600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Im April 2000 wurde das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland beschlossen, mit dem ein Rechtsrahmen für die Förderung von regenerativen Stromerzeugungstechnologien geschaffen wurde. Zum 31.12.2020 sind erstmalig ca. 19.000 Anlagen aus dem zwanzigjährigen Förderzeitraum gefallen. Mit jedem Jahreswechsel folgt ein weiterer Jahrgang. Mit der EEG-Novelle 2021 wurden die Voraussetzungen für einen möglichen Weiterbetrieb der ausgeförderten Anlagen geschaffen.
In dieser Masterarbeit wird untersucht, welche Optionen betroffene Anlagenbetreiber von Photovoltaikanlagen mit maximal zehn Kilowattpeak haben und aufgezeigt, welche rechtlichen und technischen Vorgaben bestehen. Zu Beginn wird in die Grundlagen der Photovoltaikinstallation und die Regulatorik des EEG eingeführt. Der Anlagenbestand mit Inbetriebnahme im Zeitraum 2000 bis 2008 wird quantifiziert, die Regionalverteilung sowie bisherige Stilllegungen analysiert. Mit einer Systemsimulation wird ein Weiterbetriebsjahr einer Photovoltaikanlage zur Bewertung der Erlöse bei Umstellung auf Überschusseinspeisung mit teilweisem Eigenverbrauch des Solarstroms berechnet. Abschließend werden die Erlöse für die Weiterbetriebsvarianten unter der Preissituation des Jahres 2021 verglichen.
Es zeigt sich, dass der Großteil der Photovoltaikanlagen maximal zehn Kilowattpeak aufweist und sich in Bayern und Baden-Württemberg befindet. Die Mehrheit der bereits betroffenen Anlagen wird aktuell weiterbetrieben. Die höchsten finanziellen Überschüsse lassen sich mit der Umstellung auf Eigenverbrauch erzielen. Am einfachsten umzusetzen ist dahingegen der Weiterbetrieb in Volleinspeisung. Die sonstige Direktvermarktung kann eine Alternative zur Volleinspeisung darstellen. Mit einem Neubau ist eine deutliche Leistungssteigerung auf gleicher Dachfläche möglich, ohne einer Weiterbetriebsperspektive verbleibt die Demontage der Anlage.
The number of electric vehicles will increase rapidly in the coming years. Studies suggest that most owners prefer to charge their electric vehicle at home, which will fuel the need for charging stations in residential complexes where vehicles can be charged overnight. Currently, there already are over 100 such residential complexes, with another 70 added every year in Vorarlberg alone. In most existing residential complexes, however, the grid connections are not sufficient to charge all vehicles at the same time with maximum power. In addition, it is also desirable for grid operators and electricity producers that the power demand be as smooth and predictable as possible. To achieve this, ways to manage flexible loads need to be found, which can operate within the technical constraints. Therefore, the most common scenarios how the load can be made grid-friendly with the help of optional battery storage and/or photovoltaics using optimization methods of linear and stochastic programming were examined. At the same time, the needs of the vehicle owners for charging comfort - namely to find their vehicles reliably charged at the time of their respective departure - were addressed by combining both objectives using suitable weights. The algorithms determined were verified in practice on an existing Vlotte prototype installation. For this purpose, the necessary programs were implemented in Python, so that the data obtained during the test operation, which lasted one month, could be subjected to a well-founded analysis. In addition, simulation studies helped to further reveal the influence of PV and BESS sizing on the achievable optimums and confirm that advanced optimization algorithms such as the ones discussed are a vital contribution in reducing the charging stations’ peak load while at the same time maintaining high satisfaction levels.
Mit dem geplanten EU Ecolabel für Finanzprodukte möchte die EU ein auf EU-Ebene etabliertes Label zur Zertifizierung nachhaltiger Geldanlagen schaffen. Ziel der Masterarbeit war es herauszufinden, welchen Stellenwert ein solches Siegel für junge Privatanlegende hätte und ob es für sie für die nachhaltige Geldanlage relevant wäre. Zur Beantwortung der Fragestellung wurde eine quantitative Studie unter Studierenden in Österreich und Deutschland im Alter von 18 bis 29 Jahren durchgeführt, welche für diese Arbeit als junge Privatanlegende definiert wurden. Zur Definition und Messung der Akzeptanz wurde ein Einstellungsmodell gewählt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das geplante EU Ecolabel für Finanzprodukte für die Zielgruppe für die Nutzung zur nachhaltigen Geldanlage relevant wäre und entsprechend der in der Studie verzeichneten Einstellungshaltung eine Chance auf Akzeptanz bei ihnen hätte. Letztere könnte sich jedoch bei Veränderung der Meinungshaltung von Gesellschaft oder Umfeld verändern. Eine Nutzung des Siegels hätte mehrheitlich den Stellenwert der Unterstützung von Nachhaltigkeit im Allgemeinen sowie der Leistung eines persönlichen Beitrags zur Nachhaltigkeit.
