Energie und Mobilität
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Im Kontext der Energiewende sind Energiespeicher ein zentrales technisches, wirtschaftliches und energiepolitisches Thema.Die Autoren dieses kompakten Werkes geben einen umfassenden Uberblick Uber die verschiedenen Aspekte der Energiespeicherung. Sie beschreiben zunachst die Bedeutung von Energiespeichern in der Energieversorgung und definieren ihre Rolle darin. Dann gehen sie auf den Speicherbedarf in der Strom-, Warme- und Kraftstoffversorgung im Kontext der Energiewende ein. Im Hauptteil werden die verschiedenen Speichertechnologien ausfUhrlich vorgestellt sowie ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Praktische Anwendungsbeispiele und die Integration von Speichern Uber alle Energiesektoren hinweg runden das Buch ab. Zahlreiche Grafiken und Beispiele veranschaulichen das gesamte Feld der Energiespeicher und sind als Erganzung samt Animationen online in Farbe verfUgbar.Die ZielgruppenDas Lehr- und Fachbuch wendet sich an Ingenieure, Wissenschaftler, Energieplaner und Energiewirtschaftler in Forschung und Industrie sowie an Studierende an Hochschulen und Universitaten in den Bereichen Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Elektrotechnik und Energietechnik.
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.
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.
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.
Verteilungsnetzbetreibern stehen mittlerweile viele Maßnahmen zur Behebung des Spannungsbandproblems zur Verfügung. Innovative Konzepte wie der regelbare Ortsnetztransformator werden in vielen Pilotprojekten erprobt. Unklar ist jedoch noch, welche Maßnahmen beziehungsweise Kombinationen langfristig wirtschaftlich am günstigsten sind. Die Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg untersucht daher in einem Forschungsprojekt verschiedene Maßnahmen, um sie unter wirtschaftlichen, technischen und energetischen Gesichtspunkten bewerten zu können. Der Beitrag untersucht am Beispiel des Netzmodells eines Dorfnetzes mit zahlreichen Photovoltaikanlagen unterschiedliche Szenarien für die Spannungshaltung, wobei u. a. Maßnahmen wie die Parallelverkabelung, das Einspeisemanagement durch Spitzenlastkappung, die Spannungs-Blindleistungsregelung durch die Erzeugungsanlagen sowie ein RONT (regelbarer Ortsnetztransformator) betrachtet werden. Dabei zeigt sich, dass es keine Maßnahme gibt, die in allen Belangen die günstigste Lösung ist. Es zeichnet sich jedoch ab, dass der RONT in vielen Fällen (abhängig vom Durchdringungsgrad) die günstigste oder zumeist eine günstige Lösung zur Erhöhung der Netzanschlusskapazität darstellt.
The worldwide growing energy demand with the exploration of new gas fields has promoted the development of high toughness seamless pipeline steels which should sustain the increasing demands resulting from the complex loading situations. One of the most important prerequisites for safe installation and operation of long distance gas transmission pipelines is the detailed knowledge and characterization of their fracture performance for specific applications. However, recent industry experience has revealed concerns related to the limitations and reliability of current test methods for brittle-to-ductile transition evaluation. Regarding the transition temperature evaluation, the critical issues involve Drop-Weight Tear Testing (DWTT) and full-scale West-Jefferson (WJ) test applied to the smaller pipes with diameter less than 500mm. The DWTT leads frequently to invalid results in terms of abnormal fracture appearance and inverse fracture occurrence. It is still not clear if this behavior is only owed to a testing effect, which material characteristics cause it and how far it reflects the full-scale behavior. Similar observations were made for the West-Jefferson tests, which could not be assessed in the standard manner either. Again, the question was towards testing effects and the behavior of the pipeline transporting gaseous media remains unanswered. Therefore, this paper aims at identifying open questions on basis of a literature study and own experimental results and showing possible ways forward in demonstrating safety in design against propagating fracture.
