Refine
Document Type
- Doctoral thesis (12)
- Report (2)
- Master thesis (1)
Has Fulltext
- yes (15)
Is part of the Bibliography
- no (15)
Year of publication
Keywords
- Erneuerbare Energien (15) (remove)
Institute
- FG Energieverteilung und Hochspannungstechnik (7)
- FG Sozialwissenschaftliche Umweltfragen (2)
- FG Öffentliches Recht, insbesondere Umwelt- und Planungsrecht (mit FG Zivilrecht) (2)
- FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie (1)
- FG Leistungselektronik und Antriebssysteme (1)
- FG Management regionaler Energieversorgungsstrukturen (1)
- FG Produktionswirtschaft (1)
Im Zeitraum von Februar bis Mai 2023 wurde am Lehrstuhl für Produktionswirtschaft die Studie zum Thema „Technologische Trends und Entwicklungen alternativer Energiesysteme“ durchgeführt. Die vorliegende explorative Studie basiert auf leitfadengestützten Interviews von 54 Experten und Expertinnen aus Forschungsinstituten, der Wirtschaft sowie Branchenverbänden. Die Auswertung der Interviews folgte dem Prinzip der strukturierenden Inhaltsanalyse.
Für die allgemeine Entwicklung der erneuerbaren Energien und um zukunftsweisende Technologien zu identifizieren, ist es notwendig ein energiewirtschaftliches Zieldreieck mit den Ausprägungen Rentabilität, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen. Die Fachkundigen zeigen auf, dass die politische Triebkraft maßgeblich darüber entscheidet, welche Technologien in Zukunft dominieren werden. Zukünftig wird es verstärkt zum Zusammenspiel einzelner Energiequellen in regional diversifizierten Konzepten, sowie zur Elektrifizierung und Sektorenkopplung kommen. Speichertechnologien werden verstärkt entwickelt und installiert werden. Prosuming und Demand-Side Response werden von den befragten Fachkundigen zukünftig als bedeutend erachtet.
In Bezug auf die einzelnen Energiequellen werden Wasserstofftechnologien zukünftig ein erhebliches Ausbaupotenzial aufweisen. Wasserstoff ermöglicht einen Beitrag zur Dekarbonisierung diverser Sektoren und dient darüber hinaus als Speichermedium fluktuierender Energien. Zusätzlich erfolgt eine Progression im Bereich von Wind- und Solarenergie. Dabei gewinnen im Bereich Photovoltaik, Technologien wie Agri- und Floating-PV an verstärkt an Bedeutung. Die Windkraftnutzung wird durch den Bau höherer Türme und die Vergrößerung von Rotorblattdimensionen optimiert. Geothermie spielt in Zukunft eine vielversprechende Rolle bei der Dekarbonisierung des Niedertemperatursektors. Das Ausbaupotenzial von Biomasse ist aufgrund von Flächenkonkurrenz begrenzt, obwohl sich, analog zu Wasserstoff, vielfältige Nutzungsmöglichkeiten eröffnen.
Im Bereich der Energiesysteme und -komponenten eröffnen sich diverse materialspezifische so wie fertigungstechnische Verbesserungspotenziale. Einige Technologien sind dabei bereits ausgereift, aber Optimierungsbedürftig. Technologien wie Elektrolyseure oder Wärmepumpen hingegen, bedürfen der grundlegenden Weiterentwicklung, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Im Bereich der Solarenergie liegen Entwicklungsschwerpunkte in der Verbesserung kombinierter Solar- und Photovoltaikmodule sowie von Trägerstrukturen für Agri-PV und langlebigeren Konzepten für die Schwimmkörper bei Floating PV vor. Schließlich zeigt sich auch hinsichtlich der Speichertechnologien ein Entwicklungsbedarf, insbesondere in Bezug auf Wasserstoffdruck- und -flüssigspeicher, Batteriespeicher und Latentwärmespeicher. Diese Fortschritte werden entscheidend sein, um eine nachhaltige und effiziente Energiewirtschaft der Zukunft zu gewährleisten.
With the large-scale expansion of decentralized power generation from renewable energy resources (RES) and reduction of fossil fuel-based power generation, this leads to fundamental structural changes in the power supply system. The transition is characterized by a shift from central to decentral, from directional to bi-directional. As the share of renewable power systems in the electricity grid increases, the inherent uncertainty of renewable energies poses challenges to the grid system’s stability.
