Energie und Mobilität
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In einer vorrangegangenen Studie wurde der Einfluss psychoakustischer Parameter auf Präferenzurteile für konsonante und dissonante Geräusche untersucht. Diese Geräusche hatten die gleiche Lautheit und basierten auf einem festen Rauschhintergrund und eingebetteten hochfrequenten Tonkomponenten. Es zeigte sich, dass die Präferenzurteile eines Probandenkollektives durch ebenfalls erhobene Subjektivurteile zu Schärfe, Tonhaltigkeit und Dissonanz mit hoher Präzision vorhergesagt werden konnten.Durch das angewandte Versuchsdesign konnte diese rein auf Subjektivbeurteilungen bestehende Vorhersage mit einer instrumentellen Vorhersage der Präferenzurteile verglichen werden. Der Vergleich ergab einen niedrigeren Korrelationskoeffizienten für die modellbasierte Vorhersage, was auch durch die sehr niedrige Korrelation (R2<0,2) der berechneten Schärfe nach DIN45692 mit den Schärfe-Subjektivurteilen zu begründen war. Eine mögliche Erklärung der unzureichenden Prognose der Schärfeurteile könnte in der Bewertungsstrategie der Proband:innen zu finden sein. Für die getesteten Geräusche mit auffälligen tonalen Komponenten könnte statt der Schärfe des Gesamtgeräuschs nur die Schärfe des tonalen Geräuschobjekts berücksichtigt worden sein. Die Schärfe-Analyse der auf ihren tonalen Anteil reduzierten Signale zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Subjektivurteilen, was die Hypothese einer Trennung von Ton- und Rauschobjekten unterstützt. Es wird diskutiert, ob und wie das Paradigma der akustischen Objekttrennung in der Modellierung psychoakustischer Empfindungsgrößen Anwendung finden kann.
An electric traction machine for an electric or a hybrid electric vehicle is usually designed for a specific operating point or cycle. For such an operating point or cycle, the masses and the cooling circuit of the electric machine determine the time dependent temperature distribution within the machine. For a specific load cycle, the thermal simulation of the machine can reveal possible mass and size reductions for a given insulation class of the machine. In addition, such simulations allow the comparison of various cooling concepts. In the machine design process, the first step is a conventional electromagnetic machine design. From the geometric data of this design and the material properties, the parameters of a thermal equivalent circuit can be derived. The differential and algebraic equations of the thermal equivalent circuit are solved by a simulation tool to predict the temperatures of the critical parts in the electric machine. A thermal equivalent circuit is accurate enough to predict the thermal behavior of the critical parts in the electric machine, and yet not too complex, to obtain simulation results with moderate numerical effort. This enables an iterative design process to optimize the drive.
A magnetic levitation system is a perfect educational example of a nonlinear unstable system. Only with suitable control, a small permanent magnet can be held floating stable below a coil. After modeling and simulation of the system, control of the system can be developed. At the end, the control algorithm can be coded on a microcontroller, connected to a pilot plant.
As global demand for green hydrogen rises, potential hydrogen exporters move into the spotlight. However, the large-scale installation of on-grid hydrogen electrolysis for export can have profound impacts on domestic energy prices and energy-related emissions. Our investigation explores the interplay of hydrogen exports, domestic energy transition and temporal hydrogen regulation, employing a sector-coupled energy model in Morocco. We find substantial co-benets of domestic climate change mitigation and hydrogen exports, whereby exports can reduce domestic electricity prices while mitigation reduces hydrogen export prices. However, increasing hydrogen exports quickly in a system that is still dominated by fossil fuels can substantially raise domestic electricity prices, if green hydrogen production is not regulated. Surprisingly, temporal matching of hydrogen production lowers domestic electricity cost by up to 31% while the effect on exporters is minimal. This policy instrument can steer the welfare (re-)distribution between hydrogen exporting firms, hydrogen importers, and domestic electricity consumers and hereby increases acceptance among actors.
Automated use of wired measures in grid planning for solving current and voltage band problems
(2019)
This work deals with the use of cable exchange and parallel cabling as network expansion measures in the context of an automated grid planning for the elimination of current and voltage band problems in a distribution network. Inter alia, reference is made to a higher-level program, which is being developed in the EU project "CrossEnergy", and the procedures for remedying the limit value violations are presented.
Im Rahmen der vier Kopernikus-Projekte – Ariadne, ENSURE, P2X und SynErgie – wird die Transformation des deutschen Energiesystems hin zur Klimaneutralität analysiert. Im vorliegenden Bericht werden hierbei robuste Kernaussagen und relevante Unsicherheiten derjenigen Szenarien der Kopernikus-Schwesterprojekte dargestellt, die zur Zielsetzung die Klimaneutralität 2045 haben. Hierbei liegt der Fokus auf Indikatoren, die eine besonders hohe klimapolitische Relevanz haben.
Analysis and Improvement of Engineering Exams Toward Competence Orientation by Using an AI Chatbot
(2024)
ChatGPT is currently one of the most advanced general chatbots. This development leads to diverse challenges in higher education, like new forms of teaching and learning, additional exam methods, new possibilities for plagiarism, and many more topics. On the other side with the development of advanced AI tools, pure knowledge will be less and less important, and demands from industry will change toward graduates with higher competencies. Education has therefore to be changed from knowledge-centered toward competence centered. The goal of this article is to use ChatGPT for analyzing and improving the competence orientation of exams in engineering education. The authors use ChatGPT to analyze exams from different engineering subjects to evaluate the performance of this chatbot and draw conclusions about the competence orientation of the tested exams. The obtained information is used to develop ideas for increasing the competence orientation of exams. From this analysis, it is visible that ChatGPT gives good performance mainly where knowledge is tested. It has, however, much more problems with transfer questions or tasks where students need creativity or complex insights for finding new solutions. Based on this result, exams and also lectures can be optimized toward competence orientation.
Increasingly stringent emission limits have made particulate filters necessary for gasoline engines. Similar to diesel applications, gasoline particulate filters (GPFs) can be monitored by differential pressure measurement or by the radio-frequency-based filter diagnosis (RF sensor). In addition to measuring the soot loading, ash detection is critical for monitoring the GPF over the entire vehicle lifetime. Because the RF sensor detects the filter loading through a change in the dielectric properties of the GPF, it can detect not only soot but also ash. In diesel applications, the RF sensor has already demonstrated its potential for ash detection. To verify the feasibility of simultaneous ash and soot monitoring for GPFs, filters were loaded with ash on an engine test bench and measured on a lab test bench under defined synthetic exhaust gas conditions. By evaluating resonant modes, soot and ash could be clearly distinguished, as ash mainly affects the resonant frequency, while soot also changes the quality factor due to its high dielectric losses. However, higher soot loadings could not be detected by the resonant parameters, but instead by a frequency-averaged transmission signal. While the presence of ash caused an offset in this signal, its sensitivity to soot was not affected. Thus, the influence of ash can be corrected if the signal in the soot-free filter state is known, e.g., from the behavior of the resonant parameters. Therefore, even with a continuously increasing ash loading over the lifetime of a vehicle, an accurate soot detection is possible with the RF sensor.
As more energy systems from renewable sources and the electricity market becomes more volatile, new solutions to ensure the security of supply are tested. Microgrids offer a possibility to prevent construction downtime. In order to use the energy sources and storage facilities of the microgrid effectively, load forecasting algorithms are essential. Thus, in this study a short term load forecasting model for a construction company is designed, that will be used for managing a microgrid as well as the general load consumption. This paper proposes the use of the XGBoost algorithm for the 36-hour forecast including predictors based on past measurements as well as information extracted from the timestamp. Moreover, it is shown that including load profiles attained by conventional methods has the potential to improve the accuracy of the model.
Industrial plants can provide reactive power (Q) for system- and grid-serving behavior, for which a functioning reactive power management system is essential. To make reactive power retrieval as efficient and safe as possible, the selection of reactive power sources to meet the Q-demand must consider their sensitivities and the restrictions of the industrial grid, such as operating equipment utilization or voltage limits. On this basis, a concept for a sensitivity-based control strategy that manages the reactive power retrieval of multiple reactive power sources depending on a predefined reactive power demand value is proposed. Based on the simulation of an industrial plant in the medium-voltage grid, which can provide reactive power in the form of industrial compensation systems (ICS) and generators, the operation of the algorithm is shown.
Acoustic emission (AE) testing recently found its application in the wafer testing sector of the semiconductor industry. To find out the mechanical robustness of semiconductor devices, contact pads on the chip surface are intentionally overstressed with an indenter tip and the appearing oxide cracks are detected with help of the generated AE signals. This is done in a customized test bench with a patented sensor-indenter system. This paper presents an improved version of the measurement setup that solves certain disadvantages of it and can be used in a standard wafer prober. The main components of the developed sensor system are a strain gauge for contact force measurement and a piezoelectric sensor element for AE signal detection. Both components are integrated on a cantilever beam which has an exchangeable indenter tip at its free end. The cantilever probe is electrically conductive to enable electrical tests via the indenter tip. This smart sensor-cantilever combination (SCC) can be mounted with several adapter components on a carrier plate to place it in a wafer prober. For both sensor elements amplifier circuits are developed to enhance their signal-to-noise ratios (SNRs). A prototype setup is shown together with simulated and experimental results to demonstrate its performance. The mechanical properties of the cantilever, as well as the force sensor and the AE crack signals, already fulfill the requirements for an implementation in a wafer prober. To further improve the sensor resolutions and detection limits, several optimizations regarding the design of the SCC are in progress.
In this study, a pilot-scale trickle-bed reactor for biological methanation and various scale-up scenarios for 2023 and 2050 were investigated using LCA. A best- and worst-case scenario for technology development until 2050 was evolved using cross consistency analysis and morphological field, based on which the data for the ecological models were determined.The results show that the plant scale-up has a very positive effect on the ecological consequences of methanation. In the best-case scenario, the values are a factor of 23-780 lower than those of the actual plant today. A hot-spot analysis showed that especially electrolysis operation has a large impact on total emissions. The final Monte-Carlo simulation shows that the technology is likely to achieve a low GWP with a median of 104.0 kg CO2-eq / MWh CH4.
Energieforschung
(2016)
Energieforschung
(2019)
Über uns
Das Regensburg Center of Energy and Resources (RCER) bündelt seit 2012 die Aktivitäten der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg) und der regionalen Wirtschaftsunternehmen auf dem Strategiefeld „Energie und Ressourcen“.
Mission: Energieforschung: vernetzen, voranbringen, vermitteln
Das RCER fördert die Vernetzung verschiedener Disziplinen der Energieforschung innerhalb der OTH Regensburg und mit externen Partnern (Firmen, Förderträgern, Forschungsinstitutionen, öffentlichen Einrichtungen). Das RCER ist Ihr Partner beim Voranbringen von Kooperationen und Forschungsvorhaben durch Unterstützung in der Antragsphase, bei der Einwerbung von Projektmitteln und Projektbegleitung im Energiebereich. Das RCER steht für die Vermittlung von Know-how, Basiswissen, aktuellen Fragen und den Technologietransfer rund um das Thema Energie zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik.
