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Im Batterielabor der Hochschule Offenburg wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung von Ladezustand und Gesundheitszustand von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Es beruht auf der Auswertung von Spannungs- und Strommessungen mit einem mathematischen Batteriemodell. Das Verfahren ist genauer und robuster als Standardverfahren, die auf Ladungszählung beruhen. Zudem ist es numerisch einfacher umzusetzen als andere modellbasierte Verfahren. Wir demonstrieren die Methode mit einer Heimspeicherzelle und einer Elektrofahrzeugzelle.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
Der vorliegende Leitfaden entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, KIT und Universität Freiburg (INATECH) mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
Für Verkehrsunternehmen stellt die Erprobung neuer Technologien eine große Herausforderung dar.
Sowohl Wasserstoff-Busse als auch Batterie-Busse können ihren Beitrag zur Umstellung des ÖPNV auf emissionsfreie Mobilität leisten. Je nach Anwendungsmuster können sich beide Technologien gut ergänzen und zu einem volkswirtschaftlichen Optimum führen. Es gilt, die Technologien im realen Umfeld zu erproben, um praxisnahe Erfahrung zu sammeln und dabei Mitarbeiter auszubilden, ohne die Qualität des Betriebes zu gefährden. Bei der aktuellen Kostenlage sehen beide Technologien ihre Einführung in den Betrieb mit Mehrkosten im Vergleich zu der aktuellen Diesel-Lösung verbunden.
Bei einer Batterie-basierten Lösung mit Pantograph-Schnellladung sind kürzere Linien gute Kandidaten für eine elektrische Umstellung ohne Auswirkungen auf die Größe der Busflotte. Auch Liniensysteme beliebiger Länge mit Knotenpunkten in regelmäßigen Abständen ermöglichen eine gemeinsame Nutzung der Ladeinfrastruktur und stellen somit reduzierte Aufbaukosten der Ladeinfrastruktur in Aussicht. In diesem Fall sind aber auch Fahrplanmanagement-Aspekte hinsichtlich der Ladezeit am Pantograph mit zu berücksichtigen, die nicht Bestandteil dieser Studie gewesen sind. Allgemein lassen die Kosten-Prognosen für Batterie und Batterie-elektrische Fahrzeuge eine signifikante Kostenreduzierung bis 2030 erkennen, die in manchen Konfigurationen zur Kostenparität und sogar geringeren Kosten als mit der Diesel-Variante führen würde.
Anders als für Batterie-Busse stellt die Linien-Konfiguration keinen wirtschaftlichen Einflussfaktor auf den Betrieb von Wasserstoff-Bussen dar. Die derzeitige Reichweite der H2-Busse reicht aus, um die zu erwartende tägliche Fahrleistung zu decken. Bei der Wasserstoffmobilität sind aber die Versorgungsinfrastruktur und die damit verbundenen Kraftstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Ihr Aufbau ist mit hohen Investitionskosten und gesetzlichen Verpflichtungen verbunden (BImSchG, BetrSichV), die für eine erste Erprobung der Technologie im kleinen Maßstab eine Hürde für Verkehrsunternehmen darstellen könnte. Die H2 Mobility Deutschland bietet die Möglichkeit an, 700 bar Tankstellen mit einem 350 bar Modul zu erweitern, das die tägliche Versorgung von ca. 6 Bussen ermöglicht. Mit begrenzten Risiken für die Verkehrsunternehmen bietet es sich daher an, die H2 Mobilität auf eine limitierte Busflotte zu erproben. Da der Aufbau des H2-Mobility Deutschland Tankstellennetzes eine Lücke in Offenburg und Umgebung aufweist, wäre es vorstellbar, an der Errichtung einer solchen Tankstelle zu arbeiten, die die Betankung und Erprobung von Wasserstoff-Bussen ermöglicht. Auf längerer Sicht ist die Sicherstellung einer gut platzierten zuverlässigen und nachhaltigen Wasserstoffquelle von entscheidender Bedeutung. Derzeit liegen vorhandene Wasserstoffquellen in mehr als 100 km Entfernung. Eine Nutzung der Wasserkraft des naheliegenden Rheins erscheint durchaus sinnvoll, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen (erneuerbarer Strom, Stromkostenreduzierung durch Eigenversorgung, kürzere Transportwege, möglicher Nutzen für die Eurometropole Straßburg).
