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A possible contamination with impurities or material weak points generated in cell production of lithium-ion batteries increases the risk of spontaneous internal short circuits (ISC). An ISC can lead to a sudden thermal runaway (TR) of the cell, thereby making these faults especially dangerous. Evaluation regarding the criticality of an ISC, the development of detection methods for timely fault warning and possible protection concepts require a realistic failure replication for general validation. Various trigger methods are currently discussed to reproduce these ISC failure cases, but without considering a valid basis for the practice-relevant particle properties. In order to provide such a basis for the evaluation and further development of trigger methods, in this paper, the possibilities of detecting impurity particles in production were reviewed and real particles from pouch cells of an established cell manufacturer were analysed. The results indicate that several metallic particles with a significant size up to 1 mm × 1.7 mm could be found between the cell layers. This evidence shows that contamination with impurity particles cannot be completely prevented in cell production, as a result of which particle-induced ISC must be expected and the need for an application-oriented triggering method currently exists. The cause of TR events in the field often cannot be identified. However, it is noticeable that such faults often occur during the charging process. A new interesting hypothesis for this so-far unexplained phenomenon is presented here. Based on all findings, the current trigger methods for replicating an external particle-induced ISC were evaluated in significant detail and specific improvements are identified. Here, it is shown that all current trigger methods for ISC replication exhibit weaknesses regarding reproducibility, which results mainly from the scattering random ISC contact resistance.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein vielversprechender Energiespeicher für die bekanntermaßen dringend notwendige Energiewende. Sie zeichnet sich durch ihre hohe Langzeitstabilität und geringe Degradation aus, wodurch sie sich sehr gut für stationäre Anwendungen zur Zwischenspeicherung von Sonnen- und Windenergie eignet. Leistung und Speicherkapazität der Batterie sind getrennt skalierbar. Der Elektrolyt, in dem die elektrische Energie chemisch gespeichert wird, befindet sich in externen Tanks und wird durch die Zelle gepumpt. Die Zellfläche bestimmt dabei die Leistung der Batterie. Während der Ladung bzw. Entladung der Batterie finden an den porösen Elektroden aus Kohlenstoffilz die Oxidations- und Reduktionsreaktionen der aktiven Spezies statt. Bei der Vanadium-Redox-FlowBatterie sind dies in beiden Halbzellen Vanadiumsalze, da Vanadium in vier Oxidationsstufen vorliegen kann. Für weitere Optimierungen der Technologie sind Kenntnisse der detaillierten Prozesse der VanadiumIonen an den Elektroden notwendig. Die Untersuchung dieser Reaktionen erweist sich jedoch als sehr komplex, da die porösen Elektroden eine korrekte Messung erschweren. Die Elektrolyt-gefüllten Poren der Elektrode sorgen für eine niedrige Leitfähigkeit der Gesamtelektrode, was durch die inhomogene Stromdichteverteilung die korrekte Erfassung der Kinetik erschwert. Dazu sind die korrekte Bestimmung der Oberfläche der porösen Materialien sowie die starke Inhomogenität der Kohlenstoffmaterialien eine Herausforderung. Daher werden statt der realen Kohlenstofffilze häufig Modellelektroden (wie z.B. Glaskohlenstoff) genutzt, zusätzlich werden die Messungen bei sehr geringen Elektrolytkonzentrationen durchgeführt. Die Eigenschaften dieser Materialien sind allerdings nicht vergleichbar mit den realen Bedingungen. Die Untersuchung der kinetischen Prozesse an den technischen Elektrodenmaterialien unter realitätsnahen Bedingungen wie der real vorliegenden Elektrolytkonzentrationen ist daher der Fokus dieser Arbeit. Um die Problematik der porösen Struktur zu umgehen, werden dazu Einzelfaserelektroden mit Fasern aus den realen Materialien hergestellt. An diesen können durch die Aufnahme von elektrochemischen Impedanzspektren sowie Polarisationskurven in Elektrolytlösungen verschiedener Konzentrationen kinetische Parameter wie die Reaktionsordnung, die Ladungsübertragungskoeffizienten sowie die Austauschstromdichte bestimmt werden. Diese Ergebnisse werden in dieser Arbeit in einem Modell zur Beschreibung der porösen Elektrode genutzt um den Einfluss der Inhomogenität der Elektrode sowie das weitere Optimierungspotential der Elektrodenprozesse zu bewerten. Zur Modellvalidierung werden neben den Messungen an Einzelfasern auch Untersuchungen an Halbzellen mit porösem Elektrodenfilz durchgeführt. Es zeigt sich, dass bei der negativen Elektrode noch Optimierungspotential hinsichtlich der Kinetik vorhanden ist, im positiven Elektrolyten wäre dagegen eher eine Verbesserung der Leitfähigkeit der Gesamtelektrode anzustreben. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen außerdem, dass bei beiden Elektroden die Reaktionsgeschwindigkeit stark von der Elektrolytkonzentration abhängig ist. Die möglichen zugrundeliegenden Prozesse werden detailliert beleuchtet, so zeigt sich, dass an der negativen Elektrode eine Änderung des Reaktionsmechanismus vorliegt, während die Änderungen an der positiven Elektrode auf Komplexbildungen zurückzuführen sein könnten., The vanadium redox flow battery is a promising energy storage device for the urgently needed energy transition. It is characterized by its high long-term stability and low degradation, making it very suitable for stationary applications for the intermediate storage of solar and wind power. Electrical power and charge capacity of the battery can be scaled separately. The electrical energy is then chemically stored in liquid electrolyte in external tanks and pumped through the cell during operation. The cell area thereby determines the nominal power of the battery. During charging or discharging of the battery, the oxidation and reduction reactions of the active species take place at the porous carbon felt electrodes. In the case of the Vanadium redox flow battery, these are Vanadium salts in both half cells, since Vanadium can exist in four oxidation states. For further optimization of the technology, knowledge of the detailed processes of the Vanadium ions at the electrodes is necessary. However, the study of these reactions is proving to be very complex, as the porous electrodes make correct measurement difficult. The electrolyte-filled pores of the electrode provide a low conductivity of the overall electrode, which makes the correct acquisition of the kinetics difficult due to an inhomogeneous current density distribution. In addition, the correct determination of the surface area of the porous materials and the strong inhomogeneity of the carbon materials are challenging. Therefore, model electrodes (such as glassy carbon) are often used instead of the real carbon felts and the measurements are performed at very low electrolyte concentrations. However, the properties of these materials are not comparable to real conditions. Therefore, the investigation of the kinetic processes on the porous electrode materials under realistic conditions such as the real electrolyte concentrations is the focus of this work. To prevent the problem of the porous structure, single fiber electrodes with fibers from the real materials are fabricated for this purpose. By perfoming electrochemical impedance spectra and polarization curves in electrolyte solutions of different concentrations, kinetic parameters such as the reaction order, the charge transfer coefficients and the exchange current density can be determined. These results are used in this work in a model to describe the porous electrode in order to evaluate the influence of the inhomogeneity of the electrode as well as the further optimization potential of the electrode processes. For model validation, in addition to measurements on single fibers, investigations on half cells with porous electrode felt are performed. It is shown that there is still potential for optimization with regard to kinetics in the negative electrode, whereas in the positive electrolyte, the aim would rather be to improve the conductivity of the overall electrode. The results of this work also show that for both electrodes the reaction rate is strongly dependent on the electrolyte concentration. The possible underlying processes are illuminated in detail, showing that a change in the reaction mechanism is present at the negative electrode, while the changes at the positive electrode could be due to complex formation.

Im Wettkampf die Grenzen der Kohlenwasserstoff- und Geothermie F��rderung sowie Speicherung stetig zu ��bertreffen und optimieren, wurden horizontale Bohrungen, tiefe Ablenkungsbohrungen und Bohrungen mit gro��em Neigungswinkel (ERD Bohrungen) zum heutigen Standard. Bei der Planung solcher Projekte sowie Ablenkungen, wirken sich Vorg��nge wie R��umen (reaming), Bohren (drilling), Rotation off-bottom und das Ein- und Ausfahren der Bohrgest��nge enorm auf die Futterrohr Beschaffenheit aus. Durch das Aufeinandertreffen und dem herrschenden Kontakt zwischen dem Bohrstrang und der Innenwand des Futterrohrs, tritt eine st��rkere Abnutzung des Materials auf seitens des Futterrohrs, besonders an den Verbindungsstellen des Bohrstrangs, auf. Dies f��hrt entweder zu einem ungleichm����igen kreisf��rmigen Schwund der Futterrohr-St��rke, oder bei l��ngerem kontinuierlichem Kontakt gegen die Innenwand des Futterrohrs, zu einer punktuellen tiefen Verschlei��rille. Ein dynamischer Futterrohr-Verschlei�� ist aufgrund der Vielzahl von Variablen, ein komplexes, zu simulierendes Ph��nomen, da die Variablen das nicht-lineare Verschlei��verhalten beeinflussen. Die Verschlei��intensit��t wird durch individuelle Kombinationen von Betriebsbelastungen (ver��ndernde Kraft-Fl��chen-Verteilungen) beeinflusst. Metallurgische Eigenschaften (Werkstoffh��rte und Streckgrenze) und vorherrschende tribologische Mechanismen (Oberfl��chenrauheit, Reibungsfaktoren und Verschlei��art) kommen zum Tragen. Damit Verschlei��simulationsgleichungen m��glichst genau sind, m��ssen die erforderlichen Reibungs- und Verschlei��faktoren experimentell durch umfangreiche Versuche bestimmt werden. Um diese Anforderung zu erf��llen, besteht der erste Schritt dieser Forschung darin, vorhandene mathematische Modelle und konventionelle Bohrlochplanungssoftwares zu analysieren. Daraus folgt die Bestimmung von Parametern, die f��r ein umfassendes Verschlei��testverfahren in Bezug auf variable Seitenkraft, Bohrstrangdrehzahl, axiale Bewegung und Fluidtyp, notwendig sind. Der zweite Schritt und somit der Fokus dieser Studie ist die Planung, Konstruktion und Anwendung eines vollwertigen Verschlei��models zur Reproduktion von Reibungs- und Verschlei��faktoren unter Feldbedingungen. Die entwickelte Verschlei��anlage erm��glicht Abrieb verschiedener Futterrohr-Materialien unter diversen Betriebslasten und verschieden Arten von Schmiermitteln zu simulieren. Unter Anwendung nahezu gleicher Betriebslasten, wurden die Verschlei��prozesse f��r Stahl-, Glasfaser- und Kohlefaser-Futterrohrs untereinander verglichen. Der Umfang der Testreihe beinhaltete bislang 14 Tests unter Anwendung eines Schlammbasierenden Schmiermittels oder Wasser. Vergleiche zwischen den erbrachten Ergebnissen, in Bezug auf Reibungs- und Verschlei��faktoren, zeigen eine starke ��hnlichkeit und stehen somit im Einklang mit fr��heren experimentellen Studien. Nachdem der h��chste Verschlei��faktor binnen kurzer Testdauer erreicht wurde, ist zu beobachten, dass dieser nach einer Verringerung des Druckkontaktes drastisch und stetig sinkt. Dieses Ph��nomen ist bei allen getesteten Materialien unter bestimmten Betriebslasten und Bohrszenarien zu verzeichnen und kann als einen genaueren Richtwert f��r Feld Ereignisse genutzt werden. Des Weiteren k��nnen mithilfe der gemessenen Werte des Reibungsfaktors, die Spanne der Belastungsdruckgrenze (Contact Pressure Threshold) an den Futterrohren genauer bestimmt werden. Eine Verschlei��volumengleichung, basierend auf den experimentellen Ergebnissen, wird als Teil der Testergebnisse pr��sentiert. Anhand der ermittelten Werte sowie Trends der Versuchsergebnisse, k��nnen Vorhersagen, bez��glich des Verschlei��es, getroffen werden. Indem weiterer Stahlsorten, Durchmesser und neue Futterrohr-Materialien in den experimentellen Umfang einbezogen werden, kann die Anlage unter praxisnahen Bedingungen Verschlei��verhalten darstellen. Hersteller f��r Futterrohre und Verbindungen profitieren von diesen Simulationen, um genauere Werte bei ihrer Herstellungsweise integrieren zu k��nnen. Durch die Anlage simulierten Feld Bedingungen, k��nnen die Werte der Belastungsdruckgrenzen (Contact Pressure Threshold) und Verschlei��faktoren erlangt werden. Diese Werte werden ben��tigt, um eine empirische Daten Gliederung zu erstellen, welche daraufhin in eine Software integriert werden. Dies vermag den Futterrohr-Verschlei�� im Voraus abzuw��gen und zu reduzieren, aber erm��glicht gleichzeitig die Flexibilit��t bei Betriebslasten beizubehalten., In the race to push the limits of hydrocarbon and geothermal production (and storage), deep inclined, horizontal, and ERD wells have become the drilling norm. In building such well trajectories, processes such as drilling, reaming, rotation off-bottom and tripping always affect casing wall thickness due to its interaction with the drillstring (particularly at the tool joints) under high contact forces. This results in either an uneven circumferential thickness reduction or, in case of long continuous contact of a tense drillstring pressed against the casing inner wall, a localized deep wear-groove. Localized dynamic casing wear is a complex phenomenon to simulate due to the number of control variables influencing the non-linear wear behavior. Wear intensity is influenced by individual combinations of service loads (changing force-area distributions), metallurgical properties (material hardness and yield strength) and prevailing tribological mechanisms (surface roughness, friction factors and wear type). For wear simulation models to be accurate, the required friction- and wear factors must be experimentally determined by full-scale tests. To fulfill this requisite, the first step of this research is to analyze existing mathematical models and conventional well planning software to establish parameters for a full-scale wear test method in terms of variable side force, drillstring RPM, axial reciprocation, and fluid type. The design, construction, and application of a full-scale wear frame to reproduce friction- and wear factors under field conditions is the second step, and the core focus of this study. The wear frame is designed to incorporate different casing materials under a range of operational loads and lubrication conditions, and wear scenarios under similar service loads have been compared for steel, fibered glass and fibered carbon casings. A total of 14 wear tests have been carried out in the study time-frame for the casing materials under water and mud lubrication conditions. A comparison of test results shows good consistency and agreement with previous experimental studies in terms of friction and wear factors. After the initial peak values, the wear factor is observed to decline drastically to a steady-drop range upon contact pressure reduction. For all tested materials, this steady range of values can provide a good estimate of field wear volume over time under particular service loads and drilling scenarios. Also, the measured steady values of friction factors help determine close ranges on contact pressure threshold for the casings. A proposed wear volume equation based on the experimental results is presented as a part of test results. It has been observed from the detected trends in the test results that repeated wear tests can make casing wear predictable. With the inclusion of more steel grades, diameters and new casing materials into the experimental scope, the wear frame can be used to develop a comprehensive record of wear performance under different field scenarios for casing and tool joint manufacturing industry. Attribution of wear factors and contact pressure thresholds to specific field conditions via a wear test database, and its integration into a software solution, can fill gaps to help reduce casing wear while retaining flexibility on operational loads.

Eine Reduzierung von klimaschädlichen Emissionen kann durch den Ausbau erneuerbarer Energien und den Einsatz von Elektrofahrzeugen erreicht werden. In beiden Anwendungen sind elektrochemische Speicher auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien gegenwärtig von essentieller Bedeutung. Den positiven Eigenschaften der Technologie hinsichtlich der Energiedichte stehen jedoch weiter Nachteile in Form hoher Kosten sowie eines kritischen Sicherheitsverhaltens gegenüber. Eine Lithium-Ionen-Batterie muss daher stets hinsichtlich der Zustandsgrößen Spannung, Temperatur und Strom überwacht werden um unzulässige Betriebsparameter zu verhindern. Im Rahmen der Dissertation wird untersucht, ob die dominierende elektronische Überwachung (BMS) durch optische Sensoren substituiert werden kann. Es wird gezeigt, dass eine engmaschige Temperaturüberwachung einer Fahrzeugbatterie mittels Faser-Bragg-Gittern sinnvoll ist und sich kritische Temperaturen während einer Schnellladung detektieren lassen, die von der elektronischen Überwachung nicht hinreichend abgebildet werden. Eine notwendige Kompensation der optischen Messwerte erfolgt durch thermo-mechanische Faktoren, die erstmals im laufenden Betrieb eines Speichers ermittelt werden können, wodurch sich das individuelle Dehnungsverhalten einer Zelle präziser abbilden lässt. An beschleunigten Alterungsuntersuchungen wird zudem gezeigt, dass die Änderung des Faktors mit der Degradation einer Zelle korreliert. Ferner wird demonstriert, dass mittels optischer Dehnungssensoren eine bevorstehende Zellhavarie detektiert werden kann. Zur Strommessung wird ein optischer Stromsensor entwickelt, dessen Eignung am Beispiel eines Vollzyklus an einem Batteriemodul demonstriert wird. Darüber hinaus wird ein polymeres optisches Sensorkonzept entwickelt, auf Grundlage dessen es zukünftig vorstellbar ist die optische Sensorik in die Polymerfolie einer flexiblen Lithium-Ionen-Batterie zu integrieren. Im Rahmen des Sensorkonzepts wird erstmalig ein Polymer-AWG-Interrogator (pAWG) zur Auswertung sowie ein planares Polymer-Bragg-Gitter (pBG) als Sensor entwickelt und charakterisiert. Das pAWG ermittelt zuverlässig die Bragg-Wellenlänge eines Dehnungssensors über einen Zeitraum von mehreren Wochen mit einer Abweichung von 0, 65 ± 5, 9 pm. Das pBG reagiert auf Änderungen der Temperatur, der Dehnung sowie der relativen Luftfeuchtigkeit. Die Empfindlichkeiten konnten unabhängig voneinander zu −44 pm K (für 43 % r.F.), 0,26 pm m µm und 19 pm % bestimmt werden. Eine vollständige Substitution der elektronischen Überwachung ist zwar gegenwärtig nicht darstellbar, jedoch werden erfolgreich Grundlagen für die Entwicklung eines optoelektronischen Hybrid-BMS gelegt., A reduction in climate-damaging emissions can be achieved through the expansion of renewable energies and the use of electric vehicles. In both applications, electro-chemical storage systems based on lithium-ion batteries are currently of essential importance. However, the positive characteristics of the technology in terms of energy density continue to be offset by disadvantages in the form of high costs and critical safety behavior. A lithium-ion battery must therefore always be monitored with regard to the state variables voltage, temperature and current in order to prevent inadmissible operating parameters. Within the scope of the dissertation it is investigated whether the dominating electronic monitoring (BMS) can be substituted by optical sensors. It is shown that close-meshed temperature monitoring of a vehicle battery using fiber Bragg gratings is useful and that critical temperatures during fast charging can be detected, which are not adequately mapped by electronic monitoring. A necessary compensation of the optical measured values is provided by thermo-mechanical factors, which can be determined for the first time during operation of a storage device, allowing the individual strain behavior of a cell to be mapped more precisely. Accelerated aging tests are also used to show that the change in the factor correlates with the degradation of a cell. Furthermore, it is demonstrated that optical strain sensors can be used to detect impending cell damage. An optical current sensor is developed for current measurement, and its suitability is demonstrated on a battery module using the example of a full cycle. In addition, a polymer optical sensor concept is being developed, on the basis of which it is conceivable in the future to integrate the optical sensor technology into the polymer film of a flexible lithium-ion battery. Within the sensor concept, a polymer AWG interrogator (pAWG) for evaluation and a planar polymer Bragg grating (pBG) as sensor are developed and characterized for the first time. The pAWG reliably determines the Bragg wavelength of a strain sensor over a period of several weeks with a deviation of 0.65±5.9 pm. The pBG is sensitive to changes in temperature, strain, and relative humidity. Sensitivities could be determined independently to −44 pm K (for 43 % r.H.), 0,26 pm m µm , and 19 pm % . Although a complete substitution of electronic monitoring is not presently feasible, foundations for the development of an optoelectronic hybrid BMS are successfully laid.

