Eine kompakte und effiziente Wasserstofferzeugung aus verfügbaren Energieträgern ist für die Marktfähigkeit von Brennstoffzellenheizgeräten essentiell. Der Auslegung von Reformern für PEM-Brennstoffzellen kommt eine große Bedeutung zu, da bei diesem Brennstoffzellentyp keine interne Reformierung möglich ist. In dieser Arbeit werden die mathematische Modellierung der Dampfreformierung von Erdgas, die Rolle der eingesetzten Katalysatoren und die Problematik von Wärme- und Stofftransportprozessen untersucht. Für fünf kommerzielle Nickel- und einen Rhodiumkatalysator werden die Kinetik, die effektive Wärmeleitfähigkeit und der Diffusionskoeffizient ermittelt. Unter Verwendung dieser Werte wird in einem Einzelpartikelmodell die Existenz und Signifikanz von intra- und extrapartikulären Stoff- und Temperaturgradienten evaluiert. Daraus werden für ein quasihomogenes Reaktormodell Modellparameter abgeleitet, die eine exakte Simulation unter Berücksichtigung der relevanten Phänomene zulassen. Schließlich wird ein Reaktormodell erstellt, welches mit Messwerten aus einem Versuchsreaktor validiert und für eine Sensitivitätsanalyse verwendet wird.

Iran ist einer der größten Ölexporteure der Welt, sieht sich aber trotzdem mit zahlreichen Energieproblemen konfrontiert (z. B. stark steigender und subventionierter Energieverbrauch). Gemein mit anderen OPEC-Staaten hat Iran außerdem das so genannte Dutch Disease. Für Iran wurden Langzeit-Energieszenarien berechnet, die den Einsatz von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien in unterschiedlich hohen Graden abbilden. Es wird gezeigt, dass in Iran unter Beibehaltung des bisherigen energieintensiven Entwicklungspfads binnen weniger Jahrzehnte mehr Erdöl und Erdgas verbraucht werden, als heimisch produziert werden kann. Nur unter Annahme hoher Effizienzsteigerungen wird es möglich sein, dass Iran auch noch im Jahr 2050 Erdöl und Erdgas exportiert. Unter Annahme von Preiskurven wird deutlich, dass Energieeffizienz für den iranischen Staat sehr hohe (ökonomische) Gewinne ermöglicht. Die Nutzung erneuerbarer Energien in Iran ermöglicht ebenfalls hohe ökonomische Gewinne: Durch deren heimischen Einsatz kann Erdgas eingespart und exportiert werden. Außerdem tragen sie zu einer Diversifizierung des heimischen Energiemix sowie des Exportportfolios bei. Kernenergie ist dagegen für die Herstellung iranischer Versorgungssicherheit nicht notwendig. Der großmaßstäbliche Einsatz erneuerbarer Energien als Exportgut könnte innerhalb der OPEC einen Prozess der Disaggregation gemeinsamer Interessen einleiten. Dennoch sprechen zahlreiche Gründe dafür, dass die OPEC eine weitreichende Strategie für erneuerbare Energien und Energieeffizienz entwickelt, die langfristig ihren eigenen Interessen dient und sie zu einem Klimaschutz-Vorreiter machen kann.

