Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.

University, Diss., 2007--Kassel.

Next generation telecommunication satellites will demand an increasing amount of power in the range of 30 kW or more within the next 10 years. Battery technology that can sustain 30 kW for an eclipse length of up to 72 minutes will represent a major impact on the total mass of the satellite, even with new Li-ion battery technologies. Regenerative fuel cell systems (RFCS) were identified years ago as a possible alternative to rechargeable batteries. Nevertheless, one major drawback was identified by several independent system studies, namely the need to dissipate large amounts of heat from the fuel cell (FC) during eclipse. This in turn requires massive thermal hardware (mainly large radiators) that can contribute up to 50% of the system mass. In order to overcome this issue, the use of metal hydrides (MH) as combined hydrogen and heat storage system was suggested as a starting point of the research presented in this thesis. During eclipse the FC must dissipate waste heat, and at the same time the MH tank must absorb heat in order to desorb hydrogen. Rather than dissipating the waste heat from the FC directly through a radiator, it can be stored solely, or partly, in the MH tank, to be dissipated during Equinox, with a 20 times slower rate, requiring a radiator with significantly less volume and mass. This thesis aims to present the potential of using such MH storage tanks to alternately store hydrogen and waste heat from the FC on-board a spacecraft, investigated by theoretical and experimental means. The model application for the MH tank technology considered in this thesis is a 39 kW telecommunication satellite. Nevertheless, the derived results are to be considered a generic outcome and can be translated or scaled to many other applications. / Es kann davon ausgegangen werden, dass der Trend hin zu Telekommunikationssatelliten mit immer höherer Leistung in den nächsten 10 Jahren zu Satelliten-Plattformen mit 30kW und mehr führen wird. Batterien, welche eine Leistung von 30kW für Eklipse-Längen von 72 Minuten zur Verfügung stellen müssen, werden daher einen immer größeren Einfluss auf die Gesamtmasse des Satelliten haben. Regenerative Brennstoffzellensysteme wurden daher schon vor Jahren als mögliche Alternative zu wieder aufladbaren Batterien untersucht. Mehrere unabhängige Studien sind zu dem Schluss gekommen, dass die größte Problematik in der Einführung von Brennstoffzellensystemen auf Satelliten darin besteht, die relativ großen Mengen an Abwärme effizient abzustrahlen. Die Radiatoren, die hierfür benötigt werden können 50% der Masse des Gesamtsystems ausmachen. Um dieses Problem zu überwinden wurde als Startpunkt der vorliegenden Arbeit die Nutzung von Metallhydriden als kombinierter Wasserstoff- und Wärmespeicher vorgeschlagen. Während sich der Satellit im Erdschatten befindet produziert die Brennstoffzelle Abwärme, während zur gleichen Zeit der Metallhydrid-Tank Wärme benötigt um Wasserstoff freizusetzen. Die Abwärme der Brennstoffzelle muss daher nicht direkt über Radiatoren abgestrahlt werden, sondern wird von Metallhydrid-Tank absorbiert um dann während dem restlichen Erdumlauf 20 mal langsamer mit einem deutlich kleinerem und leichteren Radiator abgegeben werden zu können. Diese Arbeit hat zum Ziel, das durch analytische und experimentelle Methoden untersuchte Potential der Anwendung einer solchen Technologie auf Satelliten zu präsentieren. Die Modellapplikation für diese Arbeit ist ein 39kW Telekommunikationssatellit. Die Ergebnisse lassen sich allerdings auch auf andere Anwendungen skalieren und übertragen.

