@phdthesis{Abang2016, author = {Abang, Roger Atini}, title = {Thermodynamic modeling and experimental investigations of high temperature corrosion and oxidation due to increased power plant cycling}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40032}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {With the rapid growth of renewable energy sources (RES) in the power generation mix in accordance with the German energy transition policy ('Energiewende'), fewer baseload coal power plants will be required. Future power generation will be supplied through decentralized power utilities such as off-shore wind parks and also through high operational flexibility of existing conventional coal power units. High operational flexibility means conventional power plants have to increase cyclic operations to cope with feed-ins from variable-RES such as wind and solar. Unlike medium and peak load power plants that can react quickly to load changes and power ramps, baseload power plants are not suited for such operations. Important technical requirements for flexible operation include among others; frequent start-ups and shut-downs, a minimum downtime, shorter startup time and short operational periods. Baseload coal power plants however do not meet these requirements. This increased cyclic mode of operation can have severe impacts on vital power plant components such as superheater and reheater tubes resulting in high temperature cyclic oxidation/corrosion especially because these plants were not designed for frequent cyclic operations. To optimize plant operations, minimize material damage and reduce operational and maintenance cost, it is therefore important to understand the oxidation and corrosion risk to plants materials associated with this flexible mode of operation. In this context, thermochemical modeling in FactSage 6.4ᵀᴹ as well as experimental investigations were carried out. For the experimental investigations, five commercial coal boiler superheater and reheater materials, namely T91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu and DMV310 N were exposed for 1000 hours under discontinuous isothermal oxidation conditions and 1000 hours thermo-cyclic oxidation conditions at a metal surface temperature of 650 °C. The synthetic corrosive flue gas consisted of a mixture of CO₂, O₂, SO₂, N₂ and H₂O. The test material samples were partly covered in fly ash to investigate the effect ash deposits on the corrosion and oxidation behavior of the test materials. After exposure metallographic analysis by means of light microscopy and scanning electron microscopy (LOM and SEM-EDS) were carried out to study the oxide morphology and micro-structural properties of the materials. The oxidation kinetics (weight change) results showed significant oxide growth rates (weight gain) under cyclic oxidation conditions especially in the martensitic alloys - T91, VM12-SHC. Furthermore, metallographic analysis revealed severe oxide spallation in the ash covered sections of these alloys. The austenitic materials (TP374-HFG, DMV310 N) with the exception of DMV304 HCu showed good oxidation behavior with minimal oxide growth both under isothermal and thermal cyclic conditions. However, severe grain boundary attack and internal sulphidation were found in these alloys. DMV310 N showed the best corrosion and oxidation performance. The thermochemical modeling calculations supported the experimental results.}, subject = {Thermo-chemical modeling; Oxidation; High temperature corrosion; Cycling; Flexible generation; Oxidation; Hochtemperaturkorrosion; Lastwechsel; Flexible Kraftwerke; Thermochemische Modellierung; Kraftwerk; Hochtemperaturkorrosion; Lastwechselverhalten; Oxidation; Thermodynamik; Modellierung}, language = {en} } @phdthesis{Schreiber2013, author = {Schreiber, Matthias}, title = {Modellierung von Hydrodynamik und W{\"a}rme{\"u}bertragung in blasenbildenden Wirbelschichten zur Trocknung von Braunkohle}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27263}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Modellierung der Hydrodynamik und W{\"a}rme{\"u}bertragung in blasenbildenden Wirbelschichten bestehend aus Braunkohlepartikeln untersucht. Zur Validierung der aus den Simulationen extrahierten Daten stehen zwei verschiedene Versuchsanlagen zur Verf{\"u}gung. In einem quasi-2D Wirbelschichtkaltmodell k{\"o}nnen hydrodynamische Gr{\"o}ßen gemessen werden. Mithilfe transparenter Vorder- und R{\"u}ckw{\"a}nde der Wirbelschicht kann eine automatische Bildanalyse per Digital Image Analysis Technique (DIAT) durchgef{\"u}hrt werden, um die Eigenschaften der aufsteigenden Blasen ermitteln zu k{\"o}nnen. Eine weitere zylindrische Wirbelschichtanlage mit einem einzelnen, horizontal eingetauchten Rohr dient zur Bestimmung des W{\"a}rme{\"u}bergangs von dem Rohr in die Wirbelschicht. Der W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizient wird dabei {\"u}ber eine Sonde gemessen, welche die Ermittlung der lokalen Verteilung der Werte {\"u}ber dem Gesamtumfang erm{\"o}glicht. Als Wirbelgut wurde in beiden Versuchsanlagen abgesiebte Trockenbraunkohle verwendet. Dem eigentlichen Schwerpunkt der Arbeit wird eine Untersuchung zu Simulationsparametern und -gittern vorangestellt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse absch{\"a}tzen und passende Einstellungen ableiten zu k{\"o}nnen. Dies beinhaltet die Diskretisierung der konvektiven Terme in den Erhaltungsgleichungen, die gew{\"a}hlten Konvergenzkriterien und Zeitschrittweiten, die mindestens notwendigen Simulationsdauern und Mittelungszeitr{\"a}ume sowie die Aufl{\"o}sung und die Dimension des Rechengitters. Zur Modellierung der Hydrodynamik der Braunkohlewirbelschichten wird das Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) unter Einsatz der Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) zur Modellierung der Rheologie der Feststoffphase angewendet und die wichtigsten partikelrelevanten Modellparameter und Submodelle untersucht. Die in Braunkohlewirbelschichten sowohl ohne als auch mit dicht gepackten Tauchheizfl{\"a}chen durchgef{\"u}hrten Vergleiche werden anhand der experimentell ermittelten Versuchsergebnisse validiert. Die individuelle Wirkung der unterschiedlichen Parameterwerte und Submodelle ist im Allgemeinen in freien Wirbelschichten gr{\"o}ßer und deutlicher voneinander abgrenzbar als in den Wirbelschichten mit den Str{\"o}mungswiderst{\"a}nden. Deren Einfluss ist aufgrund ihrer dichten Anordnung dominierend. Von den untersuchten Gr{\"o}ßen stellt die Impulsaustauschfunktion den bedeutendsten Faktor zur ad{\"a}quaten Beschreibung der Hydrodynamik der Wirbelschicht dar. F{\"u}r die Untersuchung der W{\"a}rme{\"u}bertragung in Braunkohlewirbelschichten werden verschiedene Ans{\"a}tze zur Modellierung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten von Gas- und Feststoffphase betrachtet. Neben einem Standardmodell f{\"u}r die Wirbelschicht geh{\"o}ren dazu ebenfalls zwei unterschiedliche Methoden zur Einbeziehung von Effekten, die in unmittelbarer N{\"a}he eingetauchter Oberfl{\"a}chen zu beachten sind und die lokale W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Gas-Partikel-Suspension beeinflussen. Die Simulationen mit den genannten Modellen zur Beschreibung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten werden mittels globaler und lokaler Mittelwerte der sich ergebenden W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten an einem eingetauchten, horizontalen Einzelrohr miteinander und den experimentell gewonnenen Daten verglichen. Zus{\"a}tzlich erfolgt eine Variation der Leerrohrgeschwindigkeit sowie eine getrennte Diskussion der gas- und partikelkonvektiven Anteile. Die Resultate zeigen, dass ein W{\"a}rmeleitungsansatz in der N{\"a}he einer {\"U}bertragerfl{\"a}che zu deutlich niedrigeren W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten als die anderen beiden f{\"u}hrt, da er dort f{\"u}r die Feststoffphase geringere W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten annimmt. Weiterhin kann in den Simulationen unabh{\"a}ngig von Partikeldurchmesser und Geschwindigkeit ein starker Abfall der erzielten W{\"a}rme{\"u}bertragung im Bereich der Rohrflanken beobachtet werden, welcher die gr{\"o}ßte qualitative Abweichung zwischen den Daten aus den Simulationen und Experimenten darstellt. In einer Diskussion werden die Gr{\"u}nde f{\"u}r diese Diskrepanz beleuchtet.