Solar-Institut Jülich
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Keywords
An approach to automatically generate a dynamic energy simulation model in Modelica for a single existing building is presented. It aims at collecting data about the status quo in the preparation of energy retrofits with low effort and costs. The proposed method starts from a polygon model of the outer building envelope obtained from photogrammetrically generated point clouds. The open-source tools TEASER and AixLib are used for data enrichment and model generation. A case study was conducted on a single-family house. The resulting model can accurately reproduce the internal air temperatures during synthetical heating up and cooling down. Modelled and measured whole building heat transfer coefficients (HTC) agree within a 12% range. A sensitivity analysis emphasises the importance of accurate window characterisations and justifies the use of a very simplified interior geometry. Uncertainties arising from the use of archetype U-values are estimated by comparing different typologies, with best- and worst-case estimates showing differences in pre-retrofit heat demand of about ±20% to the average; however, as the assumptions made are permitted by some national standards, the method is already close to practical applicability and opens up a path to quickly estimate possible financial and energy savings after refurbishment.
Mit dem Beitrag des Teams der FH Aachen zum SDE 21/22 wird im Projekt LOCAL+ ein kreislauffähiger Holzmodulbau mit einem innovativen Wohnraumkonzept geplant und umgesetzt. Ziel dieses Konzeptes ist die Verringerung des stetig steigenden Wohnflächenbedarfs durch ein Raum-in-Raum Konzept. Gebäudetechnisch wird in dem Projekt nicht nur das Einzelgebäude betrachtet, sondern unter Berücksichtigung des Gebäudebestandes wird für das Quartier ein innovatives und nachhaltiges Energiekonzept entwickelt. Ein zentrales Wasserstoffsystem ist für ein Quartier geplant, um den Stromverbrauch aus dem Netz im Winter zu reduzieren. Zentraler Bestandteil des TGA-Konzepts ist ein unterirdischer Eisspeicher, eine PVT und eine Wärmepumpe mit intelligenter Regelstrategie. Ein Teil des neuen Gebäudes (Design Challenge DC) wird in Wuppertal als Hausdemonstrationseinheit (HDU) präsentiert. Eine hygrothermische Simulation der HDU wurde mit der WUFI-Software durchgeführt. Da im Innenraum Lehmmodule und -platten als Feuchtigkeitspuffer verwendet werden, spielen die Themen Feuchtigkeit, Holzfäule und Schimmelwachstum eine wichtige Rolle.
In the past, CSP and PV have been seen as competing technologies. Despite massive reductions in the electricity generation costs of CSP plants, PV power generation is - at least during sunshine hours - significantly cheaper. If electricity is required not only during the daytime, but around the clock, CSP with its inherent thermal energy storage gets an advantage in terms of LEC. There are a few examples of projects in which CSP plants and PV plants have been co-located, meaning that they feed into the same grid connection point and ideally optimize their operation strategy to yield an overall benefit. In the past eight years, TSK Flagsol has developed a plant concept, which merges both solar technologies into one highly Integrated CSP-PV-Hybrid (ICPH) power plant. Here, unlike in simply co-located concepts, as analyzed e.g. in [1] – [4], excess PV power that would have to be dumped is used in electric molten salt heaters to increase the storage temperature, improving storage and conversion efficiency. The authors demonstrate the electricity cost sensitivity to subsystem sizing for various market scenarios, and compare the resulting optimized ICPH plants with co-located hybrid plants. Independent of the three feed-in tariffs that have been assumed, the ICPH plant shows an electricity cost advantage of almost 20% while maintaining a high degree of flexibility in power dispatch as it is characteristic for CSP power plants. As all components of such an innovative concept are well proven, the system is ready for commercial market implementation. A first project is already contracted and in early engineering execution.
The production of dispatchable renewable energy will be one of the most important key factors of the future energy supply. Concentrated solar power (CSP) plants operated with molten salt as heat transfer and storage media are one opportunity to meet this challenge. Due to the high concentration factor of the solar tower technology the maximum process temperature can be further increased which ultimately decreases the levelized costs of electricity of the technology (LCOE). The development of an improved tubular molten salt receiver for the next generation of molten salt solar tower plants is the aim of this work. The receiver is designed for a receiver outlet temperature up to 600 °C. Together with a complete molten salt system, the receiver will be integrated into the Multi-Focus-Tower (MFT) in Jülich (Germany). The paper describes the basic engineering of the receiver, the molten salt tower system and a laboratory corrosion setup.
