Zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Energiekosten in der Industrie kann die Steigerung der Energieeffizienz durch Nutzung der verfügbaren Abwärme einen wichtigen Beitrag leisten. Mit den Methoden der Wärmeintegration kann das Abwärmepotenzial quantifiziert und systematisch Maßnahmen zur Nutzung von Abwärme identifiziert werden. Durch die mathematische Optimierung des Wärmetransports von Wärmequellen hin zu Wärmesenken kann ein Wärmeübertrager Netzwerk gebildet werden. Hierbei können je nach Formulierung der Zielfunktion des Optimierungsproblems der benötigte Energiebedarf, die Kosten oder Treibhausgasemissionen minimiert werden. In dieser Arbeit wird ein Ansatz für mehrperiodische Optimierungsprobleme weiterentwickelt und um die Einbindung von sensiblen und latenten thermischen Energiespeichern erweitert. Die Berücksichtigung des Phasenwechsels erfolgt mit Hilfe einer intervallweise linearen Funktion der Speichertemperatur. Durch Einführen von Binärvariablen erfolgt eine Berücksichtigung des jeweils relevanten Intervalls. Darüber hinaus wird eine Methode zur Berücksichtigung von Wärmeverlusten der Rohrleitungen vorgestellt. Die entwickelten Methoden werden in einem Fallbeispiel aus der Textilindustrie angewendet und im Rahmen von Sensitivitätsanalysen ausgewählte Einflussfaktoren untersucht. / Increasing the energy efficiency by using available waste heat can make an important contribution to reducing greenhouse gas emissions and energy costs in the industry. Heat integration methods can be used to quantify the waste heat potential and systematically identify measures for waste heat utilization. By mathematically optimizing the heat transport from heat sources to heat sinks, a heat exchanger network can be designed. Depending on the formulation of the objective function of the optimization problem, the required energy demand, costs or greenhouse gas emissions can be minimized. In this work, an approach for multiperiod optimization problems is further developed and extended to include sensible and latent thermal energy storage. The phase change is considered by an interval linear function of the storage temperature. By introducing binary variables, the relevant interval is taken into account. Furthermore, a method for including heat losses of pipelines is presented. The developed methods are applied in a case study from the textile industry and selected influencing factors are investigated within the scope of sensitivity analyses.

Ausgangspunkt der Untersuchung ist die Frage, ob Hybridkonzepte auf hydrostatischer Grundlage eine realistische Alternative zu elektrohybriden Antriebskonfigurationen für Dieseltriebwagen sein können. Die Untersuchung dieser Fragestellung erfolgt mit Hilfe von Simulationsmodellen, die auf der 1-d-Simulationsumgebung Imagine.Lab AMESim beruhen. Zunächst wird die fahrdynamische und antriebstechnische Modellierung eines dieselhydraulischen Regionaltriebwagens unter Berücksichtigung einer energiesparenden Fahrweise dargestellt. Ausgehend von Massenbilanzen werden untereinander vergleichbare Hybridkonfigurationen auf hydrostatischer (Gasdruckspeicher), elektrostatischer (Doppelschichtkondensatoren) und elektrochemischer (Li-Ionen-Speicher) Basis entwickelt. Die Modellierung der hydraulischen und elektrischen Antriebsstränge wird eingehend diskutiert. Die abgeleiteten Hybridkonfigurationen werden anschließend bezüglich spezieller Fahrspiele und Betriebskonzepte detailliert untersucht, um auf dieser Grundlage günstige Parametrierungen der Systeme ableiten und die günstigste Betriebsstrategie identifizieren zu können. Anschließend wird eine umfangreiche Analyse des Verhaltens der verschiedenen Hybridkonfigurationen auf ausgewählten realen Nahverkehrsstrecken vorgenommen. Im Rahmen der durchgeführten Simulationen wird schließlich das Kraftstoffeinsparpotential in Abhängigkeit von Streckenprofil, Hybridkonfiguration und Zugart ermittelt und verglichen.

Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung eines Energiespeichersystems in ein dieselelektrisches Schienenfahrzeug. Ziel der Arbeit ist es mit einem automatisierten Ansatz die besten Parameter für das Energiespeichersystem zu finden. Um die geeignetsten Parameter zu bestimmen, wurde eine Optimierung basierend auf genetischen Algorithmen verwendet. Neben der Charakteristik des Energiespeichersystems wird auch dessen Betriebsstrategie untersucht und optimiert. Der Fahrstil genau wie die Leistung des Dieselmotors werden ebenfalls variiert, um die Ergebnisse der Optimierung mit und ohne Energiespeichersystem zu vergleichen. / This work deals with an implementation of an energy storage system in a diesel electric driven rail vehicle. The aim of this work is an automatic approach to find the best parameters for an energy storage system. To find the best fitting parameters an optimization based on genetic algorithms is used. Beside the characteristics of the energy storage system as well the strategy to operate it is investigated and optimized. The driving style as well as the power of the internal combustion engine are varied in order to compare the solution of the optimization with and without energy storage systems.

Radiale Diffusoren beeinflussen signifikant die Qualität der thermischen Schichtung in Warmwasserspeichern. Um die Effizienz der Energiespeicherung zu verbessern, ist das Verständnis des komplexen Strömungsverhaltens notwendig. Diese Arbeit liefert Grundlagen zur Beschreibung der auftretenden Effekte und stellt ein geeignetes CFD-Simulationsmodell vor. Als Untersuchungsobjekt dient eine neuartige Speicherkonstruktion, wobei der Radialdiffusor direkt an einer schwimmenden Decke montiert ist. Vorteile dieser Anordnung werden aufgezeigt, die auftretenden Strömungseffekte beschrieben sowie der Einfluss verschiedener Beladergeometrien auf die thermische Schichtung untersucht. Für das Entladen bis 98 °C bei Atmosphärendruck wurde ein strömungsoptimierter Freiformdiffusor entwickelt, um Kavitation beim Ansaugen zu vermeiden. Die Untersuchungen zeigen außerdem, dass bei der Beladung über dem Umfang des Radialdiffusors ein stark asymmetrisches und einseitig gerichtetes Ausströmen auftreten kann. Gegenmaßnahmen in Form von Leit- und Lochblechen stellen ein nahezu symmetrisches Ausströmen wieder her und verbessern damit die Schichtungsqualität. Neben umfangreichen numerischen Studien mit RANS und LES fanden zahlreiche Experimente im Labor und an einem 100 m³-Speicher statt. / Radial diffusers have a significant influence on the quality of thermal stratification in hot water storage tanks. In order to improve the efficiency of energy storage, it is necessary to understand the complex flow behaviour. This thesis provides a basis for describing the effects and introduces a CFD simulation model. An innovative storage tank construction is used as the object of investigation, whereby the radial diffuser is mounted directly to a floating ceiling. Advantages of this arrangement are shown, flow effects are described and the influence of different loader geometries on the thermal stratification is investigated. For discharging up to 98 °C at atmospheric pressure, a flow-optimized free-form diffuser was developed to avoid cavitation inside the loading device. The tests also show that a highly asymmetrical and unidirectional flow over the circumference of the radial diffuser can occur during loading. Thanks to countermeasures like baffles and perforated plates, an almost symmetrical outflow can be restored and the stratification quality improved. In addition to numerical studies with RANS and LES, numerous experiments in the laboratory and at a 100m3 store were performed.