Vision
Wir sind Ihr erster Ansprechpartner und Motor für innovative Energieforschung.
Werte
Verlässlichkeit, Kompetenz, Verantwortungsbewusstsein.Regional verwurzelt und weltoffen
Energieforschung
(2023)
Über uns
Das Regensburg Center of Energy and Resources (RCER) bündelt seit 2012 die Aktivitäten der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg) und der regionalen Wirtschaftsunternehmen auf dem Strategiefeld „Energie und Ressourcen“.
Mission: Energieforschung: vernetzen, voranbringen, vermitteln
Das RCER fördert die Vernetzung verschiedener Disziplinen der Energieforschung innerhalb der OTH Regensburg und mit externen Partnern (Firmen, Förderträgern, Forschungsinstitutionen, öffentlichen Einrichtungen). Das RCER ist Ihr Partner beim Voranbringen von Kooperationen und Forschungsvorhaben durch Unterstützung in der Antragsphase, bei der Einwerbung von Projektmitteln und Projektbegleitung im Energiebereich. Das RCER steht für die Vermittlung von Know-how, Basiswissen, aktuellen Fragen und den Technologietransfer rund um das Thema Energie zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik.
Vision
Wir sind Ihr erster Ansprechpartner und Motor für innovative Energieforschung.
Werte
Verlässlichkeit, Kompetenz, Verantwortungsbewusstsein.Regional verwurzelt und weltoffen
Combined Ash and Soot Monitoring in Gasoline Particulate Filters with a Radio-Frequency-Based Sensor
(2022)
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.
Schlussbericht zum Verbundvorhaben NAMOSYN: Nachhaltige Mobilität durch synthetische Kraftstoffe
(2023)
Im Labor für Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlung der OTH-Regensburg sollten im Zuge des NAMOSYN-Projektes zwei Vertreter klimaneutraler Kraftstoffe an verschiedenen Systemprüfständen (Motor-, Einspritzprüfstand, optisch zugängliche Einspritzkammer, …) und mit Hilfe von Simulationsmethoden für den Einsatz in bestehenden Verbrennungsmotoren untersucht werden. Synthetische Kraftstoffe aus der Gruppe der Oxymethylenether (OME) stellen eine CO2-neutrale Alternative zu fossilem Dieselkraftstoff dar. Für Ottomotoren wurde untersucht, ob der synthetische Kraftstoff DMC/MeFo (Dimethylcarbonat & Methylformiat) einen Ersatz für Ottokraftstoff darstellen kann, bzw. eine Drop-In-Fähigkeit gegeben ist.
Die OTH Regensburg bearbeitete 2 unabhängige Teilvorhaben zur motorischen Testung von synthetischen Kraftstoffen: „FC 1A: Motorische Testung von OME“ und „FC 2: Untersuchung von C1-Oxygenaten für Ottomotoren“. Die Projektlaufzeit betrug 3,5 Jahre, inkl. kostenneutraler Verlängerung um 6 Monate aufgrund der Corona-Pandemie.
Im FC1A "AP2-Nachrüstung Dieselmotoren" der OTH Regensburg lag der Fokus auf der Erforschung der Potentiale und der Umrüstung eines Einzylinder-Dieselmotors mit Pumpe-Leitung-Düse-(PLD)-Einspritzsystem des Projektpartners Motorenfabrik Hatz GmbH und Co. KG für OME-Betrieb.
Im AP2.1 wurden umfangreiche Daten gesammelt und Simulationsmodelle des Motors und PLD-Einspritzsystems erstellt und mit Dieselkraftstoff und OME validiert. Nachfolgend wurden Parameterstudien zur Geometrie des Einspritzsystems und der physikalischen Eigenschaften von OME durchgeführt.
In AP2.2 und AP2.3 wurden umfangreiche Untersuchungen an einem Motor- und Einspritzsystemprüfstand mit Diesel und OME durchgeführt und der Steuergerätedatensatz für den OME-Betrieb optimiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Umstellung des Kraftstoffs auf OME, insbesondere bei einfachen Motoren mit rudimentärer Einspritztechnik und ohne Mittel zur NOx-Reduzierung (keine AGR oder SCR), ein enormes Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrads bei gleichzeitiger Reduzierung aller regulierten Schadstoffe (NOx, 𝑃N, 𝑃M, CO und 𝑉OC) eröffnet. Die Ergebnisse und generierten Simulationsmodelle unterstützen eine schnelle Serienentwicklung und Einführung von OME-Umrüstlösungen.
In FC 2 werden die vielversprechenden Kraftstoffe Methylformiat (MeFo) und Dimethylcarbonat (DMC) motorisch getestet. Untersuchungen am Kraftstoffsystem und wichtigen Komponenten dienen als Grundlage für das AP3.
Im AP3 wird die Machbarkeit der DMC/MeFo-Verbrennung am Vollmotor demonstriert und die erwarteten Emissionsvorteile gegenüber herkömmlichen Ottokraftstoffen gezeigt. Abweichend von der ursprünglichen Planung werden an der OTH Regensburg Kraftstoffblends aus Benzin und MeFo untersucht, um den Einsatzbereich des Kraftstoffs zu erweitern.
In AP5 werden potentielle Mischungsverhältnisse analysiert und die Eigenschaften der ausgewählten Kraftstoffmischungen an einem Einspritzratenprüfstand, an der Einspritzkammer und am Vollmotor untersucht. Es werden Einspritzverhalten, Gemischaufbereitung und Abgasemissionen bewertet.
Zudem wird eine Kraftstoffmischanlage entwickelt und ein optischer Zugang am Vollmotor ermöglicht. Eine Ölverdünnungsmesstechnik wird eingesetzt, um den Kraftstoffeintrag ins Motoröl zu untersuchen
Friction has long been an important issue in multibody dynamics. Static friction models apply appropriate regularization techniques to convert the stick inequality and the non-smooth stick–slip transition of Coulomb’s approach into a continuous and smooth function of the sliding velocity. However, a regularized friction force is not able to maintain long-term stick. That is why dynamic friction models were developed in recent decades. The friction force depends herein not only on the sliding velocity but also on internal states. The probably best-known representative, the LuGre friction model, is based on a fictitious bristle but realizes a too-simple approximation. The recently published second-order dynamic friction model describes the dynamics of a fictitious bristle more accurately. It is based on a regularized friction force characteristic, which is continuous and smooth but can maintain long-term stick due to an appropriate shift in the regularization. Its performance is compared here to stick–slip friction models, developed and launched not long ago by commercial multibody software packages. The results obtained by a virtual friction test-bench and by a more practical festoon cable system are very promising. Thus, the second-order dynamic friction model may serve not only as an alternative to the LuGre model but also to commercial stick–slip models.
Owing to increasingly stringent emission limits, particulate filters have become mandatory for gasoline-engine vehicles. Monitoring their soot loading is necessary for error-free operation. The state-of-the-art differential pressure sensors suffer from inaccuracies due to small amounts of stored soot combined with exhaust gas conditions that lead to partial regeneration. As an alternative approach, radio-frequency-based (RF) sensors can accurately measure the soot loading, even under these conditions, by detecting soot through its dielectric properties. However, they face a different challenge as their sensitivity may depend on the engine operation conditions during soot formation. In this article, this influence is evaluated in more detail. Various soot samples were generated on an engine test bench. Their dielectric properties were measured using the microwave cavity perturbation (MCP) method and compared with the corresponding sensitivity of the RF sensor determined on a lab test bench. Both showed similar behavior. The values for the soot samples themselves, however, differed significantly from each other. A way to correct for this cross-sensitivity was found in the influence of exhaust gas humidity on the RF sensor, which can be correlated with the engine load. By evaluating this influence during significant humidity changes, such as fuel cuts, it could be used to correct the influence of the engineon the RF sensor.
This work aims first to develop a dynamic lumped model for the isothermal reactions of hydrogen/steam with a single iron oxide/iron pellet inside a tubular reactor and to validate the model results against the experimental reaction kinetic data with the help of our STA device. To describe the temporal change in mass, and consequently, the temporal heat of reaction, the shrinking core model, based on the geometrical contracting sphere, is applied. It turned out that, the simulation model can reproduce the experimental, temporal concentration and temperature-dependent conversion rates with a maximum deviation of 4.6% during the oxidation reactions and 3.1% during the reduction reactions. In addition, a measured isothermal storage process comprising one reduction and one oxidation phase with a holding phase in between on a single reacting pellet could be reproduced with a maximum absolute deviation in the conversion rate of 1.5%. Moreover, a lumped, non-isothermal simulation model for a pelletized tubular redox-reactor including 2kg of iron oxide pellets has been established, in which the heat of reaction, heat transfer to the ambient and heat transfer between the solid and gas phases are considered. The temporal courses of the outlet gas concentration as well as the temperatures of the gas stream and the solid material at a constant input gas flow rate and a constant reacting gas inlet concentration but different input gas temperatures are estimated. Because of the endothermic nature of the reduction reaction, the inlet reacting gas temperature shall be kept high to prevent the severe temperature drop in the solid phase and, consequently, the significant reduction of the reaction rate. Contrary to that, the oxidation process requires lower input gas temperatures to avoid the excessive overheating of the reaction mass and, consequently, the sintering of the reacting pellets. Finally, five of the previous reactors have been connected in series to explore the influence of the changing inlet gas temperatures and concentrations on the dynamic performance of each storage mass.
Microchips are intensively used in almost all nowadays electronic devices. With the continuous advancement of our technologies, they get smaller in size than ever before. They generate high-intensity heat loads that need to be transported effectively such that they may function properly. Heat pipes have proven to be very effective in transporting relatively large heat loads from miniature components. They are of seamless structure that involves a working fluid capable of evaporation and condensation at the working temperature of the electronic chips. The working fluid is derived to move from the condenser to the evaporator via multiple microgrooves using capillary forces. It is important that the condensate reaches the evaporator at a proper rate such that no dry-out or flooding occur. In this work, we are particularly interested in the case of capillary-driven flows in rectangular microchannels. A generalized model is developed that works for axe-symmetric rectangular channels of arbitrary, moderately varying width profiles. It also accounts for any contrast of viscosity between the liquid and the vapor under isothermal conditions. The model shows to reduce to the special case of imbibition in straight and uniform microchannels, for which comparisons with experimental and modeling works show an excellent match. Cases representing linearly and quadratically varying converging/diverging width profiles have been explored. It is found that the viscosity ratio has a significant influence on the rate at which the meniscus advances. The model also negates the common practice found in the literature of using the formula developed for imbibition rates in capillary tubes for rectangular microchannels by replacing the diameter of the tube with the hydraulic diameter. It is also found that the channel profile has an influential effect on the imbibition rates. For tapered microchannels, the capillary force increases along the channel length while it decreases for diverging ones. It is interestingly demonstrated that, for quadratically tapered microchannel, the speed of the meniscus increases towards the end of the microchannel compared with linearly varying microchannels. On the other hand, for diverging microchannels, the speed of the meniscus decreases due to the increase in the cross-sectional area. Computational fluid dynamics (CFD) analysis has been conducted to provide a framework for confirmation and verification for which very good match has been established, which builds confidence in the modeling approach.
