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Für Verkehrsunternehmen stellt die Erprobung neuer Technologien eine große Herausforderung dar.
Sowohl Wasserstoff-Busse als auch Batterie-Busse können ihren Beitrag zur Umstellung des ÖPNV auf emissionsfreie Mobilität leisten. Je nach Anwendungsmuster können sich beide Technologien gut ergänzen und zu einem volkswirtschaftlichen Optimum führen. Es gilt, die Technologien im realen Umfeld zu erproben, um praxisnahe Erfahrung zu sammeln und dabei Mitarbeiter auszubilden, ohne die Qualität des Betriebes zu gefährden. Bei der aktuellen Kostenlage sehen beide Technologien ihre Einführung in den Betrieb mit Mehrkosten im Vergleich zu der aktuellen Diesel-Lösung verbunden.
Bei einer Batterie-basierten Lösung mit Pantograph-Schnellladung sind kürzere Linien gute Kandidaten für eine elektrische Umstellung ohne Auswirkungen auf die Größe der Busflotte. Auch Liniensysteme beliebiger Länge mit Knotenpunkten in regelmäßigen Abständen ermöglichen eine gemeinsame Nutzung der Ladeinfrastruktur und stellen somit reduzierte Aufbaukosten der Ladeinfrastruktur in Aussicht. In diesem Fall sind aber auch Fahrplanmanagement-Aspekte hinsichtlich der Ladezeit am Pantograph mit zu berücksichtigen, die nicht Bestandteil dieser Studie gewesen sind. Allgemein lassen die Kosten-Prognosen für Batterie und Batterie-elektrische Fahrzeuge eine signifikante Kostenreduzierung bis 2030 erkennen, die in manchen Konfigurationen zur Kostenparität und sogar geringeren Kosten als mit der Diesel-Variante führen würde.
Anders als für Batterie-Busse stellt die Linien-Konfiguration keinen wirtschaftlichen Einflussfaktor auf den Betrieb von Wasserstoff-Bussen dar. Die derzeitige Reichweite der H2-Busse reicht aus, um die zu erwartende tägliche Fahrleistung zu decken. Bei der Wasserstoffmobilität sind aber die Versorgungsinfrastruktur und die damit verbundenen Kraftstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Ihr Aufbau ist mit hohen Investitionskosten und gesetzlichen Verpflichtungen verbunden (BImSchG, BetrSichV), die für eine erste Erprobung der Technologie im kleinen Maßstab eine Hürde für Verkehrsunternehmen darstellen könnte. Die H2 Mobility Deutschland bietet die Möglichkeit an, 700 bar Tankstellen mit einem 350 bar Modul zu erweitern, das die tägliche Versorgung von ca. 6 Bussen ermöglicht. Mit begrenzten Risiken für die Verkehrsunternehmen bietet es sich daher an, die H2 Mobilität auf eine limitierte Busflotte zu erproben. Da der Aufbau des H2-Mobility Deutschland Tankstellennetzes eine Lücke in Offenburg und Umgebung aufweist, wäre es vorstellbar, an der Errichtung einer solchen Tankstelle zu arbeiten, die die Betankung und Erprobung von Wasserstoff-Bussen ermöglicht. Auf längerer Sicht ist die Sicherstellung einer gut platzierten zuverlässigen und nachhaltigen Wasserstoffquelle von entscheidender Bedeutung. Derzeit liegen vorhandene Wasserstoffquellen in mehr als 100 km Entfernung. Eine Nutzung der Wasserkraft des naheliegenden Rheins erscheint durchaus sinnvoll, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen (erneuerbarer Strom, Stromkostenreduzierung durch Eigenversorgung, kürzere Transportwege, möglicher Nutzen für die Eurometropole Straßburg).
Es lässt sich festhalten, dass für die Region Offenburg zunächst die Erprobung beider Technologien, der Elektromobilität als auch der Wasserstoffmobilität, empfohlen wird. Es sollte zeitnah in den Erfahrungsaufbau in beide Technologien investiert werden. Zudem sollte bei der Elektromobilität das Flottenmanagement untersucht und evaluiert werden und bei der Wasserstoffmobilität die Möglichkeiten der Kooperation für den Aufbau der Wasserstofftankstelle. Im Rahmen der nächsten Ausschreibungsrunde für den öffentlichen Nahverkehr in Offenburg wird empfohlen, diesen emissionsfrei auszuschreiben. Es ist absehbar, dass aus Kostengründen (Kostenparität der Elektromobilität mit der Dieselvariante) als auch aus Gründen der Anforderung bzgl. der Emissionsgrenzwerte der ÖPNV emissionsfrei umgesetzt werden sollte.
Energietechnik
(2013)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser ein grundlegendes, dennoch kurz gefasstes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. In der vorliegenden sechsten Auflage wurden im Kapitel Kerntechnik die Erfahrungen aus dem Fukushima-Unglück dokumentiert und die Kapitel Energieverteilung und Energiespeicherung neu gefasst, um den Tendenzen der politisch festgelegten deutschen Energiewende Rechnung zu tragen.
