Energie und Mobilität
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Simulation and Techno-Economic Analysis of a Power-to-Hydrogen Process for Oxyfuel Glass Melting
(2021)
As an energy-intensive industry sector, the glass industry is strongly affected by the increasingly stringent climate protection targets. As established combustion-based production systems ensure high process stability and glass quality, an immediate switch to low greenhouse gas emission processes is difficult. To approach these challenges, this work investigates a step-by-step integration of a Power-to-Hydrogen concept into established oxyfuel glass melting processes using a simulation approach. This is complemented by a case study for economic analysis on a selected German glass industry site by simulating the power production of a nearby renewable energy park and subsequent optimization of the power-to-hydrogen plant performance and capacities. The results of this study indicate, that the proposed system can reduce specific carbon dioxide emissions by up to 60%, while increasing specific energy demand by a maximum of 25%. Investigations of the impact of altered combustion and furnace properties like adiabatic flame temperature (+25 °C), temperature efficiency (∆ξ = −0.003) and heat capacity flow ratio (∆zHL = −0.009) indicate that pure hydrogen-oxygen combustion has less impact on melting properties than assumed so far. Within the case study, high CO2 abatement costs of 295 €/t CO2-eq. were determined. This is mainly due to the insufficient performance of renewable energy sources. The correlations between process scaling and economic parameters presented in this study show promising potential for further economic optimization of the proposed energy system in the future.
Performance Isolation of Co-located Workload in a Container-based Architecture for Automobile
(2019)
As the development in the automotive sector is facing upcoming challenges, the demand for in-vehicle computing power capacity increases and the need for flexible hardware and software structures arises, allowing dynamic managament of resources. In this new scenario, software components are to be added, removed, updated and migrated between computing units. To isolate the software components from each other and allow its orchestration, a container-based virtualization approach is being tested throughout this research. The analysis focuses on the question if this virtualization technology could be an option to ensure an interference-free operation. Four different sample applications from the automotive environment are tested for their susceptibility to resource contention. The research on the one hand shows that CPU and memory used by an application can
be largely isolated with this technology, but on the other hand, it
becomes apparent that support for I/O-heavy usage is currently
not implemented sufficiently for container engines.
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.
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.
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.
Smart Grid, Smart Metering, Electromobility and the regulation of the power network are keywords of the transition in energy policies. In the future, the power grid will be smart. Due to this the OTH Regensburg does research in this area based on different projects. This paper presents a data collection, analyzing and monitoring software for a reference Smart Grid. We discuss two possible architectures for collecting data from energy analyzers. The performance is analyzed with respect to real-time monitoring, analyzing load peaks and automated regulation of the power grid.
In this paper we present a practical example of the use of Cellular Communication standards like GPRS and UMTS in a Smart Grid Application. For a more detailed view we demonstrate a possible implementation of Cellular Communication Technologies in a data acquisition application for the collection of energy indicators in a medium-voltage grid. Furthermore, we show a technical overview of relevant and common mobile communication standards available in Germany. The included theoretical examples, Smart Grid scenarios, presented data and results are based on a research project for intelligent power regulation in medium-voltage grids performed in Regensburg (Germany). It is a joint project' of the University of Applied Sciences Regensburg together with a local energy provider and a manufacturer for distribution network systems.
A huge upheaval emerges from the transition to autonomous vehicles in the domain of road vehicles, ongoing with a change in the vehicle architecture. Many sensors and Electronic Control Units are added to the current vehicle architecture and further safety requirements like reliability become even more necessary. In this paper we present a potential evolution of the Electrical/Electronic-Architecture, including a Zone Architecture, to enable future functionality. We reveal the impact on the communication network concerning these architectures and present a potential communication technology to facilitate such architectures.
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.
In this study, a fully automated process converting hydrogen and carbon dioxide to methane in a high temperature trickle-bed reactor was developed from lab scale to field test level. The reactor design and system performance was optimized to yield high methane content in the product gas for direct feed-in to the gas grid. The reaction was catalyzed by a pure culture of Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5, which formed a biofilm on ceramic packing elements.
During 600 h in continuous and semi-continuous operation in countercurrent flow, the 0.05 m3 reactor produced up to 95.3 % of methane at a methane production rate of 0.35 mCH43mR-3h-1. Adding nitrogen as carrier gas during startup, foam control and dosing of ammonium and sodium sulfide as nitrogen and sulfur source were important factors for process automation.
This paper presents a convolutional neural network (CNN) which can be used for forecasting electricity load profiles 36 hours into the future. In contrast to well established CNN architectures, the input data is one-dimensional. A parameter scanning of network parameters is conducted in order to gain information about the influence of the kernel size, number of filters and number of nodes. Furthermore, different dropout methods are applied to the CNN and are evaluated. The results show that a good forecast quality can already be achieved with basic CNN architectures, the dropout improves the forecast. The method works not only for smooth sum loads of many hundred consumers, but also for the load of single apartment buildings.
