Energie und Mobilität
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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.