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Steroid hormones (SHs) are a rising concern due to their high bioactivity, ubiquitous nature, and prolonged existence as a micropollutants in water, they pose a potential risk to both human health and the environment, even at low concentrations. Estrogens, progesterone, and testosterone are the three important types of steroids essential for human development and maintaining multiorgan balance, are focus to this concern. These steroid hormones originate
from various sources, including human and livestock excretions, veterinary medications, agricultural runoff, and pharmaceuticals, contributing to their presence in the environment. According to the recommendation of WHO, the guidance value for estradiol (E2) is 1 ng/L. There are several methods been attempted to remove the SH micropollutant by conventional water and wastewater technologies which are still under research. Among the various methods, electrochemical membrane reactor (EMR) is one of the emerging technologies that can address the challenge of insufficient SHs removal from the aquatic environment by conventional treatment. The degradation of SHs can be significantly influenced by various factors when treated with EMR.
In this project, the removal of SH and the important mechanism for the removal using carbon nanotube CNT-EMR is studied and the efficiency of CNT-EMR in treating the SH micropollutant is identified. By varying different parameters this experiment is carried out with the (PES-CNTs) ultrafiltration membrane. The study is carried out depending upon the SH removal based on the limiting factor such as cell voltage, flux, temperature, concentration, and type of the SH.
The growing threat posed by multidrug-resistant (MDR) pathogens, such as Klebsiella pneumoniae (Kp), represents a significant challenge in modern medicine. Traditional antibiotic therapies are often ineffective against these pathogens, leading to high mortality rates. MDR Kp infections pose a novel challenge in military medical contexts, particularly in Medical Biodefense, as they can be deliberately spread, leading to resource-intensive care in military centres. Recognizing this issue, the European Defence Agency initiated a prioritised research project in 2023 (EDF Resilience PHAGE- SGA 2023). To address this challenge, the Bundeswehr Institute of Microbiology (IMB) leads BMBF- (Federal Ministry of Education and Research) and EU-funded projects on the use of bacteriophages as adjuvant therapy alongside antibiotics. Since 2017, the IMB has isolated and characterised Kp phages, collecting over 600 isolates and optimizing their production for therapy, in compliance with the EMA (European Medicine Agency) guidelines. This involves in vitro phage genome packaging to minimize endotoxin load, reduce manufacturing costs, and shorten production times. The goal of this work was to establish MinION sequencing (Oxford Nanopore Technology) as a quick and reliable way for initial identification and characterisation of phage genomes. Especially as a quick screening method for isolated on Kp, prior to more precise but also more expensive and time consuming sequencing methods like Illumina. This characterisation is crucial for developing a personalized pipeline aimed at producing magistral or Good Manufacturing Practice (GMP) quality medicinal phage solutions tailored individually for each patient. DNA extraction methods were compared to identify suitable input DNA for sequencing purposes. Additionally, the quality of this DNA was as- sessed to determine its suitability for in vitro phage packaging, which was successfully done achieving a phage titer of 103, confirming that the DNA used for MinION sequencing could indeed be used for acellular packaging. The created genomes were annotated and compared with Illumina sequencing, revealing high similarity in all five individually tested cases. Between the generated sequences only a 4% maximal percentual difference in genome size was observed, while simultaneously showing high similarity in the actual sequence. Throughout the course of this study, a total of 645.15 GB of sequencing data were generated. In total, 38 phages were successfully characterised, with 21 phage genomes assembled and annotated, and saved in the IMB database.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