Next generation telecommunication satellites will demand an increasing amount of power in the range of 30 kW or more within the next 10 years. Battery technology that can sustain 30 kW for an eclipse length of up to 72 minutes will represent a major impact on the total mass of the satellite, even with new Li-ion battery technologies. Regenerative fuel cell systems (RFCS) were identified years ago as a possible alternative to rechargeable batteries. Nevertheless, one major drawback was identified by several independent system studies, namely the need to dissipate large amounts of heat from the fuel cell (FC) during eclipse. This in turn requires massive thermal hardware (mainly large radiators) that can contribute up to 50% of the system mass. In order to overcome this issue, the use of metal hydrides (MH) as combined hydrogen and heat storage system was suggested as a starting point of the research presented in this thesis. During eclipse the FC must dissipate waste heat, and at the same time the MH tank must absorb heat in order to desorb hydrogen. Rather than dissipating the waste heat from the FC directly through a radiator, it can be stored solely, or partly, in the MH tank, to be dissipated during Equinox, with a 20 times slower rate, requiring a radiator with significantly less volume and mass. This thesis aims to present the potential of using such MH storage tanks to alternately store hydrogen and waste heat from the FC on-board a spacecraft, investigated by theoretical and experimental means. The model application for the MH tank technology considered in this thesis is a 39 kW telecommunication satellite. Nevertheless, the derived results are to be considered a generic outcome and can be translated or scaled to many other applications.:1 Introduction 2 The Metal Hydride Regenerative Fuel Cell System (MH-RFCS) 3 Metal Hydride Material Selection and Characterization 4 Design and Optimization of the Metal Hydride Tank System 5 Design and Manufacturing of a Technology Demonstrator 6 Simulation of the Metal Hydride Tank Performance 7 Experimental Results and Discussion 8 Outlook 9 Bibliography / Es kann davon ausgegangen werden, dass der Trend hin zu Telekommunikationssatelliten mit immer höherer Leistung in den nächsten 10 Jahren zu Satelliten-Plattformen mit 30kW und mehr führen wird. Batterien, welche eine Leistung von 30kW für Eklipse-Längen von 72 Minuten zur Verfügung stellen müssen, werden daher einen immer größeren Einfluss auf die Gesamtmasse des Satelliten haben. Regenerative Brennstoffzellensysteme wurden daher schon vor Jahren als mögliche Alternative zu wieder aufladbaren Batterien untersucht. Mehrere unabhängige Studien sind zu dem Schluss gekommen, dass die größte Problematik in der Einführung von Brennstoffzellensystemen auf Satelliten darin besteht, die relativ großen Mengen an Abwärme effizient abzustrahlen. Die Radiatoren, die hierfür benötigt werden können 50% der Masse des Gesamtsystems ausmachen. Um dieses Problem zu überwinden wurde als Startpunkt der vorliegenden Arbeit die Nutzung von Metallhydriden als kombinierter Wasserstoff- und Wärmespeicher vorgeschlagen. Während sich der Satellit im Erdschatten befindet produziert die Brennstoffzelle Abwärme, während zur gleichen Zeit der Metallhydrid-Tank Wärme benötigt um Wasserstoff freizusetzen. Die Abwärme der Brennstoffzelle muss daher nicht direkt über Radiatoren abgestrahlt werden, sondern wird von Metallhydrid-Tank absorbiert um dann während dem restlichen Erdumlauf 20 mal langsamer mit einem deutlich kleinerem und leichteren Radiator abgegeben werden zu können. Diese Arbeit hat zum Ziel, das durch analytische und experimentelle Methoden untersuchte Potential der Anwendung einer solchen Technologie auf Satelliten zu präsentieren. Die Modellapplikation für diese Arbeit ist ein 39kW Telekommunikationssatellit. Die Ergebnisse lassen sich allerdings auch auf andere Anwendungen skalieren und übertragen.:1 Introduction 2 The Metal Hydride Regenerative Fuel Cell System (MH-RFCS) 3 Metal Hydride Material Selection and Characterization 4 Design and Optimization of the Metal Hydride Tank System 5 Design and Manufacturing of a Technology Demonstrator 6 Simulation of the Metal Hydride Tank Performance 7 Experimental Results and Discussion 8 Outlook 9 Bibliography

