Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

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.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

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.

Georg Naumann (1901 Radeberg-1978 Upper Wells/ Kanada). Bekannt und berühmt wurde Georg Naumann, der gemeinsam als Partner von Max Hinsche mit ihm nach Kanada ging, als Trapper und Pionier bei der frühen lokalen Auffindung und Nutzung der kanadischen Öl- und Erdgasvorkommen im nördlichen Einzugsgebiet des Athabasca River in der Prärieprovinz Alberta. Zunehmend wurde er zum Naturwissenschaftler, der in den bisher unerschlossenen Gebieten am Athabasca River die Öl- und Erdgasvorkommen des Sandes nutzte und bewusst einsetzte.

Sandproduktion ist eine große Herausforderung in vielen Tiefbohrungen. Um sie zu verhindern wurden verschiedene Methoden und Bauteilen entwickelt, die unter dem Begriff Sandkontrollmaßnahmen zusammengefasst werden. Zu diesen zählt der Einbau von Sandfiltern als Standalone Screens oder Teil eines Gravel Packs. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren aus Geologie und Betriebsweise sind die Funktionsweise und das Versagen von Sandfiltern nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Eine Möglichkeit zur Untersuchung von Sandfiltern ist die Durchführung von laborativen Experimenten. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von zwei Versuchsanlagen vorgestellt. Die Anlagen werden genutzt, um einen neuentwickelten Wickeldrahtfilter zu untersuchen. Der Filter unterscheidet sich von bisherigen Designs durch eine Beschichtung auf der Außenseite, die, durch die Verwendung von Materialien mit großer Härte, für eine größere Erosionsbeständigkeit sorgen soll. Eine umfassende Literaturrecherche zu den Versagensmechanismen und dem Stand der Technik von laborativen Untersuchungen an Sandfiltern bilden die Grundlage für diese Arbeit. Darauf aufbauend werden theoretische Vorüberlegungen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten von Sandfiltern dargestellt. Die Versuchsanlagen ermöglichen zum einen die Durchführung von Sand Retention Tests und zum anderen die gezielte Erosion von Filterproben mittels einer kontinuierlichen Durchströmung mit einer Suspension. Die Ergebnisse werden genutzt, um grundlegende Aussagen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten abzuleiten. Zusätzlich wird der neu entwickelte, beschichtete Filter mit konventionellen Filtern verglichen. Aus den Ergebnissen werden Limitationen der laborativen Untersuchungen zum Sandkontrollverhalten und Auswertungsempfehlungen formuliert. Ein Unterschied im Sandkontrollverhalten zwischen beschichteten und unbeschichteten Filtern kann nicht festgestellt werden. Es wird gezeigt, dass interne Turbulenz in den Öffnungen eines Sandfilters ein wichtiger Einflussfaktor auf die Erosion mit feinen Partikeln ist. Sandfilter können an unterschiedlichen Stellen erodieren, die sich nicht alle direkt auf die Funktionalität auswirken. Der Vergleich der Ergebnisse deutet darauf hin, dass beschichtete Filter eine längere Standzeit unter erosiven Bedingungen haben, da sie an der Außenseite weniger erodieren als unbeschichtete Wickeldrahtfilter. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Beschichtung kommt es jedoch zu größerer interner Erosion. Die Diskussion der durchgeführten Versuche liefert zusammen mit den umfangreichen theoretischen Vorüberlegungen einen Beitrag zum Verständnis über das Versagen von Sandfiltern, insbesondere das Zusammenspiel von Erosion und Sandkontrolle. Die Untersuchungen an Proben des neuartigen, beschichteten Filters bilden den Grundstein für derzeit laufende Feldeinsätze von Prototypen.