As the population grows, so does the amount of biowaste. As demand for energy grows, biogas is a promising solution to the problem. Lignocellulosic materials are challenged of slow degradability due to the presence of polymers such as cellulose, lignin and hemicellulose. There are several pretreatment methods available to enhance the degradability of such materials, including enzymatic pretreatment. In this pretreatment, there are few parameters that can influence the results, the most important being the enzyme to solid ratio and the solid to liquid ratio. During this project, experiments were conducted to determine the optimal conditions for those two factors. It was discovered that a solid to liquid ratio of 31 g of buffer per 1 gram of organic dry matter produced the highest reducing sugar release in flasks when combined with 34 mg of protein per 1 gram of organic dry mass. Additionally, another experiment was carried out to investigate the impact of enzymatic pretreatment on biogas production using artificial biowaste as a substrate. Artificial biowaste produced 577,9 NL/kg oDM, while enzymatically pretreated biowaste produced 639,3 NL/kg oDM. This resulted in a 10,6% rise in cumulative biogas production compared to its use without enzymatic pretreatment. By the conclusion of the investigation, specific cumulative dry methane yields of 364,7 NL/kg oDM and 426,3 NL/kg oDM were obtained from artificial biowaste without and with enzymatic pretreatment, respectively. This resulted in a methane production boost of 16,9%. Additionally in case of the reactors with enzymatically pretreated substrate kinetic constant was lower more than double, where maximum volume of biogas increased, comparing to the reactors without enzymatic pretreatment.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem neuartigen Sensorkonzept zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit, eine Miniaturisierung des Prototyps zu untersuchen. Hierfür wurde eine analytische und experimentelle Untersuchung durchgeführt. Für die analytische Betrachtung erfolgte eine Fehlerfortpflanzung nach Gauß, welche die Fertigungstoleranzen, Dimensionsfehler des Accelerometers, Rauschen und Messabweichungen von Accelerometer und Gyroskop berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der hochwertigen Inertial Measurment Units (IMUs) eine theoretische Verkleinerung bis auf 21mm eine höhere Genauigkeit bietet als die numerischen Differentiationen der Winkelgeschwindigkeit.
Für die Verifizierung unter realen Bedingungen wurden verschiedene Prüfkonzepte verglichen.
Dabei erwies sich ein Pendelprüfstand als vielversprechender Ansatz. Durch die Verwendung von Kugellagern kann ein breites Spektrum an Winkelbeschleunigungen abgebildet werden. Die kontinuierliche Erfassung reflektierender Marker auf der Pendelstange ermöglicht die Ermittlung der Winkel, die als Grundlage für ein Modell dienen, wodurch sich reale Winkelbeschleunigungen mit den Messdaten des Sensors vergleichen lassen. Dabei stellt die Modellierung der Verlustterme eine zukünftige Herausforderung dar.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Miniaturisierung des Sensorprototyps möglich ist und das der Pendelprüfstand eine Methode zur Verifizierung darstellt. Dies trägt dazu bei, die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts in der Praxis zu erweitern.
Das hocheffiziente Konzeptfahrzeug Schluckspecht VI (S6) hat im Sommer 2022 am Shell Eco Marathon als bestes Neufahrzeug abgeschlossen. Dennoch war die Reichweite von 560km/kWh nicht ausreichend, um sich gegen die anderen teilnehmenden Teams zu behaupten. Daher werden am Fahrzeug die Komponenten und Systeme ermittelt, welche das meiste Optimierungspotential bergen. Hierbei stechen besonders die Aerodynamik, die Motoransteuerung und die Rollreibung hervor. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Optimierung. Zunächst gilt es herauszufinden, welche Bauteile explizit für die Aerodynamik ausschlaggebend sind. Die drei Komponenten, die maßgeblichen Einfluss haben sind: der Grundkörper, die Radkästen und die Fahrwerksflügel. Einen weiteren Einflussfaktor bergen die sich drehenden Räder, da diese jedoch weitestgehend umhaust sind, ist in dieser Hinsicht keine weitere Optimierung erforderlich. Zu Ermittlung der derzeitigen aerodynamischen Werte, vor allem cW, cWA und Geschwindigkeits- und Druckverteilung um das Fahrzeug, wird ein digitales Modell des S6 aufgebaut. An diesem Modell werden Simulationen durchgeführt, die idealisierte Kennwerte liefern. Parallel zur Simulation liefern Versuche am Fahrzeug reale Messdaten. Speziell dafür wird eine neue Versuchsmethode entwickelt: die Konstantfahrtuntersuchung. Bei dieser Untersuchung wird die Vortriebskraft des Fahrzeugs anhand des Motorstroms ermittelt, um so auf die Fahrtwiderstandswerte zu schließen. Zur Erhebung der Messdaten am Fahrzeug wird zudem ein für die Untersuchung angepasster Sensor entwickelt. Diese Untersuchungen liefern plausible Ergebnisse, die jedoch mit denen der Simulation schwer vergleichbar sind. Dies ist bedingt durch die erschwerten Randbedingungen bei der Durchführung der Versuche und beim Aufzeichnen der Messdaten auf der Teststrecke.