Assessment of collapse resistance of UOE pipes – comparison of full-scale and ring collapse tests
(2014)
Fracture propagation control in gas transmission gas pipelines belongs to the major design requirements for safe operation at high internal pressures. However, the current tests such as Drop-Weight-Tear Test (DWTT) and full-scale West-Jefferson (WJ) test reach the limits of their applicability with respect to transition temperature evaluation for seamless quenched and tempered small diameter pipes reflecting nowadays alloying concepts related to mechanical properties. Hereby, different geometry and material effects are evident which might lead to misinterpretation and unreliability of testing results. This paper aims to discuss open issues addressed in the literature and in own experimental findings with respect to reliability and transferability of testing methods, fracture parameters and their representativeness of seamless quenched and tempered pipeline behavior. By applying damage mechanics approach, it is possible to quantify the prevailing stress state and thus to understand the mechanisms controlling specific fracture appearance (ductile or brittle). Furthermore, studies were performed with objective to quantify the effect of different parameters (geometry, material and loading) on the fracture performance of the pipeline. The results from these investigations will serve as a basis for a safe pipeline design against propagating fracture.
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.
Dieses Lehrbuch vermittelt nicht nur Grundlagen, sondern stellt auch die Methoden der Mehrkörpersimulation anschaulich dar und erläutert an einfachen Beispielen die Vor- und Nachteile bei der praktischen Anwendung. In den Text integrierte Matlab-Skripte und -Funktionen verdeutlichen die einzelnen Methoden und ermöglichen es, Aufwand und Problematik bei der Umsetzung der Theorie innerhalb von Simulationsprogrammen einzuschätzen. Die Modellbildung, die mathematische Beschreibung und die numerische Simulation von Systemen starrer Körper bilden dabei die Schwerpunkte. Konkret behandelte Beispiele sind die Eigendynamik eines Traktors mit gefederter Vorderachse, das Rotorblatt eines Hubschraubers sowie die Vorderachse eines Pkws. Die entsprechenden Matlab-Skripte und Lösungen zu den Übungsaufgaben können auf der Springer-Homepage beim Buch heruntergeladen werden. Der Inhalt Dynamik des starren Körpers - Bewegungsgleichungen - Starre Körper mit elastischen und kinematischen Verbindungselementen - Integrationsverfahren - Rekursiver Algorithmus - Differential-Algebraische Gleichungen - Analyse von Mehrkörpersystemen - Anwendungs- und Übungsbeispiele aus der Technik Die Zielgruppen Studenten des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und Mechatronik sowie der Biomechanik an Hochschulen und Universitäten Ingenieure in der Praxis, die sich mit Fragestellungen der Mehrkörpersimulation (MKS) befassen Entwickler aus der Kfz-Technik sowie Fachleute aus F+E Die Autoren Dr.-Ing. Georg Rill ist Professor mit den Lehrgebieten Technische Mechanik, Ingenieurinformatik, Fahrdynamik, Mehrkörperdynamik sowie Laborleiter Fahrdynamik. Dr.-Ing. Thomas Schaeffer ist Professor mit den Lehrgebieten Konstruktion, CAD, Maschinenelemente und Getriebetechnik, Mehrkörpersysteme und Bewegungstechnik sowie Laborleiter Mehrkörpersimulation, beide an der Ostbayerischen Technischen Hochschule (OTH) Regensburg.
Analysis of dynamic ductile fracture propagation in pipeline steels: a damage-T IS A WELL-ESTABLISHED fact that the successful application of new generation of high-strength steel grades for long-distance gas transmission depends strongly on full understanding and appropriate characterization of fracture resistance. A damage mechanics approach has found to be a very promising tool in supporting the experimental characterization of ductile fracture propagation. The major advantage of this approach lies in the consideration of the influence of local stress and strain variables on the damage evolution and thus its capability to describe the fracture resistance of the pipelines with different stress triaxiality level by using the same set of parameters. However, the wider application of this approach has been limited due to the issues such as reliable determination of input parameters and required material properties, mesh size dependence, etc..