Es lässt sich festhalten, dass für die Region Offenburg zunächst die Erprobung beider Technologien, der Elektromobilität als auch der Wasserstoffmobilität, empfohlen wird. Es sollte zeitnah in den Erfahrungsaufbau in beide Technologien investiert werden. Zudem sollte bei der Elektromobilität das Flottenmanagement untersucht und evaluiert werden und bei der Wasserstoffmobilität die Möglichkeiten der Kooperation für den Aufbau der Wasserstofftankstelle. Im Rahmen der nächsten Ausschreibungsrunde für den öffentlichen Nahverkehr in Offenburg wird empfohlen, diesen emissionsfrei auszuschreiben. Es ist absehbar, dass aus Kostengründen (Kostenparität der Elektromobilität mit der Dieselvariante) als auch aus Gründen der Anforderung bzgl. der Emissionsgrenzwerte der ÖPNV emissionsfrei umgesetzt werden sollte.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes (SOC) einer aufladbaren Batterie (106) eines vorgegebenen Batterietyps oder eines damit in einem physikalischen Zusammenhang stehenden Parameters, insbesondere einer in der Batterie enthaltenen Restladungsmenge Q, wobei das Verfahren mittels eines spannungsgeführten Batteriemodells (102) arbeitet, welches für die betreffende Batterie (106) oder einen entsprechenden Batterietyp parametriert wird. Es muss lediglich die Batteriespannung Umess gemessen und dem Batteriemodell (102) als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gesundheitszustandes (SOH) einer Batterie (102), wobei das Batteriemodell (102), das auch zur Bestimmung des SOC verwendet wird, einen modellierten Batteriestrom Imodliefert. Aus diesem können modellierte Ladungsmengen während Lade- und Entladephasen der Batterie (106) bestimmt und mit gemessenen Ladungsmengen, die aus dem gemessenen Batteriestrom Imessbestimmt werden, verglichen werden. Da das Batteriemodell (102) nicht altert, kann hierdurch der SOH der Batterie bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes (SOC) einer aufladbaren Batterie (106) eines vorgegebenen Batterietyps oder eines damit in einem physikalischen Zusammenhang stehenden Parameters, insbesondere einer in der Batterie enthaltenen Restladungsmenge Q, wobei das Verfahren mittels eines spannungsgeführten Batteriemodells (102) arbeitet, welches für die betreffende Batterie (106) oder einen entsprechenden Batterietyp parametriert wird. Es muss lediglich die Batteriespannung Umess gemessen und dem Batteriemodell (102) als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gesundheitszustandes (SOH) einer Batterie (102), wobei das Batteriemodell (102), das auch zur Bestimmung des SOC verwendet wird, einen modellierten Batteriestrom Imodliefert. Aus diesem können modellierte Ladungsmengen während Lade- und Entladephasen der Batterie (106) bestimmt und mit gemessenen Ladungsmengen, die aus dem gemessenen Batteriestrom Imessbestimmt werden, verglichen werden. Da das Batteriemodell (102) nicht altert, kann hierdurch der SOH der Batterie bestimmt werden.
A 2D-separation of 16 polyaromatic hydrocarbons (PAHs) according to the Environmental Protecting Agency (EPA) standard was introduced. Separation took place on a TLC RP-18 plate (Merck, 1.05559). In the first direction, the plate was developed twice using n-pentane at −20°C as the mobile phase. The mixture acetonitrile-methanol-acetone-water (12:8:3:3, v/v) was used for developing the plate in the second direction. Both developments were carried out over a distance of 43 mm. Further on in this publication, a specific and very sensitive indication method for benzo[a]pyrene and perylene was presented. The method can detect these hazardous compounds even in complicated PAH mixtures. These compounds can be quantified by a simple chemiluminescent reaction with a limit of detection (LOD) of 48 pg per band for perylene and 95 pg per band for benzo[a]pyrene. Although these compounds were separated from all other PAHs in the standard, a separation of both compounds was not possible from one another. The method is suitable for tracing benzo[a]pyrene and/or perylene. The proposed chemiluminescence screening test on PAHs is extremely sensitive but may indicate a false positive result for benzo[a]pyrene.
