Dissertationen - Abstract

2021
Modellgestützte dynamische Untersuchung zum effizienten Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellensystemen

Bearbeiter:	Laura Nousch
Betreuer:	Prof. Dr. rer.nat. habil. Alexander Michaelis (Fraunhofer IKTS) Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann Dr.-Ing. habil. Matthias Jahn (Fraunhofer IKTS)

Abstract
Festoxid-Brennstoffzellen (engl.: Solid Oxide Fuel Cells, Abk.: SOFC) zeichnen sich durch
hohe elektrische Wirkungsgrade auch bei Teillast und eine große Brennstoffvielfalt aus. Im
Vergleich zu anderen Technologien der Kraft-Wärme-Kopplung- und reiner Stromerzeugung (wie z.B. Gasmotoren) weisen SOFC-Systeme heute noch einige Schwächen auf. Diese liegen in der langen, energieintensiven Aufheizphase, sowie der limitierten Teillastfähigkeit und dem damit einhergehenden mangelnden Lastfolgeverhalten begründet. Gleichzeitig ist die Anzahl thermischer Zyklen stark begrenzt, um die dadurch auftretende Leistungsdegradation zu minimieren. Gegenstand aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist der Ausgleich dieser Nachteile. Die vorliegende Arbeit liefert hierzu einen Beitrag.
Ziel dieser Arbeit ist es daher, das dynamische Verhalten von SOFC-Systemen im Hausenergiebereich (Leistungsklasse 1 kW_el) zu untersuchen. Es wird eine Methodik zur Erstellung verfahrenstechnischer SOFC-Systemmodelle in der Modellierungsumgebung Modelica erarbeitet. Die Modellierung und Simulation von verfahrenstechnischen Systemen mit thermisch stark gekoppelten Komponenten stellt dabei eine Herausforderung dar. Dass thermisch stark gekoppelte Hotbox-Systeme mit der Einführung einer „virtuellen Wärmekapazität“ gut nachgebildet werden können, wird in dieser Arbeit demonstriert. Mit den parametrierten und validierten Modellen können die dynamischen Effekte untersucht werden, die Aufschluss über relevante Fragestellungen der aktuellen Forschung und Entwicklung von SOFC-Systemen geben.
Vordergründig wird die Aufheizung und der Teillastbetrieb im Systemkontext betrachtet.
Für ein SOFC-System mit einer Hotbox-Ausführung kann das charakteristische Systemverhalten für einen weiten Leistungsbereich (600 bis 1150 W_el) durch die Simulation nachgewiesen werden. Die Komponenten- und Systemmodelle sind mit Messdaten validiert. Darüber hinaus wird das Systemverhalten mit einem degradierten Stack analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen betreffen die zu empfehlende Betriebsweise, das Systemkonzept und die Bauweise von künftigen SOFC-Systemen.
Die Jahressimulation von SOFC-Systemen für Hausenergieanwendungen zeigt, dass der
Hot Standby-Betrieb sehr zweckmäßig für den stromgeführten Betrieb in Verbindung mit
Batterien ist. Durch diese Betriebsweise sind viel geringere Batteriekapazitäten nötig, um
eine netzunabhängige Versorgung des Verbrauchers zu gewährleisten, ohne System-Abschaltungen und Leistungsdegradationen auf Grund von Thermozyklen in Kauf zu nehmen.

2019
Ein HPC-tauglicher Spektralelemente-Löser auf der Grundlage von statischer Kondensation und Mehrgittermethoden

Bearbeiter:	Lars Haupt
Betreuer:	Prof. Dr. Wolfgang E. Nagel Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz

Abstract
Die rechnergestützte Simulation physikalischer Prozesse ist ein fester Bestandteil im Alltag von Wissenschaftlern aus den unterschiedlichsten Wissensbereichen. Unabhängig davon, ob das Ziel die Vorhersage des Wetters von morgen, die Konzentrationsbestimmung von Fluidteilchen in Mischprozessen oder die Erschaffung von Werkstoffen mit optimalen Materialeigenschaften ist, ohne den Einsatz von leistungsfähigen Rechnern ist dieses Ziel nicht zu erreichen. Aus dieser inhärenten Kopplung lässt sich eine grundlegende Aussage bzgl. der Laufzeit durchzuführender Simulationen ableiten. Schnellere Rechentechnik reduziert automatisch die Laufzeit einer bereits bestehenden Simulation und somit auch die Wartezeit auf die potentiell zu erwartenden Erkenntnisse. Zeitgleich ist die so erreichte Reduktion der Berechnungszeit auch ein Maß für die mögliche Erhöhung des Detailgrades einer bestehenden Simulation und somit auch ein Indikator für den zusätzlich zu erwartenden Erkenntnisgewinn. Ein Blick auf die seit 1993 herausgegebene Top500-Liste der schnellsten Supercomputer zeigt ein annähernd gleichbleibend exponentielles Wachstum der Rechenleistung. Dieser durch eine Interpretation von „Moores-Law“ beschriebene Sachverhalt wird laut aktuellen Prognosen auch in den nächsten Jahren bestehen bleiben. Für die im Bereich der Simulation tätigen Wissenschaftler gleicht dies einem Versprechen, dass ohne deren Zutun auch in Zukunft mit stetig kürzeren Simulationszeiten zu rechnen ist. Immer vorausgesetzt, es können genug finanzielle Mittel für die neue Hardware akquiriert werden. Doch dieser Schein trügt. Eine genauere Analyse der Entwicklung der Rechentechnik der letzten Jahre zeigt zwei maßgebliche Veränderungen. Zum einen stagniert die maximale Taktrate einer einzelnen CPU seit Erreichen der 4 GHz Grenze im Jahr 2004 und zum anderen wird, insbesondere seit der Einführung der ersten Dual Core CPU’s 2005, gesteigerte Rechenleistung fast gänzlich durch die Verwendung einer Vielzahl von Rechenkernen erreicht. Das aktuell mit mehr als zehn Millionen Rechenkernen an Position 1 der Top500-Liste geführte System TaihuLight (deu. Licht der Göttlichkeit) verdeutlicht die Dimensionen dieser Entwicklung. Die für dieses System in Aussicht gestellte maximale Rechenleistung von circa 125 Billiarden gleitkommaoperationen pro Sekunde, kann dabei nur von einer perfekt parallelisierten Simulationsrechnung erreicht werden. „Amdahls-Law“ zeigt jedoch, dass dieser perfekte Zustand, aufgrund von unvermeidlichen sequentiellen Abschnitten in den einzelnen im Programm verwendeten Algorithmen, nicht zu erreichen ist. Die genaue Abweichung vom vollparallelisierten Idealzustand wird dabei durch die sogenannte parallele Effizienz quantifiziert. Deren Wert muss hierbei per Definition zwischen Null und Eins liegen. Dem Paradigma „eine hohe parallele Effizienz ergibt eine hohe Rechenleistung und dies führt zur kürzestmöglichen Simulationslaufzeit“ folgend, wurden in den letzten Jahren die unterschiedlichsten Simulationsprogramme auf eben diese Effizienz getrimmt. In den meisten Fällen wurden hierfür Codes verwendet, die auf eine sehr lange Historie zurückgreifen, so dass alte bestehende Strukturen und Algorithmen unabhängig von deren wirklicher Eignung parallelisiert wurden. Diese Entwicklung führt jedoch mehr und mehr dazu, dass die Entwickler den Blick für die Vielseitigkeit der Faktoren, die zu einer akzeptablen Simulationslaufzeit führen, verlieren. Werden zum Beispiel Methoden niederer Ordnung, wie dies etwa bei den Standard Finite-Differenzen-Verfahren der Fall ist, zur Diskretisierung des Simulationsgebietes eingesetzt, steigt die Zahl der für kleine Lösungsfehler benötigten Gitterpunkte so schnell an, dass jedweder Arbeitsspeicher vor Erreichen der benötigten Genauigkeit aufgebraucht ist. Im Gegensatz dazu sind Methoden höherer Ordnung, wie dies etwa bei den Standard Finite-Elemente-Verfahren der Fall ist, aufgrund ihrer suboptimalen numerischen Komplexität kaum besser geeignet. Ein ähnliches Bild ergibt sich bei den Algorithmen, mit denen die Gleichungssysteme in den einzelnen Simulationsschritten gelöst werden. Stellvertretend sei hier das Jacobi-Verfahren genannt, welches sich zwar durch eine parallele Effizienz nahe Eins auszeichnet, jedoch zum einen eine nicht optimale quadratische numerische Komplexität und zum anderen eine von der Auflösung des Simulationsgitters abhängige maximale Iterationszahl besitzt. Sofern die Anwender der etablierten Simulationsprogramme keine Kosten für den Zugang zu Hochleistungsrechnern zu erwarten haben und diese Rechner immer wieder massiv ausgebaut werden, stellen die genannten Einschränkungen fürs Erste nur bedingt ein Problem dar. Denn, eine Simulation die nach Hinzunahme einer bestimmten Zahl von Rechenkernen um annähernd diesen Faktor beschleunigt wird ist etwas Ausgezeichnetes. Werden den Anwendern jedoch, wie bereits von immer mehr Universitätsrechenzentren diskutiert und in der Industrie bereits gängige Praxis, die Kosten für den Energieverbrauch in Rechnung gestellt, ergibt sich ein gänzlich anderes Bild. Ein Bild, in dem der Effizienz, die die angewandten Methoden bzw. die eingesetzten Algorithmen erreichen, die größte Bedeutung zufällt. Die Effizienz einer Methode wird hierbei ungenauerweise oft nur anhand deren Implementierung als Algorithmus bestimmt. Jedoch kann eine effizient implementierte Methode mit numerisch ungünstigen Eigenschaften einer nicht effizient implementierten Methode mit numerisch optimalen Eigenschaften deutlich unterlegen sein. Demnach ist es offensichtlich, dass nur für eine effizient implementierte Methode mit optimalen numerischen Eigenschaften die kürzestmögliche Simulationslaufzeit erreicht werden kann. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt deshalb zu allererst auf dem Nachweis der optimalen numerisch/mathematischen Eigenschaften der entwickelten Methode. Diese Eigenschaften sind: lineare numerische Komplexität, Robustheit des Verfahrens gegenüber Gitterverfeinerungen im Simulationsgebiet und eine bisher unerreichte Konvergenzrate. Abschließend wird zusätzlich die Eignung der Methoden bzgl. deren Verwendung auf aktuellen Hochleistungsrechnern unter Verwendung von Zehntausenden von Rechenkernen belegt und auch deren effiziente Implementierung bzw. Umsetzung dargelegt. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung effizienter mathematischer Methoden zur numerischen Simulation von physikalischen Prozessen und deren hochskalierende Implementierung auf Hochleistungsrechnern. Unter allen denkbaren Aufgabenstellungen zählen hierbei insbesondere diejenigen zu den herausforderndsten, die der Strömungsmechanik zugeordnet sind. Besonders die direkte numerische Simulation (DNS), welche zur Analyse von turbulenten Strömungsphänomenen eingesetzt wird, stellt hierbei höchste Ansprüche an die eingesetzten numerischen Verfahren. Die Entwicklung und Umsetzung der im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Methoden ist deshalb auf die Anwendung im Rahmen der turbulenten Strömungssimulation ausgerichtet. Diese Fokussierung dient jedoch allein dem Beleg der Leistungsfähigkeit und stellt keine prinzipielle Einschränkung der Methode dar.

Zur Analyse der thermischen Behaglichkeit unter instationären Raumtemperaturbedingungen im winterlichen Heizfall

Bearbeiter:	Alexander Buchheim
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel - TU Berlin

Abstract
Die zeitliche und leistungsbezogene Entkopplung von Wärmebereitstellung und -anforderung zur Konditionierung der thermischen Verhältnisse in Gebäuden stellt einen wichtigen Aspekt auf dem Weg zu einer energieeffizienten und ökologisch nachhaltigen Energieversorgung dar. Neben der zeitlichen Flexibilisierung der Betriebsweise von gebäudetechnischen Anlagen und der Nutzung der thermischen Speicherfähigkeit von Gebäudemassen kann hierbei auch eine kontrollierte Absenkung oder Anhebung der Raumtemperatur während der Anwesenheit der Raumnutzer ein potentielles Instrument des „Lastmanagements“ darstellen.
Innerhalb der vorliegenden Arbeit werden mithilfe umfangreicher Probandenuntersuchungen die Auswirkungen von instationären thermischen Umgebungsbedingungen auf die thermische Behaglichkeit untersucht und bewertet. Dabei werden verschiedene wärmephysiologische Bewertungsgrößen während der Untersuchungen in einem Klimaraum erfasst, der durch ein definiertes und reproduzierbares Innenraumklima gekennzeichnet ist. Innerhalb der Auswertung der durchgeführten Untersuchungen wird daneben eine inhaltliche Verknüpfung zu etablierten Bewertungsmethoden hergestellt, um eine Referenzierung der eigenen Ergebnisse sowie eine Erweiterung der bestehenden Werkzeuge zu erreichen.
Grundsätzlich zeigen sich gute Übereinstimmungen zwischen den im instationären Innenraumklima dokumentierten Daten und dem etablierten PMV-Index hinsichtlich der Bewertung der thermischen Empfindung, so dass hier eine erweiterte Nutzung empfohlen wird. Demgegenüber stehen teilweise gravierende Abweichungen hinsichtlich der Prognose der Annehmbarkeit der thermischen Umgebungsbedingungen: Während ein ’warm’ empfundenes Innenraumklima kaum Ablehnung innerhalb der Stichprobe nach sich zieht, ist im ’kühl’ empfundenen Innenraumklima ein deutlicher Anstieg des Anteils Unzufriedener zu konstatieren. Zudem ergeben die vorliegenden Ergebnisse, dass die innerhalb der Untersuchungen durchgeführten Aufheizphasen generell die thermische Behaglichkeit in geringerem Maße beeinträchtigen als dies aufgrund vergleichbarer Absenkphasen der Fall ist. Darüber hinaus ist aus den Untersuchungsergebnissen zu schließen, dass die Unsicherheit der wärmephysiologischen Bewertung eines instationären Innenraumklimas mit Hilfe von über eine größere Anzahl von Personen gemittelte Kenngrößen in ’kühl’ empfundenen Innenräumen zunimmt. Eine solche Vorgehensweise ist lediglich für ein ’neutral’ oder ’warm’ empfundenes Innenraumklima zu empfehlen.
Im Hinblick auf die erzielten Ergebnisse lässt sich bezüglich des Einsatzes einer zeitlich variablen Beheizung von Innenräumen festhalten, dass eine Aufheizphase, die zur temporären Überheizung des Innenraumes führt eine aus wärmephysiologischer Sicht unkritische Art der Umsetzung eines instationären Innenraumklimas darstellt. Demgegenüber sind Absenkphasen sowie eine Unterschreitung der unter stationären Bedingungen vom Nutzer akzeptierten Raumtemperatur aufgrund unsicherer Prognose und sensitiver Bewertung des Innenraumklimas nicht zu empfehlen. Eine Überführung der unter laborähnlichen Bedingungen gewonnenen Ergebnisse in ein praktisches Umfeld wird empfohlen, um die aufgezeigten Tendenzen in einer heterogenen und praxisnahen Umgebung weiter zu schärfen.

