Bolzen führen zu abweichenden Aufwärmverhalten, wodurch auffällige Taper entstehen. Die Information ob sich ein Bolzen aus zwei Stangen zusammensetzt fehlt jedoch im Datensatz. Der Aufwärmvorgang der Stangen wird demnach durch ein Wechselspiel der aktuellen Regelung und zwei maßgeblichen Faktoren beeinflusst: die Bolzenlänge und das Auftreten von geteilten Bolzen. Diese Faktoren bestimmen die Stangentemperatur im Ofen, den induzierten Strom und somit den resultierenden Taper. Aufgrund dieser Ergebnisse könnte die temperaturbasierte Regelung zukünftig durch eine Steuerung hinsichtlich des induzierten Stroms ersetzt, dadurch Energie eingespart und Schrott vermieden werden.
Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels müssen neue Wege gefunden werden, um diesen zu verlangsamen, bzw. die Emission von Treibhausgasen zu reduzieren. Ein Weg dieses Ziel zu erreichen ist das CO2-Recycling direkt an der Quelle. Durch die hohe thermische und chemische Beanspruchung der hierfür eingesetzten Elektroden bieten sich gerade technische Keramiken als Elektrodenmaterialien an. Eine jener in Frage kommenden Keramiken ist Siliziumkarbid (SiC). Bei SiC handelt es sich um einen Wide-Bandgap-Halbleiter mit hoher thermischer und chemischer Stabilität. Da die Herstellung, des für Elektroden benötigten, hochreinen, porösen SiC sehr aufwendig und damit auch teuer ist, wird schon seit einiger Zeit nach anderen Verfahren, als den industriell eingesetzten Standardverfahren, zur Herstellung von hochreinem SiC geforscht. In der vorliegenden Arbeit wird die Bildung von Siliziumkarbid in isostatisch gepressten Graphiten mittels karbothermischer Reduktion verschieden dotierter Sol-Gel-Granulaten und cerschiedener poröser Graphite untersucht. Zu diesem Zweck werden die Proben unterschiedlichen Anzahlen an Zyklen des in einem Induktionsofen, durchgeführten Hochtemperaturprozesses ausgesetzt. Dabei wird das Granulat thermisch zersetzt, wobei es unter anderem zu einer Gasphasenreaktion mit dem Kohlenstoff der Graphittemplates kommt und damit zur Umwandlung von Kohlenstoff zu SIC. Von den so gewonnenen Proben werden in einem Micro-CT Schichtaufnahmen erstellt. Das Ergebnis soll ein Erkenntnisgewinn bezüglich der Umwandlungstiefe und entstandenen Strukturen in den unterschiedlichen Graphittemplates, je nach Anzahl der durchlaufenen Zyklen und verwendetem Precursorgranulat, sein. Nicht untersucht wird das elektrische Verhalten der unterschiedlichen, auf diese Weise örtlich dotierten, Templates.
In Anbetracht einer immer größer werdenden Diskussion über den Klimaschutz und einer anvisierten Energiewende finden umweltschonende Energietechniken immer mehr an Aufmerksamkeit in der Gesellschaft. Die Kombination von Stromerzeugung und gleichzeitiger Wärmeproduktion macht die Biomassevergasung zu einem interessanten Untersuchungsobjekt. Die anfallenden Biokohlestäube versprechen in Zukunft von großem Nutzen zu sein, um zum Beispiel Kohlenstoff in der Erde abzuspeichern. Die sogenannten ”Terra Preta“ Böden steigerten merklich das Interesse am Einsatz von Kohle in der Landwirtschaft, um in Böden verbessernde Eigenschaften zu erzielen. In dieser Masterarbeit wird die Auswirkung der Biokohle einer Schwebefestbettvergaseranlage auf das Pflanzenwachstum, die verfügbaren Nährstoffe und auf die Anzahl der Mikroorganismen untersucht. Hierfür wurden zwei verschiedene Versuchspflanzen herangezogen. Es wurde auf Hafer und Rübse zurückgegriffen. Der Versuch fand unter Laborbedingungen in einem Wachstumsschrank statt. Es wurden Böden mit unterschiedlichen Kohlegehalten hergestellt (0 %, 2,5 % 5 %, 12,5 %). Des Weiteren wurde auf zwei verschiedene Arten eine oberflächenaktivierte Kohle hergestellt. Einmal erfolgte dies durch Ko-Kompostierung der Biokohle in Grünschnitt und das zweite Mal durch die Beladungmit künstlichem Dünger. Die chemische Aktivierung erfolgte über einen Rührversuch. Dabei wurde die Kohle über einen längeren Zeitraum mit dem künstlichen Dünger in einem Gefäß gerührt.
