Promotion am ZIES

Titel: Mehrwert von Methoden des Maschinellen Lernens für die simulative Bewertung der Versorgungssicherheit mit Elektrizität

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner im PK NRW: Prof. Dr.-Ing. Jörg Meyer, Hochschule Niederrhein (fachlicher Mitbetreuer) und Prof. Dr. Anne van Rießen, Hochschule Düsseldorf (Mentorin)

Verteidigungsdatum:  -

Abstract:
Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels sowie von Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Nutzung von Kernenergie vollzieht die Stromversorgung Deutschlands einen starken Wandel, geprägt durch den Ausstieg aus der Kernenergie sowie der Kohleverstromung, die verstärkte Nutzung Erneuerbarer Energien und die zunehmende Sektorenkopplung. Elektrischer Strom wird zum wichtigsten Endenergieträger. Diese „Energiewende“ birgt große Chancen, aber auch Unsicherheiten. So erhöht z.B. die Reduzierung von regelbaren konventionellen Kraftwerkskapazitäten und die Steigerung von intermittierend einspeisenden Kapazitäten aus erneuerbaren Energien bei gleichzeitig geringen Speicherkapazitäten die Wahrscheinlichkeit von Situationen mit einer Lastunterdeckung. Auch sind regelbare konventionelle Kraftwerkskapazitäten aufgrund des fortschreitenden Klimawandels z.B. hinsichtlich der Kühlwasserversorgung sowie der Energieträgerversorgung während Hitzeperioden mit Unsicherheiten belegt.

Politik, Wirtschaft und Gesellschaft benötigen daher eine zuverlässige, schnelle, flexible und komplexitätsgerechte Bewertung der künftigen Versorgungssicherheit mit Elektrizität als wissenschaftliche Entscheidungsgrundlage. Für eine adäquate Versorgungssicherheitsbewertung haben sich komplexe und hochaufgelöste probabilistische Versorgungsicherheitsmodelle bewährt. Jedoch erhöhen sich mit deren Komplexität auch die Rechenintensität und damit einhergehend die Simulationszeit für ein einzelnes Szenario selbst auf Hochleistungsrechenclustern bis auf mehrere Stunden. Verbunden mit der Vielzahl an möglichen Zukunftsszenarien aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich steigender last- und erzeugerseitiger Wetterabhängigkeiten, des hohen Gestaltungsspielraums für den künftigen deutschen Kraftwerkspark sowie verschiedener politisch gesetzter Ausbauziele begrenzt dies die Analysetiefe. Komplexe Analysen mit einer Vielzahl an zu untersuchenden Szenarien und Wetterausprägungen sind in praktikabel kurzer Zeit damit nicht realisierbar. Darüber hinaus sind für eine möglichst exakte Abbildung zukünftiger Gegebenheiten zeitlich hochaufgelöste Jahresprognosen relevanter Randbedingungen (z.B. Lastgang, Importpotenzial, Windgeschwindigkeiten etc.) nötig.

Parallel zu diesen Herausforderungen hat sich das Forschungsfeld der künstlichen Intelligenz und des Teilbereichs Maschinelles Lernen dynamisch entwickelt und der leichtere Zugang zu Wissen, Algorithmen, leistungsstarker Hardware und Datenspeicherung zu einer verstärkten fachübergreifenden Anwendung geführt. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit der Mehrwert von Methoden des Maschinellen Lernens für die Versorgungssicherheitsbewertung mit Elektrizität analysiert und bewertet. Ergebnis ist, dass Maschinelles Lernen methodische Lösungsansätze, sowohl zur Verbesserung der Datenkonsolidierung-/prognose der relevanten zeitlich aufgelösten Randbedingungen, als auch zur drastischen Reduzierung der Zeit zur Generierung der Ergebnisse komplexer probabilistischer Simulationsmodelle mittels Metamodellierung bietet.

