@techreport{ZoernerBrandmayr2010, author = {Z{\"o}rner, Wilfried and Brandmayr, Sebastian}, title = {Forschungsvorhaben - Optimierte Thermosiphon-Solaranlagen: Schaffung wissenschaftlicher Grundlagen und Entwicklung einer marktangepassten, seriennahen Prototyp-Anlage}, subtitle = {Abschlussbericht {\"u}ber das Entwicklungsprojekt, gef{\"o}rdert unter dem AZ: 25027-24/2 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt}, institution = {Institut f{\"u}r Angewandte Forschung, IAF}, pages = {80}, year = {2010}, language = {de} } @techreport{HaeringTrinklZoerner2010, author = {H{\"a}ring, Georg and Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Regeneratives Heizen und K{\"u}hlen in einem Multifunktionsgeb{\"a}ude: {\"U}berwachung und Bewertung einer regenerativ versorgten Heiz und K{\"u}hlanlage in einem Multifunktionsgeb{\"a}ude}, subtitle = {Abschlussbericht im Demonstrationsvorhaben}, institution = {Institut f{\"u}r Angewandte Forschung, IAF}, pages = {111}, year = {2010}, language = {de} } @techreport{HallerTrinklWittmannetal.2008, author = {Haller, Achim and Trinkl, Christoph and Wittmann, Roland and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Nutzung thermischer Solarenergie zur sorptionsgest{\"u}tzten Klimatisierung: Planung, Errichtung und {\"U}berwachung einer solargest{\"u}tzten Geb{\"a}udeklimatisierung in einer gewerblich genutzten Halle}, subtitle = {Demonstrationsvorhaben ; Abschlussbericht}, institution = {Institut f{\"u}r Angewandte Forschung, IAF}, pages = {50}, year = {2008}, abstract = {The CENTRE OF EXCELLENCE FOR SOLAR ENGINEERING of Ingolstadt University of Applied Sciences investigates the renewable-only based HVAC system of a multipurpose building. The 10.000 m² gross floor area building is part of the biggest logistic-centre in the region serving the AUDI automobile production facilities. On the one hand, the investigation is supposed to demonstrate the potential of solar-assisted cooling, on the other hand, the monitoring focuses on the total energy balance of the building and the various innovative building technologies. Next to a ground source heat pump plant for base-load heating and cooling, the building is equipped with two arrays of solar-thermal flat-plate collectors (108 m² + 178 m²) and a desiccant air-conditioning system (DEC). This consists of two plants with a nominal air flow of 8.000 m³/h each. One of the two plants is monitored, where the plant itself is considered a black box in a first approach, i.e. all incoming and outgoing energy flows and the air condition are measured. Apart from the investigation of the performance of the solar-assisted air-conditioning system, the feasibility of DECoperation using flat-plate collectors available on the market is investigated. During the first year of operation (2006) massive problems occurred in the operation of the DEC-plant. While the degree of comfort in the building was found to be satisfying during the cooling period, the solar-driven DEC-plant showed major deficiencies in cooling performance, hydraulics and control. Especially, a too high rotational speed of the desiccant wheel and an inadequate adjustment of solar collector arrays, DEC-plants and building structure were identified. Therefore, in an overhaul of the system several problems in the hardware were found and corrected such as blocked nozzles due to calcinations, leakages in the sealing of the desiccant wheel and an incorrect installation of a non-return valve in the hydraulic system of the regeneration air heater. Moreover, the control strategy regarding the cooling power of the plant and the speed of the desiccant wheel was checked. In the second year of operation (2007), some deficiencies of the first year were found to be removed, but the plant still did not work according to its capacity. Insufficient dehumidification by the desiccant wheel was identified as a major problem. Based on a detailed analysis of the desiccant wheel, one-sided displacement of the sorbent was supposed to be the reason for insufficient cooling capacity. Obviously, control or mechanical malfunctions during operation have lead to a one-sided oversaturation and thus to a one-sided damage of the desiccant wheel. Consequently, the damaged wheel is to be removed prior to the 2008 cooling period. In order to tap the full potential of both the solar DEC-plant and the building's innovative concept, a number of further measures, especially concerning the matching of the DECplant and the solar system with the building management, need to be taken in future.