Energieverfahrenstechnik

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1 Informationen zum Masterstudiengang Energieverfahrenstechnik Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Universität Stuttgart apl. Prof. Dr.-Ing. Klaus Spindler Dr.-Ing. Wolfgang Heidemann 1

2 Aufgaben der Energieversorgung Versorgungssicherheit Wirtschaftlichkeit Schutz der Umwelt lokal Minderung sogenannter Primäremissionen wie NO x, SO 2, (Fein-)Staub, PCDD/PCDF, HCl, HF, Schwermetalle (Hg),.. global Minderung der CO 2 -Emissionen Energie sparen Wirkungsgrad der Anlagen verbessern CO 2 -arme Energieerzeugung CO 2 -arme Brennstoffe CO 2 -freie Stromerzeugung 2

3 Notwendige Maßnahmen Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Notwendige Maßnahmen zur Erreichung der Klimaschutzziele rationelle Nutzung der fossilen Energieträger beschleunigte Einführung von erneuerbaren Energieträgern Effizienzsteigerung bei Prozessen 3

4 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik... Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung durch die Entwicklung neuer Technologien zur regenerativen Energiebereitstellung und Energiespeicherung sowie zur besseren Ausnutzung der fossilen Energieträger... 4

5 Numerische Modellierung Rohrbündel mit FLUENT 5 Temperaturverteilung auf der Rohraußenseite eines Rohrbündels

6 Autarker, verschleißfreier und lautloser Betrieb Stoffpaar: NH 3 /H 2 O Hilfsgas: He COP: 0,2 bis 0,3 Diffusions-Absorptionskältemaschine Direkt angetriebene solare und stromlose Kälteanlage Integration in Flachkollektor Aufbau einer Demoanlage am ITW Erzielte Kälteleistung -ca. 300 W (direkt solar beheizt) -ca. 400 W (Labor, elektrisch beheizt) 6 6

7 Autarker, verschleißfreier und lautloser Betrieb Stoffpaar: NH 3 /H 2 O Hilfsgas: He COP: 0,2 bis 0,3 Diffusions-Absorptionskältemaschine Direkt angetriebene solare und stromlose Kälteanlage Integration in Flachkollektor Aufbau einer Demoanlage am ITW Erzielte Kälteleistung -ca. 300 W (direkt solar beheizt) -ca. 400 W (Labor, elektrisch beheizt) 7 7

8 Thermosiphonpumpe (Einsatzgebiet) Hotel- und Camping-Kühlschränke (Diffusions-Absorptionsprinzip) Mehrstoffsystem (NH 3, H 2 O, He) Teilflächige Beheizung Ziel: Geräuschlose Kälteerzeugung durch Förderung und Auftrennung von Kälte- und Lösungsmittel Marktführer: Dometic GmbH Verkaufte Kühlschränke bis 2011: > 10 Mio. 8 Prozessverbesserung durch optimierte Thermosiphonpumpe! 8

9 Thermosiphonpumpe (Funktionsweise) Beispiel: Kaffeemaschine Einstoffsystem Punktuelle Beheizung Förderung des heißen Wassers durch gebildete Dampfblasen 9 9

10 Thermosiphonpumpe - Versuchsanlage 10 10

11 Eisspeicher Thermischer Speicher mit hoher Speicherkapazität Eisbildung an der Wärmeübertrageroberfläche bei Unterschreitung der Schmelztemperatur Problematik: Wachsende Eisschicht behindert Wärmetransport => Beladungsleistung nimmt ab Ziel der Forschung: Verhinderung der Eisbildung an den Wärmeübertrageroberflächen durch Anti-Eis Beschichtung Unterkühlung des Speicherwassers Eisbildung abseits der Wärmeübertrageroberflächen an vorgegebener Keimstelle 11

12 Sorptive Energiespeicher Adsorption Anlagerung von Molekülen an die (innere) Oberfläche von Adsorbentien (Silikagel, Zeolith, Aktivkohle,...) Adsorption Wärmezufuhr Wärmefreisetzung Desorption 12

13 Thermochemische Energiespeicher Reaktion Nutzung der Reaktions-Energie aus einer reversiblen chemischen Reaktion (z.b. von Feststoff-Gas-Reaktionen) A s B g C s H R Salzanhydrat s H 2 O g Salzhydrat s H R MgSO 7 H 2O MgSO4 H 2O 4 7 H R 13

14 Vergleich der Energiespeicherdichten Energiespeicherdichte Faktor Wasser * 60 kwh/m 3 1 Latent kwh/m Adsorption kwh/m Reaktion kwh/m Vergleich der Speicherdichte verschiedener Speichermechanismen * bei T = 50 K 14

15 Brennstoffzellentechnik Aufbau und Funktion Air Reaction Products Fuel Gas Unconverted Air + Load O2 Bipolar Plate Cathode Electrolyte Anode O 2 Cathode HO - HO 2 H 2 A HO 2 O 2 O 2 O 2 O 2- O 2-2- O2- O Anode Solid Electrolyte M E Betrieb, Wirkungsgrad Anwendungen 15

16 Funktionsprinzip einer 1 kw Hausenergiesystem in D Stationäre Brennstoffzellen ENEFarm Japan mit > Einheiten im Markt, 700 W mit Warmwasserspeicher MW Schmelz-Karbonat-Brennstoffzelle 16

