@article{GamischHuberGadereretal., author = {Gamisch, Bernd and Huber, Lea and Gaderer, Matthias and Dawoud, Belal}, title = {On the Kinetic Mechanisms of the Reduction and Oxidation Reactions of Iron Oxide/Iron Pellets for a Hydrogen Storage Process}, series = {Energies}, volume = {15}, journal = {Energies}, number = {21}, publisher = {MDPI}, doi = {10.3390/en15218322}, abstract = {This work aims at investigating the kinetic mechanisms of the reduction/oxidation (redox) reactions of iron oxide/iron pellets under different operating conditions. The reaction principle is the basis of a thermochemical hydrogen storage system. To simulate the charging phase, a single pellet consisting of iron oxide (90\% Fe2O3, 10\% stabilising cement) is reduced with different hydrogen (H2) concentrations at temperatures between 600 and 800 °C. The discharge phase is initiated by the oxidation of the previously reduced pellet by water vapour (H2O) at different concentrations in the same temperature range. In both reactions, nitrogen (N2) is used as a carrier gas. The redox reactions have been experimentally measured in a thermogravimetric analyser (TGA) at a flow rate of 250 mL/min. An extensive literature review has been conducted on the existing reactions' kinetic mechanisms along with their applicability to describe the obtained results. It turned out that the measured kinetic results can be excellently described with the so-called shrinking core model. Using the geometrical contracting sphere reaction mechanism model, the concentration- and temperature-dependent reduction and oxidation rates can be reproduced with a maximum deviation of less than 5\%. In contrast to the reduction process, the temperature has a smaller effect on the oxidation reaction kinetics, which is attributed to 71\% less activation energy (Ea,Re=56.9 kJ/mol versus Ea,Ox=16.0 kJ/mol). The concentration of the reacting gas showed, however, an opposite trend: namely, to have an almost twofold impact on the oxidation reaction rate constant compared to the reduction rate constant.}, language = {en} } @inproceedings{RauchBrueckl, author = {Rauch, Johannes and Br{\"u}ckl, Oliver}, title = {Konzeptionierung netzplanerischer Prozessans{\"a}tze zur Ermittlung von Blindleistungskapazit{\"a}ten zum Ausgleich des Blindleistungsbedarfs in einer Netzregion}, series = {Tagungsband Tagung Zuk{\"u}nftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online)}, booktitle = {Tagungsband Tagung Zuk{\"u}nftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online)}, publisher = {Conexio-PSE GmbH}, address = {Pforzheim}, isbn = {978-3-948176-16-7}, doi = {10.35096/othr/pub-5866}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-58665}, pages = {117 -- 126}, abstract = {Um einen sicheren und zuverl{\"a}ssigen Stromnetzbetrieb zu gew{\"a}hrleisten, muss die Spannung im Grundfall als auch bei ungeplanten Ausf{\"a}llen in definierten Bereichen gehalten werden. Im {\"U}bertragungsnetz wird hierf{\"u}r bisher Blindleistung haupts{\"a}chlich aus Blindleistungskompensationsanlagen und konventionellen Großkraftwerken eingesetzt. Zuk{\"u}nftig wird nach \S12h EnWG eine marktgest{\"u}tzte Beschaffung dieser Dienstleistung zur Spannungsregelung vorgeschrieben. Zugleich ver{\"a}ndert sich der Blindleistungsbedarf der Netzbetriebsmittel durch die Integration erneuerbarer Energieanlagen und der Elektromobilit{\"a}t sowie durch den Netzausbau bei {\"U}bertragungs- und Verteilungsnetzbetreibern. Es bedarf somit angepasster Netzbetriebs- und Netzplanungskonzepte f{\"u}r ein technisch effizientes und wirtschaftlich g{\"u}nstiges Blindleistungsmanagement. Dieser Beitrag besch{\"a}ftigt sich damit, Prozessans{\"a}tze und Methodiken f{\"u}r ebendieses in der Netzplanung aufzuzeigen, um erforderliche Blindleistungskapazit{\"a}ten unter minimalen Gesamtkostenaufwand und unter Ber{\"u}cksichtigung einer effizienten Blindleistungsbedarfsdeckung zu bestimmen. Dabei liegt der Fokus verst{\"a}rkt in der Bedarfsanalyse.