}, subject = {Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; Hydrodynamik; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Hydrodynamik; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Blasenbildende Wirbelschicht; Braunkohle; Numerische Str{\"o}mungssimulation; Hydrodynamics; Heat transfer; Bubbling fluidized bed; Lignite; Numerical simulation}, language = {de} } @phdthesis{Nimtz2016, author = {Nimtz, Michael}, title = {Modellierung des Pipelinetransportes von CO₂-reichen Fluiden}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38937}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Transport von CO₂ aus energietechnischen Anlagen untersucht. Zun{\"a}chst werden die physikalischen und technischen Randbedingungen erl{\"a}utert, welche ein Transportsystem beeinflussen und beschr{\"a}nken, insbesondere werden die Einfl{\"u}sse der thermo-dynamischen Fluideigenschaften von CO₂ und CO₂-Gemischen auf die Transportprozesse analysiert. Des Weiteren er{\"o}rtert die Arbeit die Besonderheiten, die bei der Auslegung und dem Betrieb von CO₂-Pipelines (im Gegensatz beispielsweise zu Erdgaspipelines) auftreten. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation zweier potentieller Pipeline-transportsysteme, welche CO₂ vom Kraftwerksstandort J{\"a}nschwalde in der Lausitz a) zu einem CO₂-Hub im Hafen von Rotterdam und b) zu einem Offshore-Aquifer unter der Nordsee transportieren. Anhand dieser konkreten Fallbeispiele werden die Auslegung des Transportsystems dargestellt und die statischen und die dynamischen Betriebskennlinien der Pipelines und des Injektionsbrunnens aufgenommen und hinsichtlich der Auswirkungen auf den Betrieb unter flexiblen Lastbedingungen untersucht. Die Modellierung der Pipelines wird mithilfe der Modellierungs- und Simulationssoftware OLGA Dynamic Multiphase Flow Simulator von Schlumberger umgesetzt. Die Validierung der genutzten Submodelle der Software erfolgt {\"u}ber die Simulation historischer Lastf{\"a}lle der Canyon-Reef-Carrier-Pipeline in Texas und der CO₂-Injektionspilotanlage Ketzin westlich von Potsdam. Die Hauptmodelle umfassen a) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum {\"U}bergabepunkt am CO₂-Hub in Rotterdam bzw. b) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Meeresgrund sowie den Injektionsbrunnen und ein Modell des Aquiferspeichers. Es ist mit den Modellen m{\"o}glich, die thermo-fluiddynamischen Prozesse des CO₂ in der Rohrleitung sowie im Injektionsbrunnen bis zum Speicher nachzubilden. Es wurden insgesamt 66 Szenarien simuliert und ausgewertet. Die simulierten Szenarien umfassen statische Kennlinien bei konstanter Last, definierte Lastzyklen mit Spr{\"u}ngen konstanter H{\"o}he, reale Lastg{\"a}nge auf Basis historischer Kraftwerksmessdaten sowie typische Betriebsabl{\"a}ufe wie An- und Abfahren der Pipeline, Absperrung einzelner Abschnitte der Pipeline bis hin zu den Auswirkungen eines Risses in der Pipelinewand. Zu den wesentlichen Ergebnissen der Simulationen z{\"a}hlen die auftretenden Druckverl{\"a}ufe, W{\"a}rme-{\"u}bergangs- und W{\"a}rmespeichervorg{\"a}nge sowie das dynamische Verhalten bei wechselnden Lastbedingungen. Ausgehend von den Simulationsergebnissen werden die Pipelinesysteme charakterisiert und die dynamischen Prozesse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Betriebsabl{\"a}ufe und Auslegungskriterien untersucht. Es kann gezeigt werden, dass Pipelines f{\"u}r die gestellte Transportaufgabe geeignet sind und mit einem gewissen Maß an Prozess{\"u}berwachung und -regelung auch dauerhaft sicher betrieben werden k{\"o}nnen. Problematische Prozessverl{\"a}ufe werden eingehend diskutiert und Regelstrategien aufgezeigt, welche einen Betrieb der Pipelines sicherstellen k{\"o}nnen.}, subject = {Pipelinetransport; CCS Kraftwerk; CCS power plant; CO2; Pipeline transport; Kohlendioxid; Pipeline; Transport}, language = {de} } @phdthesis{Missagia2011, author = {Missagia, Bruna}, title = {Agricultural and forestry residues for decentralized energy generation in Brazil}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25180}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2011}, abstract = {Regular electricity access is a key element for the economic development and social welfare of rural areas. Decentralized energy generation has the advantage of using local resources, increasing employment and reducing transmission and distribution losses. Brazil is a tropical country, endowed with vast arable land, plentiful precipitation levels, and a large supply of human labour. Furthermore, it has strong regional distinctions with geographical, cultural and economical differences. Forestry and agriculture, important activities in the Brazilian economy, are dependent on local people and are deeply connected to traditions, nature and culture. Furthermore, these activities generate a significant amount of residues that could be used in conversion technologies for biomass, based on type, availability and market demand. When biomass were used to generate energy locally, community members could have business opportunities, improving local economy and life quality of individuals while diversifying the Brazilian energy matrix, which is mostly based on hydropower. Alternatives for implementing small-scale decentralized biomass schemes are dependent on the screening of the existing biomass supply chains, the implementation of adapted technologies for local conditions and the exploration of local resources. The present research carried out a detailed field work in order to evaluate the potential of Brazilian biomass in different regions. The author identified crucial needs, usual constraints and possible challenges of rural electrification and economic development in Brazil. Several case studies and social groups were investigated in the Federal States of Minas Gerais, S{\~a}o Paulo and Par{\´a} to identify different resource management strategies, which biomass technology was applied and the needs of the local population. It was concluded that the compaction of biomass to generate solid biofuels with uniform properties could be a cost-effective alternative for communities taking advantage of the resources available in the region to produce energy. Nevertheless, each case has to be considered on its own. It was concluded that energy supply and consumption should be addressed through integrated research. Scientific research should be focused on technological solutions for improving living standards and socio-economic development in rural areas. The implementation of new regulatory arrangements and a constant revision of the Brazilian energy policies are crucial for encouraging a national industry for renewables. It was also concluded that the cultural, geographical and socio-economic discrepancies of Brazil could involve challenges for the implementation of future projects, even when their development would provide benefits for Brazil as a whole.