High-Pressure Partial Oxidation (HP-POX) of natural gas is one of the techniques in the synthesis gas production by non-catalytic reforming. On the path to emissions reduction, all operating facilities must be optimized to satisfy environmental regulations. In a rapidly changing economic and political environment, technological development from lab-scale to demo-scale, and industrial-scale is no longer feasible. Therefore, new research and design methods must be applied. One of such methods commonly used in science and industry is numerical modeling, which utilizes Computational Fluid Dynamics (CFD), Reduce Order Models (ROMs), kinetic, and equilibrium models. The CFD models provide details about flow field, temperature distribution, and species conversion. However, the computational effort required to conduct such calculations is significant. The computationally expensive CFD models cannot be effectively used in the reactor optimization. Herewith, other modeling techniques utilizing kinetic and equilibrium models do not provide necessary details for process optimization and can only be used for adjustments of boundary conditions, investigation of specific processes occurring in the reactor, or development of sub-models for CFD. A numerical investigation was conducted to validate existing CFD models against benchmark experiments. The results reveled that the CFD model is sensitive to modeling parameters, when simulating complex flows where turbulence-chemistry interaction occurs. Moreover, it was shown that the results sensitivity increases along with the oxidizer/fuel inlet velocities ratio. Based on the conducted experiments, the CFD model validation resulted in definition of the modeling parameters suitable for modeling of HP-POX of natural gas. Based on the validated CFD model, a ROM for HP-POX of natural gas was developed. The model assumes that the reactor consists of several zones characterized by specific conversion processes. Moreover, the model considers inlet streams dissipation upon the injection, and includes several optimization stages that allows model adjustments for any reactor geometry and boundary conditions. It was shown that the developed ROM can reproduce global reactor characteristics at non-equilibrium conditions unlike other ROMs, kinetic, or equilibrium models. Moreover, the validation against CFD results showed that the ROM can correctly account for the \gls{rtd} in the reactors of different geometries and volumes without extensive additional optimization. Finally, new experiments were designed and conduced at semi-industrial HP-POX facility at TU Bergakademie Freiberg. The experiments aimed to study the influence of different oxidizer/fuel velocities ratios on the reactants mixing and process characteristics at high operating pressures. The high velocity difference between oxidizer and fuel was achieved by injection of High-Velocity Oxidizer (HVO). The experiments showed no significant influence of the HVO on the global reactor characteristics and overall species conversion process. However, the numerical analysis of the experimental results demonstrated that the oxidation zone is affected by the oxidizer inlet velocity, and becomes less efficient in the fuel conversion when the oxidizer/fuel inlet velocities ratio is increased. In summary, a sophisticated numerical model validation was conducted and sensitivity of the numerical results to the modeling parameters was carefully studied. The novel natural gas conversion technique was experimentally studied. Based on the conducted experiments and numerical evaluation a ROM was developed. The ROM is capable of producing high accuracy results and greatly decreases the computational effort and time needed for reactor development and optimization.