Die Versuchsdauer erstreckte sich jeweils über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen. Am Ende der Versuche wurden die Pflanzen geerntet. Anschließend wurde ihre Wuchshöhe und deren Durchmesser erfasst und statistisch ausgewertet. Die Nährstoffe im Boden wurden mittels Macherey Nagel Schnelltest ermittelt. Hierfür wurden Proben sowohl am Anfang als auch am Ende des Experiments genommen und anschließend aufbereitet und ebenfalls statistisch ausgewertet. Es konnte durch den Zusatz von Kohle einen signifikant höherer Mittelwert des Pflanzenwachstums erzielt werden. Und auch bei den Nährstoffen konnten Unterschiede zum Referenzboden nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu konnte bei den Mikroorganismen statistisch kein Unterschied festgestellt werden. Leider traten während des Versuches vermehrt Probleme auf, die aber entsprechend in der Arbeit adressiert und dokumentiert werden. Aus diesem Grund muss darauf verwiesen werden, dass einige Ergebnisse nicht verwertbar waren.
Synthese von Gashydraten
(2019)
Bei Clathraten handelt es sich um Einschlussverbindungen, bei denen beliebige Gastmoleküle in einem Käfig bzw. Gitter von beliebigen Wirtsmolekülen eingeschlossen sind. Bei hohem Druck und niedriger Temperatur können beispielsweise Gasmoleküle in einem Wirtsgitter aus Wassermolekülen eingelagert werden. Natürlich vorkommende Hydrate in den Tiefeneisfeldern der Schelfmeere und in Permafrostgebieten zu finden und haben hauptsächlich Methan als Gastgas. Im Forschungsbereich Energie der Fachhochschule Vorarlberg (FHV) werden die Bildungs- und Zerfallsprozesse von Gashydraten erforscht. Für die Herstellung dieser Proben ist ein Mikroreaktor vorhanden, mit dem keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden können, da die Dauer der Bildung von ausreichenden Mengen an Hydratproben hoch ist. Obwohl die Synthese von Hydraten bereits mehrfach Gegenstand der Forschung war und es weiterhin ist, besteht nach wie vor ein großes Potential in der Beschleunigung des Wachstumsprozesses von Hydraten. Da der Beginn des Hydratwachstums durch einen stochastischen Prozess ausgelöst wird, kann die Dauer der Keimbildung bzw. bis zum Beginn des Kristallwachstums viel Zeit in Anspruch nehmen. Für weitere Forschungsarbeiten im Forschungsbereich Energie der FHV ist eine beschleunigte und technisch einfache Herstellung von Hydraten von hoher Wichtigkeit. Deshalb ist der Fokus bzw. das Thema dieser Arbeit die Entwicklung eines neuartigen Versuchsreaktors, der die Möglichkeit bietet, verschiedene bekannte sowie neue Methoden für die Synthese von Gashydrat anzuwenden und für die Herstellung von Hydratproben untereinander zu kombinieren. Der im Zuge dieser Arbeit entwickelte Versuchsreaktor ist so aufgebaut, dass mehrere aus der Literatur bekannte Synthesemethoden, sowohl einzeln wie auch in Kombination untereinander, verwendet werden können. Als zusätzliche und neuartige Synthesemethode ist eine Baugruppe des Aufbaus darauf ausgelegt, das Hydratwachstum ausschließlich aus der Gasphase zu ermöglichen. Der Versuchsaufbau verfügt über mehrere Temperaturfühler und einen Druckaufnehmer, die über ein Datenerfassungssystem eine Steuerung und eine Überwachung des Herstellungsprozesses erlauben. Es wurden neben verschiedenen Inbetriebnahmetests insgesamt drei Versuche zur Ermittlung der Tauglichkeit des Systems zur Hydratsynthese durchgeführt. In jeder dieser drei Versuchsreihen konnten neue Erkenntnisse bezüglich des Wachstumsprozesses von Hydraten gewonnen werden, die auch in der gesichteten Literatur bisher nicht dokumentiert sind. Weiters wurde die neuartige Synthesemethode aus der Gasphase erprobt. Obwohl diese grundsätzlich funktioniert, sind die erreichbaren Produktionsraten prozessbedingt niedrig. Das Ziel, Hydratproben einfach und schnell erzeugen zu können, konnte mit dem entwickelten Versuchsreaktor erreicht werden.
