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Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW). Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel-Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Bio-, Deponie- oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto-, Diesel- und Stirling-Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst. Technische Details der Motoren sind in der Fachliteratur zu finden, z. B. [1]. Die Website [2] gibt einen umfassenden Überblick über Hersteller und deren Kolbenmotoren.
Die Hochschule Offenburg begleitet seit Juli 2006 in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg und der HfT Stuttgart die solar unterstützte Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Solarthermie2000plus“ vom Bundesumweltministerium gefördert. Dabei wurde die bereits bestehende Adsorptionskälteanlage, die bisher mit Kompressorabwärme und Gaskesseln betrieben wurde, durch eine Solaranlage als drittem Wärmelieferanten ergänzt.
In den vergangenen Jahren ist das technische Gas Schwefelhexafluorid (SF6) immer wieder Gegenstand von Diskussionen des Klimaschutzes und der technischen Notwendigkeit für den Betrieb von Schaltanlagen gewesen und wird dies wohl auch noch für längere Zeit bleiben. Das Gas, welches sich aus einem Schwefelatom und sechs Fluoratomen zusammensetzt, wird seit Ende der sechziger 1960er Jahre in Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannung eingesetzt. So günstig dessen Eigenschaften im technischen Einsatz auch sind, so klimaschädlich ist es beim Entweichen in die Atmosphäre. SF6 ist das Klimagas mit dem größten bekannten Treibhauspotenzial, es weist ein CO2-Äquivalent (GWP) von 23.900 und eine atmosphärische Lebensdauer von ca. 3.200 Jahren auf. Neben nur wenig verbliebenen Anwendungen in Industrie, Militär und Medizin kommt es heute hauptsächlich bei der elektrischen Energieversorgung als Isolier- und Lichtbogenlöschgas in Schaltanlagen von Übertragungs- und Verteilnetzen zum Einsatz. Grund genug die technische Notwendigkeit, mögliche Alternativen und Konsequenzen drohender Verbote zu diskutieren. In diesem Artikel werden zunächst die Grundlagen moderner SF6- Hochspannungsschaltanlagen vorgestellt, die Klimabelastung durch entweichendes SF6 evaluiert, ein Überblick über den Stand der Forschung gegeben und mögliche Konsequenzen eines Verbotes von Schwefelhexafluorid in der Energieversorgung diskutiert.
Ecological concerns on the climatic effects of the emissions from electricity production stipulate the remuneration of electricity grids to accept growing amounts of intermittent regenerative electricity feed-in from wind and solar power. Germany’s eager political target to double regenerative electricity production by 2030 puts pressure on grid operators to adapt and restructure their transmission and distribution grids. The ability of local distribution grids to operate autonomous of transmission grid supply is essential to stabilize electricity supply at the level of German federal states. Although congestion management and collaboration at the distribution system operator (DSO) level are promising approaches, relatively few studies address this issue. This study presents a methodology to assess the electric energy balance for the low-voltage grids in the German federal state of Baden-Württemberg, assuming the typical load curves and the interchange potential among local distribution grids by means of linear programming of the supply function and for typical seasonal electricity demands. The model can make a statement about the performance and development requirements for grid architecture for scenarios in 2035 and 2050 when regenerative energies will—according to present legislation—account for more than half of Germany’s electricity supply. The study details the amendment to Baden-Württemberg’s electricity grid required to fit the system to the requirements of regenerative electricity production. The suggested model for grid analysis can be used in further German regions and internationally to systematically remunerate electricity grids for the acceptance of larger amounts of regenerative electricity inflows. This empirical study closes the research gap of assessing the interchange potential among DSO and considers usual power loads and simultaneously usual electricity inflows.
In the dual membrane fuel cell (DM-Cell), protons formed at the anode and oxygen ions formed at the cathode migrate through their respective dense electrolytes to react and form water in a porous composite layer called dual membrane (DM). The DM-Cell concept was experimentally proven (as detailed in Part I of this paper). To describe the electrochemical processes occurring in this novel fuel cell, a mathematical model has been developed which focuses on the DM as the characteristic feature of the DM-Cell. In the model, the porous composite DM is treated as a continuum medium characterized by effective macro-homogeneous properties. To simulate the polarization behavior of the DM-Cell, the potential distribution in the DM is related to the flux of protons and oxygen ions in the conducting phases by introducing kinetic and transport equations into charge balances. Since water pressure may affect the overall formation rate, water mass balances across the DM and transport equations are also considered. The satisfactory comparison with available experimental results suggests that the model provides sound indications on the effects of key design parameters and operating conditions on cell behavior and performance.
