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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.
Power systems are increasingly built from distributed generation units and smart consumers that are able to react to grid conditions. Managing this large number of decentralized electricity sources and flexible loads represent a very huge optimization problem. Both from the regulatory and the computational perspective, no one central coordinator can optimize this overall system. Decentralized control mechanisms can, however, distribute the optimization task through price signals or market-based mechanisms. This chapter presents the concepts that enable a decentralized control of demand and supply while enhancing overall efficiency of the electricity system. It highlights both technological and business challenges that result from the realization of these concepts, and presents the state-of-the-art in the respective domains.
Die Veränderungen in der Energieversorgung führen zu einer neuen Systemarchitektur der Stromversorgung, die nur durch einen massiven Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) bewältigt werden kann und meist als „Smart Grid“ bezeichnet wird. Während es bereits umfangreiche Forschungsarbeiten und Demonstrationsprojekte zu einzelnen technologischen Komponenten gibt, existieren noch wenige Überlegungen, in welchen technologischen Schritten eine Migration hin zu Smart Grids durchgeführt werden sollte, die sowohl betriebstechnisch zukunftssicher ist, als auch marktgetriebene Innovationen begünstigt. Der Beitrag veranschaulicht die Herleitung solcher Migrationspfade im Rahmen eines schrittweisen Vorgehens. Zunächst werden Zukunftsszenarien für das Jahr 2030 konstruiert, um die maßgeblichen, oft auch nichttechnischen Einflussfaktoren auf das Smart Grid zu identifizieren. Darauf aufbauend werden die wesentlichen IKT-bezogenen Technologiefelder und ihre Zuordnung zu den Domänen der Energiewirtschaft beschrieben. Für jedes Technologiefeld werden die in den nächsten zwei Jahrzehnten denkbaren Entwicklungsstufen ermittelt und deren Abhängigkeit untereinander analysiert. Die gemeinsame Betrachtung von Szenarien, der Entwicklungsstufen der Technologiefelder und deren Interdependenzen führen schließlich zu einer Roadmap, welche die Migrationspfade in das Smart Grid beschreiben. Es lassen sich drei Entwicklungsphasen erkennen: Die Konzeptionsphase, die Integrationsphase und die Fusionsphase. Die präsentierten Ergebnisse entstammen dem Projekt „Future Energy Grid – Migrationspfade ins Internet“, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des E-Energy-Programms (Förderkennzeichen 01ME10012A und 01ME10013) gefördert wurde.
Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs‐ und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten. Die Analyse erfolgte auf Basis von detaillierten Langzeitmessungen über ein Betriebsjahr in acht Demonstrationsgebäuden in unterschiedlichen klimatischen Zonen Europas und einer standardisierten Datenauswertung. Im Quervergleich aller acht Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Kühlenergiebezug, dem thermischen Raumkomfort und dem Primärenergieeinsatz für die technische Gebäudeausrüstung und die Beleuchtung bewertet. Ein Energiekonzept ist erst dann zufriedenstellend, wenn mit möglichst geringem Energieeinsatz und bei hoher Anlageneffizienz ein guter thermischer Raumkomfort zur Verfügung gestellt werden kann. Mit entsprechenden Gebäudesignaturen werden diese Parameter in einen Zusammenhang gebracht und die Zielstellung überprüft. Detaillierte Komfortuntersuchungen nach der europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007‐08 geben Hinweise auf die Wirksamkeit der eingesetzten Kühltechnologien in den jeweiligen Klimazonen. Daraus lassen sich Handlungsempfehlungen ableiten.
Buildings that are cooled and, if applicable, heated by thermo-active building systems (TABS) in combination with environmental energy have been established in the market during the last years. Many successful and efficient examples prove, that these systems can achieve a good thermal room comfort with a high energy efficiency of the plant system using environmental energy (mainly surface-near geothermal energy). However, operating experience and a systematic evaluation of several building projects demonstrate that there is potential improvement in the design, implementation, and operation of TABS systems. The article presents operating experience and a detailed evaluation of the operation performance of several non-residential buildings with thermo-active building systems with respect to thermal comfort and energy efficiency.
Autonomous humanoid robots need high torque actuators to be able to walk and run. One problem in this context is the heat generated. In this paper we propose to use water evaporation to improve cooling of the motors. Simulations based on thermodynamic calculations as well as measurements on real actuators show that, under the assumption of the load of a soccer game, cooling can be considerably improved with relatively small amounts of water.
The formation of secondary phases in the porous electrodes is a severe mechanism affecting the lifetime of solid oxide fuel cells (SOFC). It can occur via various chemical mechanisms and it has a significant influence on cell performance due to pore clogging and deactivation of active surfaces and triple-phase boundary (TPB). We present a modeling and simulation study of nickel oxide formation (reoxidation) and carbon formation (coking) within the SOFC anode. We use a 2D continuum model based on a multi-phase framework [Neidhardt et al., J. Electrochem. Soc., 159, 9 (2012)] that allows the introduction of arbitrary solid phases (here: Ni, YSZ, NiO, Carbon) plus gas phase. Reactions between the bulk phases are modeled via interface-adsorbed species and are described by an elementary kinetic approach. Published experimental data are used for parameterization and validation. Simulations allow the prediction of cell performance under critical operation conditions, like (i) a non-fuel operation test, where NiO formation is taking place (Figure 1a), or (ii) an open circuit voltage (OCV) stability test under hydrocarbon atmosphere, where solid carbon is formed (Figure 1b). Results are applied for enhanced interpretation of experimental data and for prediction of safe operation conditions.
Der Einbau von Smart Metern und deren intelligente Vernetzung in Richtung eines Smart Grid wird Stromverbrauchsmuster bis in die Haushalte hinein verändern. Über die technisch geprägte Diskussion um die Komponenten dafür darf deshalb keinesfalls die Einbeziehung der Gesellschaft in den anstehenden Wandel vergessen werden. Transparenz bei den Kosten, die Förderung von Vertrauen insbesondere in die Datenschutzstandards und eine verständliche Aufklärungsarbeit sind Schlüssel für den notwendigen Dialog zwischen Energieversorgern, Politik und Bürgern.
The lifetime and performance of solid-oxide fuel cells (SOFC) and electrolyzer cells (SOEC) can be significantly degraded by oxidation of nickel within the electrode and support structures. This paper documents a detailed computational model describing nickel oxide (NiO) formation as a growing film layer on top of the nickel phase in Ni/YSZ composite electrodes. The model assumes that the oxidation rate is controlled by transport of ions across the film (Wagner's theory). The computational model, which is implemented in a two-dimensional continuum framework, facilitates the investigation of alternative chemical reaction and transport mechanisms. Model predictions agree well with a literature experimental measurement of oxidation-layer growth. In addition to providing insight in interpreting experimental observations, the model provides a quantitative predictive capability for improving electrode design and controlling operating conditions.
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.