Im Rahmen des Oberlausitzer Energiesymposiums der Hochschule Zittau/Görlitz zum Thema 'Wasserstoff - ein Netz der Zukunft' stellten Prof. Dr.-Ing. habil. Tobias Zschunke und sein Team die Ergebnisse und den aktuellen Stand seiner Arbeiten auf dem Gebiet der Gasumwandlung, hier speziell der katalytischen Methanisierung, vor. In der aktuellen energiewirtschaftlichen Situation ist eine Vielzahl von Umwandlungsprozessen im Gange, so dass man leicht den Überblick verlieren kann. Prof. Dr.-Ing. habil. Tobias Zschunke, Dr. rer. nat. Fabian Rachow und Fred Haaser, M.Eng. haben im Rahmen des LaNDER³ - Impulsprojektes 4 'Katalytische Methanisierung' das Thema Power to Gas weiter vorangetrieben, um aus ungenutztem CO2 und Wasserstoff kostengünstig und energieeffizient synthetisches Erdgas herzustellen. Das Verfahren ist zwar seit 100 Jahren bekannt, aber immer noch sehr energieintensiv. Hier ist es dem Team gelungen, eine Anlage zu entwickeln, die die Anforderungen des Thermomanagements für eine effiziente Prozessführung umsetzt. Darüber hinaus gibt das Team einen allgemeinen Überblick über den Stand der Technik und die aktuellen wirtschaftlichen Aspekte.:1. Motivation 2. Einleitung 3. Sabatierreaktion 4. Eignung für die Integration grünen Stroms 5. Thermomanagement / Aufbau 6. Prozessbeschreibung 7. Ergebnisse und Ausblick 8. Quellen

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von der Darstellung der Grundlagen der Wasserstoffgasaufbereitungs- und CO–Gasreinigungsverfahren, eine Methodik zur energetischen Modularisierung des Gasaufbereitungsprozesses entwickelt. Die Modellierung und Analyse der einzelnen Prozessstufen erfolgt auf der Basis von Masse- und Energiebilanzen. Die theoretische Darstellung der Lösungsmethoden für die Bilanzgleichungen der einzelnen Prozessstufen ist dabei auf das System Dampfreformierung und CO-Gasreinigung eingegrenzt. Parameter zur energetischen Bewertung der Prozessvarianten werden definiert. Die Methodik führt zur Eingrenzung energetisch optimierter Prozessvarianten. Ihr Hauptziel liegt in der optimalen Nutzung prozessinterner Energie- und Stoffströme. Ein zentraler Bestandteil der Methodik ist die graphische Pinch-Methode. Sie wird dem vorliegenden Prozess angepasst.

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von der Darstellung der Grundlagen der Wasserstoffgasaufbereitungs- und CO–Gasreinigungsverfahren, eine Methodik zur energetischen Modularisierung des Gasaufbereitungsprozesses entwickelt. Die Modellierung und Analyse der einzelnen Prozessstufen erfolgt auf der Basis von Masse- und Energiebilanzen. Die theoretische Darstellung der Lösungsmethoden für die Bilanzgleichungen der einzelnen Prozessstufen ist dabei auf das System Dampfreformierung und CO-Gasreinigung eingegrenzt. Parameter zur energetischen Bewertung der Prozessvarianten werden definiert. Die Methodik führt zur Eingrenzung energetisch optimierter Prozessvarianten. Ihr Hauptziel liegt in der optimalen Nutzung prozessinterner Energie- und Stoffströme. Ein zentraler Bestandteil der Methodik ist die graphische Pinch-Methode. Sie wird dem vorliegenden Prozess angepasst.