To achieve increased efficiency, decarbonisation, decentralization, and digitisation in energy sector, a flexible and resilient energy system is required. Electrical energy data and non-electrical energy data are generated from various sources, including the supervisory control and data acquisition system (SCADA), geographic information system (GIS), and weather information system. Based on these data, different spatial and temporal models of energy systems and their databases are created and connected. This thesis contributes to the analysis of regional power performance. To this end, an efficient simplified grid-oriented network cluster is presented to account for the regional allocation of RES power systems. The model clustering includes the grid topology, temporal and spatial resolution, and the structure of electrical and non-electrical data. This approach contributes to methodological aspects of energy system modelling and analysis.
In addition, based on the proposed cluster model, this thesis presents the physical profile-based and data-driven methods to estimate the regional large-scale photovoltaic (PV) and wind power generations. In order to adapt to the spatial-temporal heterogeneity of the regional renewable power generations and to improve the local power utilization rate, this thesis conducts empirical analyses of the regional energy storage and combined PV and wind power systems using cable pooling with shared grid connection.
In summary, this thesis presents a flexible modelling approach that takes into account the regional allocation of renewable power systems and enables a more accurate estimation of regional power generation. The proposed model and analytical methods can help the efficiency and resiliency of the energy system and support the transition towards renewable energies.
Ziel der Arbeit war es, die Perspektiven für Erneuerbare-Energien-Anlagen kleiner Akteure wie Prosumenten unter dem neuen Rechtsrahmen zur Förderung erneuerbarer Energien zu untersuchen und einen Ausblick zu geben, wie die rechtlichen Rahmenbedingungen im deutschen Fördersystem, konkret mit dem EEG, umgesetzt werden können.
Das erste Kapitel befasst sich mit den wichtigsten EU-Rechtsvorschriften im Bereich der erneuerbaren Energien. Massnahmen sowohl auf der Primar- als auch auf der Sekundarstufe waren in diesem Zusammenhang wichtig. Auf der Primärebene, d. Oh Dokumenth. auf der Ebene des EU-Vertrags, spielt der Energieartikel des Artikels 194 AEUV eine zentrale Rolle. Der sekundäre Rechtsrahmen für die Förderung von Energie aus erneuerbaren Quellen besteht im Wesentlichen aus der Richtlinie 2009/28/EG und der Richtlinie zur Förderung von Energie aus erneuerbaren Quellen, die am 21. Dezember 2018 in Kraft getreten sind. In diesem Kapitel erfolgt eine Untersuchung der
Unterschiede zwischen den wichtigsten Richtlinien aus dem Jahr 2009 und der Neufassung der Richtlinie aus dem Jahr 2018. Dazu gehörten insb. die Bereiche Eigenversorgung und erneuerbare Energiegemeinschaften. Im weiteren Verlauf der Arbeiten wurden die europäischen Vorgaben zur Eigenversorgung von Strom aus erneuerbaren Energien sowie die Bestimmungen für Erneuerbare-Energien-Gemeinden mit den deutschen Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Gesetzes in der Fassung 2021 verglichen. Der Vergleich zeigte, dass die deutschen Anforderungen weitgehend den europäischen entsprechen, dass es aber noch einige Unterschiede gibt, die vom deutschen Gesetzgeber noch umgesetzt werden müssen, damit die kleinen Akteure das vom europäischen Gesetzgeber eingeräumte Potenzial voll ausschöpfen können.
Zusätzlich zu diesen Kernpunkten wurden folgende Fragen angesprochen. Wie sollte Energie aus erneuerbaren Quellen gefördert werden? Wird die Einspeisungspriorität weiterhin bestehen, und wenn ja, unter welchen Bedingungen? Wie werden Erneuerbare-Energien-Anlagen zukünftig im Engpassmanagement behandelt und wie werden die Verwaltungsverfahren für die Genehmigung von Erneuerbare-Energien-Projekten gestaltet? Auch diese Fragestellungen wurden durch einen Vergleich mit den aktuellen Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes vertieft und kamen zu dem Ergebnis, dass die deutschen Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes den europäischen Anforderungen entsprechen.
Die Arbeit endete mit einer Exkursion. Der rechtliche Hintergrund des EU-weit verbindlichen Ziels für den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch von 32 Umschalttaste % bis 2030 wurde näher untersucht.