Alterungsvorgänge in einer Lithium-Ionen Akkumulatorzelle beeinflussen deren Eigenschaften und sind daher von besonderen Bedeutung für den Einsatz dieser Technologie. Diese Masterarbeit untersucht mikrostrukturelle Veränderung in zwei zylindrischen Lithium-Ionen Zellen (Type 26650) ohne Zentrierstift, die in Powerbanks verbaut sind. An den beiden Akkumulatoren, mit unterschiedlichen Alterungszustands, wird vergleichend beobachtet welche Unterschiede sich über die Alterung ergeben. Mittels Computertomographie und elektrischen Messungen wurden Daten während der zyklischen Alterung der Zellen gesammelt und ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass der Verlauf des Kapazitätsverlustes abhängig vom Alterungszustand ist. Insgesamt ergab sich nach 507 Zyklen bei der Powerbank „Neu“ eine Reduzierung der aufgenommenen Energie um 16 % und der abgegebenen Energie um 20 %. Die Powerbank „Alt“ zeigte nach 317 Zyklen eine Reduzierung der aufgenommenen Energie von 19% und der abgegebenen Energie von 27% zum Ausgangswert. Der gemessene Kapazitätsverlust konnte nicht auf mikrostrukturelle Veränderungen während der Alterung zurückgeführt werden. Es zeigten sich besonders in der bereits gealterten Zelle (Powerbank „Alt“) deformierte Elektrodenschichten im Zellinneren und in der Näher der Stromableiter. Hinzukommt bei der Powerbank „Alt“, dass Kathode und Anode gegeneinander verschoben sind. Es konnte ebenfalls in der Powerbank „Alt“ eine neu entstandene Deformierung während der zyklischen Alterung beobachtet werden. Des Weiteren konnten auch Schweißgrate bei beiden Powerbanks auf den Stromableitern visualisiert werden.
Low cost Solar Forecast
(2019)
In der vorliegenden Arbeit wird der Fokus auf die Konzeption eines kostengünstigen Systems zur Vorhersage der solaren Einstrahlung mittels stochastischer Methoden gelegt. Der Vorhersagezeitraum liegt zwischen einer und drei Stunden. Es wird auf die Gefahren der Stochastik und das Aufarbeiten von Daten für stochastische Methoden eingegangen. Bereits die zur Vorhersage verschiedener meteorologischer Daten verwendeten Methoden werden analysiert, angewendet und mittels des relativen Fehlers, dem Root Mean Square Error (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) (RMSE) und des Mean Absolute Deviation (MAD) untereinander verglichen. Es werden Kriterien zur Auswahl der zur Aufgabenstellung am besten passenden Methode ausgearbeitet. Die Recherche der vorhandenen stochastischen Methoden und die Anwendung dieser Methoden haben das Artificial Neural Network (künstliches neuronales Netzwerk) (ANN), das mit der Softwarebibliothek Tensorflow erstellt wurde, als die beste Methode hervorgebracht. Die Programmierung der einzelnen Methoden mittels Scikit-learn, Python und Tensorflow wird beschrieben und eine Vorhersage berechnet. Als Hardware wird einerseits ein kostengünstiger Einplatinencomputer, ein Raspberry Pi 3, und andererseits ein leistungsstarkes Notebook verwendet. Die jeweils benötigte Rechenzeit weist keine gravierenden Unterschiede auf. Anschließend wurden die berechneten Vorhersagen mit den vorhandenen Messdaten, der Persistence Method (Persistenz Methode) (PM) und der Vorhersage der Meteo-Schweiz verglichen. Die unterschiedlichen Diagramme der Vorhersagen und deren Genauigkeiten kommen im Verlauf zur Darstellung. Die relative Abweichung der Vorhersage des Artificial Neural Network (künstliches neuronales Netzwerk)(Tensorflow) (ANNT) von den Messdaten liegt über das Jahr 2017 gesehen bei 8.52% oder auf die Jahresenergie bezogen bei 87.3 kWh/m2 . Im Vergleich zur PM Methode weicht die ANNT Methode um 83.5 kWh/m2 und Jahr ab. Abschließend wird auf Verbesserungsmöglichkeiten und weiterführende Arbeiten eingegangen.