The state-of-the-art electrochemical impedance spectroscopy (EIS) calculations have not yet started from fully multi-dimensional modeling. For a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) with long flow channel, the impedance plot shows a multi-arc characteristic and some impedance arcs could merge. By using a step excitation/Fourier transform algorithm, an EIS simulation is implemented for the first time based on the full 2D PEMFC model presented in the first part of this work. All the dominant transient behaviors are able to be captured. A novel methodology called ‘configuration of system dynamics’, which is suitable for any electrochemical system, is then developed to resolve the physical meaning of the impedance spectra. In addition to the high-frequency arc due to charge transfer, the Nyquist plots contain additional medium/low-frequency arcs due to mass transfer in the diffusion layers and along the channel, as well as a low-frequency arc resulting from water transport in the membrane. In some case, the impedance spectra appear partly inductive due to water transport, which demonstrates the complexity of the water management of PEMFCs and the necessity of physics-based calculations.
A two-dimensional single-phase model is developed for the steady-state and transient analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). Based on diluted and concentrated solution theories, viscous flow is introduced into a phenomenological multi-component modeling framework in the membrane. Characteristic variables related to the water uptake are discussed. A Butler–Volmer formulation of the current-overpotential relationship is developed based on an elementary mechanism of electrochemical oxygen reduction. Validated by using published V–I experiments, the model is then used to analyze the effects of operating conditions on current output and water management, especially net water transport coefficient along the channel. For a power PEMFC, the long-channel configuration is helpful for internal humidification and anode water removal, operating in counterflow mode with proper gas flow rate and humidity. In time domain, a typical transient process with closed anode is also investigated.
One of the practical bottlenecks associated with commercialization of lithium-air cells is the choice of an appropriate electrolyte that provides the required combination of cell performance, cyclability and safety. With the help of a two-dimensional multiphysics model, we attempt to narrow down the electrolyte choice by providing insights into the effect of the transport properties of electrolyte, electrode saturation (flooded versus gas diffusion), and electrode thickness on a single discharge performance of a lithium-air button cell cathode for five different electrolytes including water, ionic liquid, carbonate, ether, and sulfoxide. The 2D distribution of local current density and concentrations of electrochemically active species (O2 and Li+) in the cathode is also discussed w.r.t electrode saturation. Furthermore, the efficacy of species transport in the cathode is quantified by introducing two parameters, firstly, a transport efficiency that gives local insight into the distribution of mass transfer losses, and secondly, an active electrode volume that gives global insight into the cathode volume utilization at different current densities. A detailed discussion is presented toward understanding the design-induced performance limitations in a Li-air button cell prototype.
With recent developments in the Ukrainian-Russian conflict, many are discussing about Germany’s dependency on fossil fuel imports in its energy system, and how can the country proceed with reducing that dependency. With its wide-ranging consumption sectors, the electricity sector comes as the perfect choice to start with. Recent reports showed that the German federal government is already intending to have a fully renewable electricity by 2035 while exploiting all possible clean power options. This was published in the federal government’s climate emergency program (Easter Package) in early 2022. The aim of this package is to initiate a rapid transition and decarbonization of the electricity sector. The Easter Package expects an enormous growth of renewable energies to a completely new level, with already at least 80% renewable gross energy consumption, with extensive and broad deployment of different generation technologies on various scales. This paper will discuss this ambitious plan and outline some insights into this huge and rapidly increasing step, and show how much will Germany need in order to achieve this huge milestone towards a fully green supply of the electricity sector. Different scenarios and shares of renewables will be investigated in order to elaborate on preponed climate-neutral goal of the electricity sector by 2035. The results pointed out some promising aspects in achieving a 100% renewable power, with massive investments in both generation and storage technologies.
Lithium-ion batteries exhibit a well-known trade-off between energy and power, which is problematic for electric vehicles which require both high energy during discharge (high driving range) and high power during charge (fast-charge capability). We use two commercial lithium-ion cells (high-energy [HE] and high-power) to parameterize and validate physicochemical pseudo-two-dimensional models. In a systematic virtual design study, we vary electrode thicknesses, cell temperature, and the type of charging protocol. We are able to show that low anode potentials during charge, inducing lithium plating and cell aging, can be effectively avoided either by using high temperatures or by using a constant-current/constant-potential/constant-voltage charge protocol which includes a constant anode potential phase. We introduce and quantify a specific charging power as the ratio of discharged energy (at slow discharge) and required charging time (at a fast charge). This value is shown to exhibit a distinct optimum with respect to electrode thickness. At 35°C, the optimum was achieved using an HE electrode design, yielding 23.8 Wh/(min L) volumetric charging power at 15.2 min charging time (10% to 80% state of charge) and 517 Wh/L discharge energy density. By analyzing the various overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are dominantly responsible for the insufficient charge and discharge performance of cells with very thick electrodes.