Energy storage, both short- and long-term, will play a vital role in the energy system of the future. One storage technology that provides high power and capacity and that can be operated without carbon emissions is compressed air energy storage (CAES). However, it is widely assumed that CAES plants are not economically feasible. In this context, a mixed-integer linear programming (MILP) model of the Huntorf CAES plant was developed for revenue maximization when participating in the day-ahead market and the minute-reserve market in Germany. The plant model included various plant variations (increased power and storage capacity, recuperation) and a water electrolyzer to produce hydrogen to be used in the combustion chamber of the CAES plant. The MILP model was applied to four use cases that represent a market-orientated operation of the plant. The objective was the maximization of revenue with regard to price spreads and operating costs. To simulate forecast uncertainties of the market prices, a rolling horizon approach was implemented. The resulting revenues ranged between EUR 0.5 Mio and EUR 7 Mio per year and suggested that an economically sound operation of the storage plant is possible.

W��rmepumpen (WP) bieten gro��es Potenzial zur Reduzierung des Prim��renergiebedarfs und der CO2-Emissionen im W��rmesektor. Besonders hoch fallen diese Reduzierungen aus, wenn der Strom f��r die W��rmepumpen aus erneuerbaren Energiequellen wie Windenergie oder Photovoltaikanlagen stammt. Bei der Planung und Umsetzung der W��rmeversorgung von einzelnen Geb��uden und ganzen Quartieren mittels W��rmepumpe ergeben sich auf verschiedenen Ebenen allgemeine und technische Fragestellungen. Diese Fragestellungen wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Wind-Solar-W��rmepumpenquartier an Hand von Messungen in realen W��rmepumpen-Quartieren und mittels Simulationsstudien untersucht. Die Ergebnisse sind in diesem Bericht zusammengefasst und sollen Hilfestellungen sowie Anregungen zur Planung und Umsetzung von regenerativ betriebenen W��rmepumpenquartieren geben. Dabei gliedert sich der Bericht in die drei folgenden Themenbereiche: Lernen aus der Praxis: Im Rahmen des Projekts wurden zwei W��rmepumpenquartiere untersucht, die sich im Wesentlichen in der Art der W��rmequelle und in ihrem Baujahr unterscheiden. Die bis zu 20-j��hrigen Betriebserfahrungen und Messdaten aus den W��rmepumpenquartieren liefern umfangreiche Erkenntnisse. Diese lassen eine Bewertung zu, ob innovative Konzepte auch langfristig effizient betrieben werden k��nnen und wo noch Handlungsbedarf besteht. Wie k��nnen W��rmepumpenquartiere mit erneuerbaren Energien versorgt und Prim��renergie (PE) eingespart werden? Bei der Planung von W��rmepumpenquartieren ergeben sich viele Fragestellungen: Welche W��rmequelle ist die beste f��r die W��rmeversorgung im Quartier? Wie kann der Strombedarf der W��rmepumpen aus erneuerbaren Energieanlagen wie Windenergie und Photovoltaik gedeckt werden? Was sind die relevanten Parameter f��r eine optimale Auslegung der Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen? Welchen Beitrag k��nnen Betriebsstrategien und thermische oder elektrische Speicher f��r einen erneuerbaren Betrieb leisten? Auf Basis von Simulationsstudien werden diese Fragestellungen hinsichtlich der Prim��renergieeinsparung untersucht und anhand ihrer Wirksamkeit bewertet. Welche Anforderungen stellen erneuerbar betriebene W��rmepumpenquartiere an die elektrischen Verteilnetze? Wie wirkt sich der W��rmepumpenbetrieb auf die Netzauslastung aus? Welchen Einfluss haben Photovoltaikanlagen auf den Netzbetrieb? Welche weiteren Belastungsfaktoren lassen sich identifizieren? An Hand von verschiedenen Belastungsszenarien wird aufgezeigt, welche Verbraucher und Erzeuger wichtig f��r die Auslegung der Netze sind und welchen Einfluss die Wahl der W��rmequelle und der Betriebsstrategien der W��rmepumpen auf die Auslastung des Netzes haben.

Das übergeordnete Ziel der in dieser Arbeit vorgestellten Forschungstätigkeiten ist die Entwicklung eines optischen Batteriemanagementsystems basierend auf den Zustandsgrößen Spannung, Strom, Temperatur und Volumenausdehnung. Diese Variablen wurden als die für eine Lithiumionenbatteriezellüberwachung der gegenwärtigen Generation kritischen Parameter identifiziert. Während vor allem die Spannungs- und Strommessung durch elektrische Sensoren vollständig etabliert sind, befinden sich photonische Messsysteme noch im Entwicklungsstadium; dies betrifft einerseits technische Faktoren wie Auflösungsvermögen, Störgrößenabhängigkeit oder Haltbarkeit und andererseits wirtschaftliche Aspekte wie Stückkosten oder Vermarktungsstrukturen. Nichtsdestotrotz sind optische Sensoren mit prinzipbedingten Vorzügen versehen, die zuvörderst die Zustandsgrößen Dehnung und Temperatur anbelangen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit mit sehr geringem Verkabelungsaufwand eine Vielzahl an planaren Sensorstellen zu realisieren, die zudem keine Querempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern und ein hohes Maß an Miniaturisierung aufweisen. Unter diesem Hintergrund wurden Lithiumionenbatteriezellen im Pouch-Format extern auf dem Hüllenmaterial mit faseroptischen Dehnungs- und Temperatur-Bragg-Gittersensoren versehen, mit denen ein lade- und gesundheitszustandsabhängiges Signalverhalten festgestellt wurde. Zusätzlich wurden charakteristische Punkte im Dehnungsprofil der Zellen als Anhaltspunkte für eine Zustandsbestimmung identifiziert. Änderungen der Expansions- und Kompressionsraten der Aktivmaterialien signalisieren relevante und zumeist alterungsabhängige Vorgänge in den Kristallgittern, welche insbesondere dadurch veranschaulicht werden können, wenn die Dehnungsrate mit der Temperatur- beziehungsweise Ladungs- oder Spannungsänderung gegenübergestellt wird. Für eine praxistaugliche Zustandsmessung ist es erforderlich die Sensorik von der Zell- auf die Modulebene zu übertragen. Speziell bei einer ortsaufgelösten Feldmessung auf den Zelloberflächen innerhalb einer Reihenverschaltung mit einer Vielzahl an benötigten Dehnungs- und Temperaturmessstellen konnte das Potenzial der faseroptischen Sensorsysteme demonstriert werden, in dem eine zuverlässige und reproduzierbare Bestimmung des Zellverhaltens erfolgte. Um eine verzögerungsfreie Beurteilung und präzise Zuordnung der elektrochemischen Reaktionen zu bewerkstelligen, besteht die Notwendigkeit zellintern anoden- und kathodenseitige Messungen sowie Untersuchungen im Elektrolyten vorzunehmen. Es wurde mithilfe optischer Anodendehnungssensoren festgestellt, dass ein gegenüber der externen Signalaufnahme unverkennbareres Verlaufsprofil auftritt. Für die chemischen Untersuchungen im Elektrolyten wurden brechungsindexsensitive Bragg-Sensoren entwickelt, mit denen eine Messung der Leitsalzkonzentration durchgeführt wurde. Eine wesentliche Herausforderung beim Einsatz faseroptischer Sensorsysteme für Batterieanwendungen ist die Applizierbarkeit und Integrierbarkeit im industriellen Maßstab. Deshalb wurde ein Konzeptentwurf für eine polymeroptische Sensorstruktur entwickelt. Die Hauptkomponenten dieser Polymersensorfolie sind Ein- und Auskoppler, Polymer-Bragg-Gitter und Polymer-Zeilenwellenleitergitter, wovon die beiden letztgenannten Bestandteile im Rahmen der Arbeit realisiert wurden. Als eine wesentliche Herausforderung hat sich der Einfluss von Störgrößen beim Vermessen von Zuständen mittels polymeroptischer Sensoren herausgestellt. Durch gezielte Experimente konnte dargelegt werden, welches Potenzial anwendungsoptimiert programmierte und angelernte Neuronale Netzwerke für die Auswertung der Bragg-Sensoren im Hinblick auf eine Störgrößenbeseitigung verfügen. In diesem Zusammenhang wurden fernerhin optische Sensorsysteme an vorgealterten Zweitelebensdauerbatterien mit dem Ziel getestet, eine Schnellcharakterisierung von Alterungsvorgängen sowie einen sicheren Betrieb von Lithiumionenbatteriezellen bei einem gleichzeitig vollständigen Ausnutzen der Leistungsfähigkeit unter geringstmöglicher Degradation zu realisieren., The main objective of the research activities presented in this thesis is the development of an optical battery management system based on state variables voltage, current, temperature and volume expansion. These variables were identified as the critical parameters for monitoring of lithium ion battery cells in the current generation. While particularly voltage and current measurements by electrical sensors are fully established, photonic measurement systems are still in the development stage. On the one hand, this concerns technical factors such as resolution capability, disturbance dependency or durability and, on the other hand, economic aspects such as unit costs or marketing structures. Nevertheless, optical sensors have physical principle-related advantages, which primarily involve the state variables strain and temperature. For instance, it is possible to realize a large number of planar sensor positions with a very low wiring effort, which in addition have no cross-sensitivity to electromagnetic fields and a high degree of miniaturization. With this in mind, pouch-format lithium ion battery cells were equipped externally on the casing material with fiber-optical strain and temperature Bragg grating sensors, which were utilized to detect signal behavior depending on the state of charge and state of health. Furthermore, characteristic points in the expansion profile of the cells were identified as indicators for a status determination. Changes in the expansion and compression rates of the active materials signal relevant and mostly agedependent processes in the crystal lattices, which can be illustrated in particular by contrasting the strain rate with the temperature or charge or voltage change. For a practice-oriented status monitoring, it is essential to transfer the sensor technology from the cell to the module level. The potential of fiber optical sensor systems was demonstrated, especially in a spatially resolved field measurement on the surfaces of cells within a series connection with a large number of required strain and temperature measurement points, where a reliable and reproducible determination of the cell behavior was carried out. In order to achieve a delay-free assessment and precise assignment of the electrochemical reactions, it is required to perform cell-internal anode and cathode measurements as well as investigations in the electrolyte. By using optical anode strain sensors, it was identified that a more distinctive gradient profile occurs compared to the external signal image. For the chemical investigations in the electrolyte, refractive index-sensitive Bragg sensors were developed, with which a measurement of the conductive salt concentration was conducted. A major challenge in the utilization of fiber optic sensor systems for battery applications is the applicability and integrability on an industrial scale. Therefore, a conceptual design for a polymer optical sensor structure was created. The main elements of this polymer sensor foil are input and output couplers, polymer Bragg gratings and polymer arrayed waveguide gratings, of which the latter two were realized as part of the work. The influence of disturbance variables when measuring state conditions using polymer optical sensors has proved to be a major challenge. By means of selective experiments, it was possible to demonstrate the potential of application-optimized programmed and trained neural networks for the evaluation of Bragg sensors with respect to the elimination of disturbance variables. In this context, optical sensor systems were also tested on pre-aged second-life batteries with the aim of realizing a rapid characterization of aging processes as well as a safe operation of lithium ion battery cells, while fully exploiting their performance capability with a minimum of degradation at the same time.

Im Rahmen der perspektivischen Einführung einer Kreislaufwirtschaft sind ökonomische und ökologische Aspekte entscheidend für die Attraktivität der Umsetzung in beteiligten Wirtschaftsunternehmen. Die Demontage stellt innerhalb von Verwertungsprozessen in diesen Konzepten einen wichtigen Schritt dar, der aufgrund von hoher Varianten- und Zustandsvielfalt überwiegend manuell ausgeführt wird. Diese Forschungsarbeit untersucht die Möglichkeiten der nachhaltigen Verbesserung des Demontageprozesses durch selektive (Teil-)Automatisierung mit Hilfe eines Konzeptes aus dem Bereich der kognitiven Robotik. Es wird dabei auf Grundlage der Anforderungen aus realen Demontageprozessen ein System entwickelt, das in einer agentenbasierten Modulstruktur die Funktionsumfänge bietet, die für eine autonome, flexible Demontageplanung unter Berücksichtigung von Produkt- und Lebenszyklusdaten erforderlich sind und die effiziente Ausführung der Demontageoperationen im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration erlauben. Grundlage für die entwickelten Module stellt ein standardisiertes Informationsmanagement-Konzept dar, welches die Anlagenebene der Demontage technisch mit allen beteiligten Stakeholdern der zirkulären Wertschöpfungskette verknüpft. Mit Hilfe von Industrie 4.0 Technologien, wie beispielsweise dem Einsatz von KI-unterstützten Entscheidungssystemen oder einer intelligenten Bilderkennungseinheit können so produktindividuelle Verwertungsszenarien innerhalb der Kreislaufwirtschaft bestimmt werden, welche die Schlüsselposition der Demontage am Beginn der zirkulären Wertschöpfungskette bestmöglich nutzen. Die Untersuchungen des Systemkonzeptes am Beispiel der Moduldemontage von Elektrofahrzeug-Batterien zeigen, dass mit dem entwickelten Konzept eine Verbesserung gegenüber manueller Demontageoperationen erzielt werden kann. Die Verknüpfung der Systemeinheiten lässt sich durch die verwendeten Interoperabilitätsstandards skalieren und erlaubt so auch den industriellen Einsatz. Durch bidirektionale Kommunikationsstrukturen wird gezeigt, dass es möglich ist validierte Prozessinformationen aus einer Demontageeinheit an anderen Stellen zu nutzen. Dies reduziert den effektiven Aufwand im Umgang mit einer hohen Variantenvielfalt. Die Verwendung der entwickelten Modulkonzepte ist grundsätzlich auch in angrenzenden Feldern möglich, erfordert jedoch weitere Entwicklungs- und Abstimmungsarbeit. Aus den Ergebnissen dieser Konzeptentwicklung folgen zahlreiche Weiterentwicklungs- und Anwendungspotenziale für Robotiksysteme im Bereich der kreislaufwirtschaftlichen Verwertungsprozesse. Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit der Rückgewinnung kritischer Elemente und einer effizienten Ressourcennutzung durch höherwertige (Teil-)Nutzungs- und Verwertungsoptionen, ist der Einsatz hierauf aufbauender Konzepte eine lohnenswerte Zukunftsperspektive., In the pursuance of a Circular Economy, both economic and ecological aspects are crucial for the implementation in private companies. The disassembly process itself is a very important step in end-oflife utilization and because of the high variance of products and their conditions it is mainly carried out manually. This work investigates the possibilities of a sustainable improvement of such processes by selective automation with cognitive robotics. Based on requirements of real disassembly cases, a robot system is conceptualized and developed which is able to facilitate an autonomous, flexible disassembly planning while taking both product and lifecycle data into account. Furthermore, the execution of the disassembly process in the concept is carried out as a human-machine-collaboration. The overall foundation of the system is an information management concept which connects shopfloor level disassembly with all stakeholders within the circular value chain. Using Industry 4.0 technologies, for instance AI decision systems or an intelligent image recognition, part-individual utilization scenarios can be defined this way. The investigation of the system concept on the case study of module disassembly of electric vehicle batteries shows that automation is both more effective and efficient in comparison to manual operations. Interfaces are highly scalable because of the interoperability standards used, preparing the concept to be implemented in industry. Moreover, bidirectional communication pipelines enable the exchange of valid process knowledge between several stakeholders, reducing the effort of dealing with a high variance of products and conditions. Transfer of the concept to other fields of industry or recycling operations is possible but requires further development for the actual use case. Conclusively, the concept developed opens up a manifold of different application scenarios for cognitive robotics in the Circular Economy domain. Keeping the necessity of recovering critical elements and the reuse of valuable components in mind, an implementation of future concepts based on this approach is a perspective worthwhile.

Die Kombination einer Elektrospeicherheizung (ESH) mit einer PV-Anlagen birgt mehrere Vorteile. Die natürliche Speicherfähigkeit der ESH kompensiert die tageszeitliche Verschiebung von PV-Einspeisung und Wärmebedarf. Die ESH wird in diesem Fall unabhängig von den Freigabezeiten auch tagsüber geladen, was einen Wärmekomfortgewinn für den Nutzer bewirkt. Der Eigenverbrauchsanteil der PV-Anlage wird durch den im Vergleich zum Strombedarf des Haushalts hohen Strombedarf der ESH deutlich erhöht. Dieser Aspekt ist vor allem für PV-Anlagen interessant, die eine niedrige Einspeisevergütung aufweisen oder aufgrund ihres Alters aus der Förderung herausfallen.