Die Dissertationsschrift thematisiert die Frage nach den Kosten und Nutzen einer Diversifikationsstrategie im europäischen Erdgasmarkt und gliedert sich in neun Kapitel. In einer Vorbetrachtung beschreiben die Kapitel eins bis vier die Ausganglage mit Blick auf Angebots- und Nachfragestrukturen sowie der Gasinfrastruktur. Unsicherheiten in Bezug auf die Entwicklung der Nachfrage, Importverfügbarkeit und Preisniveaus werden diskutiert. In einem analytischen Rahmen wird das Thema Diversifikation in den Kontext der Energiesicherheit eingeordnet. Die Kapitel fünf bis sieben befassen sich mit der Beschreibung und der Analyse des europäischen Gasmarkts. Dafür wird ein lineares Modell, GAMAMOD-EU, entwickelt, welches als stochastische Optimierung den Ausbau der Erdgasinfrastruktur unter Einbezug von drei Unsicherheitsdimensionen in den Jahren 2030 und 2045 abbildet. Zusätzlich werden drei Diversifikationsstrategien in Hinblick auf Infrastrukturentwicklung und Versorgungssicherheit analysiert. In einer Erweiterung wird der Import Grüner Gase in die Betrachtung einbezogen. Kapitel acht stellt das deutsche Gasnetzmodell GAMAMOD-DE mit einer Fallstudie vor, die die Versorgungslage im kalten Winter 2012 nachmodelliert. Im abschließenden Kapitel neun werden die zu Beginn aufgeworfenen Forschungsfragen beantwortet, politische Handlungsempfehlungen gegeben und der weitere Forschungsbedarf skizziert.:Table of Contents List of Figures List of Tables Abbreviations Country Codes Nomenclature: GAMAMOD-EU Nomenclature: GAMAMOD-DE 1 Introduction 2 Uncertainties in Gas Markets 3 Diversification in Gas Markets to Ensure Security of Supply 4 Natural Gas Infrastructure 5 The European Natural Gas Market Model (GAMAMOD-EU) 6 Results on Security of Supply in the European Gas Market 7 Impact of Green Gas Imports on Infrastructure Investments 8 The German Natural Gas Market Model (GAMAMOD-DE) 9 Conclusion and Outlook Laws and Communication Papers References Appendix / The dissertation addresses the question of the costs and benefits of a diversification strategy in the European natural gas market and is divided into nine chapters. In a preliminary analysis, chapters one to four describe the initial situation with regard to supply and demand structures as well as the gas infrastructure. Uncertainties regarding the development of demand, import availability and price levels are discussed. In an analytical framework, the topic of diversification is placed in the context of energy security. Chapters five to seven deal with the description and analysis of the European gas market. For this purpose, a linear model, GAMAMOD-EU, is developed, which maps the expansion of the natural gas infrastructure as a stochastic optimisation, taking into account three uncertainty dimensions in the years 2030 and 2045. In addition, three diversification strategies are analysed with regard to infrastructure development and security of supply. In an extension, the import of green gases is included in the analysis. Chapter eight presents the German gas grid model GAMAMOD-DE with a case study, which models the supply situation in the cold winter of 2012. In the concluding chapter nine, the research questions raised at the beginning are answered, political recommendations for action are given and the need for further research is outlined.:Table of Contents List of Figures List of Tables Abbreviations Country Codes Nomenclature: GAMAMOD-EU Nomenclature: GAMAMOD-DE 1 Introduction 2 Uncertainties in Gas Markets 3 Diversification in Gas Markets to Ensure Security of Supply 4 Natural Gas Infrastructure 5 The European Natural Gas Market Model (GAMAMOD-EU) 6 Results on Security of Supply in the European Gas Market 7 Impact of Green Gas Imports on Infrastructure Investments 8 The German Natural Gas Market Model (GAMAMOD-DE) 9 Conclusion and Outlook Laws and Communication Papers References Appendix

Die Dissertation besteht aus drei unabhängigen Essays zur Anwendung der kooperativen Spieltheorie auf den internationalen Erdgashandel. Das internationale Erdgasnetz wird von einem stilisierten quantitativen Modell dargestellt, welches aus den wichtigsten Produzenten, Verbrauchern, Pipelines und LNG-Terminals besteht. Die Koalitionsfunktion berücksichtigt wesentliche Merkmale des internationalen Gashandels und schildert die Abhängigkeiten zwischen den Akteuren. Das Spiel wird mit dem Shapley-Wert und dem Nukleolus gelöst, welche alternative Indizes für die Darstellung der Machtstruktur sind. Kapitel 1 versucht die Interessen der Spieler in drei Pipeline-Projekte, d.h. Nord Stream, South Stream und Nabucco, zu rationalisieren. Das