}, language = {de} } @inproceedings{SchweibererRauchBrueckl, author = {Schweiberer, Philipp and Rauch, Johannes and Br{\"u}ckl, Oliver}, title = {Entwicklung eines Regelkonzeptes f{\"u}r einen optimierten Blindleistungsabruf auf Basis von Blindleistungspotentialanalysen bei Industriebetrieben im Mittelspannungsnetz}, series = {Tagungsband Tagung Zuk{\"u}nftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online)}, booktitle = {Tagungsband Tagung Zuk{\"u}nftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online)}, publisher = {Conexio-PSE GmbH}, address = {Pforzheim}, isbn = {978-3-948176-16-7}, doi = {10.35096/othr/pub-5870}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-58704}, pages = {224 -- 233}, abstract = {Im Zuge der Energiewende ergibt sich ein Wandel in der Struktur des Elektrizit{\"a}tsversorgungsnetzes. Die Verschiebung der Erzeugungsleistung von konventionellen Großkraftwerken in h{\"o}heren Netzebenen hin zu dezentralen erneuerbaren Energieanlagen in niedrigeren Netzebenen resultiert sowohl in bidirektionalen Lastfl{\"u}ssen als auch in schwankenden Einspeisecharakteristiken. Des Weiteren folgen durch den Wegfall von Großkraftwerken als Blindleistungsquellen Leistungsdefizite in der {\"U}bertragungsnetzebene, die kompensiert werden m{\"u}ssen. Daraus resultieren Herausforderungen an einen sicheren und zuverl{\"a}ssigen Betrieb der Verteil- und {\"U}bertragungsnetze. Neue Konzepte m{\"u}ssen f{\"u}r die Erbringung von Blindleistung entwickelt werden, es soll mehr Blindleistung aus dem Verteilungsnetz zur Verf{\"u}gung gestellt werden, um die Systemstabilit{\"a}t zu wahren. Im Rahmen des Projektes Q-Integral wird das Thema „Blindleistung" (Q) ganzheitlich untersucht. Es werden dazu verschiedene Erbringungsoptionen f{\"u}r Blindleistung hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Potentiale untersucht, die in ein funktionales und effizientes Blindleistungsmanagement eingebracht werden. Die Untersuchungsans{\"a}tze daf{\"u}r sind sowohl spannungsebenen-{\"u}bergreifend als auch netzbetreiber-{\"u}bergreifend. Ein Ansatzpunkt des Projektes ist die Betrachtung der Blindleistungsbereitstellung von Industriebetrieben. Dazu wird das Potential von Betrieben, die an das Verteilnetz angeschlossen sind und Blindleistung durch Kompensations- oder Erzeugungsanlagen bereitstellen k{\"o}nnen, untersucht. Ziel ist es, das gesicherte und maximale induktive sowie kapazitive Potential zu bestimmen. Das gesicherte kapazitive Potential kann genutzt werden, um Aussagen dar{\"u}ber zu treffen, wie stark dem Spannungsfall im vorgelagerten Netz zu Starklastzeiten entgegengewirkt werden kann. Anhand des gesicherten induktiven Potentials kann ein Spannungsanstieg w{\"a}hrend Schwachlastzeiten ausgeglichen werden kann. In diesem Beitrag werden Ergebnisse aus dem Projekt Q-Integral vorgestellt. Dazu werden zuerst die Berechnungsgrundlagen der induktiven und kapazitiven Blindleistungspotentiale aufgezeigt und die Ergebnisse der Berechnungen vorgestellt. Die gewonnen Ergebnisse entstammen aus Messungen an einem Industriebetrieb mit Blindleistungskompensationsanlagen (BKA), den entsprechenden Reglern der Anlagen und einer installierten Kompensationsleistung von 1600 kvar. Sowohl die Lastg{\"a}nge als auch das Schaltverhalten der einzelnen Kompensationsanlagen liegen den Berechnungen zugrunde. Um den Austausch der Blindleistung an der {\"U}bergabestelle des Betriebs zum Mittelspannungsnetz netzdienlich einzustellen, bedarf es eines geeigneten Regelkonzepts, das neben den BKAs auch weitere Q-Quellen ber{\"u}cksichtigt. Deshalb wird abschließend ein Regelkonzept vorgestellt, das den technisch-optimierten Blindleistungsabruf unter Ber{\"u}cksichtigung mehrerer Blindleistungsquellen behandelt.