Student work and assistants

In dieser Masterarbeit wurde der Einfluss einer thermisch leitenden Wand auf die Stabilität thermisch geschichteten Wassers innerhalb eines Energiespeichers untersucht. Die Zielsetzung bestand darin herauszufinden, wie die Wandung eines thermischen Energiespeichers diese Schichtung und damit die Speichereffizienz beeinflusst. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Versuchsstand inklusive Testwärmespeicher entwickelt und aufgebaut, in den eine Seitenwand aus Aluminium eingesetzt werden kann. Der Wärmestrom, welcher von der warmen Schicht des Wassers durch diese Speicherwand in die kalte Schicht fließt, erzeugt Konvektion in den wandnahen Bereichen und kann dadurch die Schichtung stören. Diese Konvektionsströmung wurde mittels des Geschwindigkeitsmessverfahrens Particle Image Velocimetry genauer untersucht und mit parallel zu dieser Arbeit durchgeführten Strömungssimulationen verglichen. Zusätzlich wurden Temperatursensoren in der Aluminiumplatte und dem Speichervolumen über die Höhe verteilt angebracht, um den zeitlichen Verlauf der Temperaturschichtung zu analysieren. Die Auswertung der Langzeittemperaturmessungen über 24 Stunden zeigte, dass die eingesetzte Aluminiumwand die Ausbreitung der Übergangszone zwischen warmer und kalter Schicht deutlich beschleunigte und sich damit negativ auf die Schichtung auswirkte. Die Untersuchung des Strömungsfeldes zeigte bei der senkrecht zur Aluminiumplatte ausgerichteten Messebene in der Mitte des Testspeichers auf mittlerer Höhe eine ausgeprägte horizontale Strömung von dieser Seitenwand in den Speicher hinein. Im oberen und unteren Drittel drehte sich das Geschwindigkeitsfeld und bildete teilweise zwei entgegengesetzte Wirbel. Die hervorgerufene Strömung innerhalb des Modellspeichers war laminar. Der Vergleich mit den Strömungssimulationen ergab eine gute qualitative Übereinstimmung insbesondere bei den Geschwindigkeitsprofilen in der Speichermitte. In der Nähe der oberen und unteren Speicherbegrenzung waren Differenzen zu erkennen, welche auf die im Experiment verwendete Prallplatte und die schlechte Ausleuchtung der Messebene an diesen Stellen zurückgeführt werden kann.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse der Energieströme in Linienbussen, welche aus der Belastung von der Traktion, Klimatisierung und Nebenverbrauchern resultieren. Sie dient als Basis für die Auslegung des Batteriepakets, welches abhängig vom Lastprofil ist. Die Umsetzung erfolgt zunächst durch eine ausgiebige Recherche aller Parameter, die einen Einfluss auf den Verbrauch haben. Zudem wurden die Fahrprofile von realen Linienbussen aufgezeichnet. Die Parameteranalyse, die Aufzeichnungen und darüber hinaus standardisierte Fahrprofile dienen als Grundlage für eine Modellbildung. Dafür wurde ein Programm geschrieben, mit dem die Fahrprofile eingeladen und anhand der recherchierten Parameter untersucht werden können. Die Modellbildung ermöglicht dem Benutzer die Untersuchung des Energieverbrauchs als auch des Leistungsbedarfs, welche von dem Batteriepaket abgerufen wird. Zum Schluss wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die den Einfluss der einzelnen Parameter ermittelt, und die Möglichkeit der thermischen Rückgewinnung untersucht. So entsteht durch die Belastung von Motor, Leistungsumrichter und Batterie Wärme, die für die Beheizung des Innenraums genutzt werden kann.

In dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde ein Experimentalaufbau zur Erforschung von Rayleigh-Bénard-Konvektion in Volumina mit großen Aspektverhältnissen unter Zuhilfenahme des Vorgehensmodells zur Entwicklung mechatronischer Systeme entworfen und aufgebaut. Der Aufbau realisiert einen Experimentalraum mit einer Grundfläche von 700 mm x 700 mm für die Aspektverhältnisse 10, 20 und 25, welche mit geringem Aufwand gegeneinander ausgetauscht werden können. Durch eine flüssigkeitsbeheizte Bodenfläche und flüssigkeits-gekühlte Deckfläche lassen sich entsprechende Temperaturregime im Experimentalraum einstellen und ein großer Rayleigh-Zahl-Bereich abdecken. Durch entsprechend gestaltete optische Zugänge kann in den horizontalen und vertikalen Ebenen des Experimentalraums anhand von Laser-Induced Fluorescence (LIF) und Thermochromic Liquid Crystals (TLC) das Temperaturfeld bestimmt werden, während die Methode der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Messung des Geschwindigkeitsfeldes herangezogen werden kann. Zur Berechnung dimensionsloser Kennzahlen kann der Wärmestrom direkt mittels Wärmestromsensor und indirekt durch Temperaturmessungen im Vor- und Rücklauf der Strömungskreisläufe an der Heiz- und Kühlplatte bestimmt werden. Eine abschließende Charakterisierung des Experimentalaufbaus erfolgte teilweise.

