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DFG project G:(GEPRIS)526154539
Skalierbarer virtueller Prüfstand für die integrierte Auslegung und Steuerung von Wärmepumpen und thermischen Speichern in Carnot-Batterien: Smooth
| Coordinator | Professor Dr.-Ing. Dirk Müller ; Dr.-Ing. Christian Vering |
| Grant period | 2023 - |
| Funding body | Deutsche Forschungsgemeinschaft |
| DFG | |
| Identifier | G:(GEPRIS)526154539 |
⇧ SPP 2403: Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül ⇧
Note: Die Energiespeicherung ist für dezentralisierte Energiemärkte mit einem hohen Anteil an Energie aus erneuerbaren Quellen unerlässlich. Daher ist es notwendig, umfangreiche Stromspeicherkapazitäten auf allen Ebenen einzubeziehen. Während elektrische Batterien in großem Maßstab begrenzt sind, sind Carnot-Batterien vielversprechende Technologien mit potenziellen Anwendungen in städtischen Energiesystemen. Carnot-Batterien können in Energiezentralen integriert werden. Wenn es einen Überschuss an Strom aus erneuerbaren Energiequellen gibt, speichert eine Carnot-Batterie diesen Überschuss. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und dem Betrieb hängt die Effizienz des Systems jedoch stark von der Auslegung und den Reglern ab. Eine genaue Bewertung der wirtschaftlichen Machbarkeit von Carnot-Batterien erfordert daher integrierte Auslegungsansätze. Eine integrierte Auslegung der Komponenten und der Betriebsstrategie bereits in der frühen Entwurfsphase maximiert das Potenzial von Carnot-Batterien. Dieses Projekt (zwei Förderphasen) stellt einen fluid- und Teillast-abhängigen 1D-skalierbaren virtuellen Prüfstand bereit, der für den inversen Systementwurf und die Bewertung genutzt werden kann. In der ersten Förderphase werden Anwendungsfälle für Carnot-Batterien in städtischen Energiesystemen identifiziert. Dafür wird ein vereinfachtes Carnot-Batterie-Modell in ein Open-Source-Planungstool (EHDO) integriert. Basierend auf der mathematischen Optimierung des Designs und des Betriebs können Systemanforderungen abgeleitet werden. Der Fokus im Projekt ist der Ladeprozess, sodass Anforderungen an Wärmepumpen, thermische Speicher und Regler abgeleitet werden. Bestehende thermische Speichermodelle werden in Open-Source-Bibliotheken (AixLib/VCLib) integriert. Diese Modelle werden in Hardware-in-the-Loop-Experimenten verwendet. Der Versuchsaufbau ermöglicht die Analyse der Interaktion zwischen einer realen Wärmepumpe mit zwei Kältemitteln und zwei emulierten Wärmespeichern im Labormaßstab. Auf der Grundlage der experimentellen Validierung wird ein skalierbarer virtueller Prüfstand eingerichtet. In der zweiten Förderphase wird der virtuelle Prüfstand skaliert, um die optimale Auslegung im Maßstab eines städtischen Energiesystems zu bewerten. Dazu wird der virtuelle Prüfstand um ein Turboverdichtermodell erweitert. Mittels integrierter Optimierung werden die Auslegungs- und Regelparameter definiert und experimentell validiert. Im letzten Schritt wird der validierte virtuelle Prüfstand so skaliert, dass er dem Design des Planungswerkzeugs in der ersten Förderphase entspricht. Der vom Planungstool angenommene optimale Betrieb wird mit dem vom virtuellen Prüfstand Betrieb verglichen. Auf der Basis möglicher Abweichungen können iterativ Randbedingungen mit EHDO evaluiert werden. Die Kombination aus EHDO und skalierbarem virtuellen Prüfstand ebnen somit den Weg zu wirtschaftlich realisierbaren Carnot-Batterien in urbanen Energiesystemen.
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Technical and Ecological Assessment of High-Temperature Heat Pumps withModel Predictive Control in Paper Manufacturing
High-Temperature Heat Pump Symposium, CopenhagenCopenhagen, Denmark, 21 Jan 2026 - 22 Jan 2026
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Comparative Life Cycle Assessment of Rankine-based Carnot Batteries and Lithium-Ion Batteries for Grid-Scale Energy Storage
25 Seiten (2026) [10.18154/RWTH-2026-00729]
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Carnot-Batterien als ökologisch überlegende Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie? - Eine vergleichende LCA Studie
Thermodynamik Kolloquium 2025, HamburgHamburg, Germany, 22 Sep 2025 - 24 Sep 2025
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Towards optimal heat pump design: integrating and investigating part-load behaviour
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The environmental performance of nationwide heat pump deployment in residential buildings in Germany
Cell reports sustainability 2(9), 100461 (2025) [10.1016/j.crsus.2025.100461]
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The Potential of Carnot-Batteries in Urban Energy Systems: Techno-economic Analysis using Mathematical Optimization
[37th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS 2024, 2024-06-30 - 2024-07-05, Rhodes, Greece]
37. International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS 2024, RhodesRhodes, Greece, 30 Jun 2024 - 5 Jul 2024
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