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Nowadays, much attention is payed to the development of renewable energy resources. Wind energy plays a major role in this issue. That is why there is a growing interest for improving the design process of wind turbines at many aspects. This study deals with offshore wind turbines (OWT) from the reliability aspect. Estimating the uncertainties, a deeper understanding of behavior of the structure is obtained. As waves are the dominant load on OWT support structures, this paper addresses how specific wave characteristics affect the structure. Two structural types of support structures are studied, with the aim to evaluate pros and cons of both.

The project partners Duisport AG, the DLR Institute of Vehicle Concepts and the Center for Fuel Cell Technology (ZBT) have investigated the feasibility of locomotives with hydrogen fuel cell hybrid powertrains (FCH) for typical use by Duisport Rail (dpr) in the Duisburg port area and on the public rail network.

Die wesentlichen Faktoren, die den Betriebsbereich und damit eine weitere Wirkungsgradsteigerung von Großgasmotoren einschränken, sind die klopfende Verbrennung und die Stickoxidbildung. Diese Arbeit behandelt deshalb die Modellierung dieser Prozesse mittels Reaktionskinetik im Rahmen eines prädiktiven Ladungswechselmodells. Mithilfe dieses Modells wurde das Betriebsverhalten eines Großgasmotors untersucht und im Hinblick auf höchste Wirkungsgrade optimiert. Um ein prädiktives 1D-Verbrennungsmodell für den Versuchsmotor abzuleiten, beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit der detaillierten Untersuchung des Brennverfahrens. Dafür wurde einerseits eine 3D-LES-Berechnung mit 29 gefeuerten Zyklen durchgeführt. Aufgrund der hohen Modellierungstiefe konnte die Flammenausbreitung in der Vorkammer und im Zylinder sowie dessen zyklischen Schwankungen analysiert werden. Um die Sensitivität des Brennverfahrens gegenüber Betriebspunktvariationen zu bewerten, wurden andererseits Indizierdaten vom Motorprüfstand ausgewertet. Durch die Adaption eines bestehenden Verbrennungsmodells konnte der Brennverlauf von Gasmotoren mit Vorkammerzündkerze mit hoher Genauigkeit abgebildet werden. Des Weiteren zeigten die experimentellen Daten, dass eine klopfende Verbrennung vor allem bei Zyklen mit kurzer Zündverzugszeit eintritt. Um den Einsatz der Reaktionskinetik im Ladungswechselmodell zu ermöglichen, wurde ein Zyklusschwankungsmodell entwickelt und in das prädiktive Verbrennungsmodell implementiert. Die Selbstzündung des Endgases sowie die Stickoxidbildung wurden mit einem stochastischen Reaktormodell untersucht und dabei passende Reaktionsmechanismen validiert und reduziert. Diese wurden ebenfalls in das prädiktive Motormodell implementiert. Durch die Abbildung der geschwindigkeitsbestimmenden Elementarreaktionen konnte eine hohe Modellierungstiefe für die kinetisch kontrollierten Prozesse erreicht werden. Um den breiten Anwendungsbereich zu verdeutlichen, wurde das prädiktive Motormodell für unterschiedliche Kraftstoffmischungen und Betriebsparameter validiert. Im letzten Teil der Arbeit wird das prädiktive Motormodell eingesetzt, um optimale Betriebspunkte in Abhängigkeit eines gegebenen Brenngases darzustellen. Dabei wurde eine systematische Variation der Miller-Steuerzeit und des Ladedrucks betrachtet. Es zeigte sich, dass hohe Ladedrücke und aggressive Miller-Strategien vorteilhaft für hohe Wirkungsgrade sind. Um den Wirkungsgrad für unterschiedliche Kraftstoffmischungen zu steigern, wurde das Motormodell mit einem Optimierungsalgorithmus gekoppelt. Betriebsgrößen wie die Miller-Steuerzeit, Ladedruck, Äquivalenzverhältnis, Zündzeitpunkt und das Verdichtungsverhältnis wurden variiert, um für unterschiedliche gesetzliche NOx-Grenzwerte den optimalen klopffreien Betriebspunkt zu ermitteln. Die Optimierungen wurden für unterschiedliche Kraftstoffmischungen mit einer Methanzahl zwischen 100 und 43 durchgeführt. Des Weiteren wurde die Auswirkung von hohen Inert-Anteilen im Kraftstoff ermittelt. Zukünftig soll der vorgestellte Ansatz den Entwicklungsprozess von neuen und noch effizienteren Großgasmotoren unterstützen und so einen Beitrag zu einer effizienteren Energieerzeugung leisten. The main limiting factors for the thermal efficiency of large gas engines are the knocking combustion and the nitric oxide emissions. The aim of the presented work is, therefore, to model these effects with reaction kinetic in the framework of a predictive 1D model. Consequently, the model was used to investigate the operating behaviour of the gas engine and to optimise the engines fuel consumption for different given fuel mixtures. To obtain a predictive 1D combustion model, the first part of this thesis deals with a comprehensive investigation of the combustion process. The combustion of 29 consecutive cycles was simulated with a 3D LES approach and due to the high model depth, the flame propagation in the prechamber and cylinder including their cyclic variations could be observed. Afterwards, experimental test bench data were analysed in order to quantify the effect of varied operating parameter on the combustion process. Based on these investigations, a combustion model for gas engine application was adapted and modified. Therefore, the predictive 1D model was able to predict the heat release of the combustion for large gas engine with prechamber spark plug in good agreement with the test bench data. Further, the cycle resolved measurements showed a strong correlation between the knocking combustion and the cyclic variations, which mainly comes form the flame kernel development. To enable the usage of reaction kinetic in the process simulation, a cyclic variation model was developed and implemented into the 1D combustion model. The self-ignition of the unburned zone and the nitric oxide emissions were investigated with a stochastic reactor model and suitable reaction mechanisms were validated. Subsequently, the mechanisms were implemented into the predictive 1D engine model. The modelling of the rate-determining elementary reaction enabled a high model depth for the kinetic controlled processes. To show the wide scope, the 1D engine model was validated for different fuel mixtures and operating parameters. The last part of this thesis concentrates on the analysis of the engines operating behaviour. Therefore, a systematic variation of the miller timing and load revealed, that early miller strategies and high loads are suitable for good thermal efficiencies. The process simulation software was further coupled with an optimisation algorithm in order to optimise the fuel consumption for different fuel mixtures. Operating parameters like the miller timing, boost pressure, equivalence ratio, spark timing and compression ratio were varied to explore the optimal none knocking operating point for different nitric oxide emission limits. The minimal fuel consumption for different fuel mixtures with a methane number between 100 and 43 was determined and the effect of high inert admixtures to the fuel will be shown. In future, the presented numerical approach can support the development process of new large gas engines with even higher thermal efficiencies and therefore contribute to a sustainable energy production.