Eine ganz exakte und weit in die Zukunft reichende Prognose der zeitlich hochaufgelösten Randbedingungen für die Versorgungssicherheitsbewertung mit Elektrizität ist auch mit Methoden des Maschinellen Lernens nicht möglich. Die durchgeführten Arbeiten zeigen jedoch, dass Maschinelles Lernen ein erhebliches Verbesserungspotenzial im Vergleich zu klassischen Verfahren eröffnet. Für die exemplarische Randbedingung Stromlastgang werden z. B. bei Jahresprognosen mit 8760 Zeitschritten mit einem multivariaten Lösungsansatz unter Verwendung von Wetterdaten und kalendarischen Informationen folgende mittlere betragliche relative Abweichungen erzielt: Künstliches neuronales Netz rd. 1,9 %; Sparse Gaussian Process Regression rd. 2,0 %; Extreme Gradient Boosting 2,4 %. Im Gegensatz zu künstlichen neuronalen Netzen als „Black-Box“-Modelle weist dabei die statistische Sparse Gaussian Process Regression eine bessere Interpretierbarkeit (Kernel-Funktion) und mehr Analysemöglichkeiten (Unsicherheitsabschätzung) auf. Vorteil von Extreme Gradient Boosting ist die geringere notwendige Fachexpertise gegenüber den anderen Verfahren, insbesondere der Sparse Gaussian Process Regression. Entscheidend für eine gute Prognosegüte ist die Auswahl und Qualität der Datengrundlage für das Training, die in Abhängigkeit zur spezifischen Problemstellung gewählte Prognosestrategie sowie eine intensive Optimierung der Hyperparameter.

Bei der Metamodellierung wird durch eine individuell angepasste Approximation das Systemverhalten des nativen Simulationsmodells einem Metamodell antrainiert. Das Training erfolgt hierbei anhand von - über das native Simulationsmodell generierten - Ein-/Ausgangsdatenkombinationen (Trainingsdaten). Zur effektiven Auswahl eines möglichst kleinen Trainingsdatensatzes und damit zur Zeitreduktion für dessen Generierung sind Methoden der statistischen Versuchsplanung nützlich. Die Filterung von Daten aus relevanten Bereichen des Versuchsraumes erhöht die Generalisierungsfähigkeit bzw. Prognosegenauigkeit der Metamodelle. Aufgrund der hohen Dimensionalität der vorliegenden Problemstellung (16 Einflussfaktoren) und der damit verbundenen, doch großen Anzahl an notwendigen Trainingsdaten (Größenordnung 6.000 Stück) sind künstliche neuronale Netze (KNN) als Metamodelle zu bevorzugen. Im vorliegenden Falle benötigt die Erstellung der KNN für die Ergebniswerte des nativen Simulationsmodells JERICHO, d.h. die Zeit zur Generierung der Trainingsdaten und die Trainingszeit selbst, in Summe lediglich rd. 35 Minuten. Anschließend lassen sich die Ergebniswerte mit hoher Genauigkeit (Bestimmtheitsmaß > 0,9998; an über 1 Mio. unabhängigen Testdaten bestimmt) für beliebige Szenarien bzw. Kombinationen der 16 Einflussfaktoren im Gültigkeitsbereich der Metamodelle in wenigen Millisekunden ermitteln. Bei der Betrachtung eines Szenarios beträgt die Zeitersparnis auf diesem Wege im Vergleich zum nativen Simulationsmodell mit 8 Stunden Rechenzeit auf einem Hochleistungsrechencluster bereits 92,7 %. Tiefgreifende Analysen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Szenarien sind mit dem nativen Simulationsmodell in praktikabel kurzer Zeit unmöglich. Auf dem Weg der Metamodellierung kommen jeweils nur wenige Millisekunden pro Szenario hinzu.