}, language = {de} } @techreport{ZoernerTreikauskas2005, author = {Z{\"o}rner, Wilfried and Treikauskas, Franz-Dominik}, title = {Optimierter Absorber f{\"u}r thermische Solaranlagen in Bezug auf Fertigungsprozess, Herstellkosten und Wirkungsgrad}, subtitle = {Vorstudie zu Absorberkonzepten ; Abschlussbericht {\"u}ber ein Entwicklungsprojekt, gef{\"o}rdert unter dem AZ: 21543 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt}, institution = {Institut f{\"u}r Angewandte Forschung, IAF}, pages = {55}, year = {2005}, abstract = {Die im Laufe des vorliegenden Vorhabens zusammengetragenen Informationen zeigen, dass der Blech-Rohr-Absorber als der momentane Stand der Technik verschiedenste Schw{\"a}chen im technischen als auch wirtschaftlichen Bereich aufweist. Im technischen Bereich liegen diese sowohl im konstruktiven Aufbau aufgrund seiner vielen thermischen Widerst{\"a}nde, als auch in der momentanen L{\"o}sung der Verbindungstechnik. Die im Rahmen des Projekts durchgef{\"u}hrte Altkollektoranalyse zeigt, dass bereits fr{\"u}her verschiedenste Absorberbauformen auf dem Markt verf{\"u}gbar waren. Diese Bauformen sind in der Fachliteratur teilweise dargestellt, jedoch kaum beschrieben oder n{\"a}her untersucht. Die Analyse der großteils mehr als 20 Jahre alten Kollektoren ergibt, dass Bauformen und Absorbermaterialien bereits damals eine hohe Lebensdauer erreichen konnten. Defizite k{\"o}nnen nur bez{\"u}glich transparenten Abdeckungen, Zwischenschichten, W{\"a}rmed{\"a}mmungen und bez{\"u}glich des hohen Absorber- bzw. Kollektorgewichtes ausgemacht werden. Thermographische Untersuchungen belegen, dass damalige volumetrische beziehungsweise teilvolumetrische Bauformen im Vergleich zu heutigen Konstruktionen gleichm{\"a}ßigere Temperaturverteilungen aufweisen. Die Verbindungstechniken, speziell im Bereich der Blech-Rohr-Absorber, haben sich allerdings in Qualit{\"a}t und Stabilit{\"a}t im Vergleich zu damals verbessert. Hohe Stillstandstemperaturen aufgrund neuer Entwicklungen im Bereich Absorberbeschichtungen und optimierter Glas- und D{\"a}mmstoffe bringen jedoch auch die verbesserten Verbindungstechniken zwischen Blech und Rohr an ihre Grenzen. Schliffbilduntersuchungen, durchgef{\"u}hrt an verschiedenen heute im Absorberbau angewendeten Fertigungsverfahren, lassen fertigungs- als auch w{\"a}rmetechnische Schw{\"a}chen, wie z. B. inhomogene beziehungsweise spr{\"o}de N{\"a}hte oder kleine Fl{\"a}chen f{\"u}r die W{\"a}rme{\"u}bertragung, erkennen. In der Konzeptphase werden nach Ausarbeitung einer Anforderungsliste und Untersuchung des Absorbers durch eine Funktionsanalyse verschiedene L{\"o}sungsprinzipien erarbeitet. Aus diesen erfolgt die Entwicklung von Absorberkonzepten in Form von Skizzen, die schwerpunktm{\"a}ßig auf eine volumetrische Durchstr{\"o}mung des Absorbers abzielen. Im n{\"a}chsten Schritt werden f{\"u}r die aussichtsreichsten Konzepte eingehende Untersuchungen aus technischer und wirtschaftlicher Sicht durchgef{\"u}hrt. Eine Berechnung hinsichtlich technischer Eigenschaften, wie Gewicht, F{\"u}llvolumen, W{\"a}rmekapazit{\"a}t und vor allem des Absorberwirkungsgradfaktors wird unter anderem durchgef{\"u}hrt. Weiterhin wird eine Voranalyse der Absorberkosten hinsichtlich Material- sowie Fertigungskosten erstellt. Basierend auf diesen Informationen k{\"o}nnen die Absorberkonzepte abschließend in einer Bewertungsmatrix bewertet werden. Es erfolgt dazu die Festlegung mehrerer differenzierbarer Bewertungskriterien, anhand dessen eine objektive und grundlegende Unterscheidung sowie Klassifizierung der Absorberkonzepte sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Sicht m{\"o}glich ist. Diese Konzepte sind Ausgangsbasis f{\"u}r ein weiteres, folgendes Projekt, das zuerst auf eine grundlegende Ausarbeitung dieser Konzepte abzielt. Diese werden im n{\"a}chsten Schritt mit Hilfe einer Simulationssoftware detailliert untersucht und hinsichtlich W{\"a}rme{\"u}bertragungseigenschaften sowie Druckverlust optimiert. Nach einer erneuten Bewertung ist eine Fertigung der favorisierten Konzepte in Form von Prototypen f{\"u}r praktische Vermessungen und Optimierungen in einem Sonnensimulator vorgesehen sowie die Implementierung in ein neu zu entwickelndes Kollektorgeh{\"a}use. Das vorliegende Vorhaben wurde von der Firma Thermo|Solar AG in Zusammenarbeit mit dem KOMPETENZZENTRUM SOLARTECHNIK an der Fachhochschule Ingolstadt durchgef{\"u}hrt. Die F{\"o}rderung des Vorhabens erfolgte durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt unter dem Aktenzeichen 21543.}, language = {de} } @techreport{TrinklZoerner2005, author = {Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Planung, Errichtung, Betrieb und Optimierung einer solarunterst{\"u}tzten Geb{\"a}udeheizung in einem Altbau}, subtitle = {Demonstrationsvorhaben Rationelle Energienutzung / Erneuerbare Energien ; Abschlussbericht}, institution = {Institut f{\"u}r Angewandte Forschung, IAF}, pages = {27}, year = {2005}, abstract = {Vor dem Hintergrund der weiteren Verbreitung solarunterst{\"u}tzter Heizungsanlagen auch im Geb{\"a}udebestand und der damit oftmals verbundenen Frage nach dem „richtigen" Kollektortyp initiierte das KOMPETENZZENTRUM SOLARTECHNIK der Fachhochschule Ingolstadt ein Demonstrationsvorhaben zur experimentellen Untersuchung einer entsprechenden Anlage. So wurde ein solarunterst{\"u}tztes Geb{\"a}udeheizungssystem in einem f{\"u}r den s{\"u}ddeutschen Geb{\"a}udebestand repr{\"a}sentativen Zweifamilienhaus realisiert und mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Die Heizungsanlage besteht aus einem Schichtspeicher (800 l), einem Flachkollektorfeld (Bruttofl{\"a}che: 6,42 m²) und einem Feld direktdurchstr{\"o}mter Vakuumr{\"o}hrenkollektoren (15,6 m²). Als zus{\"a}tzlicher W{\"a}rmeerzeuger ist ein {\"O}lkessel (22 kW) vorhanden. Messtechnisch erfasst werden alle W{\"a}rmeerzeuger und -verbraucher sowie die Wetterbedingungen. Es zeigt sich in diesem Projekt, dass der Einsatz