TY - JOUR A1 - Gamisch, Bernd A1 - Huber, Lea A1 - Gaderer, Matthias A1 - Dawoud, Belal T1 - On the Kinetic Mechanisms of the Reduction and Oxidation Reactions of Iron Oxide/Iron Pellets for a Hydrogen Storage Process JF - Energies N2 - 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. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/en15218322 N1 - Corresponding author: Belal Dawoud VL - 15 IS - 21 PB - MDPI ER - TY - CHAP A1 - Rauch, Johannes A1 - Brückl, Oliver T1 - Konzeptionierung netzplanerischer Prozessansätze zur Ermittlung von Blindleistungskapazitäten zum Ausgleich des Blindleistungsbedarfs in einer Netzregion T2 - Tagungsband Tagung Zukünftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online) N2 - Um einen sicheren und zuverlässigen Stromnetzbetrieb zu gewährleisten, muss die Spannung im Grundfall als auch bei ungeplanten Ausfällen in definierten Bereichen gehalten werden. Im Übertragungsnetz wird hierfür bisher Blindleistung hauptsächlich aus Blindleistungskompensationsanlagen und konventionellen Großkraftwerken eingesetzt. Zukünftig wird nach §12h EnWG eine marktgestützte Beschaffung dieser Dienstleistung zur Spannungsregelung vorgeschrieben. Zugleich verändert sich der Blindleistungsbedarf der Netzbetriebsmittel durch die Integration erneuerbarer Energieanlagen und der Elektromobilität sowie durch den Netzausbau bei Übertragungs- und Verteilungsnetzbetreibern. Es bedarf somit angepasster Netzbetriebs- und Netzplanungskonzepte für ein technisch effizientes und wirtschaftlich günstiges Blindleistungsmanagement. Dieser Beitrag beschäftigt sich damit, Prozessansätze und Methodiken für ebendieses in der Netzplanung aufzuzeigen, um erforderliche Blindleistungskapazitäten unter minimalen Gesamtkostenaufwand und unter Berücksichtigung einer effizienten Blindleistungsbedarfsdeckung zu bestimmen. Dabei liegt der Fokus verstärkt in der Bedarfsanalyse. KW - Blindleistung KW - Blindleistungsmanagement KW - Netzplanungsprozesse KW - Spannungshaltung KW - Optimierungsverfahren Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-58665 SN - 978-3-948176-16-7 SP - 117 EP - 126 PB - Conexio-PSE GmbH CY - Pforzheim ER - TY - CHAP A1 - Schweiberer, Philipp A1 - Rauch, Johannes A1 - Brückl, Oliver T1 - Entwicklung eines Regelkonzeptes für einen optimierten Blindleistungsabruf auf Basis von Blindleistungspotentialanalysen bei Industriebetrieben im Mittelspannungsnetz T2 - Tagungsband Tagung Zukünftige Stromnetze 26./27. Januar 2022 (online) N2 - Im Zuge der Energiewende ergibt sich ein Wandel in der Struktur des Elektrizitätsversorgungsnetzes. Die Verschiebung der Erzeugungsleistung von konventionellen Großkraftwerken in höheren Netzebenen hin zu dezentralen erneuerbaren Energieanlagen in niedrigeren Netzebenen resultiert sowohl in bidirektionalen Lastflüssen als auch in schwankenden Einspeisecharakteristiken. Des Weiteren folgen durch den Wegfall von Großkraftwerken als Blindleistungsquellen Leistungsdefizite in der Übertragungsnetzebene, die kompensiert werden müssen. Daraus resultieren Herausforderungen an einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Verteil- und Übertragungsnetze. Neue Konzepte müssen für die Erbringung von Blindleistung entwickelt werden, es soll mehr Blindleistung aus dem Verteilungsnetz zur Verfügung gestellt werden, um die Systemstabilität zu wahren. Im Rahmen des Projektes Q-Integral wird das Thema „Blindleistung“ (Q) ganzheitlich untersucht. Es werden dazu verschiedene Erbringungsoptionen für Blindleistung hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Potentiale untersucht, die in ein funktionales und effizientes Blindleistungsmanagement eingebracht werden. Die Untersuchungsansätze dafür sind sowohl spannungsebenen-übergreifend als auch netzbetreiber-übergreifend. 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 können, untersucht. Ziel ist es, das gesicherte und maximale induktive sowie kapazitive Potential zu bestimmen. Das gesicherte kapazitive Potential kann genutzt werden, um Aussagen darüber zu treffen, wie stark dem Spannungsfall im vorgelagerten Netz zu Starklastzeiten entgegengewirkt werden kann. Anhand des gesicherten induktiven Potentials kann ein Spannungsanstieg während 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 Lastgänge als auch das Schaltverhalten der einzelnen Kompensationsanlagen liegen den Berechnungen zugrunde. Um den Austausch der Blindleistung an der Übergabestelle des Betriebs zum Mittelspannungsnetz netzdienlich einzustellen, bedarf es eines geeigneten Regelkonzepts, das neben den BKAs auch weitere Q-Quellen berücksichtigt. Deshalb wird abschließend ein Regelkonzept vorgestellt, das den technisch-optimierten Blindleistungsabruf unter Berücksichtigung mehrerer Blindleistungsquellen behandelt. KW - Blindleistung KW - Blindleistungsmanagement KW - Blindleistungsquellen KW - Blindleistungspotentiale KW - Industriebetriebe Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-58704 SN - 978-3-948176-16-7 SP - 224 EP - 233 PB - Conexio-PSE GmbH CY - Pforzheim ER - TY - CHAP A1 - Rauch, Johannes A1 - Brückl, Oliver A1 - Engel, Bernd ED - Schulz, Detlef T1 - Analysis and optimization of the steady state voltage deviation demand for reactive power planning using installed reactive power sources T2 - NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg N2 - 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. KW - Reactive Power KW - Reactiver Power Planning KW - Voltage Control KW - Optimal Power Flow KW - Differential Evolution Y1 - 2022 UR - https://ieeexplore.ieee.org/document/10048083 SN - 978-3-8007-5983-5 SN - 2510-6902 SP - 175 EP - 182 PB - VDE-Verlag CY - Berlin ER - TY - CHAP A1 - Schweiberer, Philipp A1 - Rauch, Johannes A1 - Brückl, Oliver ED - Schulz, Detlef T1 - 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 T2 - NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, 26-27 September 2022, Hamburg N2 - 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. KW - Reactive Power KW - Reactive Power Potentials KW - Industrial plant KW - Voltage Stability KW - Long term analysis Y1 - 2022 UR - https://ieeexplore.ieee.org/document/10048065 SN - 978-3-8007-5983-5 SN - 2510-6902 SP - 51 EP - 56 PB - VDE-Verlag CY - Berlin ER - TY - GEN A1 - Walter, Stefanie A1 - Schwanzer, Peter A1 - Hagen, Gunter A1 - Rabl, Hans-Peter A1 - Dietrich, Markus A1 - Moos, Ralf T1 - Combined Ash and Soot Monitoring in Gasoline Particulate Filters with a Radio-Frequency-Based Sensor T2 - SAE World Congress Experience, April 5-7, 2022, Detroit, Michigan, USA N2 - 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. Y1 - 2022 UR - https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/69506 ER - TY - THES A1 - Schwanzer, Peter T1 - Experimentelle Untersuchungen zur On-Board Überwachung von Partikelfiltern für den Einsatz an direkteinspritzenden Benzinmotoren N2 - 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. KW - GDI KW - GPF KW - On-Board-Monitoring Y1 - 2022 SN - 978-3-8439-5101-2 PB - Verlag Dr. Hut CY - München ER - TY - THES A1 - Grauvogl, Dominik ED - Gerling, Dieter T1 - Multiphysikalische Auslegung einer fremderregten Synchronmaschine mit magnetischer Asymmetrie für einen Hochvolt-Achsantrieb N2 - In der vorliegenden Arbeit wird eine fremderregte Synchronmaschine als Achsantrieb für ein Elektrofahrzeug entwickelt. Als Grundlage hierfür dient ein bereits vorhandener Stator einer permanenterregten Synchronmaschine. Durch die Wiederverwendung des Stators ist eine maschinentypunabhängige Baukastenerweiterung in Form eines magnetfreien Rotors gegeben, wodurch die ökonomischen und ökologischen Nachteile der Permanentmagnete ausgeschlossen sind. Bei der Auslegung des Rotors wird von Beginn an ein multiphysikalischer Entwicklungsansatz gewählt, mit dem der praxistaugliche Einsatz für den modularen Baukasten sichergestellt ist. Dabei ist die elektromagnetische Auslegung iterativ auf die mechanische Blechpaketfestigkeit, das thermische Verhalten und die magnetischen Geräusche abgestimmt. In Kombination mit den gesetzten Restriktionen ergibt sich ein neuartiges asymmetrisches Polschuhdesign mit dem es möglich ist, das geforderte Drehmoment mit genügend kleiner Welligkeit ohne eine Rotorschrägung zu erreichen. Die Simulationsergebnisse sind durch die Vermessung eines aufgebauten Prototyps validiert und bestätigt. Ein abschließender Simulationsvergleich mit der baugleichen permanenterregten Synchronmaschine zeigt, dass die fremderregte Synchronmaschine hinsichtlich Performance, Wirkungsgrad und Geräuschverhalten eine konkurrenzfähige Alternative dazu ist. KW - Magnetische Asymmetrie KW - Traktionsmotor KW - Elektroantrieb KW - E-Mobilität KW - magnetfreier Antrieb KW - magnetische Geräusche KW - NVH KW - elektromagnetische Auslegung KW - Magnetkreisberechnung KW - Rotorkühlung KW - Luftkühlung KW - Erregerstromoptimierung KW - FEM KW - mechanische Festigkeit Y1 - 2022 UR - https://www.shaker.de/de/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-8553-2 SN - 9783844085532 PB - Shaker Verlag CY - Düren ER - TY - THES A1 - Weber, Sebastian T1 - Charakterisierung verschiedener Wassereinspritztechnologien für Ottomotoren N2 - Die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission bei gleichzeitiger Verbesserung der Fahrleistung bei kleinerem Hubraum und reduzierter Zylinderzahl, die erhöhte Performance und die Kompatibilität mit elektrifizierten Komponenten beschreiben die aktuellen Ziele und Herausforderungen der modernen Ottomotorentwicklung. Um alle Herausforderungen zu erfüllen, muss ein stöchiometrischer Betrieb sichergestellt werden. Dabei kann es jedoch an der Volllast zur Überschreitung 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 könnte einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten. Um ein optimales Systemlayout zu erarbeiten, sind prozessuale Betrachtungen oft nicht ausreichend. Vielmehr müssen die Phänomene im Brennraum beobachtet werden. Schwerpunktmäßig 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 Veränderung in den gasförmigen und festen Abgasbestandteilen und die mechanische Belastung der Aggregate durch die Verbesserung der Zündwinkel. Die Mischungseinspritzung über den zentralen Hochdruckinjektor vereint den geringsten Wasserverbrauch mit bestmöglicher Schwerpunktlage, starker Reduktion des Partikelausstoßes und akzeptabler Erhöhung der mechanischen Belastung und ist damit das favorisierte Konzept. Neben den prozessualen Betrachtungen werden mit einem optisch zugänglichen Versuchsträger zwei laseroptische Messtechniken zur Visualisierung flüssigen Wassers und der spektralen Trennung zwischen Wasser und Kraftstoff entwickelt und validiert. Damit werden die verschiedenen Varianten optisch vermessen und die Sensitivität gegenüber veränderten Betriebs- und Randbedingungen ermittelt. Die Sammlereinspritzung zeigt die größten Tropfen, gefolgt von der Saugrohr- und der Mischungseinspritzung. Auch hat diese den mit Abstand größten Wandkontakt und die geringste Verdampfungsrate, ist zusätzlich anfällig für zyklische