In einem nächsten Schritt könnte sich weiterführende Forschung mit der Resonanz der Finanzinstitutionen und Unternehmen zum geplanten EU Ecolabel für Finanzprodukte beschäftigen.
IEC 61499 ist ein Standard für die verteilte Automatisierung. Damit lassen sich Systeme designen, die eine Vielzahl von Knoten vernetzen können. Dadurch lassen sich komplexe Aufgaben in der Industrie leichter bewältigen. Um dies zu ermöglichen, müssen alle Systembestandteile miteinander kommunizieren können. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann dann schnell sehr komplex werden und damit schwer zu verwalten sein. Wenn es darum geht, an viele Teilnehmer Daten zu verteilen, hat sich das Publish-Subscribe Kommunikationsmuster bewährt.
ZeroMQ ist eine Bibliothek, mit der über Sockets unter anderem solche Publish-Subscribe Kommunikationsnetzwerke realisiert werden können. Sie baut auf dem ZeroMQ Message Transport Protocol (ZMTP) auf. Dabei ist die Verwendung unwesentlich komplexer als mit Berkeley Sockets.
4DIAC/Forte bietet ein Framework um Applikationen nach IEC 61499 zu erstellen. In dieser Thesis wird 4DIAC/Forte und ZeroMQ vorgestellt. Es wird die Struktur einer Kopplungsschicht zwischen Forte und ZeroMQ präsentiert und implementiert. Anschließend werden Messungen von Latenz und Throughput durchgeführt, um die Performance zu evaluieren.
In Forte sind traditionelle Sockets für die Kommunikation bereits implementiert. Sie unterstützen das Client-Server Muster und Publish-Subscribe mittels UDP Multicast. Mit diesen Lösungen werden die Messungen ebenfalls durchgeführt um einen Vergleich mit ZeroMQ aufzustellen. Es werden auch vorhandene Daten für DDS herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ZeroMQ für die Kommunikation in Forte eignet und dabei hilft, die Komplexität zu reduzieren und die Handhabung zu vereinfachen.
Ein neuer Ansatz um Kohlendioxid aus einem Verbrennungsprozess abzuscheiden, auch Carbon Capture (CC) genannt, basiert auf der Gashydratsynthese. Dabei wird das Gas in Einschlussverbindungen aus Wassermolekülen, sogenannte Clathrate, eingefangen. Bei der Gashydratsynthese aus flüssigem Wasser, wie es bei bisherigen Methoden der Fall ist, treten selbsthemmende Effekte auf, die den Abscheideprozess verlangsamen.
In dieser Arbeit wird daher eine neue Methode entwickelt, um die Gashydratsynthese aus dampfförmigem Wasser zu untersuchen. Realisiert wird dies mit einem eigens entwickelten Versuchsreaktor, wobei ein Fallfilmverdampfer im Zentrum kontinuierlich Wasser verdampft. Der Abscheideversuch wird bei 20 - 40 bar und einem CO2-N2-Prüfgasgemisch betrieben. Das Herunterkühlen des Reaktors, mit einer Vorlauftemperatur von bis zu -65 °C, sorgt für stabile Wachstumsbedingungen an der Innenwand. Die Versuchsdurchführung zeigt, dass bei einer Ausgangskonzentration von 11,8 mol% CO2 am Ende des Abscheideprozesses im Minimum 10,7 mol% erreicht werden. Der im Gashydrat angereicherte CO2-Gehalt im liegt bei ca. 89 mol%.
Damit ist die Funktionsfähigkeit der neuartigen CC-Methode bewiesen und die Grundlage für die Weiterentwicklung des Prozesses geschaffen.