}, subject = {Brasilien; Biomasse; Bioenergieerzeugung; Dezentralisation; Feste Biomasse; Dezentralisierte Energieerzeugung; Brasilien; Biomass residues; Forestry; Agriculture; Decentralized energy generation; Brazil}, language = {en} } @phdthesis{CorreadaSilva2013, author = {Corr{\^e}a da Silva, Rodrigo}, title = {Investigation of pulverized, pre-dried lignite combustion under oxy-fired conditions in a large-scale laboratory furnace}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27489}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {The oxy-fuel combustion process with subsequent CO2 storage has received attention as a promising technology for capturing CO2 from fossil fuel power plants. Recent progress in understanding pulverized coal combustion under oxy-fired conditions is attributable in part to studies performed at laboratory bench-scale. Previous investigations have underlined some significant differences between conventional air-fired and oxy-fired combustion with regard to temperature, heat flux distribution, and pollutant emissions. While most studies provide information on the impacts of O2 concentration in the feed gas, the impact of burner configuration and operating settings on oxy-coal combustion have been investigated by only a handful of studies. The present study addresses the impact of oxy-fired conditions on the chemistry and dynamics of pulverized coal flames generated by a staged feed-gas burner operating with pre-dried lignite. Investigations were carried out in a newly constructed test facility where the combustion takes place in a horizontal up-fired furnace with a rated capacity of 0.40 MWth. Since the focus of this work is on adapting oxy-fuel combustion techniques to existing furnaces, great emphasis is placed on maintaining flame temperatures and heat transfer similar to that of conventional air combustion. The strategy adopted to investigate the impacts of burner settings is divided into theoretical and experimental investigations. In the theoretical study, the combustion-related parameters are calculated based on thermodynamic balances and act as a background for the definition of some important operating settings. Non-reacting flow simulations which include the burner and part of the furnace are performed using a CFD commercial code aimed at a qualitative evaluation of feed gas distribution and swirl strength on the flow pattern formed in the near burner region. These predictions assist in the interpretation of the experimental data and in the calculation of the swirl number at the exit of the burner. During the experimental investigations, the characteristics of diffusion flames were first investigated in a parametric study to evaluate the impact of secondary swirl numbers at three levels and secondary/tertiary flow ratios on the overall combustion performance. The second part of the test program involved detailed in-flame measurements for selected flames. Measurements of local gas temperature, gas species concentrations, and radiative heat flux were performed with standard water-cooled probes with special focus on the near burner region. Theoretical and experimental studies are also carried out under air-fired conditions and used as a benchmark throughout this study. The overall O2 fraction upstream of the burner was kept at 31 vol\% and was defined with basis on a similar adiabatic flame temperature as air-firing. Flame stabilization was shown to be strongly dependent on the O2 fraction of the primary stream, feed gas distribution between the secondary and tertiary registers, and strength of the secondary swirl. Type-1 flames operating at a stoichiometric ratio of 1.17 were generated under air-fired and oxy-fired conditions and investigated in detail. Detailed flow pattern and flame structure studies show evidence of radial flame stratification consistent with gradual O2 admixing to the central fuel jet. Increasing the swirl number and the secondary/tertiary flow ratio enhances the mixing of coal particles and increases the temperatures close to burner. Much lower temperatures on the flame axis are observed under oxy-fired conditions. In the same region, higher CO concentrations were also observed, possibly as a result of CO2 dissociation and/or gasification reactions by water vapor and CO2 which contribute to lower temperatures. Very low CO concentration at the furnace exit and high particle burnout indicate that oxy-fired conditions are not an obstacle to achieving a high combustion efficiency for type-1 flames. Although SO2 concentrations were higher under oxy-fired conditions, the emission rates were very similar, indicating that SO2 emissions are exclusively dependent on the sulfur content of the coal. Experimental data obtained from the parametric study and in-flame measurements suggest great potential for NO abatement through flame aerodynamics for oxy-coal combustion. The experiments demonstrate that feed gas staging in a burner is an effective technique for improving the flame stratification in fuel-rich and fuel-lean zones. In particular, a combination of high swirl and high secondary/tertiary flow ratio results in significant NO reduction.}, subject = {Kohlenstaubbrenner; Oxyfuel-Verfahren; Oxyfuel; Verbrennung; Trockenbraunkohle; Brenner; Staubfeuerung; Oxy-fuel; Lignite; Coal; Burner; Combustion}, language = {en} } @phdthesis{Asegehegn2011, author = {Asegehegn, Teklay Weldeabzgi}, title = {Investigation of bubble hydrodynamics in gas-solid fluidized beds containing immersed horizontal tube banks for lignite drying application}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23578}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2011}, abstract = {In bubbling fluidized beds, bubble characteristics such as size, shape and velocity have a vital influence on the hydrodynamics of the bed and hence on its performance as a chemical reactor and/or a heat exchange unit. In many industrial applications such as lignite dryer heat transfer tubes are usually inserted to enhance the rate of heat and mass transfer and chemical conversion. However, their presence strongly influences the bubbling behavior of the beds. Therefore, reliable design and scale-up of these systems come only after fundamental understanding of the bubbling behavior is achieved. Therefore, in this research work the influences of tube bank geometries and particle size on bubble characteristics were thoroughly investigated. In this research work, both numerical and experimental studies were employed. For the experimental measurements, a new nonintrusive digital image analysis technique was developed. The technique allowed for the simultaneous measurements of bed expansion and various bubble properties. An in-house software was developed to fully automate the image acquisition and data processing procedure. For the numerical studies, the Eulerian-Eulerian two-fluid model based on the kinetic theory of granular flow was used. Though, this CFD model has been considered as a fundamental tool for modeling gas-solid fluidized beds, its quantitative validation remains insufficient for a wide range of reactor geometries and operating conditions. Therefore, in this work validation of the model using experimental measurements of bed expansion and bubble properties obtained from a pseudo-two-dimensional fluidized bed was performed. The influence of two-dimensional simulations and different modeling parameters such as the friction packing limit, drag model and solid-wall boundary conditions were investigated. The two-fluid model generally showed reasonable agreement with the experimental