Appropriate climate change mitigation requires solutions for all actors of the energy system. The residential sector is a major part of the energy system and solutions for the implementation of a seasonal hydrogen storage system in residential houses has been increasingly discussed. A global analysis of prosumer systems including seasonal hydrogen storage with water electrolyser, hydrogen compressor, storage tank, and a fuel cell studying the role of such a seasonal household storage in the upcoming decades is not available. This study aims to close this research gap via the improved LUT-PROSUME model, which models a fully micro sector coupled residential photovoltaic prosumer system with linear optimisation for 145 regions globally. The modelling of the cost development of hydrogen storage components allows for the simulation of a residential system from 2020 until 2050 in 5-year steps in hourly resolution. The systems are cost-optimised for either on- or off-grid operation in eight scenarios including battery electric vehicles, which can act as an additional vehicle-to-home electricity storage for the system. Results show that implementation of seasonal hydrogen systems only occurs in least cost solutions in high latitude countries when the system is forced to run in off-grid mode. In general, a solar photovoltaic plus battery system including technologies that can cover the heat demand is the most economic choice and can even achieve lower cost than a full grid supply in off-grid operation for most regions until 2050. Additional parameters including the self-consumption ratio, the demand cover ratio, and the heat cover ratio can therefore not be improved by seasonal storage systems if economics is the main deciding factor for a respective system. Further research opportunities and possible limitations of the system are then identified.
Dual front steering axles are quite common in multi-axled heavy duty trucks. In standard layouts of such axle combinations, the steer motions of the wheels depend not only on the rotation of the steering wheel but also on the movements of the axles. As a consequence, the model complexity of the steering system should match with the complexity of the suspension model. The development of new technologies like advanced driver assistance systems or autonomous driving can only be accomplished efficiently using extensive simulation methods. Such kind of applications demand for computationally efficient vehicle models. This paper presents a steering system model for dual front axles of heavy duty trucks which supplements the suspension model of the axles. The model takes the torsional compliance of the steering column as well as the stiffness of the tie rods and the coupling rod into account. A quasi-static solution provides a straight forward computation including the partial derivatives required for an efficient implicit solver. The steering system model matches perfectly with comparatively lean, but sufficiently accurate multibody suspension models.
A prototype of a thermal insulation system to offer high selectivity of the solar gain regarding the solar incidence angle (SATIS) was applied to a typical solid brick masonry for existing buildings in Germany. Light conducting elements (LCEs) inclined at 19 ° were incorporated in SATIS, which equals the average solar noon angle in southern Germany during winter. The entire wall construction was experimentally investigated in a differential climatic chamber test bench at four different irradiation angles according to a dynamic test procedure. In addition, a conventional wall construction (CWC) has been measured. At SATIS’ design angle of 19 °, the SATIS wall construction shows a solar gain (SG) of 394.5 Wh/m², while the SG of the CWC amounts to only 25.4 Wh/m². The validated transient model of the SATIS wall construction showed that, at the end of the irradiation period of the dynamic test procedure (8 h), the solar heat penetrates to a depth of 253 mm and 111 mm inside the 385 mm thick brick wall masonry at the irradiation angles of 19 ° and 50 °, respectively. During the same time, the stored solar energy at 50 ° amounts to only 24.4 % of that stored at 19 °.
Hydrogen storage based on the repeated reduction and oxidation (redox) reactions of iron oxide/iron composites represents a promising technology. This work is dedicated to studying the influence of the amount of water added during the pelletizing process on the cycle stability and structure of iron oxide pellets. The storage composites were prepared from iron oxide (Fe2O3) and 10 wt.-% support material (cement) with different amounts of water (18 and 33 wt.-%) in a laboratory-scale pelletizing disk. To evaluate the cycle stability of the composites, the kinetics of the redox reactions were experimentally measured at 800 ∘
C in an atmosphere of 50% N2 and 50% H2 (reduction) or 50% steam (oxidation), respectively. Moreover, the structure of the pellets was analyzed by micro-computed tomography scans. It turned out that pellets with higher water contents attained faster kinetics and a higher cycle stability. The sample with the least water content (18 wt.-%) needed about 26 min and 19 min to reach a conversion rate of 80% during the reduction and oxidation reactions of the sixth redox cycle, respectively. In contrast, the sample with the highest water content (33 wt.-%) could achieve the same conversion rate after 18 min (reduction) and 13 min (oxidation) during the ninth redox cycle.
Over the past decade, cars have turned gradually into real cyber physical systems. The collaboration of services between the service-oriented, cross-enterprise vehicle application frameworks has increased to generate novel, smart and complicated vehicle services. Consequently, from an interoperability perspective, semantically mapping of vehicle service component’s interface ontological models emerged as a big research interest in automotive application domain that manipulates several cross-enterprise synergy knowledge applications frameworks. The ontological metamodeling lays the foundation for building semantic bridge and exploring semantic associations between service components’ interface models based on the domain knowledge for semantic interoperability. Also, several semantic quality metrics has been defined over time for the vehicle service interface ontological metamodels. The empirically evaluated values of these metrics can be used to assess progress in cross-enterprise interoperability between the service and the clients’ APIs ontological models in vehicle domain. Despite potential benefits of semantic alignment quality metrics, the effective use of these metrics for vehicle service interface ontologies have proven elusive. Yes, such metrics can be used successfully for quantification, but then they mostly fail to provide adequate annotations in subsequent decision-making in the direction of semantic interoperability and reusability. The effective use of ontology semantic alignment quality metrics is basically hindered in the absence of the meaningful thresholds. In fact, the absence of an effective and meaningful threshold for the semantic similarity measure between various vehicle service interface ontological metamodels, motivates this research work which not only proposes a design approach to an optimized threshold for the semantic similarity metrics but also applies this threshold on few defined semantic alignment quality metrics. This paper also uses a real-world vehicle domain industrial case study to illustrate the design approach.
The glass industry is facing increased challenges regarding climate protection targets and rising energy costs. The integration of renewable energy including conversion and storage is a key for both challenges in this energy-intensive industrial sector, which has been mainly relying on fossil gas so far. The options considered to this point for reducing CO2 emissions and switching to a renewable energy supply involve far-reaching changes of the established melting processes. This entails significant risks in terms of influences on glass quality and stable production volumes. The presented approach for the integration of a Power-to-Methane (PtM) system into the glass industry is a completely new concept and has not been considered in detail before. It allows the use of established oxyfuel melting processes, the integration of fluctuating renewable energy sources and a simultaneous reduction of CO2 emissions by more than 78%. At the same time, natural gas purchases become obsolete. A techno-economic evaluation of the complete PtM process shows, that 1,76 €/m3 or 1,26 €/kg synthetic natural gas are possible with renewable energy supply. Using electricity from the energy grid would require electricity prices < 0,126 €/kWh to allow cost competitive PtM processes in the glass industry. Such electricity prices could be achieved by electricity market-based optimization and operation of the PtM system. This operation strategy would require AI-based algorithms predicting availabilities and prices on future-based markets.
This communication presents an experimental and analytical study on the evaporation mechanism in a closed-structured asymmetric plate heat exchanger (PHE) employed as a stagnant water evaporator for the application in an adsorption heat transformation appliance. To this aim, an experimental unit is constructed, which comprises two identical PHEs, one acting as an vaporator/condenser and the second, as an adsorber/desorber. Two endoscopes are mounted inside the investigated evaporator to visualize the evaporation mechanism when performing adsorption-evaporation processes under different boundary conditions. It turned out that the evaporation mechanism is a partially covered, thin film evaporation. A heat transfer analysis is performed to evaluate the heat transfer coefficient of the thin film evaporation () inside the investigated evaporator, resulting in -values between 1330 and 160 [W∙m−2∙K−1] over the investigated adsorption-evaporation time. Correlating the obtained () to the film thickness and the wetted area results in -values between 0.34 and 0.78 [mm] and wetted to total area ratios of 0.78 to 0.16. Besides, an analytical model has been developed and introduced to correlate the overall evaporator heat transfer coefficient with the adsorption potential and the time rate of change of the water uptake.
Dieser Bericht entstand auf Initiative der Studierenden des Masterstudiengangs Elektro- und Informationstechnik (MEI)“, die an der Pflichtlehrveranstaltung „Forschungsmethoden und Seminar (FMS)“ im Wintersemester 2022/23 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.
Die Bundesregierung hat ambitionierte Ausbaupfade für die Windenergie und Photovoltaik festgelegt. Allerdings gefährdet vor allem der Verteilnetzausbau und der Netzanschluss der Erneuerbare-Energien-Anlagen (EE-Anlagen) die Erreichung dieser hochgesteckten Ziele. In einem Gutachten im Auftrag der Fraktion von Bündnis 90/DIE GRÜNEN im Bayerischen Landtag identifiziert Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl die wesentlichen Hemmnisse für den beschleunigten Verteilnetzausbau und den Netzanschluss für EE-Anlagen und diskutiert Lösungsansätze in folgenden Bereichen:
Regulierungsrahmen für die Verteilnetzbetreiber, Genehmigungsverfahren von Netzausbauprojekten, Praxis der Netzintegration von EE-An lagen, Personalkapazitäten, Beschaffung von Betriebsmitteln und Bau von Anlagen, Zertifizierungsprozess für den Netzanschluss von EE-Anlagen.
Im Rahmen des Gutachtens wurden ca. 35 Interviews mit verschiedenen Stakeholdern geführt: Netzbetreiber und Stadtwerke, Projektierer*innen, Herstellerindustrie, Verbände und Behörden.
This paper presents a method for integrating industrial consumers owning compensation systems as alternative reactive power sources into grid operating processes. In remuneration, they receive a market-based provision of reactive power. The aim is to analyze the potential of reactive power compensation systems of industrial companies connected to medium-voltage (10 kV–30 kV) AC grids in order to increase the reactive power ability of distribution grids. Measurement methods and reactive power potential results of six industrial companies are presented to characterize the amount and temporal availability of their reactive power potential. The presented approach for using the decentralized reactive power potential is a centralized reactive power control method and is based on optimal power flow (OPF) calculations. An optimization algorithm based on linear programming is used to coordinate a reactive power retrieval tuned to the actual demand. The influencing quantities are the current grid status (voltage and load flow capacity reserves at grid nodes and power lines) and the current reactive power potential of the reactive power sources. The compensation impact of six measured industrial companies on an exemplary medium-voltage grid is shown by an application example.
Im Projekt MAGGIE wurden für das genossenschaftliche historische Stadtquartier „Margaretenau“ in Regensburg Musterlösungen für energieoptimiertes Wohnen mit innovativen Wandaufbauten aus solaraktiven Baukonstruktionen und einer vorhersagebasierten Versorgungstechnologie erforscht.