In this article, we describe the structure, the functioning, and the tests of parabolic trough solar thermal cooker (PSTC). This oven is designed to meet the needs of rural residents, including Urban, which requires stable cooking temperatures above 200 °C. The cooking by this cooker is based on the concentration of the sun's rays on a glass vacuum tube and heating of the oil circulate in a big tube, located inside the glass tube. Through two small tubes, associated with large tube, the heated oil, rise and heats the pot of cooking pot containing the food to be cooked (capacity of 5 kg). This cooker is designed in Germany and extensively tested in Morocco for use by the inhabitants who use wood from forests.
During a sunny day, having a maximum solar radiation around 720 W/m2 and temperature ambient around 26 °C, maximum temperatures recorded of the small tube, the large tube and the center of the pot are respectively: 370 °C, 270 °C and 260 °C. The cooking process with food at high (fries, ..), we show that the cooking oil temperature rises to 200 °C, after 1 h of heating, the cooking is done at a temperature of 120 °C for 20 min. These temperatures are practically stable following variations and decreases in the intensity of irradiance during the day. The comparison of these results with those of the literature shows an improvement of 30–50 % on the maximum value of the temperature with a heat storage that could reach 60 min of autonomy. All the results obtained show the good functioning of the PSTC and the feasibility of cooking food at high temperature (>200 °C).
In this paper, we present the structure, the simulation the operation of a multi-stage, hybrid solar desalination system (MSDH), powered by thermal and photovoltaic (PV) (MSDH) energy. The MSDH system consists of a lower basin, eight horizontal stages, a field of four flat thermal collectors with a total area of 8.4 m2, 3 Kw PV panels and solar batteries. During the day the system is heated by thermal energy, and at night by heating resistors, powered by solar batteries. These batteries are charged by the photovoltaic panels during the day. More specifically, during the day and at night, we analyse the temperature of the stages and the production of distilled water according to the solar irradiation intensity and the electric heating power, supplied by the solar batteries. The simulations were carried out in the meteorological conditions of the winter month (February 2020), presenting intensities of irradiance and ambient temperature reaching 824 W/m2 and 23 °C respectively. The results obtained show that during the day the system is heated by the thermal collectors, the temperature of the stages and the quantity of water produced reach 80 °C and 30 Kg respectively. At night, from 6p.m. the system is heated by the electric energy stored in the batteries, the temperature of the stages and the quantity of water produced reach respectively 90 °C and 104 Kg for an electric heating power of 2 Kw. Moreover, when the electric power varies from 1 Kw to 3 Kw the quantity of water produced varies from 92 Kg to 134 Kg. The analysis of these results and their comparison with conventional solar thermal desalination systems shows a clear improvement both in the heating of the stages, by 10%, and in the quantity of water produced by a factor of 3.
Thematisch widmet sich das Projekt Coolplan- AIR der Fortentwicklung und Feldvalidierung eines Berechnungs- und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Vermessung, Simulation und Integration rein luftgestützter Kühltechnologien. Im Bereich der Kälteerzeugung wurden Luft‐ Luft‐ Wärmepumpen, Anlagen zur adiabaten Kühlung bzw. offene Kühltürme und VRF‐ Multisplit‐ Systeme (Variable Refrigerant Flow) im Feld bzw. auf dem Teststand der HSD vermessen. Die Komponentenmodelle werden in die Matlab/Simulink‐ Toolbox CARNOT integriert und anschließend auf Basis der zuvor erhaltenen Messdaten validiert.
Einerseits erlauben die Messungen das Betriebsverhalten von Anlagenkomponenten zu analysieren. Andererseits soll mit der Vermessung im Feld geprüft werden, inwieweit die Simulationsmodelle, welche im Vorgängerprojekt aus Prüfstandmessungen entwickelt wurden, auch für größere Geräteleistungen Gültigkeit besitzen. Die entwickelten und implementierten Systeme, bestehend aus verschiedensten Anlagenmodellen und Regelungskomponenten, werden geprüft und dahingehend qualifiziert, dass sie in Standard- Auslegungstools zuverlässig verwendet werden können.
Zusätzlich wird ein energetisches Monitoring eines Hörsaalgebäudes am Campus Jülich durchgeführt, das u. a. zur Validierung der Kühllastberechnungen in gängigen Simulationsmodelle genutzt werden kann.