measurements of pressure drop, bed expansion and bubble properties in bubbling regime. However, as the gas superficial velocity is increased and the bed moved towards slugging and turbulent regimes a big deviation arose and the two-fluid model failed to predict reasonably the fluidized bed hydrodynamics for the freely bubbling bed. The mean bubble properties predicted by two-dimensional simulations were in reasonable agreement with experiments at lower superficial velocities. They deviated at higher bed height and this was more pronounced at higher gas superficial velocities. The results from three-dimensional simulations were in better agreement with the experimental measurements; however, the computational effort need was very high making them impractical for parametric studies and sensitivity analyses. It was also showed that the choice of friction packing limits, drag laws and specularity coefficients have little influence on the bubble properties. For a bubbling bed, both experimental measurements and numerical simulations showed that inserting horizontal tube banks had either no or marginal influence on the static bed pressure drop and bed expansion. On the other hand, bubble hydrodynamics were strongly influenced and controlled by the geometry of the immersed tubes. In freely bubbling fluidized beds bubble size as well as rise velocity increased with bed height and superficial velocity. In beds with immersed tubes, such general trends were completely disturbed. Tubes appeared to restrict rapidly growing bubbles. As a result the mean bubble diameter and rise velocity were lower in the vicinity of the tube banks than in the freely bubbling bed. Results from different particle sizes showed that in a freely bubbling bed increasing the mean particle size increased the bubble diameter and rise velocity as well as bed expansion. In fluidized beds with dense horizontal tubes on the other hand, the mean bubble properties were almost independent of the particle sizes.}, subject = {Wirbelschicht; Blase; Hydrodynamik; Zweiphasenstr{\"o}mung; Bildanalyse; Wirbelschicht; Blasenhydrodynamik; Eingetauchte horizontale Rohre; Two-Fluid Model; Automatisierte Bildanalyse; Fluidized Beds; Bubble Hydrodynamics; Immersed Horizontal Tubes; Two-Fluid Model; Digital Image Analysis Technique}, language = {en} } @phdthesis{Lisk2013, author = {Lisk, Alexander}, title = {Korrosions- und Aufkohlungsprozesse von Dampferzeugerwerkstoffen unter Ber{\"u}cksichtigung der Aschedepositionen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29341}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden Dampferzeuger-Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1 bis 12 Ma.-\% hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens unter konventionellen und Oxyfuel-Betriebsbedingungen untersucht. Dabei stand neben der Gasphasenkorrosion auch die Korrosion unter Beteiligung von Aschedepositionen im Fokus der Untersuchungen. Die Auslagerung der Werkstoffe erfolgte durch eine kombinierte Versuchsanordnung aus Technikumanlage und einem eigens errichteten Labor-Korrosionsversuchsstand, wobei eine Gesamtauslagerungsdauer von 1.110 Stunden realisiert wurde. Dabei konnte das in der Technikumanlage begonnene Schichtwachstum im Labor-Korrosionsversuchsstand erfolgreich weitergef{\"u}hrt werden. Mit Hilfe der kombinierten Versuchsanordnung, insbesondere des Labor-Korrosionsversuchsstandes, konnten reale Betriebsbedingungen erfolgreich simuliert werden. Nach erfolgter Auslagerung in der Feuerungsanlage zeigten die Proben beginnende Korrosionserscheinungen an den Werkstoffoberfl{\"a}chen. Die Untersuchungsergebnisse der einzelnen Werkstoffproben hinsichtlich des Korrosionsverhaltens ließen jedoch kaum Unterschiede zwischen h{\"o}her und niedrig legierten Werkstoffen erkennen. Wie bei anderen Autoren konnte nur am Werkstoff mit 9-12 Ma.-\% Chromgehalt (Werkstoff VM12SHC) Aufkohlung festgestellt werden. Dabei hat die Aufkohlungstiefe gegen{\"u}ber den Proben nach 110 Stunden Auslagerungszeit unter allen Betriebsbedingungen zugenommen. Die werkstofftechnischen Analysen nach der Auslagerung im Labor-Korrosionsversuchsstand zeigte eine deutliche Abnahme großer Poren in den Oxidschichten. Die Anwesenheit von Aschedepositionen f{\"u}hrt zur Ausbildung dickerer Oxidschichten. Ursache sind Reaktionen zwischen den gebildeten Oxidschichten und den angelagerten Aschepartikeln unter Ausbildung einer Reaktionsschicht. Die bei steigendem Chromgehalt in den Werkstoffen zu erwartende Abnahme der Korrosionsaktivit{\"a}t durch die Bildung einer sch{\"u}tzenden Eisen-Chrom-Spinellschicht ist aufgrund der geringen Auslagerungstemperatur von 490°C nicht eingetreten. Mit Hilfe der in dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Temperaturen (T = 490°C) auch f{\"u}r Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1-6 Ma.-\% Chrom konstante parabolische Wachstumsraten auftreten. Es konnten keine Vorteile im Hinblick auf geringere Korrosionsraten analysiert werden. Inwiefern die Werkstoffe bei der Temperatur von 490°C auch ein anormales Oxidationsverhalten aufweisen, k{\"o}nnte im Rahmen einer separaten Arbeit erforscht werden. Sowohl die berechneten als auch die gemessenen Abzehrungsraten an den untersuchten Werkstoffen liegen {\"u}ber den zu erwartenden, normalbedingten Abzehrungsraten, sind jedoch als nicht kritisch einzustufen. F{\"u}r die realisierten Auslagerungsbedingungen (T = 490°C, p = 1 bar) ist unter Oxyfuel-Bedingungen, sowohl mit als auch ohne Aschedepositionen, keine erh{\"o}hte Korrosion feststellbar. Die ermittelten parabolischen Wachstumskonstanten weisen die gleiche Gr{\"o}ßenordnung wie die in der Literatur verf{\"u}gbaren parabolischen Wachstumsraten auf. Dementsprechend befanden sich die untersuchten Korrosionsprozesse sich noch nicht in einem Langzeitgleichgewicht. Die untersuchten Werkstoffe wurden im Hinblick auf ihre Korrosionsbest{\"a}ndigkeit anhand der Untersuchungsergebnisse eingestuft. Dar{\"u}ber hinaus erfolgte unter Ber{\"u}cksichtigung der Beschaffungskosten f{\"u}r die untersuchten Werkstoffe eine Erweiterung in Form eines kommerziellen Rankings. Die Werkstoffe 13CrMo4-5 und 16Mo3 weisen das beste Preis- / Leistungsverh{\"a}ltnis auf. Diese Werkstoffe k{\"o}nnen unter den realisierten Bedingungen ohne Einschr{\"a}nkungen hinsichtlich der Lebensdauer und der Kosten eingesetzt werden. Der Werkstoff 10CrMo9-10 weist teilweise h{\"o}here Korrosionsraten als die Werkstoffe 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC auf, ist jedoch deutlich kosteng{\"u}nstiger zu beschaffen. Deshalb erfolgt im kommerziellen Ranking die Einordnung des Werkstoffes 10CrMo9-10 vor den Werkstoffen 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC.}, subject = {Dampferzeuger; Werkstoff; Oxyfuel-Verfahren; Asche; Korrosion; Werkstoffe; Korrosion; Hochtemperaturkorrosion; Oxyfuel; Asche; Materials; Corrosion; High Temperature Corrosion; Oxyfuel; Ash}, language = {de} } @phdthesis{Warnecke2009, author = {Warnecke, Martin}, title = {Optimierung der Instandhaltungsplanung mit genetischen Algorithmen unter Ber{\"u}cksichtigung des Speicherverhaltens bei der Verf{\"u}gbarkeitsprognose von Kraftwerksanlagen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5961}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2009}, abstract = {In Zeiten des liberalisierten Strommarktes muss sich der Kraftwerkserrichter und -betreiber die Wahl seiner Prim{\"a}renergie und die Auslegung jedes einzelnen Kraftwerks hinsichtlich Emissionen und last but not least die Errichtungs- und sp{\"a}teren Betriebskosten genau {\"u}berlegen. Simulationen unter der Annahme verschiedener Szenarien sind bei diesem Marktumfeld zwingend erforderlich. Das Spannungsfeld zwischen Errichtungskosten, davon teilweise abh{\"a}ngiger Verf{\"u}gbarkeit, Instandhaltungsphilosophie und Betriebskosten bildet die Motivation f{\"u}r die Instandhaltungsoptimierung und Simulationen zur Verf{\"u}gbarkeitsprognose, die Thema dieser Arbeit sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Planung der zeitbezogenen Instandhaltungsstrategie, bei der die Inspektion der Komponente nach einer vorgeschriebenen Zeitspanne erfolgt, die sich aus den Betriebs- und Herstellererfahrungen ableitet. Diese Problemstellung ist besonders anspruchsvoll, weil es durch Synergieeffekte zu starken Wechselwirkungen der Komponenten untereinander kommt. So besitzt jede Komponente ihre eigene theoretisch optimale Inspektionsperiode, im Verbund kann es jedoch sein, dass es wegen Freischaltungen oder Stillstandszeiten g{\"u}nstiger ist, einige Komponenten gemeinsam instandzuhalten und dabei eine einzelne Baugruppe vorzuziehen oder zur{\"u}ckzustellen. Die hieraus entstehenden Wechselwirkungen bilden eine nichtlineare, gemischt-ganzzahlige Berechnungsvorschrift f{\"u}r die Kostenabsch{\"a}tzung. F{\"u}r die Optimierung dieser Instandhaltungsplanung wurde in der vorliegenden Arbeit ein neuer Ansatz entwickelt. Nachdem festgestellt wurde, dass klassische Optimierungsverfahren dieses Problem der Instandhaltungsoptimierung nicht zufriedenstellend l{\"o}sen k{\"o}nnen, wurde eine L{\"o}sung auf Basis von „Genetischen Algorithmen" entwickelt. Gleichzeitig zur Instandhaltungsoptimierung wurde aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten am Lehrstuhl die Methodik der Verf{\"u}gbarkeitsprognose komplexer kraftwerkstechnischer Anlagen weiterentwickelt und um die neue Komponente "Speicher" (ggf. mit Verlusten) erweitert. Mit dem Speichermodell wird die Verhaltensweise eines Speichers in die aufwandsreduzierte Monte-Carlo-Methode integriert.}, subject = {Kraftwerk; Instandhaltung; Optimierung; Instandhaltung; Genetische Algorithmen; Verf{\"u}gbarkeit; Monte-Carlo-Methode; Kraftwerk; Maintenance; Genetic algorithms; Availability; Monte-Carlo-Method; Power plant}, language = {de} } @phdthesis{Wiedemann2019, author = {Wiedemann, Philipp}, title = {Modellierung und numerische Simulation der konvektiven Trocknung von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48439}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Str{\"o}mung, W{\"a}rme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird das Euler-Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltens der Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend von einem {\"U}berblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Str{\"o}mungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert. Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis f{\"u}r die sp{\"a}tere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zun{\"a}chst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, str{\"o}mungstechnischen Ver{\"a}nderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Str{\"o}mungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverl{\"a}ufe mehrerer Chargen f{\"u}r verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet. In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich str{\"o}mungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivit{\"a}tsanalysen zu den Einfl{\"u}ssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsph{\"a}rizit{\"a}t und der Randbedingungen f{\"u}r Beh{\"a}lterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Str{\"o}mungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend und geben die beobachteten Ver{\"a}nderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder. Ursachen f{\"u}r bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet. Hierzu werden W{\"a}rme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells ber{\"u}cksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einfl{\"u}sse der Sph{\"a}rizit{\"a}t und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der W{\"a}rme- und Stoff{\"u}bergangskoeffizienten werden untersucht. F{\"u}r den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorw{\"a}rtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverl{\"a}ufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden k{\"o}nnen. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverl{\"a}ufe bei niedrigen bis m{\"a}ßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverl{\"a}ssig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.}, subject = {Numerische Str{\"o}mungssimulation; Wirbelschicht; Trocknung; Braunkohle; Two Fluid Model; Computational fluid dynamics; Fluidized bed; Drying; Lignite; Two Fluid Model; Braunkohle; Konvektionstrocknung; Wirbelschichtverfahren; Numerische Str{\"o}mungssimulation}, language = {de} } @misc{Lenivova2020, type = {Master Thesis}, author = {Lenivova, Veronika}, title = {The potential role of Power-to-Gas in the Russian-European energy system}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52211}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2020}, abstract = {The modern world is currently facing the energy revolution due to the decarbonisation challenges, promoted by the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). The well-established fossil fuel energy sources are being pushed from their leading market positions by renewable energy. European governments are some of the first to take decisive action towards decarbonisation and have already started reforming their economic sectors. New questions arising from such changes are influencing the role of Russia in supplying energy to the European market. The development of a market for renewable gas, especially renewable hydrogen in Europe, could potentially, in a long-term scenario up to 2050, be an option for Russia to help maintain demand and remain in the role as a main exporter. The focus of this master thesis is put on the assessment of the current state of readiness of Russian and European energy systems for integration of Power-to-Gas (PtG) systems and for development of a carbon-free hydrogen market. German internal green hydrogen production capacity cannot meet the approximate demand in 2030 and 2050. However, the presence of the unutilised power capacity from Russian nuclear and hydro power plants opens a new opportunity to generate economically attractive hydrogen in large volumes via electrolysis with low electricity costs and zero carbon dioxide footprint. In this thesis different supply chains for hydrogen export (Russia-Germany) are constructed and, as a result, the levelised costs of hydrogen (LCOH) are calculated and analysed. Hydrogen produced in Russia and transported to Germany via maritime shipment shows that it can already be competitive to the domestically produced green hydrogen in Germany. The main compartment of the LCOH is the electricity expenditure, which the current Russian industrial tariffs can reach up to 90\% of the total costs. Further reductions of the electricity price for PtG systems are recommended in order to achieve lower results for the LCOH. The outcome of this master thesis provides an overview on the current readiness of Russian and German hydrogen infrastructure and further recommendations on how it should be adapted. Finally a 2050 roadmap for the implementation of a hydrogen market in Russia and Germany is developed.