Ilmenau verfügt über eine Fernwärmeversorgung, die den Großteil des Stadtgebiets mit Wärme versorgt. Das Fernwärmenetz sowie ein Biomethangas-BHKW und mehrere Gaskessel betreibt die Ilmenauer Wärmeversorgung GmbH, während die benötigte Wärme zum größten Teil von der Biomasse-Heizkraftwerk Ilmenau GmbH, einer Tochter der Ilmenauer Wärmeversorgung GmbH, zur Verfügung gestellt wird. Um die Wettbewerbsfähigkeit der Fernwärmeversorgung in Ilmenau zu gewährleisten und eine gegenüber anderen Möglichkeiten attraktive Alternative darzustellen, müssen neben der Versorgungssicherheit ökologische und wirtschaftliche Aspekte beim Betrieb eines solchen Wärmenetzes betrachtet werden. Für den Betrieb der beiden Gesellschaften werden erhebliche Mengen an Strom benötigt, wobei steigende Bezugspreise in den letzten Jahren zu höheren Kosten geführt haben. Daher untersucht diese Arbeit den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen zur Eigenstrombedarfskompensation. Hierfür wird zunächst eine Recherche über aktuelle Technologien - Mikrogasturbinen, Brennstoffzellen und Holzvergaser-BHKW - im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung durchgeführt. In einem weiteren Schritt werden verschiedene Konzepte für die Stromversorgung der beiden Gesellschaften entwickelt. Auf Basis dieser Konzepte werden in Kombination mit den Anlagendaten aus 2016 Modellierungen vorgenommen, die die Auswirkungen auf den jährlichen Stromfremdbezug sowie die Wärmeerzeugung simulieren. Aus den Ergebnissen können schließlich Wirtschaftlichkeitsberechnungen über die nächsten 15 Jahre durchgeführt und die verschiedenen Konzepte miteinander verglichen werden. Ergebnis der Untersuchung ist ein optimiertes Versorgungskonzept für die Fernwärmeversorgung der Stadt Ilmenau. Bei diesem wird das Biomasse-Heizkraftwerk im sogenannten Netto-Modell betrieben, d.h. der Strombedarf für den Eigenbedarf wird - wenn möglich - selbst erzeugt und nicht aus dem Stromnetz bezogen. Die Ilmenauer Wärmeversorgung GmbH baut im Jahr 2018 eine Mikro-Gastrubine für die Eigenstromversorgung und betreibt diese bis 2025. Ab dem Jahr 2025 wird die Gasturbine stillgelegt, und die Stromversorgung wird über das Biomasse-Heizkraftwerk sichergestellt. Durch den Einsatz des kombinierten Versorgungskonzepts mit einer innovativen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage können die Kosten für die Energieversorgung erheblich reduziert werden.

Bei der Entwicklung von chemischen Energiespeichern mit Flüssigmetallelektroden zeigt sich das Problem, dass die Elektrolytschicht zwischen den Elektroden durch Strömungen innerhalb der Batterie auseinandergetrieben werden kann. Wird die Elektrolytschicht soweit verdrängt, dass die beiden Elektroden direkten Kontakt miteinander haben, entsteht ein Kurzschluss innerhalb der Batterie. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Versuchsstand aufgebaut und erprobt, der aus einem Zweischichtmodell besteht, welches mit einer Flüssigmetallphase und Silikonöl als zweite Phase befüllt wird. Die Flüssigmetallphase in der Messzelle wird von einem rotierenden Magnetfeld angeregt, wodurch Strömungen in der Flüssigmetalllegierung entstehen, die Deformationen an der Phasengrenze bewirken. Der Versuchsstand nutzt Messtechnik zur Erfassung von Strömungsprofilen innerhalb der Flüssigmetallphase und zur Messung von Deformationen an der Phasengrenze. Die Funktionsfähigkeit der Messzelle und der Messtechnik wird mit unterschiedlicher Anregung erprobt, welche örtlich und von der Intensität variiert werden kann. Die Messergebnisse zeigen, dass je nach Intensität der Anregung Deformationen an der Phasengrenze entstehen, die zu kritischen Zuständen führen können.