Aufgrund von steigenden Energiekosten und einer sukzessive steigenden öffentlichen sowie politischen Forderung nach Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeit, ist die Effizienzsteigerung von Gesamtsystemen einer der treibenden Kräfte für innovative, technologische Neuheiten geworden. Besonders bei der Entwicklung von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen wurden z.B. durch die Hybridisierung von Antriebssträngen, die die Rekuperation von kinetischer Energie ermöglichen, Technologien zur Energieeinsparung etabliert. Da bei Verbrennungsmotoren ein hoher Anteil der im Kraftstoff gespeicherten Energie technologiebedingt als Abwärme im Abgas verloren geht, bietet die Wärmerekuperation ein weiteres hohes Potential für weitere Einsparungen. Diese ist z.B. mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren (TEG) möglich, die einen Wärmestrom direkt in elektrische Energie umwandeln. Zur effizienten TEG-Systemgestaltung ist ein hoher Temperaturgradient über dem thermoelektrisch aktivem Material notwendig, der wiederum zu kritischen thermomechanischen Spannungen im Bauteil führen kann. Diese werden zum einen durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien und zum anderen durch die mechanische Anbindung auf der heißen und kalten Seite des TEG verursacht. Somit liegt ein Zielkonflikt zwischen dem thermoelektrischen Systemwirkungsgrad und der mechanischen Festigkeit des Bauteils vor. In dieser Arbeit wird mit Hilfe einer mehrkriteriellen Parameteroptimierung eines vollparametrisierten FE-Modells des TEG in ANSYS WORKBENCH eine Methode vorgestellt, den thermoelektrischen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Reduktion der thermomechanischen Spannungen zu optimieren. Zur Optimierung kommt dabei ein genetischer Algorithmus der MATLAB GLOBAL OPTIMIZATION TOOLBOX zum Einsatz. Der Modellaufbau wird in ANSYS WORKBENCH mit der Makro-Programmiersprache JSCRIPT realisiert. Als Ziel- und Bewertungsfunktionen wird die mechanische Belastung jedes Bauteils im TEG ausgewertet und dessen elektrische Leistungsdichte berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der vorgestellten Methodik eine paretooptimale Lösung gefunden werden kann, die den gestellten Anforderungen entspricht.

Aufgrund von steigenden Energiekosten und einer sukzessive steigenden öffentlichen sowie politischen Forderung nach Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeit, ist die Effizienzsteigerung von Gesamtsystemen einer der treibenden Kräfte für innovative, technologische Neuheiten geworden. Besonders bei der Entwicklung von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen wurden z.B. durch die Hybridisierung von Antriebssträngen, die die Rekuperation von kinetischer Energie ermöglichen, Technologien zur Energieeinsparung etabliert. Da bei Verbrennungsmotoren ein hoher Anteil der im Kraftstoff gespeicherten Energie technologiebedingt als Abwärme im Abgas verloren geht, bietet die Wärmerekuperation ein weiteres hohes Potential für weitere Einsparungen. Diese ist z.B. mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren (TEG) möglich, die einen Wärmestrom direkt in elektrische Energie umwandeln. Zur effizienten TEG-Systemgestaltung ist ein hoher Temperaturgradient über dem thermoelektrisch aktivem Material notwendig, der wiederum zu kritischen thermomechanischen Spannungen im Bauteil führen kann. Diese werden zum einen durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien und zum anderen durch die mechanische Anbindung auf der heißen und kalten Seite des TEG verursacht. Somit liegt ein Zielkonflikt zwischen dem thermoelektrischen Systemwirkungsgrad und der mechanischen Festigkeit des Bauteils vor. In dieser Arbeit wird mit Hilfe einer mehrkriteriellen Parameteroptimierung eines vollparametrisierten FE-Modells des TEG in ANSYS WORKBENCH eine Methode vorgestellt, den thermoelektrischen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Reduktion der thermomechanischen Spannungen zu optimieren. Zur Optimierung kommt dabei ein genetischer Algorithmus der MATLAB GLOBAL OPTIMIZATION TOOLBOX zum Einsatz. Der Modellaufbau wird in ANSYS WORKBENCH mit der Makro-Programmiersprache JSCRIPT realisiert. Als Ziel- und Bewertungsfunktionen wird die mechanische Belastung jedes Bauteils im TEG ausgewertet und dessen elektrische Leistungsdichte berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der vorgestellten Methodik eine paretooptimale Lösung gefunden werden kann, die den gestellten Anforderungen entspricht.