Estimation and projecting total steel industry production costs from 2019 to 2030 for Germany
(2023)
This thesis analyses the total production cost of the German steel industry from 2019 to 2022, as well as a projection of the German steel industry's total production cost until 2030. The research separates the costs of steel production into their primary components, such as raw materials, energy, CO2 cost, capital expenses and operating expenses. The cost of steel production is determined separately for primary steelmaking with the blast furnace and basic oxygen furnace (BF-BOF) and secondary steelmaking with the electric arc furnace (EAF).
The analysis indicates that, following the COVID-19 disaster and the fuel crisis, the overall cost of producing steel in Germany has progressively risen over the previous few years, reaching its peak in the first half of 2022. In addition, there are considerable disparities between the production costs of primary and secondary steelmaking processes, with primary steelmaking generally being more expensive.
In this analysis, the total cost of production for the German steel industry in the year 2030 has been estimated by taking into account historical trends as well as other predictions that are currently available.
This thesis provides overall insights on the economics of the German steel sector. By giving thorough information on production costs and changes over time, this research can assist guide crucial future investment decisions in this essential industry. To ensure long-term success, our findings emphasize the significance of investing in more sustainable and ecologically friendly steel production processes.
The effects of climate change, including severe storms, heat waves, and melting glaciers, are highlighted as an urgent concern, emphasising the need to decrease carbon emissions to restrict global warming to 1.5°C. To accomplish this goal, it is vital to substitute fossil fuel-based power plants with renewable energy sources like solar, wind, hydro, and biofuels. Despite some progress being made, the proportion of renewables used in generating electricity is still lower than the levels needed for 2030 and 2050. Decarbonising the power grid is also critical in lowering the energy consumption of buildings, which is responsible for a substantial percentage of worldwide electricity usage. Even though there has been substantial expansion in the worldwide renewable energy market in the past 15 years, the transition to renewable energy sources also requires taking into account the importance of energy trading.
Peer-to-peer (P2P) electricity trading is an emerging type of energy exchange that can revolutionise the energy sector by providing a more decentralised and efficient way of trading energy. This research deals about P2P electricity trading in a carbon-neutral scenario. 'Python for Power System Analysis' (PyPSA) was used to develop models through which the P2P effect was tested. Data for the entire state of Baden-Württemberg (BW) was collected. Three scenarios were taken into consideration while developing models: 2019 (base), 2030 (coal phase-out), and 2040(climate neutral). Alongside this, another model with no P2P trading was developed to make a comparison. In addition, the use case of community storage in a P2P trading network is also presented.
The research concludes that P2P has a significant positive effect on a pathway to achieve climate neutrality. The findings show that the share of renewables in electricity generation is increasing compared to conventional sources in BW, which can be traded to meet the demand. From the storage analysis, it can be concluded that community storage can be effectively utilised in P2P trading. While the emissions are reduced, the operating costs are also reduced when the grid has P2P trading available. By highlighting the benefits of P2P trading, this research contributed to the growing body of research on the effectiveness of P2P trading in an electricity network grid.
In recent years, the demand for reliable power, driven by sensitive electronic equipment, has surged. Even minor deviations from the nominal supply can lead to malfunctions or failure. Despite technological advancements, power quality issues persist due to various factors like short circuits, overloads, voltage fluctuations, unbalanced loads, and non-linear loads.
This thesis extensively explores power quality anomalies in industrial and commercial sectors, using power system data as the primary analytical resource. It addresses the critical need for power supply reliability in today's evolving power grid industry, affected by non-linear loads, renewable energy integration, and electric vehicles. This field of study is paramount for ensuring power supply reliability and stability in the evolving power grid industry.