Die Dissertationsschrift untersucht die Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt mit einem besonderen Fokus auf Wärmepumpen und Wärmenetzen. Vor dem Hintergrund des steigenden Ausbaus erneuerbarer Energien und der langfristigen Klimaziele stellt sich dabei die Frage der Wirkung, welche die Kopplung von Strom- und Wärmemarkt auf die Reduktion der CO2-Emissionen, die Energiesystemkosten und die Integration der erneuerbaren Energien hat. Zur Beantwortung der Forschungsfrage wird das lineare Optimierungsmodell Enertile um zwei Wärmemodule zur Berücksichtigung von Wärmepumpen und Wärmenetzen erweitert. Im Unterschied zu anderen Modellen wird in der Implementierung für diese Arbeit der Ausbau und der Einsatz der erneuerbaren Energien, der KWK und der weiteren fossilen Kraftwerkskapazitäten gleichzeitig optimiert, wodurch eine Analyse der Wechselwirkungen zwischen dem Ausbau erneuerbarer Energien und der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt möglich ist. Die in dieser Arbeit vorgenommene modellgestützte Analyse zeigt die große Bedeutung der Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt. Im Rahmen einer langfristigen Dekarbonisierung der Energieversorgung durch einen verstärkten Ausbau von erneuerbaren Energien ergeben sich sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt. Die Modellierung der Wärmepumpen zeigt für den gesamten Zeitraum ab 2020 deutlich geringere spezifische CO2-Emissionen gegenüber der Wärmeerzeugung in modernen Gasbrennwertkesseln. Die Ergebnisse zeigen auch, dass bivalente Systeme – die kombinierte Nutzung verschiedener Wärmeerzeugungstechnologien wie beispielsweise KWK, Gasheizkessel und Elektroheizkessel – vor dem Hintergrund der Umstrukturierung des Stromsektors eine wichtige Rolle spielen. Langfristig stellt die flexible Wärmebereistellung durch elektrische Heizungstechnologien insbesondere bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien eine kostengünstige und CO2-arme Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung dar.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangslage 1 1.2 Problemstellung 3 1.3 Zielsetzung und Vorgehen 4 2 Rahmenbedingungen auf dem Strom- und Wärmemarkt in Deutschland 7 2.1 Rahmenbedingungen auf dem Strommarkt 7 2.2 Rahmenbedingungen auf dem Wärmemarkt 12 2.3 Schlussfolgerungen für diese Arbeit 16 3 Modellierung der Interaktionen von Strom- und Wärmemarkt 17 3.1 Stand der Forschung und Anforderungen an das Modell 17 3.2 Modelle zur Untersuchung von Strom- und Wärmemarkt 18 3.3 Stromsystemoptimierung Enertile 21 3.3.1 Eingangsdaten und Ergebnisse 23 3.3.2 Problemformulierung 24 3.4 Modellerweiterung zur Integration des Wärmemarktes 26 3.4.1 Wärmepumpen 26 3.4.2 Wärmenetze 32 4 Unsicherheiten in Energiesystemmodellen 42 4.1 Unsicherheiten im Rahmen dieser Arbeit 42 4.2 Methoden zum Umgang mit Unsicherheiten in Energiesystemmodellen 43 4.3 Szenarienentwicklung und Sensitivitäten 47 5 Definition von Szenarien zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strom- und Wärmemarkt 50 5.1 Szenarienübersicht 50 5.2 Zentrale Annahmen 51 5.3 Strommarkt 56 5.3.1 Erneuerbare Energien 56 5.3.2 Konventionelle Kraftwerke 57 5.3.3 Stromnachfrage 59 5.4 Wärmenetze 59 5.5 Wärmepumpen 63 5.6 Sensitivitäten 65 5.7 Kritische Reflexion der Annahmen 66 6 Modellgestützte Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strom- und Wärmemarkt 68 6.1 Einfluss auf die CO2-Emissionen 69 6.1.1 Strommarkt 69 6.1.2 Wärmepumpen 72 6.1.3 Wärmenetze 77 6.2 Entwicklung des Kraftwerksparks und des Erzeugungsmixes 82 6.2.1 Strommarkt 82 6.2.2 Wärmepumpen 95 6.2.3 Wärmenetze 106 6.2.4 Integration erneuerbarer Energien auf dem Strommarkt 128 6.3 Änderung der Systemkosten durch die Kopplung von Strom- und Wärmemarkt 131 6.3.1 Kosten der Stromerzeugung 132 6.3.2 Kosten der Wärmeerzeugung in Wärmepumpen 134 6.3.3 Kosten der Wärmeerzeugung in Wärmenetze 136 6.4 Zusammenfassung der Szenarienanalyse 140 6.4.1 Einfluss der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt bei ambitionierten Klimaschutz 140 6.4.2 Einfluss der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt bei mäßigem Klimaschutz 141 7 Sensitivitäten 142 7.1 Stabile Brennstoffpreise 142 7.2 Potentiale von erneuerbaren Energien 145 7.3 Isolierte Effekte von Elektroheizkesseln und KWK 148 7.3.1 Keine KWK 148 7.3.2 Keine Elektroheizkessel 150 7.4 Hohe Flexibilität der Wärmepumpen 151 7.5 Zusammenfassung Sensitivitäten 152 8 Zusammenfassung 154 8.1 Motivation und Forschungsfrage 154 8.2 Methodisches Vorgehen 154 8.3 Ergebnisse 155 8.4 Schlussfolgerungen und kritische Reflektion 156 8.4.1 Szenarienanalyse 156 8.4.2 Methodik 157 8.4.3 Ausblick 159