Industrin står för 32% av den globala energianvändningen och majoriteten av industrins utsläpp sker vid förbränning av fossila bränslen för värmeanvändning. Hälften av industrins värmeanvändning uppskattas vara i temperaturer upp till 400 °C vilket är lämpligt för värme från solfångare.Klädesindustrin står för 10% av de globala växthusgasutsläppen och majoriteten av de utsläppen sker vid textilproduktion och flera av textilindustrins processer är i temperaturintervall som kan använda värme från solfångare likt Absolicons T160.Data från energianvändning hos textilfabriker har samlats in och beräkningar på energianvändning och utsläpp har gjorts för erhållna data. Solfångarnas energiberäkningar har gjorts med hjälp av simuleringar från Absolicon applikation Field Simulator. En 3-stegs plan gjordes för 2 stora textilfabriker i Indien som visar hur de skulle kunna eliminera sina utsläpp från energianvändning.Kartläggningen visar att textilindustrin till stor del använder fossila bränslen och de 5 största textilfabrikerna i denna rapport visar en energifördelning mellan värme och el på 85% respektive 15%. Utsläppen per producerad massa varor i kg för de 5 fabrikerna uppskattas vara i snitt 6,1 kgCO2e vilket motsvarar en förbränning av 2,1 kg brunkol.De två stora textilfabriker i Indien samlade utsläpp från energianvändning redovisas vara 686 ktCO2e. Värmeanvändningen i fabrikerna sänks i 3-stegsplanen med 17% och fossila bränslen ersätts med värme från solfångare och biomassa. För att täcka 68% av det nya värmebehovet med värme från solfångare så behövs det solfångarfält med en termisk effekt på cirka 400 MW och en yta på cirka 1,3 km2. De resterande 32% av värmebehovet ska komma från förbränning av cirka 100 000 ton biomassa per år.Industrin har möjlighet att sänka stora delar av sina utsläpp genom att ersätta fossila bränslen i värmeanvändningen med till exempel värme från solfångare och biomassa. För att täcka stora delar av värmeanvändningen med solfångarfält behövs lediga ytor runt om och på fabrikerna. Fossila bränslen har i dagsläget ett lågt pris i förhållande till dess utsläpp och tillämpning av globala utsläppsrätter eller skatter bör appliceras för att påskynda omställningen till utsläppsfri energi och lägre utsläpp. / The industry sector accounts for 32% of the global energy usage where the majority of the energy is being used as heat. Most of the heat is generated by burning fossil fuels which leads to heat use being the largest source of emissions in the sector. About half of energy used as in the industries are in temperatures up to 400 °C which is suitable for heat provided by solar collectors.The apparel industry accounts for 10% of the global carbon emissions and multiple of the industry processes used in textile production are in temperature ranges reachable with solar collectors such as Absolicons T160.Energy data was collected from textile factories and calculations of energy usage and emissions was made. The calculations for solar collectors was made with Absolicons web application Field Simulator. A 3-step plan was created to demonstrate how two textile factories in India could reach zero CO2 emissions.The analysis shows that the textile industry’s majority of energy is being used from fossil fuels to generate heat where the 5 largest factories in this report average energy is 85% as heat and 15% as electricity. The emissions per produced mass of goods in kg is an average of 6,1 kgCO2e at these 5 factories which is comparable to burning 2,1 kg of black coal.The two large textile factories combined emissions from energy usage is reported to be 686 ktCO2e. In the 3-step plan the heat usage is reduced by 17% and heat from fossil fuels are replaced by heat from solar collectors and biomass. To cover 68% of the new energy demand it would require solar fields with a total thermal capacity of about 400 MW and an area of 1,3 km2. The remaining 32% of heat demand would be covered by burning 100 000 tonne of biomass per year.The conclusion is that he industry sector has a huge potential of reducing their emissions by replacing fossil fuels for generating thermal energy by thermal energy from e.g. solar collectors or biomass. It will require available spaces close to or on top of the factories to be able cover large portions of the heat demand with solar collectors. The current prices of energy from fossil fuels is low compared to their emissions and a global carbon market or taxes should be applied to accelerate the change to clean energy and lower emissions.