We present first results from a newly developed monitoring station for a closed loop geothermal heat pump test installation at our campus, consisting of helix coils and plate heat exchangers, as well as an ice-store system. There are more than 40 temperature sensors and several soil moisture content sensors distributed around the system, allowing a detailed monitoring under different operating conditions.In the view of the modern development of renewable energies along with the newly concepts known as Internet of Things and Industry 4.0 (high-tech strategy from the German government), we created a user-friendly web application, which will connect the things (sensors) with the open network (www). Besides other advantages, this allows a continuous remote monitoring of the data from the numerous sensors at an arbitrary sampling rate.Based on the recorded data, we will also present first results from numerical simulations, taking into account all relevant heat transport processes.The aim is to improve the understanding of these processes and their influence on the thermal behavior of shallow geothermal systems in the unsaturated zone. This will in turn facilitate the prediction of the performance of these systems and therefore yield an improvement in their dimensioning when designing a specific shallow geothermal installation.
Im Rahmen von Forschungsvorhaben des BMBF und verschiedener Industriepartner betreibt der Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik der RWTH Aachen Pilotanlagen und Prüfstände für Untersuchungen auf dem Gebiet der Heißgasfiltration mit keramischen Filterelementen. Als wesentlicher Garant für den Erfolg der Forschungsarbeit muß die auf das jeweilige Projekt genau abgestimmte Meß- und Regelungstechnik angesehen werden. Hierbei zählt neben der Auswahl geeigneter Hardwarekomponenten auch die Softwareentwicklung unter einer leistungsstarken und zuverlässigen Programmierumgebung. Anhand des Aufbaus dreier Versuchsanlagen im Technikumsmaßstab soll das Anforderungsprofil an die Meßtechnik bis hin zur Umsetzung innerhalb der Anlage skizziert werden. Der Heißgasfiltrationsprüfstand im Heizkraftwerk der RWTH Aachen dient der Beobachtung des Reinigungsverhaltens keramischer Filterelemente bei der Heißgasentstaubung im Temperaturbereich bis 850 Grad C. Wesentlich für die Meßwerterfassung ist hierbei die Kopplung eines Orion-Datenloggers der Firma Schlumberger mit LabView 4.0. Im Hochtemperaturofen des Lehrstuhls werden instationäre Druckmessungen an einer keramischen Filterkerze während eines Abreinigungsimpulses bei 950 Grad C mit hoher Samplingrate durchgeführt. Hierbei übernimmt eine durch LabView 4.0 angesteuerte E-Series Karte der Firma National Instruments die Signalaufnahme. Die katalytische Schadstoffreduktion und Entstaubung heißer Rauchgase bei 900 Grad C sind Ziele der Untersuchungen in einer erstellten Versuchsanlage mit einem Quarzglasreaktor. Die Signalerfassung und -konditionierung erfolgt über SCXI in Verbindung mit LabView 4.0, die Steuerung der Anlage übernehmen zwei Multifunktionskarten (National Instruments).
Optimisation of a urea selective catalytic reduction system with a coated ceramic mixing element
(2017)
Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke mit Druckwirbelschicht- oder mit Druckvergasungsverfahren ermöglichen die Verstromung von Kohle mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen. Eine Voraussetzung für den Betrieb dieser Anlagen ist die Entstaubung der Rauchgase bei hohen Temperaturen und Drücken. Abreinigungsfilter mit keramischen Elementen werden dazu eingesetzt. Eine Reduzierung gasförmiger Schadstoffe unter den gleichen Bedingungen könnte Rauchgaswäsche ersetzen. Ziel des Gesamtvorhabens ist es, die Integration von Heißgasfiltration und katalytischem Abbau der Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in einen Verfahrensschritt zu untersuchen. Die Arbeitsschwerpunkte dieses Teilvorhabens betreffen:
die katalytische Wirkung eisenhaltiger Braunkohlenaschen,
die Wirksamkeit des Calciumaluminat als Katalysator des Abbaus unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Heißgasfilter,
numerische Simulation der kombinierten Abscheidung von Partikeln und gasförmigen Schadstoffen aus Rauchgasen
The Solar-Institut Jülich (SIJ) and the companies Hilger GmbH and Heliokon GmbH from Germany have developed a small-scale cost-effective heliostat, called “micro heliostat”. Micro heliostats can be deployed in small-scale concentrated solar power (CSP) plants to concentrate the sun's radiation for electricity generation, space or domestic water heating or industrial process heat. In contrast to conventional heliostats, the special feature of a micro heliostat is that it consists of dozens of parallel-moving, interconnected, rotatable mirror facets. The mirror facets array is fixed inside a box-shaped module and is protected from weathering and wind forces by a transparent glass cover. The choice of the building materials for the box, tracking mechanism and mirrors is largely dependent on the selected production process and the intended application of the micro heliostat. Special attention was paid to the material of the tracking mechanism as this has a direct influence on the accuracy of the micro heliostat. The choice of materials for the mirror support structure and the tracking mechanism is made in favor of plastic molded parts. A qualification assessment method has been developed by the SIJ in which a 3D laser scanner is used in combination with a coordinate measuring machine (CMM). For the validation of this assessment method, a single mirror facet was scanned and the slope deviation was computed.