2018

Ein Beitrag zur energetischen Analyse von vernetzten Energiesystemen am Beispiel von Klein-KWK-Anlagen (virtueller Verbund)

Bearbeiter:	Paul Seidel
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann Prof. Dr.-Ing. D. Müller (RWTH Aachen)

Abstract
Die Energieversorgung in der Bundesrepublik Deutschland ist durch verschiedene Entwicklungen einem strukturellen Wandel ausgesetzt. Durch den verstärkten Einsatz von erneuerbaren Energien wandelt sich das bisherige zentrale Energiesystem im Rahmen der Energiewende in ein dezentrales flexibles Energiesystem mit einer hohen Anzahl an kleinteiligen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen. Für eine sichere und wirtschaftliche Energieversorgung ist es daher notwendig die Erzeugung, den Verbrauch und die Speicherung von Energie bei einer sehr hohen Anlagenanzahl zu koordinieren.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bewertung der Betriebsweisen von vernetzten Energiesystemen unter funktionellen und energetischen Gesichtspunkten am Beispiel von Klein-KWK-Anlagen im Wohngebäudebereich. Die ganzheitliche Analyse erfolgt in einer Kombination aus theoretischen Betrachtungen und der Praxiserprobung im Rahmen eines Feldtests.
Neben Grundlagenuntersuchungen zur dezentralen Datenaggregation für die Einsatzplanung, der Anlagen- und Datenverfügbarkeit sowie der Wirtschaftlichkeit der vernetzten Erzeugungsanlagen wird insbesondere auf energetische Aspekte in einer Gesamtsystembetrachtung eingegangen.

2013

Low-Ex-Fernwärme: Vergleichende Bewertung von Maßnahmen für eine effiziente, multifunktionale Fernwärmeversorgung

Bearbeiter:	Steffen Robbi
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann

Abstract
Vor dem Hintergrund zunehmender Wärmedämmmaßnahmen im Wohnungsbau, das heißt sinkender Heizlasten, und gleichzeitigem Bestreben nach Netzausbau und –verdichtung steht die Fernwärmeversorgung neuen Problemstellungen gegenüber. Es gilt Lösungsansätze für das Spannungsfeld niedriger Liniendichten, steigender Brennstoffpreise und der Forderung nach erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung zu entwickeln.
Die vorliegende Arbeit untersucht in einer vergleichenden Simulationsstudie diverse Fahrweisen der Fernwärmeversorgung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Befindet sich die Fernwärmevorlauftemperatur unter der aus Gründen des Legionellenschutzes notwendigen Temperatur der Trinkwassererwärmung, erfolgt eine dezentrale Nacherwärmung. Diese geschieht innerhalb der sogenannten LowEx-Fahrweise mittels elektrischen Heizstabs oder einem Wärmepumpen-Speicherladesystem mit Wärmequelle Fernwärme. Als Referenzsysteme finden die als Konventionelle-Fahrweise mit Speicherladesystem und die als Niedertemperatur-Fahrweise mit Wohnungsanschlussstation im Durchflussprinzip bezeichneten Betriebsweisen Anwendung.
Neben der Senkung der Netzwärmeverluste und ggf. einer Steigerung der Erzeugungswirkungsgrade ermöglicht die LowEx-Fahrweise die dezentrale Einspeisung von Abwärme oder erneuerbaren Energien bei effizientem Betrieb der Energiebereitstellungsanlagen. Das Fernwärmenetz dient damit der gekoppelten Wärmeversorgung und auch Wärmeentsorgung. Beispielhaft wird die Abwärmeeinspeisung von Klimakälteprozessen mit sowohl Kompressionskälteanlagen als auch Absorptionskältenlagen untersucht. Anhand Solarthermie wird das Für und Wider der Einspeisung erneuerbarer Energien hinsichtlich der Senkung des Primärenergiebedarfs und der Verdrängung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen diskutiert.
Die Analysen erfolgen mit Hilfe modifizierter und neu entwickelter Modelle in der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD.
 

2012

Untersuchung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen und deren Auswirkungen auf die Einsatzplanung von Wärmeerzeugern

Bearbeiter:	Sebastian Groß
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Prof. Dr.-Ing. habil.Achim Dittmann

Abstract
Fernwärme ist aufgrund der verstärkten Förderung der Bundesregierung in den letzten Jahren wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt. In Hinblick auf einen wirtschaftlich und energetisch effizienten Betrieb von Fernwärmesystemen ist nicht nur der Einsatz der Wärmeerzeuger mittels einer Einsatzplanung sorgfältig zu organisieren, sondern auch das Betriebsverhalten des Wärmeverteilnetzes selbst zu berücksichtigen. So führen ständig auftretende Änderungen der thermischen Last, der Vorlauftemperatur am Einspeisepunkt oder der Rücklauftemperaturen der Abnehmer zu instationären Betriebszuständen im Fernwärmenetz. Die damit verbundene zeitliche Entkopplung der zentralen Wärmeeinspeisung von der dezentralen Wärmeentnahme induziert eine Speicherung thermischer Energie in dem in den Rohrleitungen befindlichen Wasser und in den Rohren selbst. In den seltensten Fällen wird dieser Vorgang der Wärmespeicherung aktiv genutzt, er tritt vielmehr als eher unerwünschter Nebeneffekt auf. Bei Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge hingegen lässt sich das Fernwärmenetz durch zielgerichtete Steuerung der Vorlauftemperatur analog einem thermischen Heißwasserspeicher als Wärmespeicher nutzen. Dies ist wiederum für die Betriebs- und Gewinnoptimierung interessant, da so weitere Speicherkapazitäten nutzbar gemacht werden können, um Lastspitzen zu verschieben und KWK-Anlagen zu betreiben ohne zusätzliche Investitionen tätigen zu müssen.
In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, in der die Netzspeicherleistung mit Hilfe eines thermo-hydraulischen Simulationsprogrammes bestimmt wird, wobei dynamische Effekte wie die veränderliche Vorlauftemperaturen am Einspeisepunkt oder die stark schwankenden Lastanforderungen der Abnehmer in der Berechnungsmethodik realitätsnah abgebildet werden. Für eine aktive Nutzung des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher muss der Verlauf der Vorlauftemperatur an die jeweilig gewünschte Netzspeicherleistung angepasst werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein vereinfachter Funktionsansatz für die Netzspeicherleistung bestimmt, der zunächst mittels Regressionsanalyse aus den Ergebnissen gezielter thermo-hydraulischer Simulationen ermittelt und anschließend so in eine Einsatzplanung integriert wird, sodass die Vorlauftemperatur als zu optimierende Variable in die Gesamtoptimierung einfließt.
Anhand eines realen Anwendungsfalls werden die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Nutzung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen aufgezeigt. Insbesondere werden monetäre Gewinnpotentiale bei Anwendung der aktiv gesteuerten Netzspeicherung in durch KWK-Anlagen versorgten Fernwärmenetzen bei gleichzeitigem Stromhandel auf dem Spotmarkt abgeschätzt.