Electric arc furnaces (EAF) are complex industrial plants whose actual behavior depends upon numerous factors. Due to its energy intensive operation, the EAF process has always been subject to optimization efforts. For these reasons, several models have been proposed in literature to analyze and predict different modes of operation. Most of these models focused on the processes inside the vessel itself. The present paper introduces a dynamic, physics-based model of a complete EAF plant which consists of the four subsystems vessel, electric system, electrode regulation, and off-gas system. Furthermore the solid phase is not treated to be homogenous but a simple spatial discretization is employed. Hence it is possible to simulate the energy input by electric arcs and fossil fuel burners depending on the state of the melting progress. The model is implemented in object-oriented, equation-based language Modelica. The simulation results are compared to literature data.
Photovoltaics Energy Prediction Under Complex Conditions for a Predictive Energy Management System
(2015)
Optimal microgrid scheduling with peak load reduction involving an electrolyzer and flexible loads
(2016)
This work consists of a multi-objective mixed-integer linear programming model for defining optimized schedules of components in a grid-connected microgrid. The microgrid includes a hydrogen energy system consisting of an alkaline electrolyzer, hydrogen cylinder bundles and a fuel cell for energy storage. Local generation is provided from photovoltaic panels, and the load is given by a fixed load profile combined with a flexible electrical load, which is a battery electric vehicle. The electrolyzer has ramp-up constraints which are modeled explicitly. The objective function includes, besides operational costs and an environmental indicator, a representation of peak power costs, thus leading to an overall peak load reduction under optimized operation. The model is used both for controlling a microgrid in a field trial set-up deployed in South-West Germany and for simulating the microgrid operation for defined period, thus allowing for economic system evaluation. Results from defined sample runs show that the energy storage is primarily used for trimming the peak of electricity drawn from the public grid and is not solely operated with excess power. The flexible demand operation also helps keeping the peak at its possible minimum.
Energy and environment continue to be major issues of human mankind. This holds true on the regional, the national, and the global level. And it is one of the problems, where engineers and scientists in conjunction with political will and people's awareness, can find new approaches and solutions to save the natural resources and to make their use more efficient.
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is one of the most promising technologies for sustainable energy production due to the high power density, low operative temperature and more convenient use for several applications. Nevertheless, the high generated current that characterizes PEMFC requires a specific power conditioning. In addition, specific controller must be designed to fit with system operative points changing associated with the variation of this high current. To deal with this challenge, in this paper, an electrochemical system composed of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) feeding via two phases IBC has been proposed and investigated. For robustness, the used IBC for fuel cell voltage regulation is controlled by linear quadratic regulator (LQR). Then, genetic algorithms technique is applied to optimize the LQR controller parameters giving optimal control coefficients and can if necessary be adjusted according to each working situation change. The model of the entire system is studied using Matlab/Simulink environment. The simulation’s comparative standard and robustness results both demonstrate that the proposed GA-based LQR controller outperforms the conventional PI in terms of performance metrics (overshoot reduction: between 58.93% and 97.09%; response time reduction: between 56.40% and 77.00% and ripple reduction: between 84.00% and 94.86%).
Ziel und Tempo der Energiewende sind gesetzt. Der Ausstieg aus der Stromproduktion in Kernkraftwerken soll bis 2022 geschafft sein. Eine Elektrizitätserzeugung, die auf erneuerbaren Energien beruht, soll die bisherige Erzeugung auf der Grundlage von Kohle, Kernbrennstoffen und Erdgas bis 2050 stufenweise weitgehend ablösen und damit maßgeblich zu den Klimaschutzzielen der Bundesregierung beitragen. Der Weg zu diesen Zielen ist für die Beteiligten hingegen noch nicht deutlich einsehbar. Viele offene Fragestellungen technischer, ökonomischer, legislativer und gesellschaftlicher Natur verstellen den Blick auf eine klare Strategie zur Erreichung der energiepolitischen Ziele. Vielschichtige Aufgaben und immense Herausforderungen kommen mit der Mammutaufgabe „Energiewende“ auf Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Bevölkerung zu. Ein wichtiger Enabler für die erfolgreiche Integration von Wind- und Sonnenenergie sowie für neue Prozesse, Marktrollen und Technologien ist die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). An diesem Punkt setzt die hier vorliegende Studie an.
Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.
Increasing global energy demand and the need to transition to sustainable energy sources to mitigate climate change, highlights the need for innovative approaches to improve the resilience and sustainability of power grids. This study focuses on addressing these challenges in the context of Morocco's evolving energy landscape, where increasing energy demand and efforts to integrate renewable energy require grid reinforcement strategies. Using renewable energy sources such as photovoltaic systems and energy storage technologies, this study aims to develop a methodology for strengthening rural community grids in Morocco.