Die Gebäudeenergieversorgung mittels kombinierter Erneuerbarer Energiesysteme wird in Zukunft häufiger realisiert werden. Dies liegt unter anderem am Fokus der aktuellen Energiepolitik, an der wachsenden Akzeptanz der Bevölkerung und an einer ständigen Verbesserung der Wohngebäudeeigenschaften. Die volatile Charakteristik des erneuerbaren Energieangebots stellt eine Herausforderung dar. Thermische Lastverschiebung ermöglicht es, durch die Speicherung thermischer Energie, Zeiten mit geringem Energieertrag zu überbrücken. Es werden in dieser Masterarbeit drei Methoden zur Lastverschiebung mittels Simulation einer Referenzwohnanlage mit 31 Wohnungen untersucht. Die Gebäudesimulation wird hierfür mit TRNSYS durchgeführt, die Simulation zum Vergleich der unterschiedlichen Methoden mit Polysun. Die untersuchten Methoden sind die Regeneration des Erdsondenfeldes einer Geothermiewärmepumpe, die Anhebung der Maximaltemperatur sensibler Wärmespeicher, sowie die Anhebung der Raumtemperatur in der Referenzwohnanlage. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sondenregeneration eine effektive Methode zur Steigerung der Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe und des solaren Deckungsbeitrags darstellt. Die Sondentemperatur kann im Referenzfall zeitweise sogar auf ein höheres Niveau angehoben werden. Durch die zusätzliche Kombination mit einer Erhöhung der Speichermaximaltemperatur, bei hohem solarthermischem Ertrag, kann eine weitere Steigerung der JAZ erreicht werden. Die Solarthermieanlage kann so den größten Temperaturbereich nutzen, was auch die solare Deckungsrate weiter anhebt. Die thermische Gebäudeaktivierung weist das größte Potential für die Steigerung des PV-Eigenverbrauchs auf und verbessert die JAZ der Wärmepumpe durch den vermehrten Betrieb im Niedertemperaturbereich bedeutend; Jedoch wächst der Heizwärmebedarf (HWB) für die untersuchte Referenzwohnanlage aufgrund der Raumtemperaturüberhöhung (RTÜ) dermaßen, dass sie den Benefit der zusätzlich genutzten erneuerbaren Energie übersteigt und diese Methode zur thermischen Lastverschiebung daher nicht empfehlenswert ist. Da die thermische Gebäudeaktivierung in dieser Studie für bestimmte Gebäudeeigenschaften und mittels Fußbodenheizung realisiert ist, wird darauf hingewiesen, dass die Ergebnisse nur bedingt übertragbar sind und bei veränderten Gebäudeeigenschaften stark abweichen können.
Heimische Ladevorgänge von Elektroautos sind ein zusätzlicher Faktor in dem Wandel, dem Verteilnetze ausgesetzt sind. Aufgrund der typischen langen Parkzeiten bietet das Laden von Elektroautos jedoch einen hohen Grad an Flexibilität, mit deren Hilfe die Netzbelastung entscheidend verringert werden kann und weitere Dienstleistungen, auch in höheren Netzebenen, erbracht werden können. Die vorliegende Arbeit bewertet mit dem Instrument der Nutzwertanalyse fünf Ladestrategien, wie die Koordinierung von Ladevorgängen nutzbringend eingesetzt werden kann. Dazu werden im ersten Schritt Kriterien auf Basis der Literaturrecherche sowie der gegebenen Informationsgrundlagen der betrachteten Systeme definiert. Um eine neutralere Bewertung zu ermöglichen, wird die Gewichtung der Kriterien zusätzlich von einem Vertreter eines Verteilernetzbetreibers und einem Energieversorger vorgenommen. Mit den Ergebnissen der Bewertung werden die Systeme hinsichtlich ihres Nutzens unter Berücksichtigung der Bedeutung für die jeweiligen Parteien verglichen. Dabei werden die Stärken und Schwächen der Systeme herausgestellt und mögliche Interessenskonflikte lokalisiert. Ebenfalls wird auf die Eignung der Nutzwertanalyse als Werkzeug zur Bewertung der Systemkonzepte eingegangen. Im Anschluss wird der Grundaufbau eines Systems vorgestellt, welches aufgedecktes Potential zur Weiterentwicklung der bewerteten Systeme nutzt und damit zu einem größeren Gesamtnutzen führen kann.