Weiterführende Forschungen sollten die Methode der Metamodellierung auf weitere simulative Ansätze der Versorgungssicherheitsbewertung, z. B. mit einer Monte-Carlo-Simulation gekoppelte Optimierungsmodelle zur Kraftwerkseinsatzplanung, übertragen und anpassen. Des Weiteren sollte die starke Reduktion der Ergebnisgenerierungszeit mittels Metamodellierung zur Weitentwicklung in Richtung komplexer Analyse-/Optimierungsverfahren genutzt werden. Zum Beispiel ist mittels einer Pareto-Optimierung, basierend auf den Ergebnissen von zehntausenden von Szenarien, eine multikriterielle, ungewichtete, d. h. ganzheitliche Optimierung des Kraftwerksparks (Konfiguration, Ausbaustufen etc.), sowohl hinsichtlich der physikalischen Versorgungssicherheit als auch ökologischer und ökonomischer Bewertungskriterien umsetzbar. Die nativen Simulationsmodelle müssten jedoch zunächst um diese zusätzlichen Ergebnisgrößen erweitert werden. Solche Optimierungen können als wissenschaftliche Grundlage einen großen Beitrag für das Gelingen einer sicheren, kosteneffizienten und somit gesellschaftlich anerkannten Energiewende liefern. Des Weiteren kann dies ebenfalls einen Beitrag zur Schaffung eines branchenweiten Standards zur Versorgungssicherheitsbewertung mit Elektrizität leisten.

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Titel: Implementierung und Test einer multikriteriellen Betriebsoptimierung der Wärmeerzeugung eines hybriden Nahwärmenetzes auf Basis von Methoden des Maschinellen Lernens

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner im PK NRW: Prof. Dr. rer. nat. Tanja Clees, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (fachliche Mitbetreuerin) und Prof. Dr.-Ing. Matthias Neef, Hochschule Düsseldorf (Mentor)

​Verteidigungsdatum: 

Abstract:

Die Energiewende erfordert eine zunehmende Integration erneuerbarer Energien in Wärmenetze, was durch deren Volatilität und die vielfach neue und intensive Kopplung mit dem Strommarkt erhebliche Herausforderungen mit sich bringt. Diese Dissertation untersucht, wie durch die Nutzung dynamischer Simulationsmodelle in der Vorabanalyse sowie präziser datenbasierter Prognosemodelle für Systemzustände und Energieträgerpreise auf Basis maschinellen Lernens die Einsatzplanung der steuerbaren Erzeugungsanlagen einer realen hybriden Nahwärmeversorgung multikriteriell optimiert werden kann. Angestrebt sind möglichst große ökologische und/oder ökonomische Vorteile gegenüber den üblichen regelbasierten Steuerungssystemen mit zum Beispiel fester Einschaltreihenfolge der Wärmeerzeuger.

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Titel: Prozesse der energetischen Gebäude- und Stadtsanierun

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Sabine Brück-Dürkop, RWTH Aachen

​Verteidigungsdatum: 10.12.2024

Abstract:

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Prozesse der energetischen Sanierung insbesondere von Wohneigentum weitreichend untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse erstrecken sich über die theoretische Einbettung des Themenfeldes, die Analyse der Prozesse von energetischen Sanierungen anhand einer ausführlichen empirischen Studie mit mehreren Teilen und die daraus abgeleiteten Handlungsstrategien zur Optimierung entsprechender Prozesse.

Zu Beginn des Forschungsprozesses stand die theoretische Einbettung des Themenfeldes, welche insbesondere die politischen Zielsetzungen und die damit verbundene Relevanz der vorliegenden Arbeit erörterte. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass im Gebäudebereich ein großer Handlungsbedarf besteht, um die Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erreichen. Durch die bestehende Gesetzgebung, die Klimaschutzpläne und Energieeffizienzstrategien mit dem Ziel, die Sanierungsrate zu verdoppeln und einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand zu erlangen, wird die hohe politische Relevanz deutlich. Die bestehenden Förder- und Beratungsmöglichkeiten reichen als Anreiz jedoch nicht aus, um die politisch gesetzten Ziele zu erreichen. Somit steigt der Handlungsbedarf im Gebäudesektor stetig. Die aktuell bestehenden Strategien zur Förderung der energetischen Gebäudesanierung bestehen vor allem in der Bezuschussung der Kosten für die Planung der notwendigen Maßnahmen und die Maßnahmenumsetzung, wobei aber die damit verbundenen diversen Schnittstellen zwischen den ganz unterschiedlichen Akteur*innen einer energetischen Gebäudesanierung für die wirkliche Realisierung elementar sind. In Bezug auf die Erstberatung und die Umsetzung von energetischen Sanierungen ist die momentane Wichtigkeit der Handwerksbetriebe hervorzuheben.

