Bücher der Reihe Schriftenreihe des Energie-Forschungszentrums Niedersachsen (EFZN)

In der vorliegenden Dissertation wurden das viskose, schädigungsinduzierte und schädigungsrückbildungsinduzierte mechanische Verhalten und auch die hydraulischen Eigenschaften des verunreinigten Schichtsalzes aus Jintan unter TC und TE Spannungsgeometrien untersucht. Um den Einfluss der Verunreinigungen auf das kurzzeitige Verhalten (Bruchfestigkeit und -verzerrung) des Steinsalzes zu untersuchen, wurden mehrere ein und triaxiale Kompressionsversuche an Steinsalzprüfkörpern mit hohem Verunreinigungsanteil aus drei weiteren Standorten Anning, Pingdingshan und Huai¿an durchgeführt. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass die Existenz der Verunreinigungen (meistens Anhydrite oder Tonstein) zur Erhöhung der Festigkeit beiträgt und das Kriechvermögen des Steinsalzes sehr deutlich beschränkt. Anhand dieser Beobachtungen wurde das Teilmodell des Stoffmodells Lux/Wolters für Festigkeit, nämlich das Festigkeitsmodell Hou, um einen Faktor ¿Einfluss der Verunreinigungen¿ modifiziert.

Im Rahmen der Studie wurde das Potenzial untersucht, einen Teil der künftig für die Netzintegration der Windenergie notwendigen Energiespeicher im elektrischen Energieversorgungsnetz Deutschlands durch die Nachnutzung von stillgelegten Bergwerken mittels untertägiger hydrodynamischer Pumpspeicherwerke zu decken. Da die ehemaligen Bergwerke nicht für diesen Zweck errichtet wurden, ist es notwendig, sie durch Auffahrungen und Erweiterungen für die neue Aufgabe zu ertüchtigen. Unter den gegebenen Einschränkungen, Kriterien und auf Basis bergmännischer Erfahrungen wurden sechs Bergwerksregionen in Deutschland identifiziert, die für die Errichtung von untertägigen Pumpspeicherkraftwerken gut oder bedingt geeignet sind. Die drei gut geeigneten Regionen sind das Erz- gebirge, der Harz sowie das Siegerland und Lahn-Dill-Gebiet. In die- sen Regionen werden nach einer ersten Potenzialschätzung theoretisch bis zu 10 GW installierte Leistung bei bis zu 40 GWh Gesamtspeicherkapazität erwartet.Dabei stellt die Planung und Errichtung eines derartigen untertägigen Speicherkraftwerks eine besondere Herausforderung dar, wobei die jeweiligen Besonderheiten eine Einzelfallprüfung erfordern. Auf ingenieurwissenschaftlicher Seite müssen geotechnische, bergmännische und markscheiderische Probleme gelöst und die maschinen- und elektrotechnischen Voraussetzungen geschaffen werden. Im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsanalyse sind die Fragen zur Investitions- und Wirtschaftlichkeitsrechnung zu beantworten sowie insbesondere als Voraussetzung für staatliche Förderungen die ökonomische Vorteilhaftigkeit darzustellen. Im Rahmen des Genehmigungsverfahrens sind insbesondere wasser- und umweltrechtliche Fragestellungen zu beachten. Nach den bisherigen Untersuchungen erscheint die Technologie Pumpspeicherwerke unter Tage vor dem Hintergrund des zusätzlichen Speicherbedarfs für die Netzintegration von Windenergie erfolgversprechend. Auch rechtlich, umweltplanerisch und wirtschaftlich erscheint die Errichtung möglich.Beispielhaft wurden zwei Bergwerke, dem ehemaligen Erzgruben Grund im Harz und Pöhla im Erzgebirge auf eine Nachnutzung für ein Pumpspeicherwerk unter Tage untersucht. In beiden Fällen erscheint eine Realisierung technisch möglich. Im Ergebnis stellen sich die größeren Herausforderungen aufgrund der Rohstoffsicherung, des Zugangs, hinsichtlich der Umwelt- und Akzeptanzfragen im Vergleich der beiden Standort am Standort Pöhla.

Injection into geological formations is seen by many as a short to medium term measure to reduce emissions of CO2 to the environment and as such to slowdown the pace of global warming. The injection process requires that the fluid flows effectively into the host formation. To this end it is very important to accurately predict the pressure and temperature of the fluid along the well and especially at the bottom of the hole. In the present dissertation a rigorous procedure to estimate fluid pressure and temperature along CO2 injection wells has been developed based on analytical modeling. The procedure accommodates wellbores of varying diameter, varying deviation angles, non-uniform tubing strings and layered formations with different thermal properties and varying geothermal gradients.To test the models, computer codes have been written with Visual Basic.Net language on the Microsoft Visual Studio Platform. The codes are encapsulated in a user-friendly Graphical User Interface.The simulated results are compared with field observed data from a shallow aquifer injection vertical well in Germany (Ketzin) and that from a relatively deeper offshore aquifer injection slanted well in Norway (Snøhvit). The maximum deviation is around 2% for pressure and around 10% for temperature.