Der Befeuchtungs-Entfeuchtungs-Prozess (HDH) wird zur Meerwasserentsalzung eingesetzt und bietet Vorteile wie die Nutzung von Wärme auf einem geringen Temperaturniveau sowie die Realisierbarkeit dezentraler Anlagen. Bei diesem Prozess wird Luft im Kontakt mit warmem Salzwasser im Optimalfall bis zur Sättigung befeuchtet. Die feuchte Luft wird anschließend abgekühlt, um das in ihr befindliche Wasser wieder zu kondensieren. Obwohl der HDH-Prozess bereits mehrfach Gegenstand der Forschung war, besitzt die Effizienz des Prozesses nach wie vor ein hohes Steigerungspotential. Das Ziel dieser Masterarbeit besteht in der Konzeption und der Realisierung eines Versuchsaufbaus zur Analyse der Befeuchtung von Luft in Wasser. Dabei soll der Untersuchungsgegenstand zukünftiger Versuche die Befeuchtereinheit sein, die ein hohes Potential hinsichtlich der Effizienzsteigerung von HDH-Systemen bietet. In neueren Publikationen wurden zum Einsatz in HDH-Systemen Blasensäulenbefeuchter als eine bessere Alternative zu Festbettbefeuchtern oder Sprühtürmen vorgeschlagen, weswegen die Befeuchtung in solchen Aggregaten näher untersucht werden muss. Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist ein Versuchsaufbau, der die Möglichkeit bietet, die Parameter, die die Befeuchtung von Luft in einer Blasensäule maßgeblich beeinflussen, mit einer ausreichenden Genauigkeit zu messen, um aus diesen Messungen semiempirische Korrelationen ableiten zu können. Die die Befeuchtung von Luft maßgeblich beeinflussenden Parameter sind die Wassertemperatur, der Füllstand im Befeuchter, die Luftgeschwindigkeit sowie die Blasengröße.
Zum aktuellen Stand ist ein HDH-System, bestehend aus einem Blasensäulenbefeuchter, einem Querstromwärmetauscher sowie einer Dosierpumpe errichtet. Mit diesem System können wissenschaftlich notwendige empirische Zusammenhänge zwischen den die Befeuchtung beeinflussenden Parametern und der Befeuchtung von Luft aus Versuchen abgeleitet werden. Die im Versuchsaufbau verbaute Messtechnik wurde derart ausgewählt, dass deren Einfluss auf das System so gering wie möglich gehalten werden kann.
Mit dem Versuchsaufbau ist es darüber hinaus möglich, invasive Messmethoden mit nicht invasiven Messmethoden direkt zu vergleichen. Um eine für die Messungen optimale Befeuchtergeometrie zu finden, sind zwei Blasensäulenbefeuchtereinheiten aufgebaut, davon eine mit planarem und eine mit zylindrischem Querschnitt. So ist es möglich, im Direktvergleich die Vor- und Nachteile der Querschnittsanordnungen nachzuweisen. Die Komponenten der beiden HDH-Systeme wurden anhand von wissenschaftlich akzeptierten Modellen bezüglich der dazugehörigen Wärmeübertragungsraten, der Wärmeverluste und der Druckverluste ausgelegt.
Eine Modellierung des Stoffübergangs in der Blasensäule ist durchgeführt. Anhand dieser Modellierung konnte der Stoffübergangskoeffizient in der Grenzschicht zwischen Luftblase und Flüssigkeitssäule ermittelt werden. Anhand einer Massenbilanz konnte über den Stoffübergangskoeffizienten die Austrittswasserbeladung der feuchten Luft modelliert werden.
Die Funktionalität des Versuchsaufbaus ist gegeben. Messungen des Gasgehalts zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit wissenschaftlich anerkannten Korrelationen zum Gasgehalt. Die optische Zugänglichkeit des Versuchsaufbaus ist evaluiert und lässt die Tendenz ableiten, dass sich ein planarer Befeuchterquerschnitt in Verbindung mit Fotoaufnahmen von den durchgeführten Varianten am besten zur digitalen Bildanalyse eignet.
Aus den Experimenten, die am realisierten Versuchsaufbau durchgeführt werden, kann sich eine allgemeingültige Auslegungsgrundlage für Versuchsaufbauten ergeben, mit denen Messungen der Befeuchtung von Luft in Blasensäulenbefeuchtern durchgeführt werden sollen.
The master thesis concentrates on two different cases to generate energy from MSW. In the first case, the MSW is incinerated in an incineration plant. This approach represents the present situation in the waste treatment in large parts of the UK.
In the second case, the OFMSW is separated in a treatment facility and used in a fermentation plant. The remaining waste is again used as a feedstock in an incineration plant. The difference in the net energy yield between these two cases is investigated in this thesis.
