Fossil fuels are the major sources of electrical power generation in the world. Among all fossil fuels, oil is considered as the most sought-after fuel. The burden on countries that provide subsidized electricity produced from oil-fired power plants is noteworthy. Kuwait is a notable example of these countries. Electricity in Kuwait is heavily consumed by residential air conditioning, which comprises 60% of the total electricity generated at peak times on a hot summer day. From this perspective, residential air conditioning in Kuwait was selected to undergo further investigation regarding low energy air conditioning choices. Three solutions to control the rapid growth of demand for electricity by residential air conditioning are examined. The first solution investigated assesses the orientation and grouping of houses in Kuwait in order to examine their effect on cooling load and electrical energy consumption for future houses. Four residential cases were developed; each case comprises six typical houses. The cases identified are: (1) single block facing east-west, (2) single block facing north-south, (3) double block facing east-west and (4) double block facing north-south. Cooling loads are calculated using the DesignBuilder building thermal simulation software. Case (2) is found to have the smallest cooling load, and case (1) the largest. The estimated savings from applying case (2) compared to the average of the four cases for the future houses planned to be built by the government by the year 2016 (i.e. approximately 20,000 houses) are found to be approximately .US 33 million of power system capital costs, 15 GWh per year of electrical energy consumption and 11 kilotons per year of CO2 emissions. In the second solution, a lifecycle cost analysis is performed to evaluate the economic feasibilities of electricity driven chilled water system compared to predominant air conditioning system in Kuwaiti houses which is Packaged- Direct Expansion. The study considers the total cash paid by the consumer and the total cash paid by the government, since electricity is subsidized in Kuwait. The study finds that the chilled water system is not cost-effective for consumers due to high installation cost. However, a chilled water system would be cost-effective for the government because it consumes 40%less electrical energy than Packaged-DX. So, the study suggests subsidising the installation of chilled water systems so that the installation cost to the consumer is the same as for Packaged-DX systems. In the third solution, the study examines the viability of a single-effect LiBr absorption chiller driven by steam extracted from the steam turbine in the configuration of a combined cycle power plant (CCPP). The analysis shows that CCPP with absorption chiller yields less net electrical power available to utility grid compared to similar CCPP giving electricity to the grid and to Direct-Expansion air conditioning systems for the same cooling requirements. The reasons for that are the reduction in steam turbine power output resulted from steam extraction, and the amount of electrical energy required to operate the configuration of CCPP with absorption chiller.