Modeling and Simulation the Influence of Solid Carbon Formation on SOFC Performance and Degradation
(2013)
Impedance of the Surface Double Layer of LSCF/CGO Composite Cathodes: An Elementary Kinetic Model
(2014)
Cell lifetime diagnostics and system be-havior of stationary LFP/graphite lithium-ion batteries
(2018)
Battery degradation is a complex physicochemical process that strongly depends on operating conditions. We present a model-based analysis of lithium-ion battery degradation in a stationary photovoltaic battery system. We use a multi-scale multi-physics model of a graphite/lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP) cell including solid electrolyte interphase (SEI) formation. The cell-level model is dynamically coupled to a system-level model consisting of photovoltaics (PV), inverter, load, grid interaction, and energy management system, fed with historic weather data. Simulations are carried out for two load scenarios, a single-family house and an office tract, over annual operation cycles with one-minute time resolution. As key result, we show that the charging process causes a peak in degradation rate due to electrochemical charge overpotentials. The main drivers for cell ageing are therefore not only a high state of charge (SOC), but the charging process leading towards high SOC. We also show that the load situation not only influences system parameters like self-sufficiency and self-consumption, but also has a significant impact on battery ageing. We assess reduced charge cut-off voltage as ageing mitigation strategy.
Battery degradation is a complex physicochemical process that strongly depends on operating conditions and environment. We present a model-based analysis of lithium-ion battery degradation in smart microgrids, in particular, a single-family house and an office tract with photovoltaics generator. We use a multi-scale multi-physics model of a graphite/lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP) cell including SEI formation as ageing mechanism. The cell-level model is dynamically coupled to a system-level model consisting of photovoltaics, inverter, power consumption profiles, grid interaction, and energy management system, fed with historic weather data. The behavior of the cell in terms of degradation propensity, performance, state of charge and other internal states is predicted over an annual operation cycle. As result, we have identified a peak in degradation rate during the battery charging process, caused by charging overpotentials. Ageing strongly depends on the load situation, where the predicted annual capacity fade is 1.9 % for the single-family house and only 1.3 % for the office tract.
Heat generation that is coupled with electricity usage, like combined heat and power generators or heat pumps, can provide operational flexibility to the electricity sector. In order to make use of this in an optimized way, the flexibility that can be provided by such plants needs to be properly quantified. This paper proposes a method for quantifying the flexibility provided through a cluster of such heat generators. It takes into account minimum operational time and minimum down-time of heat generating units. Flexibility is defined here as the time period over which plant operation can be either delayed or forced into operation, thus providing upward or downward regulation to the power system on demand. Results for one case study show that a cluster of several smaller heat generation units does not provide much more delayed operation flexibility than one large unit with the same power, while it more than doubles the forced operation flexibility. Considering minimum operational time and minimum down-time of the units considerably limits the available forced and delayed operation flexibility, especially in the case of one large unit.
Power systems are increasingly built from distributed generation units and smart consumers that are able to react to grid conditions. Managing this large number of decentralized electricity sources and flexible loads represent a very huge optimization problem. Both from the regulatory and the computational perspective, no one central coordinator can optimize this overall system. Decentralized control mechanisms can, however, distribute the optimization task through price signals or market-based mechanisms. This chapter presents the concepts that enable a decentralized control of demand and supply while enhancing overall efficiency of the electricity system. It highlights both technological and business challenges that result from the realization of these concepts, and presents the state-of-the-art in the respective domains.
Der Einbau von Smart Metern und deren intelligente Vernetzung in Richtung eines Smart Grid wird Stromverbrauchsmuster bis in die Haushalte hinein verändern. Über die technisch geprägte Diskussion um die Komponenten dafür darf deshalb keinesfalls die Einbeziehung der Gesellschaft in den anstehenden Wandel vergessen werden. Transparenz bei den Kosten, die Förderung von Vertrauen insbesondere in die Datenschutzstandards und eine verständliche Aufklärungsarbeit sind Schlüssel für den notwendigen Dialog zwischen Energieversorgern, Politik und Bürgern.
Ziel und Tempo der Energiewende sind gesetzt. Der Ausstieg aus der Stromproduktion in Kernkraftwerken soll bis 2022 geschafft sein. Eine Elektrizitätserzeugung, die auf erneuerbaren Energien beruht, soll die bisherige Erzeugung auf der Grundlage von Kohle, Kernbrennstoffen und Erdgas bis 2050 stufenweise weitgehend ablösen und damit maßgeblich zu den Klimaschutzzielen der Bundesregierung beitragen. Der Weg zu diesen Zielen ist für die Beteiligten hingegen noch nicht deutlich einsehbar. Viele offene Fragestellungen technischer, ökonomischer, legislativer und gesellschaftlicher Natur verstellen den Blick auf eine klare Strategie zur Erreichung der energiepolitischen Ziele. Vielschichtige Aufgaben und immense Herausforderungen kommen mit der Mammutaufgabe „Energiewende“ auf Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Bevölkerung zu. Ein wichtiger Enabler für die erfolgreiche Integration von Wind- und Sonnenenergie sowie für neue Prozesse, Marktrollen und Technologien ist die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). An diesem Punkt setzt die hier vorliegende Studie an.