To calculate the difference in the energy yield of case 1 and case 2, a research of the existing literature about comparisons of incineration and fermentation plants and their results are reflected and data about the MSW in the UK is collected. With the input of the literature and the researched data, a model is built which compares the two different cases of waste treatment. The results of the comparisons are then examined by varying different parameters. This step is repeated by using different input parameters. Afterwards, the results are compared and analysed.
In the next part of the thesis, an economic analysis of the incineration and fermentation combined technology plant is made. In this analysis, the investment costs, the annual profits and the annual costs of an additional fermentation plant are discussed and calculated. The result of the analysis is displayed as an amortization time calculation. The results are then analysed by varying the parameters in a sensitivity analysis.
Finally, the research question is answered and a forecast for possible plant designs with an incineration and a fermentation plant in combination are discussed.
Durch den vermehrten Ausbau dezentraler Energieerzeugungsanlagen gewinnt verbraucherseitiges Lastmanagement für die Netzbetreiber immer mehr an Bedeutung. Neue Möglichkeiten zur Laststeuerung bei Haushalten ergeben sich durch den Einsatz von intelligenten Stromzählern, sogenannten Smart Metern, da sie über eine Kommunikationsschnittstelle mit fernparametrierbarem Schaltrelais verfügen und den Stromverbrauch im Viertelstundenraster aufzeichnen können. Diese Masterarbeit untersucht eine Methode, mit der Lastverschiebungsmaßnahmen bei elektrischen Warmwasserspeichern durchgeführt werden können. Die Lastverschiebung wird lediglich durch die Funktionalitäten eines Smart Meter bewerkstelligt. Dabei ist das Ziel, eine Lastverschiebungsmethode zu finden, die vom Netzbetreiber simpel implementiert werden kann und mindestens den gleichen Komfortansprüchen genügt, die eine traditionelle Nachttarifschaltung aufweist. Die Schwierigkeit liegt hierbei in der Einschränkung, dass der Netzbetreiber vom Stromverbrauch der Speicher auf den Warmwasserbedarf der Kunden schließen muss.
Mit Hilfe eines thermodynamischen Modells werden verschiedene Lastverschiebungsszenarien bei mehreren Haushalten angewendet. Über die Simulation des Temperaturverlaufs wird ferner auf die Qualität der Warmwasserbereitung geschlossen und mit jener der klassischen Nachttarifsteuerung verglichen. Liegt die Temperatur häufiger unter einem bestimmten Mindestniveau als jene bei der Nachttarifschaltung, gilt die Qualität als nicht ausreichend. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass mit der vorgestellten Methode für jeden Haushalt eine Lastverschiebung gefunden werden kann, die für den Netzbetreiber Vorteile bringt und die Mindestanforderungen an den Kundenkomfort erfüllt oder teilweise sogar verbessert. Es konnte festgestellt werden, dass mit der vorgestellten Methode der Großteil der Heizenergie (mindestens 60% bei allen Haushalten) in der ersten Tageshälfte zur Verfügung gestellt werden muss. Zusätzlich ergeben sich Energieeinsparungen, da die Beheizung des Speichers und der Warmwasserbedarf besser aufeinander abgestimmt werden. Mit der gezeigten Methode könnten Lastverschiebungsmaßnahmen schnell und einfach vom Netzbetreiber eingeführt werden, jedoch gilt es davor Einschränkungen wie die Legionellen-Problematik und Kundenkommunikation oder -akzeptanz zu klären.
In the residential construction industry, the focus on energy efficiency and cost effectiveness has been gaining importance. In order to achieve these contradicting objectives, a shift towards a reduced complexity in building practices can be observed.
Within the HVAC sector, the Tempering method for space heating has received particular attention as an alternative way to heat museums and buildings worthy of preservation.
In spite of the simplified design, this space heating system is claimed to offer significant advantages in its present field of application.
This study evaluates the implementation of Tempering in the residential context. So far, there is no scientific research on the implementation of Tempering in energy efficient-dwellings.
This master thesis provides initial results on achievable heat flux values, the impact on heat generation efficiency, the inherent installation costs as well as the particular
consequences in terms of end energy consumption of the building as a whole. The findings are compared to the individual performances of well-established heat emission approaches.
By means of a numerical analysis and a case study on a real-case single-family home, it is found that the heat flux values of Tempering systems suffice for the implementation within buildings, which comply with the low-energy building standard. Comparing radiant walls, radiant floors and radiators, the inherent installation costs are lowest for Tempering and radiant floors. The impact on the end energy consumption depends largely on the utilised heat generation system. With a gas-condensing boiler, Tempering performs equal to the radiant systems. When a ground source heat pump system is installed, however, Tempering performs poorly and accounts for a significantly increased energy consumption. Radiator systems are found to be the most energy-efficient method for space heating in both cases.
