Durch den Ausbau insbesondere wetterabhängiger erneuerbarer Energien steigen zukünftig die Anforderungen an die Bereitstellung von Flexibilität im Stromsektor. Wärmespeicher und Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeversorgung können einen großen Beitrag zur Bereitstellung von Flexibilität an der Schnittstelle von Strom- und Wärmesektor liefern. Die vorliegende Arbeit untersucht vor dem Hintergrund von unterschiedlichen regulatorischen Rahmenbedingungen, an welchen Märkten der Einsatz der Power-to-Heat-Anlagen aus Systemsicht den größten Mehrwert zur Integration von erneuerbaren Energien liefern kann. Mithilfe des Strommarktmodells MICOES-Europe wird der stündliche Kraftwerkseinsatz aller europäischen Kraftwerke vor dem Hintergrund des Ausbaus der erneuerbaren Energien untersucht. Ziel der gemischt-ganzzahligen Optimierung, die insbesondere techno-ökonomische Charakteristika thermischer Kraftwerke berücksichtigt, ist die kostenminimale Deckung des Strombedarfs im Großhandelsmarkt bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungsvorhaltung für Regelenergie. In Deutschland werden die größten Fernwärmenetze mit ihren zugehörigen Erzeugungsanlagen (Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Heizwerke, Wärmespeicher) abgebildet und stündlich die optimale Deckung des Wärmebedarfs berechnet. In einem Szenario für das Jahr 2025 wird die Verfügbarkeit von 1.000 MW an Elektrokesseln in großen deutschen Fernwärmenetzen angenommen. Hierbei wird deren Einsatz nur am Spotmarkt oder nur für negative Sekundärregelleistung dem Fall gegenübergestellt, dass die Anlagen auf beiden Märkten agieren und sich situationsabhängig zwischen ihnen entscheiden können. Es werden dabei die Fälle verglichen, bei denen Elektrokessel entweder Abgaben auf den Stromverbrauch zahlen oder keine zusätzlichen Abgaben tragen müssen. Der Einsatz der Elektrokessel in Verbindung mit Wärmespeichern in der Fernwärmeversorgung kann den Einsatz der KWK-Anlagen so flexibilisieren, dass sich deren Stromerzeugung stärker an die Einspeisesituation der erneuerbaren Energien anpassen kann. Auf diese Weise kann in allen betrachteten Szenarien die marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien verringert werden. Dabei sinken die CO2-Emissionen der Strom- und Wärmeversorgung ebenfalls in allen Szenarien. Die größten Reduktionen sowohl bei CO2-Emissionen als auch bei den variablen Kosten der Strom- und Wärmeerzeugung werden dabei in den Szenarien mit Teilnahme der Elektrokessel am Regelleistungsmarkt erreicht. Stellen Elektrokessel negative Sekundärregelleistung bereit, kann hierdurch die Must-run-Erzeugung thermischer Kraftwerke in Stunden mit hoher Einspeisung von erneuerbaren Energien deutlich gesenkt werden. Hierdurch ergibt sich ein großer Hebel für die Integration von Strom aus erneuerbaren Energien. / The requirements for the provision of flexibility in the power sector will increase in the future due to the expansion of the usage of weather-dependent renewable energy sources. Heat storage and power-to-heat-plants (electric boilers) in the district heating supply can provide flexibility at the interface of the power and heat sector. At the moment the use of power-to-heat plants is only cost-effective on the control power market due to the current regulation. High charges for the direct use of electricity impede a use on the spot market. The present work examines from a system perspective on which market the use of electric boilers can provide the largest benefits for the integration of renewable energies considering different regu-latory frameworks. The year 2025 is considered where Germany aims to reach a share of 40 to 45 % renewable energy generation in the gross power consumption. For this purpose the hourly power plant dispatch of all European power plants is examined using the electricity market model MICOES-Europe. The model describes the wholesale electricity market and the control power market (secondary and tertiary reserve). The aim of the mixed-integer optimization is the calculation of the cost-minimal coverage of the electricity demand in the wholesale market while at the same time fulfilling the provision of control power. The optimization takes into account in particular the techno-economic characteristics of thermal power plants. In Germany, the largest district heating grids with their associated generation plants (combined heat and power plants, fossil-fuel and electric boilers, heat storage) are modelled and the optimal coverage of the heat demand is calculated for every hour. With the assumed payment of high electricity charges the use of electric boilers on the spot market is no business case in 2025. The situation changes in the scenario without electricity charges. Here, electric boilers reach between 1,050 and 2,140 full load hours. If the electric boilers provide negative secondary control power, the must-run generation of thermal power plants in hours with a high feed-in of renewable energies can be reduced significantly. This results in a large lever for the integration of renewable energies. Electric boilers reach up to 1,800 full load hours by providing control energy, if they provide control power all year round and without payment of electricity charges. The use of the electric boilers in combination with heat storages in the district heating system can make the dispatch of combined heat and power plants more flexible, so that their electricity generation can be better adapted to the feed-in situation of renewable energies. In this way, the market-dependent curtailment of renewable energies can be reduced in all scenarios. The CO2-emissions of the electricity and heat supply can be reduced by this technology in Germany. Furthermore, CO2-emissions in other European countries can be reduced as well due to effects of the power trade. The highest reductions in both CO2-emissions and variable costs of electricity and heat generation are achieved in the scenarios with electric boilers participating in the control power market.

Die konventionelle Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen ist mit vielen Nachteilen verbunden: hohe elektrische Lastspitzen, Energieverbräuche, Umweltbelastungen, signifikante Kosten sowie ein umfangreicher Einsatz von ozonabbauenden Kältemitteln in den letzten Jahren. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erreicht werden. Durch die thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist eine rationelle Nutzung der im Kühllastfall ausreichend vorhandenen Wärme möglich. Um die Kälteerzeugung weiter energetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern, stellt der Einsatz von Kältespeichern eine aussichtsreiche Alternative dar. In diesem Projekt wird deshalb der Kältespeicher-Einsatz speziell für die Randbedingungen in Deutschland untersucht.

Ziel der Dissertation ist, die Bereitstellung positiver Minutenreserve durch dezentrale Klein-KWK-Anlagen unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu bewerten. Die Grundlage einer solchen Bewertung bilden detaillierte Kenntnisse des Abrufverhaltens positiver Minutenreserve. Deshalb wird die Inanspruchnahme positiver Minutenreserve untersucht und als stochastischer Prozess modelliert. Auf dieser Basis erfolgen Betrachtungen zur Dimensionierung der Wärmespeicher, zum Netzbetrieb mit hoher Dichte dezentraler Klein-KWK-Anlagen und zur Wirtschaftlichkeit eines solchen Konzeptes. Die abschließende ganzheitliche Betrachtung liefert Hinweise zur optimalen Betriebsweise der Klein-KWK-Anlagen. / From the technical point of view, virtual power plants consisting of small decentralized co-generation plants are able to provide positive tertiary reserve power for the European electricity transmission grid. For serious analyses, detailed knowledge about the load-characteristic of called reserve power is essentially. In order to examine grid operation, heat storage capacity and optimized power plant operation, the switch-on times of co-generation plants and the co-generated heat during reserve power provision have to be estimated. Aiming this, the called positive tertiary reserve power in Germany is analyzed and a mathematical model of the call-characteristic is synthesized. Furthermore, the results of examining grid operation, optimizing heat storage capacity and power plant operation are given. Calls of positive tertiary reserve power usually occur suddenly, non-scheduled and jumpy. Sometimes, there are single calls. Usually, calls occur clustered, i.e. one call is directly followed by further calls. Positive reserve power is much higher frequented under peak-load conditions than under base-load conditions. The characteristic of calling positive tertiary reserve power deeply depends on the control area. From the mathematical point of view, a Poisson-process fits non-scheduled and jumpy occurring events. Each jump marks a call date of positive tertiary reserve power. The values of the called power fit a logarithmical normal distribution. The lengths of the call-clusters satisfactorily fit a geometrical distribution. The expected value of called reserve energy is modeled dependent from the time of the day. The model is essential for simulating all combinations of switch-on times of co-generation plants and of co-generated heat volumes that might occur during providing reserve power. Aiming to optimize the installed heat storage capacity, the quote of heat use has to be examined. From both technical and ecological point of view, installing large heat storages is desirable in order to use all co-generated heat. From the economical point of view, installing any heat storage is not sensible. The solution of this trade-off is installing a heat storage that guarantees less or equal CO2-emissions than a conventional power plant fired with natural gas. The results of this thesis lead to 1 kWh heat storage capacity per 1 kW installed electrical power as rule of thumb. Concerning grid operation in steady state, a much higher density of co-generation plants than expected is technically installable. A general rule for extending the installable decentralized power cannot be deducted. Examining economics, decentalized co-genertation plants are desired to provide balancing power during their stand-by times. Building a virtual power plant only in order to provide reserve power is not economically sensible. From the power plant owners' view, providing positive tertiary reserve power by small decentralized co-generation plants is generally sustainable.

This paper presents three new coupling methods for interior penalty discontinuous Galerkin finite element methods and boundary element methods. The new methods allow one to use discontinuous basis functions on the interface between the subdomains represented by the finite element and boundary element methods. This feature is particularly important when discontinuous Galerkin finite element methods are used. Error and stability analysis is presented for some of the methods. Numerical examples suggest that all three methods exhibit very similar convergence properties, consistent with available theoretical results.:1. Introduction 2. Model Problem and Background 3. New Coupling Methods 4. Stability and Error Analysis 5. Numerical Examples 6. Summary A. Appendix

Quantum spin liquids represent a novel phase of magnetic matter where quantum fluctuations are large enough to suppress the formation of local order parameters, even down to zero temperature. Quantum spin liquid states can emerge from frustrated quantum magnets. These states show several peculiar properties, such as topological order, fractional excitations, and long-range entanglement. The Kitaev spin model on the honeycomb lattice is one of the few models proposed which can exactly show the existence of a $\mathbb{Z}_2$ quantum spin liquid. The model describes spins featuring frustrated compass interactions, and it exhibits a quantum spin liquid ground state. The model's ground state can be found exactly by representing spins in terms of Majorana fermions. It turns out that spin excitations fractionalize into two degrees of freedom: spinless matter fermions and flux excitations of the emergent $\mathbb{Z}_2$ gauge theory. Recently, possible solid-state realizations of Kitaev quantum spin liquids have been proposed in a class of frustrated Mott insulators. Unfortunately, experiments can not unambiguously identify quantum spin liquids, due to their elusive nature. Nevertheless, indirect observations on a spin liquid state can be done by looking at its excitations. Along this line, thermal transport investigations provide for an option to study heat-carrying excitations, and thus the properties of the related spin liquid state. In this doctoral thesis work, I performed a study of longitudinal thermal transport properties in the two-dimensional Kitaev spin model. This study aims to advance the understanding of transport in prototypical frustrated quantum magnets that might harbor Kitaev physics, and in particular quantum spin liquid states. For this purpose, I explored the model for varying exchange coupling regimes $-$ to underline the impact of anisotropy on transport $-$ and I studied transport over a wide range of temperatures. Transport properties have been explored within the formalism of the linear response theory. Based on the latter, thermal transport coefficients can be evaluated by calculating dynamical energy-current auto-correlation functions. First, I performed an analytical study of the uniform gauge sector of the model $-$ where excitations of gauge degrees of freedom are neglected. Analytical findings for the energy-current correlations, and their related transport coefficients, imply a finite-temperature ballistic heat conductor in terms of free matter fermion excitations $-$ independent of exchange couplings. Second, thermal transport has been studied at finite temperatures, considering thermal gauge excitations off the uniform gauge sector. For this purpose, I made use of two complementary numerical methods able to treat finite-temperature systems. On the one hand, I resorted on the exact diagonalization of the Kitaev Hamiltonian given in terms of fermions and a real-space dependent $\mathbb{Z}_2$ gauge potential, to study relatively small systems. On the other hand, I used an approximate method based on a mean-field treatment of thermal gauge fluctuations. The method allowed to extend the study of thermal transport to systems with up to $\sim\mathcal{O}(10^4)$ spinful sites. It made possible the computation of correlation functions by reducing the exact trace over all gauge states to an average over dominant gauge states suited to a given temperature range. The reliability of the method has been checked by comparing to numerically exact thermodynamics of systems. Based on the thermodynamic analysis, the method has been restricted to a temperature range where the mean-field treatment of gauge fluctuations is acceptable. Within such temperature range, the method succeeded in well reproducing exact results. The prime advantage of this method is its capability to reveal important features in the energy-current correlation spectra, not captured by the exact diagonalization approach because of finite-size effects. I found that the energy-current correlation spectra, in the presence of thermal gauge excitations, show clear signatures of spin fractionalization. In particular, the low-energy part of spectra displays features arising from a temperature-dependent matter-fermion density relaxation off an emergent thermal gauge disorder. This static gauge disorder also leads to the appearance of a pseudogap in the zero-frequency limit, which closes in the thermodynamic limit. The extracted dc heat conductivity is consequently influenced by this interplay between matter fermions and gauge degrees of freedom. The anisotropy in the exchange couplings moves Kitaev systems through gapless and gapped phases of the matter fermion sector. Effects of anisotropy are visible in the dc conductivities which display a low-temperature dependence crossing over from power-law to exponentially activated behavior upon entering the gapped phase. Therefore, I found that in the thermodynamic limit, two-dimensional Kitaev systems feature dissipative transport, regardless of exchange couplings. This finding is in contrast to the ballistic transport found discarding gauge excitations in the uniform gauge sector, which underlines the relevance of gauge degrees of freedom in thermal transport properties of Kitaev systems.

Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz und die inetz (Netzbetreiber) haben unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein hocheffizientes solares Fernwärmesystem (2100 m² Kollektorfläche, 1000 m³ Speicher, max. Netzlast 6-14 MW) für den Stadtteil Brühl in Chemnitz entwickelt. Dieses zeichnet sich durch viele innovative Merkmale (Systemkonzept und -betrieb, Speicher, Hausanschlussstation) aus und berücksichtigt komplexe städtische bzw. gesellschaftliche Zusammenhänge (Akzeptanz, Städtebau, Denkmalschutz, Gebäudeeigentümer, bestehende Versorgungssysteme). In diesem Projekt wurde eine breit angelegte Begleitforschung zur Funktion des Systems durchgeführt. Das Projekt umfasste u. a. die Datenbeschaffung und -auswertung bzgl. des Systems und des Quartiers, die Datenübernahme von der inetz, die Datenverarbeitung und -auswertung sowie die Optimierung des Systems. Es erfolgten spezielle Untersuchungen zur Funktion der Kollektorfelder, des Zwei-Zonen-Speichers, des Nachheizsystems und einer Hausanschlussstation. Aufgrund des Einsatzes von Wasser im gesamten System wurden die Untersuchungen in den Kollektorfeldern mit einem speziellen bzw. mobilen Monitoring realisiert. Numerische Simulationen lieferten das theoretische Verhalten für einen Soll-Ist-Ver gleich. Umgekehrt konnten die Simulationen anhand der Messwerte validiert werden. Die Mess- und Simulationsergebnisse flossen danach in Metamodelle ein. Diese Metamodelle wurden im SolFW-Tool genutzt, um eine einfache und schnelle Berechnung von solaren Fernwärmesystemen in Quartieren zur Verfügung zu stellen. Das SolFW-Tool ist als webbasiertes Simulationsprogramm verfügbar.

Aus der Einleitung: "Durch die Verwendung von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann sowohl die erzeugte elektrische als auch die anfallende thermische Energie genutzt und somit der Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie deutlich gesteigert werden. Dieses Konzept wird sowohl in Blockheizkraftwerken (BHKW) wie auch in Range Extendern (RE) verwendet (Ferrari et al. 2012). Die bisher geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch die zusätzlich vom RE bereitgestellte elektrische Energie erweitert. ..."

Der integrierte Gas-Dampf (GiD-) Prozess mit Wasserrückgewinnung ist ein flexibler Kraft-Wärme-Kopplungsprozess, der die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme teilweise entkoppeln kann. Der effiziente und sparsame Einsatz von fossilen Brennstoffen ist aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht geboten. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, ist eine Möglichkeit dafür. Allerdings erfordert die KWK auch eine gleichzeitige Abnahme von Strom und Wärme beziehungsweise deren Speicherung. Sowohl Strom als auch Prozessdampf lassen sich nur aufwendig und damit relativ teuer speichern, weshalb Alternativen gefragt sind. Der GiD-Prozess besteht aus einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abhitzedampfkessel. Die Gasturbine verfügt als Besonderheit über eine Dampfinjektion, die vor, nach oder direkt in die Brennkammer erfolgen kann. Der Abhitzekessel hat zusätzliche Wärmeübertragerflächen um das Abgas bis unter den Taupunkt abzukühlen. Somit kann ein Teil des injizierten Dampfes aus dem Abgas zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Der in die Gasturbine injizierte Dampf führt dieser weitere Energie zu. Diese kann entweder zur Leistungssteigerung der Anlage oder zur Reduzierung des fossilen Brennstoffbedarfes genutzt werden. Die erste Option der Leistungssteigerung ist auch als Cheng-Prozess bekannt. Diese Arbeit widmet sich der weniger untersuchten zweiten Möglichkeit der Brennstoffreduzierung. Beim Vergleich des GiD-Prozesses mit verschiedenen anderen Kraftwerks-Prozessen zeigt sich, dass dieser besonders gut für industrielle Anlagen mit Prozessdampfbedarf und einer elektrischen Leistung kleiner 20 MW el geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GiD-Prozess mittels einer Versuchsanlage auf Basis einer Industriegasturbine mit 650 kW el untersucht. Die Arbeit dokumentiert verschiedene Versuchsfahrten und Untersuchungen an dieser Anlage. Die Injektion von Dampf reduziert die Schadstoffemissionen in den zulässigen Bereich und kann sehr flexibel zu einer Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von bis zu zwei Prozent führen. Dabei wird der Dampf sehr gleichmäßig in die Versuchsanlage eingebracht, so dass keine signifikanten Änderungen der Abgastemperaturverteilung erkennbar sind. Die Überhitzung des Dampfes kann zu einer weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades führen. Die Rückgewinnung des eingebrachten Dampfes ist mit den entsprechenden Wärmeübertragern möglich. Das zurückgewonnene Wasser ist durch die Stickoxide des Abgases verunreinigt und muss entsprechend aufbereitet werden.

A new theoretical formalism is developed for the study of the mechanical behaviour of magneto-sensitive elastomers (MSEs) under a uniform external magnetic field. This formalism allows us to combine macroscopic continuum-mechanics and microscopic approaches for complex analysis of MSEs with different shapes and with different particle distributions. It is shown that starting from a model based on an explicit discrete particle distribution one can separate the magnetic field inside the MSE into two contributions: one which depends on the shape of the sample with finite size and the other, which depends on the local spatial particle distribution. The magneto-induced deformation and the change of elastic modulus are found to be either positive or negative, their dependences on the magnetic field being determined by a non-trivial interplay between these two contributions. Mechanical properties are studied for two opposite types of coupling between the particle distribution and the magneto-induced deformation: absence of elastic coupling and presence of strong affine coupling. Predictions of a new formalism are in a qualitative agreement with existing experimental data.

Um die Leistung eines Zerkleinerungsprozesses zu maximieren, kann die Effektivität eines Kegelbrecher-Designs schnell und präzise durch ROCKY DEM evaluiert werden. Tatsächlich brechen Partikel, wenn sie einer ausreichenden Stoßenergie ausgesetzt sind. Diese Energie ist die ausgeführte Arbeit des Systems, um ein Teilchen zu brechen. Weiterhin berücksichtigt das Potapov-Donaue-Bruchmodell die Bruchfestigkeit der Teilchen und M. M ist eine Materialkonstante, die mit der Fragmentgrößenverteilung zusammenhängt. Diese Parameter werden durch ein Kalibrierverfahren ausgewählt, das eine Reihe von Freien-Tropfen-Labortests beinhaltet. Die Anzahl der notwendigen Tests hängt von den probabilistischen Überlegungen zu den Ergebnissen. Sobald die Parameter erhalten sind, wird eine ROCKY-Diskrete-Element-Methode-Simulation eines Kegelbrechers durchgeführt. Zuerst werden die Teilchen über dem Brecher kumuliert. Danach dreht und kippt der Kegelbrecher, um die Partikel an den Innenwänden zu zerkleinern. Damit können wir zeigen, dass die Maximierung des Massenflusses für eine gegebene Teilchenverteilung erreicht wird.