The core of this thesis involves a comprehensive investigation of power quality, with a focus on frequency, power, and harmonics in voltage and current signals. The research employs Python programming for advanced data analysis, utilizing techniques such as advanced Fast Fourier Transformation (FFT) analysis. The primary objective is to provide valuable insights aimed at elevating power supply quality and enhancing reliability in both industrial and commercial environments.
The cellulase-producing Trichoderma reesei strain RL-P37 exhibits significant potential, yielding 7.3 g/L of cellulase in 241 hours. Microscopic investigations reveal a link between spore formation and enzyme production, suggesting the need for research into the intricate relationship between enzyme production, stress responses, and the nutritional prerequisites of fungi. Comparatively, the use of sodium hydroxide (NaOH) treatment, as opposed to water treatment, results in the reduction of micronutrient content and carbon source extraction as filtrate. Despite these challenges, research by He et al. (2021) highlights NaOH's efficiency in cellulose extraction from plant-based sources. Using NaOH pretreatment can be proven as effective by designing a proper cultivation method. The selection of inducers for enzyme induction gains importance, with soluble inducers, as emphasized by Zhang et al. (2022), exhibiting superior effectiveness. Hence, adopting soluble inducers in designing cultivation methods for improved enzyme production in shaking flasks is recommended. Enzymatic treatment of bio-waste, as outlined by Hu et al. (2021), shows promise in augmenting essential component content by breaking down plant cell walls and intercellular compartments. However, the feasibility of using an artificial bio-waste medium for cultivating Trichoderma reesei is questioned. Investigating the impact of micronutrient levels, particularly the inhibitory role of zinc, on fungal growth becomes essential. These findings underscore the necessity for ongoing research and optimization in cellulase production, emphasizing both strain productivity and cultivation methodologies.
Self-sufficient enzymes belong to the cytochrome P450 (CYP) group and are known for their superior hydroxylation catalytic activity. In the pursuit of identifying new pesticides to combat antimicrobial-resistant pathogens, we employed BM3 wild type (BM3-WT), the fastest monohydroxylating CYP, along with its seven homologs, to investigate the production of potential hydroxylated derivatives from the established pesticide, 4-oxocrotonic acid using high-pressure liquid chromatography (HPLC) method. Following the recombinant production of BM3-WT and three other homologs in E. coli, and their subsequent purification using Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC), a novel enzyme assay approach was developed as a substitute for the carbon monoxide (CO) assay. This new method relied on the measurement of NADPH consumption at 340 nm by BM3-WT for palmitic acid. Leveraging this established technique, we explored the substrate specificity of BM3-WT and its homologs not only on palmitic acid but also on other structurally similar compounds, including 4-oxocrotonic acid. The results obtained from the established NADPH assay indicate that all tested enzymes displayed greater catalytic activity on 4-oxocrotonic acid in comparison to other substrates with similar structures. However, the impact of BM3-WT and its homologs on 4-oxocrotonic acid varied in terms of product specificity. Enzymes such as Poh, Trr and Bas-CYP D exhibited specificity in producing solely monohydroxylated products, while others tended to yield dehydroxylated and ketol metabolites.
Der Eignungsnachweis von Prüfprozessen ist sowohl für die Industrie, als auch für Forschungszwecke ausschlaggebend. Dabei sind die Genauigkeit, Präzision sowie die Messbeständigkeit der Messergebnisse von der zu untersuchenden Messeinrichtung mit statistischen Methoden auszuwerten. Mit Leitfäden wird unter einer sog. Messsystemanalyse die Fähigkeit einer Messeinrichtung mit den dazugehörigen statistischen Kennwerten beurteilt. Die Messsystemanalyse unterteilt sich in zwei Typen, wobei die Konsistenz bzw. Messdatenstreuung mit den entsprechenden Kennwerten beurteilt werden können. Unter MSA Typ 1 wird anhand Mittelwerte und Standardabweichungen von Wiederholmessungen die Konsistenz und Genauigkeit mit den Cg- bzw. Cgk-Indizes bewertet, die höher als 1,33 sein müssen, um die Messeinrichtung als fähig zu klassifizieren. Durch MSA Typ 2 wird die Präzision mit dem % R&R-Kennwert (Wiederholbarkeit & Reproduzierbarkeit) bewertet. Messeinrichtungen mit einem % R&R-Kennwert unterhalb 20 % liefern Messdaten mit einer ausreichenden Präzision, d.h. dass die Mittelwerte der Messdaten nicht signifikant voneinander unterscheiden. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchte akustische Messeinrichtung weist einen Cg-Index von 1, 58, einen Cgk-Index von 2, 13 und einen % R&R-Wert von 6, 56 % auf, weshalb die Messdaten mit einer hohen Konsistenz und Präzision erfasst werden.