2010

Zur funktionellen, energetischen und wärmephysiologischen Bewertung der intermittierenden Betriebsweise von Heizungsanlagen

Bearbeiter:	Martin Knorr
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Richter, Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz

Abstract
Vorangetrieben durch die steigenden Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz steigt die Diskrepanz zwischen stationärer Heizlast und dem dynamischen Heizleistungsbedarf eines Gebäudes. In Verbindung mit Bestrebungen zur Energieeinsparung erlangt die Betrachtung der intermittierenden Betriebsweise von Heizungsanlagen somit zunehmende Bedeutung.
Die Dissertationsschrift befasst sich mit der Bewertung der intermittierenden Betriebsweise von Heizungsanlagen unter funktionellen, energetischen und wärmephysiologischen Gesichtspunkten. Neben Ausführungen zur  Bestimmung von Aufheizzeiten und Wiederaufheizleistungen sowie zu regelungstechnischen Verfahren wird insbesondere auf energetische Aspekte in einer Gesamtsystembetrachtung eingegangen.

2009

Habitilation: Ein Beitrag zur Einschätzung der energetischen und exergetischen
Einsparpotentiale von Regelverfahren in der Heizungstechnik

Bearbeiter:	Dr.-Ing. Joachim Seifert
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Richter, Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann, Prof. Dr.-Ing. B. W. Olesen

Abstract:
Energetische Einsparungen stehen bei technischen Anlagen durch die tendenziell steigenden Preise für fossile Energien wieder vermehrt im Fokus der Betrachtungen. Besonderes Augenmerk wird in diesem Zusammenhang den technischen Anlagen im Gebäude geschenkt, da zu deren Beheizung ein großer Teil des Gesamtenergieaufkommens eingesetzt wird.
Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich daher schwerpunktmäßig mit regelungstechnischen Fragestellungen die zu einer energetischen Reduktion bei der Gebäudebeheizung beitragen können. Mittels einer numerischen Gebäude und Anlagensimulation werden praxisnahe Anlagenkonzepte in ihrer Gesamtheit mit verschiedenen Methoden (energetisch / exergetisch / wärmephysiologisch) bewertet.

Zur Energieeinsparung in Heizungsanlagen durch den hydraulischen Abgleich

Bearbeiter:	Gero Guzek
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Richter, Prof. Dr.-Ing. Rainer Agsten

Abstract:
Im Zusammenhang mit einer bedarfsgerechten Wärmeverteilung wird dem hydraulischen Abgleich eine Schlüsselrolle zugewiesen. Konkrete Kenntnisse über die energetischen Folgen eines fehlenden hydraulischen Abgleichs liegen momentan nur partiell vor. Dies betrifft insbesondere Kennzahlen, welche die energetischen Mehraufwendungen eines nicht abgeglichenen Systems in der Abhängigkeit einer oder mehrerer Einflussgrößen quantifizieren, aber auch Mehraufwendungen, welche durch Kompensationsmaßnahmen des Nutzers bei zeitweiligen wärmephysiologischen Einschnitten zur Aufhebung dieser generiert werden müssen.

Beiträge zur optimalen Auslegung und Betriebsführung von Absorptions-Kältemaschinen im Systemverbund

Bearbeiter:	Lutz Dittmann
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Richter

Abstract:
Der geringe Wärmebedarf in den Sommermonaten und die zunehmende Gebäudeklimatisierung insbesondere in innerstädtischen Kerngebieten auch in Folge des unbestreitbaren Klimawandels wird Absorptions-Kältemaschinen weitere Einsatzchancen zur Erhöhung der Volllaststunden und damit der Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen erschließen. Dass diese besser als ihr Ruf sind, wurde in der Arbeit durch Auswertung von Messdatensätzen betriebener Anlagen und zahlreiche Simulationsrechnungen belegt. Obwohl es nicht das erklärte Ziel dieser Arbeit war, energetische bzw. wirtschaftliche Vergleiche zwischen Kompressions- und Absorptionskältemaschinen anzustellen, ist es nach Ansicht des Autors unerlässlich, dies vor dem Hintergrund der im Jahre 2002 eingeführten Energieeinsparverordnung aufzugreifen. Der Primärenergiefaktor stellt ein ausgezeichnetes Instrument dafür dar, Anlagen der Elektroenergie-Kälte- bzw. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung objektiv zu bewerten. Aus rein energetischer Sicht erweisen sich beide Varianten bei vielen Anlagenkombinationen als gleichwertig, jedoch besitzen AKM im Verbund mit hocheffektiven KWK-Anlagen (Stromkennziffern oberhalb ca. 0,7) deutliche Vorteile. Klima-Kälte-Systeme lassen sich nur wirtschaftlich betreiben, wenn ein Verbundbetrieb von Kälteanlage und -speicher realisiert werden kann. Zur Erhöhung der wirtschaftlichen Akzeptanz von AKM einerseits und Kälteverbundsystemen andererseits sind aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit und ähnlicher Veröffentlichungen künftig klare Konzepte für Lastmanagement und Anlagenstruktur zu entwickeln, mit denen energetische Einsparpotenziale vor allem durch gleitende Steuerung und Regelung der Kalt- und Kühlwassertemperaturen erschließbar sind.

Online-Alterungsdiagnose und belastungsabhängige Lebensdauerprognose von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen

Bearbeiter:	Konstantin Jonas
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann

Abstract:
Brennstoffzellensysteme stellen eine "Schwellentechnologie" für eine CO2–neutrale Energieversorgung mit hoher Energieeffizienz dar. Polymerelektrolytzellen sind im dezentralen KWK-Bereich und mobilen Einsatz künftig Chancen zuzubilligen.
Die sichere Detektierung relevanter Alterungseffekte ist von entscheidender Bedeutung für die Abschätzung der Lebensdauer einerseits und der Festlegung von Serviceintervallen und Energiemanagement-Strategien andererseits.
Ausdruck der Alterung sind Spannungsverluste, deren Ursachen der Autor theoretisch wie praktisch analysiert.
Mit dem entwickelten Rechenprogramm (Matlab) sollen aus Messdaten die  Parameter für die Schädigungsursachen identifiziert werden. Der praktische Nachweis gelingt mit Messdaten eines 8-monatigen Lebensdauertests, der im Rahmen eines europäischen Projektes durchgeführt wurde. Darüber hinaus wird die Anwendung des Modells zur Lebensdauerprognose demonstriert.
 

