Energie und Mobilität
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Megathema Wasserstoff: Power-to-X im Kontext der Energiewende und des Klimaschutzes in Deutschland
(2020)
In the present work, an experimental study on a lab-scale adsorption refrigerator, based on activated carbon/ethanol working pair is reported. An extensive testing campaign has been carried out at the CNR ITAE laboratory, with multiple aims. First, the performance has been evaluated in terms of both COP and Specific Cooling Power (SCP), under different boundary conditions, including both air conditioning and refrigeration applications. Attractive SCPs, up to 180 W/kg and 70 W/kg for air conditioning and refrigeration, respectively, were measured. Under the same conditions, COP between 0.17 and 0.08 were obtained. In addition, different management strategies, namely, heat recovery between adsorbers and re-allocation of phase durations, were evaluated to identify their influence on the system. Both strategies confirmed the possibility of increasing COP and SCP up to 40% and 25%, respectively. Moreover, a design analysis based on the experimental results has been carried out, to suggest possible improvements of the system. The obtained results demonstrated the possibility of employing a non-toxic refrigerant like ethanol reaching performance comparable with other harmful refrigerants like ammonia and methanol. (C) 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
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.
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.
Handbook of Energy Storage
(2019)
There are several approaches to classifying energy storage systems (see Chaps. 1 and 2). Storage systems are used in a large number of different technologies at various stages of development, and in a wide range of application areas (see Chaps. 3 to 5). This chapter compares the capabilities of the different storage systems using the following criteria:This comparison of storage systems also provides a convenient overview of the various storage systems and their capabilities.
The importance of E-Mobility is rapidly increasing, not only for private vehicle traffic but also for public transport. In and around Regensburg, Germany there are a lot of automotive companies. Therefore E-Mobility is an important topic in the curriculum of several courses of study at the East-Bavarian Technical University of Applied Sciences Regensburg (OTH).
One Master of Applied Research student at OTH has chosen the topic to develop an open-source simulation tool for electric vehicles – the EMOTH Library – based on Modelica and to refine several aspects of the library during the one and a half year of the master course.
After one semester, the basic version of the library is available and will be presented in this paper.
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.
An effective way to reduce greenhouse gas emissions (GHGs) is to use rurally produced straight jatropha oil as a substitute for diesel fuel. However, the different physical and chemical properties of straight vegetable oils (SVOs) require a customized setup of the combustion engine, particularly of the injection timing and quantity. Therefore, this study demonstrates the differences in the injection and combustion processes of jatropha oil compared to diesel fuel, particularly in terms of its compatibility with exhaust gas recirculation (EGR).
A 2.2 l common-rail diesel engine with a two-stage turbocharging concept was used for testing. To examine the differences in injection rate shaping of diesel fuel and jatropha oil, the injector was tested with an injection rate analyzer using both the fuels. To investigate the combustion process, the engine was mounted at an engine test bench and equipped with a cylinder pressure indication system. All limited emissions, as well as fuel consumption, were measured.
Various injection strategies, boost and rail pressure levels were tested at different EGR rates in terms of their impact on the combustion process. EGR in particular offers a great potential in the case of jatropha oil combustion due to its oxygen content. In addition, the investigation of injection rate shaping in combination with cylinder pressure analysis allowed a detailed thermodynamic evaluation of the combustion process. Ignition delay (ID) was also analyzed using a new method to calculate the start of combustion (SOC)
The influence of an external magnetic field on the static shear strain and the effective shear modulus of a magnetoactive elastomer (MAE) is studied theoretically in the framework of a recently introduced approach to the single-particle magnetostriction mechanism [V. M. Kalita et al., Phys. Rev. E 93, 062503 (2016)]. The planar problem of magnetostriction in an MAE with magnetically soft inclusions in the form of a thin disk (platelet) having the magnetic anisotropy in the plane of this disk is solved analytically. An external magnetic field acts with torques on magnetic filler particles, creates mechanical stresses in the vicinity of inclusions, induces shear strain, and increases the effective shear modulus of these composite materials. It is shown that the largest effect of the magnetic field on the effective shear modulus should be expected in MAEs with soft elastomer matrices, where the shear modulus of the matrix is less than the magnetic anisotropy constant of inclusions. It is derived that the effective shear modulus is nonlinearly dependent on the external magnetic field and approaches the saturation value in magnetic fields exceeding the field of particle anisotropy. It is shown that model calculations of the effective shear modulus correspond to a phenomenological definition of effective elastic moduli and magnetoelastic coupling constants. The obtained theoretical results compare well with known experimental data. Determination of effective elastic coefficients in MAEs and their dependence on magnetic field is discussed. The concentration dependence of the effective shear modulus at higher filler concentrations has been estimated using the method of Pade approximants, which predicts that both the absolute and relative changes of the magnetic-field-dependent effective shear modulus will significantly increase with the growing concentration of filler particles.