Schwankungen. Die Saugrohreinspritzung kennzeichnen kleine Tropfen, ein konzentriertes Einströmen durch den Ventilspalt, ein flächiger 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 Erhöhung des Einspritzdrucks die Verdampfungsrate signifikant verbessert. Außerdem ist die Einspritzdauer am geringsten und die Reproduzierbarkeit am größten, jedoch auch der applikative Aufwand. Am favorisierten System werden weitere Analysen durchgeführt, unter anderem zur Veränderung 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 ausgewählte Parameteranalysen durchgeführt. Mit den Simulationen kann nachvollzogen werden, wie das Wasser die Zylinderlaufbahn benetzt und mit dem Kolben interagiert. Zusammenfassend charakterisiert diese Arbeit die gängigen Wassereinspritzvarianten auf unterschiedlichen Ebenen, gibt Optimierungsempfehlungen für die bestmögliche Medienverdampfung und empfiehlt die Mischungseinspritzung als Systemlayout. N2 - The reduction in fuel consumption and pollutant emissions with simultaneous improving driving performance with a smaller displacement and a reduced number of cylinders, increased performance and compatibility with electrified components describe the current goals and challenges of modern gasoline engine development. In order to fulfil all challenges, stoichiometric operation must be ensured. At full load, however, thermal limits in the exhaust gas path can be exceeded, that is why the exhaust gas temperature must be reduced without loss of performance. The water injection effectively combines downsizing, increased performance and the improvement of pollutant emissions and could contribute to the achievement of the climate targets. In order to develop an optimal system layout, procedural considerations are often not sufficient. Rather, the phenomena in the combustion chamber must be observed. The focus is on the introduction of water, wall contact, spray, and wall film evaporation and thus the effectiveness of the exhaust gas temperature reduction and the improvement of the indicated efficiency. In a first step, the thermodynamics of water injection are analyzed, and different injection technologies compared. The focus is on the combustion, the change in the gaseous and solid exhaust gas components and the mechanical load on the engines by improving the ignition angle. The mixture injection via the central high-pressure injector combines the lowest water consumption with the best possible center of gravity, a strong reduction in particle emissions and an acceptable increase in the mechanical load and is therefore the preferred concept. In addition to the procedural considerations, two laser-optical measurement methods for visualizing liquid water and the spectral separation between water and fuel are being developed and validated using an optically accessible test engine. In this way, the different variants are optically measured and the sensitivity of changed operating and boundary conditions is determined. The manifold injection shows the largest droplets, followed by the manifold and the mixture injection. This has the greatest wall contact and the lowest evaporation rate by far but is susceptible to cyclical fluctuations. The intake manifold injection is characterized by small droplets, a concentrated inflow through the valve gap, a flat wall film on the top of the piston and the improvement of droplet evaporation through turbulence plus the use of phasing. Mixture injection is once again the favorite. The system is characterized by high wall film and direct spray evaporation, with an increase in the injection pressure significantly improving the evaporation rate. In addition, the injection duration is the shortest and the reproducibility greatest, but also the application effort. Further analyzes are carried out on the favored system, including changes in component temperatures, a comparison with an ethanol injection or the promising combination in the form of a water-ethanol mixture injection. Based on the experimental findings, a CFD process is presented that maps the water injection and thus drives the virtualization in product development. In addition to the methodical approach, the process is validated and presented at the single-cylinder and production engine operating point. The differences that arise are analyzed and the influence of selected parameters are pointed out. The simulations can be used to understand how the water wets the cylinder liner and interacts with the piston. In summary, this work characterizes the common water injection variants on different levels, gives optimization recommendations for the best possible media evaporation and recommends mixed injection as a system layout. KW - Kolbenkraftmaschine KW - Kraftstoffverbrauch KW - Schadstoffemission KW - Ottomotor KW - Einspritzanlage Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-884176 ER - TY - THES A1 - Steininger, Peter T1 - Experimentelle und numerische Untersuchungen an einem solarselektiven Wärmedämmsystem N2 - Zur Erreichung der von der Bundesregierung gesteckten Ziele, bis zum Jahr 2050 den Primärenergiebedarf im Gebäudesektor und die Treibhausgasemissionen beträchtlich zu reduzieren, kommt der nachhaltigen und zukunftsorientierten energetischen Sanierung von Fassaden an Bestandsgebäuden besondere Bedeutung zu. Für die Applikation an Außenwänden steht eine Vielzahl an herkömmlichen und neuartigen Dämmsystemen zur Verfügung, die entweder eine signifikante Erhöhung des thermischen Widerstands der Gebäudehülle oder die Nutzung der Sonne als zusätzliche Energiequelle ermöglichen. Um die vorteilhaften Eigenschaften der Erzielung winterlicher solarer Gewinne, des sommerlichen Überhitzungsschutzes und der hohen Dämmwirkung an sonnenlosen Tagen in einem Dämmsystem zu vereinen, unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte, sind Entwicklungen im Bereich von innovativen Fassadensystemen notwendig. Das Ziel dieser Arbeit war die konstruktive Entwicklung sowie die experimentelle und numerische Untersuchung eines rein mineralischen solarselektiven Wärmedämmsystems, das die oben genannten Zielsetzungen erfüllt. Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems wurden an einem Prototyp, in einem eigens konzipierten Differenzklimakammerprüfstand, stationäre und dynamische Untersuchungen zum winkelabhängigen Solarstrahlungs- und Wärmetransport durchgeführt und bauphysikalische Kenngrößen, die einen Vergleich mit gängigen Dämmsystemen erlauben, abgeleitet. Der experimentell ermittelte winkelabhängige Gesamtenergiedurchlassgrad, der als stationäre Kenngröße zur Bewertung der Solarstrahlungsleitung herangezogen wird, zeigt ein Maximum im Auslegungspunkt für Wintermonate (19° Einstrahlwinkel) und kann für hohe Sonnenstände, zur Vermeidung von sommerlichen Überhitzungseffekten, signifikant reduziert werden. Darüber hinaus wurden die experimentellen Ergebnisse zur Validierung von stationären und dynamischen multiphysikalischen Simulationsmodellen des solarselektiven Wärmedämmsystems eingesetzt, welche ein tieferes Verständnis des Wärme- und Strahlungstransports ermöglichen. Unter Verwendung der validierten Simulationsmodelle wurden, ausgehend vom Prototyp, die wesentlichen konstruktiven Einflussfaktoren auf die Solarleitung und die Dämmwirkung des Systems ermittelt und das Verbesserungspotential entsprechend quantifiziert. Zudem wurden in einer jährlichen simulativen Untersuchung, unter Verwendung realer Wetterdaten, mithilfe zweier verbesserter Varianten des solarselektiven Wärmedämmsystems, die Heizenergieeinsparpotentiale in der Winter- und Übergangszeit gegenüber einer herkömmlich gedämmten Wandkonstruktion nachgewiesen. N2 - In order to reach the objectives of the Federal Government to considerably reduce the primary energy demand in the building sector and greenhouse gas emissions by the year 2050, the sustainable and future-oriented energetic retrofitting of existing buildings’ facades is of particular importance. A variety of conventional and novel thermal insulation systems are available for the application on exterior walls, which allow either a significant increase of the thermal resistance of the building envelope or the use of the sun as an additional energy source. In order to combine the beneficial properties of obtaining winter solar gains, summer overheating protection and high thermal insulation on sunless days in one insulating system, while taking into account ecological aspects, developments in the field of innovative facade systems are necessary. The objective of this work was the development as well as the experimental and numerical investigation of a purely mineral solar selective thermal insulation system that meets the aforementioned objectives. In order to assess the performance of the developed system, steady state and dynamic investigations of the angle-dependent solar irradiation and heat transport were carried out using a prototype in a differential climatic chamber test bench, so that characteristic building physics parameters, which allow a comparison with conventional thermal insulation systems, can be derived. The experimentally determined angle-dependent total solar energy transmittance, which is used as a steady state parameter for the assessment of the solar radiation transmission through the system, shows a maximum at the design point in winter months (19° incidence angle) and can be significantly reduced for high sun angles, thus avoiding overheating effects in summer. Furthermore, the experimental results were used for the validation of steady state and dynamic multiphysical simulation models of the solar selective thermal insulation system, which allow a deeper understanding of the heat and radiation transport. Using the validated simulation models, based on the prototype, the main constructive factors influencing the solar transmission and the thermal insulation performance of the system were determined and the potential for improvements was quantified accordingly. In addition, in a yearly simulation study using real weathering data, two improved variants of the solar selective thermal insulation system were used to show the heating energy savings in the winter and transition period compared to a conventionally insulated wall construction. Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20220614-1615021-1-1 UR - https://mediatum.ub.tum.de/?id=1615021 ER - TY - JOUR A1 - Sterner, Michael A1 - Specht, Michael T1 - Power-to-Gas and Power-to-X-The History and Results of Developing a New Storage Concept JF - Energies N2 - 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. KW - 100% renewable energy scenarios KW - CARBON RECYCLING SYSTEM KW - CO2 KW - eFuels KW - electric fuels KW - energy transition KW - hydrogen KW - methanation KW - METHANOL KW - Power-to-Gas KW - Power-to-Hydrogen KW - Power-to-Methane KW - Power-to-X KW - sector coupling KW - sectoral integration KW - TRANSPORTATION Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-26202 N1 - Corresponding author: Michael Sterner VL - 14 IS - 20 PB - MDPI ER - TY - THES A1 - Hartweg, Johanna T1 - Analyse des Einflusses verschiedener Arbeitspunkte auf die wirkleistungsabhängige Spannungssensitivität an einem Mittelspannungsnetzknoten N2 - Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Untersuchung der wirkleistungsabhängigen Spannungssensitivität an den Knoten eines Mittelspannungsnetzstranges. Hierfür wird eine Reihe von Arbeitspunkten durch die Variation der Wirkleistungsentnahmen bzw. Einspeisungen an den Netzknoten sowie des Verschiebungsfaktors und der Spannungssollwertvorgabe am Bilanzknoten erzeugt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit von der Spannung des untersuchten Netzknotens. Hierbei steigt die Sensitivität bei fallenden Spannungswerten. Diese können sowohl durch Wirk- und Blindleistungsbelastungen als auch durch eine veränderte Referenzspannung am Umspannwerk bedingt werden. Darüber hinaus liegt eine Beeinflussung durch die Wirkleistungsbelastung und deren Verteilung über den Netzstrang hinweg vor. Je höher die Belastung der Leitung bis zum Knoten der Flexibilität ausfällt sowie je stärker sich die Last hin zu diesem Punkt verlagert, desto höher ist die Sensitivität. Dies gilt ebenfalls für Arbeitspunkte mit gleichbleibender Spannung in den betrachteten Knoten. Des Weiteren wird die Anpassung eines multiplen linearen Regressionsmodells vorgenommen. Dieses ermöglicht eine Abschätzung der Sensitivitätswerte durch die Kenntnis einiger, die Belastungssituation des Netzes bestimmender Parameter. KW - Netzmodell KW - Sensitivitätsanalyse KW - Arbeitspunktabhängigkeit Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-55648 CY - Regensburg ER - TY - RPRT A1 - Gerhards, Christoph A1 - Weber, Urban A1 - Klafka, Peter A1 - Golla, Stefan A1 - Hagedorn, Gregor A1 - Baumann, Franz A1 - Brendel, Heiko A1 - Breyer, Christian A1 - Clausen, Jens A1 - Creutzig, Felix A1 - Daub, Claus-Heinrich A1 - Helgenberger, Sebastian A1 - Hentschel, Karl-Martin A1 - von Hirschhausen, Christian A1 - Jordan, Ulrike A1 - Kemfert, Claudia A1 - Krause, Harald A1 - Linow, Sven A1 - Oei, Pao-Yu A1 - Pehnt, Martin A1 - Pfennig, Andreas A1 - Präger, Fabian A1 - Quaschning, Volker A1 - Schneider, Jens A1 - Spindler, Uli A1 - Stelzer, Volker A1 - Sterner, Michael A1 - Wagener-Lohse, Georg A1 - Weinsziehr, Theresa T1 - Klimaverträgliche Energieversorgung für Deutschland – 16 Orientierungspunkte T2 - Diskussionsbeiträge der Scinetists for Future ; 7 N2 - Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte für eine klimaverträgliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür die deutschen energiebedingten CO2-Emissio­nen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken müssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazitäten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Gebäudewärme hier­zu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energie­pflan­zen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Land­nut­zung. Importe klimaneutral erzeugter Energieträger in sehr großem Umfang er­for­dern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft. Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Wind­kraft in Deutschland. Schätzungsweise kann der Elektrizitätsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahe­zu voll­ständig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elek­tri­fizierte Mobilität und Wärmeversorgung betreiben und ein Teil des benö­tig­ten "grü­nen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierfür ist ein jähr­licher Zu­bau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft nötig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine ge­sell­schaft­liche Kraftanstrengung. Ein weiter verzögerter Ausbau müsste mit noch deut­lich größeren gesellschaftlichen Anstrengungen für drastische Energieeinspa­run­gen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt könnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Auf­bau der Kapazitäten mehrere Jahre erfordert, ist es möglich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt für Importe ent­wi­ckelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegen­über der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfol­gen. Grüner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abge­lei­tete Syntheseprodukte sind für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie für die Absicherung der Energieversorgung bei Dun­kel­flauten nötig. Ohne die genannten Ausbauziele für Wind und Solar noch drastisch weiter zu erhöhen, stehen diese Produkte für Straßenverkehr und Wärmeversor­gung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Techniken zum Aus­gleich zwischen Elektrizitätsangebot und -nachfrage sind verfügbar und sollten recht­zeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu gehören: Stromaustausch mit den Nach­barländern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. Für deren Inte­gration sowie den Ausbau der Netze sollten zügig verbesserte rechtliche Rah­men­bedingungen geschaffen werden. Die Kosten eines klimaverträglichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht hö­her als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitsplätze und Export­chan­cen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Gebäudesanierung. Die politischen Rahmenbe­din­gungen entscheiden, ob eine klimaverträgliche Energieversorgung Deutschlands ge­lingt. T2 - Climate-friendly energy supply for Germany - 16 points of orientation KW - Climate KW - Energy System KW - Renewable Energies Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.5281/zenodo.4409334 ER - TY - RPRT A1 - Emmert, Michael A1 - Glück, Sven A1 - Freilinger, Eva A1 - Brandl, Dominik A1 - Schindler, Sebastian A1 - Kaul, Nicolas A1 - Rasp, Franziska A1 - Akstaller, Monika A1 - Wetzel, Daniel A1 - Jupke, Michael A1 - Bodensteiner, Michael A1 - Hohlfeld, Philipp A1 - Böhm, Kevin A1 - Brem, Theresa A1 - Hammer, Pascal A1 - Singer, Thomas A1 - Karing, Maria A1 - Schneider, Viola A1 - Ostermeier, Tobias ED - Meier, Hans ED - Niemetz, Michael ED - Reindl, Andrea T1 - FMS-Berichte (Mai 2021) BT - Seminar zu aktuellen Themen der Elektro- und Informationstechnik N2 - Dieser Bericht entstand auf Initiative der Studierenden des 2020 neu gegründeten Masterstudiengangs „Elektro- und Informationstechnik (MEI)“, die an der Pflichtlehrveranstaltung „Forschungsmethoden und Seminar (FMS)“ im Wintersemester 2020/21 teilnahmen. Diese Lehrveranstaltung hat das Ziel, systematisch an das wissenschaftliche Arbeiten, speziell die Wissenschaftskommunikation, heranzuführen. Daher war geeignete Literatur zu einem individuellen Thema zu recherchieren, Veröffentlichungen auf ihre Relevanz hin zu beurteilen und letztendlich eine eigene Ausarbeitung basierend auf der Literaturrecherche zu erarbeiten und diese in einem Vortrag zu präsentieren. Parallel dazu erfolgte im Theorieteil die entsprechende Hinführung zu den verschiedenen Elementen der Wissenschaftskommunikation: • Bedeutung der Wissenschaftskommunikation für die Arbeit der Ingenieure in Forschung und Entwicklung • Literaturrecherche, Suchmaschinen, Sichtung und Analyse vorhandener Publikationen, Bewertung der Qualität aufgefundener Fachliteratur, Auswahl geeigneter Materialien für die eigene Arbeit • Aufbereitung und Darstellung der recherchierten technischer Inhalte in Form einer seitenanzahlbegrenzten wissenschaftlichen Ausarbeitung • Einhalten formaler Randbedingungen bzgl. Strukturierung, einschl. Bildnachweise und Zitationsstile • Peer-review-Prozess bei wertschätzender Beurteilung der Leistung anderer • Publikumsangepasstes Aufbereiten komplexer fachlicher Inhalte mit hochschulöffentlicher Präsentation der Ergebnisse • Führen mündlicher wissenschaftlicher Diskurse Nachdem die Masterstudierenden in der Regel über noch keine eigene wissenschaftliche Forschungserfahrung bzw. -inhalte verfügen, lag der wählbare Schwerpunkt der Literatursuche auf der Bearbeitung von vorgegeben aktuellen technischen oder gesellschaftspolitischen Forschungsthemen. T3 - Forschungsmethoden-Seminar - 1 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-19155 CY - Regensburg ER - TY - JOUR A1 - Haug, Sonja A1 - Vetter, Miriam T1 - Altersgerechtes Wohnen im Quartier JF - Standort - Zeitschrift für angewandte Geographie N2 - Im Alter nimmt das Quartier aufgrund geringerer Aktionsradien an Bedeutung zu. Der Beitrag befasst sich mit der Frage, welche Besonderheiten sich bei Senioren-Haushalten im Hinblick auf Wohnen und soziale Teilhabe zeigen. Aus dem Projekt MAGGIE werden Ergebnisse einer schriftlichen Haushaltsbefragung (N=195) in der Wohngenossenschaft Margaretenau Regensburg dargestellt. Hierbei wird auf die aktuelle und zukünftige Wohnsituation, den Veränderungsbedarf, den Wunsch nach Gemeinschaftsangeboten und die soziale Einbettung eingegangen. Es zeigt sich eine geringe Veränderungsbereitschaft und ein überdurchschnittlich hohes Maß an lokalem Sozialkapital. Am Ende werden Schlussfolgerungen für das Sanierungs- und Quartiersmanagement gezogen. T2 - Age-appropriate living in the neighborhood KW - Alter KW - Wohnen KW - Stadtviertel KW - Sozialraum KW - Senioren KW - Wohnsituation KW - Sozialraum KW - Lokales Sozialkapital KW - Quartiersgestaltung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-20050 SN - 1432-220X N1 - Corresponding author: Sonja Haug VL - 45 SP - 11 EP - 17 PB - Springer Nature ER - TY - THES A1 - Heberl, Michael T1 - Power-to-Ammoniak BT - Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie N2 - Ammoniak ist Grundbaustein für die Herstellung von Düngemitteln und dementsprechend für die Nahrungsmittelindustrie unentbehrlich. Ca. 40-50 % der Weltbevölkerung sind von Nahrungsmitteln abhängig, die mit Hilfe von Ammoniakdüngern hergestellten wurden. Weltweit wurden alleine im Jahr 2015 181 Mt Ammoniak produziert, wodurch die Ammoniakherstellung mit 1,2 % am gesamten Energieverbrauch der Welt beteiligt ist und für 0,93 % der globalen Treibhausgasemissionen zuständig ist. Auch in Zeiten der Energiewende ist diese Grundstoffchemikalie unentbehrlich, ist aber auf einem anderen Wege herzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie, wodurch der Einsatz von herkömmlichen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und Öl negiert werden kann. Ammoniak wird aktuell über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Rohstoffen Erdgas, Kohle und Öl gewonnen. Bei diesem Verfahren wird über einen Primär- und Sekundärreformer Wasserstoff und Stickstoff gewonnen. Andere Gasbestandteile werden gefiltert oder umgewandelt, um schädliche Katalysatorgifte (CO, H2S) zu entfernen. Im Reaktor wird an Eisenkatalysatoren aus Wasserstoff und Stickstoff letztendlich Ammoniak hergestellt. Der Energieverbrauch des Haber-Bosch Verfahrens schwankt zwischen 7,8 MWh/t NH3 für eine moderne und sehr effiziente Anlage mit Erdgas und 13,6 MWh/t NH3 für eine alte mit Kohle betriebene Anlage. An Emissionen treten pro hergestellter Tonne Ammoniak je nach Rohstoff 1,6-3,8 t CO2-eq auf. Neben der Biomassevergasung gibt es mehrere rein