Using optimization to design a renewable energy system has become a computationally demanding task as the high temporal fluctuations of demand and supply arise within the considered time series. The aggregation of typical operation periods has become a popular method to reduce effort. These operation periods are modelled independently and cannot interact in most cases. Consequently, seasonal storage is not reproducible. This inability can lead to a significant error, especially for energy systems with a high share of fluctuating renewable energy. The previous paper, “Time series aggregation for energy system design: Modeling seasonal storage”, has developed a seasonal storage model to address this issue. Simultaneously, the paper “Optimal design of multi-energy systems with seasonal storage” has developed a different approach. This paper aims to review these models and extend the first model. The extension is a mathematical reformulation to decrease the number of variables and constraints. Furthermore, it aims to reduce the calculation time while achieving the same results.
Koaxiale Stahlenergiepfähle
(2021)
Ein entscheidender Teil der Energiewende ist die Wärmewende im Gebäudesektor. Ein Schlüsselelement sind hier Wärmepumpen. Diese benötigen eine Wärmequelle, der sie Energie entziehen können, um sie auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren. Diese Wärmequelle kann bspw. das Erdreich sein, dessen Wärme durch Erdsonden erschlossen werden kann. In diesem Beitrag werden in Stahlpfähle integrierte Koaxialsonden mit dem Stand der Technik von Erdsonden gleichen Durchmessers bezüglich ihrer thermischen Leistungsmerkmale verglichen. Die Stahlenergiepfähle bieten neben der Wärmegewinnung weitere Vorteile, da sie auch eine statische Funktion übernehmen und rückstandsfrei zurückgebaut werden können. Es werden analytische und numerische Berechnungen vorgestellt, um die thermischen Potenziale beider Systeme zu vergleichen. Außerdem wird ein Testaufbau gezeigt, bei dem Stahlenergiepfähle in zwei verschiedenen Längen mit vorhandenen gängigen Erdsonden verglichen werden können. Die Berechnungen zeigen einen deutlichen thermischen Mehrertrag zwischen 26 % und 148 % der Stahlenergiepfähle gegenüber dem Stand der Technik abhängig vom Erdreich. Die Messergebnisse zeigen einen thermischen Mehrertrag von über 100 %. Es lässt sich also signifikante Erdsondenlänge einsparen. Dabei ist zu beachten, dass sich damit der thermisch genutzte Bereich des Erdreichs reduziert, wodurch die thermische Regeneration und/oder das Langzeitverhalten des Erdreichs an Bedeutung gewinnt.
