TY - THES A1 - Ojong, Emile Tabu T1 - Characterization of the performance of PEM water electrolysis cells operating with and without flow channels, based on experimentally validated semi-empirical coupled-physics models T1 - Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von PEM-Wasser-Elektrolysezellen, die mit und ohne Strömungskanäle arbeiten, basierend auf experimentell validierten semi-empirischen gekoppelten physikalischen Modellen N2 - 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-à-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-à-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. N2 - Die PEM Wasser Elektrolyse gilt als effiziente Technologie zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zur Energiespeicherung. Trotz der vielen Vorteile führen hohe Kosten für die Produktion konventioneller Komponenten und Stacks zu einer nicht konkurrenzfähigen Technologie. Ein alternatives und kostengünstiges Zelldesign wurde vorgestellt, das, verglichen mit einem konventionellen Design, einen Kostenvorteil von bis zu 25 % hervorbringt. Bei diesem alternativen Zelldesign wird die Platte mit Strömungskanälen, die den größten Kostenanteil birgt, durch eine 3-D poröse Struktur (PTL) ersetzt. Bei hohen Stromdichten zeigt aber ein Design ohne Strömungskanäle niedrigere Leistungsdaten, was durch eine gesteigerte Limitierung des Massentransportes erklärt werden kann. Da sich die industrielle und kommerzielle Wasserstoffproduktion in Richtung hoher Stromdichten (> 3 A/cm²) entwickelt, scheint das erforderliche Verständnis von Massentransporteffekten offensichtlich das kosteneffiziente Design gegenüber dem konventionellen Design voran zu treiben. Diese Arbeit versucht den Ursprung von Massentransportlimitierung des kostengünstigen Zelldesigns zu verstehen und zu eliminieren. Um diese Zielvorgabe zu erreichen, wurden 2-D nicht-isotherme, semi-empirische, vollständig gekoppelte Modelle beider Zelldesigns entwickelt und experimentell validiert. Die entwickelten und validierten Modelle wurden als Werkzeug zur Simulation und Vorhersage der am besten geeigneten Betriebs- und Designparameter, sowie Eigenschaften der Mikrostrukur der PTL verwendet. Die hierin entwickelten Modelle basieren auf einem multiphysikalischen Ansatz, worin thermodynamische, elektrische und thermische Effekte sowie Massentransportuntermodelle gekoppelt und gelöst wurden, um sowohl die Zellpolarisation und individuelle Überpotentiale vorherzusagen, als auch Wärme- und Wassermanagement zu adressieren. Das Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit ist jedoch die Entwicklung von semi-empirischen Gleichungen, um die Überpotentiale der Massentransporthemmung, ausgehend von Gasblasen, vorhersagen zu können. Ebenso wurden zum ersten Mal berechnete PEM Wasser Elektrolyse Polarisationskurven bis zu einer Stromdichte von 5 A/cm² mit eigenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur und Druck, sowie Wasserflußrate und Dicke der PTL die kritischen Parameter sind, um Massentransportlimitierung zu vermeiden. Es wurde sogar gezeigt, dass bei der verwendeten Zellgröße (aktive Fläche = 25 cm²) vergleichbare Leistungsdaten bei 60 °C und 5 A/cm² erreicht werden können, sofern der Betriebsdruck 5 bar übersteigt, die Wasserflussrate größer als 0.024 l/min ist, die Porosität der PTL 50 % übersteigt, die Porendurchmesser größer als 11 µm sind und die PTL Dicke bei 0.5 mm liegt. Bei diesen Parametern wurden Unterschiede zwischen den beiden Zelldesigns von etwa 10 mV bei 5 A/cm² vorhergesagt. KW - PEM Electrolysis KW - Porous Transport Layer KW - Mass Transport KW - Modelling KW - Experimental Validation KW - PEM-Elektrolyse KW - Poröse Transportschicht KW - Massentransport KW - Modellierung KW - Experimentelle Validierung KW - Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle KW - Strömungsmechanik KW - Stoffübertragung KW - Kanalströmung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46504 ER - TY - THES A1 - Feiler, Christoph T1 - Experimentelle Untersuchung nicht-axialsymmetrisch konturierter Turbinenplattformen N2 - Bei der Auslegung moderner Turbinenleitstufen wird zur Verringerung der Sekundärströmung und der hierdurch verbesserten Rotorbeaufschlagung eine dreidimensionale und nicht-axialsymmetrische Konturierung der Leitstufenplattform im Passagenbereich erwogen. Ziel ist hierbei die Verringerung des wandnahen Querdruckgradienten in der Passage, wodurch die Ausbildung des Passagenwirbels vermindert werden soll. Die Auslegung der Plattformkontur wird hier nicht behandelt, obgleich