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.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

Inhalt: Energieforschungsprogramm des Bundes: Förderkonzept solar optimiertes Bauen Planungsfehler beim Feuchte- und Wärmeschutz von Fußbodenkonstruktionen Heat insulation and indoor climate control in arid areas (Toshky Region) Hygrisch motivierter Wärmeschutz Anlagentechnische Möglichkeiten für die EnEV – Was tun ? Mangelhafter Schallschutz von Gebäuden – Beispiele aus der Praxis Biomassenutzung zur Kraft- und Wärmebereitstellung - ein Blick nach Österreich Challenges and opportunities for solar energy use and energy efficiency measures for buildings and settlements in Dalmatia Wärmecontracting - Eine Dienstleistung zur Kostenminimierung ?

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

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.

Im Jahr 1964 wurde eine Theorie der Supraleitung vorgestellt, welche Cooper-Paarbindungen mit nichtverschwindendem Gesamtimpuls berücksichtigt. Sie wird nach den maßgeblich beteiligten Physikern P. Fulde, R. A. Ferrell, A. I. Larkin und Y. N. Ovchinnikov als FFLO-Supraleitung bezeichnet [1, 2]. Aufgrund recht anspruchsvoller Voraussetzungen kommen nur wenige Festkörper-Systeme in Frage, die eine FFLO-Phase ausbilden könnten. Im Jahr 2007 konnte R. Lortz durch Messungen der spezifischen Wärme an dem organischen Supraleiter kappa-(ET)2Cu(NCS)2 einen soliden Nachweis für eine weitere thermodynamische Supraleitungs-Phase in hohen Magnetfeldern erbringen [3]. ET steht hierbei für Bis-(ethylen-dithiolo)-tetrathiafulvalen. Die Hochfeld-Phase von kappa-(ET)2Cu(NCS)2 erfüllt alle bekannten Bedingungen für einen FFLO-Zustand. Diese Arbeit befasst sich mit der Erbringung eines gleichwertigen Beweises einer thermodynamischen Hochfeld-Supraleitungs-Phase in dem quasi-zweidimensionalen und vollständig organischen Supraleiter beta\'\'-(ET)2SF5CH2CF2SO3 durch hochauflösende Messungen der spezifischen Wärme. Darüber hinaus sollte durch eine präzise Ausrichtung der Probe zum Magnetfeldvektor die Feldorientierungsabhängigkeit der spezifischen Wärme und damit der supraleitenden Phasen bestimmt werden. [1] - P. Fulde and R.A. Ferrell, Phys. Rev., 135:A550, (1964). [2] - A.I. Larkin and Y.N. Ovchinnikov, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 47:1136,(1964). [3] - R. Lortz et al., Phys. Rev. Lett., 99:187002, (2007).

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.

Diese Dokumentation beschreibt Daten zum deutschen Strom- Wärme- und Gassektor und ermöglicht eine modellgestützte Abbildung dieser Energiesysteme. Die Aufbereitung der Daten erfolgte im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojekts LKD-EU (Langfristige Planung und kurzfristige Optimierung des Elektrizitätssystems in Deutschland im europäischen Kontext, FKZ 03ET4028C). In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), der Arbeitsgruppe Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) der Technischen Universität Berlin (TUB), dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft (EE2), der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem House of Energy Markets & Finance der Universität Duisburg-Essen (UDE). Ziel des Dokumentes ist es, Referenzdaten zur Verfügung zu stellen, die den aktuellen Zustand des deutschen Energiesystems repräsentieren. Das Bezugsjahr ist 2015. Diese Dokumentation trägt dazu bei, die Transparenz in der Verfügbarkeit von Daten zum deutschen Energiesystem zu erhöhen. / This data documentation describes a data set of the German electricity, heat, and natural gas sectors compiled within the research project ‘LKD-EU’ (Long-term planning and short-term optimization of the German electricity system within the European framework: Further development of methods and models to analyze the electricity system including the heat and gas sector). The project is a joined effort by the German Institute for Economic Research (DIW Berlin), the Workgroup for Infrastructure Policy (WIP) at Technische Universität Berlin (TUB), the Chair of Energy Economics (EE2) at Technische Universität Dresden (TUD), and the House of Energy Markets & Finance at University of Duisburg-Essen. The project was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy through the grant ‘LKD-EU’, FKZ 03ET4028A. The objective of this paper is to document a reference data set representing the status quo of the German energy sector. We also update and extend parts of the previous DIW Data Documentation 75 (Egerer et al. 2014). While the focus is on the electricity sector, the heat and natural gas sectors are covered as well. With this reference data set, we aim to increase the transparency of energy infrastructure data in Germany. On the one hand, this documentation presents sources of original data and information used for the data set. On the other hand, it elaborates on the methodologies which have been applied to derive the data from respective sources in order to make it useful for modeling purposes and to promote a discussion about the underlying assumptions. Furthermore, we briefly discuss the underlying regulations with regard to data transparency in the energy sector. Where not otherwise stated, the data included in this report is given with reference to the year 2015 for Germany.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Auswirkungen ungeregelt und mit konstanter Leistung ins Mittelspannungsnetz einspeisender dezentraler Erzeugungseinheiten, beispielsweise mit Erdgas betriebener Motor-BHKW oder Brennstoffzellen untersucht. Insbesondere werden Lastfluss und Netzverluste in Abhängigkeit von Ort und Höhe der dezentral eingespeisten Leistung ermittelt. Nach Vorstellung anerkannter Bewertungsmethoden und bestehender Versorgungskonzepte werden anhand eines Beispielnetzes verschiedene Szenarien entwickelt und mittels vergleichender Ökobilanz ganzheitlich bewertet. Ziel der Arbeit ist die Ermittlung eines Szenarios mit minimalen Stromwärmeverlusten unter ausschließlichem Einsatz dezentral mit konstanter Leistung einspeisender Erzeugungseinheiten. Dies ist erfüllt, wenn an jedem Knoten im Mittelspannungsnetz exakt die mittlere Jahresleistung eingespeist wird. Die Stromwärmeverluste sind dann um 85 % niedriger als im Ausgangsszenario ohne dezentrale Einspeisung. Nachteilig an diesem Konzept sind die zeitweilige Lastflussumkehr und die verglichen mit konventionellen Großkraftwerken hohen Erzeugungskosten. / This diploma thesis deals with un-controlled mini cogeneration plants in medium voltage grids. The aim of the thesis is to evaluate and to explain the correlation between small decentralized power generation, transportation losses and load-flow inversion. Several scenarios are developed and evaluated via life cycle assessment. In the optimum scenario, transportation losses are 85 % lower compared to the original scenario without decentralized generation. Disadvantages of the optimised scenario are load-flow inversion and relatively high costs.

Zur in situ Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserstromes in nur einer Bohrung wurde ein Mikroflowmeter auf der Basis der kontinuierlich thermischen Anregung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf der Deformation des Temperaturfeldes, das sich in Abhängigkeit vom antreibenden Gradienten des Grundwasserstromes mehr oder weniger stark unsymmetrisch als Wärmefahne im Messbereich der Sonde abbildet. Von Interesse sind dabei horizontale Fluidbewegungen mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Zur Realisierung der Aufgabenstellung werden sowohl eine Modellierung des Wärmetransports als auch Versuche zur Simulation von Strömungsvorgängen und Testmessungen im Gelände durchgeführt. Als Ergebnis der Abhandlung verschiedener numerischer Randwertprobleme erweist sich die Temperaturabhängigkeit der Fluiddichte als eine nicht zu vernachlässigende Einflussgröße, die in Form einer nach oben gerichteten Auftriebsströmung den Wärmetransport maßgebend bestimmt. Infolge der Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion wird eine Mitführung von Wärme mit der Grundwasserbewegung gehemmt und die Ausbildung einer in Strömungsrichtung weisenden Wärmefahne drastisch eingeschränkt. Laborversuche bestätigen die am numerischen Modell gewonnenen Ergebnisse.