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The DMFC is a promising option for backup power systems and for the power supply of portable devices. However, from the modeling point of view liquid-feed DMFC are challenging systems due to the complex electrochemistry, the inherent two-phase transport and the effect of methanol crossover. In this paper we present a physical 1D cell model to describe the relevant processes for DMFC performance ranging from electrochemistry on the surface of the catalyst up to transport on the cell level. A two-phase flow model is implemented describing the transport in gas diffusion layer and catalyst layer at the anode side. Electrochemistry is described by elementary steps for the reactions occurring at anode and cathode, including adsorbed intermediate species on the platinum and ruthenium surfaces. Furthermore, a detailed membrane model including methanol crossover is employed. The model is validated using polarization curves, methanol crossover measurements and impedance spectra. It permits to analyze both steady-state and transient behavior with a high level of predictive capabilities. Steady-state simulations are used to investigate the open circuit voltage as well as the overpotentials of anode, cathode and electrolyte. Finally, the transient behavior after current interruption is studied in detail.
In dieser Arbeit werden die außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung (Standard-TABS-Strategie), ein Verfahren das auf einer multiplen linearen Regression basiert (AMLR-Strategie) und ein Verfahren, das unter dem Obergriff der modellprädiktiven Regelung (MPC-Strategie) zusammengefasst werden kann, untersucht. Anhand der Simulationsergebnisse und des Integrationsaufwandes in die Gebäudeautomation des Seminargebäudes wurde eine Fokussierung auf die AMLR-Strategie vorgenommen.
In der Planungs- und Betriebspraxis herrscht im Bereich der Betriebsführung von thermisch aktivierten Bauteilsystemen und insbesondere der thermisch trägen Bauteilaktivierung noch große Unsicherheit. Trotz einer weiten Verbreitung dieser Systeme im Neubau von Nichtwohngebäuden hat sich bis heute keine einheitliche Betriebsführungsstrategie durchgesetzt. Vielmehr kritisieren Bauherren und Nutzer regelmäßig zu hohe bzw. niedrige Raumtemperaturen in den Übergangsjahreszeiten und bei Wetterwechsel sowie generell eine mangelhafte Regelbarkeit. Demgegenüber weisen Monitoringprojekte immer wieder einen hohen thermischen Komfort in diesen Gebäuden nach. Offensichtlich unterscheiden sich hier subjektiv empfundene Behaglichkeit und objektiv gemessener Komfort. Gleichzeitig sind Heiz- und Kühlkonzepte mit Flächentemperierung dann besonders energieeffizient, wenn das Regelkonzept auf deren thermische Trägheit angepasst ist. Eine gute Regelung gewährleistet also einen hohen thermischen Komfort und sorgt für einen möglichst niedrigen Energieeinsatz. Das Rechenverfahren mit Anlagenaufwandszahlen (in Anlehnung an DIN V 18599) bietet eine gute Möglichkeit, Anlagenkonzepte inklusive deren Betriebsführungsstrategie zu bewerten. Damit ist es möglich, eine auf das Gebäude angepasste Betriebsführungsstrategie für die Bauteilaktivierung zu finden und einheitlich zu bewerten.
Das Projektvorhaben "Energienetzmanagement dezentraler KWK‐Anlagen mit diversen Verbraucherstrukturen", das vom Innovationsfonds der badenova AG & Co KG von Mai 2012 bis Juli 2016 unter der Fördernummer 2012‐09 gefördert wurde kann aus Sicht des Projektnehmers Hochschule Offenburg und seiner Partner Stadt Offenburg und G. und M. Zapf Energie GbR mbH als sehr erfolgreich umgesetztes Fördervorhaben bezeichnet werden. Während der ca. vier Jahre Projektlaufzeit konnten mehrere Reallabore geschaffen werden, die an die Eigenschaften eines Subnetzes in einem Smart Grid sehr nah herangeführt wurden. Alle Objekte bzw. Netzstrukturen verfügen über typische Komponenten eines Microgrids mit Energiequellen, Speichern und Senken. Auch wurde die Trigeneration als Netzvariante mit Strom‐ Wärme und Kältebereitstellung aufgegriffen und für Verteilnetzmodelle der Niederspannungsebene beschrieben. Ausgehend von einem Mikronetzmodell für jede Energieart kann hinter jeder Trafostation eine beliebig komplexe Energieversorgungsstruktur aufgespannt werden.