}, subject = {Decarbonisation; Hydrogen economy; Green hydrogen; Yellow hydrogen; Power-to-gas; Russian-European energy system; Dekarbonisierung; Wasserstoffwirtschaft; Gr{\"u}ner Wasserstoff; Russisch-Europ{\"a}isches Energiesystem; Europa; Russland; Power-to-Gas; Energieversorgung}, language = {en} } @phdthesis{Lechner2012, author = {Lechner, Stefan}, title = {Untersuchungen zur Berechnung und Optimierung des W{\"a}rme{\"u}bergangs bei der Dampfwirbelschicht-Trocknung am Beispiel von Lausitzer Braunkohlen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27120}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Die vorliegende Arbeit behandelt den W{\"a}rme{\"u}bergang in Wirbelschichten mit horizontalen W{\"a}rmetauscherfl{\"a}chen in Form von Einzelrohren oder Rohrb{\"u}ndeln. Die zugrunde liegende Anwendung ist die (Druckaufgeladene) Dampfwirbelschicht-Trocknung von Braunkohle, welche auf eine Korngr{\"o}ße von 0-2 mm aufgemahlen ist ("Feinkorn", Sauterdurchmesser < 85 Mikrometer), was den Anforderungen von Staubbrennern im Kraftwerk gen{\"u}gt. In diesen Wirbelschichten dominiert deutlich der partikelkonvektive W{\"a}rme{\"u}bergangsmechanismus. Die verschiedenen (D)DWT- und andere Trocknungsverfahren werden verglichen und anhand von Energieeffizienz und großtechnischer Anwendbarkeit bewertet. Derzeit existieren in der Literatur große Unsicherheiten und Widerspr{\"u}che bez{\"u}glich der Vorhersage des W{\"a}rme{\"u}bergangs bei unterschiedlichen Einzelrohr- und Rohrb{\"u}ndelgeometrien. Untersuchungsbereiche in der Arbeit sind die W{\"a}rmetauschergeometrie, der Einfluss von Korngr{\"o}ßenverteilung und beheizten Nachbarrohren im Rohrb{\"u}ndel sowie die Effekte der Anwesenheit und gleichzeitigen Verdampfung von Wasser. Die Vorhersageg{\"u}te der anerkannten Theorien von Martin und Molerus/Dietz wird anhand des (D)DWT-Verfahrens bez{\"u}glich des W{\"a}rme{\"u}bergangs vom Heizrohr in die Wirbelschicht {\"u}berpr{\"u}ft. Dabei stellt sich die Verwendung des Martindurchmessers zur Beschreibung des stark polydispersen Wirbelgutes als geeignet heraus. Das zus{\"a}tzlich eingef{\"u}hrte 40-my-Kriterium wurde als geeigneter Standard zum Vergleich von feink{\"o}rnig aufgemahlenen Braunkohlen unterschiedlicher Herkunft identifiziert. Die Auswirkungen des Rohrdurchmessers auf den W{\"a}rme{\"u}bergang wurden {\"u}ber den weiten Bereich von 12 - 200 mm untersucht und in die Theorie implementiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung unterschiedlicher Rohrb{\"u}ndelgeometrien, insbesondere mit versetzter Rohranordnung, zur Herleitung eines auf geometrischen dimensionslosen Kennzahlen basierenden Rohrb{\"u}ndelfaktors, welcher die Reduktion des W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten am Rohrb{\"u}ndel im Vergleich zum Einzelrohr vorhersagt. Die verwendeten Rohrb{\"u}ndel umfassten Rohrdurchmesser von 12 - 35 mm und Rohrteilungen von 1,5 bis 4,0. Die gefundenen Haupteinflussgr{\"o}ßen auf den Rohrb{\"u}ndelfaktor sind die horizontale und diagonale Teilung sowie der kleinste freie Rohrabstand zwischen den Rohren. Wichtige Randeffekte wurden ebenfalls betrachtet und diskutiert. Erg{\"a}nzend wurden die Rohrb{\"u}ndelgeometrien anhand des spezifischen, volumenbezogenen W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten verglichen. In der Arbeit konnten relativ pr{\"a}zise und detaillierte Auslegungsgrundlagen f{\"u}r die Konstruktion von Rohrb{\"u}ndelw{\"a}rmetauschern in Wirbelschichten erarbeitet werden. Diese umfassen den Anwendungsfall der (D)DWT, sind aber auch auf andere Feinkornwirbelschichten {\"u}bertragbar.}, subject = {Lausitz; Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Wirbelschicht; Wirbelschichttrocknung; Braunkohletrocknung; W{\"a}rme{\"u}bergang; Rohrb{\"u}ndel; Fluidized bed; Fluidized bed drying; Lignite drying; Heat transfer; Tube bundle}, language = {de} } @phdthesis{Rochlitz2008, author = {Rochlitz, Lisbeth}, title = {Development, investigation and modelling of a micro reformer as part of a system for off-grid power supply with PEM fuel cells}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5900}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2008}, abstract = {In this thesis a micro reformer fuel cell system (µRFCS) for 300 Wel off-grid power supply, fuelled with bioethanol, was simulated, designed, developed and investigated in a test-rig. First a literature study was carried through to point out the specific characteristics of micro reforming, the most important being heat transfer, and present the systems currently under research and already on the market. As a next step, the processes of the RFCS were simulated with the commercial simulation tool CHEMCAD. This comprised thermodynamic equilibrium simulations for the separate reactions of steam reforming, water gas shift and selective methanation. It also included a simulation of the complete µRFCS with thermodynamic equilibrium for all reactors and assumed values for heat loss and fuel cell efficiency. The resulting net electrical efficiency was 24\%. As a third step, a reaction pathway scheme with parallel and serial reactions for the steam reforming reaction of ethanol was simulated, developed, evaluated and proven plausible by matching the simulation to experimental results obtained in the µRFCS test rig. The equilibrium simulations were used to evaluate the catalyst screening carried through for reformer, water gas shift and selective methanation catalysts. The catalysts for the µRFCS were chosen and the optimum operating conditions determined by the screening tests. Having accomplished the simulation and design of the system, the largest proportion of this work was spent on the construction, set-up, testing and evaluation of the complete µRFCS. The focus for the evaluations lay on the reformer side of the system. The technical feasibility was demonstrated for an ethanol/water mix of 3 ml/min at S/C 3. The first tests without optimized heat and water management between the reformer system and the fuel cell system resulted in power output of around 115 Wel, at a total electrical efficiency of 31\%.}, subject = {Brennstoffzelle; Stromversorgungseinheit; Bioethanol; Dampfreformierung; Mikroreformer Brennstoffzellen System; Netzferne Stromversorgung; Bioethanol; Steam reforming; Micro reformer fuel cell system; Off-grid power supply}, language = {en} } @phdthesis{Ojong2018, author = {Ojong, Emile Tabu}, title = {Characterization of the performance of PEM water electrolysis cells operating with and without flow channels, based on experimentally validated semi-empirical coupled-physics models}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46504}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2018}, abstract = {PEM water electrolysis is a clean technology for hydrogen production. In spite of its many advantages, the costs of the conventional PEM electrolysis cell makes it commercially less competitive vis-{\`a}-vis its peers. An alternative cell design has been proposed which has up to a 25 \% costs advantage over the conventional cell. In this alternative cell design, the flow channel plate which bears the most costs in the conventional cell design has been replaced with a 3-D Porous Transport Layer (PTL) structure. It has however, been observed that the conventional cell by far out performs the low cost cell at high current density operations, due to increased mass transport limitation in the later. Industrial and commercial hydrogen production efforts are focused towards high current density operation (> 3 A/cm²), so the alternative cell design must be optimized for mass transport limitation. PEM water electrolysis is a clean technology for hydrogen production. In spite of its many advantages, the costs of the conventional PEM electrolysis cell makes it commercially less competitive vis-{\`a}-vis its peers. An alternative cell design has been proposed