Air-sand heat exchanger
(2011)
Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts 3 wurde experimentell und theoretisch die NO{sub x}-Bildung und -Reduktion bei der Druckkohlenstaubverbrennung untersucht. Der zuvor beschriebene Einfluss der Kohlemahlung auf die Flamme konnte auch anhand der NO{sub x}-Messungen an der DKSF-Anlage Aachen bestaetigt werden. Waehrend mit Braunkohle im Staubfeuerungsbetrieb noch keine eindeutige Druckabhaengigkeit nachgewiesen werden konnte, haben vom Lehrstuhl durchgefuehrte NO{sub x}-Messungen an der DKSF-Anlage Dorsten im Schmelzkammerfeuerungsbetrieb mit der Steinkohle Spitzbergen zwischen 9 und 13 bar ein Absinken der Stickoxidkonzentrationen mit steigendem Druck ergeben. Fuer die rheinische Braunkohle soll dieser Druckeinfluss in den naechsten Versuchsfahrten ausfuehrlicher untersucht werden. Es wurde anhand von numerischen Simulationen zu einer Braunkohleflamme der 6. Versuchsfahrt ein Vergleich zwischen der NO{sub x}-Modellierung im Standard-FLUENT-Code und in dem mit User Defined Subroutines der international flame research foundation (IFRF), Ijmuiden, erweiterten FLUENT-Code vorgenommen. Es zeigte sich, dass bei der Modellierung der Stickoxidbildung die unterschiedlich vorhergesagten Flammentemperaturen eine entscheidende Rolle spielen. Eine genauere Analyse der NO{sub x}-Modelle im Vergleich zu Messergebnissen ist bei einer Schmelzkammerfeuerung mit einer stabilen Flamme vorzunehmen. Es wurden zusaetzlich Messungen zur Untersuchung der Kinetik homogener Gasphasenreaktionen in Rauchgasen an einem Stahlreaktor durchgefuehrt. Dabei wurde sowohl der thermisch bedingte als auch der durch zudosierte Additive katalysierte Abbau nitroser Komponenten betrachtet. Vergleichend wurden mit einem am Lehrstuhl entwickelten Programm die Kinetik beschrieben. Hierbei wird mit einer Sensitivitaetsanalyse eine Reduzierung der detaillierten Darstellung der Reaktionskinetik erreicht, die es erlaubt, mit einem CFD-Code wie FLUENT zwei- und dreidimensionale Rechnungen zum Abbau verschiedener Rauchgaskomponenten durchzufuehren. Die Uebereinstimmung zwischen ein- und zweidimensionalen Rechnungen und den Messungen ist gut.
Producing fresh water from saline water has become one of the most difficult challenges to overcome especially with the high demand and shortage of fresh water. In this context, as part of a collaboration with Germany, the authors propose a design and implementation of a pilot multi-stage solar desalination system (MSD), remotely controlled, at Douar Al Hamri in the rural town of Boughriba in the province of Berkane, Morocco. More specifically, they present their contribution on the remote control and supervision system, which makes the functioning of the MSD system reliable and guarantees the production of drinking water for the population of Douar. The results obtained show that the electronic cards and computer communication software implemented allow the acquisition of all electrical (currents, voltages, powers, yields), thermal (temperatures of each stage), and meteorological (irradiance and ambient temperature), remote control and maintenance (switching on, off, data transfer). By comparing with the literature carried out in the field of solar energy, the authors conclude that the MSD and electronic desalination systems realized during this work represent a contribution in terms of the reliability and durability of providing drinking water in rural and urban areas.
Simulation model for the transient process behaviour of solar aluminium recycling in a rotary kiln
(2015)
Two of the main environmental problems of today’s society are the continuously increasing production of organic wastes as well as the increase of carbon dioxide in the atmosphere and the related green house effect. A way to solve these problems is the production of biogas. Biogas is a combustible gas consisting of methane, carbon dioxide and small amounts of other gases and trace elements. Production of biogas through anaerobic digestion of animal manure and slurries as well as of a wide range of digestible organic wastes and agricultural residues, converts these substrates into electricity and heat and offers a natural fertiliser for agriculture. The microbiological process of decomposition of organic matter, in the absence of oxygen takes place in reactors, called digesters. Biogas can be used as a fuel in a gas turbine or burner and can be used in a hybrid solar tower system offering a solution for waste treatment of agricultural and animal residues. A solar tower system consists of a heliostat field, which concentrates direct solar irradiation on an open volumetric central receiver. The receiver heats up ambient air to temperatures of around 700°C. The hot air’s heat energy is transferred to a steam Rankine cycle in a heat recovery steam generator (HRSG). The steam drives a steam turbine, which in turn drives a generator for producing electricity. In order to increase the operational hours of a solar tower power plant, a heat storage system and/ or hybridization may be considered. The advantage of solar-fossil hybrid power plants, compared to solar-only systems, lies in low additional investment costs due to an adaptable solar share and reduced technical and economical risks. On sunny days the hybrid system operates in a solar-only mode with the central receiver and on cloudy days and at night with the gas turbine only. As an alternative to methane gas, environmentally neutral biogas can be used for operating the gas turbine. Hence, the hybrid system is operated to 100% from renewable energy sources