Lithium ion batteries (LIBs) have attracted considerable interest due to their wide range of applications, such as portable electronics, electric vehicles (EVs) and aerospace applications. Particularly, the emergence of a variety of nanostructured materials has driven the development of LIBs towards the next generation, which is featured with high specific energy and large power density. Herein, rolled-up nanotechnology is introduced for the design of strain-released materials as anodes of LIBs. Upon this approach, self-rolled nanostructures can be elegantly combined with different functional materials and form a tubular shape by relaxing the intrinsic strain, thus allowing for enhanced tolerance towards stress cracking. In addition, the hollow tube center efficiently facilitates electrolyte mass flow and accommodates volume variation during cycling. In this context, such structures are promising candidates for electrode materials of LIBs to potentially address their intrinsic issues. This work focuses on the development of superior structures of Si and SnO2 for LIBs based on the rolled-up nanotech. Specifically, Si is the most promising substitute for graphite anodes due to its abundance and high theoretical gravimetric capacity. Combined with the C material, a Si/C self-wound nanomembrane structure is firstly realized. Benefiting from a strain-released tubular shape, the bilayer self-rolled structures exhibit an enhanced electrochemical behavior over commercial Si microparticles. Remarkably, this behavior is further improved by introducing a double-sided carbon coating to form a C/Si/C self-rolled structure. With SnO2 as active material, an intriguing sandwich-stacked structure is studied. Furthermore, this novel structure, with a minimized strain energy due to strain release, exposes more active sites for the electrochemical reactions, and also provides additional channels for fast ion diffusion and electron transport. The electrochemical characterization and morphology evolution reveal the excellent cycling performance and stability of such structures.

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Im Zuge strenger werdender Emissionsrichtlinien und steigender Kraftstoffpreise spielt die Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Firma Gottwald Port Technology GmbH hat in diesem Zusammenhang einen hybriden Antriebsstrang für einen Hafenmobilkran (HMK) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden erforscht und umgesetzt. Bei diesem Hybridsystem wird die kinetische und potentielle Energie aus dem elektrischen Hub- und Drehwerk des Krans, welche zuvor im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wurde, durch einen elektrischen Energiespeicher zurückgewonnen. Im Gegensatz dazu ist das hydraulisch betriebene Wippwerk noch nicht rückspeisefähig. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer technischen Lösung zur Energierückgewinnung aus der hydraulischen Anlage eines HMK und die Bewertung des erreichbaren Kraftstoffeinsparpotentials. Zunächst wird das bestehende hydraulische System untersucht, um die Anforderungen an das rückspeisefähige Konzept zu ermitteln. Dazu werden Modelle der Kinematik und Kinetik des Wippwerks abgeleitet. Anhand einer Entscheidungsanalyse wird ein hydraulisches Konzept aus einem Katalog verfügbarer Alternativen ausgewählt. Im Anschluss daran wird ein energieflussbasiertes Modell des Konzepts in Matlab/Simulink erstellt und in das bestehende Simulationsmodell integriert. Die Simulationsergebnisse zeigen ein großes Einsparpotential an Dieselkraftstoff durch den Einsatz des rückspeisefähigen Hydrauliksystems. / Due to stricter emission restrictions and rising fuel costs energy efficiency of mobile work machines is getting more important. In cooperation with Dresden University of Technology, Gottwald Port Technology GmbH has developed a mobile harbour crane with a hybrid drive train. This system can recuperate the kinetic and potential energy from the electrical slewing and hoisting gear, which was formerly dissipated to heat. This paper deals with the identification of a technical solution to recuperate energy form the hydraulic luffing gear to determine the potential reduction of fuel consumption. At first, the actual hydraulic system is analyzed to estimate the requirements of the new recuperation system. For that purpose, models of the kinematics and kinetics of the luffing gear are created. With the help of weighted criteria, a hydraulic concept is chosen of several alternatives. Afterwards, an energy flow based model in Simulink/Matlab is created and integrated in the existing simulation model of the crane. The simulation results confirm a considerable reduction of diesel fuel due to the application of hydraulic recuperation system.