elektrische Ansätze zur Ammoniakherstellung. Die unterschiedlichen elektrochemischen Ansätze zur direkten Ammoniaksynthese, wie der Einsatz von Flüssigsalzelektrolyten oder Feststoffelektrolyten, wurden in Abschnitt 3.2 vorgestellt. Einige dieser Technologien zeigen vielversprechende Ansätze, sind jedoch zum aktuellen Zeitpunkt noch zu weit von einem industriellen Einsatz entfernt. Der Einsatz der Wasserelektrolyse in Kombination mit einer Luftzerlegungseinheit ist die derzeit vielversprechendste Methode Ammoniak auf einem strombasierten und dekarbonisierten Wege herzustellen. Bei diesem System wird Wasserstoff im Elektrolyseur und Stickstoff in der Luftzerlegungseinheit hergestellt. Die Ammoniaksynthese findet hierbei in einem Reaktor nach Vorbild des Haber-Bosch-Prozesses statt. Mit diesem System ist ein Energieverbrauch von ca. 10 MWh/t NH3 notwendig. Durch den Einsatz von rein erneuerbar hergestelltem Strom als Energieträger lässt sich mit diesem Technologiezusammenschluss die Ammoniakherstellung komplett Emissionsfrei gestalten. Dadurch können alleine in Deutschland jährlich bis zu 7,8 Mt CO2-eq eingespart werden. Eine zukünftige Umstrukturierung der Ammoniakherstellung und der gesamten chemischen Industrie ist unabdingbar. Diese kann aber nur parallel mit einem Ausbau erneuerbarer Energien umgesetzt werden. Mit der Wasserelektrolyse und der Luftzerlegungseinheit sind die technischen Möglichkeiten für diesen Umbau bereits heute gegeben und brauchen nur noch eingesetzt werden. N2 - Ammonia is a fundamental raw material for the production of fertilizer and essential for the food industry. About 40-50 % of the world population depends on food produced with the assistance of ammonia fertilizers. In 2015 181 Mt ammonia was produced worldwide. The ammonia production is responsible for 1,2 % of the global energy consumption and 0,93 % of the global greenhouse gas emissions. Even in times of the energy transition this base chemical is essential, although it should be produced on a different way. It is therefore the objective of this work to show different possibilities for an electrified and decarbonised ammonia industry powered by renewable energies. As a result the use of conventional energy carriers like gas, coal and oil will be negotiated. Ammonia is produced with the Haber-Bosch process from gas, coal and oil as feedstock. In this process a primary and a secondary reformer is used to produce hydrogen and nitrogen. Other gaseous components are filtered and converted to remove catalyst poisons (CO, H2S). In the reactor iron catalysts are used to produce ammonia out of hydrogen and nitrogen. The energy consumption of the Haber-Bosch process varies between 7,8 MWh/t NH3 for a modern and really efficient gas based plant and 13,6 MWh/t NH3 for an old coal based plant. The production of one ton ammonia causes emissions between 1,6-3,8 t CO2-eq based on the used feedstock. Beside biomass gassing there are several electric technologies to produce ammonia. The different electrochemical technologies to synthesize ammonia on a direct way, like solid state electrolysis or molten salt electrolytes, are shown in section 3.2. Some of these technologies show a good potential, but all of them are far off the use in the industry. The use of an electrolyser in combination with an air separation unit is the most promising way to produce ammonia on an electrified and decarbonised way. In this system hydrogen is produced in the electrolyser and nitrogen in the air separation unit. The ammonia synthesis works in a reactor based on the Haber-Bosch process. Using this system the production of one ton ammonia has an energy consumption of 10 MWh. With the use of renewable energies in this combination of technologies a greenhouse gas emissions free ammonia production is possible. In Germany alone 7,8 t CO2-eq can be saved. A future reorganization of the ammonia industry and the complete chemical industry is indispensable. A parallel expand of renewable energies is necessary to realize this approach. With electrolysers and air separation units the technical possibilities for this reconstruction are already given. All that remains is the implementation of them. KW - Ammoniaksynthese KW - Haber-Bosch KW - Emissionen KW - Erneuerbare Energien Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-22167 ER - TY - RPRT A1 - Neidhart, Thomas A1 - Lerch, Maximilian A1 - Wiesinger, Doris A1 - Zrenner, Louis T1 - Kompakte Übertragungsleitungen für hohe Gleichspannungen: Langzeituntersuchungen an einer erdverlegten Versuchsanlage BT - Abschlussbericht zu AP 1.5 Mechanik und AP 1.7 Thermik; Forschungsprojekt-Akronym: DC CTL DBI; Förderkennzeichen: 03ET7546 N2 - Durch den Ausstieg aus der Verstromung fossiler Energieträger und der daraus resultierenden dezentralen Stromerzeugung ist ein Aus- bzw. Umbau des deutschen Übertragungsnetzes erforderlich. Weil aus der dezentralen Energieerzeugung große Trassenlängen resultieren, welche bei Wechselstrom zu Blindleistungsproblematiken führen, wird dort vermehrt auf Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zurückgegriffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts DC CTL DBI (direct current compact transmission line – directly buried investigastions) wurde ein gasisolierte HGÜ-Leiter (GIL) erdverlegt und bei ständigem Monitoring über umfangreiche Sensorik einem Langzeitversuch unterzogen. Anstelle einer klassischen Sandbettung kam ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (ZFSV) zum Einsatz. Somit können Schäden an der Übertragungsleitung infolge Verdichtungsaufwand vermieden und gleichzeitig bessere Bodeneigenschaften hinsichtlich der Wärme- und Wassertransportprozesse erreicht werden. KW - ZFSV KW - Erdverlegte Übertragungsleitungen KW - Erdkabel KW - Zeitweise fließfähiger selbstverdichtender Verfüllbaustoff KW - Wärmetransport Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-21730 ER - TY - JOUR A1 - Uhlar, Stefan A1 - Heyder, Florian A1 - Koenig, Thomas T1 - Assessment of two physical tyre models in relation to their NVH performance up to 300 Hz JF - Vehicle system dynamics N2 - The prediction of structure-borne noise using numerical methods has a crucial influence during the development process of modern passenger cars. In order to minimise the dynamic forces from the chassis transferred to the body structure, multibody simulation (MBS) can be used. The link between the road surface and the chassis is established by the tyre and its own structural dynamic characteristics. Therefore, it is substantial and the main goal of the present paper to investigate the Noise, Vibration and Harshness (NVH) performance of two commercial physical tyre models available and commonly used in the market. The intention is to point out what kind of results (up-to-date) a user of these structural dynamic tyre models, namely FTire and CDtire/3D, will get with a focus on NVH. The authors strictly follow the established process of how to obtain the fitted tyre property files, as any other user of FTire and CDTire currently does. This process includes a measurement campaign of the real tyre and a subsequent fitting of the tyre property file. The fitting in this case is provided by the tyre model developers themselves, namely cosin and Fraunhofer ITWM. The tyre models are then integrated into the MBS software MSC.Adams where their performance will be assessed based on measured wheel-hub forces in the time and frequency domain up to 300 Hz. KW - CDTire KW - cleat KW - frequency analysis KW - FTire KW - Multibody-simulation KW - noise-vibration-harshness KW - rough road KW - tyre modelling Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1080/00423114.2019.1681475 VL - 59 IS - 3 SP - 331 EP - 351 PB - Taylor&Francis ER - TY - JOUR A1 - Sovacool, Benjamin K. A1 - Cabeza, Luisa F. A1 - Pisello, Anna Laura A1 - Colladon, Andrea Fronzetti A1 - Larijani, Hatef Madani A1 - Dawoud, Belal A1 - Martiskainen, Mari T1 - Decarbonizing household heating: Reviewing demographics, geography and low-carbon practices and preferences in five European countries JF - Renewable & Sustainable Energy Reviews N2 - What commonalities are there in sustainable or unsustainable heating practices in five high-income, high-emitting western European countries? What preferences do a nationally representative sample of the public in these countries hold towards low-carbon options? It is imperative that climate policy researchers and practitioners grapple with the difficulty of decarbonizing heat, which remains the largest single end-use service worldwide and which accounts about half of total final energy consumption. Based on a comparative assessment of five representative national surveys in Germany (N = 2009), Italy (N = 2039), Spain (N = 2038), Sweden (N = 2023), and the United Kingdom (N = 2000), this study explores the demographics and geography of household heat decarbonisation in Europe. By analyzing our country level data as well as our combined sample of 10,109 respondents, it investigates how people conceive of the purposes of low-carbon heat, their preferences for particular forms of heat supply, and their (at times odd) practices of heat consumption and temperature settings. Grounded in its original data, the study organizes its findings inductively across the five themes of literacy (heating knowledge, awareness and control), sustainability (heating practices, dynamics and conflicts), temperature (heating satisfaction and preferences), desirability of change (low-carbon heating priorities, business models and trust), and culture (country and national variation). The study also explores intersections between these dimensions, using multivariate analysis, as well as how preferences differ according to varying types of actors as well as geography and space. KW - Climate policy KW - Cooling KW - Energy policy KW - Heat decarbonisation KW - Household heat KW - Low-carbon heating KW - Space heating Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110703 IS - 139 SP - 1 EP - 28 PB - Elsevier ER - TY - CHAP A1 - Goetz, Rebecca A1 - Rauch, Johannes A1 - Brückl, Oliver ED - Schulz, Detlef T1 - Techno-economic analysis of reactive power sources T2 - NEIS 2021, Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems: Hamburg, 13.