Energie und Mobilität
Refine
Year of publication
- 2021 (60) (remove)
Document Type
- Article (21)
- conference proceeding (article) (18)
- conference talk (10)
- Report (5)
- Part of a Book (2)
- Master's Thesis (2)
- conference proceeding (presentation, abstract) (1)
- Preprint (1)
Is part of the Bibliography
- no (60)
Keywords
- Erneuerbare Energien (10)
- Energiewende (7)
- Klimaneutralität (7)
- Power-to-Gas (6)
- Sektorenkopplung (3)
- Archaeen (2)
- Batterien (2)
- Battery management system (2)
- Battery management systems (2)
- DC-DC power converters (2)
Institute
- Fakultät Elektro- und Informationstechnik (37)
- Fakultät Maschinenbau (18)
- Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) / Forschungsgruppe Energiespeicher (16)
- Combustion Engines and Emissions Control Laboratory (CEEC) (7)
- Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) / Forschungsgruppe Energienetze (5)
- Labor Sorptionsprozesse (5)
- Labor Datenkommunikation (4)
- Labor Elektrische Maschinen und Antriebstechnik (3)
- Labor Industrielle Elektronik (3)
- Labor Intelligente Materialien und Strukturen (3)
Begutachtungsstatus
- peer-reviewed (30)
- begutachtet (2)
Assuming that future connected cars with automated driving functions will require even more computing power and communication bandwidth, the current network infrastructure as well as the existing individualized control units are not a profitable option for such vehicles. In addition, changing user expectations demand flexible architectural patterns and upgradeability of software components without the need to visit the workshop. However, the current statically developed and configured ECU architecture does not offer any practicable possibilities for this. For these reasons, the research for a new dynamic and flexible architecture is necessary. This new type of system architecture is expected to meet future requirements in terms of space, cost, performance, energy efficiency and number of required computing units in the vehicle, which will arise as a result of the implementation/inclusion of new automated driving functionalities, and due to the changes in user expectations.
Solutions to this issue can be found in the field of enterprise
IT (cluster computing), in which technologies such as Ethernet,
container-based virtualization and flexible software architectures have proven themselves to be very efficient for years.
Relevant infrastructures, for example from cloud computing providers, have commonly been used in high-performance or high-availability applications. Thus, in the research project A 3F has been investigated which of these concepts and methods can be applied to modern vehicle system architectures. One of the main goals is to assess the synergy potential of the two sectors, information technology and automotive industry, which to date have very different orientations. However, this synergy is expected to grow strongly in the course of the developments mentioned above.
In the following pages, the necessary changes related to hardware and software will be discussed briefly und will be compared to concepts and possible solutions from the IT world.
Die Verschärfung der Abgasgesetzgebung sowie die politischen und gesellschaftlichen Forderungen an eine nachhaltige Mobilität zwingen die Automobilindustrie zur Entwicklung komplexer, hochpräziser mechatronischer Antriebssysteme. Die zunehmende Präzision der mechatronischen Komponenten führt dabei in der Regel zu einer
Zunahme der Strukturanregung und damit zu einer Erhöhung der Störgeräusche. Das so genannte Tickern des Kraftstoffeinspritzsystems hat im Vergleich zum Restmotorgeräusch einen niedrigeren Schalldruckpegel. Dennoch führt der impulshaltige und hochfrequente Geräuschcharakter zu einem Mangel in der Komfort- und Qualitäts-
32 wahrnehmung. Um die Geräuschqualität von raftstoffeinspritzsystemen als Frontloading-Maßnahme zu identifizieren, wurde ein Systemprüfstand entwickelt, der die Körper- und Luftschallabstrahlung des Einspritzsystems in seriennaher Konfiguration abbildet.