2007

Erdgasbedarf unterschiedlicher Energieversorgungssysteme für Einfamilienhäuser mit Fußbodenheizungg

Bearbeiter:	Peter Göricke
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Ein Beitrag zur Entscheidung über die effektivsten haustechnischen Maßnahmen zur Verminderung des Primärenergiebedarfs im Gebäudesektor

Der Gebäudesektor bietet mit seinem Bedarf an Niedertemperaturwärme für Heizung und Warmwasser große Chancen zur Verminderung von Primärenergieverbrauch und CO2-Emissionen. Während allgemein dem baulichen Wärmeschutz besonders große Bedeutung zugemessen wird, werden die technischen Möglichkeiten unterschätzt, die Wärme thermodynamisch effektiver bereitzustellen als mit konventionellen Verbrennungssystemen.
Auch zur Versorgung von Einfamilienhäusern wird häufig die Kraft-Wärme-Kopplung vorgeschlagen, weil sie bei der simplifizierten Wirkungsgradbetrachtung große Vorteile zu bieten scheint. Eine ebenfalls deutlich bessere Lösung stellt auch die Wärmepumpe in unterschiedlicher technischer Ausprägung dar, weltweit wird sie bereits in großen Stückzahlen eingesetzt.
Eine theoretische Betrachtung ist der einzig wirklichkeitsnahe Weg, die Systeme untereinander sowie mit den konventionellen Kesseln zu vergleichen. In der Arbeit werden abhängig einer Vielzahl von Einflussgrößen die energetischen Ergebnisse der beiden Systeme ermit-telt, für die KWK steht exemplarisch die Brennstoffzelle. Entsprechend der Aufgabenstellung wird nahezu der gesamte Nutzenergiebedarf eines Einfamilienhauses in Stundenwerten einbezogen, Wärme für Raumheizung und Warmwasserbereitung und zusätzlich Strom für Haushalt sowie Hilfs- und Nebenantriebe der Haustechnik. Um die thermodynamisch bedingten Unterschiede deutlich herauszuarbeiten werden alle Systeme mit demselben Endenergieträger, Erdgas, betrieben.
 

Beitrag zur thermodynamischen Analyse und Bewertung von Wasserwärmespeichern in Energieumwandlungsketten

Bearbeiter:	Robert Huhn
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Wärmespeicher tragen bei optimierter Integration in Wärme- und Kälteversorgungsanlagen zur Reduzierung der zu installierenden Erzeugerleistung sowie zur Einsparung von Brennstoffeinsatz und Betriebskosten bei. Leider treten in Wärmespeichern oft noch beachtliche Verluste auf und das Potenzial zur Kosten- und Energieeinsparung wird nicht vollständig ausgeschöpft. Dabei spielen nicht nur Wärmeverluste an die Umgebung, sondern vor allem auch innere Verluste im Speicher eine Rolle.
Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit sind die Beschreibung der einzelnen Verluste an Wasserwärmespeichern, die Ermittlung ihrer Ausmaße abhängig von der konstruktiven Gestaltung und der Betriebsweise des Speichers sowie die Auswirkungen der Verluste auf einen vorgelagerten Wärmeerzeuger und den Einsatz von Primärenergie.
Die Ergebnisse basieren auf umfangreichen Speichermodellierungen mit dem CFD-Code Fluent sowie experimentellen Untersuchungen an drei Testspeichern. Der quantitative Vergleich der Verluste für ausgewählte Beispiele zeigt bestehende Defizite sowie die Potenziale für die Verbesserung der Konstruktion neuer Wasserwärmespeicher auf.

 

Bewertung und Optimierung oberflächennaher Erdwärmekollektoren für verschiedene Lastfälle

Bearbeiter:	Klaus Ramming
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Oberflächennahe Erdwärmekollektoren, insbesondere horizontale Erdwärmekollektoren, stellen eine wirtschaftlich und energetisch sinnvolle Wärmequellenanlage für Wärmepumpen dar. Auf Grund mangelnder wissenschaftlicher Untersuchungen in der Vergangenheit wurde deren Leistungsfähigkeit bisher jedoch kaum ausgenutzt. Des Weiteren fühlten sich die Planer bei der Auslegung oft unsicher, da es kaum verlässliche Auslegungsrichtlinien gab.
In dieser Arbeit werden ein numerisches und ein analytisches Rechenmodell vorgestellt, mit denen Jahresverläufe der charakteristischen Soletemperaturen und der Eisbildung realitätsnah simuliert werden können. Mit Hilfe dieser Rechenmodelle wurde unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bodentypen und Klimazonen die hydraulische und geometrische Auslegung anhand der Kriterien Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Umweltbeeinflussung bewertet, optimiert und Einsatzgrenzen klar ausgearbeitet. Daneben wurde auch die Auslegung für Kollektoren bei Spitzenlastnutzung und Sonderbauformen wie Grabenkollektoren und Erdwärmekörben untersucht.
 

2006

Drehzahlvariable Kleindampfturbine mit mechatronischer Kopplung an das elektrische Netz

Bearbeiter:	Jens Hampel
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Zu den Zielen des Umweltschutzes zählen sowohl die Verminderung der CO2 –Emission als auch die Schonung vorhandener, endlicher Primärenergiequellen, wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Um diese Ziele in ausreichendem Maße erfüllen zu können, ist es notwendig, vorhandene Energieressourcen so effizient wie möglich zu nutzen und den Einsatz regenerativer Energiequellen in geeignetem Maße zu forcieren. Eine anerkannt effiziente Möglichkeit der Umwandlung von Primärenergie in die einzelnen Energieformen Strom, Wärme und Kälte ist mit der Kraft–Wärme–Kopplung gegeben. Aufgrund der Liberalisierung der Energiemärkte ergeben sich allerdings ökonomische Hemmnisse für den Ausbau der KWK. Der hohe technische Standard führt besonders im kleinen Leistungsbereich zu vergleichsweise hohen Investitionskosten. Mit den technischen Neuerungen, welche in dieser Arbeit eingehend untersucht werden, soll ein Beitrag zur Senkung der Investitionskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Effizienz derartiger Anlagen mit Dampfturbinen geleistet werden.
Viel versprechend ist der Ansatz einer kompakten und kostengünstigen Anlage mit einer elektrischen Leistung von ca. 500 kWel. Kleine Leistungen bedeuten im Turbinenbau große Drehzahlen. Die hierdurch notwendigen mechanischen Getriebe führen zu hohen Kosten und einer starren Kopplung der Maschine an das elektrische Netz. Seit Jahren gibt es dem gegenüber Entwicklungen im Bereich der Frequenzumrichtertechnik hin zu Leistungen dieser Größenordnung. Daher ist es nahe liegend, die Übersetzung der Maschinen- auf die Netzfrequenz nicht mechanisch, sondern elektronisch zu realisieren und dabei entstehende Vorteile zu nutzen. Ziel des diese Arbeit begleitenden Projektes war die Entwicklung einer Anlagentechnik, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Dampfturbine kleiner Leistung direkt mit dem elektrischen Energiewandler mechanisch verbunden wird. Der Vorteil dieses Konzeptes ist die Entkopplung der mechanischen Turbinendrehzahl von der Frequenz des elektrischen Netzes. Bei hoher Drehzahl reduziert sich darüber hinaus das Bauvolumen des Generators, so dass eine kompakte Anlage zu erwarten ist.
Basierend auf der Entwicklung und dem Bau eines Funktionsmusters und dessen Eingliede-rung in ein bestehendes Heizwerk war es Ziel dieser Arbeit, den Freiheitsgrad Drehzahl optimal auszunutzen und damit den Betrieb der Anlagentechnik besonders im Teillastbereich zu optimieren. Das Wirkungsgradkennfeld der Anlage in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistung wurde an der errichteten Versuchanlage vermessen. Die Auswertung der gewonnenen Daten führte einerseits zur Bestimmung der Kennlinie am praktischen Beispiel und damit zum Vergleich mit den theoretischen Ergebnissen, anderseits zu einer Bewertung des Verhaltens der neuen Anlage.