Dynamical Investigation of Crawling Motion System based on a Multistable Tensegrity Structure
(2018)
The basic idea of this article is the utilization of the multistable character of a compliant tensegrity structure to control the direction of motion of a crawling motion system. A crawling motion system basing on a two-dimensional tensegrity structure with multiple stable equilibrium states is considered. This system is in contact with a horizontal plane due to gravity. For a selected harmonic actuation of the system small oscillations around the given equilibrium state of the tensegrity structure occur and the corresponding uniaxial motion of the system is evaluated. A change of the equilibrium state of the tensegrity structure yields to novel configuration of the entire system. Moreover, the motion behavior of the novel configuration is totally different although the actuation strategy is not varied. In particular, the direction of motion changes. Therefore, this approach enables a uniaxial bidirectional crawling motion with a controllable direction of motion using only one actuat or with a selected excitation frequency.
Technologies status and perspectives of Power-to-Gas in connection with seasonal underground storage
(2019)
Durch das in Paris beschlossene Ziel, die globale mittlere Temperatur auf deutlich unter 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, ist ein Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger und Rohstoffe bis zum Jahr 2050 notwendig (WBGU 2016).
Daher hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt, bis zur Mitte des Jahrhunderts eine weitgehende Treibhausgasneutralität zu erreichen. Hierzu ist neben einer Steigerung der Energieeffizienz in allen Sektoren ein Ausbau erneuerbaren Energien notwendig. Dies beinhaltet hauptsächlich den Zubau von Wind‐ und Solarstromanlagen. Somit gewinnt die Sektorkopplung immer mehr an Bedeutung und wird in Zukunft eine tragende Rolle für die Defossilisierung des Energiesystems spielen (BMUB 2016). Als zentrales Element der Sektorkopplung gilt Strom, der über Power‐to‐X (PtX) sowohl energetisch im Wärme‐, und Verkehrssektor als auch stofflich in der Industrie und vor allem im Chemiesektor eingesetzt werden kann (Ausfelder et al. 2018a). Im Rahmen des P2X‐Vorhabens der Kopernikus Forschungsinitiative wird die Sektorkopplung durch die Umwandlung von Strom mittels elektrochemischer Prozesse in stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Synthesegas oder Kohlenstoffmonoxid untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der Kopplung von Strom und Verkehr sowie Strom und Chemie und der Untersuchung von Prozessen und Pfaden, die aus ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Sicht vorteilhaft sind. Eine vergleichende Einordnung in den Gesamtkontext der Energiewende mit Abwägung zahlreicher Alternativen und Konkurrenztechnologien ist dort allerdings nicht vorgesehen. Zudem werden einige relevante PtX‐Technologien wie Power‐to‐Heat nicht betrachtet. Aus diesem Grund wurden in SPIKE ergänzende PtX‐Technologiepfade aus systemanalytischer Sicht untersucht. Dies sind Power‐to‐Heat (PtH) und Power‐to‐Gas (PtG) über Elektrolyse und optionaler anschließender Methanisierung sowie die Herstellung ausgewählter Pfade der strombasierten Herstellung von Produkten der energieintensiven Industrie. Ziel des Forschungsvorhabens war die Analyse von PtX‐Technologien und Pfaden, deren vergleichende Einordnung im Gesamtkontext der Energiewende sowie die Unterstützung des P2X Roadmapping Prozesses und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Einsatz von PtX im Industriesektor. Für das Vorhaben wurden Arbeitspakete (AP) erstellt, die Untersuchungen zu Technologie, Potenzial, Ökonomie und Ökologie von PtH (AP 1), PtG (AP 2), Power‐to‐Ammoniak, Power‐to‐Ethen und Power‐to‐Propen (AP 3) umfassten. Daraus wurde in AP 4 ein Systemvergleich mit Einordnung von PtX in die Energiewende durchgeführt. Auf dieser Basis und der Identifizierung regulatorischer Rahmenbedingungen für PtX (AP 5) wurde das deutsche Energiesystem samt PtX‐Pfaden in einem Energiesystemmodell abgebildet (AP 6). Die Ergebnisse flossen in das Roadmapping ein (AP 7). Zudem erfolgte ein Austausch mit den Projektpartnern und das Verfassen wissenschaftlicher Abhandlungen (AP 8).