A strong heat load in buildings and cities during the summer is not a new phenomenon. However, prolonged heat waves and increasing urbanization are intensifying the heat island effect in our cities; hence, the heat exposure in residential buildings. The thermophysiological load in the interior and exterior environments can be reduced in the medium and long term, through urban planning and building physics measures. In the short term, an increasingly vulnerable population must be effectively informed of an impending heat wave. Building simulation models can be favorably used to evaluate indoor heat stress. This study presents a generic simulation model, developed from monitoring data in urban multi-unit residential buildings during a summer period and using statistical methods. The model determines both the average room temperature and its deviations and, thus, consists of three sub-models: cool, average, and warm building types. The simulation model is based on the same mathematical algorithm, whereas each building type is described by a specific data set, concerning its building physical parameters and user behavior, respectively. The generic building model may be used in urban climate analyses with many individual buildings distributed across the city or in heat–health warning systems, with different building and user types distributed across a region. An urban climate analysis (with weather data from a database) may evaluate local differences in urban and indoor climate, whereas heat–health warning systems (driven by a weather forecast) obtain additional information on indoor heat stress and its expected deviations.
The sharp rise in electricity and oil prices due to the war in Ukraine has caused fluctuations in the results of the previous study about the economic analysis of electric buses. This paper shows how the increase in fuel prices affects the implementation of electric buses. This publication is constructing the Total Cost of Ownership (TCO) model in the small-mid-size city, Offenburg for the transition to electric buses. The future development of costs is estimated and a projection based on learning curves will be carried out. This study intends to introduce a new future prospect by presenting the latest data based on previous research. Through the new TCO result, the cost differences between the existing diesel bus and the electric bus are updated, and also the future prospects for the economic feasibility of the electric bus in a small and midsize city are presented.
Lithium-ion battery cells exhibit a complex and nonlinear coupling of thermal, electrochemical,and mechanical behavior. In order to increase insight into these processes, we report the development of a pseudo-three-dimensional (P3D) thermo-electro-mechanical model of a commercial lithium-ion pouch cell with graphite negative electrode and lithium nickel cobalt aluminum oxide/lithium cobalt oxide blend positive electrode. Nonlinear molar volumes of the active materials as function of lithium stoichiometry are taken from literature and implemented into the open-source software Cantera for convenient coupling to battery simulation codes. The model is parameterized and validated using electrical, thermal and thickness measurements over a wide range of C-rates from 0.05 C to 10 C. The combined experimental and simulated analyses show that thickness change during cycling is dominated by intercalation-induced swelling of graphite, while swelling of the two blend components partially cancel each other. At C-rates above 2 C, electrochemistry-induced temperature increase significantly contributes to cell swelling due to thermal expansion. The thickness changes are nonlinearly distributed over the thickness of the electrode pair due to gradients in the local lithiation, which may accelerate local degradation. Remaining discrepancies between simulation and experiment at high C-rates might be attributed to lithium plating, which is not considered in the model at present.
Mit längerfristigen Nutzerbefragungen in zwei unmittelbar benachbarten Bürogebäuden in Freiburg wurden das Temperaturempfinden der Nutzer und deren Zufriedenheit mit dem thermischen Raumkomfort zweimal täglich erfasst. Ein Bürogebäude wird im Sommer mit einem maschinellen Nachtlüftungskonzept konditioniert und das zweite verfügt über eine Betonkerntemperierung und eine Zu- und Abluftanlage. Auf Basis der vorhandenen Daten aus der Erhebung wurde mit Hilfe von Regressionsanalysen ein Modell zur Vorhersage der Komforttemperatur berechnet und mit den Modellen in DIN EN 15251 verglichen.
During pyrolysis, biomass is carbonised in the absence of oxygen to produce biochar with heat and/or electricity as co-products making pyrolysis one of the promising negative emission technologies to reach climate goals worldwide. This paper presents a simplified representation of pyrolysis and analyses the impact of this technology on the energy system. Results show that the use of pyrolysis can allow getting zero emissions with lower costs by making changes in the unit commitment of the power plants, e.g. conventional power plants are used differently, as the emissions will be compensated by biochar. Additionally, the process of pyrolysis can enhance the flexibility of energy systems, as it shows a correlation between the electricity generated by pyrolysis and the hydrogen installation capacity, being hydrogen used less when pyrolysis appears. The results indicate that pyrolysis, which is available on the market, integrates well into the energy system with a promising potential to sequester carbon.