2004

Untersuchungen zur Korrosion und zum Korrosionsschutz von Aluminiumlegierungen in Heiznetzsystemen

Bearbeiter:	Christiane Wetzel
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Auslöser der Arbeit waren Korrosionsprobleme in Fernheiznetzen, die auf den Einsatz von Aluminiumheizkörpern zurückzuführen waren. Diese Heizkörper wurden in nahezu ausschließlich aus Stahl bestehenden Heiznetzen eingebaut, wobei es besondere Hinweise und Richtlinien für diesen Einsatz nicht gab. Die für klassische Fernheiznetze bestehenden Vorschriften der AGFW und des TÜV gaben pH-Werte zwischen 9 ... 10 vor, die für Aluminium-Heizkörper nicht tolerierbar sind. Frau Wetzel hat sich dieser Problematik gestellt und in einem für Ingenieure der Energietechnik nicht alltäglichen Wissensgebiet eine solide Arbeit ausgeführt.
Die Arbeit enthält einen großen Anteil, der mit Kenntnisstand und Literaturauswertung überschrieben ist. Hier wird ein guter Überblick über die Problematik der Korrosion, des Korrosionsschutzes, der Adsorption und der Deckschichtbildung gegeben, der für den Maschinenbau-Ingenieur und Energiewirtschaftler sehr interessant und der Grundlagenbildung der Doktorandin sehr dienlich ist. Da man den Problemen der Mischinstallation nur wasserchemisch begegnen kann, sind die Wechselwirkungen von Inhibitoren und Grenzflächenaktivität von besonderem Interesse. Dabei stützt sich die Doktorandin insbesondere auf Gesetze der Benetzbarkeit von Oberflächen. Mit Hilfe der Freien Standard-Benetzungsenthalpie bzw. der Freien Standard-Adhäsionsenthalpie und deren Abhängigkeit von der Konzentration des In-hibitors hat Frau Wetzel eine Optimierung der Inhibitorkonzentration durchgeführt und im Versuch nachgewiesen, dass die Freie Benetzungsenthalpie ein Minimum  bei optimaler Konzentration des Inhibitors aufweist.
Im Interesse einer Nutzungsdauer der Aluminium-Heizkörper von mindestens 20 Jahren legt Frau Wetzel den Grenzwert für maximal zulässige Massenabtragsraten auf 300 mg/m2d für Aluminiumlegierungen fest, das entspricht einer maximalen Korrosionsrate von Kr=0,04 mm/a. Das ist bei Netzen ohne Inhibitoren und bei pH-Werten unter 8 zu erwarten. Bei höheren zu erwartenden Korrosionsraten muss eine Fremddeckschichtbildung durch Konditionierung angestrebt werden. Des weiteren ist eine möglichst geringe Salzlast im Wasser erforderlich.
Die Arbeit umfasst ca. 140 Seiten Text zuzüglich 18 Seiten Anlagen. Es wurden 147 Literaturstellen zitiert. Überzeugend ist die experimentelle Absicherung der theoretischen Ansätze. Es ist eine sehr fleißige und gründliche Arbeit als ein Baustein für die Praxis der Heizungs- und Fernwärmebranche entstanden. Die Arbeit ist gut formuliert. 70 Abbildungen sind in guter Qualität eingearbeitet und verdeutlichen die Aussagen.
 

Integration von Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Kraftwerksschaltungen

Bearbeiter:	Pedro Nehter
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Neben den vielfältigen Aktivitäten zur Brennstoffzellenentwicklung in den verschiedenen Leistungsbereichen:
    
-    Mini-Brennstoffzelle als Batterieersatz für elektronische Geräte
-    Brennstoffzelle im mobilen Sektor als Antriebsquelle für die Fortbewegung (Automobile, Schiffe, U-Boote)
-    Brennstoffzelle als heizkesselalternative im TGA-Bereich (1 bis 5 kWel)

war das Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk im Leistungsbereich 100 kW bis einige MW Ziel der Untersuchungen von Herrn Nehter. Das größte thermodynamische Potenzial ist bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen vorhanden (MCFC, SOFC), wobei die größten Erwartungen bei Brennstoffzellen mit oxidkeramischen Elektrolyten mit Prozesstemperaturen von 800 bis 1000 °C liegen. Der thermodynamische Gütegrad von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) liegt mit über 90 % weit über dem der Niedertemperatur-Brennstoffzellen (z. B. PEM-FC). Die SOFC gibt neben der elektrochemisch erzeugten Elektroenergie zusätzlich Exergie mit dem hochtemperierten Abgas ab, die in klassischen Kreisprozessen zu Elektroenergie gewandelt werden kann. Durch diese Kopplung der Brennstoffzelle mit dem Kreisprozess unter weiterer Berücksichtigung von Reformierung und Wärmeverschiebungen, Dampferzeugung für den Reforming-Prozess, Einsatz von Pumpen und Verdichtern werden komplizierte Konfigurationen geschaffen, deren Effizienznachweis und Optimierung ohne exakte computergestützte Kreislaufberechnung nicht möglich ist. Herr Nehter hatte deshalb die Aufgabe, unter Nutzung kommerzieller Software („Ebsilon“) und Schaffung noch nicht vorhandener Software-Module und deren Einbindung in „Ebsilon“ die Voraussetzung für Systemberechnungen und Systemoptimierungen zu schaffen, um kreative Schaltungsideen zu bewerten.
Der Doktorand hat als Voraussetzung der Kreislaufberechnungen mit Brennstoffzellen neue Simulationsmodelle geschaffen.
Eine zusätzlich erforderliche Leistung war die Schaffung der Grundlagen als Stoffwerteprogramme für den innovativen Alkalidampfprozess. Dieser Prozess wurde als Nachschaltprozess der SOFC gewählt, weil er als Dampfkreisprozess eine isotherme Wärmeauskopplung aus dem Stack durch Verdampfung des flüssigen Metalls und eine isotherme Ankopplung eines Wasserdampf-Nachschaltprozesses am Ende der thermodynamischen Wandlungskette ermöglicht, also einen dem Carnotprozess sehr nahe kommenden Kreisprozess. Bei Gaskreisprozessen (Joule-Prozesse) ist das nicht möglich. Deshalb müssen bei der klassischen Gaskühlung des Stacks durch Luftüberschuss unterschiedliche (steigende) Prozesstemperaturen entlang des Strömungsweges akzeptiert werden. Mit diesen neu geschaffenen Tools und der Standardsoftware „Ebsilon“ wurden dann verschiedene Systeme durchgerechnet. Lobend muss erwähnt werden, dass für alle Teilprozesse auch die exergetischen Verluste berechnet und auf den Schaltbildern sowie in den entsprechenden Tabellen ausgewiesen sind, so dass neben der Prozessberechnung auch eine Irreversibilitätsanalyse durchgeführt wurde. Die Bilanzen „freie Brennstoffenthalpie = erzeugte Arbeit + Exergieverluste“ (ΔG = Wel + ΣEV ) sind erfüllt, die Verlustquellen in ihrer Position (Anlagenelement), ihrer Größe und Bedeutung erkannt.
Herr Nehter hat sich trotz der enormen Arbeit des physikalisch-technischen Teils auch einer Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der beschriebenen Schaltungen gestellt. Er leitet aus bekannten Preisen für den traditionellen Anlagenumfang Kosten und Kostendegressionen ab, die durch Stückzahl und Einheitsleistungserhöhung begründet sind. Auch für den innovativen Teil (Stackkosten) leitet er Forderungen zur Kostensenkung ab, die nicht nur durch die höhere Stückzahl und Einheitsleistung, sondern auch noch durch erhebliche technologische Entwicklung erbracht werden müssen. Es ist interessant, dass zur Kostenreduzierung auch eine Effizienzminderung durch größere Leistungsdichten in Betracht kommen kann, was die Effizienzverbesserung dieser technologischen Neuentwicklung gegenüber dem GuD-Prozess verringern kann. Herr Nehter stellt diesen Zusammenhang dar. Hohe Leistungsdichten bedeuten große Exergieverluste aber geringere Investitionen. Dieses Optimierungskriterium wird bei besserer Kenntnis der zukünftigen Herstellungskosten noch eine große Rolle spielen und sicher zum Verzicht auf Bestwirkungsgrade führen. Trotzdem resümiert der Doktorand, dass die wirtschaftlichen Zielkosten im Bereich einiger Hundert Megawatt realistisch sind. Das bedeutet jedoch, dass solche Brennstoffzellen-Kraftwerke nicht mehr den dezentralen Energiesystemen zuzuordnen sind.