Combined heat and power production (CHP) based on solid oxide fuel cells (SOFC) is a very promising technology to achieve high electrical efficiency to cover power demand by decentralized production. This paper presents a dynamic quasi 2D model of an SOFC system which consists of stack and balance of plant and includes thermal coupling between the single components. The model is implemented in Modelica® and validated with experimental data for the stack UI-characteristic and the thermal behavior. The good agreement between experimental and simulation results demonstrates the validity of the model. Different operating conditions and system configurations are tested, increasing the net electrical efficiency to 57% by implementing an anode offgas recycle rate of 65%. A sensitivity analysis of characteristic values of the system like fuel utilization, oxygen-to-carbon ratio and electrical efficiency for different natural gas compositions is carried out. The result shows that a control strategy adapted to variable natural gas composition and its energy content should be developed in order to optimize the operation of the system.
Optimization of energetic refurbishment roadmaps for multi-family buildings utilizing heat pumps
(2023)
A novel methodology for calculating optimized refurbishment roadmaps is developed in this paper. The aim of the roadmaps is to determine when and how should which component of the building envelope and heat generation system be refurbished to achieve the lowest net present value. The integrated optimization approach couples a particle swarm optimization algorithm with a dynamic building simulation of the building envelope and the heat supply system. Due to a free selection of implementation times and refurbishment depth, the optimization method achieves the lowest net present value and high CO2 reduction and is therefore an important contribution to achieve climate neutrality in the building stock.
The method is exemplarily applied to a multi-family house built in 1970. In comparison to a standard refurbishment roadmap, cost savings of 6–16 % and CO2 savings of 6–59 % are possible. The sensitivity of the refurbishment roadmap measures is analyzed on the basis of a parametric analysis. Robust optimization results are obtained with a mean refurbishment level of approx. 50 kWh/m2/a of the building envelope. The preferred heat generation system is a bivalent brine-heat pump system with a share of 70 % of the heat load being covered by the electric heat pump.
The conversion of space heating for private households to climate-neutral energy sources is an essential component of the energy transition, as this sector as of 2018 was responsible for 9.4 % of Germany’s carbon dioxide emissions. In addition to reducing demand through better insulation, the use of heat pumps fed with electricity from renewable energy sources, such as on-site photovoltaics (PV) systems, is an important solution approach.
Advanced energy management and control can help to make optimal use of such heating systems. Optimal here can e.g. refer to maximizing self-consumption of self-generated PV power, extended component lifetime or a grid-friendly behavior that avoids load peaks. A powerful method for this is model predictive control (MPC), which calculates optimal schedules for the controllable influence variables based on models of the system dynamics, current measurements of system states and predictions of future external influence parameters.
In this paper, we will discuss three different use cases that show how artificial intelligence can contribute to the realization of such an MPC-based energy management and control system. This will be done using the example of a real inhabited single family home that has provided the necessary data for this purpose and where the methods are implemented and tested. The heating system consists of an air-water heat pump with direct condensation, a thermal stratified storage tank, a pellet burner and a heating rod and provides both heating and hot water. The house generates a significant portion of its electricity needs through a rooftop PV system.
Silicon (Si) has turned out to be a promising active material for next‐generation lithium‐ion battery anodes. Nevertheless, the issues known from Si as electrode material (pulverization effects, volume change etc.) are impeding the development of Si anodes to reach market maturity. In this study, we are investigating a possible application of Si anodes in low‐power printed electronic applications. Tailored Si inks are produced and the impact of carbon coating on the printability and their electrochemical behavior as printed Si anodes is investigated. The printed Si anodes contain active material loadings that are practical for powering printed electronic devices, like electrolyte gated transistors, and are able to show high capacity retentions. A capacity of 1754 mAh/gSi is achieved for a printed Si anode after 100 cycles. Additionally, the direct applicability of the printed Si anodes is shown by successfully powering an ink‐jet printed transistor.
A 2D-separation of 16 polyaromatic hydrocarbons (PAHs) according to the Environmental Protecting Agency (EPA) standard was introduced. Separation took place on a TLC RP-18 plate (Merck, 1.05559). In the first direction, the plate was developed twice using n-pentane at −20°C as the mobile phase. The mixture acetonitrile-methanol-acetone-water (12:8:3:3, v/v) was used for developing the plate in the second direction. Both developments were carried out over a distance of 43 mm. Further on in this publication, a specific and very sensitive indication method for benzo[a]pyrene and perylene was presented. The method can detect these hazardous compounds even in complicated PAH mixtures. These compounds can be quantified by a simple chemiluminescent reaction with a limit of detection (LOD) of 48 pg per band for perylene and 95 pg per band for benzo[a]pyrene. Although these compounds were separated from all other PAHs in the standard, a separation of both compounds was not possible from one another. The method is suitable for tracing benzo[a]pyrene and/or perylene. The proposed chemiluminescence screening test on PAHs is extremely sensitive but may indicate a false positive result for benzo[a]pyrene.