The purpose of this master's thesis was to set up a test bed for the absorption of chemical compounds by carbon-based sorbents and polymers and to develop a method for the detection of these substances applied by liquid chromatography.
The study made it possible to demonstrate the effectiveness of both polymers and biochars sorbents for the adosorption of specific substances. The results obtained open new paths on the study of biochar for the treatment of contaminated water. Some biochars made from plant-based materials have been shown to be almost as effective as commercial products used in plants. The developed chromatography method allows efficient separation of substances and their detection.
Aluminiumgussbauteile spielen heutzutage in vielen Branchen, wie der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aus. Bei der Herstellung von Aluminiumgussbauteilen, kommt es prozessbedingt immer zu Defekten im Werkstoff. Mit Computer Tomographie Aufnahmen können diese Defekte zerstörungsfrei detektiert werden. Anschließend sollen die Defekte in Finite-Elemente-Methode Berechnungen berücksichtigt werden. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Schadensvorhersage dieser Bauteile.
In dieser Masterarbeit wurde zwei Programme entwickelt, welche das Mapping von Defekten aus CT-Aufnahmen eines Aluminiumgussbauteils auf ein LS-Dyna Netz ermöglichen. Dadurch können die Defekte und damit die Porosität eines Gussbauteils in der Festigkeitsberechnung berücksichtigt und die Schadensvorhersage verbessert werden. Die Programmierung erfolgte in Python.
Das weiterentwickelte Mapping-Programm benötigt zwei Input Dateien. Zum einen wird die Defektdatei aus den CT-Aufnahmen benötigt und zum anderen ein LS-Dyna Netz. Die komplexen Defektgeometrien werden in dem Mapping-Programm vereinfacht als umschließende Kugeln um den Defekt beschrieben. Diese Vereinfachung ist aufgrund der benötigten Rechenleistung notwendig. Anschließend prüft das Mapping-Programm alle Kollisionen zwischen Elementen des FE-Netzes und den Defekten und ermittelt für jedes Element ein Schnittvolumen. Aus dem Schnittvolumen und dem Elementvolumen wird die Porosität berechnet. Die Rechenzeit für ein Bauteil mit 107379 Elementen beträgt 480 Minuten.
Ein zweites, neu entwickeltes Programm ermöglicht das Mapping der wahren Porengeometrie auf FE-Netze. Durch die optimierte Porenbeschreibung wird eine höhere Genauigkeit beim Mapping der Defekte erreicht. Die Rechenzeit beträgt bei einem Bauteil mit 107379 Elementen lediglich 15 Minuten.
Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Mapping-Programm zu optimieren, damit es neben Hexaedern weitere Elementtypen verarbeiten kann. Darüber hinaus sollte die Porenbeschreibung verbessert werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Dafür wurde ein zweites Programm mit einer verbesserter Porenbeschreibung entwickelt, dass zudem deutlich geringere Rechenzeiten benötigt.
Die akustischen Emissionen von Wasserinstallationsgeräten, insbesondere während der nächtlichen Ruhezeit in angrenzenden Räumen, können erhebliche Störungen verursachen. Die primäre Ursache dieser Belästigungen liegt in der spezifischen Funktionsweise von Wasserarmaturen, welche somit als Hauptquelle der Lärmemissionen identifiziert werden können. Hydrodynamische und -akustische Simulationen erweisen sich in diesem Zusammenhang als wertvolle Werkzeuge zur Identifikation von kritischen Bereichen, welche für die Schallabstrahlung verantwortlich sind.