In diesem Beitrag werden Maßnahmen zur akustischen Optimierung von Einspritzsystemen und deren Auswirkungen auf die Robustheit im Systembetrieb diskutiert. Der Fokus liegt dabei auf dem Motorleerlauf, da an diesem Betriebspunkt das Tickern der Injektoren und der Hochdruckpumpe durch den geringen Maskierungseffekt anderer Geräusche am deutlichsten wahrzunehmen ist. Dazu wurden die Einspritzparameter im Vollmotorbetrieb erfasst und auf den Systemprüfstand transferiert. Durch ein spezielles Entwicklungssteuergerät war es möglich, die Parameter zu modifizieren, deren Einfluss auf das akustische Verhalten zu quantifizieren und darauf aufbauend NVHoptimierte
Ansteuerstrategien zu definieren. Zur Robustheitsbewertung der NVHoptimierten Ansteuerstrategien wurden Schlüsselfunktionen des Einspritzsystems unter variierenden Randbedingungen im Systembetrieb analysiert.
Beim Kauf eines Pkw wird der akustische Qualitätseindruck eines Fahrzeugantriebstrangs stetig relevanter. Die wahrgenommene Geräuschqualität des Motoraggregates nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Aufgrund der Ausprägung einzelner Störgeräusche wird jene Geräuschqualität negativ beeinflusst. Diese als unangenehm empfundenen Geräuschkomponenten gilt es im Rahmen der Fahrzeugentwicklung
weiter zu reduzieren, wobei die Identifikation und Bewertung störender Geräuschanteile am Motorgesamtgeräusch Voraussetzungen für eine effektive Akustikoptimierung sind. Vor allem das impulshafte Tickergeräusch wird bei Otto-DI-Motoren als besonders lästig eingestuft, weswegen dieser Beitrag darauf abzielt, die tickernden Geräuschanteile aus dem Gesamtgeräusch zu analysieren und zu bewerten. Hierzu wurde eine empirische Formel entwickelt, welche die tickernden Geräuschanteile in ihrer Intensität in Grenzen einstufen kann. Diese ist rein empfindungsbasiert und besteht aus der Impulshaftigkeit, der Lautheit sowie der Schärfe des Motorgesamtgeräusches.
Wie auch bei anderen psychoakustischen Bewertungsskalen wurde die Benotung von 1 (sehr tickernd) bis 10 (nicht tickernd) vorgenommen. Anhand von Hörversuchen mithilfe einer Expertenjury konnte die Tickergeräuschbewertungsformel anschließend verifiziert werden. Hiernach kann präzise ausgesagt werden, in welchen Motorkennfeldbereichen das Tickergeräusch die Angenehmheit des Motorgesamtgeräusches untergräbt.
The key for decentralized battery systems is a robust and communication-less control strategy for autonomous power sharing of parallel-connected DC-DC converters. Battery systems improve the reliability and quality of power supply in renewable energy systems and enable power supply for off-grid, mobile applications, including islanded grids, home storage, and electric vehicles. In many cases, components with different electrical properties require different voltage levels. An adaptation is consequently essential and is normally implemented in DC grids for the batteries via bidirectional DC-DC converters. The power flow in both directions can thus be ensured. To achieve a power distribution in parallel connected DC-DC converters, a droop control in the form of a virtual internal resistor can be used. This paper presents a novel approach of a DC-DC converter with a digitally parameterizable droop resistor, whose voltage regulation is based on an analog operational amplifier circuit to ensure low delays and robustness. The droop resistor is adjusted with a microcontroller, which offers the possibility to apply a higher-level control for load sharing via an interface. Mathematical correlations are used to clearly define the parameters of the control. Furthermore, the circuit was completely simulated and tested in the hardware setup. The shown results verify the functionality and indicate only minor deviations. Therefore, this circuit is important for future use in distributed battery systems.
DC- DC converters control the power flow and thus the power distribution between the components on different voltage levels. They are essential for (dis)charging batteries and influence the safety and stability of the entire battery management system (BMS). Therefore, testing the functionality and the reliability of DC-DC converters is crucial. This is especially true for decentralized battery management systems (DBMS), where multiple nodes communicate to collectively control the system. The used DC-DC converters are modified to parameterize them during operation via microcontroller interfaces. Integrating the communication into the control loop requires an analysis of the control behavior due to additional delays. Therefore, this paper proposes a framework to test DC-DC converters considering the control and communication perspectives. The response time, the control accuracy and stability of these DC-DC converters, e.g., under continuous and abrupt load changes, are measured in automated tests. The dedicated software framework simulates the DBMS and stimulates the hardware components (e.g. electronic loads, data acquisition) via respective interfaces (CAN, RS232). This allows the test of various DC-DC converters with flexibly adaptable load and power generation profiles. An initial application validates the test framework by verifying the aforementioned aspects and thus the applicability of a DC-DC converter within the DBMS.