-14. September 2021 N2 - This paper presents different options to provide reactive power in electricity grid systems. Since conventional power plants are being phased out and the reactive power demand tends to increase, alternative technologies are needed to cover it. reactive power sources are being defined and specified in this submission. A technical evaluation and an economic analysis of selected reactive power sources are carried out, based on interviews with manufacturers and operators. As well a multifactorial techno-economic comparison of the evaluated reactive power sources is presented. The technical analysis addresses reactive power control-ranges, stochastic parameters, lifespans, electrical losses and dynamics of re-active power sources. It states that power electronics allow faster setpoint changes than mechanical technologies can achieve, but at the same time this is associated with the highest electrical losses of the reactive power sources considered here. Considering the economic analysis, relative investment costs per reactive power of conventional compensation systems turn out to be the most cost-efficient. With regard to the multifactorial techno-economic comparison, it is im-portant not only to standardize on reactive power that can be provided, but also to include the additional system-relevant properties of technologies in the evaluation as well as the costs in operation. Y1 - 2021 UR - https://ieeexplore.ieee.org/document/9698281/ SN - 978-3-8007-5651-3 SP - 286 EP - 291 PB - VDE-Verlag ER - TY - CHAP A1 - Klitsman, Maksym A1 - Brückl, Oliver A1 - Eller, Johannes ED - Schulz, Detlef T1 - Analysis and simulation of the population driving behaviour and charging processes at different charging station types with electric vehicles T2 - NEIS 2021, Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems: 13-14. September 2021, Hamburg N2 - Electric vehicles are one of the important components of the energy transition, which is necessary for the CO2 emission reduction. In order to estimate the influence of electromobility on electric grids at present day and in the future, the generation of realistic charge profiles is necessary. The main objective of this study is the development of an algorithm, which generates realistic charge time series of electric vehicles. The very huge and detailed input surveys enable to define different population groups, representing specific driving behaviour. These groups are then composed and scaled up, according to the statistical population structure of a chosen town or city in Germany, and show typical driving behaviour of all inhabitants. The charge profiles are calculated for several charge station types, based on daily electric vehicle user mobility, day type and household type. In addition, charge process occurrence is evaluated through a model, involving charge infrastructure presence, attractiveness of corresponding charge station type and charge process necessity. Y1 - 2021 SN - 978-3-8007-5651-3 SP - 254 EP - 260 PB - VDE-Verlag ER - TY - CHAP A1 - Brückl, Oliver A1 - Wildfeuer, M. A1 - Schächinger, J. T1 - Systemdienstleistungen durch Biogasanlagen T2 - Biogas in der Landwirtschaft - Stand und Perspektiven: 7. FNR/KTBL-Onlinetagung 29.-30.09.2021, Darmstadt KW - Biogasanlage Y1 - 2021 SN - 978-3-945088-83-8 SP - 92 EP - 101 CY - Darmstadt ER - TY - CHAP A1 - Sippenauer, Thomas A1 - Brückl, Oliver A1 - Henneke, Markus T1 - Verankerung von Flexibilität in der Netzplanung T2 - Zukünftige Stromnetze: 27.-28. Januar 2021, 03.-04. Februar 2021 N2 - Die Energiewende führt zu einem steigenden Zubau erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen im Verteilungsnetz. Ebenso ist mit einem verstärkten Zuwachs der Elektromobilität zu rechnen, der zu einer weiteren Ausreizung der zulässigen Spannungsbereiche und Leitungsauslastungen beitragen kann. Um die Aufnahmefähigkeit des Verteilungsnetzes zu erhöhen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen entwickelt und etabliert. Ein zusätzlicher Baustein zur Behebung von Netzengpässen und Spannungsproblemen sind zeitliche Verlagerungen von Einspeisungen und Verbrauchslasten in der Mittelspannungsebene. Diese sogenannten Flexibilitätsmaßnahmen sind derzeit noch nicht Stand der Technik. Um einen hohen Nutzen stiften zu können, indem sie zu einer effizienten Einsparung an Asset beitragen, müssen sie in der Netzplanung abbildbar gemacht werden. Dazu sind einerseits geeignete technische und zuverlässigkeitstheoretische Anforderungen an die Flexibilitätsmaßnahmen herauszuarbeiten, um eine möglichst hohe Gesamteffizienz bei Netz- und Anlagenbetreibern zu erzielen und andererseits ein Verfahren zu finden, mit dem Manipulationsmöglichkeiten (INC-DEC-Gaming) ausgeschlossen bzw. geringgehalten werden können. KW - Netzplanung KW - Flexibilität KW - Manipulationsrisiken KW - Feldversuch Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:898-opus4-55632 SN - 978-3-948176-12-9 SP - 79 EP - 92 PB - Conexio GmbH CY - Pforzheim ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael A1 - Heberl, Michael T1 - The ORBIT-Project: Biological methanation in a trickle-bed reactor - key results and next steps T2 - 5th Nuremberg Workshop on Methanation and 2nd Generation, Nürnberg Friedrich-Alexander-Universität, 28.05.2021 KW - biologische Methanisierung KW - Archaeen KW - Power-to-Gas KW - Erneuerbare Energien KW - Rieselbett Bioreaktor Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Wie wird Deutschland klimaneutral? Neue Lösungen für erneuerbare Energieerzeugung T2 - Jahreskonferenz der Stiftung Nagelschneider zur Erforschung, München, 19.11.2021 KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Klimaschutz Y1 - 2021 CY - München ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Strom - Wärme - Verkehr - Industrie: das Zusammenspiel der Sektoren über Power-to-X T2 - Deutscher Ingenieurtag 2021, Düsseldorf 20. Mai 2021 KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Sektorenkopplung Y1 - 2021 PB - VDI-Verlag ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Power-to-X for Europes Energy Transformation – Booster H2Global T2 - Hydrogen Online Workshop Conference (Mission Hydrogen), 25.03.2021 KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Sektorenkopplung KW - Power-to-X Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Technologieausblick Solarstromspeicher T2 - Innovationsforum Photovoltaik, 18. Oktober 2021, Linz KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Solarstrom KW - Energiespeicher KW - Photovoltaik Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Gas aus einer Gesamtenergieversorgungsperspektive - Warum wir Power-to-X für die Klimaneutralität brauchen T2 - Kopernikus-Konferenz Projekt "Ensure" (Deutsche Umwelthilfe), 15. April 2021 KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Sektorenkopplung KW - Power-to-Gas Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Grüner Wasserstoff - wo wir ihn brauchen für die Klimaneutralität T2 - Energiewendeforum Wasserstoff (Grüner Strom Label e. V.), Bonn, 21. September 2021 KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Wasserstoff Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Sterner, Michael T1 - Die Grenzen des Wasserstoff-Hypes T2 - 1. Mitteldeutscher Wasserstoffkongress, 2. November 2021, Leuna CCE Kulturhaus KW - Erneuerbare Energien KW - Klimaneutralität KW - Energiewende KW - Wasserstoff Y1 - 2021 ER - TY - RPRT A1 - Thema, Martin A1 - Kaul, Anja A1 - Sterner, Michael A1 - Heberl, Michael T1 - Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen-Mikroorganismen in Power-to-Gas-Anlagen N2 - Das übergeordnete Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen1 in Power-to-Gas-Anwendungen. Im Gegensatz zur technisch ausgereiften chemisch-katalytischen Methanisierung sind hier noch Potenziale zur Optimierung verfahrenstechnischer und biologischer Prozesse für das Speicherkonzept Power-to-Gas [7] vorhanden. Dabei sollte zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet werden. Zum anderen sollte eine Kombination optimal geeigneter Mikroorganismen und Packungsmaterialien selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor analysiert werden. Das Verhalten des entwickelten Systems sollte zunächst im Labor- und Technikumsmaßstab und anschließend im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage untersucht werden. Hauptziel während des Feldtests war die Produktion von einspeisefähigem Methan sowie dessen Einspeisung ins Gasnetz. Ein Hauptziel des Projektes war es, die Normung und Standardisierung notwendiger Systemparameter und Semantik zur Beschreibung und Einbindung biologischer Methanisierungseinheiten in Power-to-Gas-Anlagen voranzutreiben. Dies sollte zum einen die Vergleichbarkeit der wissenschaftlichen Erkenntnisse verbessern und zum anderen unterstützend bei der Kommerzialisierung der Technologie wirken. Aus dem Projekt heraus wurde so die neue Normungsreihe VDI 4635 Power-to-X beim Verein Deutscher Ingenieure angestoßen. KW - Biologische Methanisierung KW - Power-to-Gas KW - Erneuerbare Energien KW - Rieselbett-Bioreaktor KW - Archaeen Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.2314/KXP:1815321555 ER - TY - INPR A1 - Kaul, Anja A1 - Böllmann, Andrea A1 - Thema, Martin A1 - Kalb, Larissa A1 - Stöckl, Richard A1 - Huber, Harald A1 - Sterner, Michael A1 - Bellack, Annett T1 - Identification of Robust Thermophilic Methanogenic Archaea and Packing Material for High Liquid Hold-Up at Low Volumetric Gas Flow Rates for Use in Trickle-Bed Reactors for Biological Methanation T2 - SSRN Electronic Journal N2 - he hydrogen gas-to-liquid mass transfer is the limiting factor in biological methanation. In a trickle-bed reactor, mass transfer can be increased by high flow velocities in the liquid phase, by adding a packing material with high liquid hold-up, or by choosing methanogenic archaea with a high methane productivity. This study analyzed various packings and methanogenic strains from a hydrodynamic and microbial perspective. By analyzing twelve pure cultures of thermophilic methanogens for their ability to produce high quality methane and to form biofilms on different packings, strains of Methanothermobacter were found to perform better than thus of the genus Methanothermococcus. Best methane production and adherence was observed on DuraTop®, Bioflow 9, and filter foam. DuraTop® and Bioflow 9 had also a high dynamic liquid hold-up, but the maximum hold-up was determined for expanded clay. The ideal combination for use in the ORBIT-trickle-bed reactor was identified as Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5 and DuraTop®. KW - Liquid hold-up maximization KW - Methane production KW - Methanothermobacter KW - Methanothermococcus KW - Optimized packing-organism combination Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.2139/ssrn.3940878 N1 - final peer reviewed article published under: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126524 ER - TY - JOUR A1 - Thema, Martin A1 - Weidlich, Tobias A1 - Kaul, Anja A1 - Böllmann, Andrea A1 - Huber, Harald A1 - Bellack, Annett A1 - Karl, Jürgen A1 - Sterner, Michael T1 - Optimized biological CO2-methanation with a pure culture of thermophilic methanogenic archaea in a trickle-bed reactor JF - Bioresource Technology N2 - In this study, a fully automated process converting hydrogen and carbon dioxide to methane in a high temperature trickle-bed reactor was developed from lab scale to field test level. The reactor design and system performance was optimized to yield high methane content in the product gas for direct feed-in to the gas grid. The reaction was catalyzed by a pure culture of Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5, which formed a biofilm on ceramic