von solarer Heizungsunterst{\"u}tzung auch in bestehenden Geb{\"a}uden durchaus Sinn macht und nennenswerte Brennstoff- und damit CO2-Einsparungen erreicht werden k{\"o}nnen, falls bestimmte Voraussetzungen erf{\"u}llt sind. Als sehr vorteilhaft am beschriebenen Geb{\"a}ude muss dabei gewertet werden, dass der Heizw{\"a}rmebedarf in weiten Teilen {\"u}ber Fußbodenheizsysteme mit niedriger Vorlauftemperatur abgedeckt wird. So ist die Einbindung der Solarsysteme in eine bestehende Heizungsanlage unter Weiterverwendung vorhandener Komponenten m{\"o}glich und besonders sinnvoll. Es zeigte sich im Projektverlauf jedoch, dass die hydraulische und regelungstechnische Realisierung solcher verh{\"a}ltnism{\"a}ßig komplexer Anlagen {\"a}ußerste Sorgfalt erfordert. Hinsichtlich der Tauglichkeit der beiden Kollektortypen f{\"u}r solare Heizungsunterst{\"u}tzung bleibt festzuhalten, dass sowohl der eingesetzte Vakuumr{\"o}hrenkollektor als auch der Flachkollektor prinzipiell daf{\"u}r als sehr geeignet erscheinen. Dabei blieb der Vakuumr{\"o}hrenkollektor jedoch hinter dem erwarteten Mehrertrag gegen{\"u}ber dem Flachkollektor deutlich zur{\"u}ck. So offenbarte der Vakuumr{\"o}hrenkollektor gerade im realen Winterbetrieb, der eigentlich eine St{\"a}rke dieses Kollektortyps darstellen sollte, konzeptionelle Schw{\"a}chen. Nicht zuletzt angesichts der Tatsache, dass der Vakuumr{\"o}hrenkollektor selbst bei relativ niedrigen Außentemperaturen keinen betr{\"a}chtlichen Mehrertrag erbrachte, erscheint damit der Flachkollektor f{\"u}r solare Heizungsunterst{\"u}tzung auch in der {\"U}bergangszeit als technisch wie wirtschaftlich {\"a}ußerst interessante Alternative.}, language = {de} } @techreport{HaeringSonnleitnerZoerneretal.2010, author = {H{\"a}ring, Georg and Sonnleitner, Matthias and Z{\"o}rner, Wilfried and Br{\"u}gging, Elmar and B{\"u}cker, Christin and Wetter, Christof and Vogt, Regine}, title = {Handreichung zur Optimierung von Biogasanlagen}, institution = {Fachhochschule M{\"u}nster ; IFEU Heidelberg}, pages = {31}, year = {2010}, abstract = {Mit der Verabschiedung des Erneuerbare Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 und den Novellierungen in den Jahren 2004 und 2009 wurde die Voraussetzung f{\"u}r den wirtschaftlichen Betrieb von Biogasanlagen geschaffen. Jedoch erf{\"u}llen nicht alle Biogasanlagen die Erwartungen einer nachhaltigen und klimaschonenden Energieerzeugung. {\"U}bereilt durchgef{\"u}hrte und damit unvollst{\"a}ndige Planung und qualitativ fragw{\"u}rdige Ausf{\"u}hrung stellen die Hauptprobleme bei Biogasanlagen dar. Die Auswirkungen finden sich sowohl im {\"o}konomischen als auch im {\"o}kologischen Bereich (Sonnleitner und Z{\"o}rner 2008). Im Rahmen des Projekts „{\"O}kologische und {\"o}konomische Optimierung von bestehenden und zuk{\"u}nftigen Biogasanlagen" wurden je 10 typische Biogasanlagen in Bayern (BY) und Nordrhein-Westfalen (MS) intensiv untersucht. In dieser Handreichung werden 10 konkrete, auf den Ergebnissen der Anlagenuntersuchungen basierende, technische, in die Praxis umsetzbare L{\"o}sungsans{\"a}tze detailliert und verst{\"a}ndlich f{\"u}r Planer, Hersteller und Anlagenbetreiber dargestellt. Die Konzepte zielen darauf ab, einerseits die Wirtschaftlichkeit von bestehenden und zuk{\"u}nftigen Biogasanlagen zu erh{\"o}hen und andererseits die Treibhausgasemissionen zu minimieren und damit die {\"O}kologie von Biogasanlagen zu verbessern.}, language = {de} } @techreport{HaeringSonnleitnerZoerneretal.2011, author = {H{\"a}ring, Georg and Sonnleitner, Matthias and Z{\"o}rner, Wilfried and Br{\"u}gging, Elmar and B{\"u}cker, Christin and Wetter, Christof and Vogt, Regine}, title = {{\"O}kologische und {\"o}konomische Optimierung von bestehenden und zuk{\"u}nftigen Biogasanlagen}, subtitle = {Abschlussbericht im Vorhaben ; BGA_OPT}, institution = {Fachhochschule M{\"u}nster ; IFEU Heidelberg}, pages = {221}, year = {2011}, abstract = {Im Rahmen des Projekts „{\"O}kologische und {\"o}konomische Optimierung von bestehenden und zuk{\"u}nftigen Biogasanlagen" wurden je 10 typische Biogasanlagen in Bayern und Nordrhein-Westfalen hinsichtlich Effizienz und Betriebsweise intensiv untersucht. Ziel des vom Bundesministerium f{\"u}r Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit gef{\"o}rderten Vorhabens war es, konkrete, auf den Ergebnissen der Anlagenuntersuchung basierende, technische, in die Praxis umsetzbare L{\"o}sungsans{\"a}tze zu erarbeiten und diese verst{\"a}ndlich f{\"u}r Planer, Hersteller und Anlagenbetreiber darzustellen. Die im Projekt entstandenen Konzepte zielen darauf ab, einerseits die Wirtschaftlichkeit von bestehenden und zuk{\"u}nftigen Biogasanlagen zu erh{\"o}hen und andererseits die Treibhausgasemissionen zu minimieren und damit die {\"O}kologie von Biogasanlagen zu verbessern. Die Kurzfassung der Ergebnisse wurde bereits in der „Handreichung zur Optimierung von Biogasanlagen" ver{\"o}ffentlicht. Im vorliegenden Bericht wird zun{\"a}chst die Vorgehensweise bei der Datenerhebung und -auswertung dargelegt. Dabei werden die durchgef{\"u}hrten Messungen (z.B. Eigenenergieverbrauch, Biogasleckstellen) detailliert beschrieben und es wird auf die herangezogenen Kennzahlen zur Bewertung von Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Klimagasbilanz