Daran anknüpfend konnte die empirische Studie, welche sich aus einer Online-Befragung und Expert*inneninterviews mit unterschiedlichen Akteur*innen, sowie einem Workshop und ergänzenden leitfadengestützten Interviews zur Validierung zusammensetzte, die Prozesse der energetischen Sanierung näher untersuchen. Die Grunderkenntnis daraus ist, dass Optimierungsmöglichkeiten für die Prozesse von energetischen Sanierungen innerhalb der Aktivitäten der beteiligten Akteur*innen und deren Interaktionen untereinander liegen. Vier Schlüsselelemente sind darauf aufbauend für das Resultat einer energetischen Sanierung entscheidend: das Erstgespräch bzw. die Erstberatung, die Prozessverantwortung, die Rahmenbedingungen und die Kommunikation bzw. Schnittstellen.

Das Erstgespräch bzw. die Erstberatung dient der Information vor Beginn einer energetischen Sanierung, gibt einen ersten Überblick über mögliche Sanierungsmaßnahmen und mündet in einem sinnvollen Gesamtkonzept. In diesem Zusammenhang besteht ein enormer Einfluss auf die Kauf- und Umsetzungsentscheidung der Bauherr*innenschaft.
Im Rahmen der Prozessverantwortung bestimmt die Bauherr*innenschaft die ggf. neben ihr agierenden Entscheidungsträger*innen bei der energetischen Sanierung zur Organisation und Überwachung des Gesamtvorhabens.

Die Rahmenbedingungen umfassen alle zu berücksichtigenden Auflagen, die für die Umsetzung der Sanierungsmaßnahmen relevant sind, wie beispielsweise Budget, Finanzierung, Förderungen und Rechtliches.

Das vierte Schlüsselelement Kommunikation/Schnittstellen dient der Abstimmung während der Umsetzungsphase des Sanierungsvorhabens und insbesondere der Organisation der Schnittstellen vor Ort bzw. auf der Baustelle.

Aufbauend auf den Ergebnissen aus der empirischen Studie und unter Einbeziehung vorhandener Modelle aus der Betriebswirtschaftslehre und der Bauwirtschaft ist ein Prozessmodell entstanden. Dieses bildet einen exemplarischen bzw. theoretischen Ablauf von energetischen Sanierungen, von der Sanierungsentscheidung bis zum fertigen Gebäude, ab. Dabei wird, wie es in der Organisationslehre üblich ist, in Kern-, Steuerungs- und Unterstützungsprozesse unterschieden. Die vier Schlüsselelemente lassen sich innerhalb des Prozessmodells präzise verorten und betreffen unterschiedliche Handlungsebenen, welche bezüglich Veränderungsprozessen zu aktivieren sind.

