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.

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Case Management in der ambulanten gerontopsychiatrischen Versorgung

In der vorliegenden Arbeit wird ein am Strengths-Modell orientiertes Case Management-Projekt zur Prozess- und Ergebnisoptimierung der bereits bestehenden ambulanten gerontopsychiatrischen Versorgungsstruktur untersucht. Dazu arbeitete eine Krankenpflegerin mit psychiatrischer Fachausbildung in einer Berliner Sozialstation auf Basis einer professionellen Beziehung für 4-6 Wochen bei Klientinnen mit gerontopsychiatrischen Problemlagen, erstellte ein Assessment, leistete notwendige Unterstützung zunächst selbst, vermittelte gestützt auf die eigenen Erfahrungen weiterführende Dienste, leitete diese Dienste an, zog sich dann aus dem direkten Kontakt mit den Klientinnen zurück und blieb beratend für die weiterführenden Dienste verfügbar. Zur Untersuchung des Projekts wurden qualitative und quantitative Verfahren eingesetzt. Zur Beschreibung der Inhalte wurden die für jede Klientin verfasste Dokumentation und die Ergebnisse von grob strukturierten Interviews mit der Case Managerin, angelehnt an eine reduzierte Form der Methode Grounded Theory, in einem iterativen Prozess analysiert. In einem zweiten Schritt wurde dann untersucht, inwieweit die einzelnen Arbeitsinhalte des Case Managements die sozial-räumlichdingliche Umweltanpassung und Proaktivität der Klientinnen unterstützten. Die Wirkungen des Projektes auf Kognition, Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL), Instrumentelle Aktivitäten des täglichen Lebens (IADL), Stimmung sowie soziales und störendes Verhalten wurden mittels eines standardisierten Fragebogens mit einem quasi-experimentellen prospektiven Untersuchungsdesign analysiert. Zur Analyse der subjektiven Wirkung des Projektes auf Angehörige wurden in den Ergebnissen von grob strukturierten Interviews mittels eines iterativen Prozesses Themen identifiziert. Die Klientinnen (n=11) erhielten durchschnittlich 23 Stunden Case Management. Neben den typischen Case Management-Aufgaben führte die Case Managerin, basierend auf den Gewohnheiten, Interessen und Selbsteinschätzungen der Klientinnen, therapeutische und pflegerische Maßnahmen durch und unterstützte dabei die sozial-dinglichräumliche Umweltanpassung und Proaktivität der Klientinnen. Zusätzlich wurden Hauspflegerinnen von der Case Managerin individuell in der Wohnung von Klientinnen hinsichtlich der Kommunikation mit und Unterstützung der Proaktivität von Klientinnen angeleitet. Die Hauspflegerinnen führten die von der Case Managerin eingeleiteten Maßnahmen erfolgreich fort. Bei den Klientinnen zeigten sich signifikante Verbesserungen in Gedächtnis, Stimmung, IADL-Funktionen und Sozialverhalten, aber nicht in ADL-Funktionen und störendem Verhalten. Diese Verbesserungen wurden subjektiv von den Angehörigen (n=7) bestätigt. Zusätzlich empfanden Angehörige eine zeitliche aber keine psychische Entlastung. Mit diesem Projekt wurde gezeigt, dass ein zeitlich begrenztes klientenzentriertes Case Management kognitive, soziale und emotionale Funktionen von gerontopsychiatrisch Erkrankten verbessert, Angehörige zeitlich entlastet und dass Hauspflegerinnen bei entsprechender Anleitung die vom Case Management eingeleiteten Maßnahmen fortführen können. In Folgestudien mit größerem Umfang sollten diese Ergebnisse überprüft werden um dann zu entscheiden, ob dieser Ansatz geeignet ist, die ambulante gerontopsychiatrische Versorgung gemeindenah zu verbessern.