Traditional reinforcement measures such as line and transformer upgrades will be investigated as well as the integration of power generation from photovoltaic systems, which offer a promising way to utilise Morocco's abundant solar resources. In addition, energy storage systems will be analysed as potential solutions to the challenges of grid stability and resilience. Using comprehensive data analysis, scenario planning and simulation methods with the open-source simulation software Panda Power, this study aims to assess the impact of different grid reinforcement measures, including conventional methods, photovoltaic integration, and the use of energy storage, on grid performance and sustainability. The results of this study provide valuable insights into the challenges and opportunities of transitioning to a more resilient and sustainable energy future in Morocco.
Based on a rural medium-voltage grid in Souihla, Morocco, three scenarios were carried out to assess the impact of demand growth in 2030 and 2040. The first scenario focuses on conventional grid reinforcement measures, while the second scenario incorporates energy from residential photovoltaic systems. The third scenario analyses the integration of storage systems and their impact on grid reinforcement in 2030.
The simulations with energy from photovoltaic systems show a reduction in grid reinforcement measures compared to the scenario without solar energy. In addition, the introduction of a storage system in 2030 led to a significant reduction in the required installed transformer capacity and fewer congested lines. Furthermore, the results emphasized the role of storage in stabilizing grid voltage levels.
In summary, the results highlighted the potential benefits of integrating energy from photovoltaics and storage into the grid. This integration not only reduces the need for transformers and overall grid infrastructure but also promotes a more efficient and sustainable energy system.
Passive solar elements for both direct and indirect gains, are systems used to maintain a comfortable living environment while saving energy, especially in the building energy retrofit and adaptation process. Sunspaces, thermal mass and glazing area and orientation have been often used in the past to guarantee adequate indoor conditions when mechanical devices were not available. After a period of neglect, nowadays they are again considered as appropriate systems to help face environmental issues in the building sector, and both international and national legislation takes into consideration the possibility of including them in the building planning tools, also providing economic incentives. Their proper design needs dynamic simulation, often difficult to perform and time consuming. Moreover, results generally suffer from several uncertainties, so quasi steady-state procedures are often used in everyday practice with good results, but some corrections are still needed. In this paper, a comparative analysis of different solutions for the construction of verandas in an existing building is presented, following the procedure provided by the slightly modified and improved Standard EN ISO 13790:2008. Advantages and disadvantages of different configurations considering thermal insulation, windows typology and mechanical ventilation systems are discussed and a general intervention strategy is proposed. The aim is to highlight the possibility of using sunspaces in order to increase the efficiency of the existing building stock, considering ease of construction and economic viability.
Energy Performance of Verandas in the Building Retrofit Process (PDF Download Available). Available from: https://www.researchgate.net/publication/303093420_Energy_Performance_of_Verandas_in_the_Building_Retrofit_Process [accessed Jul 5, 2017].
Energie aus erneuerbaren Ressourcen ist nicht immer beliebig verfügbar. Je nach Jahreszeit und Witterung variiert beispielsweise die durch Solarparks oder Windkraftanlagen zur Verfügung gestellte Leistung. Durch den kontinuierlichen Ausbau der erneuerbaren Energien wird sich die Volatilität im Energiesystem in Zukunft immer stärker ausprägen. Die Industrie auf die sich ändernden Versorgungsstrukturen vorzubereiten und anzupassen ist eine große Herausforderung der nächsten Jahrzehnte. Unternehmen müssen zukünftig ihre Prozesse und Betriebsorganisation so gestalten können, dass sich der Energieverbrauch zumindest in Teilen flexibel an das volatile Energieangebot anpassen kann. Neben der Entwicklung von Technologien, Konzepten und Maßnahmen zur energetischen Flexibilisierung von industriellen Prozessen liegt ein zweiter Schwerpunkt zukünftiger Arbeiten auf der Entwicklung einer durchgängigen IT-Infrastruktur, mit der Unternehmen und Energieanbieter in Zukunft Informationen von der Produktionsmaschine bis zu den Energiemärkten bereitstellen und austauschen können. Dies führt zu einem Paradigmenwechsel im Betrieb industrieller Prozesse - weg vom kontinuierlichen und rein nachfragegetriebenen Energieverbrauch hin zum anpassbaren, energieflexiblen Betrieb industrieller Anlagen. Dieses Nachschlagewerk stellt die wichtigsten Ergebnisse der Forschung im Rahmen des Kopernikus-Projekts Synergie vor und verdeutlicht richtungsweisende Erkenntnisse für weitere Entwicklungen in dem noch jungen Feld der industriellen Energieflexibilität.