Fachbereich Energietechnik
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Moderne Bauwerke müssen heute eine hohe energetische Leistungsfähigkeit aufweisen und gleichzeitig alle einwirkenden Lasten sicher abtragen. Dies stellt insbesondere in Erdbebengebieten hohe Anforderungen an die verwendeten Baustoffe. Am baupraktischen Beispiel einer Doppelhaushälfte wird demonstriert, dass die Symbiose aus energieeffizientem und gleichzeitig erdbebensicherem Bauen in der höchsten deutschen Erdbebenzone mit monolithischem Ziegelmauerwerk gut realisierbar ist. Als Ziegelmauerwerk werden für die Außenwände wärmetechnisch optimierte Hochlochziegel verwendet, die sowohl die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2009 als auch die Anforderungen an Mauerwerkbaustoffe nach den aktuellen Erdbebennormen erfüllen. Der Erdbebennachweis der Doppelhaushälfte erfolgt mit einem nichtlinearen Nachweisverfahren, das für eine einfache praktische Anwendung programmtechnisch umgesetzt wurde. Für den Nachweis wurden aus zyklischen Schubwandversuchen ermittelte Last-Verformungskurven verwendet. Das gesamte in Deutschland noch nicht normativ geregelte Nachweiskonzept wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall geprüft und genehmigt.
Die Erdbebensicherheit von Gebäuden aus Kalksandsteinmauerwerk ist aktuell nach DIN 4149 mit linearen Verfahren nachzuweisen. Dies führt in der praktischen Anwendung zu großen Problemen, da selbst traditionell übliche Grundrisse teilweise nicht mehr ohne zusätzliche Maßnahmen nachweisbar sind. Zur Lösung dieser Problematik wurden von der deutschen Mauerwerksindustrie auf nationaler und europäischer Ebene Forschungsprojekte initiiert, deren Ergebnisse in Form von statisch nichtlinearen Verfahren Eingang in den Nationalen Anhang zur DIN EN 1998-1 [12] gefunden haben. Mit den Verfahren wird die Nachweissituation zukünftig grundlegend verbessert, da mit diesen die Tragwerksreserven wesentlich besser ausgenutzt werden können. Im Folgenden wird die Anwendung der Verfahren am Beispiel einer Reihenhauszeile aus Kalksandsteinmauerwerk demonstriert. Der Nachweis der Reihenhäuser wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall, die vom Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV in Hannover koordiniert wurde, durch unabhängige Gutachter und die Bauaufsicht eingehend geprüft und für richtig befunden. Die Durchführung des Nachweises erfolgte auf Grundlage eines an der RWTH Aachen entwickelten neuen Nachweiskonzeptes. Die baupraktische Anwendbarkeit und einfache Nachvollziehbarkeit dieses Konzepts ist durch eine softwaretechnische Umsetzung sichergestellt.
Quantifying and minimizing uncertainty is vital for simulating technically and economically successful geothermal reservoirs. To this end, we apply a stochastic modelling sequence, a Monte Carlo study, based on (i) creating an ensemble of possible realizations of a reservoir model, (ii) forward simulation of fluid flow and heat transport, and (iii) constraining post-processing using observed state variables. To generate the ensemble, we use the stochastic algorithm of Sequential Gaussian Simulation and test its potential fitting rock properties, such as thermal conductivity and permeability, of a synthetic reference model and—performing a corresponding forward simulation—state variables such as temperature. The ensemble yields probability distributions of rock properties and state variables at any location inside the reservoir. In addition, we perform a constraining post-processing in order to minimize the uncertainty of the obtained distributions by conditioning the ensemble to observed state variables, in this case temperature. This constraining post-processing works particularly well on systems dominated by fluid flow. The stochastic modelling sequence is applied to a large, steady-state 3-D heat flow model of a reservoir in The Hague, Netherlands. The spatial thermal conductivity distribution is simulated stochastically based on available logging data. Errors of bottom-hole temperatures provide thresholds for the constraining technique performed afterwards. This reduce the temperature uncertainty for the proposed target location significantly from 25 to 12 K (full distribution width) in a depth of 2300 m. Assuming a Gaussian shape of the temperature distribution, the standard deviation is 1.8 K. To allow a more comprehensive approach to quantify uncertainty, we also implement the stochastic simulation of boundary conditions and demonstrate this for the basal specific heat flow in the reservoir of The Hague. As expected, this results in a larger distribution width and hence, a larger, but more realistic uncertainty estimate. However, applying the constraining post-processing the uncertainty is again reduced to the level of the post-processing without stochastic boundary simulation. Thus, constraining post-processing is a suitable tool for reducing uncertainty estimates by observed state variables.