Aufgrund des weltweit hohen Wasserverbrauches und des steigenden Rückganges des Grundwassers, wird die Aufbereitung von Abwasser in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Neben großen industriellen Anlagen werden auch dezentrale und mobile Techniken benötigt, um in ländlichen Regionen oder der Schiffahrt Abwässer aufbereiten zu können. In der Schiffahrt treten vor allem ölverschmutzte Abwässer auf. Diese Masterarbeit befasst sich mit dem Betrieb eines Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozesses mit Öl-Wasser-Emulsionen. Es wird der Einffluss der Ölkonzentration auf die Prozessparameter sowie die Reinheit des Kondensates und die Effizienz des Prozesses untersucht. Dabei werden mit einem Versuchsstand an der Fachhochschule Vorarlberg Messungen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wird auf das Verhalten des Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozesses geschlossen.
Als Öl-Wasser-Emulsion wird eine Mischung aus Paraffinöl und Wasser verwendet, wobei die Mischung auf Volumenprozent basiert. Die Öl-Wasser-Gemische werden in verschiedenen Versuchsreihen in einer Versuchsanlage an der Fachhochschule Vorarlberg betrieben, welche als Befeuchtungs- und Entfeuchtungsanlage konzipiert ist. Dabei wird die Betriebsweise (Batch und kontinuierlich), die Ölkonzentration in der Emulsion und die Prozessparameter wie z. B. Beheizungsleistung variiert. Batch-Versuche werden auf die Konzentration, den Füllstand, die Kondensatproduktion und die Temperaturen über die Zeit betrachtet. Im kontinuierlichen Betrieb wird bei stationärer Betriebsführung die Wärmeübertragung im Befeuchter, Ölrückstände im Kondensat, den Einfluss der Ölkonzentration auf den Dampfdruck der Emulsion, den Einfluss der Ölkonzentration auf die einzubringende Wärmeleistung und die Gained Output Ratio (GOR) der Anlage untersucht. Zudem wird über verschiedene Integrationsansätze die ausgetragene Kondensatmenge ermittelt und mit den gewogenen Werten verglichen. Die Messungen zeigen, dass sich der Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess für die Reinigung von Ölwassern eignet. Eine Aufkonzentrierung der Öl-Wasser-Emulsion ist bis zu ca. 95% möglich. Die steigende Ölkonzentration senkt den Wärmeübergang im Blasensäulenbefeuchter. Bei allen produzierten Kondensatmengen werden Ölrückstände festgestellt, wobei die Ölkonzentration im Kondensat unabhängig von der Ölkonzentration der Emulsion ist. Durch die schlechtere Wärmeübertragung mit steigender Ölkonzentration wird auch der Wärmeeinsatz erhöht. Die GOR wird ab einer Ölkonzentration von 50% in der Emulsion beeinflusst. Eine mathematische Berechnung der Kondensatmenge ist möglich. Dadurch kann auf die Wasserverluste in der Anlage geschlossen werden. Es ist möglich Öl-Wasser-Emulsionen im Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess aufzubereiten. Bei höheren Ölkonzentrationen der Emulsion können lokale Probleme mit Wärmestauungen auftreten. Somit ist eine gut geplante Prozessführung anhand der gezeigten Ergebnisse vorteilhaft.
Die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse sind für die weitere Forschung mit Öl-Wasser-Emulsionen im Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess hilfreich. Die Messungen zeigen, welche Einflüsse die Ölkonzentration auf den Anlagenbetrieb und die Eigenschaften der Emulsion haben. Die auftretenden Messschwierigkeiten können in weiterführenden Messungen gezielt vermieden oder adjustiert werden.
Diese Arbeit analysiert mithilfe von Umfragen allgemeine Themen über Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft (EEG) und deren Verrechnungs-Visualisierung. Sie befasst sich im speziellen mit der Verrechnungs-Visualisierungsplattform der Firma Exnaton. Diese wird von den Teilnehmenden der Pilot-EEG-Schnifis für die Proformarechnung verwendet.
Die Umfrageergebnisse werden grafisch und in Textform dargestellt und präsentiert. Auf Basis einer eigenen Interpretation und einer SWOT-Analyse wurde die Bewertung durchgeführt. Es soll eine strategische Entscheidungsmöglichkeit, für die Anwendung einer Verrechnungs-Visualisierungsplattform, geschaffen werden.
Die meistgewählten Erwartungen bzw. Wünsche an eine EEG (Klimaschutz, Umweltschutz und Stärkung der regionalen Gemeinschaft) werden als großes Potential der Energiewende gesehen. Mit knapp 78 % kann sich die Mehrheit der Befragten „Gut“ bis „Sehr gut“ vorstellen, sich an einer EEG zu beteiligen. Die nutzerfreundliche Gestaltung der relevanten Daten und die einfache Anwendung werden als Stärke der Exnaton-Verrechnungs-Visualisierungsplattform angesehen. Von den Teilnehmenden der Pilot-EEG-Schnifis bestehen schon 50 % der Befragten im Jahr 2021 auf eine 15-minütige Visualisierung ihrer EEG-Daten. Dies lässt auf ein großes Potential an EEGs und den damit benötigten Verrechnungs-Visualisierungsplattformen schließen.