Ziel dieser Arbeit war es, das LISICON Li3Cr2(PO4)3 als einen Kandidaten für Hochvoltkathodenmaterialien eingehend zu charakterisieren. Dabei lag der Schwerpunkt auf den strukturellen in situ Untersuchungen mittels Synchrotronstrahlung und der Aufdeckung etwaiger limitierender Prozesse. Für diese Arbeit wurde der neue Messplatz P02.1 an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III, DESY Hamburg für in situ Batterieuntersuchungen evaluiert. In Abhängigkeit von der 2D-Detektorposition können maximale q-Bereiche von bis zu 35 Å-1 oder instrumentelle Auflösungen bis zu 0,0055 Å-1 erzielt werden. Hervorzuheben ist außerdem die zeitliche Auflösung von minimal 130 ms je Diffraktogramm. Mittels galvanostatischen Messungen eines Li3Cr2(PO4)3-haltigen Komposits (80 % (w/w) Aktivmaterial) konnten zwei Lade- und ein Entlademaximum zwischen 4,7 V und 4,9 V vs. Li+/Li nachgewiesen werden. Jedoch beträgt die Coulomb-Effizienz lediglich 60 % (bei 60 mAh/g oxidativer Ladungsmenge). Eine maximale Coulomb-Effizienz von ca. 80 % wurde bei niedrigeren Temperaturen um den Gefrierpunkt gemessen. Neben strukturellen Änderungen ist eine Elektrolytzersetzung nicht auszuschließen, wobei eine mittels XPS nachgewiesene Grenzschicht zwischen Kathode und Elektrolyt diesen vor einer übermäßigen Reaktion zu schützen scheint. Erstmalig ließ sich mittels der Photoelektronenspektroskopie das aktive Redoxpaar Cr4+/Cr3+ in einer Phosphatmatrix nachweisen. Wie die in situ Untersuchungen zeigen, scheint dies mit der Bildung von Chrom-Sauerstoff-Doppelbindungen einherzugehen. Sowohl sich gegenläufig entwickelnde transständige Chromsauerstoffabstände als auch die Verringerung der Phosphorbesetzungszahlen sind starke Indizien für diese neuartige oktaedrische Koordination des Chroms. Diese als sehr stabil einzuschätzende Chromylverbindung, eine nachgewiesene stark anisotrope Kontraktion der Einheitszelle und mittels REM erkennbare Risse in den aktiven LISICON-Kristalliten werden als Hauptursachen für die relativ geringe De- und Reinterkalierbarkeit von Lithium in die Struktur des hier untersuchten Li3Cr2(PO4)3 angesehen. / Aim of this work is the investigation of a compound of the LISICON family Li3Cr2(PO4)3 as a high voltage cathode material in lithium ion batteries. This thesis focuses on the monitoring of structural fatigue mechanisms using synchrotron radiation. A new in situ experimental setup at the beamline P02.1 (PETRA III, DESY Hamburg) was evaluated. In dependence on the 2D detector position either a q-range of 35 Å-1 or an instrumental resolution of 0.0055 Å-1 were determined. A time resolution of 130 ms per diffractogram with still outstanding signal statistics shall be pointed out. By galvanostatic cycling of a Li3Cr2(PO4)3-composite (80 % (w/w) active material) partially reversible redox behavior at 4.7 V and 4.9 V vs. Li+/Li was demonstrated. A coulombic efficiency of 60 % (at 60 mAh/g oxidative charge amount) was measured at room temperature. It can be increased to 80 % at 0 °C. Electrolyte decomposition has to be considered as one possible reason for the limited electrochemical reversibility. A solid electrolyte interface, which was proven by XPS measurements, seems to protect the electrolyte against further decomposition. For the first time, the active redox pair Cr4+/Cr3+ in a phosphate matrix was proven by XPS. Most likely this behavior is accompanied by the formation of chromium-oxygen double bonds, as derived from the in situ synchrotron XRD data. Both an opposing trend in trans-positioned chromium-oxygen bond distances and the less occupied phosphorus positions give strong hints on this octahedral coordination of chromium. The chromyl group is estimated as strong bond and therewith the strongly anisotropic contraction of the unit cell and the formation of visible cracks (as found REM) in the active crystals are indicated as further reasons for the limited electrochemical reversibility for Li-intercalation and deintercalation of the investigated Li3Cr2(PO4)3.

