INES - Institut für nachhaltige Energiesysteme
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Batteries typically consist of multiple individual cells connected in series. Here we demonstrate single-cell state of charge (SOC) and state of health (SOH) diagnosis in a 24 V class lithium-ion battery. To this goal, we introduce and apply a novel, highly efficient algorithm based on a voltage-controlled model (VCM). The battery, consisting of eight single cells, is cycled over a duration of five months under a simple cycling protocol between 20 % and 100 % SOC. The cell-to-cell standard deviations obtained with the novel algorithm were 1.25 SOC-% and 1.07 SOH-% at beginning of cycling. A cell-averaged capacity loss of 9.9 % after five months cycling was observed. While the accuracy of single-cell SOC estimation was limited (probably owed to the flat voltage characteristics of the lithium iron phosphate, LFP, chemistry investigated here), single-cell SOH estimation showed a high accuracy (2.09 SOH-% mean absolute error compared to laboratory reference tests). Because the algorithm does not require observers, filters, or neural networks, it is computationally very efficient (three seconds analysis time for the complete data set consisting of eight cells with approx. 780.000 measurement points per cell).
Variable refrigerant flow (VRF) and variable air volume (VAV) systems are considered among the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to their ability to provide cooling and heating in different thermal zones of the same building. As well as their ability to recover the heat rejected from spaces requiring cooling and reuse it to heat another space. Nevertheless, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building. So, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. This study aims to compare these two energy systems by conducting an energy model simulation of a real building under a semi-arid climate for cooling and heating periods. The developed building energy model (BEM) was validated and calibrated using measured and simulated indoor air temperature and energy consumption data. The study aims to evaluate the effect of these HVAC systems on energy consumption and the indoor thermal comfort of the building. The numerical model was based on the Energy Plus simulation engine. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving along with a high level of indoor thermal comfort by using the VRF system compared to the VAV system. The findings prove that the VRF system provides 46.18% of the annual total heating energy savings and 6.14% of the annual cooling and ventilation energy savings compared to the VAV system.
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.
A smart energy concept was designed and implemented for a cluster of 5 existing multi-family houses, which combines heat pumps, photovoltaic (PV) modules and combined heat and power units (CHP) to achieve energy- and cost-efficient operation. Measurement results of the first year of operation show that the local power generation by PV modules and CHP unit has a positive effect on the electrical self-sufficiency by reducing electricity import from the grid. In winter, when the CHP unit operates continuously for long periods, the entire electricity for the heat pump and 91 % of the total electricity demand of the neighborhood are supplied locally. In summer, only 53 % is generated within the neighborhood. The use of a specifically developed energy management system EMS is intended to further increase this share. CO2 emissions for heating and electricity of the neighborhood are evaluated and amount to 18.4 kg/(m2a). Compared to the previous energy system consisting of gas boilers (29.1 kg/(m2a)), savings of 37 % are achieved with electricity consumption from the grid being reduced by 65 %. In the second construction stage, an additional heat pump, CHP unit and PV modules will be added. The measurement results indicate that the final district energy system is likely to achieve the ambitious CO2 reduction goal of -50% and further increase the self-sufficiency of the district.
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.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute 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. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
Heat pumps play a central role in decarbonizing the heat supply of buildings. However, in this article, implementing heat pumps in existing buildings, a significant challenge is still presented due to high temperature requirements. In this article, a systematic analysis of the effects of heat source temperatures, maximum heat pump condenser temperatures, and system temperatures on the seasonal performance of heat pump (HP) systems is presented. The quantitative performance analysis encompasses over 50 heat pumps installed in residential buildings, revealing correlations between the building characteristics, observed temperatures, and heat pump type. The performance of an HP system retrofitted to a 30-dwelling multifamily building is presented in more detail. The bivalent HP system combines air and ground as heat sources and achieves a seasonal performance factor of 3.25 with a share of the gas boiler of 27% in its first year of operation. In these findings, the technical feasibility of retrofitting heat pumps is demonstrated in existing buildings and insights are provided into overcoming the challenges associated with high temperature requirements.