eingegangen. Anschließend werden die 20 untersuchten Biogasanlagen hinsichtlich ihrer Betriebsweise und Effizienz beschrieben. Dabei werden allgemeine Kenndaten, der Substrateinsatz, die Funktionsweise, die Strom- und W{\"a}rmenutzung und die Steuerung bzw. messtechnische Ausr{\"u}stung der jeweiligen Biogasanlagen betrachtet. Anhand der im Rahmen der Anlagenuntersuchung erfassten Daten findet eine Bewertung des Ist-Stands statt, die in eine Schwachstellenanalyse m{\"u}ndet. Zur Identifikation von Defiziten und Problemen werden die jeweiligen Bewertungsbereiche gem{\"a}ß des Prozessablaufs gegliedert und die 20 untersuchten Biogasanlagen gegen{\"u}ber gestellt. Nach der Identifikation von Schwachstellen werden diese anhand eines Bewertungssystems auf deren Potenzial hinsichtlich {\"O}konomie, {\"O}kologie und Umsetzung eingestuft und schließlich 10 Konzepte zur {\"o}kologischen und {\"o}konomischen Optimierung von Biogasanlagen ausgearbeitet. Die 10 bedeutsamsten Verbesserungskonzepte sind: • Verk{\"u}rzen der Transportwege zwischen Substratlager und Feststoffeinbringung, • Auswahl des optimalen Entfeuchtungsverfahrens, • Erh{\"o}hen der Substratausnutzung durch den Einsatz hocheffizienter Blockheizkraftwerke, • Erh{\"o}hen der Substratausnutzung durch Vermeiden von Biogasleckstellen, • Emissionsminderung und Erh{\"o}hen der Substratausnutzung durch Abdecken des Endlagers, • Verringern des Eigenenergieverbrauchs bei der Entschwefelung per Lufteinblasung, • Verringern des Eigenenergieverbrauchs bei der Feststoffeinbringung, • Erh{\"o}hen der W{\"a}rmenutzung durch strukturierte Vorgehensweise bei der Planung, • Erh{\"o}hen der W{\"a}rmenutzung durch Nachr{\"u}sten von W{\"a}rmemengenz{\"a}hlern, • Erh{\"o}hen des Auslastungsgrads des Blockheizkraftwerks.}, language = {de} } @techreport{ReiterTrinklZoerner2011, author = {Reiter, Christoph and Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Kunststoffe in solarthermischen Kollektoren - Anforderungsdefinition, Konzeptentwicklung und Machbarkeitsbewertung}, subtitle = {Abschlussbericht im Forschungsvorhaben Solarthermie2000plus}, pages = {140}, year = {2011}, abstract = {Die Hersteller von Solarw{\"a}rmeanlagen bem{\"u}hen sich stetig um die Senkung der Herstellkosten, vor allem des Solarkollektors, des weithin sichtbaren „Herzst{\"u}cks" jeder Solarw{\"a}rmeanlage. Massiv steigende Weltmarktpreise f{\"u}r die haupts{\"a}chlich eingesetzten Werkstoffe Aluminium und Kupfer laufen den Bem{\"u}hungen nach weiteren Kostensenkungen in der Kollektorfertigung aber leider entgegen. Der Einsatz von alternativen Werkstoffen, wie etwa Kunststoffen, f{\"u}r Solarkollektoren wird daher als vielversprechend angesehen. Die Verwendung von Kunststoffen im Solarkollektorbau kann dabei gleich mehrere Vorz{\"u}ge bieten. Neben der Einsparung von kostspieligem Kupfer und/oder Aluminium sind mit den polymeren Materialien durch eine m{\"o}gliche Gewichtsreduzierung gleichzeitig auch Vorteile bei der Montage verbunden. Durch Nutzung moderner Fertigungstechnologien von Kunststoffformteilen kann zudem die Kollektorfertigung automatisiert und damit die Kosten weiter gesenkt werden. Allerdings sind mit dem Einsatz von Kunststoffen bei den thermisch oft hoch belasteten Solarkollektoren auch technologische Herausforderungen verbunden. So stellen beispielsweise die begrenzte Temperatur-, Druck-, UV- und Langzeitbest{\"a}ndigkeit sowie die gegen{\"u}ber Kupfer schlechtere W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit kosteng{\"u}nstiger Kunststoffe hohe H{\"u}rden f{\"u}r deren Einsatz in Solarkollektoren dar. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zun{\"a}chst die auftretenden Temperaturlasten an den Kollektorbauteilen im Feldtest im Detail erfasst und in Jahreshistogrammen analysiert. Dabei erreicht der im System eingebundene Absorber Temperaturen von bis zu 192°C. Ein dauerhaft stagnierender Referenzabsorber erreicht 208°C und verweilt {\"u}ber 1.100 Stunden im Jahr auf einem Temperaturniveau von mehr als 95°C. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer Reduktion oder im besten Fall einer aktiven Kontrolle der auftretenden Temperaturbelastungen an einigen Bauteilen, wie etwa dem Absorber. Desweiteren wird aber auch deutlich, dass f{\"u}r s{\"a}mtliche Geh{\"a}usebauteile die Temperaturbelastung nicht die zentrale H{\"u}rde f{\"u}r den Kunststoffeinsatz darstellt. Zusammenfassend zeigt sich in den Messungen, dass im Hinblick auf Werkstoffspezifikationen eine sehr diversifizierte Betrachtung der Temperaturverl{\"a}ufe auf Bauteilebene erforderlich ist, anstelle der Angabe einer einheitlichen Maximaltemperatur f{\"u}r den gesamten Kollektor. Anschließend wurden sowohl verf{\"u}gbare als auch potenzielle {\"U}berhitzungsschutzmaßnahmen f{\"u}r solarthermische Kollektoren erfasst und hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen systematisiert. Ausgew{\"a}hlte Maßnahmen wurden in einer Simulation unter Nutzung eines speziell entwickelten, dynamischen Kollektormodells auf ihr Einsatzpotenzial hin untersucht. Es zeigt sich. dass eine nennenswerte Reduktion der thermischen Belastung an den Kollektorbauteilen u.a. ohne Einbuße des Anlagenertrages mit verschiedenen Maßnahmen prinzipiell durchaus erreichbar ist und vor allem perspektivisch erreicht werden kann. Das bedeutet, es werden L{\"o}sungswege aufgezeigt um den Einsatz neuer Werkstoffe wie etwa kosteng{\"u}nstiger Massenkunststoffe sogar am Absorber, also dem aus Sicht der Temperaturbelastung kritischsten Bauteil, realisieren zu k{\"o}nnen. Die dargestellten Simulationsergebnisse zeigen dar{\"u}ber hinaus einerseits die Zielparameter f{\"u}r die zweifelsfrei noch erforderliche Entwicklung, andererseits aber auch das Anwendungspotenzial einzelner L{\"o}sungen wie etwa den thermochromen Schichten auf, das in der Zukunft in jedem Fall zu heben ist. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden Konzepte f{\"u}r Kunststoffkollektoren unter Nutzung ad{\"a}quater Fertigungsverfahren entwickelt, um die Umsetzungs- und Gestaltungsm{\"o}glichkeiten aufzuzeigen. Abschließend wurden diese Konzepte hinsichtlich der Herstellkosten mit Standard-Flachkollektoren verglichen, wobei Kunststoffkollektoren neben den Vorteilen bei der Montage und Installation ein Kostensenkungspotenzial von bis zu 50\% Prozent aufweisen k{\"o}nnen.}, language = {de} } @article{MehtaEhrenwirthMissalletal.2021, author = {Mehta, Kedar and Ehrenwirth, Mathias and Missall, Siegmund and Degembaeva, Nadira and Akmatov, Kuban and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Energy Profiling of a High-Altitude Kyrgyz Community: Challenges and Motivations to Preserve Floodplain Ecosystems Based on Household Survey}, volume = {13}, pages = {13086}, journal = {Sustainability}, number = {23}, publisher = {MDPI}, address = {Basel}, issn = {2071-1050}, doi = {https://doi.org/10.3390/su132313086}, year = {2021}, abstract = {The floodplain areas along the Naryn River in Kyrgyzstan are essential as they hold the riparian (local) ecosystems because they provide firewood, pastureland, and areas for recreation and protection against erosion. Due to limited access to adequate, reliable, and sustainable energy services, the rural population usually derived their energy needs from multiple natural energy resources (i.e., firewood, charcoal, agricultural residues, animal dung, and wood branches). This is considered a common and predominant practice in rural Kyrgyzstan. This situation leads to a negative impact on local ecosystem services. In addition to that, the reliance on solid fuels contributes to indoor and outdoor air pollution, which is partially threatening the local ecosystem services. By contrast, the employment of renewable-based energy supply systems would substantially reduce the burden on the environment, which is mainly untapped. To integrate renewable energies, it is important to understand the energy behavior of floodplain communities. In that response, the presented article is the first attempt to capture the energy identity of the floodplain community of Kyrgyzstan based on a quantitative energy-based (on-site) household survey. Furthermore, the present research article synthesizes the driving factors that have a (direct or indirect) impact on the energy and local ecosystem services. In addition, the present article proposes a brief pathway for the sustainable energy transition. The article records the recommendation to integrate renewable energies to preserve the local ecosystems of Kyrgyzstan.}, language = {en} } @article{MehtaEhrenwirthTrinkletal.2021, author = {Mehta, Kedar and Ehrenwirth, Mathias and Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried and Greenough, Richard}, title = {The energy situation in Central Asia}, volume = {14}, pages = {2805}, journal = {Energies}, subtitle = {a comprehensive energy review focusing on rural areas}, number = {10}, publisher = {MDPI}, address = {Basel}, issn = {1996-1073}, doi = {https://doi.org/10.3390/en14102805}, year = {2021}, abstract = {The northern part of the globe is dominated by industrialisation and is well-developed. For many years, the southern part of the world (South Asia, Africa etc.) has been a target of research concentrating on access to energy (mainly electricity) in rural regions. However, the Central Asian region has not been a focus of energy research compared to South East Asia and Africa. Despite plentiful domestically available energy resources, the energy supply in Central Asia is very unevenly distributed between urban and rural areas. Almost half of the total population of Central Asia lives in rural areas and there is a lack of access to modern energy services to meet primary needs. To analyse the energy situation (i.e., electricity, heating, hot water consumption, cooking, etc.) in rural Central Asia, this paper reviews residential energy consumption trends in rural Central Asian regions as compared to urban areas. Furthermore, the paper illustrates the potential of renewable energies in Central Asia. To perform the study, a qualitative comparative analysis was conducted based on a literature review, data, and statistical information. In summary, the presented article discusses the rural energy situation analytically and provides in-depth insights of Central Asian energy infrastructure.