With an increasing number of sold electric vehicles (EVs), a large number of used batteries will be at disposal. How to deal with these resources is one of the major challenges in reducing the environmental impact of batteries throughout their entire life cycle. Heterogeneous cell parameters due to the different usage histories are a challenge for second-life use. The effort and cost of remanufacturing required to test and assemble a new battery pack is a further concern. Systems that combine battery packs/modules without full reassembly offer advantages such as cost and reusability. A decentralized battery management system (DBMS) provides a suitable architecture for such systems involving different types of batteries. In this paper, an architecture for a decentralized, battery state-dependent control is shown. The proposed DBMS supports various types of batteries, is scalable and flexibly adaptable for a wide range of applications. Despite the significant advantages, there are increased requirements to meet for the hardware implementation and the applied control strategies. Therefore, the necessary hardware components and their requirements are described and the hardware implementations are provided.
Quantization and Sampling Effects in Fast Digitally Controlled Switch-Mode DC/DC Buck Converters
(2021)
Software-defined control of DC/DC switch mode power converters features unequaled flexibility compared to analog control. For fast switching converters as recently used for low power applications, digital control may cause steady-state oscillations known as limit cycles. This effect based on a quantized duty cycle is compared to other aberrations such as output ripple voltage, which is inherent to any pulse-width modulator. A distinction is made between DC and AC errors. The latter are divided into synchronous and asynchronous output voltage disturbances. Synchronous AC errors are composed of the switching frequency and its harmonics.
The contribution presents a methodological procedure for the management and planning of interventions after earthquake events in small historic centres. Reference is made to the case study of Castelluccio di Norcia, a village in the Apennine Mountains affected by the seismic sequence that hit Central Italy in 2016. The earthquake risk of the area and the damaging events of 2016 are critically reviewed. The implementation of cognitive analysis and the application of advanced survey techniques involving the use of nmanned Aerial Vehicles (UAVs) for the purposes of emergency management and monitoring of damaged areas are analysed. The outcomes, combined with the direct involvement of the local population, represent a complete and integrated approach allowing the definition of a) possible intervention strategies, b) related decision criteria and c) practical recommendations for the reconstruction and regeneration of Castelluccio, and, in general, of small historic centres damaged by catastrophic events.
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 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.
Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte für eine klimaverträgliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür die deutschen energiebedingten CO2-Emissionen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken müssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazitäten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Gebäudewärme hierzu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energiepflanzen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Landnutzung. Importe klimaneutral erzeugter Energieträger in sehr großem Umfang erfordern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft.
Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Windkraft in Deutschland. Schätzungsweise kann der Elektrizitätsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahezu vollständig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elektrifizierte Mobilität und Wärmeversorgung betreiben und ein Teil des benötigten "grünen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierfür ist ein jährlicher Zubau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft nötig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine gesellschaftliche Kraftanstrengung. Ein weiter verzögerter Ausbau müsste mit noch deutlich größeren gesellschaftlichen Anstrengungen für drastische Energieeinsparungen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt könnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Aufbau der Kapazitäten mehrere Jahre erfordert, ist es möglich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt für Importe entwickelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegenüber der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfolgen.
Grüner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abgeleitete Syntheseprodukte sind für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie für die Absicherung der Energieversorgung bei Dunkelflauten nötig. Ohne die genannten Ausbauziele für Wind und Solar noch drastisch weiter zu erhöhen, stehen diese Produkte für Straßenverkehr und Wärmeversorgung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Techniken zum Ausgleich zwischen Elektrizitätsangebot und -nachfrage sind verfügbar und sollten rechtzeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu gehören: Stromaustausch mit den Nachbarländern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. Für deren Integration sowie den Ausbau der Netze sollten zügig verbesserte rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen werden.