Dazu wurde ein bestehendes Wohngebäude als Demonstrations- und Versuchsobjekt mit einem neuartigen, besonders effizienten Hybridsystem aus Wärmepumpentechnologie und Kraft- Wärme-Kopplung ausgestattet und untersucht, ergänzt durch eine dynamische Wärmelogistik zur Verringerung von Verteilungsverlusten.
Das System wurde durch ein neu entwickeltes, allgemein einsetzbares Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool ausgelegt und im Betrieb geregelt. Die in Echtzeit laufende Nachoptimierung des Systems während des Betriebs greift dabei auf reale Monitoringdaten zu. Die Einbindung von Nutzerbedarfsprofilen, Strombörse und Wetterdaten in die Steuerung gestattet einen dynamischen und perspektivischen Anlagenbetrieb zur Maximierung der Solar- und Umweltwärme-Anteile der Energieversorgung und leistet damit einen wirksamen Beitrag zu einem emissionsarmen, klimafreundlichen Gebäudebetrieb.
Für die denkmalgerechte Modernisierung der historischen Fassaden wurde ein solaraktives und solaradaptives Außenputzsystem entwickelt und in der Realität getestet. Am Bestandsgebäude kam anstelle eines Wärmedämmverbundsystems ein innovativer Dämmputz mit Mikrohohlglaskugeln zum Einsatz.
Die Skalierbarkeit erlaubt eine abschnittsweise Modernisierung des gesamten Ensembles über mehrere Jahre. Durch die hohe Energieeffizienz wird die Warmmiete für die Bewohner der genossenschaftlichen Siedlung durch die Modernisierungsmaßnahmen nicht erhöht, so dass auch nach der Modernisierung ein bezahlbares Wohnen sichergestellt wird.
The currently still high fossil energy demand is forcing the glass industry to search for innovative approaches for the reduction in CO2 emissions and the integration of renewable energy sources. In this paper, a novel power-to-methane concept is presented and discussed for this purpose. A special focus is on methods for the required CO2 capture from typical flue gases in the glass industry, which have hardly been explored to date. To close this research gap, process simulation models are developed to investigate post-combustion CO2 capture by absorption processes, followed by a techno-economic evaluation. Due to reduced flue gas volume, the designed CO2 capture plant is found to be much smaller (40 m3 absorber column volume) than absorption-based CO2 separation processes for power plants (12,560 m3 absorber column volume). As there are many options for waste heat utilization in the glass industry, the waste heat required for CO2 desorption can be generated in a particularly efficient and cost-effective way. The resulting CO2 separation costs range between 41 and 42 EUR/t CO2, depending on waste heat utilization for desorption. These costs are below the values of 50–65 EUR/t CO2 for comparable industrial applications. Despite these promising economic results, there are still some technical restrictions in terms of solvent degradation due to the high oxygen content in flue gas compositions. The results of this study point towards parametric studies for approaching these issues, such as the use of secondary and tertiary amines as solvents, or the optimization of operating conditions such as stripper pressure for further cost reductions potential.
Mit der Energiewende geht eine starke Dezentralisierung der Energieeinspeisung einher. So sind im Deutschland des Jahres 2020 rund 31.000 Windenergieanlagen (WEA) in Betrieb, während bei der Solarenergie vor kurzem die zweimillionste Photovoltaik-Anlage (PVA) installiert wurde. Fast alle diese dezentralen Energieressourcen (DER) sind nach den Einspeiserichtlinien der Vergangenheit und der Gegenwart in der Lage, Blindleistung bereitzustellen, um die Spannung im Netz zu regeln und zum Blindleistungsausgleich beizutragen. Weitere potentielle dezentrale Blindleistungsquellen wie Blockheizkraftwerke, Kompensationsanlagen und perspektivisch sogar Verbraucher und Speicher sind im Verteilnetz zu finden. Durch den stetigen Rückbau konventioneller Großkraftwerke, welche dem Übertragungsnetz bisher als Blindleistungsquellen zur Verfügung standen, bedarf es einer Untersuchung mit der Fragestellung, in welchem Maß die neue Erzeugungslandschaft auch in diesem Feld als Ersatz dienen kann. Ein mögliches Hindernis für einen breitangelegten Einsatz von DER zu Zwecken des spannungsebenenübergreifenden Blindleistungsmanagements ist mangelndes Wissen über die Regeldynamik dieser verteilten Blindleistungsquellen. Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber, die DER aktiv für Blindleistungsausgleich oder statische Spannungsregelung einsetzen, geben in der Regel ihre Blindleistungsanforderungen in kleineren Stufen mit erheblichen Latenzzeiten zwischen zwei Schritten weiter. Befürchtet wird, dass schnellere Sprünge in der Blindleistungsvorgabe zu instabilen Betriebszuständen oder anderweitigen Fehlfunktionen im Netz führen können. Eine genauere Kenntnis der dynamischen Fähigkeiten vorhandener Blindleistungsquellen sowie der Auswirkungen auf die Netzstabilität und den Netzschutz könnte dazu beitragen, die Geschwindigkeit der Blindleistungsbereitstellung zu optimieren und somit temporäre Spannungsschwankungen und -verluste zu minimieren und die Spannungsstabilität insgesamt zu verbessern. Durch eine entsprechende Regelungs- und Einsatzstrategie kann ein optimales Zusammenspiel der verschiedenen Technologien zur Deckung der Blindleistungsbedarfe für unterschiedliche Zeitbereiche erzielt werden. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Blindleistungsstellgeschwindigkeiten und des dynamischen Regelverhaltens erforderlich. Dieser Beitrag stellt dazu Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „Q-Integral“ vor. Um die relevanten Zeitkonstanten der Blindleistungsbereitstellung vollständig aufzuführen, werden zunächst typische Kommunikationszeiten für die Übermittlung von Sollwerten diskutiert. Anschließend werden Untersuchungen zu theoretischen und praktischen Reaktionszeiten verschiedener Blindleistungsquellen vorgestellt. Dafür werden verschiedene Technologien wie Umrichter für PVA, Batteriespeicher und WEA sowie Synchrongeneratoren, die bei thermischen Kraftwerken die dominierende Technologie sind, betrachtet. Abschließend werden diese Werte mit realen Blindleistungsstellgeschwindigkeiten von ausgedehnten Wind- und Solarkraftwerken verglichen.
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.
The initiated energy transition leads to extensive changes in the supply of energy. The increasing use of renewable energy causes a shift of the produced power from centralized conventional power plants to decentralized energy plants. Because of this redistribution and the related change of load-flows, new challenges and problems for distribution system operators appear. This includes the integration of new loads and plants into the existing power grid and the guarantee of a high supply security and quality. It also includes strengthened requirements for the use and provision of reactive power. The project “SyNErgie” (“Systemoptimierendes Netz- und Energiemanagement für Verteilungsnetze der Zukunft“) deals with the development of a new reactive power management, which gets embedded in grid planning and controlling processes. One focus of the project is on the integration of decentralized energy plants (DEPs) to the reactive power management. The aim is to develop a decentralized and self-sufficient reactive power control system, which only works with local available information (measures). Therefore is no necessity of a complex communication system to the grid control center. Self-controlled Q-controller in the DEPs get characteristic curves and control the reactive power sources with local measurements (e.g. current, voltage, effective power). This new reactive power control management aims for the reactive power compensation in order to increase the integration capacity of loads and plants in a grid [2]. In order to generate characteristic curves for DEPs, it is necessary to analyze the correlation behavior between the local available measurements at the DEPs and the overall-Q-behavior of the grid group at the transformer. In that regard, influencing quantities should be considered. The aim is to involve und evaluate all relevant influencing quantities in order to determine energy plants and certain operating points, in which the correlation behavior and the prediction for the overall-Q-behavior are sufficient. The next step is to develop a model that fits these correlation behaviors and generate characteristic curves. One method to generate characteristic curves for the Q-controllers is regression analysis. The developed Q-control-system with the characteristic curves will be tested, evaluated and optimized in a following field test in cooperation with distribution system operators.
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.
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.
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.
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.
Im Projekt MAGGIE wurden für das genossenschaftliche historische Stadtquartier „Margaretenau“ in Regensburg Musterlösungen für energieoptimiertes Wohnen mit innovativen Wandaufbauten aus solaraktiven Baukonstruktionen und einer vorhersagebasierten Versorgungstechnologie erforscht.
Dazu wurde ein bestehendes Wohngebäude als Demonstrations- und Versuchsobjekt mit einem neuartigen, besonders effizienten Hybridsystem aus Wärmepumpentechnologie und Kraft- Wärme-Kopplung ausgestattet und untersucht, ergänzt durch eine dynamische Wärmelogistik zur Verringerung von Verteilungsverlusten.
Das System wurde durch ein neu entwickeltes, allgemein einsetzbares Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool ausgelegt und im Betrieb geregelt. Die in Echtzeit laufende Nachoptimierung des Systems während des Betriebs greift dabei auf reale Monitoringdaten zu. Die Einbindung von Nutzerbedarfsprofilen, Strombörse und Wetterdaten in die Steuerung gestattet einen dynamischen und perspektivischen Anlagenbetrieb zur Maximierung der Solar- und Umweltwärme-Anteile der Energieversorgung und leistet damit einen wirksamen Beitrag zu einem emissionsarmen, klimafreundlichen Gebäudebetrieb.
Für die denkmalgerechte Modernisierung der historischen Fassaden wurde ein solaraktives und solaradaptives Außenputzsystem entwickelt und in der Realität getestet. Am Bestandsgebäude kam anstelle eines Wärmedämmverbundsystems ein innovativer Dämmputz mit Mikrohohlglaskugeln zum Einsatz.
Die Skalierbarkeit erlaubt eine abschnittsweise Modernisierung des gesamten Ensembles über mehrere Jahre. Durch die hohe Energieeffizienz wird die Warmmiete für die Bewohner der genossenschaftlichen Siedlung durch die Modernisierungsmaßnahmen nicht erhöht, so dass auch nach der Modernisierung ein bezahlbares Wohnen sichergestellt wird.
Planning Principles for Integrating Community Empowerment into Zero-Net Carbon Transformation
(2023)
The adoption of the UN 2030 Agenda and the Sustainable Development Goals is a landmark in international sustainability politics. For example, Europe has set ambitious targets to achieve 100 climate-neutral and smart cities by 2030. However, numerous case studies from different countries have found that accelerating the transition to net-zero carbon emissions is easily hampered by the lack of a coherent systems framework, and that implementation gaps remain at the community level. These barriers are often due to a lack of an adequate end-user (i.e., household) input and early planning participation. This work therefore aims to improve on conventional planning methods that do not reflect innovative technologies with uncertainty and may not be applicable due to the lack of community empowerment, which is a dynamic learning and intervention opportunity for end-users at different planning stages (i.e., outreach, survey, planning, implementation, management, and maintenance). Using the lessons learned from participatory action research, whereby the author was involved as a project director throughout the planning and design process, we identified a
six-step cycle principle. The steps are (1) collective action commitments, (2) local values and resource identification, (3) carbon footprint inventory, (4) optimized integration of environment, economy, and energy action plans, (5) Flexible strategic energy system plans, and (6) digital performance monitoring. Ultimately, the outcomes provide application support for policymakers and planners and stimulate community engagement to contribute to the achievement of zero net carbon emissions.