Die elektrische Energieform gewinnt im Kraftfahrzeug wegen ihrer Nutzungsvielfalt und sehr guten Steuerbarkeit für die Realisierung neuartiger Funktionen zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für ihren Einsatz ist eine zuverlässige und effiziente Bereitstellung durch das Kfz-Energiebordnetz. Dafür ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich, welches mit geeigneten Strategien die Leistungsflüsse im Energiesystem koordiniert. In dieser Arbeit werden die beiden Entwurfsziele der Zuverlässigkeit und der Effizienz bei der Entwicklung von elektrischen Energiemanagement-Strategien systematisch betrachtet. Es erfolgt eine Beschreibung und Zuordnung der einzelnen Ziele und Maßnahmen anhand der Energieflüsse und Wirkungsketten. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Beherrschung von Lastwechseln im Bordnetz. Für Aussagen hinsichtlich einer effizienten Erzeugung elektrischer Energie erfolgt eine Untersuchung der Energiewandlungskette anhand analytischer Methoden und mit Hilfe einer simulationsgestützten Optimierung. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt in der Betrachtung zur Anwendung ökonomischer Modelle für eine Energiekoordination. Es werden die theoretischen Grundlagen der Mikroökonomie zusammengestellt und mögliche Funktionsstrukturen eines einseitigen und zweiseitigen Allokationsmechanismus verglichen und bewertet. Abschließend zeigen experimentelle Untersuchungen an einem Bordnetzprüfstand zum Lastwechselverhalten und die Integration eines Energiemanagement-Systems den praktischen Bezug zum realen System.

Die elektrische Energieform gewinnt im Kraftfahrzeug wegen ihrer Nutzungsvielfalt und sehr guten Steuerbarkeit für die Realisierung neuartiger Funktionen zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für ihren Einsatz ist eine zuverlässige und effiziente Bereitstellung durch das Kfz-Energiebordnetz. Dafür ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich, welches mit geeigneten Strategien die Leistungsflüsse im Energiesystem koordiniert. In dieser Arbeit werden die beiden Entwurfsziele der Zuverlässigkeit und der Effizienz bei der Entwicklung von elektrischen Energiemanagement-Strategien systematisch betrachtet. Es erfolgt eine Beschreibung und Zuordnung der einzelnen Ziele und Maßnahmen anhand der Energieflüsse und Wirkungsketten. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Beherrschung von Lastwechseln im Bordnetz. Für Aussagen hinsichtlich einer effizienten Erzeugung elektrischer Energie erfolgt eine Untersuchung der Energiewandlungskette anhand analytischer Methoden und mit Hilfe einer simulationsgestützten Optimierung. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt in der Betrachtung zur Anwendung ökonomischer Modelle für eine Energiekoordination. Es werden die theoretischen Grundlagen der Mikroökonomie zusammengestellt und mögliche Funktionsstrukturen eines einseitigen und zweiseitigen Allokationsmechanismus verglichen und bewertet. Abschließend zeigen experimentelle Untersuchungen an einem Bordnetzprüfstand zum Lastwechselverhalten und die Integration eines Energiemanagement-Systems den praktischen Bezug zum realen System.

