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Statistik der Wasserversorgung und der Abwasserbeseitigung bei Wärmekraftwerken für die öffentliche Versorgung

Gewinnung von Grund-, Quell- und Oberflächenwasser sowie Bezug und Abgabe von Wasser. Verwendung von Wasser, getrennt nach Einsatzbereichen, Einfach-, Mehrfach- und Kreislaufnutzung. Behandlung und Einleitung von Kühlwasser und sonstigem Wasser nach Menge, Art der Abwasserbehandlung, behandeltes und unbehandeltes Abwasser sowie die jeweiligen Konzentrationen und Frachten an Schadstoffen nach dem Abwasserabgabengesetz, Klärschlamm nach Menge, Behandlung, Beschaffenheit und Verbleib sowie die für das Aufbringen genutzte Fläche nach Nutzungsart, Zahl der beschäftigten Personen.

Vermeidung kritischer Schwingungen und Verbrennungspulsationen in Großraumwasserkesseln unter stark schwankenden Gasbeschaffenheiten und Wasserstoff, Teilprojekt: Entwicklung eines optischen Verfahrens zur Charakterisierung und Bewertung schwingungskritischer Kesselanlagen

Kernziel des beantragten Projektes ist die Erhöhung der Energieeffizienz durch Vermeidung kritischer Anlagenschwingungen und Reduzierung von Verbrennungspulsationen in thermischen Kraftwerken und Großraumwasserkesseln. Dafür ist eine messtechnische Methodik zu entwickeln, welche in der Lage ist, kritische Anlagenzustände zu detektieren. Dabei soll insbesondere berücksichtigt werden, dass zukünftig zu erwarten ist, dass deutlich höhere Mengen Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden, welche voraussichtlich einen deutlichen Einfluss auf die Energiefreisetzung und das Pulsationsverhaltens der Flammen, sowie die Effizienz von Kesselanlagen haben werden. Durch eine darauf zugeschnittene Analyse von Betriebsparametern und die Erfassung zusätzlicher schwingungsbeeinflussender Messgrößen, sollen zukünftig Pulsationen direkt beim Auftreten erkannt und ausgeregelt werden, um den Komponentenschutz zu erhöhen, kritische Anlagenzustände zu vermeiden und einen optimierten Betrieb auch unter Erdgas-Wasserstoffmischungen und bei reinen Wasserstoffbrennern zu ermöglichen. Der Fokus der Arbeitsinhalte der TU Dresden liegt auf der Entwicklung der Messtechnik. Dies betrifft sowohl die Erweiterung eines Hochgeschwindigkeits-Kamerasystems für die Messung von Wasserstoff-Gemisch-Flammen, also auch die Entwicklung der Analysesoftware zur Auswertung dieser Bilddaten in Kombination mit weiteren Messdaten.

Optimierung von Waermeerzeugungsanlagen

Im Rahmen des Projektes wurde die Struktur der Waermegestehungskosten, des Primaerenergiebedarfs und der Treibhausgasemissionen, bewertet im CO2-Massstab fuer Waermeerzeugungsanlagen, wie sie fuer Contractingloesungen typisch sind untersucht und Optimierungsmoeglichkeiten dargestellt.

Recycling Waste Heat Rotation: Entwicklung einer effizienten und kostengünstigen BHKW-Nachverstromungsanlage für Biogasanlagen, Teilvorhaben: Entwicklung und Testbetrieb des Rotationskammerexpanders

Turbomaschinen für die Transformation in das integrierte Energiesystem der Zukunft, Teilvorhaben: 2.1b und 3.1b

Improving Wood Waste Power Plants in Zimbabwe as Option for the CDM. Options for baselines and methodological issues related to the CDM.

Digitalisiertes Wärmekraftwerk für eine effizientere urbane Fernwärmeversorgung, Teilvorhaben: Entwicklung, Integration und Erprobung eines Digitalisierten Wärmekraftwerks

Im Zuge der Dekarbonisierung der Fernwärmsysteme werden die bisher meist zentralen Strukturen einer Transformation hin zu dezentralen Systemen unterzogen. Fernwärmesysteme werden hierbei bspw. um Großwärmepumpen, solarthermische Erzeuger und kleinere KWK-Anlagen erweitert. Weiter werden niedrige Systemtemperaturen sowie diversifizierte und sektorgekoppelte Erzeugereinheiten angestrebt. Aus dieser Transformation erwachsen für Wärmeversorger und Netzbetreiber neue Herausforderungen wie bspw. der kostenoptimale und flexible Einsatz der unterschiedlichsten Wärmeerzeuger (teilweise mit Kopplung an den Strommarkt), die stärkere Belastung der hydraulischen Systeme durch druck- und temperaturseitig stark dynamisierte bidirektionale Strömungen oder die Bestrebungen der Wärmekunden nach kostengünstigen, umweltfreundlichen und sicheren Wärmeangeboten (einschließlich Trinkwasserhygiene und Lastmanagement). In diesem Kontext führt die Digitalisierung in Kombination mit geeigneter Sensorik zu einer besseren Kenntnis des Wärmebedarfs, einer Zustandserkennung im Wärmenetz sowie einem intelligenten und vorausschauenden Wärmespeicher- und Erzeugermanagement. Das Vorhaben DigiHeat fokussiert auf Ansätze zum zielgerichteten und effizienten Einsatz von Technologien zur Datenübertragung und -verarbeitung im Fernwärmesektor. Es kombiniert hierbei konkrete Digitalisierungsmaßnahmen beteiligten Stadtwerke Gießen, Marburg und Hanau mit der Entwicklung und Praxiserprobung des innovativen Konzepts eines 'Digitalisierten Wärmekraftwerks'. Bei diesem wird die IKT-Systemarchitektur des virtuellen Kraftwerks, wie sie im Stromsektor bereits vielfach Anwendung findet, auf den Anwendungsfall Fernwärme vorgenommen. Der zielgerichtete und effiziente Einsatz von Kommunikationstechnologien und Datenübertragungsstandards soll dazu führen, dass ein Fernwärmesystem mit Erzeugern, Verteilung und Verbrauch möglichst effizient im Sinne eines 'Digitalisierten Wärmekraftwerks' betrieben werden kann.