}, language = {de} } @inproceedings{RauchBruecklEngel, author = {Rauch, Johannes and Br{\"u}ckl, Oliver and Engel, Bernd}, title = {Analysis and optimization of the steady state voltage deviation demand for reactive power planning using installed reactive power sources}, series = {NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg}, booktitle = {NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg}, editor = {Schulz, Detlef}, publisher = {VDE-Verlag}, address = {Berlin}, isbn = {978-3-8007-5983-5}, issn = {2510-6902}, pages = {175 -- 182}, abstract = {The provision of reactive power is one option for maintaining the grid voltage, that is defined as an ancillary service in Germany. This paper presents an approach for determining deficient voltage deviation demands within an electrical grid for long term reactive power planning investigations. In contrast to previous approaches, which evaluate the Q-behavior of extended ward elements or grid assets, voltage deviations are analyzed bus-specifically. So further reactive power planning investigations are able to scale and optimize additional reactive power sources directly on planning voltage limits using load flow sensitivity techniques. The focus lies on the analysis of the steady state demand at base case conditions. Therefore, a grid planning process is conceptualized. An optimal power flow algorithm based on Differential Evolution is used for an optimal reactive power dispatch of installed reactive power sources, e. g. reactive power compensation systems or (renewable) energy sources to minimize the total voltage deviation according to voltage limits of Transmission System Operators planning principles. Methodological and processuals specifications as well as an application use case with an exemplary transmission system are presented in this paper.}, language = {en} } @inproceedings{SchweibererRauchBrueckl, author = {Schweiberer, Philipp and Rauch, Johannes and Br{\"u}ckl, Oliver}, title = {Long-term analysis of industrial reactive power potentials with consideration of plant-internal grid restrictions using the example of an industrial plant in a distribution grid}, series = {NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg}, booktitle = {NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg}, editor = {Schulz, Detlef}, publisher = {VDE-Verlag}, address = {Berlin}, isbn = {978-3-8007-5983-5}, issn = {2510-6902}, pages = {51 -- 56}, abstract = {Since conventional generation plants provide a considerable share of reactive power but are gradually being shut down due to energy transition, leading to power deficits at the transmission grid level, new concepts for the supply of reactive power must be developed. As one possibility for the latter, industrial plants in the distribution grid are considered suitable, as their reactive power potentials can contribute to voltage maintenance and thus to a grid- or system-serving behavior. In this paper, the determination of reactive power potentials provided by industrial compensation systems (ICS) is presented. An industrial plant in the medium voltage grid, with three installed ICSs, is investigated. The potentials are determined and described based on their time characteristics, which provide information about the occurrence and distribution of inductive and capacitive potentials. A grid simulation of the investigated industrial grid is used to analyze the effects of retrieving the reactive power potentials regarding equipment utilizations and voltage limits.}, language = {en} } @misc{WalterSchwanzerHagenetal., author = {Walter, Stefanie and Schwanzer, Peter and Hagen, Gunter and Rabl, Hans-Peter and Dietrich, Markus and Moos, Ralf}, title = {Combined Ash and Soot Monitoring in Gasoline Particulate Filters with a Radio-Frequency-Based Sensor}, series = {SAE World Congress Experience, April 5-7, 2022, Detroit, Michigan, USA}, journal = {SAE World Congress Experience, April 5-7, 2022, Detroit, Michigan, USA}, abstract = {In recent years, it turned out that primarily the number of ultrafine particles and not their mass is relevant in terms of harmful health effects. Therefore, exhaust emission standards are constantly being tightened with regard to the particulate