Mass transfer phenomena in membrane fuel cells are complex and diversified because of the presence of complex transport pathways including porous media of very different pore sizes and possible formation of liquid water. Electrochemical impedance spectroscopy, although allowing valuable information on ohmic phenomena, charge transfer and mass transfer phenomena, may nevertheless appear insufficient below 1 Hz. Use of another variable, that is, back pressure, as an excitation variable for electrochemical pressure impedance spectroscopy is shown here a promising tool for investigations and diagnosis of fuel cells.
Mit dem Klimaschutzgesetz 2021 wurden von der Bundesregierung die Klimaschutzvorgaben verschärft und die Treibhausgasneutralität bis 2045 als Ziel verankert. Zur Erreichung dieses ambitionierten Ziels ist es notwendig, im Bereich der Mobilität weitgehend von Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen auf Elektromobilität mit regenerativ erzeugtem Strom umzusteigen. Dabei ist die zügige Bereitstellung einer ausreichenden Ladeinfrastruktur für die Elektrofahrzeuge eine große Herausforderung. Neben der Installation einer ausreichend großen Zahl von Ladepunkten selbst besteht die Herausforderung darin, diese in das bestehende Verteilungsnetz zu integrieren bzw. das Verteilungsnetz so auszubauen, dass weiter ein sicherer Netzbetrieb gewährleistet werden kann. Dabei sind insbesondere Lösungen gefragt, bei denen der Ausbau der Ladeinfrastruktur und der Netzbetriebsmittel durch intelligentes Management des Ladens so gering wie möglich gehalten wird, indem vorhandene oder neu zu installierender Hardware möglichst effizient genutzt wird.
Hier setzte das Projekt „Intelligente Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge auf dem Parkplatz der Hochschule Offenburg (INTLOG)“ (Projektlaufzeit 15.11.2020 – 30.09.2022) an. Inhalt des Projekts war es, einen Ladepark für den Parkplatz der Hochschule Offenburg mit 20 Ladepunkten à 11 kW und somit einer Gesamtladeleistung von 220 kW an einen vorhandenen Ortsnetztransformator mit 200 kW Nennleistung anzuschließen, der aber bereits von anderen Verbrauchern genutzt wurde. Das übergeordnete Ziel war es also, eine Ladeinfrastruktur von maßgeblichem Umfang in die bestehende Netzinfrastruktur ohne zusätzlichen Ausbau zu integrieren.
Dabei wurden zukunftsweisende Technologien genutzt und weiterentwickelt sowie teilweise in Praxis, im Labor und in der Computersimulation demonstriert.
Demand Side Management for Thermally Activated Building Systems based on Multiple Linear Regression
(2015)
In dieser Arbeit werden die außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung (Standard-TABS-Strategie), ein Verfahren das auf einer multiplen linearen Regression basiert (AMLR-Strategie) und ein Verfahren, das unter dem Obergriff der modellprädiktiven Regelung (MPC-Strategie) zusammengefasst werden kann, untersucht. Anhand der Simulationsergebnisse und des Integrationsaufwandes in die Gebäudeautomation des Seminargebäudes wurde eine Fokussierung auf die AMLR-Strategie vorgenommen.
There is a growing trend for the use of thermo-active building systems (TABS) for the heating and cooling of buildings, because these systems are known to be very economical and efficient. However, their control is complicated due to the large thermal inertia, and their parameterization is time-consuming. With conventional TABS-control strategies, the required thermal comfort in buildings can often not be maintained, particularly if the internal heat sources are suddenly changed. This paper shows measurement results and evaluations of the operation of a novel adaptive and predictive calculation method, based on a multiple linear regression (AMLR) for the control of TABS. The measurement results are compared with the standard TABS strategy. The results show that the electrical pump energy could be reduced by more than 86%. Including the weather adjustment, it could be demonstrated that thermal energy savings of over 41% could be reached. In addition, the thermal comfort could be improved due to the possibility to specify mean room set-point temperatures. With the AMLR, comfort category I of the comfort norms ISO 7730 and DIN EN 15251 are observed in about 95% of occasions. With the standard TABS strategy, only about 24% are within category I.
Adaptive predictive control of thermo-active building systems (TABS) based on a multiple regression algorithm: First practical test. Available from: https://www.researchgate.net/publication/305903009_Adaptive_predictive_control_of_thermo-active_building_systems_TABS_based_on_a_multiple_regression_algorithm_First_practical_test [accessed Jul 7, 2017].
Photovoltaics Energy Prediction Under Complex Conditions for a Predictive Energy Management System
(2015)
The building sector is one of the main consumers of energy. Therefore, heating and cooling concepts for renewable energy sources become increasingly important. For this purpose, low-temperature systems such as thermo-active building systems (TABS) are particularly suitable. This paper presents results of the use of a novel adaptive and predictive computation method, based on multiple linear regression (AMLR) for the control of TABS in a passive seminar building. Detailed comparisons are shown between the standard TABS and AMLR strategies over a period of nine months each. In addition to the reduction of thermal energy use by approx. 26% and a significant reduction of the TABS pump operation time, this paper focuses on investment savings in a passive seminar building through the use of the AMLR strategy. This includes the reduction of peak power of the chilled beams (auxiliary system) as well as a simplification of the TABS hydronic circuit and the saving of an external temperature sensor. The AMLR proves its practicality by learning from the historical building operation, by dealing with forecasting errors and it is easy to integrate into a building automation system.