The objective of this paper is to characterize dynamic ductile fracture resistance of X65 and X80 pipeline materials and to demonstrate the potential of damage mechanics approach for the simulation of dynamic fracture propagation by using two damage models: (1) Cohesive Zone (CZ) model and (2) Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model. In the first step, results from quasi-static and dynamic tensile tests are used to describe plasticity in terms of flow curves. The calibration of input parameters for both models is performed by using the load-deformation curves from quasi-static tests on non-standard drop-weight tear (DWT) specimens with pre-fatigued crack. b. In the next step, estimated damage model parameters are verified by means of the dynamic tests on the pressed and Chevron notch DWT specimens. Different amounts of crack growth are established by varying the drop height. The experimental fracture resistance is quantified in terms of J-integral at specific crack length. The numerical results are evaluated with respect to global load-deformation and fracture resistance behavior. Furthermore, damage simulations are applied for quantification of local stress conditions in order to identify the major factors controlling the crack propagation. The results reported here serve as a basis for better understanding of fracture performance in dependences of geometry and material properties.
Fracture behavior of seamless pipeline material X65Q acc. to API 5L has been studied both experimentally and numerically at different loading conditions (quasi-static vs. dynamic) and temperatures. The recent findings have shown difficulties in applying well established methods for determination of transition behavior or prediction of ductile crack arrest for the new generation of high-toughness steels. The irregular fracture performance (e.g. so-called "abnormal inverse fracture" appearance, significant scattering in ductile-to-brittle-transition-temperature region, etc.) suggests that the influence of pipe dimensions, loading parameters, crack initiation resistance as well as testing procedure on the fracture behavior has been neither understood nor properly described. This work aims to shed light on these questions regarding the applicability of conventional methods and to better illuminate most relevant parameters affecting fracture behavior of high toughness steels. To achieve this goal, experimental data basis for analysis of fracture behavior in transition and upper shelf regime has been established by conducting quasi-static fracture mechanics tests and dynamic tests on Battelle Drop Weight Tear (BDWT or DWT) specimens at different temperatures. The evaluation of obtained test results in upper shelf has been additionally complemented by numerical simulation of damage behavior. The results highlight the influence of stress conditions on fracture behavior with reference to pipe dimensions and loading conditions and, subsequently, may be used as a basis for revision of existing design methods.
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.
This paper presents novel experimental methods for verification of both hydrothermal and mechanical stabilities of adsorbent coatings. Experiments have been carried out on zeolite-based coatings over aluminum substrates, prepared by a dip-coating technique developed at CNR-ITAE. Hydrothermal aging of several adsorbent coatings is ongoing. Adsorption and structural stability of some samples under test was successfully verified after 35000 aging cycles by isobars measurement and XRD analysis. Mechanical properties of coatings have been evaluated by applying different typologies of static and dynamic mechanical stresses. Results obtained have been compared with those achieved by subjecting adsorbent coatings prepared by Mitsubishi Plastic Incorporation (MPI) to the same characterization protocol. The comparison between the two types of coating returned that MPI coatings posses similar thermal stability and better mechanical strength than CNR-ITAE coatings.
Water vapor adsorption kinetics on small and full scale zeolite coated adsorbers; A comparison
(2013)
A possibility to enhance both heat and mass transfer characteristics of an adsorber heat exchanger is to apply the adsorbent directly to its surface in form of a consolidated layer. As the majority of the available publications on the effect of both coating technology and adsorbent layer thickness on the adsorption kinetics deals with small scale adsorbent samples, the results obtained can only represent the best case design of an adsorber heat exchanger. This article presents, therefore, a comparison between the adsorption kinetics of water vapour on small as well as two different full scale coated adsorber heat exchanger types with AQSOA-Z02 layers of Mitsubishi Plastics Incorporation under quasi isobaric conditions of adsorption heat pumps. The small scale coated samples have a zeolite dry mass of 200 mg and layer thicknesses of 200, 300 and 500 μm while the full scale adsorbers have a coated zeolite mass between 1.5 and 2.5 kg and layer thicknesses of 150, 200, 300, 400 and 500 μm. In the investigated adsorption heat pump module, up to 52.7 and 57.3% of the equilibrium differential water loading measured with the small scale coated substrates have been obtained after an adsorption-evaporation times of 300 and 600 s, respectively.