Vergleichende energetische Bewertung der Transformationsketten der elektro-mechanischen Kompressions- und thermischen Absorptionskälteerzeugung

Bearbeiter:	Jörg Sager
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Eine besondere Rolle spielen im Zusammenhang mit der Fernwärmeversorgung thermisch angetriebene Absorptionskältemaschinen (AKM), denen insbesondere im Zusammenwirken mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eine besonders ökologische Bedeutung zuerkannt wird. So sind mit erheblichen staatlichen Fördergeldern Entwicklungen in Instituten (ZAE Bayern, ILK Dresden, FFI Hannover) und Anwendungen in Fernwärmeversorgungsunternehmen unterstützt worden. Die genannte Kombination von KWK und AKM ist jedoch nicht mit der vorteilhaften KWK für Heizungsanlagen vergleichbar. Eine These, die der Gutachter in die Debatten des Forschungsbeirates der Arbeitsgemeinschaft Fernwärmeversorgung (AGFW) eingebracht hatte, jedoch dafür wenig Verständnis fand. Durch eine thermodynamisch-energiewirtschaftliche Fehleinschätzung wird die Absorptionskälte zur Zeit durch die Sonderstromvergütung nach dem KWK-Gesetz gefördert, weil die für die AKM erforderliche Fernwärme auch zusätzliche KWK-Stromerzeugung bewirkt, während die elektromechanische Kälteerzeugung durch die Stromsteuer belastet wird. Hier findet ein unzulässiger ordnungspolitischer Eingriff in den Wettbewerb von Technologien statt. Zumindest von der wissenschaftlichen Seite sollte die Berechtigung der Präferenz für AKM belegt oder widerlegt werden.
Herr Sager hat ausgehend von Betrachtungen reversibler Prozesse richtig erkannt, dass die thermische und die elektromechanische Kälteerzeugung gleichwertig sind, wenn die Antriebswärme für die AKM das Koppelprodukt der Stromerzeugung ist. Die Gleichwertigkeit beruht darauf, dass bei Kälteerzeugung, d. h. Schaffung eines Zustandes abweichend vom Umgebungszustand, Exergie aufgewendet werden muss. Die in der Heizwärme von beispielsweise 100 °C enthaltene Anergie wird ähnlich wie Blindstrom in elektrischen Netzen nur vom Heizkraftwerk (HKW) zur AKM transportiert, ohne einen Beitrag zur Kälteerzeuung leisten zu können, um dann über das Kühlsystem der AKM entsorgt zu werden. Aus diesem Grund sind die über Kühler abzuführenden Abwärmemengen bei AKM ca. doppelt so groß wie bei Kompressions-Kältemaschinen. Der Fall der Verwendung von „Frischwärme“ aus Heizkesseln ist von vornherein wesentlich schlechter und wurde hier nicht berücksichtigt. Streng betrachtet haben AKM dort eine Berechtigung, wo Abwärme in ausreichend hoher Temperatur ohnehin vorhanden und der zur AKM alternative elektrische Nachschaltprozess nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist und deshalb die Verstromung der Exergie der Abwärme nicht vorgesehen und nicht realisiert ist, beispielsweise bei Gegendruckdampfturbinen, BHKW, Gasturbinen oder Brennstoffzellen.
Breiten Raum in der Arbeit nimmt die Modellierung und Bewertung der Prozessankopplung an die Umgebung ein, d. h. der Kühlsysteme, die sowohl bei Kraftwerksprozessen als auch Kälteprozessen erforderlich sind.
Das Ergebnis der Untersuchungen ist die Aussage, dass bei der Gegenüberstellung der beiden Kälteerzeugungstechnologien gravierende Unterschiede nicht vorhanden sind. Je nach Maschinentyp bei KKM und AKM ergeben sich kleine Unterschiede, wobei die Kompressionskältemaschinen bei Einsatz von gut regelbaren Schraubenverdichtern bezüglich des spezifischen Elektroenergiebedarfs am günstigsten abschneiden. Von größerem Einfluss ist die Art des Rückkühlwerkes, wobei erwartungsgemäß regelbare Nasskühler die besten Ergebnisse, d. h. die niedrigsten spezifischen Elektroenergieaufwände der Umwandlungskette, aufweisen.
 

2003

Anwendungsgerechte Gestaltung von Wärmepumpen-Kreisprozessen und –anlagen

Bearbeiter:	Steffen Preußer
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