Model-based analysis of Electrochemical Pressure Impedance Spectroscopy (EPIS) for PEM Fuel Cells
(2019)
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a widely-used diagnostic technique to characterize electrochemical processes. It is based on the dynamic analysis of two electrical observables, that is, current and voltage. Electrochemical cells with gaseous reactants or products, in particular fuel cells, offer an additional observable, that is, the gas pressure. The dynamic coupling of current or voltage with gas pressure gives rise to a number of additional impedance definitions, for which we have previously introduced the term electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) [1,2]. EPIS shows a particular sensitivity towards transport processes of gas-phase or dissolved species, in particular, diffusion coefficients and transport pathway lengths. It is as such complementary to standard EIS, which is mainly sensitive towards electrochemical processes. First EPIS experiments on PEM fuel cells have recently been shown [3].
We present a detailed modeling and simulation analysis of EPIS of a PEM fuel cell. We use a 1D+1D continuum model of a fuel/air channel pair with GDL and MEA. Backpressure is dynamically varied, and the resulting simulated oscillation in cell voltage is evaluated to yield the ▁Z_( V⁄p_ca ) EPIS signal. Results are obtained for different transport situations of the fuel cell, giving rise to very complex EPIS shapes in the Nyquist plot. This complexity shows the necessity of model-based interpretation of the complex EPIS shapes. Based on the simulation results, specific features in the EPIS spectra can be assigned to different transport domains (gas channel, GDL, membrane water transport).
The humanoid Sweaty was the finalist in this year’s robocup soccer championship(adult size). For the optimization of the gait and the stability, data concerning forces and torques in the ankle joints would be helpful. In the following paper the development of a six-axis force and torque sensor for the humanoid robot Sweaty is described. Since commercial sensors do not meet the demands for the sensors in Sweatys ankle joints, a new sensor was developed. As a measuring devices we used strain gauges and custom electronics based on an acam PS09. The geometry was analyzed with the FEM program ANSYS to get optimal dimensions for the measuring beams. In addition ANSYS was used to optimize the position for the strain gauges on the beam.
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
The transformation of the building energy sector to a highly efficient, clean, decentralised and intelligent system requires innovative technologies like microscale trigeneration and thermally activated building structures (TABS) to pave the way ahead. The combination of such technologies however presents a scientific and engineering challenge. Scientific challenge in terms of developing optimal thermo-electric load management strategies based on overall energy system analysis and an engineering challenge in terms of implementing these strategies through process planning and control. Initial literature research has pointed out the need for a multiperspective analysis in a real life laboratory environment. To this effect an investigation is proposed wherein an analytical model of a microscale trigeneration system integrated with TABS will be developed and compared with a real life test-rig corresponding to building management systems. Data from the experimental analysis will be used to develop control algorithms using model predictive control for achieving the thermal comfort of occupants in the most energy efficient and grid reactive manner. The scope of this work encompasses adsorption cooling based microscale trigeneration systems and their deployment in residential and light commercial buildings.
Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes ACA-Modes (Advanced Control Algorithms for Management of Decentralised Energy Systems) werden reale Labore der Projektpartner primärenergetisch, ökonomisch und die Emissionen betreffend bewertet. Vier Projektpartner liefern Datensätze aus Messreihen typischer Bereitstellungsszenarien. Die verschiedenen Systeme bestehen unter anderem aus einer KWK-Anlage mit Erdgas-Verbrennungsmotor, einer KWKK-Anlage mit Adsorptionskältemaschine, einer Photovoltaik-Anlage mit Batteriespeicher und Wärmepumpe und einer Solarthermieanlage mit Adsorptionskältemaschine.
The energy system of the future will transform from the current centralised fossil based to a decentralised, clean, highly efficient, and intelligent network. This transformation will require innovative technologies and ideas like trigeneration and the crowd energy concept to pave the way ahead. Even though trigeneration systems are extremely energy efficient and can play a vital role in the energy system, turning around their deployment is hindered by various barriers. These barriers are theoretically analysed in a multiperspective approach and the role decentralised trigeneration systems can play in the crowd energy concept is highlighted. It is derived from an initial literature research that a multiperspective (technological, energy-economic, and user) analysis is necessary for realising the potential of trigeneration systems in a decentralised grid. And to experimentally quantify these issues we are setting up a microscale trigeneration lab at our institute and the motivation for this lab is also briefly introduced.
Cooling towers or recoolers are one of the major consumers of electricity in a HVAC plant. The implementation and analysis of advanced control methods in a practical application and its comparison with conventional controllers is necessary to establish a framework for their feasibility especially in the field of decentralised energy systems. A standard industrial controller, a PID and a model based controller were developed and tested in an experimental set-up using market-ready components. The characteristics of these controllers such as settling time, control difference, and frequency of control actions are compared based on the monitoring data. Modern controllers demonstrated clear advantages in terms of energy savings and higher accuracy and a model based controller was easier to set-up than a PID.
Drawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.
