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This thesis explores the feasibility and optimization of a solar-thermal sorption system mainly designed to provide cooling but also capable of heating functionalities. Through the development of a black-box model using Python programming, the study delves into the system's performance under various operation modes. Simulation results reveal the effectiveness of adaptive control strategies and pre-heating stages in optimizing efficiency, particularly in cooling modes. In heating assessments, superior performance is observed when utilizing the outdoor coil as the heat source for the heat pump. Challenges related to operational temperature bands are addressed, proposing parallel connections of the heat pump and outdoor coil to enhance performance. Future research directions include refining regression models and incorporating real-time measurement data for improved accuracy, as well as extending simulation duration for comprehensive evaluations. This study contributes valuable insights into the system’s capabilities and applications, laying the groundwork for advancements in heat-driven integrated sustainable energy systems.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Das Konzept der Thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) zur Heizung und Kühlung von Gebäuden gewinnt aufgrund seiner Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen an Popularität. Die Steuerung von TABS und somit auch die Gewährleistung eines behaglichen Raumklimas erweist sich allerdings aufgrund der hohen Systemträgheit als komplex. Kurzfristige Witterungsänderungen sorgen für unerwünschte Raumtemperaturänderungen, die nur langsam korrigiert werden können. Bei Nichtwohngebäuden wie dem Regionalen Innovationszentrum für Energie (RIZ Energie) in Offenburg wird dieser Umstand durch die unregelmäßige Gebäudenutzung zusätzlich erschwert, da innere Wärmelasten stark variieren und nicht vorhersehbar sind.
Konventionelle TABS-Steuerungen können Störgrößen im TABS-Betrieb nur bedingt und zeitverzögert berücksichtigen, weswegen eine dauerhafte Gewährleistung des thermischen Komforts im Gebäude oft nicht erreichbar ist – dies ist auch am RIZ Energie der Fall. Als Lösung dient der Einsatz prädiktiver Steuerungsalgorithmen, die Störgrößen prognostizieren und den TABS-Betrieb dementsprechend anpassen können.
Diese Arbeit überprüft das Potenzial von intelligenten TABS-Steuerungsalgorithmen für den Einsatz am RIZ Energie anhand der Umsetzung mit einem digitalen Zwilling des Gebäudes. Dabei konnte unter Verwendung der Algorithmen und Berücksichtigung von inneren und äußeren Störgrößen im TABS-Betrieb ein verbessertes Raumklima simuliert werden. Infolgedessen konnte zudem der digitale Zwilling optimiert werden.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: Biochar as a Carbon Capture Technology
(2022)
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is made in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios to evaluate the impact. The CO2 emission limits from the years 2030 and 2045 are considered to create the scenarios, as well as the integration of flexibility technologies. Four scenarios in total are assessed and the result from the sensibility analysis considering pyrolysis are always compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that pyrolysis has a bigger impact in the energy system when the CO2 limit is low. Biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can affect a lot the behaviour of pyrolysis in the energy system.
Global energy demand is still on an increase during the last decade, with a lot of impact on the climate change due to the intensive use of conventional fossil-based fuels power plants to cover this demand. Most recently, leaders of the globe met in 2015 to come out with the Paris Agreement, stating that the countries will start to take a more responsible and effective behaviour toward the global warming and climate change issues. Many studies have discussed how the future energy system will look like with respecting the countries’ targets and limits of greenhouse gases and their CO2 emissions. However, these studies rarely discussed the industry sector in detail even though it is one of the major role players in the energy sector. Moreover, many studies have simulated and modelled the energy system with huge jumps of intervals in terms of years and environmental goals. In the first part of this study, a model will be developed for the German electrical grid with high spatial and temporal resolutions and different scenarios of it will be analysed meticulously on shorter periods (annual optimization), with different flexibilities and used technologies and degrees of innovations within each scenario. Moreover, the challenge in this research is to adequately map the diverse and different characteristics of the medium-sized industrial sector. In order to be able to take a first step in assessing the relevance of the industrial sector in Germany for climate protection goals, the industrial sector will be mapped in PyPSA-Eur (an open-source model data set of the European energy system at the level of the transmission network) by detailing the demand for different types of industry and assigning flexibilities to the industrial types. Synthetically generated load profiles of various industrial types are available. Flexibilities in the industrial sector are described by the project partner Fraunhofer IPA in the GaIN project and can be used. Using a scenario analysis, the development of the industrial sector and the use of flexibilities are then to be assessed quantitatively.