Although the German framework of incentive-based energy regulation appears to be well-defined because it draws from international experience and eliminates several present drawbacks existing with revenue-cap regulation doubts of industry and politicians concerning the application of benchmarking techniques and more importantly, the future industry structure, remain. The regulation scheme is based on experience with energy sector reforms in the US due to it being a precursor in this regard, e.g. by introducing incentive-based regulation as early as 1994 and publishing the relevant data in a very detailed way. This thesis therefore brings together the two issues of certain efficiency measurement problems and the industry restructuring in Germany and the US in order to contribute to the current discussion of robust benchmarking and to provide political implications related to the industry’s structure. Therefore, the application of DEA and SFA constitutes the heart of the whole study. These techniques are applied on German electricity DSOs as well as on data for US electricity DSOs and US gas TSOs. The application to US data can then be used to derive information about business strategies and their success in a sector that is being restructured. The US experience will lead to relevant German policy implications with respect to the future structure of the energy industry in Germany. / Der deutsche Regulierungsansatz erscheint im Allgemeinen als ausgewogen, da er zum einen internationale Erfahrungen mit einbezieht und zum anderen bestehenden Schwächen der Erlös-Obergrenzenregulierung berücksichtigt. Dennoch bestehen Zweifel seitens Industrie- und Politvertretern bezüglich der Anwendung von Benchmarking-Techniken und noch bedeutsamer der zukünftigen Industriestruktur. Der regulatorische Rahmen basiert auf Erfahrungen aus der Regulierung der Energiewirtschaft aus den USA, da diese eine Vorreiterrolle in dieser Hinsicht innehaben, beispielsweise aufgrund der frühen Einführung der Anreizregulierung in 1994 und der sehr detaillierten Veröffentlichung der relevanten Daten. Diese Arbeit verknüpft daher diese zwei Aspekte zum einen der Existenz gewisser Problemfelder bei der Effizienzmessung als auch der Umstrukturierung der deutschen Industriestruktur in der Energiewirtschaft. Damit trägt sie zu der aktuellen Diskussion mit Bezug auf robustes Benchmarking bei und liefert zudem politische Implikationen bezüglich der Industriestruktur. Zu diesem Zweck steht die Anwendung der für die deutsche Regulierung der Energienetze relevanten Benchmarking-Techniken (Data Envelopment Analysis (DEA) und Stochastic Frontier Analysis (SFA)) im Zentrum der gesamten Studie. Die empirischen Analysen beziehen sich dabei auf deutsche Elektrizitätsverteilnetzbetreiber sowie auf Elektrizitätsverteilnetzbetreibern und Ferngasgesellschaften aus den USA. Die Analysen von US Daten können dann genutzt werden, um gehaltvolle Informationen über Unternehmensstrategien und deren Erfolg in einem restrukturierten Sektor zu gewinnen. Diese Erfahrungen münden dann in Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die deutsche Regulierung und Industriestruktur der deutschen Energienetzwirtschaft.

Although the German framework of incentive-based energy regulation appears to be well-defined because it draws from international experience and eliminates several present drawbacks existing with revenue-cap regulation doubts of industry and politicians concerning the application of benchmarking techniques and more importantly, the future industry structure, remain. The regulation scheme is based on experience with energy sector reforms in the US due to it being a precursor in this regard, e.g. by introducing incentive-based regulation as early as 1994 and publishing the relevant data in a very detailed way. This thesis therefore brings together the two issues of certain efficiency measurement problems and the industry restructuring in Germany and the US in order to contribute to the current discussion of robust benchmarking and to provide political implications related to the industry’s structure. Therefore, the application of DEA and SFA constitutes the heart of the whole study. These techniques are applied on German electricity DSOs as well as on data for US electricity DSOs and US gas TSOs. The application to US data can then be used to derive information about business strategies and their success in a sector that is being restructured. The US experience will lead to relevant German policy implications with respect to the future structure of the energy industry in Germany. / Der deutsche Regulierungsansatz erscheint im Allgemeinen als ausgewogen, da er zum einen internationale Erfahrungen mit einbezieht und zum anderen bestehenden Schwächen der Erlös-Obergrenzenregulierung berücksichtigt. Dennoch bestehen Zweifel seitens Industrie- und Politvertretern bezüglich der Anwendung von Benchmarking-Techniken und noch bedeutsamer der zukünftigen Industriestruktur. Der regulatorische Rahmen basiert auf Erfahrungen aus der Regulierung der Energiewirtschaft aus den USA, da diese eine Vorreiterrolle in dieser Hinsicht innehaben, beispielsweise aufgrund der frühen Einführung der Anreizregulierung in 1994 und der sehr detaillierten Veröffentlichung der relevanten Daten. Diese Arbeit verknüpft daher diese zwei Aspekte zum einen der Existenz gewisser Problemfelder bei der Effizienzmessung als auch der Umstrukturierung der deutschen Industriestruktur in der Energiewirtschaft. Damit trägt sie zu der aktuellen Diskussion mit Bezug auf robustes Benchmarking bei und liefert zudem politische Implikationen bezüglich der Industriestruktur. Zu diesem Zweck steht die Anwendung der für die deutsche Regulierung der Energienetze relevanten Benchmarking-Techniken (Data Envelopment Analysis (DEA) und Stochastic Frontier Analysis (SFA)) im Zentrum der gesamten Studie. Die empirischen Analysen beziehen sich dabei auf deutsche Elektrizitätsverteilnetzbetreiber sowie auf Elektrizitätsverteilnetzbetreibern und Ferngasgesellschaften aus den USA. Die Analysen von US Daten können dann genutzt werden, um gehaltvolle Informationen über Unternehmensstrategien und deren Erfolg in einem restrukturierten Sektor zu gewinnen. Diese Erfahrungen münden dann in Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die deutsche Regulierung und Industriestruktur der deutschen Energienetzwirtschaft.