die Grundzüge derselben exemplarisch vorgestellt werden. Da die Passagenströmung von sehr komplexer und transitioneller Natur ist, ist eine experimentelle Bestimmung der geforderten Eigenschaften und insbesondere eine Bestimmung der Änderung der Temperaturbelastung der Plattform durch die Konturierung erforderlich. Die experimentelle Bestimmung und Charakterisierung dieser durch die Konturierung bedingten Änderungen stellt den Kernpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Zu diesem Zweck wurden an einem Niedergeschwindigkeitswindkanal Versuche unter Einhaltung der Reynoldsschen Ähnlichkeit und der Wärme-Stoffanalogie durchgeführt, deren Ergebnisse umfassend dargelegt werden. Daneben wird die hierfür teilweise neu entwickelte Messtechnik vorgestellt und die Ergebnisse numerischer Berechnungen präsentiert. Die wesentlichen Merkmale der durch die Konturierung bewirkten Änderungen werden zusammenfassend dargestellt und näher erläutert. Anhand der beobachteten Änderungen werden Vorschläge für künftige Maßnahmen abgeleitet. N2 - In the design of modern Turbine Nozzle guide vanes, three-dimensional non-axisymmetrical contouring of the Nozzle guide vane plattform is being considered in order to reduce the secondary flows entering the adjacent Rotor stage. The goal is the reduction of the tangential pressure gradient close to the plattform in order to reduce the formation of the passage vortex. The design of the contour itself is not being treated, however its fundamentals are being exemplarily shown. As the Passage flow is of a very complex and transitional nature, experimental determination of the obtained effects is necessary. For this purpose, experiments have been conducted on a low-speed wind tunnel obeying Reynolds similarity and Heat-Mass transfer analogy. The obtained results are being presented in detail. Furthermore, the partly newly developed test equipment as well as the results of numerical calculations are being presented. The observations are being summarized and further explained. Based on these observations, suggestions for future steps are being derived. KW - Gasturbine KW - Turbinengitter KW - Sekundärströmung KW - Turbinenleitstufe KW - Wärme-Stoffanalogie KW - Windkanal KW - Naphtalin KW - Ammoniak-Diazoverfahren Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000922 ER - TY - THES A1 - Antoshkiv, Oleksiy T1 - Untersuchung der Zündung in einer neuartigen gestuften Brennkammer T1 - Investigation of ignition performance of a modern staged combustor N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Zündungseigenschaften einer neuartigen Brennkammer untersucht, wobei auch das Magerverlöschverhalten mit in Betracht gezogen wurde. Die Untersuchungen der Zündbarkeit basieren auf den Ergebnissen numerischer Simulationen und anschließenden Auswertungen in einer Zündsubroutine. Die Ergebnisse der Strömungssimulationen sind mit PIV-Messungen experimentell validiert worden, wobei die simulierten Sprayformen durch die ermittelten Mie-Aufnahmen bestätigt wurden. Hochgeschwindigkeitskamera - Aufnahmen wurden zur Validierung der berechneten minimalen Zündenergien verwendet. Die vorgenommenen Korrelationen zwischen den kalkulierten Werten der minimalen Zündenergie sowie den gemessenen AFR-Zündungsdaten eröffnen einen Weg zur Bestimmung der zu erwartenden zündbaren Gemischkonzentrationen in realen Brennkammern aufgrund der simulierten minimalen Zündenergie. Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin eine Parametergewichtung durchgeführt, welche als Grundlage bei der Optimierung ähnlicher Brennkammern dienen kann. N2 - The ignition performance of a modern staged combustor is investigated in this work. For the research of the ignition performance of the combustor a special ignition subroutine was developed, which based on the results of CFD-ACE simulation. The simulation results were validated by the PIV - measurements and by the laser light-sheet method. A high speed camera was used for validation of calculated ignition energy. The correlation between weak extinction and ignition performance was shown. The parameter ranking of all factors influencing ignition was carried out, which is the base for the further parameter optimization of similar combustors. KW - Triebwerk KW - Brennkammer KW - Zündung KW - Triebwerk KW - Brennkammer KW - Zündung KW - Aero engine KW - Combustor KW - Ignition Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-3739 SN - 978-966-603-540-3 N1 - Dissertation ist erschienen im Verlag Svit, Lviv ER - TY - THES A1 - Dückershoff, Roland T1 - Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und in Bereichen lokaler Strömungsablösung N2 - Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen sind in den ersten Stufen in hohem Maße Filmgekühlt, um den sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen zu widerstehen. Gleichzeitig gehen die Bestrebungen dahin, in der einzelnen Stufe mit einer möglichst geringen Anzahl von Turbinenschaufeln die Arbeitsumsetzung zu erhöhen. Infolge dieser Optimierung ergeben sich an der Turbinenschaufeloberfläche zunehmend Gebiete mit verzögerter Hauptströmung, welche mittels Filmkühlung zu kühlen sind. Weiterhin steigt die Gefahr der Strömungsablösung am Turbinenschaufelprofil, deren Interaktion mit der notwendigen Filmkühlung zu klären ist. Zu klären ist, inwiefern die Bauteilkühlung bei lokaler Strömungsablösung mit der Filmkühlung beherrschbar ist. Ziel dieser Arbeit ist die grundlegende Untersuchung und Bewertung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und der Filmkühlung in Bereichen mit lokaler Strömungsablösung. Die Untersuchungen werden für die Filmkühlung aus einer Reihe von Kühlluftbohrungen durchgeführt. Diesbezüglich sind sie im typisch Reynoldszahlbereich der Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen dimensioniert. Da bei der Filmkühlung durch den Kühlluftstrahl, der in die heiße Hauptströmung eintritt, eine stark anisotrope Turbulenzstruktur zu erwarten ist, werden diese grundlegenden Untersuchungen experimentell durchgeführt. Die Versuchsergebnisse können sodann zur Validierung numerischer Strömungslöser herangezogen werden, auch wenn diese die Turbulenz isotrop simulieren. Mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren mit Online-Kalibrierung wird ein hochauflösendes flächiges Messverfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität weiterentwickelt und vorgestellt. Sehr detaillierte Untersuchungen der adiabaten Filmkühleffektivität werden zur Filmkühlung bei verzögerter Hauptströmung und bei lokaler Strömungsablösung wiedergegeben. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch umfangreiche Strömungsfelduntersuchungen mit der 2D- und 3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) und der Hitzdrahtanemometrie. Für die finanzielle Unterstützung zum Aufbau und zur Durchführung der Forschungstätigkeit an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus danke ich dem Land Brandenburg und der Bundesrepublik Deutschland sowie den Firmen Rolls-Royce Deutschland Ltd., MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG und Alstom Schweiz AG (ehemals ABB Kraftwerke). N2 - Turbine blades of gas turbines are currently film-cooled in the first stages in order to resist the very high turbine inlet temperatures. At the same time the efforts of development have been focused to increase the efficiency in stages with a decreasing number of blades. Due to this, the optimization results in regions with decelerated mainstream on the surface of the turbine blade. This deceleration of the flow can change the heat transfer patterns on blades that are film cooled. Furthermore, the risk of flow separation at the turbine blade profile increases. All together, it has to be clarified, how the cooling of a component can be affected by both phenomena: decelerated mainstream and areas of local flow separation using the film cooling. The purpose of this work is the fundamental investigation and evaluation of film cooling in regions with the mentioned decelerated mainstream and additionally, of film cooling in areas with local flow separation. Both investigations are done with a row of cooling air holes. Thereto they are dimensioned in the typical range of Reynolds Number with respect to the film-cooled turbine blades of current gas turbines. Since the flow field is expected to be very anisotropic as a result of the air ejection into the main flow, experimental investigations were carried out. These investigations can be used in order to validate numeric flow solver solutions, even if they are done simulating the turbulence as isotropic. For the investigations of the film cooling effectiveness a measurement technique of heat and mass transfer is used. The Ammonia-Diazo-Technique with Online-Calibration is improved. This technique is shown to be a measuring tool on surfaces with high resolution for the adiabatic film cooling effectiveness. Very detailed investigations of this effectiveness are shown in the aforementioned cases. These investigations are completed by extensive flow investigations