Industriebetriebe wie auch jene der Lebensmittelbranche sind zunehmend auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen zur Wärmebereitstellung. Wo bislang Gas oder sogar Öl als Brennstoff verwendet wurde, gewinnen Wärmepumpen langsam an Akzeptanz. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie eine Hochtemperaturwärmepumpe am Beispiel eines Schokoladeherstellers effizient betrieben werden kann. Zur Beschreibung der Ausgangslage wird zunächst der Wirkungsgrad des gegebenen Kesselhauseses berechnet, um anschließend die nötigen Lastprofile festzulegen. Nach der thermischen Modellierung möglicher Wärmequellen und einer gegebenen Wärmepumpe werden vier Jahressimulationen mit der Programmiersprache Python durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen zum einen, mit welchen Wirkungsgraden und Verdichterleistungen zu rechnen ist und zum anderen wie sich diese auf die betrachteten Wärmequellen auswirken. Die abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet die Analyse monatlicher Betriebskosten unter Berücksichtigung der angekündigten CO2-Bepreisung, sowie die Amortisationsdauern der betrachteten Szenarien. Die Sensitivitätsanalyse der Amortisationsdauer zeigt außerdem, in welchem Verhältnis sich Strom- und Gaspreis entwickeln dürfen, damit eine Wärmepumpe dieser Art wirtschaftlich konkurrieren kann. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen darüber hinaus welche Reduktion der CO2-Emissionen bezogen auf die Prozesswärmebereistellung möglich ist.
Durch die zunehmende Homogenität von Produkten ist der technologische Fortschritt des reinen Produktes kein Alleinstellungsmerkmal mehr. Die Entwicklung datenbasierter Services bietet die Option trotzdem langfristige Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Ein Großteil der KMU ist sich dabei in der Methodik unsicher. Es wird erörtert, wie KMU Geschäftsmodelle mit datenbasierten Services weiterentwickeln können. Mit einer qualitativen Untersuchung werden Praxiserfahrungen aufgezeigt und theoretische Thesen validiert.
Die Weiterentwicklung zu einem datenbasierten Geschäftsmodell ist ein umfangreicher Prozess, der mit Chancen und Herausforderungen einhergeht. Als Herausforderung hat sich die Wahl relevanter Methoden und die Anpassung an die jeweiligen Rahmenbedingungen herausgestellt. Referenzprozesse strukturieren das Vorgehen und sollen gleichzeitig Flexibilität gewährleisten. Während des Prozesses ist die Kundenorientierung und Akzeptanz sicherzustellen. Aufgabe der Geschäftsführung ist es, die Weiterentwicklung zu fördern, Mitarbeitende einzubinden und Ressourcen bereitzustellen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Weiterentwicklung zur Veränderung der gesamten Unternehmenslogik sowie einem Paradigmenwechsel vom reinen Produktverkauf zum umfassenden Serviceangebot führt.
Grid-scale electrical energy storage (EES) is a key component in cost-effective transition scenarios to renewable energy sources. The requirement of scalability favors EES approaches such as pumped-storage hydroelectricity (PSH) or compressed-air energy storage (CAES), which utilize the cheap and abundant storage materials water and air, respectively. To overcome the site restriction and low volumetric energy densities attributed to PSH and CAES, liquid-air energy storage (LAES) has been devised; however, it suffers from a rather small round-trip efficiency (RTE) and challenging storage conditions. Aiming to overcome these drawbacks, a novel system for EES is developed using solidified air (i.e., clathrate hydrate of air) as the storable phase of air. A reference plant for solidified-air energy storage (SAES) is conceptualized and modeled thermodynamically using the software CoolProp for water and air as well as empirical data and first-order approximations for the solidified air (SA). The reference plant exhibits a RTE of 52% and a volumetric storage density of 47 kWh per m3 of SA. While this energy density relates to only one half of that in LAES plants, the modeled RTE of SAES is comparable already. Since improved thermal management and the use of thermodynamic promoters can further increase the RTEs in SAES, the technical potential of SAES is in place already. Yet, for a successful implementation of the concept - in addition to economic aspects - questions regarding the stability of SA must be first clarified and challenges related to the processing of SA resolved.