Energie und Mobilität
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Solar energy represents a clean, natural and sustainable source of energy. Solar photovoltaic panels can be installed on roofs of structures or in the ground. This contribution focusses on ground-mounted systems, which are presently widely implemented. At present limited guidelines on the design of solar ground-mounted structures are available. Usually standards for the design of normal buildings are applied. However, the design of ground-mounted structures significantly differs from common structural design by: (1) a lower design lifetime (20-25 years) is accepted; (2) failure is not associated with the loss of human life; (3) resistance uncertainties need due attention; (4) uplift wind forces dominating structural reliability are associated with a large scatter. That is why the reliability analysis and optimal design of ground-mounted solar systems is investigated herein. The failure costs and especially their ratio to the initial costs are analyzed considering the data provided from the industry. Probabilistic reliability analyses are carried out and optimum design levels are computed for representative cost ratios. The optimal target reliability depends on the ratio between failure and initial costs; reliability index of 3.5 corresponds to a reasonable cost ratio of 10.
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.
Tire model TMeasy
(2007)
This paper describes the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling analyses, as it was applied in the ‘low frequency tire models’ section of the research programme tire model performance test (TMPT). Despite more or less weak testing input data, the effort for the application of TMeasy remains limited due to its consequent ‘easy to use’ orientation. One particular feature of TMeasy is the wide physical meaning of its smart parameter set, which allows to sustain the identification process even under uncertain conditions. After a general introduction, the modelling concept of TMeasy is compactly described in this paper. Taking the standard tire interface (STI) to multibody simulation system (MBS) software into account, the way to apply TMeasy is briefly shown. This includes three selected examples of application. The final comments of the authors on TMPT describe the experiences and earnings received during the participation in that programme.
In der Automobilindustrie ist neben der Elektromobilität und dem Leichtbau auch das Gebiet der Fahrerassistenz ein Zukunftsfeld. Speziell Fahrerassistenzsysteme, wie z.B. der Stauassistent, sind in Hinblick auf das autonome Fahren als dessen Vorstufe zu sehen. Aktuelle Assistenzfunktionen basieren auf der Präsenz des Fahrers. Die Fahrerassistenzsysteme sind nur durch Funktionen der Elektrik/Elektronik ermöglicht worden. Durch Maßnahmen der "Funktionalen Sicherheit" müssen Risiken, die durch Fehler der Elektrik/Elektronik zu Gefahren führen könnten, unter eine akzeptierte Grenze gesenkt werden. Die Diskussion über die gesetzlichen Grundlagen für das autonome Fahren ist erst am Anfang des öffentlichen Interesses. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, die Notwendigkeit der Anpassung der bestehenden normativen Anforderungen zur funktionalen Sicherheit in die Diskussion mit einzubeziehen. Im ersten Ansatz wird in diesem Paper untersucht, ob von anderen Anwendungen mit automatisiertem Fahrbetrieb, wie er bei Schienenfahrzeugen realisiert ist, Ableitungen möglich sind. Im zweiten Ansatzpunkt wird konkret unter dem Gesichtspunkt des autonomen Fahrens zum Automobil auf die Gefahren-und Risikoanalyse, gemäß ISO 26262 Teil 3 eingegangen. Im Rahmen dieser Diskussion werden die drei Bewertungskriterien der Gefahren- und Risikoanalyse (severity, probability of exposure and controllability) im Paper beleuchtet. Es wird gezeigt, dass für autonomes Fahren ein zusätzliches Bewertungskriterium der Situationskomplexität sinnvoll ist, das das Umfeld einbezieht. Denn die Kontrollierbarkeit ist auf den Fahrer bezogen. Bei dem neuen Kriterium werden unter anderem der Einfluss durch die Verkehrsdichte sowie die Car-2-Car Kommunikation oder auch Fehler bzw. Ausfälle in der Car-2-X Kommunikation (zur Infrastruktur) berücksichtigt.
In the forming tools for pressing car body parts, heavy blankholders are used to prevent buckling and wrinkling of the blank. During each press cycle, those large masses need to be lifted, raising thereby the structural dynamic load on the forming tool and on the press. Therefore a detailed knowledge about the forming tool dynamics is essential for an accurate and robust design of forming tools. In this paper, a dynamic finite element method (FEM) simulation of selected automotive forming tool is presented enabling identification of regions of critical stresses. For validation of the simulation results, the kinematic responses of the tool's components are compared with the measurements obtained in an experiment.