using the 2D/3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) and the Hot Wire Anemometry. For the financial support regarding the setting up and the execution of the research activities at the Brandenburg University of Technology Cottbus, I thank the State of Brandenburg and the Federal Republic of Germany, as well as the companies Rolls-Royce Germany Ltd, MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG and Alstom Switzerland Ltd (former ABB Power Generation Ltd). KW - Heißgasturbine KW - Hochdruck KW - Gasturbinenschaufel KW - Filmkühlung KW - Luft- und Raumfahrttechnik KW - Verkehrstechnik KW - Gasturbine KW - Turbinenschaufel KW - Strömungsablösung Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-633 SN - 3-8322-3345-8 ER - TY - THES A1 - Getzlaff, Jörn T1 - Erdgas als Kraftstoff für Kfz-Verbrennungsmotoren N2 - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf grundlegende Unterschiede im Brennverfahren von Benzin- und Erdgasmotoren eingegangen. Außerdem werden verschiedene Maßnahmen dargestellt, die bei einer konsequenten Auslegung des Brennverfahrens auf den Kraftstoff Erdgas zu deutlichen Wirkungsgradvorteilen führen und somit den Nachteil der geringen Speicherdichte von Erdgas (Reichweite von Erdgasfahrzeugen) verringert. Die vorliegende Arbeit soll dem interessierten Ingenieur und Studenten des Maschinenbaus einen Überblick über die Nutzung gasförmiger Kraftstoffe für den Antrieb von Kraftfahrzeugen geben. Auf die Grundlagen der Thermodynamik und der motorischen Verbrennung wird dort näher eingegangen, wo es für das Verständnis der Zusammenhänge unabdingbar ist. Hier sei auch auf die einschlägige Literatur verwiesen. Ziel ist es zu zeigen, inwiefern sich die Brennverfahren für einen kleinvolumigen Pkw-Motor von den Großgasmotoren hinsichtlich des Nutzungsprofils unterscheiden und welche Wege zur Wirkungsgradsteigerung möglich sind. KW - Kraftfahrzeug KW - Verbrennungsmotor KW - Erdgasantrieb Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32413 ER - TY - THES A1 - Jende, Enrico T1 - Ein Beitrag zur modellgestützten Planung und zum Betrieb sektorenübergreifender Energiespeicher mit Fokus auf die Strom- und Wärmeversorgung in Microgrids T1 - A contribution to model-based planning and operation of cross-sectoral energy storage systems with focus on power and heat supply in Microgrids N2 - Zur Einhaltung der Dekarbonisierungsziele und Bewältigung der Herausforderungen bei der ganzheitlichen Transformation des Energiesystems im Kontext der politisch geforderten Energiewende, ist zunehmend der Begriff Sektorenkopplung zu verzeichnen. Eine wesentliche Rolle nimmt dabei die auf den Begriff Power-to-X (P2X) zusammengefasste Elektrifizierung der Sektoren Gas, Wärme, Kälte und Mobilität ein. P2X-Energiewandler und die damit einhergehende Nutzung Erneuerbarer Energien (EE), z.B. aus Photovoltaik (PV) und Wind, sind aufgrund der volatilen Stromerzeugung der EE-Anlagen als dargebotsabhängige Energiewandlung zu verstehen. Aus diesem Grund werden P2X-Energiewandler mit sektoralen Energiespeichern und flexiblen bedarfsgerechten Energiewandlern hin zu sektorenübergreifenden Energiespeichern aggregiert. Diese sind nicht nur in der Lage den Herausforderungen eines zunehmend aus EE bestehenden Energieversorgungssystems (EVS) entgegenzuwirken, sondern einen Beitrag zur sektorenübergreifenden Energiebedarfsdeckung und Dekarbonisierung zu leisten. In diesem Zusammenhang ist in den vergangenen Jahren auf dem Campus der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) eine Forschungs- und Demonstrationsanlage entstanden, welche sektorale und sektorenübergreifende Energiespeicher topologisch lokal aggregiert und hinsichtlich der Netzbetriebsführung verknüpft. Dieser dezentrale Anlagenverbund bietet eine herausragende Möglichkeit, einen sektorenübergreifenden Betrieb der dezentralen EVS auf lokaler Ebene zu untersuchen. Als Forschungsgegenstand und Teilsystem der Forschungs- und Demonstrationsanlage gilt im Folgenden der sektorenübergreifende Energiespeicher bestehend aus den Technologien der Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat und einem thermischen Energiespeicher. Dieser Anlagenverbund wird innerhalb der Systemgrenzen eines Microgrid unter größtmöglicher Nutzung erneuerbarer Energien am Beispiel der PV untersucht. Ein Simulationsmodell erweitert diesen Forschungsgegenstand und zielt auf modellgestützte Untersuchungen zur Planung und zum Betrieb des sektorenübergreifenden Energiespeichers, insbesondere zur stromnetzdienlichen Systemintegration. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Folgenden dargestellt und gelten als Beitrag zur Systemintegration von sektorenübergreifenden Energiespeichern in die lokale dezentrale Energieversorgung. N2 - To comply with the decarbonisation objectives and to tackle the challenges of the holistic transformation of the energy system in the context of the politically demanded energy transition, is increasingly being used the term sector coupling. The electrification of the gas, heat, cooling and mobility sectors, which is based on the term Power-to-X (P2X), plays a key role here. P2X energy converters and the associated use of renewable energies (EE), e.g. from photovoltaic (PV) and wind, are as a supply-dependent energy conversion to understand in to the volatile power generation of renewable energy plants. For this reason P2X energy converters with sectoral energy storage systems and flexible demand-oriented energy converters are aggregated into cross-sectoral energy storage systems. These are not only able to contract the challenges of an increasing renewable energy supply system (EVS), but also to make a contribute to cross-sectoral energy coverage and decarbonisation. In this context, a research and demonstration facility was built in recent years on the campus of the Brandenburg Technical University Cottbus-Senftenberg (BTU), which aggregates sectoral and cross-sectoral energy storage topologically local and links it regard in to grid operation management. This decentralized network of facilities provides an excellent opportunity to investigate cross-sectoral operation of decentralized EVS in a local level. In the following the research subject and subsystem of the research and demonstration plant is named the cross-sector energy storage consisting of the technologies of combined heat and power, power-to-heat and a thermal energy storage. This system composite is investigated within the system limits of a microgrid with the greatest possibility use of renewable energies using e.g. PV. A simulation model extends this research thesis and aims at a model-based investigations for the planning and operation of the cross-sector energy storage, in particular for grid-compliened system integration. The results of the investigations are presented below and are considered to contribute to the system integration of cross-sectoral energy storage into the local distributed energy supply system. KW - Microgrid KW - Sektorenkopplung KW - Dezentrale Energieversorgung KW - Sektorenübergreifender Energiespeicher KW - Sector coupling KW - Decentralized energy supply KW - Cross-sectoral energy storage KW - Microgrid KW - Microgrid KW - Elektrizitätsversorgungsnetz KW - Dezentrale Energieversorgung KW - Dezentrale Wärmeversorgung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52906 ER - TY - THES A1 - Holy, Felix T1 - Dynamische Simulationen und experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung einer Hochtemperatur-Carnot-Batterie T1 - Dynamic simulations and experimental investigations for the development of a high-temperature Carnot battery N2 - Die Energiewende erfordert flexible, effiziente und wirtschaftlich tragfähige Speicherlösungen, um den stetig wachsenden Anteil erneuerbarer Energien systemdienlich zu integrieren. Carnot-Batterien (CB) bieten hierfür ein vielversprechendes Konzept zur sektorenübergreifenden Speicherung elektrischer Energie in Form thermischer Energie mit anschließender Rückverstromung. Insbesondere Hochtemperatur-Carnot-Batterien (HTCB) mit Speichertemperaturen über 1.000 °C zeichnen sich durch hohe Energiedichten, ein hohes exergetisches Potenzial und eine kostengünstige Systemarchitektur aus leicht verfügbaren Speichermaterialien aus. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung, experimentellen Untersuchung und dynamischen Simulation eines solchen HTCB-Systems. Hierzu wird ein neuartiger Hochtemperaturspeicher (HTS) mit horizontaler Durchströmung und integrierter elektrischer Beladung entworfen, der Beladetemperaturen bis 1.200 °C erreicht und eine thermische Kapazität von etwa 10 MWh aufweist. Die Rückverstromung erfolgt über einen extern beheizten Gasturbinenprozess mit einer Mikrogasturbine im elektrischen Leistungsbereich von 30 kW. Unter Voraussetzung eines atmosphärisch betriebenen HTS erweist sich diese Prozessführung im stationären und thermodynamischen Vergleich zu alternativen Gasturbinenprozessen als besonders geeignet. Im experimentellen Betrieb wird eine 45-stündige Rückverstromung der zuvor im HTS