The effect of both heat and mass transfer characteristic lengths (HTCL, MTCL) of two different adsorber plate heat exchangers (APHE), for application in an adsorption chiller, on the adsorption and desorption kinetics is investigated. Three representative test frames (TF1-TF3) are prepared to examine small-scale adsorbent samples of the microporous silica gel (Siogel of Oker-Chemie, Germany) applying the volumetric large-temperature-jump methodology at different operating conditions. Based on the obtained kinetic data, an analytical model has been developed to predict the specific cooling power (SCP) and the coefficient of performance (COP) of a single-bed adsorption chiller comprising the studied APHEs. It turned out that, within the tested range of HTCL and MTCL, it can be concluded that, the adsorption kinetics are mainly influenced by the MTCL, while the desorption kinetics are dominated by the HTCL of the adsorbent domain. Applying Siogel as loose pellets inside a newly introduced APHE results in of 423.3 and 182.7 W⋅kg−1, at the evaporator temperatures of 15 °C and 5 °C, respectively. Herein, the condenser and adsorber-end temperatures amount to 30 °C and the desorption-end temperature to 90 °C. The corresponding s amount to 0.50 and 0.40, respectively, which represent quite promising results for further design optimizations.
This paper proposes a multi domain physical model of permanent magnet synchronous machines, considering electrical, magnetic, thermal and mechanical effects. For each component of the model, the main wave as well as lower and higher harmonic wave components of the magnetic flux and the magnetic potential difference may be considered. The permanent magnets are modeled as discrete azimuthal segments in order to consider possible partial demagnetization effects. For each magnet segment a linearized temperature dependent B-H curve is considered. The main advantage of the presented model is that time transient operational behavior of a permanent magnet synchronous machine can be considered under various electrical, magnetic, thermal and mechanical conditions. The electromagnetic condition of surface magnet machine is compared with finite element analysis.
In this work a buck converter model for multidomain simulations is proposed and compared with a state-of-the-art buck converter model. In the proposed model no switching events are calculated. By avoiding the computation of the switching events in power electronic models the processing time of multidomain simulations can be decreased significantly. The proposed model calculates any operation point of the buck converter in continuous inductor current conduction mode (CICM) while considering the conduction losses and switching losses. It is possible to utilize the proposed modeling approach also for other dc-to-dc converter topologies. Laboratory test results for the validation of the proposed model are included.
The paper presents a concept and an implementation of Modelica simulation interaction using the operating system inter-process communication method of the Named Pipe. The main aim of this presented work is to implement a hardware-in-the-loop simulation (HILS) environment based on Dymola which runs on a normal Microsoft Windows Personal Com-puter. An energy storage test bench is connected by an ana-logue and digital data input/output card with the Dymola simulation computer. With this proposed system, particularly long-time simulations with sample rates up to 30 Hz can be executed very cost effective. Typical applications are simulations of drive cycles to test energy storage systems in electrified vehicles such as batteries or fuel cells. Other application ex-amples are the verification of battery models, thermal management models or battery management sys-tem (BMS) models. In this paper all methods used for implementation are described in detail. Especially the concept of inter-process communication and the concept for real-time and simulation time synchronization is discused. An application example which uses the provided concept is also shown at in this paper. In this example a longitudinal simulation of a vehicle is pre-sented. The startup phase of the internal combusting engine model and a short drive cycle in combination with a connected real battery is shown.
This paper deals with a simulative approach for investigating the impact of inverter pulse inhibition during field weakening operation of permanent magnet synchronous machines and asynchronous induction machines. The modelling and simulation language Modelica is used to design models for the vehicle, the electric machine and the inverter in different abstraction levels. It is shown that when using a permanent magnet synchronous machine, a sudden breakdown of the field weakening current causes induction of high voltages in the stator windings. Hence, the electric system of the vehicle has to be protected against the resulting high currents. Furthermore precautions have to be taken to avoid dangerous driving conditions because of high braking torques in an inverter fault operation mode. In the case of the asynchronous induction machine an inverter pulse inhibition poses no big problem, neither for the electric system of the vehicle, nor the driver.
This paper focuses on simulation of permanent magnet synchronous machine (PMSM) with fractional-slot windings (FSW) in Modelica. Modeling of the electrical machines with object-oriented approach is shortly described, and a new Modelica library for simulation of electrical machines is introduced. The results of simulation of PMSMs with fractional slot windings are presented and explained. Special attention is paid to the higher harmonics and subharmonics produced by the winding and their influence on machine operation.
Condition monitoring of rotor problems such as demagnetization and eccentricity in permanent magnet synchronous motors (PMSM) is essential for guaranteeing high motor performance, efficiency, and reliability. However, there are many limitations to the off-line and on-line methods currently used for PMSM rotor quality assessment. In this paper, an inverter-embedded technique for automated detection and classification of PMSM rotor faults is proposed as an alternative. The main concept is to use the inverter to perform a test whenever the motor is stopped, to detect rotor faults independent of operating conditions or load torque oscillations, which is not possible with motor current signature analysis (MCSA). The d-axis is excited with a dc+ac signal, and the variation in the inductance pattern due to the change in the degree of magnetic saturation caused by demagnetization or eccentricity is observed for fault detection. An experimental study on a 7.5kW PMSM verifies that demagnetization and eccentricity can be detected and classified independent of the load with high sensitivity.
Simulation is an indispensable tool for the engineering of systems containing electric drives. Depending on the design phase and the engineering task different levels of modeling details are required: proof of concept; investigation of energy and power consumption; design of control; etc. The new EDrives library provides three levels of abstraction for inverters: quasi static (neglecting electrical transients); averaging (neglecting switching effects) and switching – for serving different demands. The inverters can feed the machine models of the Modelica Standard Library: Modelica.Magnetic.FundamentalWave and the new Modelica.Magnetic.QuasiStatic.FundamentalWave. The EDrives library copes with arbitrary phase numbers and can be easily extended to develop new control algorithms. In this publication the structure of the library and the implemented control principles are presented. Furthermore; examples comparing the three different levels of abstraction are included.
The majority of industrial controlled induction machine drives are connected to the mains via a diode bridge. However; if reduction of harmonic currents and / or regenerative operation is desired; replacing the diode bridge by an active front-end (AFE) is required. This paper describes two models of an AFE: a power balance model disregarding switching effects; and an ideal switching model of a pulse width modulation (PWM) converter. Both models are controlled utilizing space phasors in a voltage oriented reference frame. Voltage oriented control (VOC) of the mains converter can be compared with field oriented control (FOC) of a machine converter. Design and parametrization of the main parts—synchronization with mains voltage; current controller and DC voltage controller—are described in detail. Additionally; simulation results proving the implementation and demonstrating possible investigations as well as an outlook on further enhancements are presented.
Sensorless PM-Drive Aspects
(2010)
The development procedure of permanent magnet drives for sensor less operation beginning from standstill under overload conditions has to consider different design aspects coevally. First, the robust rotor position sensing by test signal enforces a design with a strongly different behavior of the spatial dq-oriented differential inductance values. Therefore, the interior rotor magnet array arrangement is from principle predestinated for the controlled sensor less mode including standstill. Fortunately, in order to reduce costs, the distinct reluctance torque capability of such interior magnet arrangement is additionally used for a significantly increased torque by applying a pre-oriented stator current space vectors within the quasi-steady control.
Two state-of-the-art machine designs are mainly used in recent electric and hybrid electric vehicles: asynchronous induction machines with squirrel cage which are robust but need a current component to excite the magnetic field; and permanent magnet synchronous machines which rely on somehow more sensible parts but the magnets are able to excite a magnetic field without current. However; if speed gets high enough to reach the field weakening range; for both machine the field oriented control has to prescribe a field current sufficient to reduce the field not to exceed the voltage limits of the stator circuit. Especially for the permanent magnet synchronous machine this paper investigates whether it is possible to determine an optimal field current for every operation point to minimize either total current consumption or losses.
This paper presents a comprehensive computational fluid (CFD) model of a radial flux permanent magnet synchronous machine with interior magnets. In the CFD model the water jacket cooling and a simplified model of the topology of the distributed stator winding are considered. The heat sources of the CFD model are determined from a finite element analysis of the machine. The numerically determined temperature distributions of the machine are compared with measurement results from sensors located both in the stator and rotor. The particular focus of this paper is the analysis of the temperatures and the heat flow in the air gap and from the stator winding head and the rotor to the inner air.
The majority of the work performed for detecting eccentricity faults for permanent magnet synchronous motors (PMSM) focus on motor current signature analysis (MCSA), as it provides continuous on-line monitoring with existing current sensors. However, MCSA cannot be applied under nonstationary conditions and cannot distinguish faults with load torque oscillations, which are limitations for many PMSM drive applications. In this paper, it is shown that the d-axis inductance, L d , decreases with increase in the severity of eccentricity due to the change in the degree of magnetic saturation, and it is proposed as a new fault indicator. The inverter can be used to perform a standstill test automatically whenever the motor is stopped, to measure L d for eccentricity testing independent of load variations or oscillations, which is not possible with MCSA. An FE and experimental study on a 10hp PMSM verifies that eccentricity can be detected independent of the load with high sensitivity and reliability.
This paper presents two simulation models for two variants of a large chipper drive used in a paper mill. If a slip ring induction motor is used, the impact of a rotor circuit rheostat with respect to starting behavior and heavy duty load impulses can be examined. Furthermore a speed controlled squirrel cage induction machine will be investigated. The modeling language for both drives is Modelica. The simulation results for both drives are compared and discussed.
This paper presents a physical model of a squirrel cage induction machine with rotor topology. The machine is modeled in Modelica, an object oriented multi physical modeling system. The presented machine model is used to investigate electrical rotor asymmetries in induction machines. For the case of a single broken rotor bar a simulation model is compared with measurement results.
Innovative thermal model for the estimation of permanent magnet and stator winding temperatures
(2012)
In this paper an innovative thermal model for the determination of the temperatures of the permanent magnets and stator windings is presented. This model relies on one temperature sensor located in the stator core of the machine. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. Due to the structure of the model and the measured stator core temperature the proposed thermal model is very robust. Distortion of the cooling circuit are inherently sensed such that the model can be used for the online prediction of temperatures. Experimental results based on an interior permanent magnet synchronous machine are presented to validate the presented model.
This paper introduces the new FundemantalWave library which is included in the Modelica Standard Library 3.2. The presented Modelica package provides models and components of rotating electrical three phase machines. The presented electrical machine models are fully compatible with the original Machines library of the electrical domain but rely on the concept of the magnetic potential and magnetic flux fundamental waves. In this article; the connector concept; the components and electric machine models of the FundemantalWave package will be explained. Additionally; the didactic advantages and the flexibility of the proposed package in with respect to considering more enhanced and sophisticated effects will be discussed.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load efficiencies can be determined.
