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Forschung

Forschungsfelder

Innovative Verfahren zur Emissionsminderung

Im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung werden eine Vielzahl verschiedener Brennstoffe wie Erdgas, Biogas, biogene Flüssigkraftstoffe, Produkte aus der thermochemischen Vergasung von Biomasse mit unterschiedlichen Qualitäten oder auch synthetische Kraftstoffe wie Wasserstoff (H2) eingesetzt.

Insbesondere beim Einsatz neuartiger Brennstoffe ist das Abgasemissionsverhalten bisher nur unvollständig erforscht. Zur Reduzierung der Emissionen wird der gesamte KWK-Prozess vom Brennstoff über die innermotorischen Prozesse bis hin zur Abgasnachbehandlung betrachtet und optimiert.

Ressourcenschonung und Klimaeffizienz durch effiziente Brennstoffausnutzung.

  • Optimierung des innermotorischen Verbrennungsprozesses
  • CFD-Simulationen (Strömung, Verbrennung)
  • Optimierung der peripheren Komponenten
  • Abwärmeverstromung
  • Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

CO2-neutrale Energieträger für die KWK

Die KWK kann aufgrund ihrer Kraftstoffflexibilität einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten. „Grüne” Kraftstoffe, hergestellt durch den Einsatz von erneuerbarem Strom oder auf Basis biogener Ressourcen können bei der Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem der Zukunft sukzessive fossile Energieträger ersetzen. Außerdem sind gasförmige oder flüssige Kraftstoffe speicherbar und können so die Fluktuation der erneuerbaren Energien ausgleichen.

  • Einsatz von Wasserstoff in der KWK
  • Einsatz von alternativen Kraftstoffen wie Oxymethylenether, Oktanol, Butanol

Effizienz durch die Vernetzung energiewirtschaftlicher Sektoren und Power-to-X

Der Einsatz von speicherbaren Energieträgern in der KWK, zunehmend hergestellt aus erneuerbaren Energien, ermöglicht den flexiblen Einsatz der KWK-Komponente in einem zunehmend komplexen Energiesystem. Die KWK-Anlage kann dann hocheffizienten Strom und Wärme liefern, wenn keine Sonne scheint und Windanlagen nicht den erwünschten Ertrag bringen: sog. Dunkelflaute.

Die zunehmend dezentrale und erneuerbare Energiebereitstellung erfordert die Weiterentwicklung des KWK-Gesamtsystems. Dazu zählen:

  • Sektorkopplung / Power-to-X
  • Optimierte Integration in elektrische Netze. Bereitstellung von Regelenergie zur Netzstabilisierung im Hinblick auf den zunehmenden Einsatz regenerativer Energien (Regelenergie, Systemdienstleistungen)
  • Vernetzung von KWK-Anlagen zur intelligenten Bereitstellung von Strom und Wärme
  • Einbindung vom Speichertechnologien in KWK-Systeme zum Ausgleich eines schwankenden Strom- und Wärmebedarfs

Optimierung von Energiesystemen mittels digitaler Tools

Die zunehmende Dezentralisierung und Sektorenkopplung der Energieversorgung erhöht die Komplexität der Energiebereitstellung stetig. Dieser Komplexität kann nur unter Zuhilfenahme von softwaregestützten Tools begegnet werden.

  • Modellierung von Energiesystemen, Quartiersbetrachtung
  • Simulation und Optimierung von Energiesystemen, optimierte Betriebsstrategien für die KWK-Komponente

Projekte

Publikationen

  • T. Popp, F. Heberle, A.P. Weiß, D. Brüggemann: Thermodynamic evaluation of an ORC test rig – from comprehensive experimental results to a simulation model, Proceedings of the 6th International Seminar on ORC Power Systems, Technical University Munich, 2021, E-ISBN: 978-3-00-070686-8
  • P. Streit, A. P. Weiß: Parameterized, numerical design of a two-wheel Curtis steam turbine for small scale WHR, Matec Web Conferences 2021, 20th Conf. on Power System Engineering, Vol. 345, DOI: doi.org/10.1051/matecconf/202134500031
  • A. Röll, F. Luo, N. O’Connell, R. Lechner, C. Wang, M. Brautsch: Hydraulic stability of micro injections using a two-layered 8-hole solenoid injector with PODE, Fuel 2021, Vol. 297, DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120748
  • S. Ishikawa, N. O`Connell, R. Lechner, R. Hara, H. Kita, M. Brautsch: Load response of biogas CHP systems in a power grid. In: Renewable Energy 2021, Vol. 170, DOI: doi.org/10.1016/j-renene.2021.01.120
  • J. Spale, V. Novotny, M. Vojtech, A.P. Weiß: 3D printed radial impulse cantilever micro-turboexpander for preliminary air testing. AIP Conference Proceedings 2323, 070002 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0041433
  • V. Novotny, J. Spale, D. Suchna, J. Pavlicko, M. Kolovratnik, A.P. Weiß: Absorption power cycle with a 3D-printed plastic micro turboexpander- Considerations, design and firstexperimental results. AIP Conference Proceedings 2323, 070003 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0041429
  • P. Streit, T. Popp, J. Winkler, R. Scharf, A.P. Weiß: Numerical and experimental investigation of different technologies for adjusting the swallowing capacity of a cantilever ORC turbine. AIP Conference Proceedings 2323, 070001 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0041483

  • A. P. Weiß, P. Streit, T. Popp, P. Shoemaker, T. Hildebrandt, V. Novotny, J. Spale: Uncommon turbine architectures for distributed power generation – development of a small velocity
    compounded radial re-entry turbine. In: Archieves of Thermodynamics 2020, Vol. 41, DOI: 10.24425/ather.2020.135862
  • C. Wang, M. Adams, T. Jin, Y. Sun, A. Röll, F. Luo, M.Gavaises: An analytic model of diesel injector`s needle valve eccentric motion. In: International Journal of Engine Research 2020. https://doi.org/10.1177/1468087420987367
  • R. Lechner, A. Hornung, M. Brautsch: Prediction of the knock propensity of biogenous fuel gases: Application of the detonation theory to syngas blends. In: Fuel 2020, Vol. 267. doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117243
  • A.P. Weiß, V. Novotny, T. Popp, P. Streit, J, Spale, G. Zinn, M. Kolovratmik: Customized ORC micro turbo-expanders - From 1D design to modular construction kit and prospects of additive manufacturing. In: Energy 2020, In press. doi.org/10.1016/j.energy.2020.118407
  • J. Oischinger, M. Steiner, M. Meiller, M. Hebauer, S. Beer, R. Daschner, A. Hornung, J. Kramb: Optimization of the fractional collection efficiencies for electrostatic precipitators used in biomass-fired boilers. In: Biomass and Bioenergy 2020, Vol. 141. doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105703
  • C. Wang, A. Röll, K. Kolovos, A. V. Roncero, Y. Sun, P. Koukouvinius, M. Gavaises, M. Brautsch, R. Lechner, N. O`Connell, Z. He, F. Luo: Transient flow characteristics within a diesel injector using a compressible density-based solver. ILASS-Asia 2020, Oct. 13-26, Zhenjiang, China

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