In einem Vorprojekt wurde die Machbarkeit der Kältespeicherung untersucht und positiv bewertet. Obwohl in der Bundesrepublik Deutschland bis 2007 noch kein großtechnischer Kurzzeit-Kältespeicher existierte, haben die Stadtwerke Chemnitz AG einen Speicher erfolgreich errichtet. Seit 2007 ist dieser Kaltwasserspeicher in Betrieb. Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz übernahm bei diesem Verbundforschungsvorhaben die Begleitforschung (Forschung, Entwicklung, Beratung, Überwachung). Es wurde demonstriert, dass große Kältespeicher energetische, ökologische und ökonomische Vorteile bewirken können. Diese Vorteile kann man nutzen, um die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zu stärken. Neben dem höheren Einsatz von Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung, ist die Reduktion des Elektroenergiebedarfs und die Begrenzung von Lastspitzen von besonderer energiewirtschaftlicher Bedeutung. Folgeprojekte in Deutschland zeigen die Akzeptanz dieser Technik. Dieser Bericht liefert eine Beschreibung des Systems und die Ergebnisse des Verbundvorhabens. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Auswertung des Betriebs von 2007 bis 2009. Das zugrunde liegende Monitoringprogramm lieferte hierfür die entsprechenden Messwerte.

Im Zuge strenger werdender Emissionsrichtlinien und steigender Kraftstoffpreise spielt die Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Firma Gottwald Port Technology GmbH hat in diesem Zusammenhang einen hybriden Antriebsstrang für einen Hafenmobilkran (HMK) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden erforscht und umgesetzt. Bei diesem Hybridsystem wird die kinetische und potentielle Energie aus dem elektrischen Hub- und Drehwerk des Krans, welche zuvor im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wurde, durch einen elektrischen Energiespeicher zurückgewonnen. Im Gegensatz dazu ist das hydraulisch betriebene Wippwerk noch nicht rückspeisefähig. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer technischen Lösung zur Energierückgewinnung aus der hydraulischen Anlage eines HMK und die Bewertung des erreichbaren Kraftstoffeinsparpotentials. Zunächst wird das bestehende hydraulische System untersucht, um die Anforderungen an das rückspeisefähige Konzept zu ermitteln. Dazu werden Modelle der Kinematik und Kinetik des Wippwerks abgeleitet. Anhand einer Entscheidungsanalyse wird ein hydraulisches Konzept aus einem Katalog verfügbarer Alternativen ausgewählt. Im Anschluss daran wird ein energieflussbasiertes Modell des Konzepts in Matlab/Simulink erstellt und in das bestehende Simulationsmodell integriert. Die Simulationsergebnisse zeigen ein großes Einsparpotential an Dieselkraftstoff durch den Einsatz des rückspeisefähigen Hydrauliksystems. / Due to stricter emission restrictions and rising fuel costs energy efficiency of mobile work machines is getting more important. In cooperation with Dresden University of Technology, Gottwald Port Technology GmbH has developed a mobile harbour crane with a hybrid drive train. This system can recuperate the kinetic and potential energy from the electrical slewing and hoisting gear, which was formerly dissipated to heat. This paper deals with the identification of a technical solution to recuperate energy form the hydraulic luffing gear to determine the potential reduction of fuel consumption. At first, the actual hydraulic system is analyzed to estimate the requirements of the new recuperation system. For that purpose, models of the kinematics and kinetics of the luffing gear are created. With the help of weighted criteria, a hydraulic concept is chosen of several alternatives. Afterwards, an energy flow based model in Simulink/Matlab is created and integrated in the existing simulation model of the crane. The simulation results confirm a considerable reduction of diesel fuel due to the application of hydraulic recuperation system.