In dieser vorliegenden Arbeit werden die hydrodynamischen und -akustischen Eigenschaften eines Installationsgeräuschnormals mithilfe numerischer Methoden untersucht, wobei gleichzeitig ein kommerzielles Berechnungswerkzeug zur Vorhersage von akustischen Schallfeldern in Bezug auf ein hybrides Verfahren evaluiert und validiert wird. Das Installationsgeräuschnormal dient dabei als Testfall, um die Leistungsfähigkeit des hybriden Akustikmodells in Verbindung mit einem RANS- sowie RANS/LES-Ansatz zu überprüfen. Es werden verschiedene Varianten des Installationsgeräuschnormals untersucht und mit experimentellen Messdaten validiert.
Die hydrodynamischen Simulationsergebnisse der verschiedenen Varianten zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bei der Verwendung eines RANS/LES-Ansatzes. Der Einsatz eines solchen Hybrid-Modells zur Turbulenzmodellierung hat gezeigt, dass eine verbesserte Wiedergabe von zeitabhängigen Phänomenen in der Strömung erreicht werden kann, welche in direktem Zusammenhang mit der Vorhersage der Schallausbreitung stehen und somit eine bedeutende Auswirkung darauf haben.
Die akustische Untersuchung der verschiedenen Varianten des Installationsgeräuschnormals zeigt, dass die Schallabstrahlung ausschließlich in breitbandigen Frequenzspektren erfolgt. Im Rahmen des Vergleichs mit den Messdaten lässt sich erkennen, dass eine akustische Analyse auf Basis eines hybriden Modells in Verbindung mit dem Akustikmodell vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Vorhersage des Schallfelds liefern kann und dabei im Vergleich zu einfachen RANS-Modellen Vorteile aufweist.
Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings am Beispiel eines realen Tiny-Houses. Dazu werden für die Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung Wärmepumpe, thermische Speicher, thermoaktives Bauteilsystem, PVT-Kollektoren und Batterie als Grey-Box-Modelle modelliert und in der Python-Umgebung umgesetzt. In dieser Arbeit wird auf die physikalischen Hintergründe und mathematischen Formulierungen für jede Komponente eingegangen.
In einem automatisierten Programm werden die digitalen Komponenten mit Messwerten aus dem realen Anlagenbetrieb verknüpft. Dieses Skript wird zu Fehlererkennung verwendet. Dabei konnte ein fehlerhafter Betrieb der PVT-Kollektoren bewiesen werden.
Die Verknüpfung der einzelnen Komponenten zum digitalen Zwilling wird zur Betriebsoptimierung verwendet. Hierzu wird die Simulation des Ausgangszustands mit verschiedenen Optimierungsstrategien verglichen. Dabei konnte der Anlagenbetrieb hinsichtlich Komfortbedingungen und Energieeffizienz deutlich optimiert werden. Die finale Optimierungsstrategie basiert auf einereinfachen Wettervorhersage.
Mit der Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings trägt diese Arbeit dazu bei, innovative Lösungen für die zukünftige Entwicklung und Gestaltung von Gebäuden sowie die Optimierung bereits bestehender Gebäude mithilfe digitaler Zwillinge voranzutreiben.
Das Konzept der Thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) zur Heizung und Kühlung von Gebäuden gewinnt aufgrund seiner Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen an Popularität. Die Steuerung von TABS und somit auch die Gewährleistung eines behaglichen Raumklimas erweist sich allerdings aufgrund der hohen Systemträgheit als komplex. Kurzfristige Witterungsänderungen sorgen für unerwünschte Raumtemperaturänderungen, die nur langsam korrigiert werden können. Bei Nichtwohngebäuden wie dem Regionalen Innovationszentrum für Energie (RIZ Energie) in Offenburg wird dieser Umstand durch die unregelmäßige Gebäudenutzung zusätzlich erschwert, da innere Wärmelasten stark variieren und nicht vorhersehbar sind.
