FG Thermische Energietechnik
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To increase the efficiency of PEM electrolysis, simulation models are required that accurately describe the system's electrochemical and thermal behavior in a computationally efficient manner and are thus suitable for developing control strategies. Therefore, a pseudo-2D PEM electrolyzer model is presented in this paper, which is a compromise between the previously developed models regarding their model complexity. The electrochemical behavior is described with equations commonly used in the literature and the thermal behavior with correlations for gas-liquid heat transfer. Preliminary validation indicates that the model can describe the electrochemical behavior and thermal dynamics of a PEM electrolysis stack with good accuracy.
Electrochemical energy conversion technologies play a crucial role in space missions, for example, in the Environmental Control and Life Support System (ECLSS) on the International Space Station (ISS). They are also vitally important for future long-term space travel for oxygen, fuel and chemical production, where a re-supply of resources from Earth is not possible. Here, we provide an overview of currently existing electrolytic energy conversion technologies for space applications such as proton exchange membrane (PEM) and alkaline electrolyzer systems. We discuss the governing interfacial processes in these devices influenced by reduced gravitation and provide an outlook on future applications of electrolysis systems in, e.g., in-situ resource utilization (ISRU) technologies. A perspective of computational modelling to predict the impact of the reduced gravitational environment on governing electrochemical processes is also discussed and experimental suggestions to better understand efficiency-impacting processes such as gas bubble formation and detachment in reduced gravitational environments are outlined.
Load forecasting is an essential part of the operational management of combined heat and electrical power units, since a reliable hour- and day-ahead estimation of their thermal and electrical load can significantly improve their technical and economic performance, as well as their reliability. Among different types of prediction techniques, data-driven machine learning methods appear to be more suitable for load estimation in operational systems, compared to the classical forward approach. Research so far has been concentrated mainly on the magnitude of buildings with single load types. It has only been extended to a limited degree on the level of a district heating network where several end users with different characteristics merge into one bigger scale heat consumer (city or group of communities). In this study, artificial neural networks are utilized, to develop a load prediction model for district heating networks. A segmented analytical multi-phase approach is employed, to gradually optimize the predictor by varying the characteristics of the input variables and the structure of the neural network. The comparison against the load prediction time series generated by a local communal energy supplier using a commercial software reveals that, although the latter is enhanced by manual human corrections, the optimized fully automatic predictors developed in the present study generate a more reliable load forecast.
Renewable energy sources are becoming a greater component of the electrical mix, while being significantly more volatile than conventional energy sources. As a result, net stability and availability pose significant challenges. Energy-intensive processes, such as chlor-alkali electrolysis, can potentially adjust their consumption to the available power, which is known as demand side management or demand response. In this study, a dynamic model of a chlor-alkali membrane cell is developed to assess the flexible potential of the membrane cell. Several improvements to previously published models were made, making the model more representative of state-of-the-art CA plants. By coupling the model with a wind power profile, the current and potential level over the course of a day was simulated. The simulation results show that the required ramp rates are within the regular operating possibilities of the plant for most of the time and that the electrolyte concentrations in the cell can be kept at the right level by varying inlet flows and concentrations. This means that a CA plant can indeed be flexibly operated in the future energy system.
EBSILON®Professional is a powerful modelling system developed for the simulation of thermodynamic cycles.
It is suitable as a tool for plant planning, design and optimization of thermal power plants with a steam process or a gas turbine process as well as plants with renewable energies (biomass, wind energy, solar energy and geothermal energy).
The introduction describes the basic principles and the working steps to create a model of the plant. Furthermore, the work with the internal programming environment EbsScript and the handling of the calculation of time series is presented.
EBSILON®Professional ist ein leistungsfähiges Modellierungssystem, welches zur Simulation von thermodynamischen Kreisprozessen entwickelt wurde.
Es eignet sich als Hilfsmittel bei der Anlagenplanung, -auslegung und -optimierung von thermischen Kraftwerken mit einem Wasserdampf-Prozess oder einem Gasturbinen-Prozess sowie Anlagen mit erneuerbaren Energien (Biomasse, Windenergie, Solarenergie und Geothermie).
Die Einführung beschreibt die Grundprinzipien und die Arbeitsschritte zur Erstellung eines Modells der Anlage. Weiterhin wird die Arbeit mit der internen Programmierungsumgebung EbsScript und der Umgang mit der Berechnung von Zeitreihen vorgestellt.