Anknüpfend an die Darstellung der relevanten Teilprozesse und Schlüsselelemente innerhalb des Prozessmodells konnten Handlungsstrategien in Form von Werkzeugmodulen für die Optimierung und Transparenz des Sanierungsprozesses entwickelt werden, auch wiederum unter Zuhilfenahme von Elementen aus der Betriebswirtschaftslehre. Die entwickelten Werkzeugmodule und das darauf aufbauende Konzept eines digitalen Tools wie einer App dienen der Begleitung von energetischen Sanierungen mit Fokus auf die vier Schlüsselelemente. Insbesondere die Verknüpfung aller Akteur*innen mit Zugängen in unterschiedlichen Bereichen und mit entsprechenden Informationskanälen zum Projekt sind wichtige Elemente. Als Mehrwerte sind die unabhängige Beratung sowie die Modularität des Tools zu sehen, welche eine Nutzung über die gesamte Laufzeit einer energetischen Gebäudesanierung möglich macht. Die Sicherstellung des Austauschs wichtiger Informationen der unterschiedlichen Projektbeteiligten und die Projekttransparenz tragen zudem zur Beschleunigung des Ablaufs bei. Der Vorteil von optimierten Prozessen bei energetischen Sanierungen liegt darin, dass neben den Energie- und Betriebskosteneinsparungen am Gebäude selbst, gleichwohl die Randaktivitäten effizienter und somit Kosten, Energie und Zeit bei der Planung und Umsetzung der Sanierungsmaßnahmen eingespart werden. Mit der Nutzung des Tools besteht darüber hinaus die Möglichkeit, Beispiele mit Vorbildcharakter bereitzustellen, sowie allgemein nützliche Daten zur Sanierungsrate und Sanierungsqualität zu generieren.

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Titel: Multi-Criteria flexibility allocation for electric distribution networks

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Prof. Dr. Colin Vance, Constructor University Bremen

Verteidigungsdatum: 22.03.2024

Abstract:

Germany’s national climate protection policy, the German Energy Transition, is oriented towards the reduction of energy-related greenhouse gas emissions by rapidly expanding the share of renewable energy systems. New challenges arise regarding technical and energy economical integration as installed wind and photovoltaic power capacities increase continuously. The wind and photovoltaic power feed-in is based on intermittent weather phenomena, hence uncertain. Thus, accurate power feedin forecasts are indispensable for successfully operating electrical power systems, realising balancing group management processes, and participating in electricity markets. Moreover, sector coupling technologies offer solutions for an energy-efficient integration.

This thesis contributes to the topic by introducing a framework for online multicriteria flexibility allocation in electrical distribution networks with transport capacity limitations. It considers technical aspects and market participant interests that may contradict each other. Local master data is preprocessed using geospatial information of buildings, photovoltaic systems, wind turbines, and the human population within a spatial domain of interest. By combining weather forecast data, this establishes the foundation for predicting power flow in the electrical distribution network and generating grid-beneficial criteria utilizing the smart grid traffic light concept. Furthermore, master data of the German wind and photovoltaic power plant portfolio is combined with weather forecast data to predict nationwide wind and photovoltaic power feed-in and to generate ecological- and market-beneficial criteria. In addition, metamodels are created and employed to forecast balancing group management data, i.e., EPEX SPOT Day-Ahead electricity prices in the bidding zone of Germany and Luxembourg, and imbalance energy demand of difference balancing groups. At last, non-scalarized schedule solutions are estimated to reach a multi-criteria flexibility allocation. The framework applicability is demonstrated by defined scenarios. Results show that publicly available data allows modelling, calibrating, and operating the introduced multi-criteria flexibility allocation framework in a real-world setting.

Titel: Untersuchung von Systemkonzepten zur Integration von Haushaltsgeräten als Wärmequelle und Wärmesenke in ein multifunktionales Wärmepumpensystem

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Matthias Neef, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Krumm, Universität Siegen

Verteidigungsdatum: 07.07.2022

Abstract:

Solange der Gesamtstrombedarf nicht aus erneuerbaren Energien gedeckt wird, lassen sich durch Stromeinsparungen CO2-Emissionen reduzieren. Zunehmend rückt dabei das Optimierungspotential von Teil- oder Gesamtsystemen in den Vordergrund. Mit rd. 25 % des Gesamtenergiebedarfs der EU bietet sich im Gebäudetechnik- und Haushaltsgerätebereich ein großes Potential an, um durch Effizienzverbesserungen Stromeinsparungen zu erzielen. Effizienzsteigerungen werden für Einzelgeräte seit Einführung des Energielabels bzw. der EU-Energieverbrauchs-Kennzeichnung im Jahr 1998 vorangetrieben. Nicht zuletzt, da Gerätehersteller durch die Weiterentwicklungen der Konkurrenz zu immer neuen Entwicklungsschritten gezwungen sind, um selbst weiterhin Geräte abzusetzen. Dem Optimierungspotential der einzelnen Geräte sind jedoch Grenzen gesetzt, die durch den starken Konkurrenzdruck und die damit über Jahrzehnte weiterentwickelten Komponenten auch in vielen Bereichen bereits erreicht wurden. Zum einen ist ein hoher Entwicklungsstand zwar nur schwer durch neue Ansätze zu übertreffen, zum anderen eröffnet eine Stagnation aber auch erst die Möglichkeit neue Ansätze zu entwickeln, die im Anfangsstadium eines Entwicklungsprozesses noch sehr komplex und kostenspezifisch wenig interessant erscheinen.

Durch die Zusammenlegung der Heizungs-/Lüftungstechnik mit Wärmepumpe und der Haushaltsgeräte mit Wärme- und/oder Kühlbedarf bietet sich ein innovativer Systemansatz an, um Synergieeffekte im Gesamtsystem auszunutzen. D.h. Stromeinsparungen für die einzelnen Geräte durch die effiziente Bereitstellung der Wärme zu erreichen, die Abwärme von Kühlgeräten dabei als Wärmequelle für das System zu nutzen und Kosteneinsparungen durch den Wegfall redundanter Komponenten zu erzielen. Die genannten Charakteristiken können in einem integrierten Gesamtsystem nutzungsseitig profitabel hinsichtlich der Strom- und Anschaffungskosten sein, wobei die Funktionalität der einzelnen Geräte erhalten bleibt.

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungsschritte abgehandelt, um den dargelegten Ansatz experimentell zu untersuchen und das Potential eines aufeinander abgestimmten Gesamtsystems zu bestimmen. Dazu wird ein Funktionsmuster des Systems entwickelt und im Labor aufgebaut, an dem Testreihen der Einzelgeräte und der Geräte in unterschiedlichen Systemkombinationen sowie Reihenfolgen durchgeführt werden. Durch den Betrieb der Geräte in sinnvollen Betriebsreihenfolgen können Vorzüge und Nachteile ausgearbeitet werden, die sich durch den Systembetrieb für die einzelnen Geräte unter realen Betriebsbedingungen ergeben. Der Messaufbau erlaubt außerdem eine energetische Charakterisierung der Einzelgeräte und der durch den Systemaufbau anfallenden Wärmeverluste, womit auch eine Datengrundlage für theoretische Potentialbetrachtungen des Gesamtsystems gegeben ist. Auf Grundlage der Untersuchungen zu den Einzelgeräten und den Systemkombinationen erfolgt die Konzeptionierung eines funktionalen Technikkonzepts als Produktentwurf. Unter Berücksichtigung von zusätzlichen Kosten, dem Wegfall redundanter Komponenten und dem Stromeinsparpotential nach reduzierten Wärmeverlusten über den Systemaufbau erfolgt eine wirtschaftliche Betrachtung des neuen Technikkonzepts. Für den betrachteten Fall werden Wärmeverluste über den Systemaufbau vermieden und die Abwärme der Kühlgeräte wird zum Heizen über die Wärmepumpe genutzt. Letztendlich zeigt sich, dass der Stromverbrauch der Haushaltsgeräte in einem einzelnen Haushalt von 985 kWh/a um bis zu 36 % reduziert werden kann, wenn die Geräte über das zentrale Wärmepumpensystem mit Wärme versorgt bzw. gekühlt werden. Im Szenario für das Jahr 2040 betrachtet, nachdem die CO2-Emissionen des Gebäudesektors durch energetische Sanierungen auf 50 Mio. t CO2-Äquivalent reduziert wurden, beträgt das Potential zur weiteren Reduzierung durch die Anwendung der entwickelten Technologie maximal 4,78 Mio. t CO2-Äquivalent, rd. 10 % der prognostizierten CO2-Emissionen des Sektors.