Konventionelle TABS-Steuerungen können Störgrößen im TABS-Betrieb nur bedingt und zeitverzögert berücksichtigen, weswegen eine dauerhafte Gewährleistung des thermischen Komforts im Gebäude oft nicht erreichbar ist – dies ist auch am RIZ Energie der Fall. Als Lösung dient der Einsatz prädiktiver Steuerungsalgorithmen, die Störgrößen prognostizieren und den TABS-Betrieb dementsprechend anpassen können.
Diese Arbeit überprüft das Potenzial von intelligenten TABS-Steuerungsalgorithmen für den Einsatz am RIZ Energie anhand der Umsetzung mit einem digitalen Zwilling des Gebäudes. Dabei konnte unter Verwendung der Algorithmen und Berücksichtigung von inneren und äußeren Störgrößen im TABS-Betrieb ein verbessertes Raumklima simuliert werden. Infolgedessen konnte zudem der digitale Zwilling optimiert werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Die hohen Produktionskosten verhindern derzeit weitere industrielle Anwendungen des Rührreibschweißens (engl. friction stir welding, FSW), selbst wenn eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschweißen erreicht werden kann. Eine höhere Schweißgeschwindigkeit kann zwar die Kosten senken, wirkt sich aber negativ auf die Ermüdungsfestigkeit der FSW-Verbindungen aus. Als mögliche Lösung wurde das hydrostatische Festwalzen angewandt, um die Ermüdungsfestigkeit artgleicher und ungleicher FSW-Verbindungen aus den Legierungen EN AW 5083 und EN AW 6082 zu verbessern, die mit unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten hergestellt wurden. Zusätzlich wurde die Ermüdungsfestigkeit direkt mit konventionell durch Metall-Inertgasschweißen (MIG) hergestellten Verbindungen und mit Grundwerkstoffproben aus EN AW 5083 verglichen. Die Oberflächenbeschaffenheit im geschweißten Zustand wurde durch Messungen der Oberflächenrauigkeit und der Eigenspannung charakterisiert. Ermüdungsversuche wurden durchgeführt, um die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen zu quantifizieren. Nach dem Festwalzen wurden ähnliche Druckeigenspannungen für artgleiche und ungleiche Verbindungen ermittelt. Für festgewalzte artgleiche Verbindungen aus EN AW 5083 wurde keine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit festgestellt. In diesem Zustand lag die Ermüdungslebensdauer der Probe jedoch im Bereich des Grundmaterials. Somit wurde eine signifikant niedrigere Ermüdungslebensdauer und eine hohe Verbesserung der Ermüdungslebensdauer durch Festwalzen für ungleiche Verbindungen erreicht. Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/min auf 800 mm/min verringerte die Ermüdungsfestigkeit von Mischschweißverbindungen in diesem Fall stark.
Gesetzliche Auflagen, Kundenanforderungen sowie das Risiko von finanziellen Folgen und Imageschäden durch Rückrufaktionen zwingen die Automobilhersteller und ihre Lieferanten eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der Produkte zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist es nicht möglich, die Qualität von Klebverbindungen zu überprüfen, ohne dabei die Bauteile zu zerstören. Daher ist es bei Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen umso wichtiger, eine lückenlose Nachweisführung und Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Ziel dieser Masterthesis ist es, ein Konzept zu erstellen, welches die Rückverfolgbarkeit von Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen sicherstellt. Dieses Konzept berücksichtigt die Norm DIN 2304-1, in welcher Qualitätsanforderungen an Klebprozesse definiert sind.
Die Ausarbeitung des Rückverfolgbarkeitskonzepts basiert neben den Anforderungen der DIN 2304-1 auf den gesetzlichen Vorgaben und den Kundenanforderungen. Darüber hinaus werden zunächst die Methodik und die technischen Lösungen des Unternehmens dargestellt.
Das im Rahmen dieser Masterthesis entwickelte Konzept beinhaltet sowohl eine Beschreibung zur technischen Umsetzung der Anforderungen als auch die Definition der für die Nachweisführung relevanten Daten.