gespeicherten thermischen Energie demonstriert. Dabei werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 16,5 % sowie Gesamtwirkungsgrade von bis zu 60,0 % unter Berücksichtigung der ausgespeisten Wärme gemessen. Im Fokus der Arbeit liegt die Entwicklung eines flexiblen und physikalisch-deterministischen Simulationsmodells der HTCB, das alle wesentlichen Komponenten auch im Off-Design abbildet. Unter anderem wird für die dynamische Modellierung des HTS und der Wärmeübertrager ein innovativer numerischer Ansatz zur Berücksichtigung der Wandtemperaturprofile entwickelt. Die Parametrisierung und der Abgleich mit umfangreichen experimentellen Messdaten ermöglichen eine Anpassung und Validierung des Gesamtmodells der HTCB. Das Ergebnis ist ein digitaler Zwilling der Versuchsanlage, der realitätsnah das dynamische Systemverhalten abbildet und als Grundlage für die Betriebs- und Designoptimierung der HTCB dient. Mit der aufgezeigten Drehzahloptimierung der Mikrogasturbine und dem entwickelten Beladungsmanagement des HTS lassen sich mit der Versuchsanlage elektrische Round-Trip Efficiencies von 14,1 % und Gesamtwirkungsgrade von 61,9 % im PV-Strom geführten Tageszyklus erzielen. Abschließend wird die Skalierung der HTCB auf industrielle Maßstäbe untersucht. Für HTS-Systeme mit einer Speicherkapazität von 140 MWh in Kombination mit einer Gasturbine im elektrischen Leistungsbereich von 1,8 MW werden eine elektrische Round-trip Efficiency von etwa 29 % und Gesamtwirkungsgrade bis 84 % prognostiziert. N2 - The energy transition requires flexible, efficient, and economically viable storage solutions to integrate the steadily growing share of renewable energy in a system-compatible manner. Carnot batteries (CB) offer a promising concept for cross-sectoral storage of electrical energy in the form of thermal energy with subsequent reconversion to electricity. In particular, high-temperature Carnot batteries (HTCB) with storage temperatures above 1000 °C are characterized by high energy density, high exergetic potential, and a cost-effective system architecture based on readily available storage materials. This work focuses on the development, experimental investigation, and dynamic simulation of such an HTCB system. A novel high-temperature thermal energy storage (HTS) with horizontal flow and integrated electrical charging is designed for this purpose. It reaches charging temperatures of up to 1200 °C and has a thermal capacity of approximately 10 MWh. The reconversion to electricity is realized via an externally heated gas turbine process using a micro gas turbine with a nominal electrical power of 30 kW. Assuming atmospheric operation of the HTS, this process configuration proves particularly suitable compared to alternative gas turbine processes in steady-state and thermodynamic analyses. In experimental operation, reconversion of the previously stored thermal energy is demonstrated for 45 hours. Electrical efficiencies of up to 16,5 % and overall efficiencies of up to 60,0 %, including the extraction of useful heat, are achieved. The core of this work is the development of a flexible and physically deterministic simulation model of the HTCB that captures all major components, including their off-design behavior. Among other contributions, an innovative numerical approach is developed to dynamically model wall temperature profiles in the HTS and heat exchangers. The model is parameterized and validated using extensive experimental data. The result is a digital twin of the pilot plant that realistically reflects the dynamic system behavior and serves as a basis for operational and design optimization. With the implemented speed optimization of the micro gas turbine and the developed charging strategy for the HTS, electrical round-trip efficiencies of 14,1 % and overall efficiencies of 61,9 % can be achieved in a PV-driven daily operation cycle. Finally, the scale-up of the HTCB system to industrial scale is analyzed. For HTS systems with a storage capacity of 140 MWh combined with a gas turbine of 1,8 MW electrical output, electrical round-trip efficiencies of approximately 29 % and overall efficiencies of up to 84 % are projected. KW - Hochtemperaturspeicher KW - Gasturbine KW - Simulation KW - Dynamik KW - Speicher KW - High temperature energy storage KW - Gas turbine KW - Dynamics KW - Simulation KW - Elektrischer Speicher KW - Hochtemperatur KW - Gasturbine KW - Simulation KW - Digitaler Zwilling KW - Optimierung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72020 ER -