Titel: Untersuchung eines Niederdruck-Wasser-/Dampfkreislaufs zur Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren auf technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Matthias Neef, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Universität Siegen

Verteidigungsdatum: 12.3.2021

Abstract:

Die Arbeit befasst sich mit der thermodynamischen und wirtschaftlichen Bewertung eines Niederdruck‑Wasser-/Dampfkreislaufes (ND-SRC) zur Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren. Alleinstellungsmerkmal des ND-SRC ist, dass die Kühlmittel- und Abgaswärme in einem Einkreislaufsystem genutzt werden. Um dies zu realisieren, wird die Kühlmittelwärme zur Verdampfung des Arbeitsfluides verwendet. Das begrenzt den Verdampfungsdruck des ND-SRC auf < 1 bar absolut, da die Kühlmittelwärme mit ca. 80 °C bis maximal 120 °C auf einem relativ geringen Temperaturniveau vorliegt.

Die technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit des ND-SRC wird in dieser Arbeit für die Abwärmenutzung von motorbetriebenen Blockheizkraftwerken (BHKWen) im Leistungsbereich von 50 kWel bis 250 kWel untersucht. Für die thermodynamische Bewertung des Anlagenkonzeptes wird ein stationäres thermodynamisches Simulationsmodell mit der Software Ebsilon®Professional erstellt und anhand eines Demonstrators im Labormaßstab (BHKW mit 38 kW mechanischer Leistung) validiert. Ebenfalls werden die Methoden zur Auslegung der Wärmeübertrager und der Turbine validiert.

Da das Anlagenkonzept im Leistungsbereich des Demonstrators nicht wirtschaftlich realisierbar ist, wird die Anlage auf den oberen angestrebten Leistungsbereich (BHKW mit 220 kWel) skaliert und die Kosten werden über Angebote der Zulieferungsfirmen erneut ermittelt. Die wirtschaftliche Realisierbarkeit wird exemplarisch für den Standort Deutschland mit Berücksichtigung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes 2016 ermittelt.

Auf Basis der Kosten des Demonstrators und der Kostenkalkulation der skalierten Anlage wird ein Kostenmodell für den Bau eines ND-SRC erstellt, mit dem die Kosten der Einzelkomponenten über charakteristische Größen (z.B. Wärmeübertragerfläche, Turbinenleistung etc.) berechnet werden können.

Anhand dieser Arbeit wird gezeigt, dass der ND-SRC in Bezug auf die elektrische Leistungssteigerung des BHKW-Motors, trotz vergleichsweise geringem elektrischen Wirkungsgrad, konkurrenzfähig zu vergleichbaren Nachschaltprozessen ist. Die berechneten spezifischen Kosten des skalierten ND-SRC zeigen, dass ein wirtschaftlich rentabler Betrieb des ND-SRC ab einer elektrischen Leistung des BHKW-Motors von ca. 220 kW möglich ist.

Titel: Abwasser als Wärmequelle und Wärmesenke für Wärmepumpen und Kältemaschinen

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Prof. Dr. Klaus Dieter Schierbaum (Heinrich-Heine-Universität)

Verteidigungsdatum: 12. März 2020

Abstract:

Ziel der Dissertation war, die Eignung von Gas-Wärmepumpensystemen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden mittels kommunalem Abwasser als Wärmequelle im Winter und Wärmesenke im Sommer zu untersuchen. Auf Grund des geringeren Bedarfs an Wärmequellenleistung benötigen Gas-Sorptionswärmepumpen nur kleine Abwasser-Wärmeübertrager, die pro Meter sehr teuer sind, was ihnen wirtschaftliche Vorteile gegenüber konventionellen Kompressionswärmepumpen verschafft. Das in der Dissertation entworfene Systemkonzept wurde mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop Prüfstandtechnik und zeitlich hoch aufgelösten Jahressimulationen untersucht, optimiert und abschließend mit Konkurrenztechnologien verglichen. Zudem wurden Anwendungspotentiale in den Städten Mülheim und Wuppertal analysiert.