Optimisation based economic despatch of real-world complex energy systems demands reduced order and continuously differentiable component models that can represent their part-load behaviour and dynamic responses. A literature study of existing modelling methods and the necessary characteristics the models should meet for their successful application in model predictive control of a polygeneration system are presented. Deriving from that, a rational modelling procedure using engineering principles and assumptions to develop simplified component models is applied. The models are quantitatively and qualitatively evaluated against experimental data and their efficacy for application in a building automation and control architecture is established.
With the increasing share of renewable energies and the nuclear phase-out, the energy transition is accelerating. From the perspective of building technology, there is great potential to support this transition given its large share in total energy consumption and the increasing number of flexible and controllable components and storages. However, a question often asked at the plant level is: "How do we use this flexibility to support the regional grid?". In this work, a grid-supportive controller of a real-world building energy plant was developed using mathematical optimisation methods and its technical feasibility was demonstrated. The results could convince actors from the energy industry and academia about the practicality of these methods and offer tools for their implementation.
Energy consumption for cooling is growing dramatically. In the last years, electricity peak consumption grew significantly, switching from winter to summer in many EU countries. This is endangering the stability of electricity grids. This article outlines a comprehensive analysis of an office building performances in terms of energy consumption and thermal comfort (in accordance with static – ISO 7730:2005 – and adaptive thermal comfort criteria – EN 15251:2007 –) related to different cooling concepts in six different European climate zones. The work is based on a series of dynamic simulations carried out in the Trnsys 17 environment for a typical office building. The simulation study was accomplished for five cooling technologies: natural ventilation (NV), mechanical night ventilation (MV), fan-coils (FC), suspended ceiling panels (SCP), and concrete core conditioning (CCC) applied in Stockholm, Hamburg, Stuttgart, Milan, Rome, and Palermo. Under this premise, the authors propose a methodology for the evaluation of the cooling concepts taking into account both, thermal comfort and energy consumption.
Since 2003, most European countries established heat health warning systems to alert the population to heat load. Heat health warning systems are based on predicted meteorological conditions outdoors. But the majority of the European population spends a substantial amount of time indoors, and indoor thermal conditions can differ substantially from outdoor conditions. The German Meteorological Service (Deutscher Wetterdienst, DWD) extended the existing heat health warning system (HHWS) with a thermal building simulation model to consider heat load indoors. In this study, the thermal building simulation model is used to simulate a standardized building representing a modern nursing home, because elderly and sick people are most sensitive to heat stress. Different types of natural ventilation were simulated. Based on current and future test reference years, changes in the future heat load indoors were analyzed. Results show differences between the various ventilation options and the possibility to minimize the thermal heat stress during summer by using an appropriate ventilation method. Nighttime ventilation for indoor thermal comfort is most important. A fully opened window at nighttime and the 2-h ventilation in the morning and evening are more sufficient to avoid heat stress than a tilted window at nighttime and the 1-h ventilation in the morning and the evening. Especially the ventilation in the morning seems to be effective to keep the heat load indoors low. Comparing the results for the current and the future test reference years, an increase of heat stress on all ventilation types can be recognized.
Lithium-ion batteries exhibit a well-known trade-off between energy and power, which is problematic for electric vehicles which require both high energy during discharge (high driving range) and high power during charge (fast-charge capability). We use two commercial lithium-ion cells (high-energy [HE] and high-power) to parameterize and validate physicochemical pseudo-two-dimensional models. In a systematic virtual design study, we vary electrode thicknesses, cell temperature, and the type of charging protocol. We are able to show that low anode potentials during charge, inducing lithium plating and cell aging, can be effectively avoided either by using high temperatures or by using a constant-current/constant-potential/constant-voltage charge protocol which includes a constant anode potential phase. We introduce and quantify a specific charging power as the ratio of discharged energy (at slow discharge) and required charging time (at a fast charge). This value is shown to exhibit a distinct optimum with respect to electrode thickness. At 35°C, the optimum was achieved using an HE electrode design, yielding 23.8 Wh/(min L) volumetric charging power at 15.2 min charging time (10% to 80% state of charge) and 517 Wh/L discharge energy density. By analyzing the various overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are dominantly responsible for the insufficient charge and discharge performance of cells with very thick electrodes.
Encapsulant-free N.I.C.E. modules have strong ecological advantages compared to conventional laminated modules but suffer generally from lower electrical performance. Via long-term outdoor monitoring of fullsize industrial modules of both types with identical solar cells, we investigated if the performance difference remains constant over time and which parameters influence its value. After assessing about a full year’s data, two obvious levers for N.I.C.E. optimization are identified: The usage of textured glass and transparent adhesives on the module rear side. Also, the performance loss could be alleviated using tracking systems due to lower AOI values. Our measurements show additionally that N.I.C.E. module surfaces are in average about 2.5°C cooler compared to laminated modules. With these findings, we lay out a roadmap to reduce today’s LIV gap of about 5%rel by different optimizations.