Die elektrische Energieversorgung in Deutschland hat sich seit Ende der 1990er Jahre deutlich verändert. Der Ausbau erneuerbarer Energien und die Ausweitung der Elektromobilität stellen das Versorgungssystem vor neue Herausforderungen. Mit der zunehmenden Integration dezentraler Erzeuger in die Netze steigt auch der Bedarf zur dezentralen Erbringung von Systemdienstleistungen.Die gezielte Be- oder Entlastung einzelner Phasen des Netzes erlaubt den Ausgleich eventuell vorliegender Unsymmetrien. Eine symmetrische Auslastung des Netzes entlastet die Transformatoren, verringert die Verluste und erhöht die Ausnutzung innerhalb der zulässigen Spannungsbänder.Diese Dissertation stellt ein Umrichtersystem vor, das für den Einsatz in der Ladetechnik von Elektrofahrzeugen oder zur Netzanbindung stationärer Batteriesysteme konzipiert wurde und für die Netzsymmetrierung eingesetzt werden kann.Der rückspeisefähige Vierleiter-Umrichter mit aktiv moduliertem Neutralleiter bietet die schaltungstechnische Voraussetzung, sowohl symmetrische als auch unsymmetrische Ströme in ein dreiphasiges Vierleiter-Netz einzuprägen. Zur Steuerung des Umrichters wird das neu entwickelte Hyperraumzeigermodulations-Verfahren mit überlagertem Proportional-Resonanz-Regler angewandt.

This research work is on Short- and Long-term Stability of a 100% Renewable Autonomous Power System for a Typical Geographical Region. It is concerned with understanding, modelling, analysing and mitigating power system stability problems associated with 100 percent renewable electrical power system. The complexity of power systems is continually increasing because of the growth in asynchronous interconnections and use of new power electronic based technologies for solar and wind power integrations. At the same time, regulatory constraints have forced utilities to increase the renewable energy share on the power systems. This research mainly deals with maximizing the Non-Conventional Renewable Energy (NCRE) share in the power system. Implementation of 100 percent renewable electric power system is no longer a myth. However, the system requires a large energy storage capacity for full supply with renewable energy in the electricity sector and new large scale of synchronous inertia shall be added to the system for frequency stability. Furthermore, necessary measures have to be taken for maintaining power system oscillations and damping which occur due to frequent power disturbances from wind and solar energy sources. However, the implementation of 100 percent renewable electrical power system depends on the many other things such as the financial capability, resources availability, etc.

Der Wandel von einem zentralen zu einem dezentralen und primär auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystem wirkt sich auf die physikalischen Flüsse im Netz aus und verursacht erhebliche Kosten für den Netzausbau. Der starre Regulierungsrahmen zur Verteilung der Netzkosten, in Form von Netzentgelten, auf die Netznutzer ist noch auf ein Energieversorgungssystem mit zentralen Großkraftwerken und unidirektionalem Lastfluss ausgerichtet und kann sich diesen Veränderungen nicht flexibel anpassen. Es resultieren Fehlallokationen, die den Verteilungsmechanismus der Netzkosten zunehmend in Frage stellen.Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung und Analyse von lastflussabhängigen Verfahren zur Verteilung der Netzkosten. Die grundlegenden heutigen Kalkulationsmechanismen bleiben dabei weiterhin gültig. Die einzelnen Elemente (Kostenwälzung, Netzhöchstlast, Gleichzeitigkeitsfunktion und Einspeiseentgelte) werden hingegen an die realen Gegebenheiten adaptiert. Das Ziel der lastflussabhängigen Verfahren ist die Entwicklung einer Netzentgeltsystematik, die sich den physikalischen Lastflüssen flexibel anpasst und so eine verursachungsgerechte Kostenverteilung generiert.