which has up to a 25 \% costs advantage over the conventional cell. In this alternative cell design, the flow channel plate which bears the most costs in the conventional cell design has been replaced with a 3-D Porous Transport Layer (PTL) structure. It has however, been observed that the conventional cell by far out performs the low cost cell at high current density operations, due to increased mass transport limitation in the later. Industrial and commercial hydrogen production efforts are focused towards high current density operation (> 3 A/cm²), so the alternative cell design must be optimized for mass transport limitation. This work seeks to understand the source of, and to eliminate the mass transport losses in the alternative cell design to get it performing at least as good as the conventional cell at current densities up to 5 A/cm². A 2-D non-isothermal semi-empirical fully-coupled models of both cell designs have been developed and experimentally validated. The developed validated models were then used as tools to simulate and predict the best operating conditions, design parameters and micro-structural properties of the PTL at which the mass transport issues in the alternate cell will be at its minimum, at high current densities. The models are based on a multi-physics approach in which thermodynamic, electrochemical, thermal and mass transport sub-models are coupled and solved numerically, to predict the cell polarization and individual overpotentials, as well as address heat and water management issues. The most unique aspect of this work however, is the development of own semi-empirical equations for predicting the mass transport overpotential imposed by the gas phase (bubbles) at high current densities. For the very first time, calculated polarization curves up to 5 A/cm² have been validated by own experimental data. The results show that, the temperature and pressure, water flowrate and thickness of the PTL are the critical parameters for mitigating mass transport limitation. It was found that, for the size of the cells studied (25 cm² active area each), when both cells are operating at the same temperature of 60 °C, alternative design will have a comparable performance to the conventional designed cell even at 5 A/cm² current density when; the operating pressure is ≥ 5 bar, the feed water flowrate is ≥ 0.024l/min∙cm², PTL porosity is 50 \%, PTL pore size is ≥ 11 µm and PTL thickness is 0.5 mm. At these operating, design and micro-structural conditions, the predicted difference between the polarizations of both cells will be only ~10 mV at 5 A/cm² operating current density.}, subject = {PEM Electrolysis; Porous Transport Layer; Mass Transport; Modelling; Experimental Validation; PEM-Elektrolyse; Por{\"o}se Transportschicht; Massentransport; Modellierung; Experimentelle Validierung; Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle; Str{\"o}mungsmechanik; Stoff{\"u}bertragung; Kanalstr{\"o}mung}, language = {en} } @phdthesis{Posselt2019, author = {Posselt, Joachim}, title = {Entwicklung eines Berechnungsmodells zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines Druck-Wirbelschicht-Verdampfungstrockners mit Tauchheizfl{\"a}chen am Beispiel polydisperser Braunkohle}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47062}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizfl{\"a}chen f{\"u}r polydisperse Braunkohle erstellt. Zun{\"a}chst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersit{\"a}t und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) ber{\"u}cksichtigt. Mit Hilfe der f{\"u}r 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 ber{\"u}cksichtigt. (Der {\"U}berdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterf{\"u}hrend 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.}, subject = {Dampfwirbelschicht-Trocknung; Verdampfungstrocknung; Wirbelschicht; Trocknungsmodelle; Asymmetrische Verweilzeitverteilung; Steam fluidized bed drying; Evaporation drying; Fluidized bed; Drying models; Asymmetric residence time distribution; Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; Verweilzeitverteilung}, language = {de} } @phdthesis{Moeller2004, author = {M{\"o}ller, Jochen}, title = {M{\"o}glichkeiten und Grenzen der Nutzung erneuerbarer Energietr{\"a}ger am Beispiel des Landes Brandenburg}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-000000497}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2004}, abstract = {Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines energiewirtschaftlichen Modells, um k{\"u}nftige Entscheidungen zum Ausbau der regenerativen Energietr{\"a}ger nach unterschiedlichen, sich teilweise widersprechenden Kriterien treffen zu k{\"o}nnen. Das Modell ist f{\"u}r die strom- und w{\"a}rmeseitige Energiebereitstellung anwendbar. Neben der Ber{\"u}cksichtigung aller energiewirtschaftlicher Aspekte wurde in den Modellrechnungen jeweils der gesamte Lebenszyklus „life cycle" einer Anlage erfasst. In dem Modell sind Berechnungen sowohl mit frei w{\"a}hlbaren Schwerpunktsetzungen, wie beispielsweise vorhandenes Potenzial, {\"o}kologische Aspekte und Wertsch{\"o}pfung als auch Rechenoperationen ohne jede Wichtung m{\"o}glich. Die Funktionsf{\"a}higkeit des Modells wurde anhand der Kennzahlen f{\"u}r das Land Brandenburg nachgewiesen. Bei den Schlussfolgerungen aus den Modellrechnungen konnten eindeutige Aussagen und Empfehlungen f{\"u}r den k{\"u}nftigen Einsatz der jeweiligen regenerativen Energietr{\"a}ger getroffen werden.}, subject = {Brandenburg; Alternative Energiequelle; Energiemodell; Erneuerbare Energie; Energiewirtschaftliche Bewertung; Potenzial; {\"O}kologie; Wertsch{\"o}pfung}, language = {de} } @phdthesis{Merzsch2019, author = {Merzsch, Matthias}, title = {W{\"a}rme{\"u}bergang und Druckverlust bei der Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Dr{\"u}cken bis 10 bar}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50775}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Dr{\"u}cken bis 10 bar im Hinblick auf das W{\"a}rme{\"u}bertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierf{\"u}r eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits ver{\"o}ffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenstr{\"o}mungen sowie zum W{\"a}rme{\"u}bertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Ph{\"a}nomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgr{\"o}ßen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/M{\"u}ller, Dobson/Chato sowie Huhn gegen{\"u}bergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgr{\"o}ßen - spezifischer Druckverlust und W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdr{\"u}cken zwischen 4…10 bar und Eintrittsgeschwindigkeiten bis 21,5 m/s. Die Entwicklung und die Errichtung der hierzu erforderlichen Versuchsapparatur erfolgten im Rahmen dieser Arbeit. Mit acht geometrisch identischen Doppelrohrw{\"a}rme{\"u}bertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die ben{\"o}tigten lokalen Temperaturinformationen in Abh{\"a}ngigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, K{\"u}hlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchstr{\"o}mter W{\"a}rme{\"u}bertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils f{\"u}nf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 W{\"a}rme{\"u}bergangs- und Druckverlustverl{\"a}ufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrl{\"a}ngskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abh{\"a}ngigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 \%. Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen f{\"u}r den lokalen W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der dar{\"u}ber hinaus durchgef{\"u}hrte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur f{\"u}hrt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle erm{\"o}glichen eine deutlich bessere Vorhersage von W{\"a}rme{\"u}bergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Ph{\"a}nomenologie des Kondensationsprozesses im horizontalen Rohr bleibt eine Extrapolation dennoch mit Risiken verbunden. Die empfohlene Vorgehensweise zur Weiterentwicklung des Wissensstandes auf diesem Gebiet wird im Ausblick der Arbeit gegeben.}, subject = {Kondensation; W{\"a}rme{\"u}bergang; Druckverlust; Wasserdampf; Horizontales Rohr; Condensation; Heat transfer; Pressure loss; Steam; Horizontal pipe; Kondensatorrohr; Wasserdampf; Kondensation; W{\"a}rme{\"u}bergang; Druckabfall}, language = {de} } @phdthesis{Kangwanpongpan2013, author = {Kangwanpongpan, Tanin}, title = {Contribution to CFD modeling of lignite oxy-fuel combustion with special focus on radiation properties}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27597}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {Coal consumption shares approximately 1/3 of a total global primary energy consumption, therefore this will mainly impact to global warming situation in the 21th century. For this reason, the natural resource such as coal should be processed in the most efficient way. Today, we have several combustion technologies to serve this purpose and oxy-fuel combustion is one of efficient method. In oxy-fuel technology, car-bon dioxide (CO2) will be captured in the liquid form for storaging into the ocean or injecting into the rock-sediment underground.CFD is an effective tool to analyse and approximate combustion gas species, temperature and heat transfer properties in oxy-fuel furnace. However, an insight into mathematical models for oxy-coal combustion is still restricted from many unknowns such as devolatilization rate, reaction mechanism of volatile reaction, turbulent gaseous combustion of volatile product, char heterogeneous reaction, radiation properties of gaseous mixture and heat transfer inside combustion chamber and through furnace's wall. Therefore, this dissertation aims to study mathematical modeling of lignite combustion under oxy-fuel conditions and also create new correlations for weighted sum of gray gases (WSGG) model for predictions of radiation properties of oxy-coal gas mixture.}, subject = {Oxyfuel-Verfahren; Numerisches Modell; Numerische Str{\"o}mungssimulation; CFD; Oxyfuel-Verbrennung; Strahlungsmodellierung; Braunkohle; CFD; Oxy-fuel combustion; Radiation modeling; Lignite}, language = {en} } @phdthesis{Klatt2007, author = {Klatt, Matthias}, title = {Dynamische Modellbildung als Element von verf{\"u}gbarkeits- und prozeßorientierten Untersuchungen komplexer kraftwerkstechnischer Systeme}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4282}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2007}, abstract = {Es wurde ein Software-Werkzeug entwickelt, das die Modellierung der Verf{\"u}gbarkeit und des dynamischen Verhaltens von Grosskraftwerksbl{\"o}cken mithilfe einer eigens aufgebauten Komponentenbibliothek erlaubt. Die geforderte grafische Darstellung in Analogie zum Prozessfließbild machte es erforderlich, neue Modellans{\"a}tze f{\"u}r Daten und Informationsfl{\"u}sse zu entwickeln. Der Komponentenumfang eines Kraftwerksblockes mit den wichtigsten Komponenten machte es dabei erforderlich, blockorientierte Modellierungsans{\"a}tze auf der Basis konzentrierter und verteilter konzentrierter Parameter anzuwenden.}, subject = {Dampfkraftwerk; Modellierung; Kraftwerk; Dynamisches Verhalten; Prozessmodell; Prozesssimulation; Power plant; Dynamic behaviour; Process modelling; Process simulation}, language = {de} } @phdthesis{Voigt2021, author = {Voigt, Andr{\´e}}, title = {Simulation zur Ermittlung von Einsatzpotentialen der alkalischen Druckelektrolyse im Hinblick auf die Versorgung wasserstoffbasierter Applikationen im heutigen und zuk{\"u}nftigen Energiesystem}, doi = {10.26127/BTUOpen-6695}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66955}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2021}, abstract = {In einem von erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem spielen Speichertechnologien eine zentrale Rolle. Im Rahmen der deutschen Energiewende entstehen momentan mehrere Demonstrationsprojekte, in welchen regenerativer Strom mittels Wasserelektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert wird und sektoren{\"u}bergreifend Anwendung findet. Zur technischen und {\"o}konomischen Bewertung von Szenarien, welche bereits heute von Relevanz sind, werden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen durchgef{\"u}hrt. Hierf{\"u}r werden mehrere auf regenerativen Energien und Wasserstoff basierende Systempfade mit den Zielapplikationen Wasserstoffbereitstellung f{\"u}r Industrieanwendungen, Wasserstoff-Gasnetzeinspeisung und R{\"u}ckverstromung entworfen. Dar{\"u}ber hinaus wird auch ein zuk{\"u}nftiges Szenario zur saisonalen Stromspeicherung betrachtet. Als Voraussetzung der Simulation werden die in den Systempfaden vorkommenden Komponenten in Matlab/Simulink von Grund auf abgebildet und je nach Zielstellung logisch miteinander verschalten. Die Elektrolyseanlage als zentrale Komponente verf{\"u}gt hierbei {\"u}ber den h{\"o}chsten Detailgrad. Zur Erhebung technischer Kennfelder als auch zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens werden weitreichende Untersuchungen an einem realen Druckelektrolyseur durchgef{\"u}hrt, woraufhin eine Implementierung der erhobenen Daten in das Modell erfolgt. Die Energiebereitstellung in den Simulationen geschieht mittels Windkraft und Photovoltaik, welche direkt oder zur Wasserstoffherstellung genutzt wird. Der Wasserstoff wird je nach Einsatzstrategie weiter verdichtet, einer Speicherl{\"o}sung zugef{\"u}hrt und anschließend r{\"u}ckverstromt. Zur Deckung des Wasserstoffbedarfs bzw. der Stromabnahmeprofile wird eine Sensitivit{\"a}tsanalyse zur Dimensionierung der Systemkomponenten durchgef{\"u}hrt. Der Hauptfokus liegt hierbei auf der Sicherstellung der Versorgungssicherheit. Aufgrund seines Detailgrades schließt das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell die L{\"u}cke zwischen der Komponenten- und der Systemmodellierung. Somit findet es in der zielgerichteten Analyse von realen Wasserstoff-Versorgungspfaden seine Anwendung. Aufbauend auf der technischen Simulation werden die rechtlichen Rahmenbedingungen der Systempfade dargestellt und anhand eines spezifisch angepassten Kostenmodells die Wasserstoff- und Stromgestehungskosten berechnet sowie die Kostenverteilung hinsichtlich der Kostenbestandteile und Komponenten dargestellt. Die Hauptfaktoren der Gestehungskosten liegen in der Strombereitstellung, gefolgt von der Elektrolyse. F{\"u}r die Wasserstoffspeicherung und R{\"u}ckverstromung fallen vergleichsweise geringe Kosten an. Der angesetzte Zinssatz und eventuelle Abgaben haben einen wesentlichen Einfluss auf die Strom- und Wasserstoffkosten. Die H{\"o}he der anfallenden Abgaben ist stark vom Anwendungsfall abh{\"a}ngig und muss f{\"u}r jeden Einzelfall gesondert betrachtet werden. Ein maßgeblicher Entfall von Abgaben liegt bei der Eigenversorgung ohne Leitung durch ein {\"o}ffentliches Netz vor.}, subject = {Alkalische Druck-Elektrolyse; Power-to-Gas; Erneuerbarer Wasserstoff; Systemmodellierung und Simulation; Matlab Simulink; Alkaline pressure electrolysis; Renewable hydrogen; System modeling and simulation; Matlab Simulink; Wasserstoff; Erneuerbare Energien; Elektrolyse; Power-to-Gas; SIMULINK; Systemmodellierung; Simulation}, language = {de} }