We describe a prototype for power line communi- cation for grid monitoring. The PLC receiver is used to gain information about the PLC channel and the current state of the power grid. The PLC receiver uses the communication signal to obtain an accurate estimate of the current channel and provides information which can be used as a basis for further processing with the aim to detect partial discharges and other anomalies in the grid. This monitoring of the power grid takes advantage of existing PLC infrastructure and uses the data signals, which are transmitted anyway to obtain a real-time measurement of the channel transfer function and the received noise signal. Since this signal is sampled at a high sampling rate compared to simpler measurement sensors, it contains valuable information about possible degradations in the grid which need to be addressed. While channel measurements are based on a received PLC signal, information about partial discharges or other sources of interference can be gathered by a PLC receiver in the absence of a transmit signal. A prototype based on Software Defined Radio has been developed, which implements the simultaneous communication and sensing for a power grid.
Bauteilaktivierung
(2015)
Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs‐ und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten (siehe Teil 1 dieser Veröffentlichung in Bauphysik 34 (2012), Heft 6. Mit Hilfe einer Simulationsstudie für ein typisches Bürogebäude wird das Potenzial unterschiedlicher Lüftungs‐ und Kühlstrategien unter Berücksichtigung von Energieeffizienz und Raumkomfort für verschiedene europäische Klimazonen bewertet. Die Ergebnisse weisen eine hohe Wirksamkeit von Nachtlüftungskonzepten im nord‐europäischen Sommerklima mit verhältnismäßig niedrigen Außentemperaturen nach. Im mitteleuropäischen Sommerklima bietet das Erdreich ein ausreichend niedriges Temperaturniveau für den effizienten Einsatz von wassergeführten Flächentemperiersystemen. Im südeuropäischen Sommerklima kann eine aktive Kühlung über Luft die hohen und schnell fluktuierenden Kühllasten effizient abführen.
Mit der Messung des Wärme- und Kälteverbrauchs im Labor gelingt es, sowohl thermisch träge als auch agile Flächentemperiersysteme unter praxisnahen, dynamischen Bedingungen messtechnisch zu bewerten. Werden Nutzwärme- und Nutzkältebedarf berechnet und ins Verhältnis zu den gemessenen Verbräuchen gesetzt, können die Aufwandzahlen für die Nutzenübergabe ece für verschiedene Flächentemperiersysteme und in Kombinationen mit anderen Übergabesystemen unter verschiedenen Nutzungsbedingungen und für unterschiedliche Betriebsführungsstrategien bestimmt werden. Damit stehen Aufwandszahlen auf Basis kalorischer Messungen zur Verfügung, die je nach Aufgabenstellung entweder produkt- oder objektbezogen in der Planung komplexer Energiekonzepte verwendet werden können und die tatsächlichen Aufwandszahlen eh, ce für den Heizfall bzw. ec, ce für den Kühlfall genauer als Literaturwerte bzw. projektbezogen beschreiben
In der Planungs- und Betriebspraxis herrscht im Bereich der Betriebsführung von thermisch aktivierten Bauteilsystemen und insbesondere der thermisch trägen Bauteilaktivierung noch große Unsicherheit. Trotz einer weiten Verbreitung dieser Systeme im Neubau von Nichtwohngebäuden hat sich bis heute keine einheitliche Betriebsführungsstrategie durchgesetzt. Vielmehr kritisieren Bauherren und Nutzer regelmäßig zu hohe bzw. niedrige Raumtemperaturen in den Übergangsjahreszeiten und bei Wetterwechsel sowie generell eine mangelhafte Regelbarkeit. Demgegenüber weisen Monitoringprojekte immer wieder einen hohen thermischen Komfort in diesen Gebäuden nach. Offensichtlich unterscheiden sich hier subjektiv empfundene Behaglichkeit und objektiv gemessener Komfort. Gleichzeitig sind Heiz- und Kühlkonzepte mit Flächentemperierung dann besonders energieeffizient, wenn das Regelkonzept auf deren thermische Trägheit angepasst ist. Eine gute Regelung gewährleistet also einen hohen thermischen Komfort und sorgt für einen möglichst niedrigen Energieeinsatz. Das Rechenverfahren mit Anlagenaufwandszahlen (in Anlehnung an DIN V 18599) bietet eine gute Möglichkeit, Anlagenkonzepte inklusive deren Betriebsführungsstrategie zu bewerten. Damit ist es möglich, eine auf das Gebäude angepasste Betriebsführungsstrategie für die Bauteilaktivierung zu finden und einheitlich zu bewerten.
In the dual membrane fuel cell (DM-Cell), protons formed at the anode and oxygen ions formed at the cathode migrate through their respective dense electrolytes to react and form water in a porous composite layer called dual membrane (DM). The DM-Cell concept was experimentally proven (as detailed in Part I of this paper). To describe the electrochemical processes occurring in this novel fuel cell, a mathematical model has been developed which focuses on the DM as the characteristic feature of the DM-Cell. In the model, the porous composite DM is treated as a continuum medium characterized by effective macro-homogeneous properties. To simulate the polarization behavior of the DM-Cell, the potential distribution in the DM is related to the flux of protons and oxygen ions in the conducting phases by introducing kinetic and transport equations into charge balances. Since water pressure may affect the overall formation rate, water mass balances across the DM and transport equations are also considered. The satisfactory comparison with available experimental results suggests that the model provides sound indications on the effects of key design parameters and operating conditions on cell behavior and performance.