Die neu entwickelte Technologie der regelbaren Ortsnetztransformatoren (rONT), die eine spannungsseitige Entkopplung von Mittel- und Niederspannungsnetzen erlaubt, wird bis heute hauptsächlich als Instrument zur PV-Integration in Niederspannungsnetze gesehen und auch so wissenschaftlich diskutiert. Sie wird also punktuell und niederspannungsgetrieben eingesetzt. Die vorliegende Arbeit schlägt vor, rONT mittelspannungsgetrieben immer dort einzusetzen, wo EE-bedingt aus Gesichtspunkten der Spannungshaltung, aber nicht der Stromtragfähigkeit zum Teil umfangreicher Mittelspannungs-Netzausbau nötig wäre. Dies ist insbesondere in ländlichen Räumen mit ihren räumlich ausgedehnten Umspannwerksbereichen der Fall. Mit der vorliegenden Arbeit wird sowohl ein Konzept zum flächigen Einsatz dieser Technologie entwickelt, als auch an realen Netzen verifiziert, dass dieser Einsatz einfach, schnell und bei Bedarf sogar reversibel ist ¿ im Gegensatz zum konventionellen Netzausbau ¿stranded investments¿ nahezu sicher vermeidet.

Menschliche Gesundheit: Hinsichtlich menschlicher Gesundheit stehen die magnetischen Felder von Erdkabeln und die elektrischen und magnetischen Felder von Freileitungen im Mittelpunkt der umweltorientierten Betrachtung. Nach der 26. BImSchV 1996 (§ 3 Anhang) liegt der Immissionsgrenzwert der magnetischen Flussdichte in Deutschland bei 100 ¿T (50 Hz) und gilt für alle Orte, an denen Menschen sich dauerhaft aufhalten können. Epidemiologische Untersuchungen weisen zwar darauf hin, dass Wirkungen unterhalb dieses Grenzwertes möglich sind, Ursache-Wirkungsbeziehungen gelten jedoch aktuell als nicht nachweisbar, so dass die Strahlenschutzkommission keine Verschärfung der 26. BIm-SchV empfiehlt. Vor dem Hintergrund bestehender Wissensunsicherheiten werden die Grenzwerte sowohl in einigen Bundesländern als auch vereinzelt im Ausland mit hohen orsorgemargen versehen. In der Schweiz gilt z.B. ebenfalls 100 ¿T als Grenzwert. Darüber hinaus wird jedoch in der Schweiz ein zweiter Grenzwert von 1 ¿T für die Dauerexposition an sensiblen Orten definiert. In Bremen (2004) empfiehlt der Senator für Arbeit, Frauen, Gesundheit, Jugend und Soziales sogar die Einhaltung von 0,3 ¿T bei Hochspannungsleitungen [Die weltweit sehr unterschiedlichen Grenzwerte, Vorschriften und Empfehlungen zum Schutz der Bevölkerung vor niederfrequenten und statischen elektrischen und magnetischen Feldern wurden als Vorarbeit zu dieser Studie vom ECOLOG-Institut, Hannover, zusammengestellt (vgl. Neitzke u. Osterhoff)]. Die von einem Nahbereich abgesehen vergleichsweise geringen Magnetfeld- und unbeachtlichen Elektrofeldimmissionen durch Erdkabel machen den Einsatz der Erdkabeltechnologie auf Höchstspannungsebene als Alternative zu Freileitungen unter Vorsorgegesichtspunkten besonders interessant. Im Rahmen einer umfassenden Vorsorge erkennt das EnLAG innerhalb eines Abstands von 400 m zu Wohngebäuden im Geltungsbereich eines B-Plans oder im unbeplanten Innenbereich gem. § 34 BauGB (falls vorwiegend Wohnnnutzung) sowie innerhalb eines Abstands von 200 m zu Wohngebäuden im Außenbereich gem § 35 BauGB eine besondere Betroffenheit durch Freileitungen. Das Landesraumordnungsprogramm Niedersachsen (2008) stellt sogar innerhalb dieser Abstände auf Neutrassen die Verlegung von Erdkabeln als Ziel fest, wobei dies mit Wohnumfeldgesichtspunkten und nicht mit Gesichtspunkten der menschlichen Gesundheit begründet wird.

Ein im Verteilnetz lokalisierter Verbund von Speichersystemen soll dem Übertragungsnetz Momentanreserve bereitstellen. Um die Speichersysteme, die zu diesem Zweck als Virtuelle Synchronmaschinen ausgeführt sind, erfolgreich betreiben zu können, werden folgende Fragen in dieser Arbeit beantwortet und analytisch diskutiert:Welche Variante der Virtuellen Synchronmaschine bietet sich für diese Aufgabe an? Wie muss die Anlage parametriert werden, und ist gewährleistet, dass die einzelnen Anlagen stabil am Netz arbeiten, ohne sich gegenseitig zu Schwingungen anzuregen.