Erdöl und Erdgas liegen als flüssige Kohlenwasserstoffe in porösen Sedimentgesteinen im geologischen Untergrund vor. Um diese Kohlenwasserstoffe zu gewinnen, wird der Untergrund durch Tiefbohrungen zur Förderung erschlossen. Anschließend erfolgt die Förderung des Erdöls in drei Phasen: der Primär-, Sekundär- und Tertiärförderung. In der primären Phase wird Erdöl durch den Druck in der Lagerstätte gewonnen, in der sekundären Phase durch künstliche Aufrechterhaltung des Drucks und in der tertiären Phase durch technische Beeinflussung der strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Erdöls. Dennoch verbleibt insbesondere bei Schweröllagerstätten ein Anteil von 45 bis 90 % des ursprünglich in der Lagerstätte vorhandenen Erdöls in der Lagerstätte. Aufgrund strömungsmechanischer und thermodynamischer Einschränkungen ist eine Gewinnung dieses Anteils technisch und/oder wirtschaftlich nicht möglich. Meist wird die Lagerstätte nach Abschluss der Förderung verfüllt und die übertägigen Anlagen zurückgebaut. Zugleich steigt weltweit der Bedarf an Energiequellen, insbesondere an solchen, die für die Dekarbonisierung und Umstellung auf umweltschonende Energien benötigt werden. Wasserstoff wird voraussichtlich als chemischer Energieträger der zukünftige Schlüsselrohstoff für die Energiewende sein. Diese Forschungsarbeit untersucht die Weiternutzung bzw. Erschließung ausgeförderter Erdöllagerstätten zur Wasserstoffgewinnungmittels thermischer Verfahren. Diese Verfahren orientieren sich an bereits etablierten Methoden für die übertägige Verfahrenstechnik. Durch das Verfahren wird die Lagerstätte mithilfe der Verbrennung des in dieser vorhandenen Restöls erhitzt und das entstehende Koks durch eine Wasserinjektion in Synthesegas umzuwandeln. Durch die hohen Temperaturen entsteht in der Lagerstätte eine Atmosphäre aus Wasserdampf, die zur Vergasung des Kokses führt. Das Gas wird durch die Wasserfront aus der Lagerstätte in die Produktionsbohrungen verdrängt und kann anschließend an der Oberfläche aufbereitet werden. Im Kontext der Lagerstättenprozesse entsteht nicht nur Wasserstoff, sondern auch weitere Verbrennungsprodukte wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Sauergase und Kohlenwasserstoffgase. Diese werden verfahrenstechnisch aufbereitet und dampfreformiert in den obertägigen Anlagen. Zur Erfüllung der Anforderungen an blauen Wasserstoff ist die Reinjektion von Kohlenstoffdioxid erforderlich. In der Dissertation wird ein numerisches Berechnungsschema eingeführt und ausführlich getestet, um die lagerstättentechnische Simulation der thermischen Wasserstoffgewinnung durchzuführen. Anhand von Modelllagerstätten werden mithilfe dieses Schemas relevante Prozessparameter ermittelt und für die Übertragung auf die konkrete Lagerstättensimulation aufbereitet. Das Verfahren zur Wasserstoffförderung wird an einer antiklinalen Lagerstätte mit geostatistischer Heterogenität simuliert. Die Ergebnisse werden zur weiteren Auswertung bezüglich Integritätsfragen, Übertageanlagen sowie wirtschaftlicher und strategischer Aspekte herangezogen.