This analysis aims at the investigation of the techno-economic RES potentials and to minimize GHG emissions in the ENTSO-E. The ENTSO-E represents one of the world’s largest economic regions with a GDP of 19,835 billion US dollar (23%) and a primary energy consumption of 29,705 TWh (18%). ENTSO-E is coined with high degrees of fossil energy dependencies (49.9%) from third-party countries and contributes 3,517 Mt CO2eq (9%) to global GHG emissions. The Primary Sources onshore wind, offshore wind, utility-scale PV, and CSP techno-economic potentials are assessed via GIS-based georeferenced spatial analysis. Solar rooftop potentials are calculated based on a per capita approach. The Secondary Sources bioenergy, hydropower, geothermal, and hydrokinetic energy potentials are approximated based on meta-analysis. Primary and Secondary Sources potentials are input into the IES linear optimization model to simulate an energy system with high shares of RES and PTX. It is found that RES-based primary energy production potentials account for 13,492 TWh and energy dependency could be reduced by 6,482 TWh to 20.5%. Compared to the base year 1990, the direct GHG emission reduction amounts to 3,246 Mt CO2eq (70.7%). This reduction does not correspond with the EU reduction target of 80–95%. Hence, RES-based fuel imports, such as synthetic fuels and hydrogen, from third-party countries become necessary, to substitute fossil fuels and reduce domestic emissions. Additional GHG reduction potentials are suspected in the indirect emission sectors agriculture and waste management. In reference to the Sankey methodology, the analysis entails comprehensive energy flow balances for the ENTSO-E 2016 and 2050 energy systems. The ENTSO-E member countries exhibit heterogeneous properties regarding RES potentials, GHG emissions, and energy dependencies, and, hence, must be assessed individually. Integrated energy systems with high shares of RES and PTX represent a promising means to decrease direct energy use and non-energy use emissions as well as energy dependencies significantly.
A cellular approach to optimize the integration of renewable generation into distribution networks
(2022)
The steady growth of the renewable-based technologies in the last twenty years has changed the character of the power systems significantly. Until today, there are more than 112 GW installed photovoltaic and wind parks in Germany and around 90% of the installed renewable generators are integrated into distribution networks. As a result, distribution networks are often facing congestion problems and more investments are needed for the required network development plans.
The political decisions in Germany for increasing the share of renewables in electricity consumption up to 65% until 2030 and the nuclear phase out until 2022 and further shutdowns of the coal power plants raised serious concerns about the reliability of power supply and feasibility of the transition plan.
The present dissertation has a look over the recent developments and offers a methodology for reduction of the resulted costs from further integration of renewable generators into the distribution networks. The suggested methodology is based on a cellular approach and helps also to postpone the unnecessary costly network expansions. Furthermore, it helps to integrate the renewable generators in an optimized way which has an added value to move towards the defined sustainability goals.
The proposed methodology has two steps. The first step is made up of the cellular approach and grey wolf optimization in MATLAB environment. In this step, the optimal combination of technologies for fulfillment of the defined goals are found out. The second step consists of the quasi dynamic simulations in PowerFactory environment. In this step, the suggested results from MATLAB optimization are investigated in semi-real situations. With the quasidynamic simulations, it is checked whether the results are tolerable from the point of view of network operation and whether it is possible to facilitate the network operation with certain strategies.
The master thesis at hand examines the potential of district heating in Lusatia. The thesis follows the approach of first identifying technical and economic potentials in general and then transferring them to the study region. For the quantitative determination of district heating potential in Lusatia, the status quo is determined and a GIS-based analysis is carried out with regard to minimum heat demand densities. The extent to which district heating is suitable for climate-neutral heat supply will be investigated using the potential of renewable and waste heat energy sources. Furthermore, the regional economic effects of developing these potentials are examined. The results show that despite an overall decline in heat demand, there is potential to increase the relative share of district heating in Lusatia. In terms of climate neutrality, district heating in Lusatia offers special opportunities. Solar thermal energy and Power-to-Heat are of particular importance due to the rural character of Lusatia and its status as an energy region. From a regional economic perspective, climate-neutral district heating has a positive effect on value added and employment.
The use of renewable energy sources, either off-grid or on-grid to supply electricity, has been done by developed countries since many years ago. Developing countries, for example Indonesia especially east part of Indonesia have recently started this way whereas renewable energy potential for example hydro, PV and wind are abundantly available. The lack of research and data is one of the obstacles to precede the use of renewable energy in this area, meanwhile this area has electricity shortages problem that occurred quite often.
Combined hydro, PV, wind, coal and diesel generators will solve electricity shortages problem in Palu (Indonesia). Integration of Hydro, PV and wind into PALAPAS utility grid will decrease levelized cost of energy from US$ 0.145 per kWh to US$ 0.133 per kWh. Sensitivity analysis against fluctuating fuel cost (from US$ 0.4 per litre to US$ 1.6 per litre) will increase levelized cost of energy before integrating renewable energy into the grid from US$ 0.145 per kWh to US$ 0.455 per kWh and will increase levelized cost of energy after integrating RE into the grid from US$ 0.133 per kWh to US$ 0.403 per kWh.