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. The present paper describes the general approach of the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling simulation and its enhancement for bore torque simulation in Version TMeasy 5. A parameter fitting process realized by TESIS DYNAware and the validation of real tire behavior by simulation with DYNA4 is presented. Even with first guess parameters, the TMeasy tire model behaves in a realistic and plausible manner. Parameter estimation is intuitive and datasets from previous model versions can be easily migrated. After parameter fitting, the simulation results correlate well with both the tire test rig and full vehicle measurements. The enhancement of a three-dimensional slip calculation in the latest version does not modify the model behavior for high slip conditions, but improves the results not only for highly dynamic situations but also for low speed maneuvers such as parking.
Festbettspeicher bieten die Möglichkeit, thermische Energie auf einem hohen Temperaturniveau zu speichern. Die oft kugelförmigen Schüttgüter bestehen aus Materialien hoher Dichte und Wärmekapazität. Neben der Wärmespeicherung können mithilfe dieser Schüttungen partikelbeladene Abgase entstaubt werden. Die Strömungs-, Wärmetransport- und Entstaubungsvorgänge bei der Speicherung von Wärme in einem Schüttschichtwärmeübertrager werden in Zusammenarbeit mit Fraunhofer Umsicht, Institutsteil Sulzbach-Rosenberg, untersucht. Einen entscheidenden Aspekt der Arbeiten stellt die numerische Simulation der im Wärmeübertrager ablaufenden Vorgänge dar. Die transiente Simulation von Schüttschichtwärmeübertragern ist nur mit Vereinfachungen möglich, da aufgrund der komplexen Geometrie und der daraus folgenden feinen Vernetzung eine enorme Rechenleistung benötigt wird. Bei den in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnissen werden die physikalischen Vorgange in einem Ausschnitt der Schüttschicht simuliert, in dem die Kugelgeometrie detailliert modelliert ist. Die Ergebnisse der numerischen Simulation werden durch analytische Berechnungen aus der Literatur bestätigt. Eine Reihe von Parametervariationen zeigen die Einflüsse verschiedener Größen beispielsweise auf den Druckverlust sowie den Unterschied zwischen radialer und axialer Durchströmung einer Schüttschicht. Die Entstaubung partikelbeladener Gase innerhalb einer Schüttschicht wird zunächst anhand einer Einzelkugel untersucht; die Erweiterung auf die Entstaubung in einer Kugelpackung ist vorgesehen. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen sollen mit den an einem Versuchsstand experimentell bestimmten Daten verglichen werden.
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.
In this technical report, (1) the benefits of the new technology for future energy supply are discussed, (2) the climate protection effect of wind gas is discussed, and (3) a reasonable use of wind energy for gas generation is analyzed. In particular, windgas in the heat market is discussed in the utilization cascade of wind energy. The new "power-to-gas" concept opens up completely new possibilities for the integration of renewable energies and for coupling the electricity and gas grids. The Sabatier process, which has been known for 100 years, was first developed for this purpose in 2008 under the leadership of the Center for Solar Energy and Hydrogen Research and Fraunhofer IWES (formerly ISET) with electrolysis to create the "power-to-gas" concept for energy storage. A first pilot plant was built by ZSW Stuttgart on behalf of SolarFuel in 2009. This plant proves the technical feasibility of the new technology. Renewable gas is stored, transported and used as required as control and reserve energy via reconversion, e.g. in combined cycle power plants. In this way, decentrally generated renewable electricity is converted into a CO2 -neutral energy carrier with high energy density. The key advantage of renewable methane is the use of existing infrastructure such as gas grids, gas storage and end-use equipment for the integration of renewable energy. Technologies for natural gas are state of the art and commercially available. Methane also has three times the energy density of hydrogen.
