Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Veränderungen des Raum-Zeit-Verhaltens im Zuge von Lebensumbrüchen und ihre Anforderungen an die Stadt- und Verkehrsplanung am Beispiel des Eintritts in den Ruhestand

Veränderungen des Raum-Zeit-Verhaltens im Zuge von Lebensumbrüchen und ihre Anforderungen an die Stadt- und Verkehrsplanung am Beispiel des Eintritts in den Ruhestand. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob und in welchem Maße sich das Raum-Zeit-Verhalten im Alltag mit dem Eintritt in den Ruhestand verändert. Bei der Untersuchung handelt es sich um eine mehrjährige Panel-Studie, die in den Regionen Hamburg und Kassel durchgeführt wurde. Mit insgesamt 50 Studienteilnehmern wurden vor und nach ihrem Ausscheiden aus dem Erwerbsleben umfassende Interviews geführt. Hierbei kam die an der Oxford University entwickelte „HATS“-Methode („Household Activity Travel Simulator“) zum Einsatz, die einen tiefen Einblick in die Alltagsstrukturen und das aus ihnen resultierende raum-zeitliche Verhalten ermöglicht. Ein Untersuchungsschwerpunkt lag auf der Verkehrsmittelwahl. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse wurden Handlungsempfehlungen für die Stadt- und Verkehrsplanung abgeleitet. Es zeigte sich, dass die Studienteilnehmer mit ihrem Eintritt in den Ruhestand grundsätzlich deutlich später im Tagesverlauf als Verkehrsteilnehmer in Erscheinung treten. Darüber hinaus zeichnete sich ein Bedeutungszuwachs des Stadtquartiers bzw. der nahräumlichen Mobilität ab; der Fuß- und Fahrradverkehr gewinnt für die Alltagsmobilität an Bedeutung. Versorgungs- und Dienstleistungsangebote im eigenen Wohnquartier – und somit nutzungsgemischte Stadtquartiere – erweisen sich demnach insbesondere für die Gruppe der Ruheständler als besonders relevant. Trotz der steigenden Bedeutung des Fuß-und Fahrradverkehrs zeigt die Studie, dass dem Pkw in der Alltagsmobilität eine (nach wie vor) dominante Rolle zukommt – eine Entwicklung, die sich aufgrund des Kohorteneffekts eher noch verstärken wird. Im Rahmen der Diskussion geeigneter Handlungsansätze für die Stadt- und Verkehrsplanung zur Stärkung des Umweltverbundes werden – neben Interventionen zur Attraktivitätsminderung des Pkw – insbesondere verschiedene Maßnahmen zu Angebotsverbesserungen im ÖPNV behandelt. Dabei wird u. a. auch die Verhaltensrelevanz von Kostenwahrnehmungen betrachtet. Zusätzlich wird deutlich, dass bei der Etablierung verkehrsplanerischer Maßnahmen auch die zu-nehmende Bedeutung von Wegen, die in Begleitung anderer Haushaltsmitglieder zurückgelegt werden (Stichwort: Haushaltsmobilität), berücksichtigt werden muss. Der Eintritt in den Ruhestand erweist sich grundsätzlich als eine Umbruchsituation im Lebensverlauf, die ein Aufbrechen von (Verkehrs-)Gewohnheiten im Alltag begünstigt und die Betroffenen besonders empfänglich für Informationen zu verschiedenen Verkehrsangeboten bzw. Verhaltens-alternativen werden lässt. Hinsichtlich möglicher Handlungsansätze wird in dieser Studie u. a. thematisiert, wie im Rahmen einer zielgruppenspezifischen Kommunikation im ÖPNV dieses Zeit-fenster genutzt werden kann, um Menschen an der Schwelle zum Eintritt in den Ruhestand als regelmäßige Nutzer von Bus und Bahn (neu) zu gewinnen bzw. zu halten.