Entwicklung flexibel operierender Pumpensysteme für hohe Druckverhältnisse, Temperatur- und Mengenschwankungen, Teilvorhaben: Untersuchung rotordynamischer Koeffizienten von Axialschub-Entlastungseinrichtungen

Ziel der Entwicklung stark flexibel operierender Pumpensysteme für hohe Druckverhältnisse, Temperatur- und Mengenschwankungen ist es, die Anforderungen an Pumpensysteme für stark schwankende Betriebsbedingungen hinsichtlich der Erhöhung ihrer Flexibilität bei gleichzeitiger Steigerung des Teillastwirkungsgrades und unter Beibehalt oder Erhöhung ihrer Lebensdauer abzuleiten. Diese Anforderungen sind durch die Entwicklung hochflexibel betreibbarer Pumpensysteme umzusetzen. Derartige flexible Pumpensysteme werden bspw. in Dampfkraftwerken (für Komponenten im Wasser-Dampf-Kreislauf und im Kühlkreislauf, aber auch in vor- und nachgeschalteten Prozesskreisläufen) sowie in chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen mit hydraulischen Kreisläufen benötigt. In den Kreiselpumpen dieser Systeme entsteht durch die Druckerhöhung über die Laufräder ein Axialschub auf den Rotor, welcher i.d.R. durch Axialschub-Entlastungseinrichtungen reduziert werden muss, um Axiallager zu entlasten. Der Einfluss von Axialschub-Entlastungseinrichtungen auf die Rotordynamik der Pumpe, welcher insbesondere bei flexiblem Betrieb eine wesentliche Rolle spielen kann, ist jedoch weitgehend unerforscht. In flexibel operierenden Pumpensystemen erfahren drehzahlgeregelte Pumpen Anregungen der Struktur mit der Drehfrequenz und ihren Vielfachen über einen ausgedehnten Frequenzbereich. Resonanzen in diesem breiten Drehzahlbereich können leicht zum Ausfall der Maschine und des Systems führen, weswegen sie zwingend zu vermeiden sind. Dafür ist insbesondere auch die sichere Kenntnis der rotordynamischen Koeffizienten von Axialschub-Entlastungseinrichtungen notwendig, die in diesem Teilprojekt untersucht werden. Dafür wird ein spezieller Prüfstand erweitert und Axialschub-Entlastungseinrichtungen experimentell untersucht. Außerdem werden Simulationen der Spaltströmung durchgeführt.

Smartkompensator für die kritische Infrastruktur, Teilvorhaben: Auswahl der Sensortechnik und Implementierung der Sensorik

Das Energieversorgungsnetz in Deutschland wird heterogener und komplexer. Die Projektierung vieler kleinerer, verteilter Kraftwerksanlagen zur Energiegewinnung sowie die Integration bestehender Systemkomponenten stellen neue Herausforderungen an die Anlagen sowie deren Teilkomponenten dar. Insbesondere das An- und Herunterfahren einer Gasturbine bewirkt thermischen und mechanischen Stress. Um Systemausfälle zu vermeiden, müssen die verwendeten Kraftwerkskomponenten optimiert werden. Kompensatoren sind kritische Anlagenkomponenten, die Bewegungen aufnehmen, sodass Schäden am System verhindert werden und die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems gewährleistet bleibt. Im Rahmen einer prädiktiven Instandhaltung (Predictive Maintenance) sollte es möglich werden, den Zustand von Kompensatoren im laufenden Betrieb und in Echtzeit zu überwachen und bevorstehende Wartungseingriffe zu prognostizieren. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Neuentwicklung eines Kompensators dessen Betriebszustand sensorisch erfasst und überwacht wird. Dafür wird ein experimentelles System zur Datenerfassung und -weiterleitung gebaut, das unter realen Bedingungen in einem Versuchskraftwerk in Deutschland getestet wird. Innerhalb des SMART-KIT Projektes wird damit ein neuartiges Bauteil für kritische Infrastrukturen getestet, das zu erhöhter Zuverlässigkeit an thermischen Kraftwerken beitragen kann und damit einen kostenintensiven Ausfall des Gesamtsystems verhindert.

Auswirkungen der Nutzung Erneuerbarer Energien auf den Wasserhaushalt

Die Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes wurde von 2018 bis 2020 durchgeführt und untersuchte den zukünftigen Wasserbedarf des Energiesystems auf Basis von Szenarien zum Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland. Die Ergebnisse zeigen, dass der geplante Ausbau der Erneuerbaren Energien sowie die Reduzierung der Anzahl der thermischen Kraftwerke zu einer Verbesserung des Zustands des Wasserhaushalts der Gewässer in Bezug auf die Wassermenge und die Temperatur führen. Der Wasserhaushalt der Gewässer wird sich durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien in Zukunft nur dann verschlechtern, wenn große Flächen für die Bewässerung von Energiepflanzen mit Oberflächenwasser genutzt werden oder die tiefe Geothermie mit wasserintensiver Kraftwerks- und Kühltechnologie großflächig ausgebaut wird.

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