Obwohl der Energiebedarf eines Krankenhauses nur ca. 1,2% der Gesamtkosten ausmacht, werden Energieeinsparmaßnahmen und -optimierungen immer wichtiger. Neben dem steigenden Umweltbewusstsein wird auch der Kostendruck in diesem Dienstleistungssektor immer größer. Trotz der in vielen Krankenhäusern vorhandenen und gut ausgebauten Gebäudeleittechnik fehlt oft das Detailwissen über den Energieverbrauch und deren Verursacher.
Aufgrund der großen Anzahl an verwendeten Geräten und Kleinverbrauchern sowie der vielen gebäudetechnischen Großgeräte ist eine genaue Ursachensuche kein leichtes Unterfangen. Auch im Krankenhaus Feldkirch sind eine Vielzahl automatischer Stromzähler installiert und im Energiemonitoringsystem aufgeschaltet. Dennoch ist aktuell nur der Gesamtstromverbrauch bekannt und verwertbar. Analysen auf Gebäude oder Anlagen-Ebene werden nur sehr wenige durchgeführt.
In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Stromverbrauch mithilfe der installierten automatischen Zähler identifiziert werden können.
Um herauszufinden, mit welchen Methoden der größte Informationsgehalt gewonnen werden kann, kommen verschiedene Methoden wie Kennzahlenvergleiche, die Darstellung als Sankey-Diagramm, objektspezifische Vergleiche und statistische Analysen sowie Energieganganalysen zur Anwendung.
Die erarbeiteten Auswertungen und Darstellungen zeigen sehr schnell, dass ohne eine Vielzahl an Subzählern keine sinnvollen Analysen möglich sind. Die große Anzahl an angeschlossenen Verbrauchern und deren variables Regelverhalten lassen aus den Daten (z. B. Summenzählern) anhand zusammengefasster Stromverläufe kaum Schlüsse für einzelne Gebäude zu. Es zeigt sich auch, dass eine einzelne Darstellungsform für alle Auswertungen keinen Sinn macht. In dieser Arbeit werden mögliche Einbauorte für die Stromzähler vorgeschlagen sowie Verfahren für eine durchdachte Auswertung der Energieverbräuche und Umsetzung in die Praxis angeführt.
In Europa und den USA werden rund 39 % des Energieverbrauchs durch den Betrieb von Gebäuden verursacht. Sie bieten somit großes Potential, den Gesamtenergieverbrauch zu verringern. Eine sinnvolle Möglichkeit dieser Umsetzung, ohne auf Gebäudekomfort verzichten zu müssen, liegt in der Optimierung der Gebäudeeffizienz. Dahingehend werden physikalische und datenbasierte Modelle als Planungstool für die Gebäudemodellierung verwendet, um frühzeitig Erkenntnisse über deren Energieverbrauch zu gewinnen. Während physikalische Modelle thermodynamische Prinzipien zur Modellierung des Energieverbrauchs einsetzen, verwenden datenbasierte Modelle historische oder allgemein verfügbare Daten, um ein Vorhersagemodell zu entwickeln. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines datenbasierten Modells, zur Prognose des Energieverbrauchs der Beleuchtung von Bürogebäuden. Es wurden bereits zahlreiche Studien hinsichtlich Prognosen des Energieverbrauchs erstellt. Die meisten beziehen sich jedoch auf den Gesamtenergieverbrauch oder jenen, welcher für Heizung, Kühlung oder Klimatechnik aufgewendet wird. Die Recherche des Autors ergab, dass vergleichsweise wenig Forschung für Vorhersagemodelle zur Ermittlung des Energieverbrauchs für die Beleuchtung betrieben wurde. Zur Umsetzung der Analyse stehen dem Autor Daten aus der Beleuchtungsinfrastruktur sowie Wetter-, Zeit- und Gebäudedaten zur Verfügung. Anhand dieser Arbeit soll eruiert werden, ob diese Daten hinreichend aussagekräftig sind, um ein geeignetes Modell zu entwickeln.
In times of global climate change, it is increasingly important to investigate emissions and resource consumption of all machines and, if possible, to improve them. This includes within the transport sector car ferries.