The design of support structures of offshore wind turbines contains high number of design variables that influence load characteristics and structural responses. These variables are stochastic and cause many uncertainties. Some of them are examined in this study. It is investigated how scattering of site conditions and load parameters affect the structural response. It is exemplified in terms of stresses that contribute to the accumulated fatigue damage within a monopile substructure. Random sampling of combinations of site conditions and load parameters is performed in order to classify the effects of parameter scattering on the stress variability by means of Sobol’ indices. Analysis shows that the highest influence on stress outputs have the variations in the load parameters. The reason is the sensitivity of the structural dynamical response to the wave height increase and decrease of distance between the wave peak frequency and the structural eigenfrequencies. © 2017 ISOPE

Dies ist das dritte Webinar in der „CLARITY für die Klimaresilienz“ (Clarity4CR) Webinarreihe und das erste in deutscher Sprache. Es präsentiert die CLARITY-Methodik zur Klimawandel-Risikobewertung, Impakt-Analyse, und Anpassungsplanung, stellt den "Advanced Urban Screening" Service vor und erläutert die Ergebnisse der CLARITY-Expertenstudie in Linz. This webinar is part of the CLARITY4ClimateResilience series. Other webinars from this series are available at https://www.gotostage.com/channel/climate-adaptation

The concept of structural redundancy is implemented in the fatigue analysis of an offshore wind turbine jacket structure. The analyzed jacket is a real life example. Time domain analyses are performed for the most representative design load case. The uni-directional and multidirectional simulations of the offshore wind turbine system are carried out using a coupling of the aero-elastic code and the finite element code. Fatigue analyses are performed using hot spot stress approach and Miner's rule. Comparative studies show that considering structural redundancy leads to expanded fatigue life of the offshore wind turbine jacket structures. © 2017 ISOPE