Battery degradation is a complex physicochemical process that strongly depends on operating conditions. We present a model-based analysis of lithium-ion battery degradation in a stationary photovoltaic battery system. We use a multi-scale multi-physics model of a graphite/lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP) cell including solid electrolyte interphase (SEI) formation. The cell-level model is dynamically coupled to a system-level model consisting of photovoltaics (PV), inverter, load, grid interaction, and energy management system, fed with historic weather data. Simulations are carried out for two load scenarios, a single-family house and an office tract, over annual operation cycles with one-minute time resolution. As key result, we show that the charging process causes a peak in degradation rate due to electrochemical charge overpotentials. The main drivers for cell ageing are therefore not only a high state of charge (SOC), but the charging process leading towards high SOC. We also show that the load situation not only influences system parameters like self-sufficiency and self-consumption, but also has a significant impact on battery ageing. We assess reduced charge cut-off voltage as ageing mitigation strategy.
Im vorliegenden Beitrag wird ein Strommarktsimulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Bereitstellung von Flexibilität auf dem Strom- und Regelleistungsmarkt in Deutschland modell-gestützt analysiert werden soll. Das Modell bildet dabei zwei parallel verlaufende, zentrale Wettbewerbsmärkte ab, an denen Akteure durch die individuelle Gebotsermittlung handeln können. Die entsprechend hierzu entwickelte Gebotslogik wird detailliert erläutert, wobei der Fokus auf der Flexibilität fossil-thermischer Kraftwerke liegt. In der anschließenden Gegen-überstellung mit realen Marktpreisen zeigt sich, dass die verwendete Methodik und die Ge-botslogik den bestehenden Markt und dessen Marktergebnis in geeigneter Form wiederspie-geln, wodurch zukünftig unterschiedlichste Flexibilitätsszenarien analysiert und Aussagen zu deren Auswirkungen auf den Markt und seine Akteure getroffen werden können.
Lithium-ion batteries show a complex thermo-electrochemical performance and aging behavior. This paper presents a modeling and simulation framework that is able to describe both multi-scale heat and mass transport and complex electrochemical reaction mechanisms. The transport model is based on a 1D + 1D + 1D (pseudo-3D or P3D) multi-scale approach for intra-particle lithium diffusion, electrode-pair mass and charge transport, and cell-level heat transport, coupled via boundary conditions and homogenization approaches. The electrochemistry model is based on the use of the open-source chemical kinetics code CANTERA, allowing flexible multi-phase electrochemistry to describe both main and side reactions such as SEI formation. A model of gas-phase pressure buildup inside the cell upon aging is added. We parameterize the model to reflect the performance and aging behavior of a lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP)/graphite (LiC6) 26650 battery cell. Performance (0.1–10 C discharge/charge at 25, 40 and 60°C) and calendaric aging experimental data (500 days at 30°C and 45°C and different SOC) from literature can be successfully reproduced. The predicted internal cell states (concentrations, potential, temperature, pressure, internal resistances) are shown and discussed. The model is able to capture the nonlinear feedback between performance, aging, and temperature.
The building sector is one of the main consumers of energy. Therefore, heating and cooling concepts for renewable energy sources become increasingly important. For this purpose, low-temperature systems such as thermo-active building systems (TABS) are particularly suitable. This paper presents results of the use of a novel adaptive and predictive computation method, based on multiple linear regression (AMLR) for the control of TABS in a passive seminar building. Detailed comparisons are shown between the standard TABS and AMLR strategies over a period of nine months each. In addition to the reduction of thermal energy use by approx. 26% and a significant reduction of the TABS pump operation time, this paper focuses on investment savings in a passive seminar building through the use of the AMLR strategy. This includes the reduction of peak power of the chilled beams (auxiliary system) as well as a simplification of the TABS hydronic circuit and the saving of an external temperature sensor. The AMLR proves its practicality by learning from the historical building operation, by dealing with forecasting errors and it is easy to integrate into a building automation system.