Due to the finite nature of petroleum resources and depletion of conventional reservoirs, the exploitation of unconventional resources has been a key to meeting world energy needs. Natural gas, a cleaner fossil fuel compared to oil and coal, has an increasing role in the energy mix. It is expected that the peak global natural gas production will remain between 3.7-6.1 trillion m3 per year between 2019 and 2060. Therefore, addressing the technical challenges posed by reservoir exploitation technologies in an environmentally responsible manner is critical for efficient energy production and energy secure of the world. Hydraulic stimulation is the first means of choice for improving productivity from tight gas reservoirs by creating highly conductive flow paths with the injection of high-pressure fluid. Millions of hydraulic fracture operations have been performed with water-based fluid which have caused environmental concerns such as water availability and ground water quality degradation due to surface handling and flowback water disposal. Moreover, in lower permeability gas reservoirs, the support agents (proppants) settle at the bottom of fracture due to delayed fracture closure, and slow flowback and water blockage cause hindrance to natural gas flow leading to inefficient fracturing operation. The solution is to replace existing water-based frac-fluids with alternative frac-fluids. Therefore, fracturing with light n-alkanes consisting of pentane, hexane, heptane, octane, nonane and decane is proposed. A single component fluid, or a mixture of components in different proportions can be designed according to reservoir conditions. The characteristics of hydrocarbon nature and significantly lower density and viscosity compared to water can help achieve the objectives of quick fracture closure for better proppant placement, expeditious flowback and reduced phase trapping. Thus, in addition to creating better conductivity fractures, environmental issues associated with water-based fluids can be minimized. To perform hydraulic fracturing with the alternative fluid, a multiphase multicomponent simulator for hydraulic fracturing and fluid flow in fracture and matrix based on popular thermo-hydro-mechanical (THM) FLAC3D-TOUGH2MP/TMVOC framework is utilized. After verification, the model is applied to case study of LPG application in a tight gas reservoir of Canada for hydraulic fracturing operation. Simulations with different frac-fluids such as water, propane and n-heptane have been performed and their fracturing performance including the proppant settling behavior have been compared. The application of proposed alternative fluid for hydraulic fracturing optimization of wellbore yx1 in a tight gas reservoir of Germany showed that fractures with better conductivity in consideration of boreholefracture connection can be created. Sensitivity analysis through numerous simulations for parameters such as injection rate, fluid viscosity and permeability were performed. The flowback analysis demonstrated that most of the injected alternative frac-fluid can be recovered within one week of fracturing which results in better clean up and early start of natural gas production. The fracture permeability and conductivity are dependent upon proppants. Conventionally, spherical proppants have been utilized, however, rod-shaped proppants offer higher porosity and permeability compared with spherical proppants. To analyze their performance, a production model for proppants with different shapes and sizes is implemented in FLAC3D-TMVOCMP framework. The simulations for production forecast with spherical and rod-shaped proppant fractures have been performed considering mechanical properties contrast between proppant and formation under the influence of closure stress with developed model. The application of model to wellbore yx1 showed that 7% more recovery can be achieved from aspect ratio 1 rod-shaped proppant compared to same diameter spherical proppant over a period of ten years. Based upon this work, proposed alternative fluid and rod-shaped proppants are recommended for efficient stimulation of tight gas reservoirs.

The extraordinary properties of shape memory NiTi alloy are combined with the inherent viscoelastic behavior of a silicon elastomer. NiTi wires are incorporated in a silicon elastomer matrix. Benefits include features as electrical/thermal conductivity, reinforcement along with enhanced damping performance and flexibility. To gain more insight of this composite, a comprehensive dynamic thermomechanical analysis is performed and the temperature- as well as frequency-dependent storage modulus and the mechanical loss factor are obtained. The analyses are realized for the composite and single components. Moreover, the models to express the examined properties and their temperature along with the frequency dependencies are also presented.

Energieautarkie ist ein zentrales Thema im Transformationsprozess zu einer Versorgung aus 100 % Erneuerbaren Energien, sowohl auf Regions- als auch auf Quartiersebene. Im regionalen Kontext wird hauptsächlich bilanzielle Vollautarkie angestrebt, auf Quartiersebene hingegen real energetische Teilautarkie. Für die bilanziellen Konzepte auf regionaler Ebene ist der Ausbau von Speichern nicht erforderlich. Auf Quartiersebene hingegen sind teilautarke Konzepte mit Stromspeichern weit verbreitet. Ausgehend von den regionalen Bestrebungen nach Autarkie, den realen Umsetzungsmöglichkeiten auf Quartiersebene und der Notwendigkeit von Speichern im Gesamtsystem wird der Einfluss der Größe der teilautarken Systeme auf Regions- und Quartiersebene auf den Speicherbedarf und die resultierenden Systemkosten untersucht. Damit wird die Frage beantwortet, bis zu welchem Grad Energieregionen und energetische Quartiere ihre autarken Versorgungsziele unter Berücksichtigung von Speichern sinnvoll umsetzen können. Zur Beantwortung der Fragestellungen wurden Energiesystemanalysen auf Basis von linearer Optimierung für eine Bandbreite an Systemgrößen aus regionaler und Quartiersperspektive durchgeführt und aus technisch-ökonomischer Sicht bewertet. Basis für die Untersuchungen ist die Masterplan-Modellregion „Osnabrück-Steinfurt“. Auf Quartiersebene wurden fiktive und reale Zusammenschlüsse von Haushalts-, Gewerbe- und Landwirtschaftsgebäuden mit unterschiedlichen Photovoltaik-Ausbauszenarien abgebildet. Darüber hinaus wurden, ergänzend zum systemischen Optimum, resultierende Speicherbedarfe, die sich aus einer betriebswirtschaftlichen Rentabilität ergeben, untersucht. Auf Regionsebene zeigen die Ergebnisse, dass die Größe des teilautarken Systems einen starken Einfluss auf den Speicherbedarf und die Systemkosten hat. Die Versorgung von Regionen auf Landkreisebene lässt sich unter bestimmten Voraussetzungen im Bereich von 80 bis 90 % real autark abbilden. Auf Gemeindeebene ist eine autarke Betrachtung der Stromversorgung aufgrund der starken Heterogenität der Gemeinden in Erzeugung und Verbrauch nicht sinnvoll. Die Untersuchungen auf Quartiersebene zeigen deutliche Synergien bei der Vernetzung einzelner Haushalte und der Nutzung eines gemeinsamen Quartierspeichers. Im Vergleich zur Regionsebene führt die Umsetzung von Speichern auf Quartiersebene zur Erreichung vergleichbarer Autarkiegrade zu deutlich höheren spezifischen Speicherkapazitäten und Systemkosten. Aus Akteurssicht jedoch lohnt sich ihre Investition und führt zu ähnlich hohen Autarkiegraden wie auf Regionsebene., Energy self-sufficiency is a central issue in the transformation process towards a 100% renewable energy supply, both at regional and neighbourhood level. Regarding the regional context, the main aim is to achieve full balance-sheet self-sufficiency, whereas the neighbourhood level strives for real partial energy self-sufficiency. The expansion of storage systems is not necessary for the balance sheet concepts at the regional level. At the neighbourhood level, on the other hand, semiautonomous concepts with electricity storage facilities are widespread. Based on the regional efforts towards self-sufficiency, the real implementation possibilities at neighbourhood level and the necessity of storage facilities in the overall system, this dissertation explores the influence of the size of semi-autonomous systems at regional and district level on the storage requirements and the resulting system costs. This thus answers the question to what extent energy regions and energetic neighbourhoods can meaningfully implement their self-sufficient supply targets taking storage facilities into account. In order to address these issues, energy system analyses were carried out on the basis of linear optimisation for a range of system sizes from a regional and district perspective and evaluated from a technical-economic point of view. The basis for the investigation is the model region „Osnabrück- Steinfurt“ served as a test-bed model region for the following analyses. At neighbourhood level, fictitious and real associations of household, commercial, and agricultural buildings with different photovoltaic expansion scenarios were mapped. In addition to the systemic optimum, the storage requirements resulting from an economic profitability were investigated. At the regional level, the results show that the size of the semi-autonomous system has a strong influence on storage requirements and system costs. The supply of regions on the district level can be mapped under certain conditions within the range of 80 to 90% self-sufficiency. At the municipal level, a self-sufficient consideration of the power supply is not meaningful due to the strong heterogeneity of the municipalities in production and consumption. The investigations at the neighbourhood level show clear synergies in the networking of individual households and the use of a shared neighbourhood storage facility. Compared to the regional level, the implementation of storage facilities at the neighbourhood level leads to significantly higher specific storage capacities and system costs in order to achieve comparable degrees of self-sufficiency. From the point of view of the actors, however, their investment is worthwhile and leads to similarly high degrees of selfsufficiency comparable to the regional level.

Modified/smart water flooding is a low-cost enhanced oil recovery (EOR) technique that works through the manipulation of injected water chemistry to disturb the established ionic equilibrium in a reservoir system. Chemical manipulation is achieved by the addition/removal of active/non-active ions, respectively. Added active ions are known as potential determining ions (PDI) while removed non-active ions are known as non-potential determining ions (non-PDI). The focus of this study is to investigate the role of sulfate ions as PDI to select an optimum injection scheme and initiation time. This work investigates the combination of two EOR methods (also known as the hybrid method)—modified water flooding in the secondary mode and low-concentration polymer flooding in the tertiary mode—to enhance the capability of the flooding process. Modified water triggered fluid-fluid and rock-fluid interactions, and follow-up polymer flood improved the macroscopic sweep efficiency due to a favourable displacement mobility ratio. Hence, the hybrid EOR method is expected to be low-cost (as low polymer concentrations are required) and to provide the combined benefits of both EOR processes. This research work is focusing on experimental work. Evaluations were performed through comprehensive laboratory evaluations that included measurements of rheological behaviour, contact angle, interfacial tension, oil drop snap-off volume, and wettability alteration. Furthermore, the synergetic effects of modified water and polymer flooding were defined by flooding experiments using two types of micromodels with modified-wettability and complemented with core flooding in Bentheimer outcrops. The objective of the study is to investigate whether the main recovery mechanism should be rock-fluid interaction, fluid-fluid interaction, or a combination of both as a potential lead. Synthetic seawater (SSW) was used as the benchmark. Brine optimization was performed by tuning the brine salinity and concentration of the sulfate, by either diluting the brine to achieve total dissolved solids of around 5g/L or maintaining the salinity of the SSW. Further, two types of formation brine (SSW, 2*SSW) were used to compare the impact and significance of the presence of divalent cations (the hardness contrast between the injection and formation brine). Subsequently, to investigate wettability alteration, Bentheimer core plugs and glass-silicon-glass micromodels were used as porous media for flooding experiments and to cross-validate the results. Three-week and six-week aging of core plugs were considered to establish the attachment of oil polar compounds resulting in mixed-wet and oil-wet core plugs. Similarly, oil-wet, complex/mix-wet, and water-wet micromodels were used for oil recovery comparison. Brine floods were performed as the secondary mode and polymer flooding as the tertiary mode to optimize the synergies and benefits of the hybrid EOR techniques. In addition, single-phase core-flooding experiments were performed to investigate the role of sulfates, salinity, and hardness for the polymer viscoelastic properties. Oil recovery from core plugs was mainly obtained by alteration of the local wettability to water-wet, which resulted from strong rock-fluid interaction as well as fluid-fluid interaction at the fluid interface. However, the recovery factor from the oil-wet/mixed-wet micromodel was achieved only through fluid-fluid interaction. The main reason for this is that the oil-wetting condition in the micromodel was achieved by the chemisorption of fluorinated silane at the matrix structure, which made it impossible for the modified water to promote a change of the micromodel’s wettability to a water-wet state. Oil recovered from the two porous media approaches support the finding that wettability and fluid-fluid interactions result in more oil recovery when the injected brine is spiked with sulfate than SSW alone. Oil recovery comparison of oil-wet/mixed-wet with water-wet micromodels demonstrates that an initial oil-wetting condition is a basic requirement for the success of modified water flooding. Moreover, comparing data on the wettability alteration of core plugs and micromodels shows this recovery mechanism dominates over fluid-fluid interfacial interaction. Further, polymer flooding after modified water injection produced significantly higher recovery compared to the seawater base brine combined with polymer flooding. According to the single-phase polymer flooding data, the presence of sulfate increased polymer sensitivity to mechanical degradation. Further, polymer spiked with sulfate had higher pressure in two-phase polymer flooding due to the interfacial ionic layer developed between the pre-flushed brine and dead oil. Finally, a brief exercise evaluating the economic scenario of the project showed that sulfate-modified brine is a cost-effective process based on oil recovery., Wasserfluten gehört zu den Standardverfahren bei der Ölgewinnung. Hierbei wird produziertes Lagerstättenwasser genutzt welches hohe Salzkonzentrationen besitzt. Der Einfluss der im Wasser gelösten Ionen auf den Verdrängungsprozess ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Wasserfluten mit chemisch modifiziertem Wasser ist eine verhältnismassig kosteneffektive EOR-Methode bei der die chemische Zusammensetzung des injizierten Salzwassers verändert wird. Hierdurch wird das Gleichgewicht der Ionen im Reservoir verändert. Bei der chemischen Manipulation werden die Konzentrationen von aktiven und passiven Ionen verändert. Aktive Ionen werden als potentialbestimmende Ionen bezeichnet (PDI). Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Sulfat-Ionen um den optimalen Injektionszeitpunkt und ein passendes Injektionsschema zu ermitteln. Es wird eine Kombination aus zwei EOR-Methoden (Hybridmethode) genutzt. (1) Wasserfluten mit modifizierter Ionenkonzentration im sekundären Modus und (2) Polymerfluten mit geringer Konzentration im tertiären Modus. Das modifizierte Injektionswasser verändert die Wechselwirkungen zwischen den Fluiden sowie zwischen Fluid und Gestein. Anschließendes Polymerfluten optimiert die makroskopische Verdrängung von Öl durch eine stabilisierte Verdrängungsfront. Es wird erwartet, dass eine Hybridmethode kosteneffektiv ist (geringe Polymerkonzentration) und die mikroskopischen und makroskopischen Effekte beider Methoden kombiniert werden. Der Fokus dieser Forschungsarbeit liegt auf experimentellen Untersuchungen. Die Laboruntersuchungen beinhalten rheologische Messungen, Kontaktwinkel-Messungen, Grenzflächenspannung, dynamische Grenzflächenspannung sowie die Veränderung der Benetzbarkeit. Des Weiteren wurden Synergieeffekte zwischen modifiziertem Wasserfluten und Polymerfluten untersucht. Hierfür wurden Flutversuche in Mikromodellen mit zwei unterschiedlichen porösen Strukturen sowie unterschiedlicher Benetzbarkeit durchgeführt. Abschließend wurden Kernflutversuche in Bentheimer Sandstein durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchung ist die Klärung ob der Verdrängungsmechanismus auf Wechselwirkung zwischen den Fluiden, zwischen Fluid und Gestein oder auf einer Kombination basiert. Als Standard dienen Flutversuche mit synthetischem Meerwasser (SSW). Durch Veränderung der Salinität und durch Zugabe von Sulfat-Ionen wurde die Zusammensetzung der Salzlösung modifiziert. Zwei Salzlösungen mit unterschiedlicher Salinität wurden eingesetzt (SSW, 2*SSW) um den Einfluss divalenter Ionen auf den Gewinnungsprozess zu untersuchen (unterschiedliche Härte zwischen Injektionslösung und Reservoir-Lösung). Anschließend wurde die Benetzbarkeitsänderung untersucht. Hierfür wurden Flutversuche in Bentheimer Sandsteinkernen und Glass-Silizium-Glass Mikromodellen durchgeführt. Die Gesteinskerne wurden für drei bzw. sechs Wochen gealtert, um die Adsorption polarer Ölkomponenten auf der Gesteinsoberfläche sicherzustellen. Die Gesteinskerne besaßen somit gemischte Benetzbarkeit bzw. waren ölbenetzend. Zum Vergleich wurden die Mikrodelle modifiziert um ölbenetzende, gemischt benetzende und wasserbenetzende Oberflächen zu erhalten. Salzwasserfluten im sekundären- und Polymerfluten im tertiären Modus wurden durchgeführt. Zusätzlich wurden Einphasen-Versuche vorgenommen um den Einfluss von Salinität, Härtegrad und Sulfat-Gehalt zu untersuchen. Die zusätzliche Ölausbeute war Folge der Änderung der lokalen Benetzbarkeit von ölbenetzend hin zu wasserbenetzend. Dies war eine Folge starker Gestein-Fluid Wechselwirkungen, sowie Fluid-Fluid Wechselwirkungen. Jedoch, im Mikromodell war die Ölgewinnung eine Folge von Fluid-Fluid Wechselwirkungen. Dieser Unterschied rührt aus der Tatsache, dass die ölbenetzende Eigenschaft des Mikromodells durch Chemisorption flourinierter Silane erzeugt wurde und somit keine Änderung der Benetzbarkeit während des Experiments möglich war. Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass die Injektion einer mit Sulfaten versetzter Salzlösung zu einer Änderung der Benetzbarkeit sowie Fluid-Fluid Wechselwirkungen führt. Als Folge wird eine zusätzliche Ölgewinnung beobachtet. Ölbenetzende Eigenschaften des porösen Mediums sind hierfür eine grundlegende Voraussetzung. Der Vergleich von Gesteinskernen und Mikromodellen macht deutlich, dass die Änderung der Benetzbarkeit der dominierende Mechanismus ist. Des Weiteren führte das Polymerfluten im Anschluss an das Wasserfluten mit Sulfat dotierter Salzlösung zu einer deutlich höheren Ausbeute im Vergleich zum Benchmark. Einphasenversuche zeigten, dass die Präsenz von Sulfat-Ionen mechanische Degradation des Polymers verstärkt. Des Weiteren führte der Einsatz von Sulfat-Ionen zu einem erhöhten Differenzialdruck beim anschließenden Polymerfluten. Diese Beobachtung wird auf Ionen-Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen der Salzlösung und dem Öl zurückgeführt. Abschließend zeigte eine vereinfachte ökonomische Bewertung, dass Wasserfluten eine kosteneffektive EOR Methode ist.

The meaningful utilization of artificially created multiple fractures in tight formations is associated with the performance behavior of such flow channels, especially in the case of thermal energy extraction from sedimentary geothermal system. In this study, an innovative idea is presented to develop a numerical model for geothermal energy production based on concrete physical performance of an artificially created tensile multi-fracture system in a simplified manner. The state-of-the-art software FLAC3Dplus-TOUGH2MP-TMVOC are integrated to develop a coupled thermo-hydro-mechanical (THM) fictive model for constructing a multi-fracture scheme and estimating heat extraction performance. By incorporating the actual fracture width of newly created subsequent fracture under the effect of stress shadow, cubic law is implemented for fluid flow and geothermal energy production. The results depict that fracture spacing plays a vital role in the energy contribution through multiple fractures. Afterwards, a field case study to design huge multiple hydraulic fractures was performed in the geothermal well GB X1 in North Germany. The attenuation of fracture propagation becomes more significant when massive multiple fracturing operation is performed especially in the case of lower fracture spacing. The fictive model results will be extended to study the geothermal utilization of the North German basin through massive multiple fractures in our future work.