Wie groß ist der Speicherbedarf in Deutschland in der weiteren Umsetzung der Energiewende? Welche Rolle spielen Batteriespeicher, Pumpspeicher, Power-to-Gas etc. im Kontext anderer Flexibilitätsoptionen auf den verschiedenen Netzebenen? Wie entwickelt sich der Markt für Batterien und Wasserstoff? In unserer Agora-Speicherstudie haben wir auch erstmalig den Begriff Power-to-X definiert und damit die bis dato entstandenen Begriffe Power-to-Gas, Power-to-Liquids, Power-to-Products, Power-to-Chemicals etc. zusammengefasst.
Effects of Quality Control on Reliability of Reinforced Concrete Structures according to Eurocodes
(2016)
The effect of quality control on structural reliability represents an increasingly important concern of designers and thus is investigated in this contribution, focusing on reinforced concrete structures. Recent European documents for structural design – Eurocodes, fib Model Code 2010 and ISO 2394:2015 for general principles on structural reliability indicate that the partial factors may be adjusted to available information on the quality control of structures. In particular, the partial factors for concrete and steel strength may be significantly reduced taking into account actual execution quality and related available data. Using probabilistic methods of structural reliability, effects for execution quality are investigated in this contribution considering two fundamental reinforced concrete members: a beam (or slab) exposed to bending and a short column exposed to compression. It is shown that the reliability of reinforced concrete members may vary with the load ratio of variable and permanent actions. It appears also that the structural members of a basic quality, designed using unreduced partial factors, have a greater reliability level than the members of an increased quality, designed using the partial factors reduced according to EN 1992 1 1. This provides the basis for recommendations for further code developments.
This paper proposes the possible switching synchronization strategies of an automotive dual-inverter against the background of minimizing the RMS DC-link capacitor current. The publication mainly focuses on the straight-ahead motion of a rear axle with one electric drive per wheel. In addition to it, a dual-inverter consisting of two subinverters with a common DC-link capacitor is taken into consideration. These sub-inverters each have three phases and are based on a 2-level voltage-source-topology. To control the electrical machines, the continuous Space-Vector-Modulation strategy is used. For this application, different control signal synchronization strategies of the two sub-inverters of the dualinverter are presented. Apart from the existing strategies, this paper proposes a new method, which inherits a compromise between low complexity and high effectiveness. In contrast to previous publications, the resulting capacitor currents are quantified and subsequentlyevaluated. This novel quantification, which is dependent on the dual-inverter’s operating point, provides a base for targeted dimensioning of the capacitor. Moreover, this forms the foundation for further investigations of vehicle’s cornering, as well as for the possible synchronization of stand-alone inverters. In the context of this publication, the presented results are verified by experimentally determined data of a motor-inverter system.
Im Rahmen des Projektes C/sells wurden mehrere Mittelspannungsnetze modelliert, um die aktuellen Spannungsverhältnisse und Leitungsauslastungen nachbilden zu können. Zudem wurden, angelehnt an den Netzentwicklungsplan, Szenarien für den zukünftigen PV-Zubau und die potenzielle Entwicklung der Elektromobilität entworfen. Auf Basis der Ergebnisse lässt sich eine Netzanalyse hinsichtlich Spannungs- und Stromgrenzwertüberschreitungen sowie zu deren potenziellen Auftrittszeitpunkten und Auftrittsdauern durchführen. Parallel wurde anhand von Sensitivitätsanalysen untersucht, welche Wirksamkeit Flexibilitätseinsätze an den verschiedenen Netzknoten auf den Engpass haben. Dadurch kann bestimmt werden, wie effektiv die verfügbaren, in der Regel örtlich gebundenen Flexibilitätsanbieter eingesetzt werden können. Da die Sensitivitäten arbeitspunktabhängig sind, wurden verschiedene Zeitpunkte im Jahresverlauf berechnet und die jeweilige Änderungen der Wirksamkeit ausgewertet. Neben der Höhe der Leistungsabweichung wurde die Flexibilitätsanforderung auch anhand der Einsatzzeitpunkte und Einsatzdauer sowie anhand der Häufigkeit der nötigen Flexibilitätseinsätze charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll abgeleitet werden, inwiefern sich der flexible Einsatz der Verbrauchsanlagen in der Netzplanung verankern lässt. Besonders relevant ist deshalb, mit welcher Verlässlichkeit die Flexibilität abgerufen werden kann. Eine sehr hohe Verlässlichkeit lässt sich je nach Flexibilitätsanbieter möglicherweise nicht oder nur zu sehr hohen Preisen gewährleisten. Die Eignung der Flexibilitätseinsätze wird somit sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht bewertet. Da eine vollständige Verlässlichkeit ohnehin nicht sichergestellt werden kann (technische Störungen einer Anlage, Wettereinflüsse, etc.), werden auch Fallback-Strategien, z. B. Einspeisespitzenkappung, in die Analyse einbezogen.