In this paper a new model for the estimation of the stator winding and rotor cage temperatures of induction machines is presented. This model can be used in series applications of machines operated under dynamic load conditions where stator and rotor temperature shall be monitored. The proposed model relies on a simplified lumped element thermal equivalent circuit model where the stator core temperature serves as input quantity. The great advantage of this model is that it covers ambient and cooling conditions inherently. This leads to great simplicity and robustness. The parametrization and validation of the model through experimental data is presented. Advantages, drawbacks and possible implementations are discussed.
Abstract Electric machine theory and electric machine simulations models are often limited to three phases. Up to the Modelica Standard Libray (MSL) version 3.2 the provided machine models were limited to three phases. Particularly for large industrial drives and for redundancy reasons in electric vehicles and aircrafts multi phase electric machines are demanded. In the MSL 3.2.1 an extension of the existing FundamentalWave library has been performed to cope with phase numbers greater than or equal to three. The developed machine models are fully incorporating the multi phase electric; magnetic; rotational and thermal domain. In this publication the theoretical background of the machines models; Modelica implementation details; the parametrization of the models and simulation examples are presented.
In the literature, the effects caused by a single or several adjacently broken rotor bars, or a broken end ring are thoroughly investigated. The phenomenon of various nonadjacently broken rotor bars has not been studied so far in detail. Since nonadjacently broken rotor bars may give rise to fault signatures, which are not directly related with the fault extent, it is important to understand the nature of multiple electrical rotor asymmetries in induction machines. The purpose of this paper is thus to investigate several combinations of electrical rotor asymmetries, to systematically elaborate the phenomena related to the broken bars and end rings. In this paper, a sophisticated simulation model and measurement results are used to analyze the phenomenon rotor fault.
For a totally enclosed fan-cooled induction machine, two methods of numerical analysis are compared with measurements. The first numerical method is based on computational fluid dynamics (CFDs) and the second one uses a thermal equivalent circuit (TEC). For the analysis based on CFD, a 3-D induction machine including housing is modeled. The numeric solution of the flow equations is determined for stationary temperature distributions. For the TEC, a discretized one-and-a-half-dimensional model of the induction machine is considered. With the TEC model, stationary and transient operating conditions can be simulated. Measurement results are determined by iron-copper-nickel sensors embedded in the stator winding and the housing, as well as by an IR sensor for measuring the rotor temperature. With these measurement signals, stationary and transient operating conditions can be analyzed. For stationary operating conditions, additionally, the housing temperatures are determined by an IR camera. The investigated simulation and measurement methods reveal different local and global temperatures, and thus, only certain aspects and characteristics of the obtained temperatures can be compared. Nevertheless, certain conclusions can be drawn from comparing these aspects considering the actual restrictions of each of the applied methods.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load
efficiencies can be determined.
A Practical Thermal Model for the Estimation of Permanent Magnet and Stator Winding Temperatures
(2014)
A thermal model for the determination of the temperatures of interior permanent magnets and stator windings is presented in this paper. The innovation of the model relies on one temperature sensor being located in the stator core of the machine. Such sensor is simple to implement in many applications such as traction or EV, where reliability is critical. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. It is shown that the proposed thermal model is very robust due to the structure of the model and the measured stator core temperature. The distortion of the temperature estimates caused by the cooling circuit is inherently accounted for such that the model can be used for robust online prediction of temperatures. Experimental results based on a forced water-cooled interior permanent magnet synchronous machine setup are presented to validate the effectiveness of the presented model.
A Parametrization Scheme for High Performance Thermal Models of Electric Machines using Modelica
(2012)
Thermal models offer great advantages for enhancement of design, protection and control of electric machines. Detailed thermal models take a great number of time constants into account and provide accurate prediction of the temperatures. However, to parameterize such models detailed geometric data are needed. Whenever such detailed information is not available, or the performance of the detailed models is not satisfying, simplified thermal models as described in this paper are advantageous. The calculation of parameters is described in detail, in order to achieve best accordance with temperatures obtained from measurements or from simulations with detailed thermal models. Thermal resistances are calculated from end temperatures of a test run with constant load (and known losses). Thermal capacitances are obtained using optimization to minimize deviation of simulated and measured temperatures during the whole test run. The thermal model of an asynchronous induction machine with squirrel cage is coupled with an electrical model of the drive. For validation, simulation results of an optimally parameterized simplified model are compared with temperatures obtained by simulation of a detailed thermal model, which in turn has been validated against measurement results, both for continuous duty S1 and intermittent duty S6 (6 minutes no-load followed by 4 minutes of 140% nominal load). The deviations are not more than 4 K which is quite satisfying.
Entwicklung eines Experimentalsystems zur Validierung adaptiver Regelungen mit einem OEM-Steuergerät
(2014)
Im Rahmen des Kooperationsprojektes "ACES" (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) ist ein Prüfstand zur Validierung adaptiver Regelungen entwickelt und aufgebaut worden, der das dynamische Verhalten eines Kfz-Antriebstrangs aufweist. Ziel ist es, verschiedene Adaptionsverfahren auf ihre Einsetzbarkeit in OEM-Steuergeräten, die im Automotive-Bereich auf breiter Basis verwendet werden, kostengünstig testen zu können. Das Problem der aktiven Schwingungsdämpfung in Kfz-Antriebssträngen mit unbekannten und veränderlichen mechanischen Parametern stellt eine Pilotanwendung dar. Ein leicht anpassbarer mechanischer Prüfstand dient hierbei als vereinfachtes Modell eines Antriebstrangs. Dieser ist Bestandteil eitles Experimentalsystems mit einer informationstechnischen Architektur, die einen Betrieb engebetteter Regelungssysteme auf verschiedenen Plattformen gestattet. Das flexible mechanische und informationstechnische Design des Experimentalsystems gestattet die Variation von Parametern der zu regelnden Applikation durch leicht austauschbare mechanische Komponenten und gezielte Einbringung von Störgrößen. Zudem kann die Berechnung der Regelungsarchitektur auf einem Industrie-PC oder einem Steuergerät erfolgen. Weitere Vorteile des entwickelten Experimentalsystems sind die Berücksichtigung von Effekten, die aus dem Verhalten realer Sensoren und der CAN-basierten Signalübertragung entstehen. Insbesondere der Einfluss von Wortbreite und Latenz übertragener Signale auf die Adaption von Regelungen kann mit Hilfe des vorgestellten Experimentalsystems eingehend untersucht werden.
Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung besteht beim Kaltstart, den Warmlaufphasen und auch durch den Einfluss anderer Parameter wie z. B. des Einspritzzeitpunkts oder des Einspritzdrucks die Problematik, dass Kraftstoff an die Zylinderlaufbahn aufgetragen wird und sich mit dem Motoröl vermischen kann. Eine Verstärkung dieses Kraftstoffauftrags ist unter anderem der Verschiebung der Motorbetriebspunkte zu höheren Mitteldrücken und damit einem Wirkungsgrad optimaleren Betrieb geschuldet. Eine Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Motoröls durch die Verdünnung mit Kraftstoff ist die Folge. Durch die Verringerung der Viskosität des Motoröls kann es zu einer verminderten Schmierwirkung des Öls kommen, die im schlimmsten Fall zur Schädigung des Motors führt. Existierende Offline-Analysemethoden die zeitintensive Laboranalysen nach sich ziehen, als auch Online-Messverfahren die nicht den technischen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und einer kurzen Messdauer entsprechen, stellen aktuell die einzigen Messmethoden zur Bestimmung der Schmierölverdünnung dar. Durch neue Entwicklungstrends bei Ottomotoren ist es jedoch unbedingt notwendig, die Mechanismen des Kraftstoffein- und -austrags in das und aus dem Motoröl genauer zu untersuchen. Mit der an der OTH Regensburg neu entwickelten Messtechnik wurde eine Vorgehensweise erarbeitet, mit der die zeitlichen Verläufe des Kraftstoffein- und -austragsverhaltens bei Ottomotoren quantitativ in kurzer Zeit bestimmt und optimiert werden können.
Especially at cold start and the warm-up operation GDI engines have an issue with oil dilution. Parameters such as injection timing and injection pressure impact the entry of fuel in the engine oil as well. With the adjustment of engine operating points to higher mean effective pressures resulting in downsizing concepts also an additional increase of fuel entry occurs. Fuel gets into the oil pan and is mixed with the engine oil so that the physical and chemical properties of the engine oil are changed. With the reduction of engine oil viscosity due to fuel entry a reduced lubricating effect can be caused. In the worst case damage to the engine occurs, To determine oil dilution online and offline measurement methods exist. A rather long analysis time in the laboratory is a disadvantage of the offline methods. Online methods are not correlating with technical requirements in terms of accuracy and a short measurement time. New trends in the development of gasoline engines require investigations of fuel in oil sorption and desorption processes. A new measurement technique which is developed at the OTH Regensburg enables to determine quantitative fuel in oil sorption and desorption processes. With this technique a procedure was generated to measure the oil dilution at gasoline engines and optimize them in a short time.
Beitrag und Praesentationsmaterial eines Vortrags ueber differenzierende Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszustaenden. Mit einem neu entwickelten, hochgenauen HC-Sensor werden unverbrannte HC im Abgas untersucht. Die differenzierende Untersuchung erfolgt an einem Massenspektrometer, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Die Molekuele Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Es zeigt sich, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Haelfte der gesamten HC Konzentration ergeben. Ein weiterer Punkt ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.
In future energy systems with high shares of fluctuating renewable energy generation, electricity storage will become increasingly important for the utilization of surplus energy. The Power-to-Gas (PtG) technology is one promising option for solving the challenge of long-term electricity storage and is theoretically able to ease situations of grid congestion at the same time. This article presents the perspectives of PtG in an 85% renewable energy scenario for Germany, quantifying an economic optimum for the PtG capacity as well as an optimized spatial PtG deployment.