Kurz zusammengefasst lautet das Ergebnis: Gas-Sorptionswärmepumpen/-kältemaschinen mit kommunalem Abwasser als Wärmequelle/-senke sind zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sowohl ökologisch als auch ökonomisch vorteilhaft bei geringen sommerlichen Kühllasten, bis zu einem Verhältnis von Kühl- zu Heizlast von rund 30%. Bei größeren Kühllasten macht eine Kombination mit einer elektrisch angetriebenen Kompressions-Wärmepumpe/Kältemaschine zunehmend Sinn. Die Umsetzung vor Ort gestaltet sich oft schwierig, da gleich mehrere Akteure dafür an einem Strang ziehen müssen (Kanalnetzbetreiber, Energieversorger, Bauplaner, Hausherr) und relevante Daten aus den Abwasserkanälen (Abflüsse, Temperaturen) oft nicht vorliegen.​

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Titel: Hydraulische Einbindung von Wärmespeichern bei der solarthermischen Prozesswärmebereitstellung am Beispiel der Galvanikindustrie

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, ZIES / Hochschule Düsseldorf

Kooperationspartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Krumm, Universität Siegen

Verteidigungsdatum: 17. Mai 2016

Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wurde ein hydraulisches Konzept einer solarthermischen Speicherbeladung für die Bereitstellung von hochtemperierter Prozesswärme entwickelt und in einer realen Anlage sowie in Rechnersimulationen getestet. Eine einfache Modifikation der Speicherhydraulik – im Wesentlichen eine Rücklaufanhebung im Solarkreis – führt zu einer schnellen Beladung des Speichers auf ein hohes Nutztemperaturniveau und verringert den Wärmeverlust des Speichers. In der Praxis üblich sind demgegenüber geschichtet beladene Speicher und, zur schnellen Bereitstellung hoher Temperaturen, eine hydraulische Umgehungsmöglichkeit des Speichers bzw. Anlagen ohne Speicher.

Die Galvanik wurde als vielversprechender Industriezweig für den Einsatz solarthermischer Prozesswärme erkannt und als Anwendungsbeispiel analysiert. Deshalb wird an der Solaranlage eines Galvanikunternehmens die entwickelte Speicherhydraulik erstmalig in einem Feldtest erprobt und einer herkömmlichen Speicherhydraulik gegenübergestellt. Umfangreiche Messkampagnen an fünf unterschiedlichen, branchentypischen Produktionsstätten liefern die Grundlage zur Definition von Prozessparametern. So kann anhand von Simulationsergebnissen neben der Bestätigung der Erkenntnisse aus dem exemplarischen Praxistest ein Vergleich der vier genannten Anlagenkonzepte in der typischen Bandbreite charakteristischer Anlagenparameter gezogen werden.

Die neue Speicherhydraulik weist drei grundlegende Vorteile auf: Sie erzielt unter vielen Randbedingungen höhere Systemerträge, sie reagiert robuster auf ungünstige Randbedingungen und sie stellt bei der Unterstützung mehrerer Verbraucher bevorzugt Wärme für den Verbraucher auf höherem Temperaturniveau bereit. Trotzdem kann insbesondere bei kleinen solaren Deckungsraten eine speicherlose Solaranlage eine bessere Lösung sein.

In weiterführenden Arbeiten ist zu prüfen, ob die neue Speicherhydraulik abseits der Galvanikindustrie, in weiteren Branchen oder bei anderen Anwendungen, ebenfalls sinnvoll einsetzbar ist und welches Optimierungspotential bei der Regelungsstrategie der Speicherintegration besteht.

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