In diesem Beitrag wird ein Flammenbewertungsverfahren auf Basis eines Flammenwächtersignals vorgestellt. Mit zunehmender Flexibilisierung der Verbrennungsanlagen und der Absenkung von Emissionsgrenzwerten wird eine unmittelbare Flammenanalyse für die Regelung der Brennersysteme zunehmend erforderlich. Auf Basis eines Flammenwächtersignals wird mittels Frequenzanalyse ein ergänzendes Auswertungsverfahren dargestellt. Anhand der vorgestellten Untersuchungen an einem Erdgas-/Kohle-Kombibrenner wird die Qualifizierung der Prozessmesstechnik für die Flammenbewertung und Brennersteuerung überprüft. Die Ergebnisse im Erdgas- und Kohlebetrieb belegen, dass mit der erweiterten Signalanalyse eine Veränderung des Flammenverhaltens mit dem Flammenwächtersignal in Zusammenhang gebracht werden kann. Dabei konnte einmal das Emissionsverhalten bei verschiedenen Brennereinstellungen beurteilt werden und andererseits ein Zugriff auf das Stabilitätsverhalten der Kohleflamme ermöglicht werden. Durch die Analyse des Strahlungssignals der Chemilumineszenz des OH* bzw. CH*-Radikals ist ein Bezug zur Veränderung in der Reaktionszone hergestellt. Die entwickelte Bewertungsmethodik kann für die Entwicklung und Etablierung von Beobachter- und Regelmodellen von Brennersystemen genutzt werden.
Mit der steigenden Erzeugung volatilen Stroms aus erneuerbaren Energien werden die Anforderungen an die Flexibilität der konventionellen Kraftwerke erhöht. Der Einsatz von Stützfeuerungssystemen auf Basis von Trockenbraunkohle (TBK) ermöglicht die Erweiterung des Lastbereiches und der Lastgradienten am Dampferzeuger. Untersuchungen zum Teillastverhalten von TBK-Brennern wurden an der BTU Cottbus – Senftenberg an einem 400 kWth Verbrennungsversuchstand und an dem industriellen 30 MWth TBK-Staubbrenner der Firma BBS (Babcock Borsig Steinmüller GmbH) durchgeführt. Der verfügbare Einsatzbereich des Brenners ist maßgeblich von der Intensität den brennernahen Mischungsvorgang abhängig. Mit der Absenkung der Brennerleistung ist beispielsweise eine signifikante Steigerung der NOx-Emission verbunden. Dieser Effekt ist auf die Veränderung des brennernahen Strömungsprofiles zurückzuführen. Mit Maßnahmen wie der Erhöhung der Drallzahl, Verteilung der Luftimpulsströme und Veränderung des Primärimpulses konnte eine Stabilisierung und Intensivierung der Reaktionszone und somit eine Verbesserte des Teillastverhaltens nachgewiesen werden.
1.
In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation vonStrömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses vonBraunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird dasEuler–Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltensder Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend voneinem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigne-ten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungs-modellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und alsZielsetzung formuliert.Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaf-fen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eineBetrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, umdie darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Be-wertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- undmikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluk-tuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen fürverschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet.In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanischeAspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen derrheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Parti-kelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durchVergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strö-mungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstel-lend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder.Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert.Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet.Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksich-tigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt.Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung derWärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Para-metersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt,wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somitmit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vor-geschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrge-schwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiertund weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.V
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizflächen für polydisperse Braunkohle erstellt. Zunächst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersität und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) berücksichtigt. Mit Hilfe der für den Trockner aufgestellten Energiebilanzen wurde ein Modell zur Beschreibung des zeitlichen Verdampfungstrocknungsverlaufes entwickelt. Dabei wurde auch der Einfluss des Druckes in den Subgleichungen und Stoffwertberechnungen berücksichtigt. (Der Überdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterführend wurde unter Anwendung der Gleichungen zur Beschreibung der wirbelschicht-bedingten asymmetrischen Verweilzeitverteilung ein Gesamtmodell – das Trockner-Auslegungs-Modell (TRAM) – entwickelt und die Modellarchitektur detailliert beschrieben.