}, language = {en} } @article{BugajeEhrenwirthTrinkletal.2021, author = {Bugaje, Aminu and Ehrenwirth, Mathias and Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Electric two-wheeler vehicle integration into rural off-grid photovoltaic system in Kenya}, volume = {14}, pages = {7956}, journal = {Energies}, number = {23}, publisher = {MDPI}, address = {Basel}, issn = {1996-1073}, doi = {https://doi.org/10.3390/en14237956}, year = {2021}, abstract = {In both rural and urban areas, two-wheeler vehicles are the most common means of transportation, contributing to local air pollution and greenhouse gas emissions (GHG). Transitioning to electric two-wheeler vehicles can help reduce GHG emissions while also increasing the socioeconomic status of people in rural Kenya. Renewable energy systems can play a significant role in charging electric two-wheeled vehicles, resulting in lower carbon emissions and increased renewable energy penetration in rural Kenya. As a result, using the Conventional and Renewable Energy Optimization (CARNOT) Toolbox in the MATLAB/Simulink environment, this paper focuses on integrating and modeling electric two-wheeled vehicles (e-bikes) into an off-grid photovoltaic Water-Energy Hub located in the Lake Victoria Region of Western Kenya. Electricity demand data obtained from the Water-Energy Hub was investigated and analyzed. Potential solar energy surplus was identified and the surplus was used to incorporate the electric two-wheeler vehicles. The energy consumption of the electric two-wheeler vehicles was also measured in the field based on the rider's driving behavior. The modeling results revealed an annual power consumption of 27,267 kWh, a photovoltaic (PV) electricity production of 37,785 kWh, and an electricity deficit of 370 kWh. The annual results show that PV generation exceeds power consumption, implying that there should be no electricity deficit. The results, however, do not represent the results in hourly resolution, ignoring the impact of weather fluctuation on PV production. As a result, in order to comprehend the electricity deficit, hourly resolution results are shown. A load optimization method was designed to efficiently integrate the electric 2-wheeler vehicle into the Water-Energy Hub in order to alleviate the electricity deficit. The yearly electricity deficit was decreased to 1 kWh and the annual electricity consumption was raised by 11\% (i.e., 30,767 kWh), which is enough to charge four more electric two-wheeler batteries daily using the load optimization technique.}, language = {en} } @article{BaerWagenederSolkaetal.2020, author = {B{\"a}r, Katharina and Wageneder, Stefanie and Solka, Felix and Saidi, Abdessamad and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Flexibility Potential of Photovoltaic Power Plant and Biogas Plant Hybrid Systems in the Distribution Grid}, volume = {43}, journal = {Chemical Engineering \& Technology}, number = {8}, publisher = {Wiley}, address = {Weinheim}, issn = {1521-4125}, doi = {https://doi.org/10.1002/ceat.202000025}, pages = {1571 -- 1577}, year = {2020}, abstract = {The potential of combining biogas and photovoltaic (PV) power plants in hybrid systems in the German distribution grid is analyzed. The focus of the present research is on balancing the intermittent power supply from PV power plants with the controllable power production of combined heat and power (CHP) units of biogas plants within a period of seconds. To achieve an increase of the total energy feed-in of biogas and PV power plants to the electricity grid, a biogas plant energy management system is described. System parameters, such as the variable feed-in of PV power plants or power ramps of the start-up process of controllable biogas plant CHP unit, are described and adapted to the global installed capacity of PV power plant and biogas plants in the German distribution grid.}, language = {en} } @article{DotzauerPfeifferLaueretal.2018, author = {Dotzauer, Martin and Pfeiffer, Diana and Lauer, Markus and Pohl, Marcel and Mauky, Eric and B{\"a}r, Katharina and Sonnleitner, Matthias and Z{\"o}rner, Wilfried and Hudde, Jessica and Schwarz, Bj{\"o}rn and Faßauer, Burkhardt and Dahmen, Markus and Rieke, Christian and Herbert, Johannes and Thr{\"a}n, Daniela}, title = {How to measure flexibility - Performance indicators for demand driven power generation from biogas plants}, volume = {2019}, journal = {Renewable Energy}, number = {134}, publisher = {Elsevier}, address = {Amsterdam}, issn = {1879-0682}, doi = {https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.021}, pages = {135 -- 146}, year = {2018}, abstract = {Flexible power provision from biogas can significantly contribute to energy systems with high shares of renewables. However, the characteristics and demands for this flexibility are not clearly defined or measured. In this paper eight indicators are defined to shape "flexibility" and perform a downstream investigation of eight research projects focusing on flexible energy provision of biogas plants. The indicators are structured in three dimensions (1) velocity (ramps) by which the system can be modulated, (2) power range (bandwidth) and (3) duration for specific load conditions. Based on these indicators bottlenecks for the flexibility potential were identified. One crucial result shows that short-term flexibility of biogas plants is mainly driven by properties of the combined heat and power unit (velocity and bandwidth). The long-term flexibility depends mainly on gas storage, mode of operation and ability for modulation of the target gas production.