packing elements. During 600 h in continuous and semi-continuous operation in countercurrent flow, the 0.05 m3 reactor produced up to 95.3 % of methane at a methane production rate of 0.35 mCH43mR-3h-1. Adding nitrogen as carrier gas during startup, foam control and dosing of ammonium and sodium sulfide as nitrogen and sulfur source were important factors for process automation. KW - Biological methanation KW - Power-to-Gas KW - Reactor concept KW - Thermophilic archaea KW - Trickle-bed reactor Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125135 IS - 333 PB - Elsevier ER - TY - CHAP A1 - Jupke, Michael A1 - Reindl, Andrea A1 - Meier, Hans A1 - Niemetz, Michael ED - Pinker, Jiří T1 - Bidirectional DC-DC Converter with Digital Droop Parameterization T2 - 26th 2021 International Conference on Applied Electronics (AE): 7-8 Sept. 2021 Pilsen, Czech Republic N2 - The key for decentralized battery systems is a robust and communication-less control strategy for autonomous power sharing of parallel-connected DC-DC converters. Battery systems improve the reliability and quality of power supply in renewable energy systems and enable power supply for off-grid, mobile applications, including islanded grids, home storage, and electric vehicles. In many cases, components with different electrical properties require different voltage levels. An adaptation is consequently essential and is normally implemented in DC grids for the batteries via bidirectional DC-DC converters. The power flow in both directions can thus be ensured. To achieve a power distribution in parallel connected DC-DC converters, a droop control in the form of a virtual internal resistor can be used. This paper presents a novel approach of a DC-DC converter with a digitally parameterizable droop resistor, whose voltage regulation is based on an analog operational amplifier circuit to ensure low delays and robustness. The droop resistor is adjusted with a microcontroller, which offers the possibility to apply a higher-level control for load sharing via an interface. Mathematical correlations are used to clearly define the parameters of the control. Furthermore, the circuit was completely simulated and tested in the hardware setup. The shown results verify the functionality and indicate only minor deviations. Therefore, this circuit is important for future use in distributed battery systems. KW - battery storage plants KW - DC-DC power convertors KW - power convertors KW - distributed power generation KW - microcontrollers KW - voltage regulators KW - voltage control KW - power generation control KW - power grids Y1 - 2021 SN - 978-80-261-0972-3 U6 - https://doi.org/10.23919/AE51540.2021.9542920 SP - 1 EP - 6 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers ER - TY - JOUR A1 - Monkman, Gareth J. A1 - Sindersberger, Dirk A1 - Prem, Nina A1 - Diermeier, Andreas A1 - Szecsey, Tamara T1 - Dielectric behaviour of magnetic hybrid materials JF - Physical Sciences Reviews N2 - The objectives of this work include the analysis of electrical and magnetic properties of magneto-elastic hybrid materials with the intention of developing new techniques for sensor and actuator applications. This includes the investigation of dielectric properties at both low and high frequencies. The behaviour of capacitors whose dielectrics comprise magnetic hybrid materials is well known. Such interfacial magnetocapacitance can be varied according to magnetic content, magnetic flux density and the relative permittivity of the polymer matrix together with other dielectric content. The basic function of trapping electrical charges in polymers (electrets) is also established technology. However, the combination of magnetoactive polymers and electrets has led to the first electromagnetic device capable of adhering to almost any material, whether magnetically susceptible or not. During the course of this research, in addition to dielectrics, electrically conductive polymers based on (PDMS) matrices were developed in order to vary the electrical properties of the material in a targeted manner. In order to ensure repeatable results, this demanded new fabrication techniques hitherto unavailable. The 3D printing of silicones is far from being a mature technology and much pioneering work was necessary before extending the usual 3 d.o.f. to include orientation about and diffusion of particles in these three axes, thus leading to the concept of 6D printing. In 6D printing, the application of a magnetic field can be used during the curing process to control the particulate distribution and thus the spatial filler particle density as desired. Most of the devices (sensors and actuators) produced by such methods contain levels of carbonyl iron powder (CIP) embedded magnetic filler of up to 70 wt%. Contrary to this, a hitherto neglected research area, namely magnetoactive polymers (MAPs) having significantly lower magnetic particle concentrations (1 to 3 wt% CIP) were also investigated. With filler concentrations lower than 3 wt%, structures are formed which are completely absent at higher filler levels. CIP concentrations in the range of 1wt% demonstrate the formation of toroidal structures. Further development of coherent rings with a compact order results as filler concentrations increase towards 2 wt%. Above 3 wt% the structure eventually disintegrates to the usual random order found in traditional MAP with higher CIP content. Structured samples containing 1%–3 wt% CIP were investigated with the aid of X-ray tomography where solitary ring structures can be observed and eventually the formation of capillary doubles. Over wavelengths ranging from 1 to 25 µm, spectroscopic analysis of thin film MAP samples containing 2 wt% CIP revealed measurable magnetic-field-dependent changes in IR absorption at a wavenumber 2350 (λ = 4.255 µm). This was found to be due to the diamagnetic susceptibility of atmospheric carbon dioxide (CO2). Consequently, the first potential application for sparse matrix MAPs was found. KW - cappillary doublet KW - diamagnetic KW - elastomer dielectric KW - FTIR KW - interfacial magnetocapacitance KW - magnetoactive polymer KW - PDMS KW - toroid Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1515/psr-2019-0121 N1 - Corresponding author: Gareth J. Monkman VL - 7 IS - 10 SP - 1169 EP - 1185 PB - de Gruyter ER - TY - JOUR A1 - Gamisch, Bernd A1 - Gaderer, Matthias A1 - Dawoud, Belal T1 - On the Development of Thermochemical Hydrogen Storage: An Experimental Study of the Kinetics of the Redox Reactions under Different Operating Conditions JF - Applied Sciences N2 - This work aims at investigating the reduction/oxidation (redox) reaction kinetics on iron oxide pellets under different operating conditions of thermochemical hydrogen storage. In order to reduce the iron oxide pellets (90% Fe2O3, 10% stabilizing cement), hydrogen (H2) is applied in different concentrations with nitrogen (N2), as a carrier gas, at temperatures between between 700 ∘C and 900 ∘C, thus simulating the charging phase. The discharge phase is triggered by the flow of a mixture out of steam (H2O) and N2 at different concentrations in the same temperature range, resulting in the oxidizing of the previously reduced pellets. All investigations were carried out in a thermo-gravimetric analyzer (TGA) with a flow rate of 250mL/min. To describe the obtained kinetic results, a simplified analytical model, based on the linear driving force model, was developed. The investigated iron oxide pellets showed a stable redox performance of 23.8% weight reduction/gain, which corresponds to a volumetric storage density of 2.8kWh/(L bulk), also after the 29 performed redox cycles. Recalling that there is no H2 stored during the storage phase but iron, the introduced hydrogen storage technology is deemed very promising for applications in urban areas as day-night or seasonal storage for green hydrogen. KW - hydrogen storage KW - iron/iron oxide KW - reaction kinetics KW - redox reactions Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/app11041623 N1 - Corresponding author: Belal Dawoud VL - 11 IS - 4 SP - 1 EP - 15 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Steininger, Peter A1 - Gaderer, Matthias A1 - Dawoud, Belal T1 - Assessment of the Annual Transmission Heat Loss Reduction of a Refurbished Existing Building with an Advanced Solar Selective Thermal Insulation System JF - Sustainability N2 - A numerical parameter sensitivity analysis of the design parameters of the recently published solar selective thermal insulation system (SATIS) has been carried out to enhance its thermal and optical properties. It turned out that the insulation properties of SATIS can be effectively improved by reducing the length of the glass closure element. Increasing the area share of the light conducting elements (LCEs) and decreasing their length-to-diameter (L/D) ratio were identified as key parameters in order to increase the solar gain. Two SATIS variants were compared with the same wall insulation without SATIS in a yearly energetic performance assessment. The SATIS variant with 10 mm length of the closure element, 44.2% area share of LCE, as well as front and rear diameters of 12 mm/9 mm shows an 11.8% lower transmission heat loss over the heating period than the wall insulation without SATIS. A new methodology was developed to enable the implementation of the computed solar gains of SATIS in 1D simulation tools. The result is a radiant heat flow map for integration as a heat source in 1D simulation models. A comparison between the 1D and 3D models of the inside wall heat fluxes showed an integral yearly agreement of 98%. KW - effective thermal conductivity KW - parameter sensitivity analysis KW - radiant heat flow map KW - solar selective thermal insulation system (SATIS) KW - total solar energy transmittance KW - yearly energetic performance assessment Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/su13137336 N1 - Corresponding author: Belal Dawoud VL - 13 IS - 13 SP - 1 EP - 19 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - CHAP A1 - Buttner, Johannes A1 - Alonso-Villa, Cristina A1 - Bohigas Boladeras, Pere A1 - Kucera, Markus A1 - Waas, Thomas T1 - The Need for New Software Architectures for Next-generation Vehicle T2 - Proceedings of the 5th International E-Conference on Advances in Engineering, Technology and Management (ICETM 2021) N2 - Assuming that future connected cars with automated driving functions will require even more computing power and communication bandwidth, the current network infrastructure as well as the existing individualized control units are not a profitable option for such vehicles. In addition, changing user expectations demand flexible architectural patterns and upgradeability of software components without the need to visit the workshop. However, the current statically developed and configured ECU architecture does not offer any practicable possibilities for this. For these reasons, the research for a new dynamic and