Im Rahmen des Forschungsprojektes MAGGIE, das am Beispiel des historischen Quartiers Margaretenau in Regensburg innovative Lösungen für modernes und bezahlbares Wohnen erforscht, soll über eine solaraktive Fassade Sonnenwärme im Bestandsmauerwerk eingespeichert werden, um so den Energiebedarf des Gebäudes zu reduzieren.
The reduction of the energy demand of existing buildings is the main objective of building refurbishment. Managing the heat radiation properties of the wall construction is a possible way to develop highly effective and resource efficient insulation materials and concepts. The application of infrared reflective wall paints and coatings has been studied since the latter half of the 20th century. A brief review of the literature gives an account of the current research status. One has to realise that the conclusions are not uniformly consistent but depend strongly on the specific boundary conditions and investigated parameters. The study presented here discusses the usage of infrared reflective wall paint in conjunction with heat insulation for historic brick masonry. The possible energy savings are linked to the resulting thermal comfort. We identify critical parameters that must be taken into account when using infrared reflective wall paint and derive recommended design rules for the refurbishment of such building types. The findings prove that infrared reflective wall paint can decrease heat losses by 18% and up to 22% if comfort conditions are considered. Increasing energy savings can also cause the negative effect of high radiative asymmetry. Thus, each configuration must be observed in detail.
Die Akzeptanz unter Bewohnern und Bewohnerinnen gewinnt bei hoch komplexen, technisch anspruchsvollen energetischen Sanierungen als „Innovationsmotor“ zunehmend an Relevanz. Der Beitrag basiert auf zwei Fallstudien zur partizipativen Nutzereinbindung bei energetischen Sanierungen im genossenschaftlichen Wohnbau historischer Stadtquartiere in Regensburg. Neben einer sozialverträglichen Sanierung wurde jeweils ein hohes Maß an Energieeffizienz bei den technischen Lösungen ange-strebt. Haushaltsbefragungen und qualitative Interviews zeigen die hohe Akzeptanz von Sanierungsmaßnahmen, sofern die Senkung der Energiekosten die erhöhte Miete kompensiert. Abschließend werden Akzeptanzfaktoren wie Partizipation, Vertrauen, Sozialverträglichkeit und Autarkie erörtert.
Im Alter nimmt das Quartier aufgrund geringerer Aktionsradien an Bedeutung zu. Der Beitrag befasst sich mit der Frage, welche Besonderheiten sich bei Senioren-Haushalten im Hinblick auf Wohnen und soziale Teilhabe zeigen. Aus dem Projekt MAGGIE werden Ergebnisse einer schriftlichen Haushaltsbefragung (N=195) in der Wohngenossenschaft Margaretenau Regensburg dargestellt. Hierbei wird auf die aktuelle und zukünftige Wohnsituation, den Veränderungsbedarf, den Wunsch nach Gemeinschaftsangeboten und die soziale Einbettung eingegangen. Es zeigt sich eine geringe Veränderungsbereitschaft und ein überdurchschnittlich hohes Maß an lokalem Sozialkapital. Am Ende werden Schlussfolgerungen für das Sanierungs- und Quartiersmanagement gezogen.
Wireless sensor networks are widely used for environmental monitoring in remote areas. They are mainly composed of wireless sensor nodes, usually powered by batteries with limited capacity, but are expected to communicate in long range and operate for extended time periods. To overcome these limitations, many energy harvesting techniques are proposed to power wireless nodes for prolonged operation, whereas multihop techniques are utilized to extend the communication range. In this paper, a novel floating device with multisource energy harvesting technology that can be used as a wireless sensor node is proposed. The long range communication between wireless sensor nodes and a gateway is established through LoRa technology. In addition to conventional solar panels, an energy harvesting technique based on thermoelectric generators exploiting thermal differences created between water surface and materials exposed to sunlight is proposed. Energy generated from photovoltaic and thermoelectric generators is combined to power the wireless sensor node. This floating device consumes 6.6216 Wh per day when used as a wireless sensor node for the collection and transmission of environmental data. The sensor node can operate on a water surface for at least 9.6 days when it is not exposed to sunlight. During a sunny day, the floating device can harvest 8.375 Wh from solar panels and 0.425 Wh from thermoelectric generation. In other words, the floating device harvests sufficient energy to be self-sustaining during sunny days.
FMS-Berichte (Mai 2021)
(2021)
Dieser Bericht entstand auf Initiative der Studierenden des 2020 neu gegründeten Masterstudiengangs „Elektro- und Informationstechnik (MEI)“, die an der Pflichtlehrveranstaltung „Forschungsmethoden und Seminar (FMS)“ im Wintersemester 2020/21 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.