Differenzierte Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszuständen
(2014)
Die für Dieselfahrzeuge gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid können nur durch den Einsatz eines Diesel-Oxidationskatalysators erfüllt werden. Um erhöhte Emissionen infolge eines geschädigten Katalysators zu vermeiden, gilt es, dieses abgasrelevante Bauteil auch während des Betriebes zu überwachen. Die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die Überwachung erfordern ein Verfahren das eine zuverlässige und hochgenaue Diagnose zulässt. Deshalb entwickelt eine Forschungsgemeinschaft aus Industrieunternehmen und Hochschulen einen neuartigen Kohlenwasserstoffsensor zur hochgenauen Analyse von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang. Hierfür ist die Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Dieselabgases bei verschiedenen Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Zur differenzierten Untersuchung der Kohlenwasserstoffkomponenten wurde in der Arbeit ein Massenspektrometer eingesetzt, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Anhand eines Abgasscreenings konnte eine Reihe von Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Alkadiene und aromatische Kohlenwasserstoffe) identifiziert werden, die typisch für das Dieselabgas stehen. Die Moleküle Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Hälfte der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration ergeben. Ein weiterer Punkt der Untersuchungen war die Diesel-Partikelfilter-Regeneration. Wie erwartet, lassen sich Kohlenwasserstoffmoleküle mit höheren Massen feststellen, die auf unverbrannten Dieselkraftstoff zurückzuführen sind. Anhand der Ergebnisse zeigte sich.dass sich das mit chemischer Ionisation arbeitende Massenspektrometer hervorragend für ein Abgasscreening eignet. Zahlreiche Kohlenwasserstoffe konnten identifiziert werden, die repräsentativ für das Dieselabgas stehen. Es sollten Moleküle bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen untersucht werden, die einen möglichst großen Anteil an der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration besitzen. Die Auswahl fiel aufgrund der gemessenen Massenspektren, vor und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, auf die Komponenten Ethin, Ethen und Propen. Zudem kann bei diesen Molekülen eine Masseninterferenz mit anderen Abgaskomponenten ausgeschlossen werden. Im unteren Teillastbereich und kaltem Motor machen diese Kohlenwasserstoffe bis zu 50%, gemittelt über alle Messstellen vor, im und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration aus. Bei betriebswarmem Motor reduziert sich ihr Anteil auf ein Drittel Die höchste Konzentration unter den drei Komponenten besitzt dabei Propen. Mit steigendem Drehmoment nimmt der Anteil dieser drei Komponenten fortlaufend ab,was dafür spricht, dass Moleküle mit höheren Massen einen höheren Anteil einnehmen. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bewegen sich bei diesen Motorbetriebspunkten mit betriebswarmem Katalysator jedoch bereits bei sehr niedrigen Werten. Während der untersuchten Diesel-Partikelfilter-Regeneration mit späten Nacheinspritzungen zur Abgastemperaturerhöhung lassen sich Moleküle mit höheren Massen nachweisen. Diese sind typisch für die Reinkomponente Dieselkraftstoff. Der Anteil von Ethin, Ethen und Propen an der THC-Konzentration beträgt dann ca. 40%.
Solar energy represents a clean, natural and sustainable source of energy. Solar photovoltaic panels can be installed on roofs of structures or in the ground. This contribution focusses on ground-mounted systems, which are presently widely implemented. At present limited guidelines on the design of solar ground-mounted structures are available. Usually standards for the design of normal buildings are applied. However, the design of ground-mounted structures significantly differs from common structural design by: (1) a lower design lifetime (20-25 years) is accepted; (2) failure is not associated with the loss of human life; (3) resistance uncertainties need due attention; (4) uplift wind forces dominating structural reliability are associated with a large scatter. That is why the reliability analysis and optimal design of ground-mounted solar systems is investigated herein. The failure costs and especially their ratio to the initial costs are analyzed considering the data provided from the industry. Probabilistic reliability analyses are carried out and optimum design levels are computed for representative cost ratios. The optimal target reliability depends on the ratio between failure and initial costs; reliability index of 3.5 corresponds to a reasonable cost ratio of 10.
Die Liberalisierung der Blindleistung und Schaffung von regionalen nicht ausschreibungspflichtigen Q-Beschaffungsprozessen ermöglicht vor allem künftig erhebliche Kostenreduktionspotenziale. Allerdings ist die Etablierung mit umfangreichen Eingriffen in den heutigen Normen- und Gesetzesrahmen verbunden. Damit diese Potenziale gehoben werden können, bedarf es einerseits der Möglichkeit der Kostenanrechnung im Rahmen der Netznutzungsentgelte, andererseits eines Anreizsystems, sinnvoll und sorgsam mit Q umzugehen. Grundsätzlich ist vorher gründlich zu untersuchen, ob und ab welchem Zeitpunkt die Liberalisierung der Blindleistung zielführend ist und wie im Detail die Liberalisierung der Blindleistung auszugestalten wäre.
Tire model TMeasy
(2007)
This paper describes the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling analyses, as it was applied in the ‘low frequency tire models’ section of the research programme tire model performance test (TMPT). Despite more or less weak testing input data, the effort for the application of TMeasy remains limited due to its consequent ‘easy to use’ orientation. One particular feature of TMeasy is the wide physical meaning of its smart parameter set, which allows to sustain the identification process even under uncertain conditions. After a general introduction, the modelling concept of TMeasy is compactly described in this paper. Taking the standard tire interface (STI) to multibody simulation system (MBS) software into account, the way to apply TMeasy is briefly shown. This includes three selected examples of application. The final comments of the authors on TMPT describe the experiences and earnings received during the participation in that programme.
In der Automobilindustrie ist neben der Elektromobilität und dem Leichtbau auch das Gebiet der Fahrerassistenz ein Zukunftsfeld. Speziell Fahrerassistenzsysteme, wie z.B. der Stauassistent, sind in Hinblick auf das autonome Fahren als dessen Vorstufe zu sehen. Aktuelle Assistenzfunktionen basieren auf der Präsenz des Fahrers. Die Fahrerassistenzsysteme sind nur durch Funktionen der Elektrik/Elektronik ermöglicht worden. Durch Maßnahmen der "Funktionalen Sicherheit" müssen Risiken, die durch Fehler der Elektrik/Elektronik zu Gefahren führen könnten, unter eine akzeptierte Grenze gesenkt werden. Die Diskussion über die gesetzlichen Grundlagen für das autonome Fahren ist erst am Anfang des öffentlichen Interesses. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, die Notwendigkeit der Anpassung der bestehenden normativen Anforderungen zur funktionalen Sicherheit in die Diskussion mit einzubeziehen. Im ersten Ansatz wird in diesem Paper untersucht, ob von anderen Anwendungen mit automatisiertem Fahrbetrieb, wie er bei Schienenfahrzeugen realisiert ist, Ableitungen möglich sind. Im zweiten Ansatzpunkt wird konkret unter dem Gesichtspunkt des autonomen Fahrens zum Automobil auf die Gefahren-und Risikoanalyse, gemäß ISO 26262 Teil 3 eingegangen. Im Rahmen dieser Diskussion werden die drei Bewertungskriterien der Gefahren- und Risikoanalyse (severity, probability of exposure and controllability) im Paper beleuchtet. Es wird gezeigt, dass für autonomes Fahren ein zusätzliches Bewertungskriterium der Situationskomplexität sinnvoll ist, das das Umfeld einbezieht. Denn die Kontrollierbarkeit ist auf den Fahrer bezogen. Bei dem neuen Kriterium werden unter anderem der Einfluss durch die Verkehrsdichte sowie die Car-2-Car Kommunikation oder auch Fehler bzw. Ausfälle in der Car-2-X Kommunikation (zur Infrastruktur) berücksichtigt.
In the forming tools for pressing car body parts, heavy blankholders are used to prevent buckling and wrinkling of the blank. During each press cycle, those large masses need to be lifted, raising thereby the structural dynamic load on the forming tool and on the press. Therefore a detailed knowledge about the forming tool dynamics is essential for an accurate and robust design of forming tools. In this paper, a dynamic finite element method (FEM) simulation of selected automotive forming tool is presented enabling identification of regions of critical stresses. For validation of the simulation results, the kinematic responses of the tool's components are compared with the measurements obtained in an experiment.
For the dynamic simulation of on-road vehicles, the model-element "tire/road" is of special importance, according to its influence on the achievable results. Sufficient description of the interaction between tire and road is one of the most challenging tasks of vehicle modeling. Two groups of tire models can be classified: handling models and structural or high-frequency models. Usually, various assumptions are made in modeling vehicles as multibody systems. Therefore, in the interest of balanced modeling, the precision of the complete vehicle model should stand in reasonable relation to the performance of the applied tire model. Handling tire models are characterized by a useful compromise between user friendliness, model complexity, and efficiency in computation time on the one hand, and precision in representation on the other hand. The present paper describes the general approach of the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling simulation and its enhancement for bore torque simulation in Version TMeasy 5. A parameter fitting process realized by TESIS DYNAware and the validation of real tire behavior by simulation with DYNA4 is presented. Even with first guess parameters, the TMeasy tire model behaves in a realistic and plausible manner. Parameter estimation is intuitive and datasets from previous model versions can be easily migrated. After parameter fitting, the simulation results correlate well with both the tire test rig and full vehicle measurements. The enhancement of a three-dimensional slip calculation in the latest version does not modify the model behavior for high slip conditions, but improves the results not only for highly dynamic situations but also for low speed maneuvers such as parking.
Festbettspeicher bieten die Möglichkeit, thermische Energie auf einem hohen Temperaturniveau zu speichern. Die oft kugelförmigen Schüttgüter bestehen aus Materialien hoher Dichte und Wärmekapazität. Neben der Wärmespeicherung können mithilfe dieser Schüttungen partikelbeladene Abgase entstaubt werden. Die Strömungs-, Wärmetransport- und Entstaubungsvorgänge bei der Speicherung von Wärme in einem Schüttschichtwärmeübertrager werden in Zusammenarbeit mit Fraunhofer Umsicht, Institutsteil Sulzbach-Rosenberg, untersucht. Einen entscheidenden Aspekt der Arbeiten stellt die numerische Simulation der im Wärmeübertrager ablaufenden Vorgänge dar. Die transiente Simulation von Schüttschichtwärmeübertragern ist nur mit Vereinfachungen möglich, da aufgrund der komplexen Geometrie und der daraus folgenden feinen Vernetzung eine enorme Rechenleistung benötigt wird. Bei den in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnissen werden die physikalischen Vorgange in einem Ausschnitt der Schüttschicht simuliert, in dem die Kugelgeometrie detailliert modelliert ist. Die Ergebnisse der numerischen Simulation werden durch analytische Berechnungen aus der Literatur bestätigt. Eine Reihe von Parametervariationen zeigen die Einflüsse verschiedener Größen beispielsweise auf den Druckverlust sowie den Unterschied zwischen radialer und axialer Durchströmung einer Schüttschicht. Die Entstaubung partikelbeladener Gase innerhalb einer Schüttschicht wird zunächst anhand einer Einzelkugel untersucht; die Erweiterung auf die Entstaubung in einer Kugelpackung ist vorgesehen. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen sollen mit den an einem Versuchsstand experimentell bestimmten Daten verglichen werden.