flexible architecture is necessary. This new type of system architecture is expected to meet future requirements in terms of space, cost, performance, energy efficiency and number of required computing units in the vehicle, which will arise as a result of the implementation/inclusion of new automated driving functionalities, and due to the changes in user expectations. Solutions to this issue can be found in the field of enterprise IT (cluster computing), in which technologies such as Ethernet, container-based virtualization and flexible software architectures have proven themselves to be very efficient for years. Relevant infrastructures, for example from cloud computing providers, have commonly been used in high-performance or high-availability applications. Thus, in the research project A 3F has been investigated which of these concepts and methods can be applied to modern vehicle system architectures. One of the main goals is to assess the synergy potential of the two sectors, information technology and automotive industry, which to date have very different orientations. However, this synergy is expected to grow strongly in the course of the developments mentioned above. In the following pages, the necessary changes related to hardware and software will be discussed briefly und will be compared to concepts and possible solutions from the IT world. Y1 - 2021 UR - https://www.seekdl.org/conferences/paper/details/10605.html SN - 978-1-63248-192-4 SP - 58 EP - 61 ER - TY - JOUR A1 - Kurzweil, Peter A1 - Scheuerpflug, Wolfgang T1 - State-of-charge monitoring and battery diagnosis of different lithium ion chemistries using impedance spectroscopy JF - Batteries N2 - For lithium iron phosphate batteries (LFP) in aerospace applications, impedance spectroscopy is applicable in the flat region of the voltage-charge curve. The frequency-dependent pseudocapacitance at 0.15 Hz is presented as useful state-of-charge (SOC) and state-of-health (SOH) indicator. For the same battery type, the prediction error of pseudocapacitance is better than 1% for a quadratic calibration curve, and less than 36% for a linear model. An approximately linear correlation between pseudocapacitance and Ah battery capacity is observed as long as overcharge and deep discharge are avoided. We verify the impedance method in comparison to the classical constant-current discharge measurements. In the case of five examined lithium-ion chemistries, the linear trend of impedance and SOC is lost if the slope of the discharge voltage curve versus SOC changes. With nickel manganese cobalt (NMC), high impedance modulus correlates with high SOC above 70%. KW - battery life testing KW - capacitance KW - lithium-ion battery KW - state-of-charge determination KW - state-of-health KW - pseudocharge KW - impedance spectroscopy KW - aging Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/batteries7010017 VL - 7 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Schmidt, Henrik A1 - Straub, Benedikt B. A1 - Sindersberger, Dirk A1 - Bröckel, Ulrich A1 - Monkman, Gareth J. A1 - Auernhammer, Günter T1 - Collision and separation of nickel particles embedded in a Poly dimethylsiloxan matrix under a rotating magnetic field: A strong magneto active function JF - Colloid and Polymer Science N2 - In order to function as soft actuators, depending on their field of use, magnetorheological elastomers (MREs) must fulfill certain criteria. To name just a few, these can include rapid response to external magnetic fields, mechanical durability, mechanical strength, and/or large deformation. Of particular interest are MREs which produce macroscopic deformation for small external magnetic field variations. This work demonstrates how this can be achieved by just a small change in magnetic field orientation. To achieve this, (super)paramagnetic nickel particles of size ≈ 160 μm were embedded in a non-magnetic polydimethylsiloxan (PDMS) (661–1301 Pa) and their displacement in a stepwise rotated magnetic field (170 mT) recorded using a video microscope. Changes in particle aggregation resulting from very small variations in magnetic field orientation led to the observation of a new strongly magneto-active effect. This configuration is characterized by an interparticle distance in relation to the angle difference between magnetic field and particle axis. This causes a strong matrix deformation which in turn demonstrates hysteresis on relaxation. It is shown that the occurrence strongly depends on the particle size, particle distance, and stiffness of the matrix. Choosing the correct parameter combination, the state can be suppressed and the particle-matrix system demonstrates no displacement or hysteresis. In addition, evidences of non-negligible higher order magnetization effects are experimentally ascertained which is qualitatively in agreement with similar, already theoretically described, particle systems. Even at larger particle geometries, the new strongly magneto-active configuration is preserved and could create macroscopic deformation changes. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s00396-020-04784-4 VL - 299 SP - 955 EP - 967 PB - Springer ER - TY - JOUR A1 - Rill, Georg A1 - Bauer, Florian A1 - Topcagic, Edin T1 - Performance of leaf spring suspended axles in model approaches of different complexities JF - Vehicle System Dynamics N2 - Axles with leaf spring suspension systems are still a popular choice in many commercial vehicles. However, leaf springs are not in perfect conformity to standard multibody vehicle models because they combine guidance and suspension in one single element. Combining standard multibody vehicle models with sophisticated finite element leaf spring models results in rather complex and computing time-consuming solutions. Purely kinematic models, defined by lookup tables or the design kinematics approach, cover only some but not all features of the leaf spring suspension. As shown here, the five-link model, which incorporates a quasi-static solution of the leaf spring compliance, provides a very practical model. It is comparatively lean and provides results of sufficient accuracy in the whole application range. KW - beam-model KW - commercial vehicles KW - design kinematics KW - five-Link model KW - Leaf spring suspension KW - vehicle dynamics Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1080/00423114.2021.1928249 VL - 60 IS - 8 SP - 2871 EP - 2889 PB - Taylor&Francis ER - TY - JOUR A1 - Vérez, David A1 - Borri, Emiliano A1 - Crespo, Alicia A1 - Zsembinszki, Gabriel A1 - Dawoud, Belal A1 - Cabeza, Luisa F. T1 - Experimental Study of a Small-Size Vacuum Insulated Water Tank for Building Applications JF - Sustainability N2 - Insulation of thermal energy storage tanks is fundamental to reduce heat losses and to achieve high energy storage efficiency. Although water tanks were extensively studied in the literature, the enhancement of the insulation quality is often overlooked. The use of vacuum insulation has the potential to significantly reduce heat losses without affecting the dimension of the storage system. This paper shows for the first time the results of the heat losses tests done for a 0.535 m3 water tank for residential building applications built with a double wall vacuum insulation. The different tests show that the rate of heat losses strictly depends on the temperature distribution inside the tank at the beginning of the experiment. Compared to a conventional water tank insulated with conventional materials, the U-value of the lateral surface was reduced by almost three times (from 1.05 W/K·m2 to 0.38 W/K·m2) using vacuum insulation. However, the bottom part, which is usually used to place the support parts and the piping, is the critical design part of those tanks acting as a thermal bridge with the ambient and enhancing heat losses. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/su13105329 VL - 13 IS - 10 SP - 1 EP - 11 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - CHAP A1 - Reindl, Andrea A1 - Meier, Hans A1 - Niemetz, Michael A1 - Park, Sangyoung T1 - Decentralized Battery Management System with Customized Hardware Components T2 - IEEE 19th Student Conference on Research and Development (SCOReD), Sustainable Engineering and Technology towards Industry Revolution: 23-25 Nov. 2021, Kota Kinabalu, Malaysia N2 - With an increasing number of sold electric vehicles (EVs), a large number of used batteries will be at disposal. How to deal with these resources is one of the major challenges in reducing the environmental impact of batteries throughout their entire life cycle. Heterogeneous cell parameters due to the different usage histories are a challenge for second-life use. The effort and cost of remanufacturing required to test and assemble a new battery pack is a further concern. Systems that combine battery packs/modules without full reassembly offer advantages such as cost and reusability. A decentralized battery management system (DBMS) provides a suitable architecture for such systems involving different types of batteries. In this paper, an architecture for a decentralized, battery state-dependent control is shown. The proposed DBMS supports various types of batteries, is scalable and flexibly adaptable for a wide range of applications. Despite the significant advantages, there are increased requirements to meet for the hardware implementation and the applied control strategies. Therefore, the necessary hardware components and their requirements are described and the hardware implementations are provided. KW - battery fitness KW - Battery management system KW - Battery management systems KW - bidirectional power flow KW - Computer architecture KW - Costs KW - DC-DC power converters KW - decentralized control KW - Electric vehicles KW - Hardware KW - load sharing KW - Microprocessors KW - Renewable energy sources KW - second life battery Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/SCOReD53546.2021.9652737 SP - 350 EP - 355 PB - IEEE ER - TY - JOUR A1 - Schwanzer, Peter A1 - Schillinger, Maximilian A1 - Mieslinger, Johann A1 - Walter, Stefanie A1 - Hagen, Gunter A1 - Maerkl, Susanne A1 - Haft, Gerhard A1 - Dietrich, Markus A1 - Moos, Ralf A1 - Gaderer, Matthias A1 - Rabl, Hans-Peter T1 - A Synthetic Ash-Loading Method for Gasoline Particulate Filters with Active Oil Injection JF - SAR International Journal of Engines N2 - To reduce particulate emissions, the use of particulate filters in diesel engines is meanwhile state of the art, while the integration of such systems in gasoline engines is now also necessary in order to comply with today's regulations. Over its lifetime, a gasoline particulate filter (GPF) collects ash components of fuel, lubrication oil, and materials originating from the catalytic coating and from engine abrasion. In the development and application process, synthetic ashing from GPFs is challenging. The ash of the lubrication oil can be increased in various ways, like oil-doped fuel, a separate oil burner, or