With globally rising demand for fossil fuels and the continuous maturation of oil and gas fields worldwide, reservoir characterization is becoming increasingly important in reservoir management studies for the successful development of realistic reservoir models. Most reservoir models constructed from cores, logs, seismic data etc. are only satisfactory replica of subsurface reservoirs in best case scenarios. This is so because data acquired at various scales are only sufficient to estimate reservoir size, structure, massive faults and petrophysical properties at well locations. Information on inter-well permeability/porosity are unknown thus leading to the omission of inter-well flow barriers and channels. In other cases, oil and gas companies build reservoir models using sparse data either due to time or budget constraints. The consequences of building subpar reservoir models is that they never reproduce measured data even after spending considerable efforts in history matching. State-of-the-art methods available today for improving reservoir characterization in reservoir models are mostly data-driven methods that use only measured injection and production data to infer hidden reservoir features like faults and channels. These methods suffer from major limitations such as the lack of support for simulation models with constant injection rates, poor support for simulation models undergoing significant changes in flow patterns over time (e.g. introducing an infill well), satisfactory support for aquifer-dominated reservoirs, limitations on well architectures supported and the inability to actually reveal hidden reservoir features in reservoir models. This dissertation introduces a proposed method for improving reservoir characterization using a history matching method that utilizes the adjoint method which is a powerful method for computing sensitivities. These sensitivities are needed to fit reservoir simulation models to measured data through unconstrained history matching (UHM) for the purpose of revealing hidden reservoir features like faults, channels etc. The llowed to vary from zero to their default maximum value or possibly higher. Subsequently, developed detection algorithms are applied directly on best-case permeability and/or porosity arrays obtained from UHM in order to reveal the location, shape and other essential properties of hidden reservoir features. Finally, classical history matching (CHM) is performed on the improved model (new base model containing revealed reservoir features) with the original or geologically constrained permeability and/or porosity distribution respected and other model parameters included. The proposed method is evaluated with a handful of synthetic and real field reservoir simulation models in order to ascertain its effectiveness in revealing hidden reservoir features under various practical reservoir settings. Results obtained show that the proposed method outperforms other methods existing in literature. In addition, the proposed method does not suffer from aforementioned limitations. It is also discovered that production noise greater than ±15% as well as numerical noise can have a detrimental impact on the performance of the proposed method. Finally, the capability of the proposed method in revealing certain types of reservoir features during UHM is heavily dependent on the model parameters defined., Der weltweite Bedarf an fossilen Treibstoffen steigt, während ein Großteil der Öl- und Gasproduktion aus Lagerstätten gedeckt wird, die bereits ihre maximale Förderung überschritten haben. Unter diesen Bedingungen wird eine verbesserte Reservoircharakterisierung immer wichtiger. Herkömmliche Reservoirmodelle basieren auf Kernflutversuchen, Logdaten, seismischen Untersuchungen etc. Nur im Falle optimalen Voraussetzungen lassen sich Lagerstätten mit Hilfe dieser Modelle zufriedenstellend abbilden. Die gewonnenen Daten ermöglichen lediglich eine Abschätzung von Reservoirgröße, Struktur, großen Verwerfungen und petrophysikalischer Eigenschaften im Bereich der Bohrlöcher. Es sind keine Informationen über Barrieren und hochpermeable Kanäle zwischen den Bohrlöchern bekannt. Des Weiteren werden aus Kosten- und Zeitgründen Reservoirmodelle mit unzureichender Datenlage erstellt. Als Konsequenz können unzureichende Modelle nie das beobachtete Verhalten eines Reservoirs simulieren, obwohl signifikante Ressourcen für den Historymatch aufgebracht werden. Moderne Methoden zur Verbesserung der Reservoircharakterisierung sind meist datengetrieben. Sie nutzen Produktions- und Injektionsdaten, um Störungen oder hochpermeable Kanäle zu entdecken. Diese Methoden haben in der Anwendung erhebliche Nachteile. Beispielhaft sind Simulationsmodelle mit konstanten Injektionsraten, Modelle mit sich ändernden Strömungsverläufen (z.B. Infill-Bohrungen), Aquifer-dominierte Modelle, spezielle Bohrlocharchitekturen sowie die Unfähigkeit verborgene Reservoir Features zu identifizieren. Diese Dissertation stellt eine Methode zur verbesserten Reservoircharakterisierung vor. Diese basiert auf dem sog. Adjoint-State-Verfahren, welches zur Ermittlung von Sensitivitäten genutzt wird. Sensitivitäten werden Historymatch können Zelleigenschaften wie Porosität und/ oder Permeabilität zwischen Null und einem Vorgabewert variiert werden. Anschließend werden Detektionsalgorithmen direkt auf Best-Case- Permeabilitäts- und/ oder Porositäts-Arrays aus dem UHM angewandt. Dies ermöglicht Lage, Form und weitere essentielle Eigenschaften von verborgenen Reservoirmerkmalen zu ermitteln. Zum Schluss wird ein klassischer Historymatch (CHM) mit dem optimierten Reservoirmodell durchgeführt (neues Basismodell mit den ermittelten Reservoir Features). Hierbei werden die ursprünglichen oder geologischen Randbedingungen bezüglich Permeabilität und/ oder Porosität eingehalten und die zusätzlichen Modellparameter in das Modell eingefügt. Die vorgestellte Methode wird anhand von künstlichen und echten Reservoirmodellen untersucht, um die Effizienz bei der Identifikation von versteckten Reservoirmerkmalen zu ermitteln. Die Ergebnisse übertreffen andere Methoden aus der Literatur. Des Weiteren besitzt diese Methode im Gegensatz zu anderen nicht die oben genannten Nachteile. Es wurde entdeckt, dass Produktionsschwankungen größer ±15 % sowie numerische Schwankungen einen nachteiligen Einfluss auf die Performance der vorgestellten Methode haben kann. Schließlich wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Detektion von versteckten Reservoireigenschaften während des UHM stark von den definierten Modellparametern abhängig ist.

This work presents a method for the control of reactive power sources with connection point in the medium-voltage level to compensate the reactive power balance of individual medium-voltage networks. It is based on an analytical evaluation of the network where voltage and current constraints are taken into account. The control method differs from other models among others in that it uses network planning approaches and does not describe pure state optimization (regulation approach) of network operation. The developed algorithm enables the simultaneous call-up of reactive power from several reactive power sources with connection point in the medium-voltage level, which has not been considered until now due to the lack of observability of this voltage level (only few measurement equipment). A differentiated consideration of decoupled voltage levels and operating points of the network group is used in order to make the best possible use of the reactive power potential of the sources. The control parameters, which describe the distribution and maximum level of a reactive power demand, are determined via a linear optimization. The method is evaluated by network simulations and use of the source typ „company with compensation system“., Diese Arbeit stellt ein Verfahren zur planerischen Bestimmung von Randbedingungen zur Steuerung von Blindleistungsquellen mit Anschlusspunkt in der Mittelspannungsebene zum Ausgleich der Blindleistungsbilanz einzelner Mittelspannungsnetze vor. Es beruht auf einer analytischen Bewertung des Netzes, bei der Spannungs- und Stromrestriktionen berücksichtigt werden. Das Steuerungsverfahren unterscheidet sich von anderen Modellen vor allem dadurch, dass es Ansätze der Netzplanung verwendet und keine reine Zustandsoptimierung (Regelungsansatz) des Netzbetriebs beschreibt. Der entwickelte Algorithmus ermöglicht den gleichzeitigen Abruf von Blindleistung aus mehreren Blindleistungsquellen mit Anschlusspunkt in der Mittelspannungsebene, was bis dato aufgrund der fehlenden Beobachtbarkeit dieser Spannungsebene (kaum Messtechnik) nicht in Erwägung gezogen wird. Zum Einsatz kommt eine differenzierte Betrachtung von entkoppelten Spannungsebenen und Arbeitspunkten der Netzgruppe, um das Blindleistungspotenzial der Quellen bestmöglich auszunutzen. Die Steuerparameter, die die Verteilung und maximale Höhe eines Blindleistungsabrufs beschreiben, werden über eine lineare Optimierung ermittelt. Das Verfahren wird beispielhaft am Blindleistungsquellentyp „Betrieb mit Kompensationsanlage“ mittels Netzsimulationen evaluiert.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein vielversprechendes Energiespeichersystem, das eine wichtige Komponente im Rahmen der Energiewende sein kann. Im Zuge dieser nimmt die Stromproduktion aus Wind- und Solarenergie zu. Die Verfügbarkeit dieser sogenannten erneuerbaren Energien ist wetterabhängig. Hierdurch ist eine stabile und an den Stromverbrauch orientierte Versorgung, ohne eine Veränderung in der derzeitigen Stromnetzstruktur, nicht realisierbar. Die Stromerzeugung ist außerdem von der Netzkapazität abhängig. Diese kann durch einen Netzausbau vergrößert werden, um die Schwankungen abpuffern zu können, was jedoch mit hohen Kosten und einem großen Aufwand verbunden ist. Um die Aufnahmefähigkeit der Netze für erneuerbare Energien zu erhöhen, ist außerdem der Einsatz von Energiespeichern möglich. Diese sollen eine große Speicherkapazität, eine kurze Ansprechzeit und geringe Verluste in der Speicherung und Abgabe aufweisen. Durch ihren Aufbau weist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie Vorteile als stationärer Speicher gegenüber anderen Speichertechnologien auf. So sind die Speicherkapazität und Leistung unabhängig voneinander skalierbar und es findet lediglich eine geringe Selbstentladung im Standby-Betrieb statt. Im Betrieb der Batterie kommt es jedoch durch eine Kreuzkontamination von Vanadium-Ionen durch die Membran zu Verlusten. Dieser als Crossover bezeichnete Prozess führt zur Selbstentladung der jeweils anderen Halbzelle und zur kontinuierlichen Abnahme der Batteriekapazität, was einen sinnvollen Einsatz als Energiespeicher einschränkt. Um diese Kapazitätsabnahme zu verringern, ist sowohl die Entwicklung besserer Separatoren (geringerer Widerstand, höhere Selektivität) als auch die Untersuchung der Crossover-Prozesse, was dem Fokus dieser Arbeit entspricht, erforderlich. Für die im Zuge dieser Arbeit durchgeführten Studien werden die Parameter elektrischer Widerstand und Vanadium-Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt und zur Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Crossover-Prozesse verwendet. Um der durch den Crossover resultierenden Abnahme der Kapazität entgegenzuwirken, werden in dieser Arbeit weiterhin experimentell und mathematisch verschiedene Kapazitätsausgleichsstrategien entwickelt und analysiert. Der elektrische Widerstand unterschiedlicher Separatoren wird im Zuge dieser Arbeit unter Variation von Stromdichte und Ladungszustand untersucht. Die Messungen erfolgen in situ mit selbst hergestellten Festphasenpotentialmesssonden, mit denen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie der elektrische Widerstand ermittelt wird. Die Vanadium- Diffusionskoeffizienten werden unter betriebsnahen, aber stromlosen Bedingungen für Nafion™- Membranen unterschiedlicher Dicke bestimmt. Mithilfe der ermitteltenWerte des elektrischen Widerstands und der Vanadium-Diffusionskoeffizienten wird ein mathematisches Modell für die Nafion™-Membran N117 entwickelt, das die Transportvorgänge durch die Membran beschreibt. Als Transportmechanismen wirken Diffusion, Migration und Konvektion. Messungen am eigenen Prüfstand dienen hierbei der Modellvalidierung. In das validierte Modell wird anschließend ein Elektrolytüberlauf von dem einen in den anderen Tank implementiert, um eine Methode zum Kapazitätsausgleich zu entwickeln. Eine weitere Kapazitätsausgleichsmethode wird experimentell mit dem porösen Separator FF40 von Amer-Sil untersucht. Hierbei wird durch Änderungen von Betriebsparametern der Differenzdruck am Separator verändert, sodass der Crossover beeinflusst wird. Es hat sich gezeigt, dass mit beiden Methoden die Kapazitätsabnahme der Batterie verringert und dadurch ein effizienterer Betrieb ermöglicht werden kann. Es wird außerdem deutlich, dass sich je nach Separator das Crossover-Verhalten unterscheidet und aus diesem Grund unterschiedliche Methoden zum Kapazitätsausgleich zielführend sein können., The vanadium redox flow battery is a promising energy storage system that can be an important part of the "Energiewende". As a result, electricity production from wind and solar energy is increasing. The availability of these so-called renewable energies is weather dependent. As a result, a stable supply based on electricity consumption is not feasible without a change in the grid structure. Furthermore, electricity generation is also dependent on grid capacity. This can be increased by enlarging the grid network in order to buffer the fluctuations. However, this involves high costs and a significant outlay. For increasing the grid’s capacity in order to handle renewable energies, the use of energy storage systems is a possible option. These shall have a large storage capacity, a short response time and low losses in storage and supply. Due to its setup, the vanadium redox flow battery has advantages as stationary storage system compared to other storage technologies. Thus, storage capacity and power are independently scalable and there is only a low self-discharge in standby mode. During battery operation, however, losses occur due to crossover of vanadium ions through the membrane. This process leads to self-discharge of the respectively other half cell and to a continuous decrease of the battery capacity, which limits its reasonable use as energy storage system. In order to reduce this capacity decrease, both, the development of better separators (lower resistance, higher selectivity) and the studies of crossover processes, which is the focus of this work, are necessary. In the studies of this thesis, the parameters electrical resistance and vanadium diffusion coefficients are determined experimentally and used to develop a mathematical model describing the crossover processes. In order to reduce the decrease in capacity caused by the crossover, further different capacity balancing strategies are developed and analysed experimentally and mathematically in this work. The electrical resistance of different separators is analysed in the present work under variation of current density and state of charge. The measurements are carried out in situ with self-made solid phase potential measuring probes, with which the electrical resistance is determined by electrochemical impedance spectroscopy. The vanadium diffusion coefficients are determined under operating but currentless conditions for Nafion™ membranes of different thickness. A mathematical model for the Nafion™ membrane N117, which describes the transport processes through the membrane, is developed with the determined values of the electrical resistance and the vanadium diffusion coefficients. Diffusion, migration and convection are the crossover transport mechanisms. Measurements on an own test facility are used for model validation. An electrolyte overflow from one tank to the other is then implemented in the validated model to develop a method for capacity balancing. A further capacity balancing method is being experimentally analysed with the porous separator FF40 from Amer-Sil. Here, changes in operating parameters cause a change in differential pressure at the separator, thus influencing the crossover. It has been found that both methods can reduce the capacity decrease of the battery and thus enable a more efficient operation. Furthermore, it can be seen that the cross-over behaviour differs depending on the separator and for this reason different methods of capacity balancing can be suitable.

Low-salinity waterflooding is a relatively simple and cheap Enhanced oil recovery technique in which the salinity of the injected water is optimized (by desalination and/or modification) to improve oil recovery over conventional waterflooding. The presented study combines spontaneous imbibition, centrifuge method, unsteady state coreflooding and zeta potential experiments to investigate low-salinity effects in carbonate limestones samples. Compared to Formation-water and Sea-water, Diluted-sea-water caused the significantly highest spontaneous oil recovery. Moreover, the imbibition capillary pressure curves are characterized by an increasing water-wetting tendency and a residual oil saturation reduction, as the salinity of the imbibing brines decreases in comparison to Formation-water. The unsteady state corefloodings resulted in the highest secondary oil recovery when Diluted-sea-water was used as injection water. Based on the open-source C++ simulator Dumux, the study developed a numerical centrifuge and coreflooding model to history match the experimental data. The numerically derived capillary pressure and relative permeability data confirm a correlation between the system’s salinity, wettability, oil recovery and residual oil saturation., Low-salinity Wasserfluten ist eine simple und kostengünstige Technik zur verbesserten Ölgewinnung, bei der der Salzgehalt des eingepressten Wassers (durch Entsalzung und/oder Modifikation) optimiert wird. In der Fachliteratur sind experimentelle Studien verfügbar, in denen sulfatreiches als auch entsalztes Wasser ein vielversprechendes Potenzial zur Steigerung der Ölproduktion aus Kalksteinproben gezeigt haben. Diese Dissertation kombiniert erstmalig Spontaneous-imbibition, Zentrifugen und Kernflutungsexperimente zur Untersuchung von Low-salinity Effekten in Kalksteinproben. Darüber hinaus wurden Zeta-Potential Messungen durchgeführt, um das Konzept der Oberflächenladungsveränderung als möglichen Mechanismus von Low-salinity Effekten in Kalksteinen zu untersuchen. In der experimentellen Studie wurden drei Injektionswasserzusammensetzungen getestet: Ein hochsalzhaltiges Formationswasser (Salzgehalt von 183,4 g/l), ein sulfatreiches Meerwasser (Salzgehalt von 43,8 g/l) und 100-fach verdünntes Meerwasser (Salzgehalt von 0,44 g/l). Die Spontaneous-imbibition Tests zeigten nur dann Ölproduktion, wenn der Salzgehalt des eindringenden Wassers niedriger war als der Salzgehalt des initialen Wassers. Es wurde keine Ölproduktion beobachtet, wenn das eindringende Wasser einen höheren Salzgehalt als das initiale Wasser aufwies oder der Salzgehalt der beiden Fluide identisch war. Die Spontaneous-imbibition Tests ergaben eine Ölgewinnung von 35,4% für 100-fach verdünntes Meerwasser, 22,1 % für Meerwasser und 1,5 % für Formationswasser. Die Zentrifugenversuche bestätigten eine Verbindung zwischen Salzgehalt und Ölgewinnung. Mit abnehmendem Salzgehalt zeigten die Kapillardruckkurven eine zunehmende Wasserbenetzungstendenz und eine gleichzeitige Verringerung der Restölsättigung. Die gemessenen Restölsättigungen waren 5,6 % für verdünntes Meerwasser, 10,7 % für Meerwasser und 15,3 % für Formationswasser. Die Kernflutungen spiegelten die Ergebnisse der Spontaneous-imbibition Tests und der Zentrifugenversuche wider. Unter lagerstättenrealistischer Injektionsrate resultierte Meerwasser und insbesondere verdünntes Meerwasser in eine signifikant höhere Ölproduktion als Formationswasser. Nach dem Erhöhen der Injektionsrate ergab verdünntes Meerwasser eine verbleibende Ölsättigung von 30,6 %, Meerwasser von 35,5 % und Formationswasser von 37,4 %. Die durchgeführten Zeta-Potential-Messungen stützen das Konzept der Oberflächenladungsveränderung als verantwortlichem Mechanismus von Low-salinity Effekten in Kalksteinen. Im Vergleich zu Formationswasser und Meerwasser zeigte das System aus verdünntem Meerwasser und Kalkstein die stärkste negative Oberflächenladung. Im Bezug auf die Literaturrecherche, den Spontaneous-imbibition, Zentrifugen und Kernflutungsexperimenten kann geschlussfolgert werden, dass die Injektion von verdünntem Meerwasser die Benetzung von Kalksteinen verändert. Um die experimentellen Daten zu überprüfen, wurde ein numerisches Zentrifugen- und Kernflutungsmodell im C++ Simulator DuMuX implementiert. Die mathematischen Modellbeschreibungen umfassen die definierten Randbedingungen, hydraulischen Eigenschaften, das Strömungsmodell und die Materialbilanzkopplung. Die entwickelten Modelle wurden mit Hilfe einer kommerziellen Simulationssoftware validiert. Die numerischen Modelle bestätigten die analytische Zentrifugenauswertung. Die Kapillardruckkurven sind durch eine zunehmende Wasserbenetzungstendenz und eine gleichzeitige Verringerung der Restölsättigung gekennzeichnet, wenn der Salzgehalt des Injektionswasser im Vergleich zu Formationswasser abnimmt. Die Kernflutungssimulationen bestätigen eine Verbindung von Salzgehalt, Benetzbarkeit und Ölgewinnung. Die numerisch abgleiten relative Permeabilitäten zeigten die stärkste Wasserbenetzung für verdünntes Meerwasser, gefolgt von Meerwasser und Formationswasser.