The EU energy efficiency directive is driving the EU member states to set ambitious goals to increase energy efficiency. Mälarenergi AB is one of the Swedish energy companies, affected by the directive, that have taken an active role in order to increase efficiency within their energy production. This study was initiated to perform energy analysis and find energy optimization measures in the systems attached to one of Mälarenergi’s CHP-units, called P5.The operating conditions of the bio fueled combined heat and power plant, P5, recently changed when the connected boiler, P4, was decided to be shut down. The two boilers shared turbine, steam, feed water, condensate and oil systems, and the operating conditions of these systems changed radically when the mass flow decreased as P4 was shut down. The changed operating conditions affects the efficiency and the performance of the plant. The changed mass flow affects the capacity demands, efficiency in components and the technical conditions of the plant.The general approach through this thesis and the used methodology is based on initial analysis of the system changes, review of the necessary functions in the system and identification of the differences between the needed functions and the existing system. Optimization potential were identified where there were large differences and as a final step, technical and economic feasibility of implementing identified optimization measures was analyzed. The results shows that feasible optimization potential is identified in removing pumps without adjustable speed drives from the system, installing adjustable speed drives to the warm condensate pumps, replacing the dilution water pumps and detaching the atomization steam tank for P4. The economic feasibility to invest in a new direct heater, better adjusted to the operating conditions of P5, is small but could be an option to Mälarenergi if the alternative production cost remains high. Without the already installed adjustable speed drives in Mälarenergi’s plant the efficiency of the operations would be much lower than what it is today and the optimization potential essentially larger. The efficiency potential in the plant increases further when the attached turbine, G4, is to be dismantled and the operating conditions changes again. More extensive simplifications and rearrangements of the system can be made to decrease the energy demand for operations with 745 MWh/year. / EU:s energieffektiviserings direktiv ställer hårda krav på företag i medlemsländerna att kartlägga och analysera energiförbrukning för att identifiera åtgärder för att öka effektivitet. Utöver detta så har Sverige ambitiösa mål om ökad energieffektivitet i samtliga sektorer. Att effektivisera energiproduktionsanläggningar för att hitta effektiviseringspotential är därför aktuellt för svenska energiproducenter. Mälarenergi är ett av de energiföretag som arbetar aktivt med att kartlägga och minska sin energiförbrukning. Studien har därför genomförts för att granska panna 5 i Västerås kraftvärmeverk, för att undersöka hur energieffektiviseringsåtgärder kan identifieras i kraftvärmeprocesser där driftförutsättningar och processer har förändrats. Panna 5 har flertalet gemensamma processer med en äldre panna i anläggningen, panna 4, vars drift har upphört och pannan ska läggas ner. Driftförhållandena i de tidigare gemensamma systemen för kondensat, matarvatten, kylning och olja har därför förändrats och massflöden i systemen minskat kraftigt. De förändrade förhållandena och massflödena påverkar kapacitetsbehovet i systemen, effektiviteten i flertalet komponenter samt de tekniska kraven som ställs på panna 5. Den största förändringen i systemet är de minskade massflödena. Flödet i kondensatsystemet har minskat från ca 100 kg/s till 45 kg/s. Samma förändring i matarvattensystemet då panna 4 kopplas bort, är från 160 kg/s till 50 kg/s. Studien visar att det finns energieffektiviseringspotential i att byta ut pumpar vars pumpdrift har påverkats kraftigt, upphöra med drift av pumpar utan frekvensstyrning, installera frekvensstyrning på pumpar där flöden varierar samt förenkla och ta bort överflödiga processer som inte nyttjas vid de nya förhållandena. Processerna kan också optimeras genom att investera i en ny direktvärmare bättre lämpad för panna 5, dock är lönsamhetskalkylen för denna svag och ytterligare bedömning krävs. Resultatet visar även att då turbinen till panna 5 är uttjänt och nedmonteras så kan processerna kring panna 5 förenklas ytterligare och optimeras så pass att 745 MWh el för drift av pannan kan sparas varje år. Generellt kan det konstaterats att även förvärmare, matarvattentank och värmeväxlare är överdimensionerade när flödet i systemet minskar, kostnads-och energibesparingen för att byta ut dessa komponenter är dock negativa, eftersom komponenterna själva inte förbrukar någon energi. Att ha för stora kapaciteter i värmeväxlare bör snarare ses som en möjlighet, att kartlägga kapacitetsbehovet underlättar dock underhållsplanering i systemet. Den generella metoden som användes i studien bygger på modellen att först kartlägga de genomförda förändringarna i systemen, fastställa funktionskraven i det nya systemet och därefter analyserna skillnaderna mellan de fastställda funktionskraven och den befintliga tekniken. Optimeringspotential kan därefter identifieras där dessa två skiljer sig till stor del. Därefter utvärderas optimeringsåtgärden genom kvantitativ analys och investeringskalkylering.

The thesis examines the suitability of a CHP project in Bystřice nad Pernštejnem, a small town in Vysočina region, Czech Republic, which is currently supplied by biomass central heating. It reviews situation and availability of renewable energy sources and opportunities for CHP both in the Czech Republic and in Europe, including the context of current global developments. The opening chapters are followed with the renewable energy project for Bystřice nad Pernštejnem itself. The current technology, availability of biomass fuel for a potential future project, and possible development of energy sources in the town are analysed. Three alternative solutions for the CHP plant are suggested, with proposal for the technology and economic analysis, and possible future steps of the town council are discussed.

In some applications, the piston steam engine may be more suitable than the technology currently used. The thesis deals with the analysis of its advantages, weaknesses and possibilities of use, which are offered. Introduces the principles and functions of piston steam engines. It also contains a thermodynamic design based on a specific assignment and a feasibility assessment.