In order to reduce the environmental impacts of car ferries, the electrification has penetrated into this sector, which has led to the world's first fully electric car ferry. One of the most important components to operate this ferry is the energy storage. Not only the battery storage of the ferry itself is needed, but also an onshore battery storage system is needed to support the electrical grid.
The present study examines how storage technologies and concepts can impact the environment considering the world's first all-electric car ferry, MF Ampere, which operates in Norway.
To examine this, the current onshore battery storage system is compared to a concrete sphere storage system. For this purpose, data from the first test run of this new storage technology, which was successfully carried out by the Fraunhofer Institute in 2016, is considered. Subsequently, a life cycle assessment of the two storage systems is carried out to compare the environmental impacts.
The concrete sphere storage system performs better for 15 of 17 impact categories compared to the existing onshore battery storage system. Depending on the impact category the impact reduction is about 2% to 8%.
Nevertheless, it is difficult to estimate how long the useful life and how good the efficiency of the concrete ball storage will be, since no system of this size has been tested yet. Also, the costs of the concrete sphere storage system have not been considered.
Das Ziel der Masterarbeit ist es, ausgewählte Tankstellen an der A96 unter Voraussetzung einer vollständigen Elektrifizierung des deutschen PKW-Straßenverkehrs analog des heutigen Tankverhaltens zu dimensionieren.
Zu Beginn der Masterarbeit wird die elektrische Leistung berechnet, welche die deutschen PKW bei vollständiger Elektrifizierung des deutschen PKW-Straßenverkehrs benötigen werden. Um das Ergebnis auf Plausibilität überprüfen zu können, wird die Berechnung mit zwei verschiedenen Ansätzen vollzogen. Einerseits werden als Grundlage durchschnittliche Jahresfahrstrecken der Autofahrer/-innen verwendet und andererseits wird über den Primärenergiebedarf, den Fahrzeugbestand und den Wirkungsgraden von Ottomotoren und Elektromotoren die zu bestimmende Leistung berechnet.
Öffentliche Daten aus Verkehrszählungen sollen im weiteren Verlauf der Masterarbeit ausgewertet werden. Unter anderem erfolgt mit diesen Werten eine Modellbildung des Verkehrs, um den Verkehrsfluss mathematisch darzustellen und zu simulieren.
Die Durchführung einer Live-Messung an der Tankstelle Lechwiesen Nord sowie die nachträglich erlangten Daten zum tatsächlich stattgefundenen Verkehrsaufkommen sind für die Auswertung des in AnyLogic hinterlegtem mathematischen Modells essentiell. Auch für die Frage nach den zu tankenden Autos eines bekannten Verkehrsaufkommens sind diese hilfreich. Zur Bestimmung der Anzahl von Elektrozapfsäulen erfolgt eine iterative Annäherung an die Kurve des Tankverhaltens von Diesel- und Benzinautos. Als abschließendes Ergebnis werden für die Tankstelle Lechwiesen Nord und Lechwiesen Süd jeweils 20 Elektrozapfsäulen gefunden. Für den Autohof Aichstetten ergeben sich unter Berücksichtigung des Verkehrsaufkommens 27 zu installierende Elektrozapfsäulen, sodass ein identisches Tankverhalten von Elektroautos bei vollständiger Elektrifizierung des deutschen PKW-Straßenverkehrs angenommen werden kann.
Die nachfolgende Arbeit befasst sich mit Hochstromwandlern für Schutzzwecke. Laut Aussage von Paul Scherrer finden sich diese in jedem Verteilnetz und tragen einen erheblichen Teil zur Sicherheit des Netzes bei. Im ersten Teil der Arbeit wird beschrieben, wie man bei der Dimensionierung bzw. der Auswahl eines Hochstromwandlers für Schutzzwecke vorgeht und welche technischen Parameter dafür notwendig sind. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich damit, wie man die Auswahl sowohl wirtschaftlich als auch technisch im Bezug auf fiktive Zukunftsszenarien optimieren kann. Dafür liegen aktuelle Netzdaten der Energienetze Vorarlberg GmbH vor, welche für diese Arbeit anonymisiert wurden. Die fiktiven Zukunftsdaten sind Annahmen. Für den Prozess der Optimierung wurde ein Tool in Python angefertigt, welches eine optimierte Auswahl von Hochstromwandler für Schutzzwecke durchführt und diesen Prozess erleichtern soll. Dieses wird nach eigener Einschätzungen keine Verwendung in der Praxis finden, da es nur relevant sein wird, wenn man ein Stromnetz wie wir es heute in größeren Städten und Gemeinden finden, von null an neu aufbauen möchte.
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.