Wind power and photovoltaic energy play a significant role in sustainable energy systems. However, these two renewable energy sources do not generate electrical energy on demand and are subject to natural fluctuations. Thus, the need for compensatory measures arises. Compressed air energy storage power plants (CAES) are a possible solution to providing negative and positive control energy in the electric grid. However, in contrast to other energy storage devices such as pumped hydro energy storage or batteries, the storage medium compressed air hardly contains any energy (or more precisely: enthalpy). Yet, compressed air storage allows the operation of highly efficient gas turbines, which are not only particularly fast available but also achieve better efficiency than combined cycle power plants used today, as illustrated by the example of the modern gas and steam power plant Irsching with ηtc = 60 % from 2011 compared to the 20 years older McIntosh CAES with ηtc = 82.4 %. In this thesis, the calculation methods for the thermodynamics of the CAES process are presented and validated by measured data from the operations of the CAES power plant Huntorf. Both the steady state and the dynamic (time-dependent) analyses of the process take place. The characteristic value efficiency is discussed in detail, since numerous different interpretations for CAES exist in the literature. A new calculation method for the electric energy storage efficiency is presented, and a method for the calculation of an economically equivalent electricity storage efficiency is developed. Consideration is given to the transformation of the CAES process into a hydrogen-driven and, thus, greenhouse gas-free process. Finally, a model CAES system is tested in a 100 % renewable model environment. Consequently, it can be stated that in the steady-state thermodynamic calculation in particular, the consideration of realistic isentropic efficiencies of compressors and turbines is essential to correctly estimate the characteristic values of the process. Furthermore, a steadystate view should always be accompanied by dynamic considerations, since some process characteristics are always time-dependent. The simulation shows that by mapping transient operating conditions, the overall efficiency of the system must be corrected downwards. Nevertheless, in the model environment of a 100 % renewable energy system, it has beenshown that a CAES is a useful addition that can provide long-term energy storage., In einer nachhaltigen Energiewirtschaft nehmen Windkraft und Photovoltaik eine wichtige Stellung ein. Diese beiden erneuerbaren Energiequellen erzeugen elektrische Energie jedoch nicht bedarfsorientiert, sondern unterliegen natürlichen Schwankungen. Somit steigt der Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen. Druckluftspeicherkraftwerke (CAES, vom Englischen "Compressed Air Energy Storage") sind eine Möglichkeit negative und positive Regelenergie im Netz bereit zu stellen. Im Gegensatz zu klassischen elektrischen Energiespeichern, wie Pumpspeichern und Batterien, enthält das Speichermedium Druckluft jedoch kaum Energie. Dennoch ermöglicht die Speicherung von Druckluft den Betrieb von höchst effizienten Gasturbinen, die nicht nur besonders schnell verfügbar sind, sondern auch bereits vor über 25 Jahren eine bessere Effizienz erreicht hatten, als modernste heutige Kombikraftwerke. In dieser Arbeit werden Berechnungsmethoden für die Thermodynamik des CAES Prozesses vorgestellt und mittels Messdaten aus dem Betrieb des CAES Kraftwerkes Huntorf validiert. Dabei erfolgt sowohl die stationäre als auch dynamische Analyse des Prozesses. Die charakteristische Größe Wirkungsgrad wird ausführlich diskutiert, da in der Literatur zahlreiche unterschiedliche Interpretationen existieren. Eine neue Berechnungsmethode für den elektrischen Speicherwirkungsgrad wird vorgestellt sowie eine Methode zur Berechnung eines ökonomisch äquivalenten Stromspeicherwirkungsgrades entwickelt. Es werden Überlegungen zur Umgestaltung des CAES Prozesses in einen Wasserstoff-getriebenen und somit Treibhausgas-freien Prozess angestellt. Schließlich wird ein Beispiel CAES System in einer 100 % erneuerbaren Modell Umgebung getestet. Im Ergebnis ist festzustellen, dass bei der stationären thermodynamischen Berechnung insbesondere die Berücksichtigung von realistischen isentropen Wirkungsgraden von Kompressor und Turbine wesentlich ist um die charakteristischen Werte des Prozesses korrekt einzuschätzen. Weiterhin sollte eine stationäre Betrachtung immer auch von dynamischen Betrachtungen begleitet werden, da einige Prozesscharakteristiken stets zeitabhängig sind. In der Simulation zeigt sich, dass durch die Abbildung von instationären Betriebszuständen, der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nach unten korrigiert werden muss. Dennoch konnte in der Modellumgebung eines 100 % erneuerbaren Energiesystems gezeigt werden, dass ein CAES eine sinnvolle Ergänzung darstellt, um Energie zu speichern.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells für Lithiumionenzellen mittels linearer Schadensakkumulation am Beispiel von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zellen mit Graphitanode. Es wird der Unterschied zwischen Alterungsuntersuchungen und Lebensdauerprognose thematisiert. Als Kriterium für das Lebensdauerende der Zellen wird eine Kapazitätsabnahme um 30 % bzw. Innenwiderstandszunahme um 200 % verwendet. Versuche mit unterschiedlichen Entladeströmen und Zyklentiefen haben gezeigt, dass das Lebensdauerende unter der Annahme der Additivität des Lebensdauerverlusts pro Ereignis bzw. Zyklus bestimmt werden kann. Das Lebensdauerprognosemodell kann genutzt werden, um mit Hilfe synthetischer Lastprofile einen beschleunigten Lebensdauertest zu definieren und die Restlebensdauer bei Second-Life-Konzepten abzuschätzen., This thesis describes the development and validation of an event-based lifetime model for lithium ion cells by use of linear damage accumulation using the example of lithium nickel manganese cobalt oxide cells with graphite anode. The difference between ageing tests and lifetime prediction is discussed. A capacity drop of 30 % or an increase in internal resistance of 200 % is used as a criterion for the end of cell life. Experiments with different discharge currents and cycle depths have shown that the end-of-life can be determined under the assumption of the additivity of the life time loss per event or cycle. The lifetime prediction model can be used to define an accelerated lifetime test with the help of synthetic load profiles and to estimate the remaining lifetime for second-life concepts.

Today thin films of a few nanometers to some micrometers are used to protect surfaces. Silicon dioxide is often used because of it is versatilely. Just as the material to be coated is versatile in its properties, the coating process must also be accordingly. Until now most of the coating processes for silicon dioxide films are complex and leave unwanted residues behind. These are for example organic compounds, which can include polymeric structures, by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with organic silicons. Silane gas for the PECVD process is a solution to avoid these residues. It produces silicon dioxide by a heavy exothermic reaction with oxygen. This thesis shows a new way of deposition of silicion oxide layers by using the PECVD process with silane gas. The explosive reaction is prevented by a local and temporal separation of the reaction gases in a two-stage process. At first a dielectric barrier discharge of the gaseous mixture of SiH4/N2 deposit a silicon nitride film on the surface of the substrate. In the second step an oxygen plasma oxidizes the film into SiO2. In this thesis the resulting layers from the different process steps are characterized by the spectroscopic methods x-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet photoelectron spectroscopy depending on the process parameters pressure, time and discharge characteristic. In addition to that the effect of the different parameters on the surface morphology of the different layers and the different oxygen sources for the oxidation are analyzed. In conclusion an oxidation mechanism and the resulting threelayer-system can be described. The optimal process parameters for nearly stoichiometric silicon dioxide with a thickness of 8 – 10 nm on a substrate with oxygen content combine the results., Zum Schutz von Oberflächen werden heutzutage dünne Schichten von nur wenigen Nanometern bis einigen Mikrometern aufgebracht. Siliciumdioxid wird dabei häufig aufgrund der Vielseitigkeit eingesetzt. Wie auch das zu beschichtende Material vielseitig in dessen Eigenschaften ist, muss dementsprechend auch der Beschichtungsprozess sein. Im Bereich der SiO2- Beschichtung hinterlassen die bisherigen mitunter aufwendigen Verfahren meist ungewollte Rückstände in der Beschichtung zurück. So kommt es bei der plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidungen (PEVCD) von Organisilicium-Verbindungen zu organischen Verunreinigungen mit teilweise polymerartigen Strukturen. Um diese Rückstände zu vermeiden kann Silan im PECVD-Verfahren verwendet werden. Dieses bildet in Verbindung mit Sauerstoff in einer stark exothermen Reaktion SiO2. In dieser Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur Abscheidung von Siliciumoxid-Schichten mittels eines PECVD-Verfahrens unter der Verwendung von Silan betrachtet. Die explosionsartige Reaktion wird durch eine räumliche und zeitliche Trennung der Reaktionsgase in einem zweistufigen Verfahren verhindert. Im ersten Prozessschritt wird eine Siliciumnitrid-Schicht auf das Substrat mittels eines SiH4/N2-Gasgemisches bei Raumtemperatur durch Zündung einer dielektrisch behinderten Entladung aufgebracht. Diese Beschichtung wird im zweiten Prozessschritt durch die Zündung von sauerstoffhaltigen Plasma zu SiO2 oxidiert. Gegenstand dieser Dissertation ist die spektroskopische Analyse mittels Röntgenphotoelektronen- und Valenzbandspektroskopie der einzelnen Prozessschritte in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter des Partialdruckes, der Behandlungsdauer und der Entladungscharakteristik. Des Weiteren wird die Abhängigkeit von der Sauerstoffquelle für die Oxidation und der Einfluss dieser Parameter auf die Oberflächenmorphologie betrachtet. Schlussendlich kann anhand dieser Untersuchungen auf ein Oxidationsmechanismus der abgeschiedenen Siliciumnitrid-Schicht geschlossen werden, bei dem sich ein drei-Schicht-Aufbau ergibt. Hinzu können optimale Einstellungen des Verfahrens abgegeben werden. Mit diesen kann eine weitestgehend stöchiometrische Schicht aus SiO2 von 8-10 nm auf ein oxidisches Substrat aufgebracht werden.

The development of a powerful, cyclically stable and electrically rechargeable zinc-oxygen battery with a three-electrode configuration is reported. A copper foam was used as stable substrate for zinc deposition in flowing potassium hydroxide electrolyte, while oxygen reduction and evolution were accomplished by a commercial silver electrode and a nickel foam, respectively. The cell could be charged and discharged with up to 600 mA cm−2, delivered a peak power density of 270 mW cm−2, and performed for more than 600 cycles, although short circuits by dendrite formation could not yet be completely avoided. At a current density of 50 mA cm−2 and a temperature of 30 °C, a promising energy efficiency of 54% was achieved. Keywords: Secondary zinc–air battery, Three-electrode configuration, Metal foam, Oxygen depolarized cathode, Oxygen evolution catalyst, Alkaline electrolyte

In einem liberalisierten Elektrizitätsmarkt haben heutzutage alle Konsumenten die Chance sich für einen beliebigen Stromvertrag zu entscheiden. Ein Großteil der Bevölkerung erklärt sich in empirischen Untersuchungen zur Präferenzerfassung zu einem Wechsel vom aktuellen zu einem neuen Stromvertag, der erneuerbare Energien unterstützt, bereit. Die tatsächlichen Wechselraten bleiben jedoch trotzdem seit Jahren hinter den Erwartungen zurück. Angenommen dass Konsumenten also den Nutzen der Förderung erneuerbarer Energien verstehen und unterstützen, sollten sie nach der Theorie des rationalen Entscheidens auch diese Alternative wählen. Jedoch kann gezeigt werden, dass Konsumenten vielmehr dazu neigen am Status Quo festzuhalten, wenn ein Wechsel mit zusätzlichem Aufwand und damit Kosten verbunden ist. In bisherigen Studien zu Konsumentenpräferenzen wird ein derartiger Status Quo Bias methodisch nicht berücksichtigt. Zur Untersuchung ob im Wechselverhalten in wiederholten Entscheidungen zwischen verschiedenen Alternativen die exogene Festlegung einer Alternative als Status Quo dazu führt, dass diese signifikant häufiger gewählt wird, wurde ein Laborexperiment durchgeführt. Anhand einer modifizierten auswahlbasierten Conjointanalyse sollten Probanden Einblicke in ihre Präferenzen zwischen verschiedenen Stromverträgen geben. Während sich die Probanden in der Kontrollgruppe unvoreingenommen zwischen den Alternativen entschieden, war in der Experimentalgruppe eine Alternative als Status Quo vorausgewählt. Über die wiederholte Auswahlentscheidung wurden Teilnutzenwerte und relative Wichtigkeiten für verschiedene Attributausprägungen bestimmt. Eine dieser Attributausprägungen war dabei der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix. Die Ergebnisse demonstrieren, dass signifikante Unterschiede zwischen den Teilnutzenwerten und den relativen Wichtigkeiten der Attribute bestehen. Entgegen der Erwartung der Theorie rationalen Entscheidens beeinflusst die exogene Vorgabe eines Status Quo demnach das Entscheidungsverhalten der Individuen. Eine Interpretation dieser Ergebnisse lässt den Schluss zu, dass sich über wirtschaftspolitische Eingriffe so die Diskrepanz zwischen der Unterstützung für erneuerbare Energien in der Gesellschaft und der tatsächlichen Förderung lösen lässt. Eine Form dieses Eingriffs könnte dabei die Vorgabe sein, dass Stromanbieter ihren Basisvertrag auf einen erneuerbaren Stromvertrag umstellen und damit die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass mehr Konsumenten bei diesem Vertrag bleiben. Der libertäre Paternalismus kann hierbei ein geeignetes theoretisches Konstrukt bieten, wie solche staatlichen Eingriffe unter Wahrung der Konsumentensouveränität aussehen können., In a liberalized electricity market all consumers have the chance to opt for any electricity contract. In empirical studies so far a major part of the population agrees on the preference to switch from the current to a new electricity contract that supports renewable energies. The actual switching rates, however, have fallen short of expectations for years. So according to the rational decision theory, assuming that consumers understand and support the benefits of promoting renewable energy, they should choose this alternative. However, it can be shown that consumers tend to stay with the status quo if a change involves additional effort and thus costs. In the methodology of previous studies on consumer preferences, such a status quo bias has not been considered. A laboratory experiment was conducted to find out whether the exogenous determination of an alternative as a status quo in repeated decisions between different alternatives leads to a significantly more frequent choice. Using a modified choice-based conjoint analysis subjects should give insights into their preferences between different electricity contracts. While the subjects in the control group decided freely between the alternatives one option was pre-selected as a status quo in the experimental group. The repeated choices were used to determine part-worth utilities and relative importance for different attribute levels. One of these attributes was the share of renewable energies in the electricity mix. The results demonstrate that there are significant differences between the part-worth utilities and the relative importance of the attributes. Contrary to the assumptions of the theory of rational decision-making, the exogenous determination of a status quo thus influences the decision-making behavior of individuals. An interpretation of these results suggests that economic policy interventions could resolve the existing gap between support for renewable energy in society and actual funding. One form of intervention could be the requirement for electricity providers to switch their base utility contract to a renewable electricity contract, thereby increasing the likelihood that more consumers will remain with this contract. The idea of libertarian paternalism can provide a suitable theoretical construct as to how such governmental interventions can look like while preserving consumer sovereignty.

Developed societies with advanced economic performance are undoubtedly coupled with the availability of electrical energy. Whilst industrialized nations already started to decrease associated carbon emissions in many business sectors, e.g., by substituting combustion engines with battery-powered vehicles, less developed countries still lack broad coverage of reliable electricity supply, particularly in rural regions. Progressive electrification leads to a need for storage capacity and thus to increasing availability of advanced battery systems. To achieve a high degree of sustainability, re-used batteries from the electromobility sector are appropriate, as they do not consume further primary resources and still have sufficient residual capacity for stationary electrical storage applications. In this article, a blueprint for the electrification of a remote region by utilizing second-life lithium ion traction batteries for an integrated energy system in a stand-alone grid is presented and the implementation by the example case of a Tanzanian island in Lake Victoria is demonstrated. First, economic potentials and expected trends in the disposability of second-life lithium ion batteries and their foreseeable costs are outlined. Subsequently, key decision variables are identified to evaluate logistic aspects and the feasibility of the implementation of an off-grid electrical system in remote areas for economically and geographically unfavorable environments. The practical realization is pictured in detail with a focus on technical performance and safety specificities associated with second-life applications. Therefore, a new type of battery management system is introduced, which meets the special requirements of climate compatibility, low maintenance, enhanced cell balancing capability and cell configuration flexibility, and combined with a fiber-optical sensor system, provides reliable status monitoring of the battery. By carrying out on-site measurements, the overall system efficiency is evaluated along with a sustainability analysis. Finally, the socioeconomic and humanitarian impact for the people on the island is debated.