number. To meet the emission limits, particulate filters have become necessary for gasoline engines. Similar to diesel applications, gasoline particulate filters (GPFs) can be monitored via differential pressure measurement or via a radio-frequency approach (RF-sensor). The latter is based on the influence of the soot conductivity on the electromagnetic field. To control the GPF, ash detection is of crucial importance besides the soot load monitoring. With the differential pressure system, this is only possible with high uncertainties due to the low pressure increase caused by ash. The RF-sensor, however, has already demonstrated its potential for ash detection in diesel applications. In order to verify the applicability of the system for GPFs, filters were loaded via a method for fast ash loading. Thereby, it was shown that by evaluating resonant modes - especially the resonant frequency - the ash loading can easily be measured as long as the filter is soot-unloaded. In contrast, soot loading can be determined independently from this by considering a frequency-averaged transmission signal between the antennas of the RF-sensor. Using a setup for radio-frequency material characterization, the dielectric parameters of the generated ash were also measured. In comparison with the properties of the synthetic soot PrintexU, ash showed significantly lower dielectric losses. Thus, the evaluation of the loss-dependent quality factor, which is only possible at low soot loadings, allows a precise conclusion whether the filter is completely soot-free. Furthermore, using synthetic soot loading, it could be shown that soot detection via the averaged transmission signal is not affected by ash. In summary, it could be shown that with the RF-sensor, ash and soot can be simultaneously detected.}, language = {en} } @phdthesis{Schwanzer, author = {Schwanzer, Peter}, title = {Experimentelle Untersuchungen zur On-Board {\"U}berwachung von Partikelfiltern f{\"u}r den Einsatz an direkteinspritzenden Benzinmotoren}, publisher = {Verlag Dr. Hut}, address = {M{\"u}nchen}, isbn = {978-3-8439-5101-2}, pages = {194}, abstract = {This thesis deals with the development of a methodology for an improved on-board diagnosis of particulate filters in vehicles with gasoline direct injection (GDI) technology with regard to future emission legislations. In order to comply with statutory particle number limits, particulate filters are used in the exhaust gas aftertreatment for GDI-engines. The currently applied method for diagnostic purposes, a differential pressure sensor, will not be suitable for future legislations. Therefore, an on-board strategy with real-time ability shall be developed. To achieve this, the application of novel sensor concepts has been investigated, namely electrostatic soot sensors (ePM sensor) and radio frequency antennas (RF sensor). Due to the results of the ePM-sensors, no methodology for an on-board diagnosis based on an ePM sensor concept was made. The RF sensor showed varying sensitivities for different soot and different quantities of volatile components in the filter element. The analysis of the oxidation processes showed that the regeneration of the filter element is detected by the RF sensor. Furthermore, the stored amount of ash could be captured. Due to these findings, a concept for an improved on-board diagnosis strategy by means of an RF sensor concept was developed. In the course of the work it turned out that a combined sensor concept consisting of a differential pressure sensor and a RF sensor is most suitable. In a validation process, this sensor concept showed sufficient results concerning the detection capability of soot and ash loads as well as of the degree of damage of particulate filters. Especially for small amounts of ash, this sensor concept showed specific advantage. Also, the determination of the current amount of soot in the filter element proved to be suitable. Regarding the detection of damages, the sensor concept convinces through a higher sensitivity.