Repowering grid with integrating hydro, PV and wind will increase power quality especially by using configuration based on homer results. Buses voltage and buses frequency showed better result before, during and after some faults based on Homer simulation results. Voltage spectrum and sinusoidal waveform voltage are showing less distortion after integrating hydro, PV and wind into the grid even with no distortion based on Homer results.
Malawi is a Least Developed Country located in Southern Africa to the East of Zambia. Malawi has a low electrification rate of 9%. Furthermore, unreliable and inadequate power supply are estimated to reduce Malawi’s GDP by 7%-9%. These energy sector challenges diminish the country’s prospects for sustained growth, poverty reduction, and improved delivery of health and education services. Various studies have been undertaken to determine how Malawi can improve it's energy sector through the deployment of renewable energy. However, these studies have not specifically examined how climate change related financing mechanisms such as the Clean Development Mechanism (CDM) could be utilised to mobilise financing and capacity development for renewable energy deployment in the country. This is despite the assertion that developed countries are committed to jointly mobilising US$100 billion per year by 2020 to support climate change mitigation and adaptation activities such as renewable energy deployment in developing countries. Through the use of questionnaires, case study analyses, policy reviews, academic literature reviews and interviews, this research sought to determine Malawi’s regulatory and institutional challenges and prospects for enhancing renewable energy deployment through climate finance instruments.
Among some of the research findings was that Malawi has relied on external support in order to develop capacity in the field of climate finance, hence in the absence of external assistance there are limited opportunities to incentivise various stakeholders to implement projects and to enhance awareness about climate finance. The study also discovered that Malawi’s climate finance determinants resemble a non-market seeking Foreign Direct Investment profile, hence the presence of opportunities for cheap and abundant emission reductions could improve climate finance investment patterns rather than the opportunities for emission reductions and co-products such as electricity through renewable energy technologies. The study therefore recommended that Malawi should create a renewable energy and climate finance promotion agency to assist with soliciting funding for renewable energy projects from concessional and non-concessional sources and drafting and implementing renewable energy policies. Another recommendation was that the country must create a Renewable Energy Fund to reduce the funding constraints that the media, project implementers and financiers have in undertaking various roles related to enhancing renewable energy deployment. Lastly, the study concluded that Malawi’s prospects for accessing various forms of climate finance and deploying climate finance projects can be improved through improvements in Malawi’s renewable energy and climate change institutional framework, and the modifications of climate finance instruments and methodologies to encourage flexibility and reduce institutional constraints.
In der Dissertation werden neue Potentiale und Anforderungen sowie neue Verfahren und Methoden zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen erarbeitet. Der Fokus wird dabei auf das Wirkleistungsmanagement im Verteilnetz gelegt. Bei einer zunehmenden Durchdringung von Erneuerbaren Energien steigt der gegenseitige Einfluss mit den technischen Systemen im Netzbetrieb und bestehenden sowie zukünftigen Märkten. In der Arbeit werden organisatorische und technische Lösungen entwickelt, welche eine sichere Bereitstellung von Regelleistung sowie eine Unterstützung durch den Verteilnetzbetreiber für ein systemdienliches Engpassmanagement des Übertragungsnetzbetreibers ermöglichen.
Anhand eines 110-kV-Modellnetzes werden die technischen Lösungen aufgezeigt und bewertet. Dabei zeigt sich, dass eine erweiterte Betriebsplanung im Verteilnetz notwendig wird. Mögliche Konflikte können im Vorfeld durch eine Netzzustandsbewertung und Informationsübermittlung gelöst werden. Weiterhin können Anforderungen des ÜNB zur Unterstützung zum Redispatch im Rahmen einer Vortagesplanung integriert werden. Zur Realisierung der Prozesse und somit Erfüllung der neuen Anforderungen sind zum Teil technische Ände-rungen in den Systemen der Netzführung sowie organisatorische und rechtliche Anpassungen in der Handhabung des Engpassmanagements notwendig. Hierzu werden in der vorliegenden Arbeit konkrete Empfehlungen ausgesprochen.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die über die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung für die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor präparierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Größen zur Beschreibung der Aktivität der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivität bezüglich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Umsätze und Ausbeuten von über 90% und Selektivitäten von nahezu 100% gemessen. Durch eine Änderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes können die optimalen Prozessbedingungen für die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verdünnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Stärke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivität ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zusätzlich Aufschluss über stattfinden Teil-und Nebenreaktionen.
Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil für den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergrößerung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zusätzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Umsätze von 90% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erhöhung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und führt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgeführter Wärme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches für die Rückverstromung eingesetzt werden kann.
In der Methanisierung von CO₂ besteht die Möglichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei.