11 |
Energiespeicher im Niederspannungsnetz zur Integration dezentraler, fluktuierender EnergiequellenBodach, Mirko 30 June 2006 (has links)
Die Durchdringung der Niederspannungsnetze mit dezentralen fluktuierenden Einspeisern, insbesondere Photovoltaik-Anlagen,
steigt zukünftig stark an. Dadurch werden die öffentlichen Energieversorgungsnetze mit Leistungsfluktuationen beaufschlagt.
Zur Lösung der daraus resultierenden ingenieurtechnischen Probleme, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Dimensionierung
von Speichersystemen für elektrische Energie geschaffen.
|
12 |
Swiss-Roll Microbattery: Design, Fabrication, and IntegrationLi, Yang 04 January 2023 (has links)
Microbatteries are being considered as the critical components for portable and smart microelectronics, including remote sensors, micro-electromechanical systems, microrobots, implantable medical devices, and the Internet of Things, owing to their high energy densities, long life span, and facile on-chip integration. To date, tremendous efforts have been devoted to developing new methodologies for building high-performance microbatteries with minimum footprint areas. However, an effective and reliable fabrication procedure that is compatible with the modern microelectronics industry has not yet been reported for microbatteries so far. Two main issues need to be considered for the device design: (1) pursuing satisfying energy and power densities at limited footprint area is highly desired by constructing the 3D microelectrode architecture with high aspect ratio while reducing its footprint; (2) a novel technology is highly demanded to produce the 3D microstructure following an on-chip processing route which is compatible with the manufacturing procedure of microelectronic devices.
Rolled-up nanotechnology can transform a large-area planar precursor into a micrometer-sized Swiss-roll by careful strain-engineering and state-of-the-art micro-patterning techniques with a micro-origami self-assembly process, which reduces the device size for monolithic integration. This dissertation demonstrates brand-new 3D Swiss-roll microbatteries with high performance at a sub-square millimeter-scale by employing rolled-up nanotechnology. Two types of micro-batteries with different configurations have been designed and fabricated, including twin Swiss-roll and single Swiss-roll structures.
The twin Swiss-roll microbattery is fabricated based on two separated Swiss-roll micro-scaffolds with a parallel structure and controllable distance between them. The tuneable mesostructure benefits the mass loading of electroactive materials, rendering the excellent energy density at a greatly reduced footprint area. The twin Swiss-roll configuration is conducive to compatibility with novel battery chemistries due to its separated parallel Swiss-roll structure. In order to further decrease the overall footprint area, a single Swiss-roll configuration is designed for a fully integrated Swiss-roll microbattery. Micro-anode and micro-cathode are integrated into a single Swiss-roll configuration with an extremely small footprint area, which benefits the integration and miniaturization of microelectronics. Finally, an integrated device composed of a single Swiss-roll microbattery and UV photodetector is successfully fabricated within 1 mm2. The concept presented here enables the high-performance microbattery that can break through the limitation on microbattery’s footprint area, which opens up the new vision for the future on-chip microelectronics.:Table of contents
Chapter 1. Introduction 1
1.1. Background and motivation of this work 1
1.2. Dissertation structure 2
Chapter 2. Overview of 3D microbatteries 5
2.1. Electrochemical energy storage 5
2.2. Rechargeable zinc batteries 6
2.2.1. Alkaline rechargeable zinc batteries 7
2.2.2. Aqueous zinc ion batteries 8
2.2.3. Dual-ion hybrid zinc batteries 9
2.3. Configurations for 3D microbatteries 10
2.3.1. 3D sandwiched architecture 12
2.3.2. 3D interdigital architecture 13
2.3.3. Rolled-up microtubular architecture 15
2.4. Conclusion 17
Chapter 3. Overview of rolled-up technology 21
3.1. Self-rolled-up inorganic layers 21
3.2. Self-rolled-up polymeric shapeable platform 24
3.3. Applications of rolled-up nanomembranes for energy storage devices 26
3.3.1. Rolled-up active materials for LIBs 26
3.3.2. Rolled-up micro-platform for in-situ investigation 27
3.3.3. Rolled-up integratable 3D micro-capacitors/supercapacitors 29
Chapter 4. Experimental methods 35
4.1. Fabrication technologies 35
4.1.1. Photolithography 36
4.1.2. Electron beam evaporation 37
4.1.3. Magnetron sputtering deposition 38
4.1.4. Electrochemical deposition 39
4.2. Characterization methods 40
4.2.1. Scanning electron microscopy, focused ion beam milling, and energy dispersive spectrometry 40
4.2.2. X-ray diffraction 41
4.2.3. Raman spectroscopy 41
4.2.4. Electrochemical characterization 42
4.2.5. Finite element method simulations 43
Chapter 5. A twin Swiss-roll microbattery 45
5.1. Introduction 45
5.2. Fabrication and characterization of twin Swiss-roll microbattery 46
5.2.1. Reshape a 2D precursor to a 3D mesostructured Swiss-roll 46
5.2.2. The construction of Swiss-roll microelectrodes 48
5.3. Results and discussion 51
5.3.1. The encapsulation of twin Swiss-roll microbattery 51
5.3.2. Electrochemical performance of twin Swiss-roll microbattery 52
5.3.3. Practical applications of twin Swiss-roll microbattery 55
5.4. Conclusion 57
Chapter 6. A single Swiss-roll microbattery 59
6.1. Introduction 59
6.2. Fabrication of Swiss-roll Zn-Ag microbattery 60
6.2.1. Fabrication of micro-origami layer stack 61
6.2.2. Fabrication of battery components 63
6.2.3. Self-roll-up of single Swiss-roll microbattery 63
6.3. Results and discussion 65
6.3.1. Materials characterization 65
6.3.2. Electrolyte optimization 65
6.3.3. Electrochemical performance of single Swiss-roll microbattery 70
6.4. Conclusion 73
Chapter 7. Summary and outlook 75
7.1. Summary 75
7.2. Outlook 77
Bibliography 79
List of figures 87
List of tables 91
Versicherung 93
Acknowledgment 95
Publications and presentations 97
Curriculum vita 99
|
13 |
Erneuerbare Energien: Statistik der EnergiespeicherSong, Boheng 11 September 2023 (has links)
Die Energiepolitik der Bundesregierung strebt an, den Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland zu erhöhen, bis 2050 80 % des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien abzudecken. Um die Fluktuationen von Energieangebot und -nachfrage auszugleichen, ist die Integration von Flexibilisierungsmaßnahmen in das Energiesystem von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien. Diese Arbeit zielt darauf ab, mittels eines Modells zu bewerten, ob Energiespeichern die Netzsicherheit und -stabilität insgesamt verbessern können. Es wird der Bedarf und die Machbarkeit von Energiespeichersystemen diskutiert und es wird eine Regelstrategie für Netze mit Energiespeichersystemen entworfen.
Zunächst werden verschiedene Energiespeichertechnologien und ihre Anwendungen beschrieben. Anschließend erfolgt eine Analyse des deutschen Stromsektors im Jahr 2021 sowie eine Beschreibung des Wetters in Deutschland und der Technologie für Wind- und Solarenergie. Das deutsche Stromsystem wird mit Python modelliert. Dabei werden Daten aus dem Jahr 2021 verwendet und das Stromsystem unter verschiedenen Energiespeicher-szenarien simuliert. Ein Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung von Regelstrategie für die Modellierung und Bewertung von Energiespeichern und Flexibilitätsoptionen im Allgemeinen. Eine Szenarioanalyse bewertet die Einführung von Energiespeicher, wobei Entwicklungspfade für den Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor und den Kohleausstieg beschrieben werden. Dabei werden die Auswirkungen von Energiespeichern und Ausbau von Wind- und Solarenergie auf Stromüberschuss und CO_2-Emissionensfaktor untersucht.
Die Ergebnisse der Szenarioanalyse zeigen, dass die Nachfrage nach Energiespeichern im deutschen Energiesystem durch den Ausbau erneuerbarer Energien steigt. Die Reduzierung von Treibhausgasen kann durch den Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien im Stromsystem erreicht werden. Stationäre Batterien im Netz dienen als Flexibilitäts-maßnahme zur kurzfristigen Anpassung von Stromangebot und -nachfrage, während Power-to-Gas für die langfristige Stromangebot und -nachfrage genutzt wird. Die Studie zeigt, dass Energiespeicher einen wesentlichen Beitrag zur Flexibilität und Netzstabilität des deutschen Energiesystems leisten können.Erneuerbare Energien:Abbildungsverzeichnis VII
Tabellenverzeichnis IX
Symbolverzeichnis XI
Abkürzungsverzeichnis XV
Kapitel 1 Einleitung 1
1.1 Hintergrund 1
1.2 Aufbau der Arbeit 2
Kapitel 2 Der Energiespeicher 4
2.1 Der Energiespeicher 4
2.2 Mechanische Speicher 5
2.2.1 Pumpenergiespeicher 6
2.2.2 Druckluftspeicher 8
2.2.3 Schwungradspeicher 10
2.3 Elektrischespeicher 12
2.3.1 Kondensatoren/Supercaps 12
2.3.2 Supraleitender magnetischer Spulen 14
2.4 Elektrochemische Speicher 15
2.4.1 Blei-Säure-Batterien 15
2.4.2 Lithium-Ionen-Batterien 17
2.4.3 Redox-Flow-Batterien 18
2.5 Chemischer Speicher 20
2.5.1 Power-to-Gas 21
2.5.2 Power-to-Liquid 23
2.6 Thermische Speicher 24
2.7 Energiespeicherstrukturen in Deutschland 25
Kapitel 3 Stromangebot und -nachfrage 28
3.1 Energiesystem 28
3.2 Analyse von Stromangebot und -nachfrage in Deutschland 29
3.3 Das Wetter in Deutschland 33
3.4 Windenergietechnik 35
3.5 Solarenergietechnik 36
Kapitel 4 Das Forschungsprojekt 38
4.1 Einleitung 38
4.2 Stromnetzmodell 38
4.2.1 Datenaufbereitung 39
4.2.2 Modellierung der Wind- und Photovoltaikanlage 40
4.2.3 Modellierung des Speichersystems 44
4.2.4 Modell des Stromnetzes 47
4.3 Simulation 49
4.3.1 Stromnetzmod ohne Energiespeicher 49
4.3.2 Stromnetz mit Batteriespeicher 51
4.3.3 Stromnetz mit hybriden Energiespeichern 53
4.4 Regelstrategie 55
4.4.1 Extraktion typischer Regelstrategie 55
4.4.2 Stromnetze mit Regelstrategie 57
Kapitel 5 Szenarien und Ergebnisse 60
5.1 Zukunftsprojektionen 60
5.1.1 Stromversorgung der letzten 25 Jahre 61
5.1.2 Zukunftsprojektionen 1 62
5.1.3 Zukunftsprojektionen 2 64
5.2 Zeitreihenanalyse 66
5.3 CO_2 - Emissionsfaktor 69
5.4 Bewertung des Modells 71
5.4.1 Bewertung des Netzmodells 72
5.4.2 Bewertung der Regelstrategie 73
5.5 Diskussion der Ergebnisse 74
5.5.1 Ergebnisse der erneuerbaren Energien auf das Netz 74
5.5.2 Ergebnisse der Energiespeicher auf das Netz 75
Kapitel 6 Fazit und Ausblick 78
6.1 Fazit 78
6.2 Ausblick 80
Quellenverzeichnis XVII
Anhang XXIV
|
14 |
Strain engineered nanomembranes as anodes for lithium ion batteriesDeng, Junwen 30 January 2015 (has links) (PDF)
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.
|
15 |
Entwicklung von Werkzeugen zur automatisierten Traktionsspeicherdimensionierung auf dieselelektrisch angetriebenen SchienenfahrzeugenMelzer, Michael 30 July 2014 (has links) (PDF)
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.
|
16 |
Analyse von Strömungseffekten in SchichtenladersystemenBuhl, Marcus 01 October 2018 (has links)
Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader.
Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted.
3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system.
Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.
|
17 |
Ökonomische Bewertung von innovativen Speichertechnologien in Energiesystemen mit einem hohen Anteil erneuerbarer EnergienKondziella, Hendrik 04 May 2017 (has links) (PDF)
Diese Arbeit geht der Frage nach, ob sich durch die stattfindende Transformation zu einem kohlenstoffarmen Energiesystem in Deutschland auch Marktchancen für innovative Marktteilnehmer, insbesondere für Speicherbetreiber, herausbilden. Die ökonomischen Effekte, die in Energiesystemen mit hohen Anteilen an variablen erneuerbaren Energien (vEE) auftreten, können durch deren Integrationskosten gemessen werden. Die wissenschaftlichen Untersuchungen in Bezug auf den zusätzlichen Speicher- bzw. Flexibilitätsbedarf für ein solches Energiesystem setzen häufig bei den Ungleichgewichten in der Systembilanz an. Den jeweiligen Methoden liegen jedoch unterschiedliche Annahmen und Rahmenbedingungen zu Grunde, sodass die Ergebnisse nur eingeschränkt miteinander verglichen werden können. Der stündlich schwankende Großhandelspreis an der Strombörse ist ein wichtiger Indikator, um den Flexibilitätsbedarf zu signalisieren. Viele Analysen legen historische oder auch prognostizierte Preiszeitreihen für eine Bewertung von Speicheroptionen zu Grunde. Jedoch wird dabei die Rückkopplung der Betriebsweise eines Energiespeichers auf die Marktpreise außen vor gelassen. In dieser Arbeit wird deshalb eine Methode entwickelt, um den Einfluss eines steigenden Marktvolumens an Speichern und anderen Flexibilitätsoptionen auf die Spotmarktpreise abzuschätzen. Untersucht wird der Einfluss des Speichereinsatzes auf die Stromnachfrage und die Spotmarktpreise in 2020 sowie 2030. Die hierfür zu definierenden Szenarien für den Strommarkt werden modellgestützt abgebildet und ausgewertet. Für die Beantwortung der Fragestellung werden techno-ökonomische Modelle, z.B. das Strommarktmodell MICOES zur Kraftwerkseinsatzplanung, das Modell DeSiflex zur Glättung der Residuallast durch integrierte Flexibilitätsoptionen sowie das Modell Arturflex zur Abschätzung der Arbitragegewinne durch Einsatz von Flexibilitätsoptionen am Spotmarkt, herangezogen.
|
18 |
Machbarkeitsuntersuchung zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen VersorgungssystemenUrbaneck, Thorsten, Uhlig, Ulf, Platzer, Bernd, Schirmer, Ulrich, Göschel, Thomas, Zimmermann, Dieter 30 March 2006 (has links) (PDF)
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.
|
19 |
Forschungsbericht – Solarthermie 2000plus – Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und ErdbeckenspeicherGöppert, Stefan, Lohse, Rolf, Urbaneck, Thorsten, Schirmer, Ulrich, Bühl, Jürgen, Nilius, Andreas, Platzer, Bernd 26 June 2009 (has links) (PDF)
Im Projekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für
Tank- und Erdbeckenspeicher“ des Forschungsprogramms „Solarthermie 2000plus“
wurden von 2004 bis 2008 unterschiedliche Konstruktionen zur Be- und Entladung
thermischer Speicher experimentell und mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht.
Wesentliche Ziele dieses Projektes waren:
- die Systematisierung und Analyse bestehender Konstruktionen,
- die Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen,
- die Ableitung von Richtlinien für Planung und Auslegung,
- die Untersuchung der Übertragbarkeit vom Experiment auf Mittel- und Großspeicher
sowie
- die Einbindung von Industriepartnern (Kooperation und Praxistests).
Das Projekt wurde an der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit
dem Projektpartner Technische Universität Ilmenau durchgeführt. Die Ergebnisse der
Untersuchungen und die gewonnenen Erkenntnisse werden im Bericht detailliert erläutert.
|
20 |
Biomass derived carbon for new energy storage technologiesSchipper, Florian January 2014 (has links)
The thesis deals with the production and evaluation of porous carbon materials for energy storage technologies, namely super capacitors and lithium sulfur batteries. / Die Doktorarbeit befasst sich mit der Produktion und Evaluierung poröser Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Energiespeichertechnologien, namentlich Superkondensatoren und Lithiumschwefelbatterien.
|
Page generated in 0.0633 seconds