Die Kosten eines klimaverträglichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht höher als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitsplätze und Exportchancen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Gebäudesanierung. Die politischen Rahmenbedingungen entscheiden, ob eine klimaverträgliche Energieversorgung Deutschlands gelingt.
This paper presents different options to provide reactive power in electricity grid systems. Since conventional power plants are being phased out and the reactive power demand tends to increase, alternative technologies are needed to cover it. reactive power sources are being defined and specified in this submission. A technical evaluation and an economic analysis of selected reactive power sources are carried out, based on interviews with manufacturers and operators. As well a multifactorial techno-economic comparison of the evaluated reactive power sources is presented. The technical analysis addresses reactive power control-ranges, stochastic parameters, lifespans, electrical losses and dynamics of re-active power sources. It states that power electronics allow faster setpoint changes than mechanical technologies can achieve, but at the same time this is associated with the highest electrical losses of the reactive power sources considered here. Considering the economic analysis, relative investment costs per reactive power of conventional compensation systems turn out to be the most cost-efficient. With regard to the multifactorial techno-economic comparison, it is im-portant not only to standardize on reactive power that can be provided, but also to include the additional system-relevant properties of technologies in the evaluation as well as the costs in operation.
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.
Durch den Ausstieg aus der Verstromung fossiler Energieträger und der daraus resultierenden dezentralen Stromerzeugung ist ein Aus- bzw. Umbau des deutschen Übertragungsnetzes erforderlich. Weil aus der dezentralen Energieerzeugung große Trassenlängen resultieren, welche bei Wechselstrom zu Blindleistungsproblematiken führen, wird dort vermehrt auf Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zurückgegriffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts DC CTL DBI (direct current compact transmission line – directly buried investigastions) wurde ein gasisolierte HGÜ-Leiter (GIL) erdverlegt und bei ständigem Monitoring über umfangreiche Sensorik einem Langzeitversuch unterzogen. Anstelle einer klassischen Sandbettung kam ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (ZFSV) zum Einsatz. Somit können Schäden an der Übertragungsleitung infolge Verdichtungsaufwand vermieden und gleichzeitig bessere Bodeneigenschaften hinsichtlich der Wärme- und Wassertransportprozesse erreicht werden.
In this paper a multiphysics development method is used for designing a novel wound field synchronous machine of the future generation of high voltage traction drives. This method covers the domains of electromagnetics, the mechanical strength, thermal behavior and the magnetic noise. It is shown that the proposed novel asymmetric design with a circular flux barrier in combination with an asymmetric pole offset is fulfilling the requirements according to performance and torque ripple. A fatigue strength rotor mechanic concept is included. A hybrid cooling concept consisting of a water jacket cooled stator and air cooled rotor ensures the needed continuous power. Unacceptable noise levels are excluded by investigating the equivalent radiated power (ERP) level due to radial forces in the air gap. Finally, the multi-physical workflow resulted in a fully developed component with a high degree of maturity.
This paper shows how magnetic noises can be reduced with a wound field synchronous machine (WFSM) with magnetic
asymmetry compared to a permanent magnet synchronous machine (PSM), operating at base speed range and full load. In order to reproduce a real noise behavior, the two rotor types are operated in a complete electric drive unit (EDU) consisting of an electric motor, gearbox, inverter and overall housing. In the concept study, the noise characteristics of the two electric machines is evaluated and compared via mechanical finite element method (FEM) simulations using the equivalent radiated power (ERP) level and Campbell diagrams. Furthermore, it is shown that critical frequency orders can already be identified by the analysis of the magnetic force density from the electromagnetic design without computationally intensive ERP calculations. In this context, the ERP investigations have shown that the unique feature of the magnetically asymmetric WFSM is the reduction of the slot harmonics. At the current state of the art, the slot harmonics can only be reduced with a rotor skewing. The disadvantage of this is a reduction in performance and a more expensive production. It is also remarkable that the magnetic asymmetry reduces the slot harmonics more than the rotor skewing in the PSM. In addition, both machines are still considered with a short-pitched stator winding to optimize the overall noise level by reducing the 24th frequency order.
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 °.
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.