}, language = {de} } @phdthesis{Grauvogl, author = {Grauvogl, Dominik}, title = {Multiphysikalische Auslegung einer fremderregten Synchronmaschine mit magnetischer Asymmetrie f{\"u}r einen Hochvolt-Achsantrieb}, editor = {Gerling, Dieter}, publisher = {Shaker Verlag}, address = {D{\"u}ren}, isbn = {9783844085532}, pages = {260}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird eine fremderregte Synchronmaschine als Achsantrieb f{\"u}r ein Elektrofahrzeug entwickelt. Als Grundlage hierf{\"u}r dient ein bereits vorhandener Stator einer permanenterregten Synchronmaschine. Durch die Wiederverwendung des Stators ist eine maschinentypunabh{\"a}ngige Baukastenerweiterung in Form eines magnetfreien Rotors gegeben, wodurch die {\"o}konomischen und {\"o}kologischen Nachteile der Permanentmagnete ausgeschlossen sind. Bei der Auslegung des Rotors wird von Beginn an ein multiphysikalischer Entwicklungsansatz gew{\"a}hlt, mit dem der praxistaugliche Einsatz f{\"u}r den modularen Baukasten sichergestellt ist. Dabei ist die elektromagnetische Auslegung iterativ auf die mechanische Blechpaketfestigkeit, das thermische Verhalten und die magnetischen Ger{\"a}usche abgestimmt. In Kombination mit den gesetzten Restriktionen ergibt sich ein neuartiges asymmetrisches Polschuhdesign mit dem es m{\"o}glich ist, das geforderte Drehmoment mit gen{\"u}gend kleiner Welligkeit ohne eine Rotorschr{\"a}gung zu erreichen. Die Simulationsergebnisse sind durch die Vermessung eines aufgebauten Prototyps validiert und best{\"a}tigt. Ein abschließender Simulationsvergleich mit der baugleichen permanenterregten Synchronmaschine zeigt, dass die fremderregte Synchronmaschine hinsichtlich Performance, Wirkungsgrad und Ger{\"a}uschverhalten eine konkurrenzf{\"a}hige Alternative dazu ist.}, language = {en} } @phdthesis{Weber, author = {Weber, Sebastian}, title = {Charakterisierung verschiedener Wassereinspritztechnologien f{\"u}r Ottomotoren}, doi = {10.25673/86462}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-884176}, pages = {xvii, 151}, abstract = {Die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission bei gleichzeitiger Verbesserung der Fahrleistung bei kleinerem Hubraum und reduzierter Zylinderzahl, die erh{\"o}hte Performance und die Kompatibilit{\"a}t mit elektrifizierten Komponenten beschreiben die aktuellen Ziele und Herausforderungen der modernen Ottomotorentwicklung. Um alle Herausforderungen zu erf{\"u}llen, muss ein st{\"o}chiometrischer Betrieb sichergestellt werden. Dabei kann es jedoch an der Volllast zur {\"U}berschreitung thermischer Grenzen im Abgaspfad kommen, weswegen die Abgastemperatur ohne Leistungsverluste abgesenkt werden muss. Die Wassereinspritzung kombiniert Downsizing, Leistungssteigerung und die Verbesserung der Schadstoffemissionen wirkungsvoll miteinander und k{\"o}nnte einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten. Um ein optimales Systemlayout zu erarbeiten, sind prozessuale Betrachtungen oft nicht ausreichend. Vielmehr m{\"u}ssen die Ph{\"a}nomene im Brennraum beobachtet werden. Schwerpunktm{\"a}ßig sind dies die Einbringung des Wassers, der Wandkontakt, die Spray- und Wandfilmverdampfung und somit die Wirksamkeit der Abgastemperaturreduktion und die Verbesserung des indizierten Wirkungsgrads. In einem ersten Schritt werden die Thermodynamik bei Wassereinspritzung analysiert und verschiedene Einspritztechnologien miteinander verglichen. Fokussiert wird die Verbrennung, die Ver{\"a}nderung in den gasf{\"o}rmigen und festen Abgasbestandteilen und die mechanische Belastung der Aggregate durch die Verbesserung der Z{\"u}ndwinkel. Die Mischungseinspritzung {\"u}ber den zentralen Hochdruckinjektor vereint den geringsten Wasserverbrauch mit bestm{\"o}glicher Schwerpunktlage, starker Reduktion des Partikelausstoßes und akzeptabler Erh{\"o}hung der mechanischen Belastung und ist damit das favorisierte Konzept. Neben den prozessualen Betrachtungen werden mit einem optisch