Kostenminimaler Netzanschluss einer 8-MW-PV-Anlage mithilfe regelbarer Ortsnetztransformatoren
(2014)
Die steigende Anzahl der Erzeugungsanlagen (EZA) in den Verteilnetzen zwingt viele Verteilnetzbetreiber zum kostenintensiven Netzausbau. Dabei sind die EZA gemäß EEG am technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt anzuschließen. Zur Bestimmung dieses Punktes ist ein Vergleich sinnvoller Netzanschlussvarianten durchzuführen. Regelbare Ortsnetztransformatoren (RONT) erweitern seit Kurzem die Netzanschlussmöglichkeiten, auch auf Mittelspannungsebene. Das Beispiel eines Anschlusses für eine 8-MW-PV-Anlage zeigt, dass der optimale Netzanschluss eine Kombination zwischen RONT, Spannungsblindleistungsregelung, Trennstellenverlagerung und Leitungsverstärkung sein kann. In diesem Fall bemerkenswert ist, dass der RONT-Einsatz die Netzanschlusskosten um rd. 60 % gegenüber einer separaten Anbindung am Umspannwerk reduziert. Die Autoren beschreiben eingangs die Problematik hoher Netzausbaukosten beim Anschluss von Photovoltaik-Flächenanlagen. Das Vorgehen der durchgeführten Netzanalyse im konkreten Fall (Abb.: Grafische Darstellung des südlichen MS-Netzes der Stadtwerke Kehlheim mit angedeuteter Einspeiseleistung) und die 6 analysierten Netzanschlussvarianten werden beschrieben und diskutiert (Abb.: Gegenüberstellung der Investitionen der verschiedenen Netzausbauszenarien). Die oben genannte günstigste Anschlussvariante besteht aus folgender Kombination: Verlegung der vorhandenen Netztrennstelle zwischen zwei 20-kV-Stränge; Verstärkung einer bestehenden Freileitungsstrecke über 1 km; Einsatz von maximal 15RONT sowie Spannungsblindleistungsregelung durch die PV-Flächenanlage.
In this technical report, (1) the benefits of the new technology for future energy supply are discussed, (2) the climate protection effect of wind gas is discussed, and (3) a reasonable use of wind energy for gas generation is analyzed. In particular, windgas in the heat market is discussed in the utilization cascade of wind energy. The new "power-to-gas" concept opens up completely new possibilities for the integration of renewable energies and for coupling the electricity and gas grids. The Sabatier process, which has been known for 100 years, was first developed for this purpose in 2008 under the leadership of the Center for Solar Energy and Hydrogen Research and Fraunhofer IWES (formerly ISET) with electrolysis to create the "power-to-gas" concept for energy storage. A first pilot plant was built by ZSW Stuttgart on behalf of SolarFuel in 2009. This plant proves the technical feasibility of the new technology. Renewable gas is stored, transported and used as required as control and reserve energy via reconversion, e.g. in combined cycle power plants. In this way, decentrally generated renewable electricity is converted into a CO2 -neutral energy carrier with high energy density. The key advantage of renewable methane is the use of existing infrastructure such as gas grids, gas storage and end-use equipment for the integration of renewable energy. Technologies for natural gas are state of the art and commercially available. Methane also has three times the energy density of hydrogen.
Wie groß ist der Speicherbedarf in Deutschland in der weiteren Umsetzung der Energiewende? Welche Rolle spielen Batteriespeicher, Pumpspeicher, Power-to-Gas etc. im Kontext anderer Flexibilitätsoptionen auf den verschiedenen Netzebenen? Wie entwickelt sich der Markt für Batterien und Wasserstoff? In unserer Agora-Speicherstudie haben wir auch erstmalig den Begriff Power-to-X definiert und damit die bis dato entstandenen Begriffe Power-to-Gas, Power-to-Liquids, Power-to-Products, Power-to-Chemicals etc. zusammengefasst.
Effects of Quality Control on Reliability of Reinforced Concrete Structures according to Eurocodes
(2016)
The effect of quality control on structural reliability represents an increasingly important concern of designers and thus is investigated in this contribution, focusing on reinforced concrete structures. Recent European documents for structural design – Eurocodes, fib Model Code 2010 and ISO 2394:2015 for general principles on structural reliability indicate that the partial factors may be adjusted to available information on the quality control of structures. In particular, the partial factors for concrete and steel strength may be significantly reduced taking into account actual execution quality and related available data. Using probabilistic methods of structural reliability, effects for execution quality are investigated in this contribution considering two fundamental reinforced concrete members: a beam (or slab) exposed to bending and a short column exposed to compression. It is shown that the reliability of reinforced concrete members may vary with the load ratio of variable and permanent actions. It appears also that the structural members of a basic quality, designed using unreduced partial factors, have a greater reliability level than the members of an increased quality, designed using the partial factors reduced according to EN 1992 1 1. This provides the basis for recommendations for further code developments.
This paper proposes the possible switching synchronization strategies of an automotive dual-inverter against the background of minimizing the RMS DC-link capacitor current. The publication mainly focuses on the straight-ahead motion of a rear axle with one electric drive per wheel. In addition to it, a dual-inverter consisting of two subinverters with a common DC-link capacitor is taken into consideration. These sub-inverters each have three phases and are based on a 2-level voltage-source-topology. To control the electrical machines, the continuous Space-Vector-Modulation strategy is used. For this application, different control signal synchronization strategies of the two sub-inverters of the dualinverter are presented. Apart from the existing strategies, this paper proposes a new method, which inherits a compromise between low complexity and high effectiveness. In contrast to previous publications, the resulting capacitor currents are quantified and subsequentlyevaluated. This novel quantification, which is dependent on the dual-inverter’s operating point, provides a base for targeted dimensioning of the capacitor. Moreover, this forms the foundation for further investigations of vehicle’s cornering, as well as for the possible synchronization of stand-alone inverters. In the context of this publication, the presented results are verified by experimentally determined data of a motor-inverter system.
Im Rahmen des Projektes C/sells wurden mehrere Mittelspannungsnetze modelliert, um die aktuellen Spannungsverhältnisse und Leitungsauslastungen nachbilden zu können. Zudem wurden, angelehnt an den Netzentwicklungsplan, Szenarien für den zukünftigen PV-Zubau und die potenzielle Entwicklung der Elektromobilität entworfen. Auf Basis der Ergebnisse lässt sich eine Netzanalyse hinsichtlich Spannungs- und Stromgrenzwertüberschreitungen sowie zu deren potenziellen Auftrittszeitpunkten und Auftrittsdauern durchführen. Parallel wurde anhand von Sensitivitätsanalysen untersucht, welche Wirksamkeit Flexibilitätseinsätze an den verschiedenen Netzknoten auf den Engpass haben. Dadurch kann bestimmt werden, wie effektiv die verfügbaren, in der Regel örtlich gebundenen Flexibilitätsanbieter eingesetzt werden können. Da die Sensitivitäten arbeitspunktabhängig sind, wurden verschiedene Zeitpunkte im Jahresverlauf berechnet und die jeweilige Änderungen der Wirksamkeit ausgewertet. Neben der Höhe der Leistungsabweichung wurde die Flexibilitätsanforderung auch anhand der Einsatzzeitpunkte und Einsatzdauer sowie anhand der Häufigkeit der nötigen Flexibilitätseinsätze charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll abgeleitet werden, inwiefern sich der flexible Einsatz der Verbrauchsanlagen in der Netzplanung verankern lässt. Besonders relevant ist deshalb, mit welcher Verlässlichkeit die Flexibilität abgerufen werden kann. Eine sehr hohe Verlässlichkeit lässt sich je nach Flexibilitätsanbieter möglicherweise nicht oder nur zu sehr hohen Preisen gewährleisten. Die Eignung der Flexibilitätseinsätze wird somit sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht bewertet. Da eine vollständige Verlässlichkeit ohnehin nicht sichergestellt werden kann (technische Störungen einer Anlage, Wettereinflüsse, etc.), werden auch Fallback-Strategien, z. B. Einspeisespitzenkappung, in die Analyse einbezogen.
In Zusammenarbeit mit den Kreiswerken Cham wurde an der OTH Regensburg das Trinkwasserversorgungsgebiet mit allen relevanten Pumpen und Hochbehältern nachgebildet. Mithilfe des Modells kann die aktuelle, füllstandgesteuerte Betriebsweise unter Einhaltung der Randbedingungen (Grenzwerte der Behälterfüllstände, elektrische Verschaltung der Pumpen) simuliert werden. Daraus lässt sich auch das gesicherte, für die Netzplanung geeignete Flexibilitätspotenzial anhand der Leistungsabweichung gegenüber dem regulären Fahrplan, der Einsatzdauer, dem Einsatzzeitpunkt und der Pause zwischen den Flexibilitätsabrufen charakterisieren. In einem Feldversuch wurde vordergründig untersucht, inwiefern der Einsatz von Flexibilität in der Trinkwasserversorgung technisch umsetzbar ist.
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.
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.
Green hydrogen via renewable powered electrolysis has a high relevance in decarbonization and supply security. Achieving economically competitive hydrogen production costs is a major challenge in times of an energy price crisis. Our objective is to show the economically optimal installed capacity of electrolysers in relation to wind and solar power so swift and credible statements can be made regarding the system design. The ratio between renewable generation and electrolysis power as well as scaling effects, operating behaviour and development of costs are considered. Hydrogen production costs are calculated for four exemplary real PV and wind sites and different ratios of electrolysis to renewable power for the year 2020. The ideal ratio for PV systems is between 14% and 73% and for wind between 3.3% and 143% for low and high full load hours. The lowest hydrogen production costs are identified at 2.53 €/kg for 50 MW wind power and 72 MW electrolysis power. The results provide plant constructors the possibility to create a cost-optimized design via an optimum ratio of electrolysis to renewable capacity. Therefore, the procedures for planning and dimensioning of selected systems can be drastically simplified.
A Theoretical Comparison of Different Virtual Synchronous Generator Implementations on Inverters
(2022)
The goal to overcome the global climate crisis leads to a rising demand for the usage of Renewable Energy Sources (RES). Decentralized control strategies are needed to allow the integration of RES into the grid. The Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed as a method to add virtual inertia to the grid by emulating the rotating mass of a Synchronous Generator (SG) on the control algorithm of an inverter. This paper presents the VSG control structure as well as the mathematical description in a unified form. Due to the fact that classical droop control can be seen as a special form of the VSG, their correlation is highlighted by evaluating the steady state output characteristics of the inverter. Furthermore, a theoretical comparison between different VSG topologies, including the VISMA-Method 2 and the synchronverter, is given. In order to achieve better voltage stability, principles to add virtual impedance to the inverter's output are described.
Due to the very high fossil energy demand, the glass industry is looking for innovative approaches for the reduction of CO2 emissions and the integration of renewable energy sources. In this paper, we present a novel power-to-gas concept, which has no impact on established melting processes and discuss it for this purpose. A special focus is set on the required CO2 capture from typical flue gases in the glass industry, as this process has not been investigated in detail yet. We used a process simulation approach to investigate post-combustion CO2 capture by absorption processes, followed by a techno-economic evaluation. Our investigations found the designed CO2 capture plant to be approx. 400 times smaller than absorption based CO2 separation processes for conventional power plants. Due to the many options for waste heat utilization, the waste heat required for CO2 desorption can be generated in a particularly efficient and cost-effective way. The resulting CO2 avoidance costs range between 41-42 €/t CO2, depending on waste heat utilization for desorption, and thus offer a cost effective way of CO2 removal from glass industry melting processes. These costs are well below the values of 50-65 €/t CO2 described so far for comparable industrial applications. In addition, we describe optimization options, like solvent and process improvements, to enable further cost reductions. These results motivate further research and development on the overall process presented in this work.