Die Dissertation liefert einen Beitrag zur Modellierung und optimalen Ansteuerung von vernetzten hybriden Energiesystemen. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung einer modellprädiktiven Regelung (MPC) für konkrete Energiesysteme. Dafür wird eine Betrachtung zu berücksichtigender wirtschaftlicher und technischer Rahmenbedingungen vorgenommen, die zur Formulierung notwendiger Nebenbedingungen für die MPC genutzt wird. Für den Umgang mit dem ansteigenden Rechenbedarf der MPC bei steigender Systemzahl wird ein alternativer Ansatz auf Basis eines auktionsbasierten Algorithmus vorgestellt. Die Modellierung der Energiesysteme wird ausgehend von einer bestehenden Laboranlage vorgenommen. Die Erprobung der vorgestellten Ansätze erfolgt in einer Simulationsumgebung, die die Untersuchung verschiedener Szenarien erlaubt. Im Rahmen der Simulationsszenarien mit unterschiedlicher Systemzahl und Zusammensetzung der Energie-systeme wird eine Sensibilitätsanalyse der vorgestellten MPC vorgenommen. Die Interpretation der Ergebnisse erfolgt auf Basis numerischer und empirischer Bewertungskriterien.

Die Bundesregierung plant im Rahmen der Energiewende den Anteil von erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland von heute rund 25% auf 80% bis zum Jahr 2050 auszubauen. Damit stehen auch dem Stromsektor in Sachsen grundlegende Veränderungen bevor. Derzeit leistet im Freistaat Sachsen die Braunkohle den größten Beitrag zur Elektrizitätsbereitstellung. Mit dem zunehmenden Ausbau an erneuerbaren Energien steigt der Anteil dargebotsabhängiger Energieträger. Daraus resultieren technische und wirtschaftliche Herausforderungen für das bestehende Energiesystem, wie z.B. die künftige Bereitstellung von Systemdienstleistungen. Mit diesen und weiteren Fragestellungen zur Transformation des Elektrizitätssystems haben sich Nachwuchswissenschaftler der TU Dresden in den vergangenen zwei Jahren im Rahmen des vom Europäischen Sozialfonds – ESF geförderten Projekts EnerSAX auseinander gesetzt. Neben der Erstellung einer Potenzialanalyse für Sachsen wurden sowohl technische Fragestellungen,wie z.B. die Auswirkungen der Integration erneuerbarer Energien auf die Übertragungs-, Verteilungs-und Niederspannungsnetze, als auch ökonomische Fragestellung, wie z.B. die künftige Ausgestaltung der Regelenergiemärkte, untersucht. Durch die Zusammenarbeit der Nachwuchsforscher aus den Bereichen der Elektrotechnik und Energiewirtschaft konnten so integrierte Lösungsansätze zur Ausgestaltung einer weitgehend auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgung mit dem Fokus auf Sachsen im transnationalen Kontext erarbeitet werden. Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Projekt werden in diesem Buch vorgestellt.

Die Bundesregierung plant im Rahmen der Energiewende den Anteil von erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland von heute rund 25% auf 80% bis zum Jahr 2050 auszubauen. Damit stehen auch dem Stromsektor in Sachsen grundlegende Veränderungen bevor. Derzeit leistet im Freistaat Sachsen die Braunkohle den größten Beitrag zur Elektrizitätsbereitstellung. Mit dem zunehmenden Ausbau an erneuerbaren Energien steigt der Anteil dargebotsabhängiger Energieträger. Daraus resultieren technische und wirtschaftliche Herausforderungen für das bestehende Energiesystem, wie z.B. die künftige Bereitstellung von Systemdienstleistungen. Mit diesen und weiteren Fragestellungen zur Transformation des Elektrizitätssystems haben sich Nachwuchswissenschaftler der TU Dresden in den vergangenen zwei Jahren im Rahmen des vom Europäischen Sozialfonds – ESF geförderten Projekts EnerSAX auseinander gesetzt. Neben der Erstellung einer Potenzialanalyse für Sachsen wurden sowohl technische Fragestellungen,wie z.B. die Auswirkungen der Integration erneuerbarer Energien auf die Übertragungs-, Verteilungs-und Niederspannungsnetze, als auch ökonomische Fragestellung, wie z.B. die künftige Ausgestaltung der Regelenergiemärkte, untersucht. Durch die Zusammenarbeit der Nachwuchsforscher aus den Bereichen der Elektrotechnik und Energiewirtschaft konnten so integrierte Lösungsansätze zur Ausgestaltung einer weitgehend auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgung mit dem Fokus auf Sachsen im transnationalen Kontext erarbeitet werden. Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Projekt werden in diesem Buch vorgestellt.