zug{\"a}nglichen Versuchstr{\"a}ger zwei laseroptische Messtechniken zur Visualisierung fl{\"u}ssigen Wassers und der spektralen Trennung zwischen Wasser und Kraftstoff entwickelt und validiert. Damit werden die verschiedenen Varianten optisch vermessen und die Sensitivit{\"a}t gegen{\"u}ber ver{\"a}nderten Betriebs- und Randbedingungen ermittelt. Die Sammlereinspritzung zeigt die gr{\"o}ßten Tropfen, gefolgt von der Saugrohr- und der Mischungseinspritzung. Auch hat diese den mit Abstand gr{\"o}ßten Wandkontakt und die geringste Verdampfungsrate, ist zus{\"a}tzlich anf{\"a}llig f{\"u}r zyklische Schwankungen. Die Saugrohreinspritzung kennzeichnen kleine Tropfen, ein konzentriertes Einstr{\"o}men durch den Ventilspalt, ein fl{\"a}chiger Wandfilm auf der Kolbenoberseite und die Verbesserung der Tropfenverdampfung durch Turbulenz und die Nutzung von Phasing. Favorit ist abermals die Mischungseinspritzung. Eine hohe Wandfilm- und unmittelbare Sprayverdampfung kennzeichnen das System, wobei eine Erh{\"o}hung des Einspritzdrucks die Verdampfungsrate signifikant verbessert. Außerdem ist die Einspritzdauer am geringsten und die Reproduzierbarkeit am gr{\"o}ßten, jedoch auch der applikative Aufwand. Am favorisierten System werden weitere Analysen durchgef{\"u}hrt, unter anderem zur Ver{\"a}nderung der Bauteiltemperaturen, der Vergleich mit einer Ethanoleinspritzung oder die vielversprechende Kombination in Form einer Wasser-Ethanol-Mischungseinspritzung. Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse wird ein CFD-Verfahren vorgestellt, das die Wassereinspritzung abbildet und somit die Virtualisierung in der Produktentwicklung vorantreibt. Neben der methodischen Vorgehensweise wird das Verfahren validiert und am Einzylinder- und Vollmotorbetriebspunkt vorgestellt. Die auftretenden Unterschiede werden analysiert und ausgew{\"a}hlte Parameteranalysen durchgef{\"u}hrt. Mit den Simulationen kann nachvollzogen werden, wie das Wasser die Zylinderlaufbahn benetzt und mit dem Kolben interagiert. Zusammenfassend charakterisiert diese Arbeit die g{\"a}ngigen Wassereinspritzvarianten auf unterschiedlichen Ebenen, gibt Optimierungsempfehlungen f{\"u}r die bestm{\"o}gliche Medienverdampfung und empfiehlt die Mischungseinspritzung als Systemlayout.}, subject = {Kolbenkraftmaschine}, language = {de} } @article{SternerSpecht, author = {Sterner, Michael and Specht, Michael}, title = {Power-to-Gas and Power-to-X-The History and Results of Developing a New Storage Concept}, series = {Energies}, volume = {14}, journal = {Energies}, number = {20}, publisher = {MDPI}, doi = {10.3390/en14206594}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-26202}, abstract = {Germany's energy transition, known as 'Energiewende', was always very progressive. However, it came technically to a halt at the question of large-scale, seasonal energy storage for wind and solar, which was not available. At the end of the 2000s, we combined our knowledge of both electrical and process engineering, imitated nature by copying photosynthesis and developed Power-to-Gas by combining water electrolysis with CO2-methanation to convert water and CO2 together with wind and solar power to synthetic natural gas. Storing green energy by coupling the electricity with the gas sector using its vast TWh-scale storage facility was the solution for the biggest energy problem of our time. This was the first concept that created the term 'sector coupling' or 'sectoral integration'. We first implemented demo sites, presented our work in research, industry and ministries, and applied it in many macroeconomic studies. It was an initial idea that inspired others to rethink electricity as well as eFuels as an energy source and energy carrier. We developed the concept further to include Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals and other ways to 'convert' electricity into molecules and climate-neutral feedstocks, and named it 'Power-to-X'at the beginning of the 2010s.}, language = {en} }