17 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Der große Vorteil der Li-Ionen Batterie Variabilität Materialvielfalt maßgeschneiderte Lösungen Materialvielfalt Modulares Design D + - LiC C + xli + xe x n n C Negative Electrode Oxygen Metal Electrolyte Graphite Lithium D - + Li1-xMO 2 + xe + xli LiMO 2 C Positive Electrode Discharge Charge Design-Vielfalt: Anpassbar an viele Anforderungen 17

18 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Batteriespeicherwerk TEPCO, Japan Tokyo Electric Power Company (TEPCO), Ohito, Japan Natrium- Schwefel Einzelzelle (2 V, 628 Ah, 5,5 kg) TEPCO Ohito Kraftwerk: 6 MW, 48 MWh 18 Modul (430 kwh, 60 kw, 3500 kg, 122 Wh/kg) EPRI Handbook of Energy Storage for Transmission or Distribution Applications, Technical Update, 2002

19 solarthermische Kraftwerke 19

20 Grundlagenvorlesungen: Lehrveranstaltungen Technische Thermodynamik 1 WS 2+2 (apl. Prof. K. Spindler, Dr. Heidemann, B. Bierling, U. Ebert) Technische Thermodynamik 2 SS 2+2 (apl. Prof. Dr.-Ing. K. Spindler, Dr. Heidemann, B. Bierling, U. Ebert) Grundlagen der Wärme- und Stoffübertragung WS 3+1 (apl. Prof. Dr.-Ing. K. Spindler, A. Frank) 20

21 Energieverfahrenstechnik - Obligatorisch Firing Systems and Flue Gas Cleaning oder Berechnung von Wärmeübertragern Ein Fach von beiden ist obligatorisch! 21

22 Energieverfahrenstechnik - Wählbar Kraftwerksanlagen (6LP) Modellierung und Simulation von Technischen Feuerungsanlagen (6LP) Solarthermische Kraftwerke (Solartechnik II) (3LP) Flue Gas Cleaning (3LP) Grundlagen der Luftreinhaltung (6LP) Measurement of Air Pollutants (6LP) Thermal Waste Treatment (3LP) Optimale Energiewandlung (3LP) Thermophysikalische Stoffeigenschaften (6LP) Konstruktion von Wärmeübertragern (3LP) Kraft-Wärme-Kältekopplung (BHKW) (3LP) Kältetechnik (3LP) Wärmepumpen(3LP) 22 Brennstoffzellentechnik - Grundlagen, Technik und Systeme (6LP) Elektrochemische Energiespeicherung in Batterien (3LP) Lithiumbatterien: Theorie und Praxis (3LP)

23 Energieverfahrenstechnik Verantwortliche Professoren: Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht, Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) apl. Prof. Dr.-Ing. K. Spindler, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) 23

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26 Studentische Arbeiten (theoretischer und experimenteller Art) aktuelle Themen: siehe Homepage 26

27 Abgeschlossene Masterarbeiten Experimentelle und theoretische Untersuchungen des Förderverhaltens einer Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten Optimierung des Prüfstandes zur Untersuchung des Vereisungsverhaltens wasserabweisender mikro- und nanostrukturierter Oberflächen Analyse des Klimatisierungskonzeptes des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität Stuttgart Experimentelle Analyse, Optimierung und Gegenüberstellung von Kreuzdrallrohren mit konventionellen Rohren in Rohrbündelwärmeübertragern Messung und Simulation des Adsorptionsvorgangs von Zeolithen in Wabenkörpern verschiedener Geometrien Vermessung und Optimierung einer Absorptionskältemaschine 27

28 Zusammenarbeit mit Firmen 28 API Schmidt-Bretten GmbH, Bretten Buderus Heiztechnik, Wetzlar Consolar GmbH, Lörrach Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR Daimler AG, Stuttgart Deller GmbH, Siegen Dometic GmbH, Siegen Eisenmann Anlagenbau, Böblingen HTRI Heat Transfer Research Inc., Texas, USA Lütze GmbH, Weinstadt Robert Bosch GmbH BBT Thermotechnik, Wernau Rehau AG & Co, Erlangen Ritter-Paradigma Energie- und Umwelttechnik, Karlsbad Vaillant GmbH, Remscheid Viessmann Werke, Allendorf/Eder Wieland Werke AG, Ulm

29 Projekt-Ingenieur Berufsfelder Service-Ingenieur Betriebs-Ingenieur Forschungs-Ingenieur 29

30 Planung Planungs- und Ingenieurbüros für Energieversorgungsanlagen, Kraftwerke, Feuerungs- und Abgasreinigungsanlagen Herstellerindustrie Für Komplettanlagen oder Komponenten Berufsfelder Entsorgung Recycling Müll- und Abfallverwertungskonzepte, Entsorgung von Kraftwerksnebenprodukten Überwachung Gewerbeaufsicht, TÜV, Ministerien, Messinstitute Betreiber der Anlagen Großindustrie, EVUs, Stadtwerke Forschung Universitäten, Großforschungseinrichtungen, Industrie 30

31 Wegweiser Sekretariat apl. Prof. Dr.-Ing. K. Spindler Frau Ta/ Frau Kärcher Frau Dürr Frau Schneider nach Vereinbarung (tel. Anmeldung im Sekr.) Tel Tel Tel Übersichtspläne Studienberatung Bachelor-,Studien- /Masterarbeiten Praktikum apl. Prof. Dr.-Ing. K. Spindler Di Uhr Do Uhr Tel Anmeldung zu Seminarvorträgen Dipl.-Ing. T. Brendel Tel