}, language = {en} } @article{ReiterTrinklZoerneretal.2015, author = {Reiter, Christoph and Trinkl, Christoph and Z{\"o}rner, Wilfried and Hanby, Victor Ian}, title = {A Dynamic Multinode Model for Component-Oriented Thermal Analysis of Flat-Plate Solar Collectors}, volume = {2015}, pages = {280694}, journal = {Journal of Solar Energy}, publisher = {Hindawi Publ.}, address = {New York; Cairo}, issn = {2314-6230}, doi = {http://dx.doi.org/10.1155/2015/280694}, year = {2015}, abstract = {A mathematical model of a flat-plate solar collector was developed on the basis of the physical principles of optics and heat transfer in order to determine collector's component temperatures as well as collector efficiency. In contrast to many available models, the targeted use of this dynamic model is the detailed, theoretical investigation of the thermal behaviour of newly developed or adjusted collector designs on component level, for example, absorber, casing, or transparent cover. The defined model is based on a multinode network (absorber, fluid, glazing, and backside insulation) containing the relevant physical equations to transfer the energy. The heat transfer network covers heat conduction, convection, and radiation. Furthermore, the collector optics is defined for the plane glazing and the absorber surface and also considers interactions between them. The model enables the variation of physical properties considering the geometric parameters and materials. Finally, the model was validated using measurement data and existing efficiency curve models. Both comparisons proved high accuracy of the developed model with deviation of up to 3\% in collector efficiency and 1 K in component temperatures.}, language = {en} } @article{NgetunyBaldaufZoerner2025, author = {Ngetuny, Joshua and Baldauf, Tobias and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Optimizing Feedstock Selection for Sustainable Small-Scale Biogas Systems Using the Analytic Hierarchy Process}, volume = {18}, pages = {1739}, journal = {Energies}, number = {7}, publisher = {MDPI}, address = {Basel}, issn = {1996-1073}, doi = {https://doi.org/10.3390/en18071739}, year = {2025}, abstract = {Small-scale biogas systems can play a pivotal role in sustainable energy provision, particularly in developing countries. However, their dependence on livestock manure as the only feedstock poses challenges to their adoption and long-term viability. This often leads to insufficient biogas production and plant abandonment. This study proposes co-digestion of livestock manure with other farm residues to enhance the technical sustainability of small-scale biogas systems by ensuring adequate and consistent biogas production throughout the plant's lifespan, minimizing the risks associated with reliance on a single feedstock. A novel feedstock selection approach is developed using the Analytic Hierarchy Process (AHP), a multicriteria decision-making method, to prioritize feedstocks based on adequacy, supply consistency, and logistical ease. AHP is chosen due to its capability to handle both quantitative and qualitative evaluation criteria. This approach is applied to the F{\`e}s-Mekn{\`e}s region of Morocco, which offers abundant livestock and crop residues alongside product utilization pathways. The prioritization and ranking of the potential feedstocks identified in the region reveals cattle manure as the top-ranked feedstock due to its consistent supply and ease of collection, followed by straw, valued for its storability and nutrient stability. Sheep, horse, and chicken manure ranked third, fourth, and fifth, respectively, while household food waste and fruit and vegetable residues, limited by seasonality and perishability, were ranked lower. Based on these findings, co-digestion of cattle manure and straw is proposed as a sustainable strategy for small-scale biogas plants in F{\`e}s-Mekn{\`e}s, addressing feedstock shortages, enhancing biogas production, and reducing plant abandonment. This approach strengthens technical sustainability and promotes the broader adoption of biogas technologies in developing countries.}, language = {en} } @article{MehtaZoerner2025, author = {Mehta, Kedar and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Optimizing Agri-PV System: Systematic Methodology to Assess Key Design Parameters}, volume = {18}, pages = {3877}, journal = {Energies}, number = {14}, publisher = {MDPI}, address = {Basel}, issn = {1996-1073}, doi = {https://doi.org/10.3390/en18143877}, year = {2025}, abstract = {Agrivoltaic (Agri-PV) systems face the critical challenge of balancing photovoltaic energy generation with crop productivity, yet systematic approaches to quantifying the trade-offs between these objectives remain scarce. In this study, we identify nine essential design indicators: panel tilt angle, elevation, photovoltaic coverage ratio, shading factor, land equivalent ratio, photosynthetically active radiation (PAR) utilization, crop yield stability index, water use efficiency, and return on investment. We introduce a novel dual matrix Analytic Hierarchy Process (AHP) to evaluate their relative significance. An international panel of eighteen Agri-PV experts, encompassing academia, industry, and policy, provided pairwise comparisons of these indicators under two objectives: maximizing annual energy yield and sustaining crop output. The high consistency observed in expert responses allowed for the derivation of normalized weight vectors, which form the basis of two Weighted Influence Matrices. Analysis of Total Weighted Influence scores from these matrices reveal distinct priority sets: panel tilt, coverage ratio, and elevation are most influential for energy optimization, while PAR utilization, yield stability, and elevation are prioritized for crop productivity. This methodology translates qualitative expert knowledge into quantitative, actionable guidance, clearly delineating both synergies, such as the mutual benefit of increased elevation for energy and crop outcomes, and trade-offs, exemplified by the negative impact of high photovoltaic coverage on crop yield despite gains in energy output. By offering a transparent, expert-driven decision-support tool, this framework enables practitioners to customize Agri-PV system configurations according to local climatic, agronomic, and economic contexts. Ultimately, this approach advances the optimization of the food energy nexus and supports integrated sustainability outcomes in Agri-PV deployment.}, language = {en} } @article{MehtaWrightBrownetal.2025, author = {Mehta, Kedar and Wright, Andrew and Brown, Neil and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Transitioning to Low-Carbon Heating: Decision-Making Approach for Cold Communities}, volume = {9}, pages = {zkaf010}, journal = {Clean Energy}, number = {4}, publisher = {Oxford University Press}, address = {Oxford}, issn = {2515-396X}, doi = {https://doi.org/10.1093/ce/zkaf010}, year = {2025}, abstract = {Selecting a sustainable heat energy supply system for high-altitude, cold-climatic communities in developing countries is essential for both decision-makers and the scientific community. However, no comprehensive guide or framework exists to address this issue and decarbonize cold communities sustainably. This research aims to fill that gap by identifying and developing a methodology for selecting a suitable heat energy supply system, using Kyrgyzstan as a case study. The approach takes into account renewable energy sources, local conditions, and specific criteria necessary for designing a sustainable energy supply. The paper introduces a decision-making framework based on 17 criteria, covering geographical, environmental, economic, technical, and social aspects, derived from the opinions of over 20 experts. This framework serves as a guide for selecting and designing an appropriate heat energy supply system. Five heat supply options are analyzed in Kyrgyzstan's high-altitude, cold rural setting to demonstrate the framework's potential. The analysis reveals that centralized district heating is the most suitable solution, scoring 79\% for system selection. This methodology is partially or fully transferable to regions or countries with similar climates and local circumstances, offering a valuable resource for the development of sustainable heat energy solutions in cold, high-altitude communities.}, language = {en} } @inproceedings{BeringerMehtaEhrenwirthetal.2021, author = {Beringer, Jakob and Mehta, Kedar and Ehrenwirth, Mathias and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Sustainable materials for insulating high-altitude rural Kyrgyz residential houses: A parametric economic study}, booktitle = {Applied Research Conference 2021, Conference Proceedings}, editor = {S{\"o}llner, Matthias and Pirkl, Gerald}, publisher = {Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden}, address = {Amberg}, url = {https://www.oth-aw.de/files/oth-aw/Aktuelles/Veroeffentlichungen/Applied_Research_Conference_ARC2021_Proceedings.pdf}, pages = {183 -- 188}, year = {2021}, language = {en} } @inproceedings{KnepperEhrenwirthZoerner2021, author = {Knepper, Karoline and Ehrenwirth, Mathias and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Potential of e- mobility in rural areas - Evaluation of opportunities and barriers based on literature review}, booktitle = {Applied Research Conference 2021, Conference Proceedings}, editor = {S{\"o}llner, Matthias and Pirkl, Gerald}, publisher = {Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden}, address = {Amberg}, url = {https://www.oth-aw.de/files/oth-aw/Aktuelles/Veroeffentlichungen/Applied_Research_Conference_ARC2021_Proceedings.pdf}, pages = {216 -- 220}, year = {2021}, language = {en} } @inproceedings{RiedmaierBaerZoerner2021, author = {Riedmaier, Thomas and B{\"a}r, Katharina and Z{\"o}rner, Wilfried}, title = {Comparison of different calculation methods for the outflow from pressurized vessels}, booktitle = {Applied Research Conference 2021, Conference Proceedings}, editor = {S{\"o}llner, Matthias and Pirkl, Gerald}, publisher = {Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden}, address = {Amberg}, url = {https://www.oth-aw.de/files/oth-aw/Aktuelles/Veroeffentlichungen/Applied_Research_Conference_ARC2021_Proceedings.pdf}, pages = {258 -- 263}, year = {2021}, language = {en} }