Small domestic hot water boilers burning solid fuels represent a significant source of air pollu-tion. It is therefore an effort to increase their combustion efficiency and to reduce the produc-tion of harmful emissions. For this reason, the operation of older and currently unsatisfactory types of household boilers has been legally restricted. Preferred types of boilers are low-emission boilers, especially automatic or gasification boilers. Most of them, however, in compar-ison with previous types of boilers, also require connection to the electricity grid. If there is a long-term failure in electricity grid, the operation of newer boiler types is limited. Wood and coal gasification boilers are currently available on the market and can be operated even in the event of a power failure, but only in heating systems with natural water circulation. In heating systems with forced water circulation, these boilers, fireplaces or fireplace inserts with hot-water heat exchangers cannot be operated without external battery supply in the event of a power failure. The dissertation thesis therefore deals with the question of whether it would be possible by thermoelectric conversion of waste heat of flue gases of small-scale low-emission combustion hot water domestic boilers to obtain sufficient electricity, to power supply their circulation pumps and to ensure operation in systems with forced water circulation independently of elec-tricity supply from the grid. In order to answer this question, a simulation tool predicting the power parameters of ther-moelectric generators was created. Compared to previously published works, the calculations and simulations include the influence of the generator on the boiler flue gas functionality. To verify the simulation tool, an experimental thermoelectric generator was built using the waste heat of the flue gas of an automatic hot water boiler for wood pellets. In addition to this genera-tor, there was also created an experimental thermoelectric fireplace insert and other equipment related to these experiments.

This master’s thesis deals with the design of a heat recovery steam generator. The introductory part of the thesis is dedicated to waste heat boilers, their division and their utilization in combined cycles gas turbine. In the following chapter, an analysis of the existing combined heat and power plant operation is performed. In the next part of the thesis, the conceptual layout of the new source is designed. Subsequently, the thermal calculation of the boiler is carried out as well as the design of individual heat exchanging surfaces. The sixth chapter deals with the strength calculation of the boiler and the outer piping, chambers and drum are designed here. At the end of the thesis there are described off-design states of the new combined cycle gas turbine.

The final thesis deals with the heating of the hospital building and preparation of the domestic hot water by cogeneration unit. The building will be largely heated by plate radiators. As a heat source is used a cogeneration unit with combustion engine. The project deals with the design dimensioning and connection of these parts.

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.

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.

Fernwärme ist aufgrund der verstärkten Förderung der Bundesregierung in den letzten Jahren wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt. In Hinblick auf einen wirtschaftlich und energetisch effizienten Betrieb von Fernwärmesystemen ist nicht nur der Einsatz der Wärmeerzeuger mittels einer Einsatzplanung sorgfältig zu organisieren, sondern auch das Betriebsverhalten des Wärmeverteilnetzes selbst zu berücksichtigen. So führen ständig auftretende Änderungen der thermischen Last, der Vorlauftemperatur am Einspeisepunkt oder der Rücklauftemperaturen der Abnehmer zu instationären Betriebszuständen im Fernwärmenetz. Die damit verbundene zeitliche Entkopplung der zentralen Wärmeeinspeisung von der dezentralen Wärmeentnahme induziert eine Speicherung thermischer Energie in dem in den Rohrleitungen befindlichen Wasser und in den Rohren selbst. In den seltensten Fällen wird dieser Vorgang der Wärmespeicherung aktiv genutzt, er tritt vielmehr als eher unerwünschter Nebeneffekt auf. Bei Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge hingegen lässt sich das Fernwärmenetz durch zielgerichtete Steuerung der Vorlauftemperatur analog einem thermischen Heißwasserspeicher als Wärmespeicher nutzen. Dies ist wiederum für die Betriebs- und Gewinnoptimierung interessant, da so weitere Speicherkapazitäten nutzbar gemacht werden können, um Lastspitzen zu verschieben und KWK-Anlagen zu betreiben ohne zusätzliche Investitionen tätigen zu müssen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, in der die Netzspeicherleistung mit Hilfe eines thermo-hydraulischen Simulationsprogrammes bestimmt wird, wobei dynamische Effekte wie die veränderliche Vorlauftemperaturen am Einspeisepunkt oder die stark schwankenden Lastanforderungen der Abnehmer in der Berechnungsmethodik realitätsnah abgebildet werden. Für eine aktive Nutzung des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher muss der Verlauf der Vorlauftemperatur an die jeweilig gewünschte Netzspeicherleistung angepasst werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein vereinfachter Funktionsansatz für die Netzspeicherleistung bestimmt, der zunächst mittels Regressionsanalyse aus den Ergebnissen gezielter thermo-hydraulischer Simulationen ermittelt und anschließend so in eine Einsatzplanung integriert wird, sodass die Vorlauftemperatur als zu optimierende Variable in die Gesamtoptimierung einfließt. Anhand eines realen Anwendungsfalls werden die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Nutzung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen aufgezeigt. Insbesondere werden monetäre Gewinnpotentiale bei Anwendung der aktiv gesteuerten Netzspeicherung in durch KWK-Anlagen versorgten Fernwärmenetzen bei gleichzeitigem Stromhandel auf dem Spotmarkt abgeschätzt.