Kapitel ordnet die Investitionen in die neuen Pipelines ihren Auswirkungen auf die Verhandlungsmacht der Akteure zu und zieht dabei Rückschlüsse auf die Aussagekraft der Lösungskonzepte. Der Shapley-Wert rechtfertigt die jüngsten Investitionen in die Pipelines als rationale Versuche, die Machtstruktur zu verändern. Im Gegensatz zum Shapley-Wert kann der Nukleolus die empirischen Beobachtungen nicht nachbilden. Kapitel 2 studiert Pipeline-Projekte im zentralasiatischen Raum. Die Ergebnisse erklären die Unterstützung der zentralasiatischen Länder für eine nach China verlaufende Pipeline statt einem nach Europa führenden Projekt, und zeigen, dass die Konkurrenz zwischen China und Europa für das zentralasiatische Erdgas vernachlässigbar ist. Kapitel 3 untersucht die bedeutendsten Entwicklungen in Angebot und Nachfrage im globalen LNG-Markt sowie deren Einfluss auf die Machtstruktur im eurasischen Erdgashandel. Die Entwicklungen kommen den europäischen Verbrauchern deutlich zugute, aber scheitern dabei, die Macht der etablierten Anbieter um Europa, beispielsweise Russlands, einzudämmen. / The dissertation contains three independent essays on the application of cooperative game theory on the international natural gas trade. The international natural gas network is represented by a stylized disaggregated quantitative model consisting of its major producers, customers, trunk-pipelines and LNG terminals. The value function considers essential characteristics of the international gas trade and characterizes the interdependencies between the major actors. The game is solved with the Shapley value and the nucleolus as alternative indexes for capturing the power of different players. Chapter 1 aims to rationalize players'' interest in the three pipeline projects, i.e., Nord Stream, South Stream, and Nabucco. The chapter relates the investments into the new pipelines to their impact on the power structure and thereby makes conclusions about the explanatory power of the solution concepts. While the Shapley value can explain the recent investments in the new pipelines as a rational attempt to alter the power structure in the network, the nucleolus, in contrast, fails to replicate the empirical evidence. Chapter 2 studies pipeline options of the Central Asian countries aimed at diversifying their transit routes and export markets. The results explain the Central Asian countries'' endorsement for an eastbound pipeline to China rather than a Europe-bound option, and show negligible demand competition between China and Europe for Central Asian supplies. Chapter 3 investigates major supply and demand developments in the global LNG market as well as their impact on the power structure in the Eurasian natural gas trade. The developments benefit European consumers significantly, but barely curtail the power of the established suppliers in close proximity to Europe, such as Russia.

Um die Auswirkung der Liberalisierung der EU-Erdgasmärkte auf die Macht der Marktteilnehmer zu studieren, entwickeln wir ein disaggregiertes Modell der eurasischen Erdgasversorgung. Wir modellieren die Abhängigkeiten zwischen den Spielern als kooperatives Spiel und berücksichtigen verschiedene Lösungen: den Shapley-Wert, den Nukleolus und den Kern. Im Kapitel 1 untersuchen wir die regionalen Auswirkungen der Liberalisierung des Zugangs zu den Übertragungsnetzen, sowie die Anreize für Fusionen und Kartelle. Im Kapitel 2 untersuchen wir die Auswirkung der Liberalisierung auf die Machtbalance zwischen den lokalen Champions, den Kunden und den Produzenten außerhalb EU. Wir unterscheiden zwischen zwei Schritten der Reform: 1.die Öffnung des Zugangs zu den Übertragungsnetzen und 2.die Öffnung des Zugangs zu den Vertriebssystemen. Für den Shapley-Wert finden wir geringe und heterogene Effekte des ersten Schritts. Die Auswirkungen des zweiten Schritts sind viel größer und ergeben ein klares Muster: alle lokalen Champions verlieren, während alle Kunden und alle externen Produzenten gewinnen. Da ein Drittel der Verluste der Champions innerhalb EU zu den Spielern im Ausland abfließt, können die aktuellen Reformen die Dominanz der bereits starken externen Produzenten verbessern. Wenn wir den Nukleolus heranziehen, profitieren die Produzenten außerhalb EU von der vollen Liberalisierung hingegen nicht. Im Kapitel 3 untersuchen wir die Beziehungen zwischen Shapley-Wert, Nukleolus und Kern. Für unser Modell ist der Shapley-Wert nie im Kern. Um ein Maß der Instabilität von Auszahlungen, die nicht im Kern liegen, zu erhalten, schlagen wir eine Erweiterung des starken epsilon-Kerns vor und betrachten 3 Metriken. Wir finden, daß die