Chemical Enhanced Oil Recovery (cEOR) methods have been established since several decades. Despite the continuous research and development challenging reservoir with temperature above 80°C and salinities of more than 100 g/l cannot be targeted commercially yet. During the course of this work these high salinity and high temperature cEOR processes were investigated. It was discovered that combinations of anionic, cationic and non-ionic surfactant systems can be used under these conditions. The focus during the initial phase was lain on a carbonate formation, which poses harsh reservoir conditions at 110°C and 234 g/l salinity. At a later stage a sandstone field was focussed on, with its reservoir properties of 80°C and 48.5 g/l salinity. These less harsh conditions allowed for a wider range of surfactant systems to be tested for EOR purposes. At first, prior to core flooding evaluations a micromodel screening was performed for each surfactant system supplied. During the screening 40 different surfactant solutions were tested for their oil recovering potential against the reservoir dead oil in order to find the most suitable candidate for the following core flooding evaluation. By this method, the number of solutions to be tested in time consuming core floods was reduced down to one solution per individual surfactant system. A significant number of surfactant solutions reach ultra low interfacial tension (IFT) values in phase behavior tests, but only few cases could solubilize and recover significant remaining oil from the micromodel. The potential of microfluidics was proven for surfactant EOR with the visual access gained to the displacment process. In combination with the low oil volume required for this part of the screening, the micromodel experiments could be performed quick and reliable. Hereby it could be seen that surfactant solution in micromodels performed worst when significant amounts of oil were solubilized inside the aqueous phase during the phase behavior tests and performed best when the aqueous phase was most translucent. This came into play in cases when the phase behavior tests were inconclusive or could not be interpreted properly even when a Windsor III type microemulsion was present. Second, the chosen candidates for core flooding investigation were brought to the test utilizing the designated core flooding experimental setup. This setup was constructed, tested and optimized for minimal dead volume and corrosion resistivity at high temperature and high salinity conditions. More than 30 single- and multiphase core flooding experiments were performed in order to determine the oil recovery potential for EOR applications and the investigation of the injectivity, retention/adsorption and chromatographic effects of surfactant solutions. Finally, spontaneous imbibition experiments and rheological characterization were performed, supplemented by the investigation of oil-surfactant emulsion properties. Ultimately, the high adsorption rates observed of the tested surfactants lead to suboptimal results in terms of oil recovery for both the Carbonate and Sandstone case. The adsorption could be reduced by performing the experiments at higher pH levels of 10 instead of 7. In combination with polymer injection, preferably as part of the same slug, the shown performance at pH 10 was improved significantly. As expected the combination of surfactant-polymer injection performs better than surfactant or polymer EOR as a single application., Tertiäre Erdölförderung mittels chemischer Methoden (cEOR) finden seit Jahrzehnten Anwendung. Trotz der ständigen Forschung und Verbesserung der Chemikalien ist es noch nicht möglich alle Lagerstättentypen erfolgreich weiter auszubeuten. Temperaturen von über 80°C und Salinitäten von mehr als 100 g/l stellen immernoch eine kommerzielle Hürde dar. Während dieser Arbeit sind diese hochtemperatur und hochsalinaren Prozesse weiter untersucht worden. Es konnte bestätigt werden, dass Kombinationen von anionischen, cationischen und nicht ionischen Tensiden (Surfactants) in der Lage sind auch und solchen Bedingungen angewendet zu werden. Der Fokus lag zunächst auf einer Karbonat Formation mit Bedingungen von 110°C und 234 g/l. Später wurde auch eine Sandstein Lagerstätte mit leichteren Bedingungen untersucht. Hier lag die Temperatur bei 80°C und die Salinität bei 48.5 g/l, wodurch sich die Gruppe anwendbaren Tenside vergrößerte. Zunächst wurden die Tenside im Rahmen der Screening Prozedur in Mikromodellen untersucht. Insgesamt wurden 40 verschiedene Tensidlösungen getestet, um die besten Kandidaten zu identifizieren, für die nachfolgende Kernflut Untersuchung. Durch die Anwendung der Mikrofluidik konnte die Anzahl der Zeit und Ressourcen intensiven Kernflutversuche signifikant reduziert werden auf 1 Lösung pro Tensid System. Die Auswahl wurde durch den visuellen Zugang, welche die Mikromodelle auf den Verdrängungsprozess bieten, ermöglicht. Hierbei konnten bereits frühzeitig Lösungen ausgeschlossen werden, welche zwar niedrige Grenzflächenspannungen versprachen, allerdings im porösen Medium des Mikromodells nur einen geringen Entölungsgrad erreichten. Unterschiedlich Emulsionstypen konnten identifiziert werden. Daraufhin konnten die ausgewählten Kandidaten in der für cEOR Experimente gebauten und optimierten Kernflutanlage in ein Phasen- und Zweiphasen Versuchen injieziert werden. Dabei wurde der Entölungsgrad bestimmt, sowie die Injektivität, Adsorption und Chromatographische Effekte beurteilt. Die rheologische Untersuchung der sich bildenden Emulsionen und Imbibitions Tests schlossen zunächst die Beurteilung der Lösungen ab. Da beim eingestellten pH Wert von 7 hohe Adsorption zu erkennen war, und daraus resultierend die meisten Lösungen suboptimale Ergebnisse erzielten, wurde das Screening Programm erneut durchlaufen und die Lösungen optimiert. Um die Adsorption zu minimieren, wurde der pH Wert auf 10 erhöht. Daraufhin konnten in Verbindung mit der Injektion von Polymeren der Entölungsgrad signifikant gesteigert werden.

Ein Großteil der eingesetzten Energie geht in Haushalten, Industrie und Verkehr als Abwärme ungenutzt verloren. Als Beispiele seien hier Bäckereien, Stahlwerke und Verbrennungskraftwerke genannt. Mit Thermogeneratoren lässt sich Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Thermoelektrische Abwärmenutzung könnte den Primärenergieverbrauch senken, und damit signifikant zum Klimaschutz beitragen. Die Wesentliche Aufgabe dieser Arbeit war den Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Abwärmenutzung unter realistischen Bedingungen zu messen und Schalt‐ und Regelungskonzepte zu erforschen und zu entwickeln um die Effizienz des thermoelektrischen Energiesystems zu verbessern. Da die Ausgangsspannung und der Innenwiderstand der Thermogeneratoren mit der Temperaturdifferenz schwanken, wird ein DC/DC‐Wandler als Übertragerschaltung zur Leistungsanpassung zwischen den Thermogeneratoren und dem Verbraucher eingesetzt. Mit dem Ziel einen hohen Wirkungsgrad ( / 94% DC DC   ) zu erreichen, wurden unterschiedliche Schaltungstopologien von Gleichspannungswandlern analysiert. Mehrere Prototypen wurden realisiert und hinsichtlich Wirkungsgrads verglichen. Für einen kompakten Aufbau der Wandler erfolgte der Betrieb bei einer hohen Schaltfrequenz von 100kHz. Als Hoch‐ /Tiefsetzsteller wurde ein Vollbrückenwandler realisiert. Für Anwendungen mit kleiner Eingangsspannung und hoher Strombelastung wurde ein Zweiphasen‐Synchronwandler mit phasenverschobener Ansteuerung der einzelnen Wandlereinheiten entwickelt. Durch das mehrphasige Schaltkonzept ließ sich ein hoher Wirkungsgrad sowohl im Voll‐ als auch im Teillastbetrieb erreichen. Für die Regelung der Wandler wurden unterschiedliche MPPT‐Verfahren untersucht. Die Auslegung der Regler erfolgte unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Wandlers. Für die Auswertung der Regelgüte wurde der MPPT‐Wirkungsgrad der Verfahren gemessen. Ein wichtiger Designfaktor des thermoelektrischen Energiesystems ist die Schaltkonfiguration bei der Zusammenschaltung der Thermogeneratoren mit den DC/DC‐Wandlern. Durchgeführte Analysen und Messungen zeigten, dass bei einem modularen Aufbau mit Strangwandlern, die maximale Energiemenge geerntet wird. Dies ist allerdings mit einem hohen technischen und Kostenaufwand verbunden. Bei Steigender Anzahl der Stränge in Anwendungen mit großflächigen Modulnetzwerken und mehreren Temperaturzonen, steigt die Gesamtzahl an Bauelementen, Treiberschaltungen, Regelungseinheiten und Sensoren. Als Alternative mit einem besseren Preis‐Leistungsverhältnis wurde ein neues Schaltkonzept bei Verwendung von Ladungspumpen (vgl. Charge‐Balancing im „BMS“ bei Batterien) entwickelt und erprobt. Bei der Realisierung der Wandler‐Prototypen wurden MOSFETs mit einem geringen Durchlasswiderstand DSon R als Halbleiterschalter eingesetzt. Hierdurch wurden die stromabhängigen Leitverluste deutlich reduziert. Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Wandler kann durch die Reduktion der dominierenden Schaltverluste (bei der hohen Schaltfrequenz) erreicht werden. Mit Hilfe eines PSpice‐Modells, das, das dynamische Verhalten der eingesetzten MOSFETs genau abbildet, wurde eine simulationsgestützte Analyse eines weichschalenden Wandlers bei Verwendung von passiven und aktiven Entlastungsnetzwerken durchgeführt. Eine Dimensionierungsvorschrift für die Entlastungsnetzwerke wurde abgeleitet. Der erreichbare Wirkungsgrad mit dem weichschaltenden Wandler unter Nullspannung (ZVS: Zero Voltage Switching) wurde ausgewertet., Waste heat in various energy‐intensive processes, such as in steel and glass production as well as in large bakeries often remains unused. Thermoelectric generators can convert thermal energy directly into electrical energy. This conversion could reduce primary energy consumption and thus make a significant contribution to environmental protection. The prime objective of this work was to measure the overall efficiency of a thermoelectric energy system under realistic conditions aiming at developing innovative switching and control concepts, which results in improving the efficiency of this energy system. Since the output voltage and the internal electrical resistance of thermoelectric generators fluctuate with the temperature, a DC/DC converter is used for impedance matching and maximum power transfer to the load. In order to achieve a high degree of efficiency , different circuit topologies of DC/DC converters were studied. prototypes were realized and compared regarding efficiency. For a compact design of the converters, operation was carried out at a high switching frequency of 100kHz. A full bridge converter was designed and implemented to perform step‐up and step‐down functions. For applications with low input voltage and high current, a two‐phase synchronous converter with phase‐shift control was developed. Due to the multi‐phase switching concept, a high degree of efficiency could be achieved both at full and partial load operation. Different MPPT methods were investigated for the control of the converters. The dynamic behavior of the converters was considered for the design of MPPT‐controllers. The MPPT efficiency of the processes was measured for the evaluation of the control quality. An important design factor of a thermoelectric energy system is the arrangement of the thermoelectric generators when they are interconnected with the DC/DC converters. Analyses and measurements have shown that in a modular design with string converters, the maximum amount of energy is produced. However, this is associated with high costs. As the number of strings increases in applications with multiple temperature zones, the total number of components, driver circuits, control units and sensors increase as well. As an alternative with a better price‐performance ratio, a new switching concept using charge pumps was developed and tested. MOSFETs with a low On‐resistance were used in the realization of the converter prototypes. This significantly reduced the current‐dependent conduction losses. A further increase in the efficiency of the converters can be achieved by reducing the dominant switching losses (at the high switching frequency). With the help of a PSpice model, which accurately reproduces the dynamic behavior of the MOSFETs used, a simulation‐based analysis of a soft switching converter was performed. A dimensioning rule for auxiliary resonant circuits (passive and active) was derived. The achievable efficiency with the soft switching converter under zero voltage (ZVS: Zero Voltage Switching) was evaluated.

Hydraulic fracturing technology is usually required to allow tight gas to escape from the low-permeability reservoir and flow through the wellbore to the surface. So far, there are no numerical tools in the petroleum industry which can optimize the whole process from geological modeling, hydraulic fracturing until production simulation with the same 3D model with consideration of the thermo-hydro-mechanical coupling. In addition, optimization design should be considered from the perspective of production, especially for multiple hydraulic fractures. Thus, the simulation of the production phase with created fractures in one model is very important for the optimization design. In this dissertation, a workflow and a numerical tool chain were developed for design and optimization of multistage hydraulic fracturing in horizontal well with regard to a maximum productivity of the tight gas wellbore. Frac-Simulator was developed to match the fracturing operation history automatically and optimize the hydraulic fracturing with consideration of thermal effect and gel-breaking. The temperature change will affect the fracture propagation process directly through the thermal stress as well as expansion or shrinkage. The temperature can also influence the fluid properties (gel breaking) as well. In order to maximize the productivity of the above mentioned tight gas wellbore, Frac-Produ Simulator was developed for the simulation of the gas production. The change of stress tensor ij and the fracture conductivity F CD during gas production are also taken into account. After the verification of the developed Simulators, a full 3D reservoir model is generated based on a real tight gas field in the North German Basin. After the history matching of the stimulation phase, the same 3D reservoir model is generated, including formations and the created fractures with their own fracture geometries and proppant concentration. The bottomhole pressure development derived from the measured treating pressure was used as input data for the stress sensitive reservoir simulation. Through analysis of simulation results, a new calculation formula of F CD was proposed, which takes the proppant position and concentration into account and can predict the gas production rate of each fracture more accurately. However, not only F CD but also proppant distribution and hydraulic connection of stimulated fractures to the well, geological structure and the interaction between fractures are determinant for the gas production volume of each fracture. Hence, the relationship between gas production rates from each fracture in the later production is different from that at the beginning. For the sensitivity analysis numerical simulations were carried out with different design parameters, including proppant type, viscosity of the injection fluid and injection time. The results show that the influences of proppant type on fracture geometry and fracture conductivity is much larger than that of the viscosity of the injection fluid, while the influences of the injection time are the smallest. For the optimal fracture treatment design different numerical simulations with varied fracture number/spacing and treatment schedule were performed. The results show that the injection rate is not the higher the better. If it is too high, the fracture width will become wider and the proppant will settle down easier to the bottom, which leads to insufficient hydraulic connection between fracture and wellbore. The fracture spacing should also not be too small, otherwise the influence area/drainage radius is not enough. Thus, there is no unique criterion to determine the optimal number and spacing of the fractures, it should be analyzed firstly in detail to the actual situation and decided then from case to case.

A new method for evaluation of battery cells containing porous thin-layer electrodes is developed. For this purpose, a typical concept of chemical reaction engineering to classify reactors by dimensionless characteristic values is used. Therefore, the system of equations describing the porous electrodes in a battery cell is transferred to dimensionless notation and corresponding dimensionless properties are developed. The required kinetic data are measured with the help of electrochemical test cells. A complete set of parameters for the description of the lithium-ion battery is determined and the characteristic properties for the chosen example are calculated and analyzed. Finally, the performance of the anode and cathode using lithium manganese oxide and surface-modified graphite as active materials is compared with the aid of the newly developed dimensionless parameters.

This dissertation outlines the effects of fluctuating natural gas quality on solid oxide fuel cell systems with anode exhaust gas recirculation by implementing and testing two control approaches in a natural gas fueled test rig. For this purpose, the principles of solid oxide fuel cell systems and the governing system equations are introduced for a system with anode exhaust gas recirculation. Additionally, the fundamentals of natural gas and fluctuating natural gas quality, as well as the current European regulatory frame work are presented. Eight temporally resolved European natural gas data sets are evaluated and compared, outlining that the natural gas quality in Europe is highly volatile with variable magnitudes in different locations. Methane and ethane fractions are the most volatile components in the evaluation, due to the 95 % confidence domains ranging from 86.5 to 97.5 % and 0.9 to 10.2 %, respectively. The derived natural gas coefficients provide the basis for an exact classification and clustering of different natural gas mixtures in regard to the corresponding fuel cell system responses. Furthermore, the governing system equations are simplified by replacing all natural gas composition constraints with the corresponding natural gas coefficient. Furthermore, the development, validation and testing of the basic control scheme and black box modeling approach are outlined. The conducted literature review highlights that the effects of fluctuating natural gas quality on solid oxide fuel cell systems are not frequently addressed in literature. Additionally, the implemented basic control strategy in the 13 kW solid oxide fuel cell test rig keeps the natural gas mass flow rate and reformer inlet volume flow rate constant in relation to a defined reference natural gas composition. Consequently, for fluctuating natural gas quality, the designated fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio set points can not be ideally realized. For the chosen test rig location in Renningen, the model predicted fluctuations of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio from 0.7129 to 0.8046 and 1.926 to 2.098 for set points of 0.75 and 2, respectively. Additionally, during the experimental evaluation at nominal operation, the estimated fluctuation magnitudes of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio are approximately verified, due to the corresponding matching spreads of the measured domains between 0.6823 and 0.7633, as well as 1.822 and 2.109. Consequently, with the basic control approach, the carbon deposition risk is temporarily too high, due to the frequently occurring low oxygen-to-carbon ratios. However, the risk of irreversible stack damage, due to the partial depletion of fuel inside single cells of the stack, is low during the testing period. Consequently, an advanced control logic is developed, which relies on the detection of a single natural gas quality indicator to adjust the system flow rates in relation to the detected natural gas state. For the chosen test rig location in Renningen, the advanced control scheme achieves superior simulation results with predicted fluctuations of the fuel utilization factor and oxygento- carbon ratio from 0.7495 to 0.7502 and from 1.993 to 2.017 for set points of 0.75 and 2, respectively. Furthermore, the exceptional simulation results are verified during the experimental evaluation at nominal operation, due to the small spreads of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio domains from 0.7543 to 0.7630 and 1.969 to 2.030, respectively. The corresponding simulation results of the basic control scheme in the identical time frame yield distinctly extended domains from 0.7030 to 0.7607 and 1.906 to 2.021, respectively. Consequently, the advanced control logic successfully prevents excessively low oxygen-to-carbon ratios and limits the risks of carbon deposition. Additionally, more stable fuel utilization factor progressions are achieved, outlining the superior performance of the advanced control scheme. In summary, this dissertation highlights that a solid oxide fuel cell system with anode exhaust gas recirculation can be advantageously operated with natural gas using an advanced control scheme, which is reactive to the current natural gas state. Therefore, the system can be stably operated and the lifetime can be extended. In dieser Dissertation wurden die Auswirkungen schwankender Erdgasqualität auf das Betriebsverhalten von oxidkeramischen Brennstoffzellensystemen mit Anodenabgasrezirkulation untersucht. Hierzu wurden zwei Betriebsstrategien in einem Versuchssystem implementiert und anhand von experimentellen Daten evaluiert und validiert. Zusätzlich wurden die bestimmenden Systemgleichungen und Zusammenhänge hergeleitet. Darüber hinaus wurden aktuelle regulatorische und gesetzliche Rahmenbedingungen für Erdgas vorgestellt, sowie eine Bewertung der schwankenden Erdgasqualität in Europa anhand des Vergleichs von acht zeitlich aufgelösten Erdgasdatensätzen aus sieben Ländern durchgeführt. Der Vergleich zeigte, dass die Erdgasqualität in Europa äußerst volatil war und unterschiedliche Größenordnungen an verschiedenen Standorten erreichte. Methan und Ethan waren die volatilsten Komponenten mit Schwankungsbreiten zwischen 86,5 und 97,5 % sowie 0,9 und 10,2 %. Zusätzlich ermöglichten die eingeführten Gaskoeffizienten eine exakte Gruppierung von Erdgasmischungen, welche ein analoges Systemverhalten hervorrufen. Gleichzeitig konnten die Erdgaskonzentrationsterme in den bestimmenden Systemgleichungen vorteilhaft ersetzt werden. Weiterhin wurden die Entwicklung und Validierung der Basiserdgasbetriebsstrategie und der 0D-Systemmodellierung beschrieben. Bei der im 13 kW Brennstoffzellen-Versuchssystem implementierte Basiserdgasbetriebsstrategie wurden der Erdgasmassendurchfluss und der Reformereintrittsvolumenstrom in Bezug zu einer festgelegten Erdgasreferenzkonzentration konstant gehalten. Folglich konnten die spezifizierten Systemsollwerte, des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses, während einer Schwankung der Erdgasqualität nicht ideal realisiert werden. Für den ausgewählten Standort des Versuchssystems in Renningen erstreckten sich die Modellvorhersagen für die Schwankungsbreiten des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses zwischen 0,7129 und 0,8046 sowie 1,926 und 2,098 für zugehörige Sollwerte von 0,75 und 2. Die simulierten Schwankungsbreiten wurden durch den experimentellen Betrieb am nominalen Arbeitspunkt verifiziert, da die gemessenen Schwankungsbreiten zwischen 0,6823 und 0,7633 beziehungsweise 1,822 und 2,109 lagen. Folglich war das Risiko der Bildung von Kohlenstoffablagerungen innerhalb der Testphase zeitweise sehr hoch, während das Brennstoffverarmungsrisiko in einzelnen Zellen der Stacks gering war. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine adaptive Erdgasbetriebsstrategie entwickelt, welche die Systemdurchflüsse, basierend auf der Detektion eines einzelnen Erdgasqualitätsindikators, fortlaufend an den ermittelten Erdgaszustand anpasste. Für den ausgewählten Standort des Versuchssystems in Renningen erzielte die adaptive Erdgasbetriebsstrategie herausragende Simulationsergebnisse mit projizierten Schwankungsbreiten des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses von jeweils 0,7495 bis 0,7502 und 1,993 bis 2,017 für zugehörige Sollwerte von 0,75 und 2. Die hervorragenden Simulationsergebnisse wurden auch durch die gemessenen engen Schwankungsbreiten im nominalen Versuchsbetrieb, welche sich für den Stackbrennstoffnutzungsgrad und das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis zwischen 0,7543 und 0,7630 sowie 1,969 und 2,030 erstreckten, bestätigt. Eine Simulation mit der Basiserdgasbetriebsstrategie für die aufgezeichnete Erdgasqualität im gleichen Versuchszeitraum ergab deutlich größere Schwankungsbereiche zwischen 0,7030 und 0,7607 sowie 1,906 und 2,021. Folglich führte die Implementierung der adaptiven Erdgasbetriebsstrategie zu einem herausragenden Betriebsverhalten unter schwankender Erdgasqualität und der Reduktion des Risikos der Bildung von Kohlenstoffablagerungen sowie der Brennstoffverarmung in einzelnen Zellen der Stacks. Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation herausgestellt, dass ein oxidkeramisches Brennstoffzellensystem mit Anodenabgasrezirkulation vorteilhaft mit einer adaptiven Erdgasbetriebsstrategie, welche kontinuierlich auf die detektierte Erdgasqualität reagiert, betrieben werden kann, wobei der Systembetrieb stabilisiert und die Lebensdauer erhöht werden.