Numerical solution of the heat equation with non-linear, time derivative-dependent source term
(2010)
The mathematical modeling of heat conduction with adsorption effects in coated metal structures yields the heat equation with piecewise smooth coefficients and a new kind of source term. This term is special, because it is non-linear and furthermore depends on a time derivative. In our approach we reformulated this as a new problem for the usual heat equation, without source term but with a new non-linear coefficient. We gave an existence and uniqueness proof for the weak solution of the reformulated problem. To obtain a numerical solution, we developed a semi-implicit and a fully implicit finite volume method. We compared these two methods theoretically as well as numerically. Finally, as practical application, we simulated the heat conduction in coated aluminum fibers with adsorption in the zeolite coating. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine bedeutende Technologieoption für einen nachhaltigen Energiemix der Zukunft dar. Sie konzentrieren die Strahlung der Sonne, erzeugen Wärme und wandeln diese mit konventioneller Kraftwerkstechnik in Strom um. Die Wärme kann auch gespeichert werden, so dass der Betrieb während des Durchzugs von Wolken möglich ist und bis in die Abendstunden hinein verlängert werden kann. Zu den solarthermischen Kraftwerken gehören neben der Parabolrinne und dem Solarturm der Fresnel-Kollektor und die Dish-Stirling-Systeme. Im Zuge einer späteren Vergrößerung des Solarfeldes von Solarkraftwerken kann mithilfe von thermischen Energiespeichern die solare Energieerzeugung bei gleichbleibender Kraftwerksleistung sukzessiv bis um den Faktor 3 erweitert werden. Es besteht so die Möglichkeit einer massiven Substitution von fossilen Brennstoffen.Bei den ersten solarthermischen Speichern für die SEGS-Parabolrinnekraftwerke wurde Öl als Speichermedium eingesetzt. Ein weiteres Speichermedium ist Salzschmelze, die im Andasol-1-Projekt in Spanien sowie bei Solarturmkraftwerken eingesetzt wird. Beton ist ein weiteres mögliches Speichermaterial für Parabolrinnensysteme. Eine weitere Alternative bei einem Solarturmkraftwerk mit Luft als Wärmeträgermedium ist die Verwendung von keramischen Feuerfestmaterialien in Form von Schüttungen oder stapelbaren, porösen Elementen. In Jülich wurde das weltweit erste solarthermische Turmkraftwerk mit einer Leistung von 1,5 MWe, das Luft als Wärmeträgermedium einsetzt und einen solchen Speicher verwendet, gebaut.
The Solar-Institute Jülich (SIJ) has initiated the construction of the first and only German solar tower power plant and is now involved in the accompanying research. The power plant for experimental and demonstration purposes in the town of Jülich started supplying electric energy in the beginning of 2008. The central receiver plant features as central innovation an open volumetric receiver, consisting of porous ceramic elements that simultaneously absorb the concentrated sunlight and transfer the heat to ambient air passing through the pores so that an average temperature of 680°C is reached. The subsequent steam cycle generates up to 1.5 MWe. A main field of research at the SIJ is the optimization of the absorber structures. To analyze the capability of new absorber specimens a special test facility was developed and set up in the laboratory. A high-performance near-infrared radiator offers for single test samples a variable and repeatable beam with a power of up to 320 kW/m² peak. The temperatures achieved on the absorber surface can reach more than 1000°C. To suck ambient air through the open absorber - like on the tower - it is mounted on a special blower system. An overview about the test facility and some recent results will be presented.
Lightning safety guidelines
(2010)
This paper introduces lightning to the layman, noting the right behaviour in front of thunderstorms as well as protective measures against lightning. It also contributes to the prevention of lightning injuries and damages. This report was prepared by the authors inside the AHG1 Group for IEC TC81 (Lightning Protection).