Liberalisierung die Instabilität des Shapley-Werts erhöht. Wir zeigen, daß die Liberalisierung den Kern komprimiert. Die Auswirkung auf den Nukleolus korrespondiert jedoch nicht immer mit der Verschiebung von Minimal- und Maximalwerten der Spieler im Kern. / To study the impact of the liberalization of EU natural gas markets on the power of market players we develop a disaggregated model of the Eurasian natural gas supply system. We model interdependenices among the players as a cooperative game for which we consider various solutions: the Shapley value, the nucleolus and the core. In the first paper we study regional impact of liberalization of access to transmission networks, incentives for mergers and cartels. In the second paper we study the impact of liberalization on the balance of power between ''local champions'', customers, and outside producers, such as Russian Gazprom. We distinguish between two steps of the reform: 1. opening access to transit pipes and 2. opening access to distribution systems, hence customers. Using the Shapley value, we find a modest and rather heterogeneous impact from the first step. The impact of the second step is much larger and yields a clear pattern: all local champions lose, while all customers and all outside producers gain. As one third of the losses of champions within EU leaks to players abroad, current reforms might enhance the dominance of already powerful outside producers. When we apply the nucleolus, in contrast, full liberalization does not benefit outside producers at all. In the third paper we focus on the relation of the Shapley value and the nucleolus to the core. For our model the Shapley value is never in the core. To evaluate the degree of instability of a payoff allocation which is not in the core, we propose an extension of the strong epsilon-core and consider three metrics. We find that liberalization increases the degree of instability of the Shapley value for all metrics. We show that liberalization compresses the core, but not always the nucleolus corresponds well to the shifts in the minimal and maximal values of players in the core.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

Environmental management has become a part of societal life and a dominant issue for every sector of economies in the developed world. However, due to the absence of EMS the Libyan petroleum companies are not able to compete in the international petroleum sector. The rules and regulations specified by developed countries concerning environmental protection are becoming highly challenging. These have posed tremendous difficulties for both the government of Libya, as well as the petroleum companies to meet the national and international legislative requirements. Since 1999, Libya has been transformed by aligning itself according to the requirements and expectations of the industrial nations of the world and has, therefore, in this process of transformation, already become one of the competitive nations in the petroleum sector. The country has started to attract international investment by companies and individuals from all over the world. The change of Libyan economic policy towards open markets and the signing of many international agreements incorporating legal concerns related to biodiversity, climate change, endangered species, hazardous wastes, marine dumping, and ozone layer protection in their system. This has subsequently enabled the Libyan petroleum industry to make efforts to set up some basic procedures to improve environmental performance. This is an enormous interdisciplinary work, which requires a lot of effort. The present work aims to introduce an internationally accepted environmental management system according to the ISO 14001 standard to enable the oil industry remove the prevalent deficiencies as far as environmental management is concerned in the industry. This work uses AGOCO as a model company for case study analyses, which would provide an excellent opportunity for the implementation of EMS in accordance with ISO 14001 in all petroleum companies of Libya. The detailed analysis is based on the cumulative assessment of the current environmental management manual of AGOCO, interviews with some of the company’s personnel and telephone communications with some employees of the company. The analysis reveals the strengths and weaknesses in the concerning EMS planning, implementation, checking and review. Using AGOCO as a benchmark for all other petroleum companies, the work has resulted in the formulation of procedures to be followed by the other companies in compliance with the international standards.