Abstract:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst die energiewirtschaftliche Bedeutung von Elektro-Wärmepumpen untersucht. Dazu wurde es als notwendig angesehen, die Bilanzgrenzen auf das energiewirtschaftliche Gesamtsystem (z.B. das einer Volkswirtschaft) zu erweitern und ressourcenbezogen zu bilanzieren. Demnach offenbart sich die Verbrennung von Erdgas in Heizkesseln als enorme Verschwendung von Ressourcen, wogegen die Wärmeversorgung mit Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung oder mit Elektro-Wärmepumpen ein bedeutendes Potential zur Schonung der Primärenergieressourcen und zur Reduzierung der Emission von als klimarelevant eingestuften Gasen besitzen, insbesondere vor dem Hintergrund der prognostizierten Entwicklungen bei der Elektroenergieerzeugung.
Aus einer detaillierten quantitativen und qualitativen Analyse des Wärmeverbrauchs von Wohngebäuden wurden folgende Anforderungen an Wärmepumpen für Gebäude, die mindestens die Vorgaben der Wärmeschutzverordnung ’95 erfüllen, abgeleitet: Die geringeren Transmissionswärmeverluste sowie die gewachsene Bedeutung von Lüftungswärmeverlusten und Warmwasserbedarf ermöglichen niedrige Temperaturen für die Raumheizung und bedingen große Temperaturdifferenzen für bedeutende Anteile am Jahreswärmebedarf bei Mitteltemperaturen deutlich über denen im Niedrigtemperaturheizsystem. Ein ergänzendes, schnell reagierendes Heizsystem mit hohen Vorlauftemperaturen kann in derartigen Systemen vorteilhaft sein, stellt für Wärmepumpen allerdings eine große Herausforderung dar.
Im Folgenden wurden Konzepte entwickelt bzw. aufgegriffen, die durch eine anwendungsgerechte Anpassung des Kreisprozesses den zuvor gefundenen Kriterien für das Lastenheft einer Wärmepumpe für den Gebäudebereich mit niedrigem Heizwärmebedarf gerecht werden können.
Mit der Zweikreis-Wärmepumpe kann die Warmwasserbereitung äußerst effizient realisiert werden. Für den Winterfall (Warmwasserbereitung parallel zur Heizung) wurden in Bezug auf die Warmwasserbereitung an der Versuchsanlage gegenüber der Warmwasserbereitung in der Basis-Wärmepumpe (konventionelle Schaltung) um ca. 60 % höhere Leistungszahlen gemessen. Bei der ausschließlichen Warmwasserbereitung im Sommerfall lassen sich mit der Zweikreis-Wärmepumpe gegenüber der Basis-Wärmepumpe Effizienzvorteile von ca. 20 % erzielen.
Alternativ zur Warmwasserbereitung kann durch die Zweikreis-Wärmepumpe auch ein zweiter, höher temperierter Heizkreis mit hohen Vorlauftemperaturen (z.B. für ein heiztechnisch günstiges, ergänzendes, schnell reagierendes Radiator/Konvektor-Heizsystem) versorgt werden. Die zugeführte Exergie wird noch effizienter genutzt als bei der Kombination der Heizung mit der Warmwasserbereitung.
Die volumetrische Heizleistung ist bei der Zweikreis-Wärmepumpe um ca. 10 %, die Absolutwerte der Heizleistungen sind um ca. 15 % höher als bei der Basis-Wärmepumpe.
Mit der Schaltung Kombi-Wärmepumpe lässt sich durch die Warmwasserbereitung die Effizienz deutlich erhöhen. Dieser Effekt ist um so stärker, je niedriger die Kaltwassereintrittstemperatur ist bzw. je länger sie bei der Speichererwärmung niedrig gehalten werden kann und je höher die Heiznetztemperaturen sind. Beim Fußbodenheizsystem 35/30°C kann so eine um bis zu 10 % höhere Leistungszahl erzielt werden. Gleichzeitig wird aber auch noch die im Falle der Warmwasserbereitung mit einer Wärmepumpe nach der Basisschaltung erforderliche Anhebung der Kondensationstemperatur vermieden und damit wesentlich mehr Antriebsenergie gespart, als der Leistungszahlerhöhung um 10 % entspricht. Dieser Effekt ist mittels einer exergetischen Bilanzierung quantifizierbar. Der exergetische Wirkungsgrad der Kombi-Wärmepumpe im Winterfall ist gegenüber dem Heizfall der Basis-Wärmepumpe um ca. 16 % höher, gegenüber der Warmwasserbereitung mit der Basis-Wärmepumpe gar um ca. 40 %. Bei der ausschließlichen Warmwasserbereitung im Sommerfall wird mit der Kombi-Wärmepumpe die zugeführte Exergie um ca. 20 % besser ausgenutzt.
In Auswertung der gesammelten Erfahrungen wurden Schaltungsmodifikationen diskutiert, mit dem Ziel, Leistungs- und Effizienzeinbußen zu verhindern, die dem möglichen Anstieg der Kaltwassereintritts- über die Heizungsrücklauftemperatur hinaus im Verlauf von Speicherladevorgängen geschuldet sind.
Neben der Kombination von zweistufiger Warmwasserbereitung und Heizung wurde für die Kombi-Wärmepumpe theoretisch auch der Austausch der Warmwasservorwärmung durch die Nachwärmung der Zuluft einer mechanischen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung betrachtet.
Weiterhin wurde eine Schaltung vorgestellt, die eine Verbindung der Vorteile von Zweikreis- und Kombi-Wärmepumpe ermöglicht und gleichzeitig mit ihnen verbundene Probleme löst. Allerdings ist die Zweikreis/Kombi-Wärmepumpe aufwendiger und erfordert eine größere Kältemittelfüllmenge.
Bei beiden Schaltungen verbessert sich gegenüber marktüblichen Wärmepumpen das Teillastverhalten deutlich, da infolge der parallelen Versorgung von Heizung und Warmwasserbereitung die Laufzeiten verlängert und damit die Taktfrequenz verringert werden. Das trägt zu einer Erhöhung der Verdichterlebensdauer und der Jahresarbeitszahl bei.
Transkritische Wärmepumpenprozesse mit CO2 sind in ihrer Effizienz stark durch die Eintrittstemperaturen der Wärmesenke eingeschränkt. In dieser Arbeit wurde mittels theoretischer Berechnungen das Prozessverbesserungspotential untersucht, wenn die Wärme bedarfsgerecht wie bei der Zweikreis- und der Kombi-Wärmepumpe ausgekoppelt wird.
Durch die Aufteilung der Wärmenutzung auf zwei Nutzungskreise mit anwendungsgerechtem Temperaturniveau analog der Zweikreis-Wärmepumpe kann die Effizienz des CO2-Prozesses deutlich gegenüber dem einfachen Prozess mit Trockenexpansion verbessert werden.
Im Falle von mechanischen Wohnungslüftungsanlagen bietet die Modifizierung zu einer transkritischen Kombi-Wärmepumpe ein erhebliches Potential zur Verbesserung des CO2-Prozesses, insbesondere in Gebäuden ohne nennenswerten Warmwasserbedarf (z.B. Bürogebäude). Hier können sogar die Leistungszahlen des Propan-Prozesses um bis zu 17 % überboten werden. Ein Verzicht auf eine Wärmerückgewinnung bewirkt den niedrigsten Endenergieverbrauch und macht derartige Systeme durch den Wegfall der zentralen Abluftführung aufgrund der deutlich niedrigeren Investitionskosten auch aus wirtschaftlicher Sicht interessant.
 

2002

Technischer Vergleich und mathematische Modellierung von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung kleiner Leistung mit festen Biomassebrennstoffen

Bearbeiter:	Michael Opelt
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig, Prof. Dr.-Ing. Uwe Gampe

Abstract:
Die Möglichkeiten der Elektroenergieerzeugung aus festen Biomasse-brennstoffen in Anlagen der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung gewinnen in der öffentlichen Diskussion immer mehr an Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurden in der Arbeit verschiedene Technologien der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung kleiner Leistung auf der Basis fester Biomassebrennstoffe untersucht und der derzeitige Stand der Technik aufgezeigt und bewertet. Für die Berechnung von Schaltungen dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kleiner Leistung wurden für noch fehlende Aggregate neue Berechnungsmodule geschaffen. Zur Ermittlung wirkungsgradoptimierter Prozesse wurden Beispielrechnungen durchgeführt. Aus einer energetischen und exergetischen Bewertung dieser Prozesse konnten Vorzugsschaltungen und –parameter ermittelt werden. Die Arbeit kann als Basis für eine ökonomische Betrachtung dienen.