To keep our planet livable, hundred and seventy-five nations worldwide, including Europe, have committed to drastically reducing greenhouse gas emissions. The work at hand participates with the energy transition toward decarbonized electricity production by providing a method to analyze the incentives for the thermal fleet to contribute. Given the liberalized economic environment Europe and other countries have put in place, the work at hand analyzes the signals set by the energy markets to investors and power plant operators regarding flexible power plant operation and the future requirement of power plant flexibilisation, with improvement suggestions. This work contributes to the field of energy system analysis and operations research. First, a methodological framework for quantitative, long-term, high-resolution techno-economic assessments of an individual power plant’s operational flexibility is put in place. Instead of relying on single metrics, this method uses the power plant’s unit commitment and economic dispatch for flexibility valuation. Depending on the desired insight, different metrics might be derived from the plant dispatch. The single unit, self-scheduling problem of a merchant power plant solved from a price-taker perspective developed in this work includes the intraday and frequency control markets, as well as a parametric power plant model suited for operational flexibility assessments. The model accounts, among others, for the degraded power plant efficiency at part-load. In addition, significant aspects, like the variation of start-up costs as a function of the market prices are included. Improved opportunity cost calculation methods including part-load efficiency degradation for the optimization of capacity reservation in the frequency control market are developed. Quantitative analyses demonstrate that comprehensive flexibility studies should include intraday and frequency control markets. The developed concepts might also be implemented in models solving other types of unit commitment problems than the single unit self-scheduling problem. The proposed formulations are suited for the state-of-the-art mixed integer programming approach. The work at hand, however, introduces an alternative approach. Acknowledging that the power plant operation is a controlled process with a finite number of states and transitions, the concept of events is used to overcome uniform time discretization. This event-based approach requires less computation time than time-discrete approaches when simulating long time horizons. The work’s practical relevance is illustrated in the retroactive observation of how the merchant power plants react to the markets in their operation strategies. The case studies show that the day-ahead markets incent a conventional power plant’s flexible operation at increased shares of renewables, but currently do not compensate for the profit difference resulting from this system-friendly dispatch. The analyzed frequency control and intraday markets help in improving the day-ahead profit and monetary value of power plant flexibilization. The design of the frequency control capacity reservation market is shown to benefit more power plants (renewables as well as conventional ones) when the capacity reservation duration is short. The value of operational flexibility improvements is quantified using various metrics, for different technologies and market environments. These case studies indicate that if investors further expect a three to five-year return on investment, the existing conventional fleet is unlikely to experience a significant flexibilization., Um den Planeten lebenswert zu halten, haben sich weltweit hundertfünfundsiebzig Nationen, und insbesondere die Europäische Union, dazu verpflichtet, die Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit untersucht den Beitrag thermischer Kraftwerke zum Aufbau einer dekarbonisierten Stromerzeugung. Vor dem Hintergrund der Liberalisierung der Energiewirtschaft in Europa und anderen Ländern werden die bestehenden Anreize der Energiemärkte für Investoren und Kraftwerksbetreiber zum flexiblen Betrieb der Kraftwerke, sowie ergänzende Maßnahmen zur Kraftwerksflexibilisierung analysiert und Optimierungen vorgeschlagen. Es wird ein methodischer Rahmen für eine quantitative, langfristige und hochaufgelöste technoökonomische Bewertung der betrieblichen Flexibilität eines einzelnen Kraftwerks vorgeschlagen. Anstatt sich auf eine Metrik zu konzentrieren, verwendet die hier vorgeschlagene Methode eine Kraftwerkseinsatzplanung zur Flexibilitätsbewertung. Abhängig von der gewünschten Erkenntnis können unterschiedliche Metriken aus dem Kraftwerkseinsatz abgeleitet werden. Das in dieser Arbeit entwickelte, aus einer Preisnehmerperspektive herausgelöste Problem des Einsatzes eines Kraftwerks, umfasst die Intraday- und Regelleistungsmärkte sowie ein parametrisches Kraftwerksmodell, das für betriebliche Flexibilitätsanalysen geeignet ist. Das Modell berücksichtigt unter anderem den reduzierten Kraftwerkswirkungsgrad bei Teillast. Darüber hinaus sind wesentliche Aspekte wie die Veränderung der Anfahrkosten in Abhängigkeit von den jeweiligen Marktpreisen enthalten. Verfeinerte Verfahren zur Berechnung der Opportunitätskosten, einschließlich einer Verschlechterung des Teillast-Wirkungsgrads für die Optimierung der Kapazitätsvorhaltung auf dem Regelleistungsmarkt, werden vorgestellt. Quantitative Analysen zeigen, dass Berechnungen ohne Intra¬day- und Regelleistungsmärkte gegebenenfalls den Wert der betrieblichen Flexibilität unterschätzen würden. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelten Konzepte sind für alle Betrachtungsweisen der Kraftwerkseinsatzplanung geeignet. Diese Konzepte sind in der üblichen zeitdiskreten Formulierung der gemischt-ganzzahlige Kraftwerkseinsatzoptimierung implementierbar. Ein darüberhinausgehender Ansatz wurde vorgeschlagen. Da der Kraftwerksbetrieb ein kontrollierter Prozess mit einer endlichen Anzahl von Zuständen und Übergängen ist, wird ein ereignisbasierter Ansatz verwendet, um die Notwendigkeit einer einheitlichen Zeitdiskretisierung zu überwinden. Der hier gewählte Ansatz erfordert gegenüber dem zeitdiskreten Ansatz weniger Rechenzeit bei der Simulation langer Zeiträume. Die praktische Relevanz der vorliegenden Arbeit liegt in der auf historischen Datensätzen basierten Simulation, wie Kraftwerke in ihren Betriebsstrategien auf die Märkte reagieren. Fallstudien zeigen, dass die Day-Ahead-Märkte den flexiblen Betrieb eines konventionellen Kraftwerks bei erhöhten Anteilen erneuerbarer Energien fördern, aber derzeit die Gewinndifferenz, die sich aus diesem systemfreundlichen Betrieb ergibt, nicht kompensieren. Die analysierten Regelleistung- und Intraday-Märkte tragen dazu bei, den Day-Ahead-Gewinn und den Geldwert der Flexibilisierung von Kraftwerken zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass der Regelleistungsmarkt mehr Kraftwerke (sowohl erneuerbare als auch konventionelle Kraftwerke) nutzt, wenn die Kapazitätsreservierungsdauer kurz ist. Der Wert der Verbesserungen der betrieb-lichen Flexibilität wird anhand verschiedener Metriken für verschiedene Technologien und Marktumgebungen quantifiziert. Diese Fallstudien deuten darauf hin, dass der bestehende Park konventioneller Kraftwerke wahrscheinlich keine signifikante Flexibilisierung erfahren wird, wenn die maximale Amortisationszeit der Investoren weiterhin drei bis fünf Jahre betragen darf.

Obwohl ein Großteil der Unternehmen bei technisch getriebenen Produktinnovationen über exzellente Abläufe verfügt, ist diese Fähigkeit bei der Innovation und dem Management von Geschäftsmodellen bislang kaum entwickelt worden. Dies ist insbesondere unter dem Aspekt verwunderlich, dass die durch die Medien bekannten Unternehmenserfolge meist nicht durch Produkt-, sondern durch Geschäftsmodell-Innovationen erzielt wurden. Der Erfolg unternehmerischer Tätigkeit kann in hohem Maße mit der Durchführung eines auf Führungsebene verorteten Managements von Geschäftsmodellen verbunden werden. Auch wenn in Unternehmen, die einen starken Anstieg in der Umsatzrendite erzielen konnten, mit hoher Wahrscheinlichkeit Geschäftsmodell-Innovationen durchgeführt wurden, fließt im Allgemeinen nur ein geringer Teil der Forschungsausgaben im Unternehmensumfeld in die Entwicklung und das Management von Geschäftsmodellen. Zwar existiert in der Wissenschaft eine Vielzahl an Arbeiten zum Themenfeld der Geschäftsmodell-Betrachtung, allerdings wurde an den spezifischen Anforderungen der Ausarbeitung eines anwendungsnahen Ansatzes zum Geschäftsmodell- Management bislang kaum geforscht. Primäres Ziel der Arbeit ist insofern die Entwicklung eines Prozesses zum Geschäftsmodell-Management, wobei auch die praktische Anwendbarkeit im Fokus steht. Durch eine auszuarbeitende Modularität des Vorgehensmodells sollen Unternehmen je nach Anforderungsprofil den Prozess zum Geschäftsmodell-Management von unterschiedlichen Startpunkten aus im Modell individuell beginnen können. Im Rahmen der Arbeit wird mit der Entwicklung eines Vorgehensmodells zum Geschäftsmodell-Management eine Systematik auf Basis systemanalytischer Grundlagen geschaffen. Hierfür erfolgt eine umfassende konzeptionelle Darstellung eines entsprechenden Vorgehensmodells zum Geschäftsmodell-Management. Als Basis einer derartigen anwendungsorientierten Ausgestaltung dienen wissenschaftliche theoretische Grundlagen zum Geschäftsmodell-Management. Es erfolgt eine detaillierte Darstellung der möglichen Anwendung von Analyseinstrumenten in den einzelnen Analyseschritten des Vorgehensmodells. Zur Feststellung der Notwendigkeit für die Anpassung von Geschäftsmodellen wird ein mehrstufiges Geschäftsmodell-Controlling entworfen. Außerdem wird die Funktion der Strategie als handlungseinschränkendes Element hinsichtlich des Geschäftsmodell- Managements unter entscheidungstheoretischen Aspekten betrachtet. Weiterhin erfolgt die Einbettung eines zweistufigen Vorgehens zur Überprüfung der entwickelten Geschäftsmodell-Optionen. Dadurch steht durch das Vorgehensmodell eine Systematik zur praktischen Anwendung des Geschäftsmodell-Managements in Unternehmen zu Verfügung. Although a large number of companies have access to excellent processes for technically driven product innovations, this kind of capability has hardly been developed for the innovation and management processes of business models. This is particularly surprising in view of the fact that the popular success stories of corporations have mostly been achieved through business model innovations rather than through product innovations. The success of entrepreneurial activity can be highly linked to the implementation of business model management at the leadership-level. Even companies that have achieved a strong increase in return on sales, can quite often relate this increase to business model innovation. Only a small proportion of research is spent on the development and management of business models. Even though a large number of papers were published on the subject of business model analysis, the specific requirements of developing an application-oriented approach to business model management have scarcely been researched thus far. The primary goal of the work is therefore the development of a process for business model management whereby the practical applicability is the main focus. By means of a modularity of the procedure model, companies are able to start the process for business model management from different starting points, depending on the requirement profile. For this purpose, a comprehensive conceptual presentation of a procedure model for business model management is developed within this work. Scientific theoretical foundations provide the basis for such an application-oriented design. A detailed description of the possible application of analytical instruments in procedure modelling is given by a case study. To determine the need for customizing business models an approach for multi-level business model controlling is designed and presented. In addition, the function of the strategy as a business model management action-restricting element is considered from the decision theory point of view. Furthermore, a two-step approach is implemented for the review of the developed business model options. Therefore the procedure model provides a system for the practical application of business model management in companies.

Vorangetrieben durch festgelegte Mindestvergütungssätze für elektrische Energie aus erneuerbaren Energiewandlungsanlagen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) kam es in den Jahren 2008 bis 2014 zu einem starken Zubau von Photovoltaikanlagen in den Niederspannungsverteilnetzen. Hinzu kommen aktuell neue Niederspannungsnetzlasten, wie beispielsweise Ladepunkte für die Elektromobilität oder Elektrowärmepumpen. Diese Entwicklungen erzwingen Maßnahmen durch den Verteilnetzbetreiber (VNB) um die Einhaltung der nach DIN EN 50160 zulässigen Spannungstoleranzen zu gewährleisten. Eine Möglichkeit sind regelbare Ortsnetztransformatoren (rONT) die unterbrechungsfrei durch die Änderung des Übersetzungsverhältnisses die Niederspannung einstellen können. Hiermit können bis zum Erreichen der thermischen Belastungsgrenzen der Netzbetriebsmittel (Stromtragfähigkeit) Eingriffe wie Leitungsverstärkungen und Transformatorenaustausch (sog. „konventioneller Netzausbau“) reduziert oder gar vermieden werden. In der heutigen Praxis wird überwiegend der „Monosensorbetrieb“ realisiert, bei welchem der Spannungsistwert auf der Transformatorenunterspannungsseite erfasst und zur Spannungsregelung genutzt wird. In dieser Arbeit wird die Steigerung des Zubaupotentials durch erweiterte Regelungsverfahren des rONT untersucht. Hierzu werden zunächst Erweiterungen des Monosensorbetriebs betrachtet, die sich auf eine variable Einstellung des Spannungssollwerts durch Statiken beziehen. Im weiteren Verlauf erfolgt die Einbeziehung von zwei möglichen Datenfiltern, die aus abgesetzten Spannungsmesswerten einen resultierenden Spannungsistwert berechnen. Unter Beibehaltung des praxiserprobten Regelungsverfahrens für den Monosensorbetrieb wird auf diese Weise der Multisensorbetrieb realisiert. Zur Vermeidung der abgesetzten Sensorik im Netz werden zwei weitere Verfahren eingeführt, die die Netzspannungen annähern. Beim ersten Verfahren wird auf Basis der Solarstrahlungsleistung, des Leistungsflusses über dem Transformator und der Transformatorenunterspannung ein Spannungsistwert ermittelt, der an den Regler als Eingangsgröße übermittelt wird. Das zweite Verfahren nutzt zusätzlich einfache Netzparameter und nähert die Netzspannung unter Berücksichtigung der Strangströme an. Bei diesem Verfahren wird die ermittelte Netzspannung auf einen dynamischen Spannungssollwert zurückgeführt. Beide Verfahren reduzieren die auftretende Spreizung der Spannung (Differenz aus Minimal- und Maximalwert) an den Netzknoten und generieren auf diese Weise weitere Freiheiten im nach Norm zulässigen Spannungstoleranzband. Durch die erweiterten Regelungsverfahren kann das Zubaupotential vom Faktor 2,8 beim Monosensorbetrieb auf bis zu 4,3 bei den erweiterten Regelungsverfahren gesteigert werden. In the years 2008 to 2014, there was a strong expansion of photovoltaic systems in the low voltage grid advanced by specified minimum remuneration rate for electrical power from renewable energy power plants given by the renewable energy law. Also new loads, for example electrical heat pumps and charging points for the electro mobility are integrated in the low voltage grids. These developments require actions by the distribution system operators (DSO) to support the voltage in the band according to the standard DIN EN 50160. One possibility is the use of controllable local power transformers. These transformers contain on-load tap changers (OLTC) to regulate the voltage without interruption of the low side of the transformer. Thus voltage-related grid expansion measures can be reduced or avoided until reaching the thermal load limit of the network resources. Today in the praxis controllable local power transformers are working in the mono-sensor operation. The regulation is only done by measuring of actual voltage value on the low voltage side of the local power transformer. The increase of the power annex in the low voltage grid through the extension of the control methods is investigated in this dissertation. At first the standard controller (mono-sensor operation) is expanded with characteristic curves for voltage set point specification depending on the power flow or the solar irradiance. The multi-sensor operation is realized by an expansion of the standard controller with data-filters for the voltage readings from remote measurement points in the low voltage grid as an input signal for the controller. To avoid the remoted sensors in the grid, in the next step an algorithm to calculate global voltage actual values with the parameters solar irradiation, power flow and measured voltage on the low voltage side is created for controlling the voltage in the grid. A second method uses additionally the grid parameters (e.g. impedance) to approximate a value for the voltage in the grid. In this method the determined value of voltage is returned to a dynamic voltage set point. Both methods reduce the voltage spread in the grid and generate more tolerances in the voltage band determined by the standard. Due to the in this work observed extended control methods, the power extension can be increased from factor 2.8 (mono-sensor operation) to 4.3 (advanced control methods).

