Energie und Mobilität
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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.
Power-to-Ammoniak
(2021)
Ammoniak ist Grundbaustein für die Herstellung von Düngemitteln und dementsprechend für die Nahrungsmittelindustrie unentbehrlich. Ca. 40-50 % der Weltbevölkerung sind von Nahrungsmitteln abhängig, die mit Hilfe von Ammoniakdüngern hergestellten wurden. Weltweit wurden alleine im Jahr 2015 181 Mt Ammoniak produziert, wodurch die Ammoniakherstellung mit 1,2 % am gesamten Energieverbrauch der Welt beteiligt ist und für 0,93 % der globalen Treibhausgasemissionen zuständig ist.
Auch in Zeiten der Energiewende ist diese Grundstoffchemikalie unentbehrlich, ist aber auf einem anderen Wege herzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie, wodurch der Einsatz von herkömmlichen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und Öl negiert werden kann.
Ammoniak wird aktuell über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Rohstoffen Erdgas, Kohle und Öl gewonnen. Bei diesem Verfahren wird über einen Primär- und Sekundärreformer Wasserstoff und Stickstoff gewonnen. Andere Gasbestandteile werden gefiltert oder umgewandelt, um schädliche Katalysatorgifte (CO, H2S) zu entfernen. Im Reaktor wird an Eisenkatalysatoren aus Wasserstoff und Stickstoff letztendlich Ammoniak hergestellt. Der Energieverbrauch des Haber-Bosch Verfahrens schwankt zwischen 7,8 MWh/t NH3 für eine moderne und sehr effiziente Anlage mit Erdgas und 13,6 MWh/t NH3 für eine alte mit Kohle betriebene Anlage. An Emissionen treten pro hergestellter Tonne Ammoniak je nach Rohstoff 1,6-3,8 t CO2-eq auf.
Neben der Biomassevergasung gibt es mehrere rein elektrische Ansätze zur Ammoniakherstellung. Die unterschiedlichen elektrochemischen Ansätze zur direkten Ammoniaksynthese, wie der Einsatz von Flüssigsalzelektrolyten oder Feststoffelektrolyten, wurden in Abschnitt 3.2 vorgestellt. Einige dieser Technologien zeigen vielversprechende Ansätze, sind jedoch zum aktuellen Zeitpunkt noch zu weit von einem industriellen Einsatz entfernt.
Der Einsatz der Wasserelektrolyse in Kombination mit einer Luftzerlegungseinheit ist die derzeit vielversprechendste Methode Ammoniak auf einem strombasierten und dekarbonisierten Wege herzustellen. Bei diesem System wird Wasserstoff im Elektrolyseur und Stickstoff in der Luftzerlegungseinheit hergestellt. Die Ammoniaksynthese findet hierbei in einem Reaktor nach Vorbild des Haber-Bosch-Prozesses statt. Mit diesem System ist ein Energieverbrauch von ca. 10 MWh/t NH3 notwendig. Durch den Einsatz von rein erneuerbar hergestelltem Strom als Energieträger lässt sich mit diesem Technologiezusammenschluss die Ammoniakherstellung komplett Emissionsfrei gestalten. Dadurch können alleine in Deutschland jährlich bis zu 7,8 Mt CO2-eq eingespart werden.
Eine zukünftige Umstrukturierung der Ammoniakherstellung und der gesamten chemischen Industrie ist unabdingbar. Diese kann aber nur parallel mit einem Ausbau erneuerbarer Energien umgesetzt werden. Mit der Wasserelektrolyse und der Luftzerlegungseinheit sind die technischen Möglichkeiten für diesen Umbau bereits heute gegeben und brauchen nur noch eingesetzt werden.
Die Energiewende führt zu neuen Herausforderungen für Verteilungsnetzbetreiber hinsichtlich der Er-bringung von Systemdienstleistungen, der Integration weiterer Erzeugungsanlagen und Lasten sowie der Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit und normgerechten Spannungsqualität. Die De-ckung der auftretenden Blindleistungsbedarfe seitens der Netzbetriebsmittel, Verbraucher und Erzeu-gungsanlagen gewinnt durch den Wegfall der Großkraftwerke für Netzbetreiber zunehmend an Bedeu-tung. Das Projekt SyNErgie beschäftigt sich diesbezüglich mit der Entwicklung neuartiger Blindleis-tungsmanagementsysteme für Mittelspannungsnetze. Ziel ist es, das bisher ungenutzte, freie Blindleis-tungspotential betrieblicher Kompensationsanlagen und dezentraler Erzeugungsanlagen (allgemein: Blindleistungsquellen) zu nutzen, um die Blindleistungsänderungsfähigkeit eines Verteilungsnetzes zu erhöhen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines zentralen Blindleistungsregelsystems, bei dem Blindleistungsquellen auf Basis von „Optimal Power Flow“-Berechnungen über eine zentrale Recheninstanz angesteuert werden. Zum Einsatz kommt dabei ein Optimierungsalgorithmus, der auf Basis des aktuellen Netzzustandes (Spannungs- und Auslastungsreserven) und des aktuellen Blindleis-tungspotentials der Blindleistungsquellen einen bedarfsoptimalen Abruf koordiniert. Das zentrale Re-gelverfahren wird in Netzmodellen verschiedenartiger Mittelspannungsnetzgruppen und unterschiedli-cher Art und Anzahl von Blindleistungsquellen angewendet sowie im Hinblick auf variierende Zielvor-gaben und Randbedingungen evaluiert und diskutiert.
Die Arbeit befasst sich mit der Ladung von Elektrofahrzeugen durch Solarenergie in einem Inselsystem. Diese Art der Ladung entlastet die Netze und hat einen sehr hohen Leistungswirkungsgrad. Es wurde ein Prototyp einer Direkt-ladestation gebaut, welche verschiedene Elektrofahrzeuge mit einem neuartigen Verfahren aufladen kann. Sie enthält einen optionalen Pufferakkumulator und einen Vollbrücken-Gegentaktwandler für die Ladung bei schlechter Solarleistung. Ein Teil der Arbeit behandelt ausführlich die Auslegung, die Komponenten und bisher undokumentiertes Verhalten von Gegentaktwandlern. Des Weiteren wird das Prinzip der Solardirekt-ladung und deren Umsetzung sowie die Umsetzung des Gesamtsystems beschrieben. Es folgt ein Kapitel zur Wirtschaftlichkeit der Solardirektladung mit Handlungsempfehlungen. Insgesamt lässt sich schließen, dass Solardirektladung bei nutzungsorientierter Auslegung der Anlage und langer Laufzeit wirtschaftlich ist.
This work addresses the charging of electric vehicles with solar power in an off-grid system. Charging this way reduces the stress on the grid and has a very high power efficiency. A prototype of a direct charging station was built which is able to charge several different electric vehicles in a novel way. It includes an optional buffer battery and a full bridge converter for being able to charge electric vehicles at times o flow solar power. One chapter explains in detail the design, the components and so far undocumented properties of full and half bridge converters. The principle and the implementation of direct solar charging and the implementation of the whole system is described. The last chapter covers the cost effectiveness of solar chargin gas well as recommendations. All in all it can be stated that solar direct charging is ecomomically advantageous if it is projected according to the user’s demand.