In Zusammenarbeit mit den Kreiswerken Cham wurde an der OTH Regensburg das Trinkwasserversorgungsgebiet mit allen relevanten Pumpen und Hochbehältern nachgebildet. Mithilfe des Modells kann die aktuelle, füllstandgesteuerte Betriebsweise unter Einhaltung der Randbedingungen (Grenzwerte der Behälterfüllstände, elektrische Verschaltung der Pumpen) simuliert werden. Daraus lässt sich auch das gesicherte, für die Netzplanung geeignete Flexibilitätspotenzial anhand der Leistungsabweichung gegenüber dem regulären Fahrplan, der Einsatzdauer, dem Einsatzzeitpunkt und der Pause zwischen den Flexibilitätsabrufen charakterisieren. In einem Feldversuch wurde vordergründig untersucht, inwiefern der Einsatz von Flexibilität in der Trinkwasserversorgung technisch umsetzbar ist.
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.
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.
Green hydrogen via renewable powered electrolysis has a high relevance in decarbonization and supply security. Achieving economically competitive hydrogen production costs is a major challenge in times of an energy price crisis. Our objective is to show the economically optimal installed capacity of electrolysers in relation to wind and solar power so swift and credible statements can be made regarding the system design. The ratio between renewable generation and electrolysis power as well as scaling effects, operating behaviour and development of costs are considered. Hydrogen production costs are calculated for four exemplary real PV and wind sites and different ratios of electrolysis to renewable power for the year 2020. The ideal ratio for PV systems is between 14% and 73% and for wind between 3.3% and 143% for low and high full load hours. The lowest hydrogen production costs are identified at 2.53 €/kg for 50 MW wind power and 72 MW electrolysis power. The results provide plant constructors the possibility to create a cost-optimized design via an optimum ratio of electrolysis to renewable capacity. Therefore, the procedures for planning and dimensioning of selected systems can be drastically simplified.
A Theoretical Comparison of Different Virtual Synchronous Generator Implementations on Inverters
(2022)
The goal to overcome the global climate crisis leads to a rising demand for the usage of Renewable Energy Sources (RES). Decentralized control strategies are needed to allow the integration of RES into the grid. The Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed as a method to add virtual inertia to the grid by emulating the rotating mass of a Synchronous Generator (SG) on the control algorithm of an inverter. This paper presents the VSG control structure as well as the mathematical description in a unified form. Due to the fact that classical droop control can be seen as a special form of the VSG, their correlation is highlighted by evaluating the steady state output characteristics of the inverter. Furthermore, a theoretical comparison between different VSG topologies, including the VISMA-Method 2 and the synchronverter, is given. In order to achieve better voltage stability, principles to add virtual impedance to the inverter's output are described.
Due to the very high fossil energy demand, the glass industry is looking for innovative approaches for the reduction of CO2 emissions and the integration of renewable energy sources. In this paper, we present a novel power-to-gas concept, which has no impact on established melting processes and discuss it for this purpose. A special focus is set on the required CO2 capture from typical flue gases in the glass industry, as this process has not been investigated in detail yet. We used a process simulation approach to investigate post-combustion CO2 capture by absorption processes, followed by a techno-economic evaluation. Our investigations found the designed CO2 capture plant to be approx. 400 times smaller than absorption based CO2 separation processes for conventional power plants. Due to the many options for waste heat utilization, the waste heat required for CO2 desorption can be generated in a particularly efficient and cost-effective way. The resulting CO2 avoidance costs range between 41-42 €/t CO2, depending on waste heat utilization for desorption, and thus offer a cost effective way of CO2 removal from glass industry melting processes. These costs are well below the values of 50-65 €/t CO2 described so far for comparable industrial applications. In addition, we describe optimization options, like solvent and process improvements, to enable further cost reductions. These results motivate further research and development on the overall process presented in this work.