changes in the piston-cylinder system of the engine. However, these methods show major disadvantages. For this reason, an improved approach is presented in this study, which allows a quick response to changes in combustion (e.g., engine knocking) and producing ash, which is more realistic due to its primary particle size and the density of ash plugs, in a shorter time. Therefore, an approach to accelerate ash loading by active oil injection using a multi-point injection (MPI) system is introduced. With the help of this methodology, an ashing capacity of 1.21 g/h is implemented, which is a high rate compared to other investigations. The primary particle size (evaluated by means of a transmission electron microscope), is in the same size range as those detected at the full-load curve during regular operation. A computer tomographic (CT) analysis of the incinerated particulate filter also shows that a very high density of ash plugs can be realized, which has also been found in the literature for real applications. In addition, with the help of a mass spectrometer (MS) and an intermediate weighing of the particulate filter, the current ash loading of the GPF could be determined with an accuracy of 1%. KW - Ash KW - GDI KW - GPF KW - Particle Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.4271/03-14-04-0029 SN - 1946-3936 SN - 1946-3944 VL - 14 IS - 4 SP - 493 EP - 506 PB - SAE International ER - TY - JOUR A1 - Schorr, Philipp A1 - Zentner, Lena A1 - Zimmermann, Klaus A1 - Böhm, Valter T1 - Jumping locomotion system based on a multistable tensegrity structure JF - Mechanical systems and signal processing N2 - All known locomotion principles are limited respective to environmental conditions. Often, the occurrence of obstacles or gaps means the break-off for the operating motion systems. For such circumstances, a controllable jumping locomotion is required to cross these barriers. However, this locomotion demands sophisticated requirements to the actuation. The abrupt actuation is commonly realized by high dynamic actuators or complex mechanisms. In this work, a simple solution utilizing the multistability of a compliant tensegrity structure is described. Therefore, a two-dimensional tensegrity structure featuring four stable equilibria is considered. Based on bifurcation analyses a feasible actuation to control the current equilibrium configuration is derived. Changing between selected equilibrium states enables a great difference in potential energy, which yields a jumping motion of the structure. Based on numerical simulations a suitable actuation strategy is chosen to overcome obstacle and steps by jumping forward or backward, respectively. The theoretical approach is examined experimentally with a prototype of the multistable tensegrity structure. (c) 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved. All known locomotion principles are limited respective to environmental conditions. Often, the occurrence of obstacles or gaps means the break-off for the operating motion systems. For such circumstances, a controllable jumping locomotion is required to cross these barriers. However, this locomotion demands sophisticated requirements to the actuation. The abrupt actuation is commonly realized by high dynamic actuators or complex mechanisms. In this work, a simple solution utilizing the multistability of a compliant tensegrity structure is described. Therefore, a two-dimensional tensegrity structure featuring four stable equilibria is considered. Based on bifurcation analyses a feasible actuation to control the current equilibrium configuration is derived. Changing between selected equilibrium states enables a great difference in potential energy, which yields a jumping motion of the structure. Based on numerical simulations a suitable actuation strategy is chosen to overcome obstacle and steps by jumping forward or backward, respectively. The theoretical approach is examined experimentally with a prototype of the multistable tensegrity structure. KW - Compliant tensegrity structure KW - Multibody dynamics KW - Multistability KW - Non-classical locomotion Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107384 IS - 152 PB - Elsevier ER - TY - CHAP A1 - Reindl, Andrea A1 - Singer, Thomas A1 - Meier, Hans A1 - Niemetz, Michael A1 - Park, Sangyoung T1 - Framework to Test DC-DC Converters Developed for a Decentralized Battery Management System T2 - 2021 International Conference on Applied Electronics (AE): 7-8 Sept. 2021, Pilsen, Czech Republic N2 - DC- DC converters control the power flow and thus the power distribution between the components on different voltage levels. They are essential for (dis)charging batteries and influence the safety and stability of the entire battery management system (BMS). Therefore, testing the functionality and the reliability of DC-DC converters is crucial. This is especially true for decentralized battery management systems (DBMS), where multiple nodes communicate to collectively control the system. The used DC-DC converters are modified to parameterize them during operation via microcontroller interfaces. Integrating the communication into the control loop requires an analysis of the control behavior due to additional delays. Therefore, this paper proposes a framework to test DC-DC converters considering the control and communication perspectives. The response time, the control accuracy and stability of these DC-DC converters, e.g., under continuous and abrupt load changes, are measured in automated tests. The dedicated software framework simulates the DBMS and stimulates the hardware components (e.g. electronic loads, data acquisition) via respective interfaces (CAN, RS232). This allows the test of various DC-DC converters with flexibly adaptable load and power generation profiles. An initial application validates the test framework by verifying the aforementioned aspects and thus the applicability of a DC-DC converter within the DBMS. KW - Batteries KW - Battery management system KW - Battery management systems KW - Control systems KW - DC-DC converter KW - DC-DC power converters KW - decentralized control KW - hardware in the loop testing KW - object oriented programming KW - Power system stability KW - Python KW - Stability analysis KW - system testing KW - Time measurement Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.23919/AE51540.2021.9542882 SP - 1 EP - 6 PB - IEEE ER - TY - JOUR A1 - Palomba, Valeria A1 - Nowak, Sebastian A1 - Dawoud, Belal A1 - Frazzica, Andrea T1 - Dynamic modelling of Adsorption systems: a comprehensive calibrated dataset for heat pump and storage applications JF - Journal of energy storage N2 - The growing efforts for the development of clean and efficient energy systems require the use of a multi-disciplinary approach and the integration of multiple generation appliances. Among the fields that can be considered enabling technologies, adsorption systems for air conditioning and thermal energy storages, are constantly increasing their maturity. However, for a proper design and integration of such systems, there is the need for a simulation framework that is reliable and computationally convenient. In the present paper, the implementation of a dynamic model for adsorption systems is presented, which includes different components (adsorber, phase changer, sorption materials) and is structured as a library. Modelica language and the commercial software Dymola (R) are used for the analysis. Data for different heat exchangers and working pairs are calibrated using experimental results and the calibrated model is subsequently used for the design of an adsorber based on a plate heat exchanger for thermal energy storage applications. The results proved that the model is fast and can reproduce experimental results with good accuracy, thus being a useful tool for the design and optimization of the different components of sorption systems. KW - CHILLERS KW - DIFFUSION KW - ETHANOL ADSORPTION KW - Optimization KW - PERFORMANCE KW - SCALE KW - simulation KW - THERMAL-ENERGY STORAGE KW - TRANSFORMATION KW - WATER-ADSORPTION Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.est.2020.102148 VL - 33 PB - Elsevier ER - TY - JOUR A1 - Rill, Georg A1 - Bauer, Florian A1 - Kirchbeck, Mathias T1 - VTT - a virtual test truck for modern simulation tasks JF - Vehicle system dynamics N2 - The development of new technologies like advanced driver assistance systems or automated driving requires a flexible simulation environment of sufficient complexity. In general this flexibility is not provided by commercial software packages. This paper presents a three-dimensional and nonlinear hand-made model for heavy commercial vehicles including tractor and trailer as well as tractor and semitrailer combinations that can be used in different simulation environments, as well as in real-time applications. As typical for trucks, the torsional flexibility of the frame and a suspended driver's cabin are taken into account. The design kinematics makes it possible to handle different and quite complex axle suspensions very efficiently. Appropriate force elements are used to model various couplings between tractor and trailer or tractor and semitrailer, respectively. The virtual test truck environment (VTT) coded in ANSI C is extremely portable and can easily be embedded in commercial simulation packages like MATLAB/Simulink. It includes the TMeasy tyre model and offers flexible interfaces to third-party software tools. KW - coupled air springs KW - design Kinematics KW - heavy commercial vehicles KW - MATLAB KW - Simulink KW - TMeasy tyre model KW - vehicle coupling KW - Vehicle modelling Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1080/00423114.2019.1705356 VL - 59 IS - 4 SP - 635 EP - 656 PB - Taylor&Francis ER - TY - CHAP A1 - Schubert, Martin J. W. A1 - Lee, Wai-Kong A1 - Ooi, Boon Yaik T1 - Quantization and Sampling Effects in Fast Digitally Controlled Switch-Mode DC/DC Buck Converters T2 - 2021 IEEE Industrial Electronics and Applications Conference (IEACon): 22.11.2021 - 23.11.2021, Penang, Malaysia N2 - Software-defined control of DC/DC switch mode power converters features unequaled flexibility compared to analog control. For fast switching converters as recently used for low power applications, digital control may cause steady-state oscillations known as limit cycles. This effect based on a quantized duty cycle is compared to other aberrations such as output ripple voltage, which is inherent to any pulse-width modulator. A distinction is made between DC and AC errors. The latter are divided into synchronous and asynchronous output voltage disturbances. Synchronous AC errors are composed of the switching frequency and its harmonics. KW - aberrations due to digitization KW - digital pulse-width modulation (DPWM) KW - low power DC/DC buck conversion KW - output voltage sampling Y1 - 2021 SN - 978-1-7281-9253-6 U6 - https://doi.org/10.1109/IEACon51066.2021.9654272 SP - 56 EP - 61 PB - IEEE ER -