Die Dissertation „Wechselwirkungsanalyse zwischen dem Physikalischen Optimum, dem Be-triebswirtschaftlichen Optimum und dem Carbon Footprint Optimum (PhO-BwO-CFO)“ unter-sucht technische Systemkonzeptionen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten. Dabei werden die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Betrachtungen über alle Le-benszyklusphasen einer Systemkonfiguration analysiert. Als ökologische Einflussfaktoren werden die Effizienz während der Betriebsphase und die äquivalenten Treibhausgasemissionen in die Bewertung einbezogen. Um die Analyse optimal anpassen zu können, lassen sich die Treibhausgasemissionen durch andere Um-weltaufwendungen äquivalent ersetzen (z. B. durch das Versauerungspotenzial). Die Effizienz während der Betriebsphase wird über das Verfahren des Physikalischen Optimums (PhO) auf unüberwindbare physikalische Grenzen bezogen. Dadurch entsteht eine Bilanzierung auf ein tatsächlich vorhandenes Optimierungspotenzial. Aus den Erkenntnissen der Wechselwirkungsanalysen werden Gleichungen abgeleitet, die eine Systemkonfiguration in einem gemeinsamen Optimum ermöglichen. Diese Schnittmenge als Kompromiss zwischen dem ökonomischen und ökologischen Optimum wird über eine Systemvariable (����) bestimmt, die Einfluss auf beide Aspekte aufweist. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren der Technologieanalyse werden unter-schiedliche Konfigurationen bezüglich ihrer Effektivität unter ökonomischen und ökolo-gischen Aspekten analysiert und kombiniert bewertet. Ergänzt werden die Wechselwirkungsanalysen durch eine Betrachtung bereits existieren-der Systeme. Mit Untersuchungen des Wartungszeitpunktes lassen sich die Betriebspara-meter in einem effizienten Bereich halten, in dem ein ökonomischer/ökologischer Vorteil während der Betriebsphase generiert wird. Optimale Reinvestitionen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten werden über eine Indifferenz der Konfigurationen hergeleitet. Somit lassen sich Grenzwerte klar definieren, ab denen ökonomische bzw. ökologische Vorteile erzielt werden können. Eine abschließende Obsoleszenzanalyse bekräftigt die Notwendigkeit von Lebenszyk-lusanalysen für Investitionsgüter. Zu allen Verfahren werden ausführliche Beispielberechnungen vorgestellt. Sie verdeutli-chen die Handhabung aller in dieser Arbeit entwickelten Gleichungen. The dissertation "Interaction Analysis PhO-BwO-CFO" examines system concepts under eco-nomic and ecological aspects. It analyses interactions of the different considerations over the entire lifecycle phases of a system configuration. The efficiency during the operating phase and the equivalent greenhouse gas emissions are considered as ecological influencing factors. At the same time, the greenhouse gas emissions should be replaceable with other environmental expenditures on an equivalent level for a high individuality of the analysis (e.g. the acidification potential). The efficiency during the operating phase is related to insurmountable physical limits by the method of the physical optimum (PhO). This serves to demonstrate a realistic opti-mization potential. From the findings of the interaction analysis, equations are derived which allow a sys-tem configuration in a common optimum. This compromising intersection between the economic (BwO) and ecological optimum is determined by a system variable (SV), which influences both aspects. The process of technology analysis analyses and evaluates different configurations with regard to their effectiveness under economic and ecological aspects. Investigations of the optimal maintenance point of time help to keep the operating param-eters in ecologically efficient limits and thus to generate an economic advantage during the operating phase. Optimal reinvestment of existing systems under economic and ecological aspects are derived by an indifference of the configurations. Limits can thus be defined for a benefit. Various life expectancies of goods are finally examined in respect of obsolescence. For all methods extensive sample calculations are presented. Thus the developed methods can be illustrated.

Zur Erfassung von Bodenbewegungen hat sich die radarinterferometrische Methode der Per-sistent Scatterer Interferometrie (PSI) aufgrund der erreichbaren hohen Qualität und der zu-nehmenden Verfügbarkeit von Radar-Satellitendaten in vielen Bereichen der Wissenschaft, Wirtschaft und Behörden bewährt. Im Vergleich zu herkömmlichen Vermessungsverfahren er-zeugt die PSI-Methode eine hohe Punktdichte mit Informationen über die zeitlich variierenden Bodenbewegungen bzw. Höhenänderungen an der Tagesoberfläche und mit einer Genauig-keit im Sub-Zentimeterbereich. Aufgrund verschiedener, auch verfahrenstechnischer Ursa-chen können die ermittelten PSI-Höhenänderungszeitreihen an einzelnen PS-Punkten jedoch von dem erwarteten flächenhaften Bodenbewegungsverhalten abweichen. Sie sind somit für dieses Bodenbewegungsverhalten nicht repräsentativ oder im messtechnischen Sinne grob falsch. Vor einer weiteren Nutzung dieser Ergebnisse sollten diese auffallenden „Anoma-lien“ deshalb in den vorliegenden Massendaten automatisiert erkannt und von einer Interpre-tation des Bodenbewegungsverhaltens ausgeschlossen werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein raumzeitliches Clusterverfahren vorgestellt, das die automatisierte Detektion von anormalen Zeitreihen an PS-Punkten in flächenhaft vorlie-genden PSI-Ergebnissen ermöglicht. Zur Auswahl eines für diese Aufgabenstellung geeigne-ten Verfahrens wurden verschiedene Clusterverfahren auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht und letztlich das Verfahren „Local-Moran’s-Index“ auf Grundlage lokaler räumlicher Autokorrelationen ausgewählter Attribute zwischen den PS-Punkten an praktischen Beispielen getestet. Es zeigte sich, dass grundsätzlich mit Hilfe des Local-Moran’s-Index - Clusterverfahrens signifikante „räumliche Anomalien“ detektiert werden können, dabei aber der Wahl des Attributes eine wichtige Bedeutung zukommt. Im Vergleich zur Clusteranalyse mit den Attributen „Polynomgrad“ und „Höhenänderung“ (abgeleitet aus einer Trendpolynombestimmung) konnte die Clusteranalyse mit dem Attribut „Höhenänderungsrate" ein deutlich besseres Ergebnis erzielen. Darüber hinaus ergab die Untersuchung, dass zur Beschreibung des charakteristischen Verlaufs einer Höhenänderungszeitreihe ein einziges Attribut offensichtlich nicht ausreicht. Da bei der Local-Moran’s-Index - Clusteranalyse jedoch nur ein einziges Attribut berücksichtigt werden kann, erfolgt eine Modifikation dieses Verfahrens durch Einführung eines Gewichtungsfaktors zur Beurteilung und Quantifizierung der Ähnlichkeit der Höhenänderungsverläufe benachbarter PS-Punkte. Des Weiteren wurde ein Kriterium abgeleitet, das auf einer gemeinsamen Betrachtung von räumlichen Autokorrelationen und der Anzahl benachbarter PS-Punkte basiert, und zu einer Modifikation der Local-Moran’s-Index - Clusteranalyse führte. Erweitert wurde das Vorgehen um eine kleinräumige Clusteranalyse mit spezifischen, angepassten Parametern. Abschließend wurde am Beispiel eines umfangreichen Testdatensatzes das erweiterte und modifizierte Local-Moran’s-Index - Verfahren zur Identifizierung von anormalen Zeitreihen an PS-Punkten erprobt und das Analyseergebnis mit einem entwickelten statistischen Validati-onsverfahren, basierend auf berechneten Höhenänderungsdifferenzen, überprüft. Zusammen-fassend zeigte sich, dass eine automatisierte Detektion von anormalen Zeitreihen an massen-haft vorhandenen PS-Punkten mittels des modifizierten Local-Moran’s-Index - Verfahrens zu-verlässig erfolgen kann. Die hierdurch ermöglichte Datenbereinigung liefert einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Qualität einer flächenhaften Modellierung von Bodenbewegun-gen. Due to the achievable high quality and the increasing availability of radar satellite data, the radar interferometric method of persistent scatterer Interferometry (PSI) has proved of great value for the detection of ground movements in many fields of science, economics and public authorities. Compared to conventional surveying methods, the PSI method produces a high point density with information about the temporally varying ground movements or height changes on the ground surface with an accuracy in the sub-centimeter range. However, due to various, also procedural reasons, the determined PSI time series of height changes at individual PS-points can deviate from the expected areal ground movement behavior. They are therefore not representative to describe this ground movement behavior or are grossly wrong in the metrological sense. Before any further use of these results, these striking "anomalies" should therefore be recognized automatically in the present mass data and excluded from an interpretation of the ground movement behavior. In the present work, a space-time clustering method is presented, which enables the automated detection of abnormal time series at PS points in areal PSI results. In order to select a suitable method for this task, various clustering methods have been investigated for their applicability and finally the "Local-Moran's-Index" method on the basis of local spatial autocorrelation of selected attributes between the PS points has been tested in practical examples. It was found that in principle significant “spatial anomalies” can be detected with the help of the Local-Moran's-Index clustering method, but the choice of attribute is of great importance. In comparison to the cluster analysis with the attributes "polynomial degree" and "height change" (derived from a trend polynomial determination), the cluster analysis with the attribute "height change rate" was able to achieve a significantly better result. Furthermore, the investigation showed that a single attribute is obviously not sufficient to describe the characteristic course of a height change time series. However, since only a single attribute can be taken into account in the Local-Moran's-Index cluster analysis, a modification of this method is carried out by introducing a weighting factor for judging and quantifying the similarity of the height changes of adjacent PS points. Moreover, a criterion was derived based on a joint consideration of spatial autocorrelation and the number of neighboring PS points and led to a modification of the Local-Moran's-Index cluster analysis. The approach was then extended by a small-scale cluster analysis with specific, adapted parameters. Finally, using the example of a comprehensive test data set, the extended and modified Local-Moran's Index method for the identification of abnormal time series at PS points was tested, and the analysis result was checked with a developed statistical validation method based on calculated differences of height changes. In summary, it was found that automated detection of abnormal time series at mass PS points can be reliably performed by means of the modified Local-Moran's-Index method. The data cleansing provided thereby makes an important contribution to the improvement of the quality of areal modeling of ground movements.

Diese Arbeit untersucht das Potenzial der Kleinst-Blockheizkraftwerke und zeigt: Durch einen Austausch von nur 25 % aller bis zum Jahre 2050 zu renovierenden Gasheizanlagen gegen BHKW können 14,8 TWh elektrischer Energie bereit gestellt werden, was im Vergleich zum prognostizierten Gesamtspeicherbedarf für regeneratives CH4 von 40 TWh einen erheblichen Beitrag darstellt. Kleinst-BHKW fügen sich, anders als Großkraftwerke, mit nur minimalem Aufwand in die bestehende Infrastruktur ein und können auf diese Weise zur Rückverstromung regenerativen Methans eine wichtige und stark ausbaufähige Brückentechnologie darstellen, die zudem Kapazitäten des elektrischen Netzes schont, welche bei großen Leistungszuwächsen durch Elektromobiliät benötigt werden. This thesis examines the capability of mini-CHPs for electrical reconversion taking the following approach: Substitution of only 25 % of gas powered heating units during refurbishments up to 2050 is assumed. By this way a total annual amount of 14.8 TWh could be provided which represents a considerable quantity compared to an estimated total storage capacity of 40 TWh for renewable methane. Additionally, in contrast to great power plants these mini-CHPs can be integrated seamlessly into the existing infrastructure of gas and power supplies. Further considaration shows: Mini-CHPs provide a largely scalable intermediate technology that in addition saves resources of the electrical grid needed for the purpose of electric vehicles.

Die Lebensdauer von Brennstoffzellen ist abhängig von den Betriebszuständen (Strom und Spannung), die während der Laufzeit auftreten. Durch eine Bewertung der Betriebszustände kann während der Entwicklung neuer Brennstoffzellen eine Prognose über die zu erwartende Lebensdauer getroffen werden. Während des Betriebs von Brennstoffzellen kann eine Abschätzung der Restlebensdauer erfolgen oder die Auswirkung einer Änderung der Betriebsführung auf die Lebensdauer bewertet werden. Für die Abschätzung der Lebensdauer ist ein Modell erforderlich, dass die wesentlichen Einflussgrößen berücksichtigt. Im Folgenden werden die Methoden der Betriebsfestigkeit zur Lebensdauerprognose von schwingend beanspruchten Bauteilen auf das System Brennstoffzelle übertragen. Maßgeblich sind hier die Höhe und die Häufigkeit der Beanspruchung. Die Betriebsfestigkeitsrechnung dient zur Abschätzung der Lebensdauer bei zufallsartiger Last-Zeit- Funktion auf der Basis von Bauteileigenschaften bei Beanspruchung mit konstanter Lastamplitude. Dazu müssen der zufallsartigen Beanspruchungs-Zeit-Funktion durch Zählverfahren (Klassierung) die Beanspruchungen entnommen werden. Anschließend wird jeder Beanspruchung ein Schädigungsbeitrag zugewiesen. Brennstoffzellen wie z.B. eine Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) werden im Betrieb häufig mit wechselnden elektrischen Lasten beansprucht. Änderungen der abgegebenen elektrischen Leistung führen zu wechselnden Stromdichten in A/cm2 bzw. Zellspannungen in V. Mit der Betriebsdauer sinkt die Leistung der Brennstoffzelle durch Degradationseffekte, was sich in einer Abnahme der Zellspannung bei konstanter Stromdichte widerspiegelt. Neben der zeitabhängigen Degradation können auch Einzelereignisse, z.B. Start/Stopp-Vorgänge oder Ereignisse, die zu einer Unterversorgung an der Kathoden- und Anodenseite führen, einen Schädigungsbeitrag leisten. Mit dem hier vorgestellten Konzept kann die Lebensdauer von PEMFCs abgeschätzt werden. Für die Abschätzung der Degradationskoeffizienten werden Literaturwerte und Erfahrungen von Experten herangezogen., The lifetime of fuel cells depends on the operating conditions (current and voltage) which occur during the period of use. Through an assessment of operating conditions a forecast of the expected lifetime can already be made during the development phase of new fuel cells. During operation of fuel cells an estimate of the residual lifetime can be carried out or the effect of certain in the operational management (optimization) can be evaluated in the lifetime. A model is used to estimate the lifetime considering the main influencing factors. In this work the methods of fatigue strength for lifetime prediction of cyclic loaded components are being transferred on the system fuel cell. Relevant are the height and the numbers of cycle of the loads. The calculation of fatigue strength is used to estimate the lifetime with randomized loadtime- function based on components behaviour at constant loads. For this purpose, relevant stress information is extracted from stress-time function by counting methods. Subsequently, each stress is assigned to a damage content. Proton Exchange Membrane Fuel Cell ( PEMFC ) are often stressed in operation with dynamic electrical loads. Changes in the electrical power output result in alternating current densities in A/cm2 or cell voltages in V. During operation time the power of the fuel cell become less by degradation effects, which is reflected in a decrease in the cell voltage at a costant current density. In addition to time-dependent degradation also individual events, such as start/stop operations or events that lead to an undersupply at the cathode and anode side, make a damage content. With the concept presented here the lifetime of PEMFCs can be estimated. For determination of the degradationcoefficients literature values and experience of experts are being used.

Thermische Nachverbrennungsanlagen mit regenerativer Abluftvorwärmung (kurz: RNVAnlagen) werden zur Reinigung von Abgas- bzw. Abluftströmen eingesetzt, die brennbare Bestandteile enthalten. Dazu werden die Verunreinigungen, oft flüchtige organische Verbindungen wie Lösemittel u. Ä., bei hohen Temperaturen oxidiert und nahezu vollständig in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Um den Prozess möglichst wirtschaftlich zu gestalten, wird der Enthalpiestrom des heißen Reingases in Regeneratoren zwischengespeichert und zur Vorwärmung der Abluft genutzt. Obwohl RNV-Anlagen seit Beginn der 1980er Jahre in der Industrie weite Verbreitung gefunden haben, basiert die Auslegung der Anlagen in der Praxis meist auf einfachen Abschätzungsrechnungen und vorhandenen Erfahrungen. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass es sich – auch unter stationären Randbedingungen – um einen zeitlich dauerhaft instationären Prozess handelt, dessen Modellgleichungen zwar grundsätzlich bekannt sind, aber sehr hohe Anforderungen an Berechnungsprogramme stellen. Der erforderliche Entwicklungsaufwand ist von den kleinen und mittleren Unternehmen des Anlagenbaus kaum zu erbringen. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit ein vereinfachtes Prozessmodell entwickelt, dass überwiegend auf ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen beruht und somit leicht nachvollzogen und implementiert werden kann. Dazu wird gezeigt, dass der instationäre Strömungsumkehrreaktor im zyklisch-stationären Betrieb mit Hilfe der Regeneratortheorie von Hausen als stationärer Wärmeübertragerreaktor aufgefasst werden kann. Für diesen werden die Modellgleichungen formuliert und die Berechnungsmethoden der benötigten Koeffizienten dargestellt. Anhand umfangreicher experimenteller Arbeiten an einer RNV-Anlage im Technikumsmaßstab wird das Modell validiert und verdeutlicht, dass, außer den Parametern der chemischen Kinetik, keine weiteren Anpassungsfaktoren erforderlich sind, um den Prozess im Rahmen der Messfehler adäquat zu beschreiben. In weiteren Simulationen wird die Auswirkung verschiedenster Betriebs- und Anlagenparameter auf die wesentlichen Auslegungsgrößen (Brennstoffbedarf, Reingastemperatur und Druckverlust) untersucht. Herleitungen von Abschätzungsgleichungen für idealisierte Fälle, z. B. für die Maximal- und Brennraumtemperaturen im überautothermen Betrieb oder den Verbrennungswärmebedarf im autothermen Betrieb, sowie ein ausführlicher Anhang runden die Arbeit ab., Thermal post-combustion plants with regenerative air-preheating, also known as Regenerative Thermal Oxidation plants (abbr. RTO-plants), are used for the purification of exhaust gas or exhaust air streams containing combustible components. To acomplish this, the impurities – mostly volatile organic compounds such as solvents and similar – are oxidized at high temperatures and converted to carbondioxide and water almost entirely. To achive a highly efficient process, the enthalpy flow of the hot clean-gas leaving the plants is temporarilly stored in regenerators and used for heating-up of the cold incoming exhaust air. Although RTO-plants found widespread application in industry since the early 1980s, the dimensioning of the facilities is still based on estimate calculations and existing experiences quite often. This is due to the fact, that the process – even under constant boundary conditions – is inherently unsteady in time. The model-equations are principally known but place enormous demands on the computational solution. Especially small and middle-sized manufacturers are hardly able to expend effort on the development. Against this background a simplified model of the process is developed in this work, that is preponderantly based on engineering fundamentals, hence beeing easy to comprehend and to implement. For this purpose it is shown, that, by means of the regenerator theory of Hausen, the tansient reverse-flow reactor in cyclic steady state can be regarded as a stationary heat-exchanger reactor. The model-equations for this system are formulated and methods for the computation of the coefficients therein are described. The model is validated on the basis of extensive experimental work using a RTO-plant in technical scale. Furthermore it is shown, that – besides the parameters of chemical reaction rates – no additional fitting-factors are required to describe the process within the limits of measurement errors. In additional simulations the effects of many different operating and dimensioning variables on the essential design values (massflow of fuel, clean-gas temperature and pressure-drop) are investigated. Derivations of estimate formulae for special cases, e. g. the maximum and combustion chamber temperatures in superadiabatic operation or the fuel consumption in autothermal mode, as well as a circumstantial appendix round off the work.