Die bei der zivilen Nutzung der Kernenergie anfallenden bzw. bereits angefallenen radioaktiven Abfälle müssen so entsorgt werden, dass es weder heute noch in Zukunft zu einer Gefährdung für Umwelt und menschliche Gesundheit kommt. Verantwortlich dafür sind in erster Linie die Generationen, die von den Vorteilen der Kernenergie maßgeblich profitiert haben und profitieren.Während diese Aussagen sowohl bei den Befürwortern als auch bei den Gegnern der friedlichen Nutzung der Kernenergie unbestritten sein dürften, werden die Möglichkeiten ihrer Realisierung in Öffentlichkeit und Politik zum Teil sehr kontrovers beurteilt. Um zu einer verantwortungsvollen Entsorgungslösung zu gelangen, sollten alle aus heutiger Sicht geeignet und vernünftig erscheinenden Optionen in den Entscheidungsprozess einbezogen werden.Dabei kann es sich um eine rein nationale Entsorgung radioaktiver Abfälle handeln. Daneben kommt aber auch eine bilaterale oder multilaterale, auf internationalem Recht beruhende Zusammenarbeit in Betracht.In der vorliegenden Arbeit wird eine internationale Endlagerung radioaktiver Abfälle im Lichte des Völker- und Europarechts untersucht.Vor der Behandlung der rechtlichen Fragestellungen werden im ersten Teil zunächst allgemeine Grundlagen, bisherige Studien und politische Initiativen einer internationalen Endlagerung sowie Kooperationsbeispiele aus der Praxis der Entsorgung radioaktiver Abfälle dargestellt, die als Basis für weitergehende Überlegungen dienen.Bei der Verwirklichung internationaler Endlagerprojekte spielt die grenzüberschreitende Verbringung radioaktiver Abfälle naturgemäß eine entscheidende Rolle. Diese wirft eine Vielzahl völker- und europarechtlicher Fragen auf, die als ein Schwerpunkt im zweiten und dritten Teil der Arbeit behandelt werden.Letzter Schritt einer möglichen Internationalisierung der Endlagerung radioaktiver Abfälle ist die Organisation der Zusammenarbeit bei Errichtung und Betrieb der Lagerstätte. Hierzu werden im vierten Teil in Frage kommende Kooperationsszenarien vorgestellt. Den Abschluss der Untersuchung bilden organisationsrechtliche Überlegungen im Hinblick auf eine europäische Endlagerung radioaktiver Abfälle.

Hydraulic fracturing is essential technology for the development of unconventional resources such as tight gas. So far, there are no numerical tools 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 this dissertation, a workflow and a numerical tool chain were developed for design and optimization of multistage hydraulic fracturing in horizontal well regarding a maximum productivity of the tight gas wellbore. After the verification a full 3D reservoir model is generated based on a real tight gas field in the North German Basin. Through analysis of simulation results, a new calculation formula of FCD was proposed, which takes the proppant position and concentration into account and can predict the gas production rate more accurately. However, not only FCD 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. Through analysis the numerical results of sensitivity analysis and optimization variations, 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.

Im Verbundprojekt ¿e-home Energieprojekt 2020¿ (Laufzeit: 07/2011 bis 06/2016) wurden die veränderten Aufgaben und Anforderungen an die Stromnetze untersucht, die durch die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen und zusätzlicher Lasten in elektrischen Verteilnetzen entstehen.Dazu stattete die Avacon AG bei Bremen 32 Haushalte mit PV-Anlagen, Batteriespeichern, Elektroautos und Smart Metern aus. In diesem Bericht werden die Ergebnisse der wissenschaftlichen Begleitforschung durch das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (efzn) zusammengefasst. Die Forschungsarbeiten der sechs beteiligten Professuren betrafen die Themenbereiche regelbarer Ortsnetztransformator (Technologie und Einsatzpotenzial), Batteriespeicher (Auswirkungen auf die Netzaufgabe, Photovoltaik-Eigenverbrauch, Ökobilanz), Kunde (Nutzerverhalten, Akzeptanz und Zufriedenheit) und Recht.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie stellt eine der aussichtsreichsten Technologien für die Tagesspeicherung elektrischer Energie im industriellen Maßstab dar. Neben dem Scale-up auf den zweistelligen Megawattbereich stellt das Erreichen von Kostenzielen einen wesentlichen Meilenstein auf dem Weg zur Realisierung großtechnischer Systeme dar. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung industrieller Speichersysteme mit großflächigen Elektroden unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten untersucht. Basierend auf einer detaillierten Technologieanalyse mit dem Fokus auf geeigneten Materialien und Fertigungstechnologien für die Kernkomponenten Membranen, Elektroden und Bipolarplatten wird ein synthetisches Kostenmodell erstellt. Dieser Ansatz erlaubt transparente Aussagen über technische Limitierungen und realistische Kostenbereiche für Speichersysteme und deren Komponenten. Für geeignete Batterie-Set-ups im Megawattbereich werden Kostensenkungspotenziale identifiziert und bewertet.