Decarbonisation of industrial processes - New DLR institute in Cottbus and Zittau

recognized as one of the most difficult challenges for humankind. Despite agreed climate targets, global emissions of Greenhouse gases have actually increased over the last three decades. [1] Especially in the energy-intensive industrial sector, there is still great potential for CO2-reduction, which has not yet been exploited. The Institute of Low-Carbon Industrial Processes dedicates its research efforts to these savings. The present article sheds light on the most recent and upcoming research topics for reducing or eliminating fossil energy sources as well as process-related CO2-emissions caused by industrial production

Contributions to optimal control problems with an infinite time horizon - transformation properties

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Steuerungsprobleme sowohl mit endlichem, als auch mit unendlichem Zeithorizont. Auf beide Probleme werden Transformationen des Zustandes, der Steuerung und der Zeit angewendet. Dadurch wird für Aufgaben mit unendlichem Zeithorizont die Klasse der Dynamiken erweitert, für welche notwendige Bedingungen existieren. Bemerkenswert ist, dass diese stets eine explizite Transversalitätsbedingung enthalten. An einem Beispiel wird demonstriert, warum die Verwendung des Riemannschen Integralbegriffes und der Regel der partiellen Integration im Riemannschen Sinne ungeeignet erscheint, wenn man Steuerungsprobleme mit unendlichem Zeithorizont oder Singularitäten im Zielfunktional betrachtet. Stattdessen wird diese Regel für Lebesgue-Integrale formuliert. Hierbei ergeben sich in natürlicher Weise als Voraussetzung an die eingehenden Funktionen, dass sie gewichteten Sobolevräumen angehören. Das erklärt, warum die theoretische Grundlage der Arbeit ein Existenzsatz und notwendige Bedingungen in Form eines Pontrjaginschen Maximumprinzips für Steuerungsprobleme mit unendlichem Zeithorizont bilden: Beide Sätze wurden unter Verwendung von Hilbertraum-Techniken bewiesen und nutzen, dass die zugrunde gelegten Funktionenräume Hilberträume sind. Als Hilfsmittel werden neben der Substitutionsregel für Lebesgue-Integrale, dem Gronwall-Lemma und der Hölderschen Ungleichung lediglich Grundlagen der gewöhnlichen Differentialrechnung benötigt, um mittels des Beweises der Äquivalenz zweier Aufgabenklassen neue Resultate zu erzielen. So ist es gelungen, neue notwendige Bedingungen und einen neuen Existenzsatz für ein Steuerungsproblem mit fester Zeit zu formulieren. Die besondere Erkenntnis ist, dass es bei erfüllten Voraussetzungen keine Rolle spielt, ob das betrachtete Problem Singularitäten im Zielfunktional, in der Dynamik oder auch in den Zustandsfunktionen hat oder nicht. Als geeigneter Funktionenraum für Steuerungsprobleme mit Singularitäten ergibt sich wiederum ein gewichteter Sobolevraum, der stets aus den Daten einer Aufgabe passend bestimmt werden kann. Anhand dieses Raumes lässt sich explizit nachprüfen, welche analytischen Eigenschaften für die Lösung zu erwarten sind.The subject of the present work are control problems with both finite and infinite time horizon. Transformations of state, control and time are applied to both. This extends the class of dynamics in problems with an infinite time horizon, for which necessary conditions exist. It is noteworthy that these always contain an explicit transversality condition. An example is demonstrated why the use of Riemann's integral concept and the rule of partial integration in Riemann's sense seems inappropriate, if one considers control problems with infinite time horizon or singularities in the cost functional. Instead, this rule is formulated for Lebesgue integrals. In doing so, the incoming functions belong to weighted Sobolev spaces in a natural way. This explains why the theoretical basis of the thesis is an existence theorem and necessary conditions in the form of a Pontrjagin's maximum principle for control problems with infinite time horizon: Both theorems have been proven by using Hilbert space techniques. They use, that the underestimated function spaces are Hilbert spaces. In addition to the substitution rule for Lebesgue integrals, the Gronwall lemma and Hölder's inequality, the basics of ordinary differential calculus are used in order to obtain new results by means of the proof of the equivalence of two task classes. Thus, it has been possible to formulate new necessary conditions and a new existence theorem for a control problem with fixed time. The special finding is that under fulfilled conditions it does not matter whether the considered problem has singularities in the cost functional, in the dynamic or even in the state functions or not. As a suitable function space for control problems with singularities, a weighted Sobolev space results again, which can always be suitably determined from the data of a task. On the basis of this space, it is possible to explicitly verify which analytical properties are to be expected for the solution

The techno-economic integrability of high-temperature heat pumps for decarbonizing process heat in the food and beverages industry

High-temperature heat pumps (HTHPs) are an emerging technology to improve overall process efficiency and reduce energy demand while enabling a switch from fossil fuels to renewable electricity. New industrial HTHP technologies aim to achieve an output heat temperature of 250 °C, suitable for decarbonising the food and beverages industry considering its temperature requirements of <250 °C. Here, we employ a bottom-up approach to investigate the techno-economic feasibility of integrating new HTHP technologies into heat processes of the German food and beverages industry and estimate emissions reduction potentials under waste heat scenarios. Our results indicate that the new HTHP technologies could meet 12 TWh of process heat demand in the German food and beverages industry and cut emissions by 9% considering Germany's current electricity fuel mix. A modest carbon tax of 38 €/t CO2 eq. or higher makes the HTHPs cost-competitive with an optimised fossil fuel-based alternative