The formation of secondary phases in the porous electrodes is a severe mechanism affecting the lifetime of solid oxide fuel cells (SOFC). It can occur via various chemical mechanisms and it has a significant influence on cell performance due to pore clogging and deactivation of active surfaces and triple-phase boundary (TPB). We present a modeling and simulation study of nickel oxide formation (reoxidation) and carbon formation (coking) within the SOFC anode. We use a 2D continuum model based on a multi-phase framework [Neidhardt et al., J. Electrochem. Soc., 159, 9 (2012)] that allows the introduction of arbitrary solid phases (here: Ni, YSZ, NiO, Carbon) plus gas phase. Reactions between the bulk phases are modeled via interface-adsorbed species and are described by an elementary kinetic approach. Published experimental data are used for parameterization and validation. Simulations allow the prediction of cell performance under critical operation conditions, like (i) a non-fuel operation test, where NiO formation is taking place (Figure 1a), or (ii) an open circuit voltage (OCV) stability test under hydrocarbon atmosphere, where solid carbon is formed (Figure 1b). Results are applied for enhanced interpretation of experimental data and for prediction of safe operation conditions.
The lifetime and performance of solid-oxide fuel cells (SOFC) and electrolyzer cells (SOEC) can be significantly degraded by oxidation of nickel within the electrode and support structures. This paper documents a detailed computational model describing nickel oxide (NiO) formation as a growing film layer on top of the nickel phase in Ni/YSZ composite electrodes. The model assumes that the oxidation rate is controlled by transport of ions across the film (Wagner's theory). The computational model, which is implemented in a two-dimensional continuum framework, facilitates the investigation of alternative chemical reaction and transport mechanisms. Model predictions agree well with a literature experimental measurement of oxidation-layer growth. In addition to providing insight in interpreting experimental observations, the model provides a quantitative predictive capability for improving electrode design and controlling operating conditions.
Oxidation of the nickel electrode is a severe aging mechanism of solid oxide fuel cells (SOFC) and solid oxide electrolyzer cells (SOEC). This work presents a modeling study of safe operating conditions with respect to nickel oxide formation. Microkinetic reaction mechanisms for thermochemical and electrochemical nickel oxidation are integrated into a 2D multiphase model of an anode‐supported solid oxide cell. Local oxidation propensity can be separated into four regimes. Simulations show that the thermochemical pathway generally dominates the electrochemical pathway. As a consequence, as long as fuel utilization is low, cell operation considerably below electrochemical oxidation limit of 0.704 V is possible without the risk of reoxidation.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
The measurement of the active material volume fraction in composite electrodes of lithium-ion battery cells is difficult due to the small (sub-micrometer) and irregular structure and multi-component composition of the electrodes, particularly in the case of blend electrodes. State-of-the-art experimental methods such as focused ion beam/scanning electron microscopy (FIB/SEM) and subsequent image analysis require expensive equipment and significant expertise. We present here a simple method for identifying active material volume fractions in single-material and blend electrodes, based on the comparison of experimental equilibrium cell voltage curve (open-circuit voltage as function of charge throughput) with active material half-cell potential curves (half-cell potential as function of lithium stoichiometry). The method requires only (i) low-current cycling data of full cells, (ii) cell opening for measurement of electrode thickness and active electrode area, and (iii) literature half-cell potentials of the active materials. Mathematical optimization is used to identify volume fractions and lithium stoichiometry ranges in which the active materials are cycled. The method is particularly useful for model parameterization of either physicochemical (e.g., pseudo-two-dimensional) models or equivalent circuit models, as it yields a self-consistent set of stoichiometric and structural parameters. The method is demonstrated using a commercial LCO–NCA/graphite pouch cell with blend cathode, but can also be applied to other blends (e.g., graphite–silicon anode).
The durability of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) is governed by a nonlinear coupling between system demand, component behavior, and physicochemical degradation mechanisms, occurring on timescales from the sub-second to the thousand-hour. We present a simulation methodology for assessing performance and durability of a PEMFC under automotive driving cycles. The simulation framework consists of (a) a fuel cell car model converting velocity to cell power demand, (b) a 2D multiphysics cell model, (c) a flexible degradation library template that can accommodate physically-based component-wise degradation mechanisms, and (d) a time-upscaling methodology for extrapolating degradation during a representative load cycle to multiple cycles. The computational framework describes three different time scales, (1) sub-second timescale of electrochemistry, (2) minute-timescale of driving cycles, and (3) thousand-hour-timescale of cell ageing. We demonstrate an exemplary PEMFC durability analysis due to membrane degradation under a highly transient loading of the New European Driving Cycle (NEDC).
One of the bottlenecks hindering the usage of polymer electrolyte membrane fuel cell technology in automotive applications is the highly load-sensitive degradation of the cell components. The cell failure cases reported in the literature show localized cell component degradation, mainly caused by flow-field dependent non-uniform distribution of reactants. The existing methodologies for diagnostics of localized cell failure are either invasive or require sophisticated and expensive apparatus. In this study, with the help of a multiscale simulation framework, a single polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) model is exposed to a standardized drive cycle provided by a system model of a fuel cell car. A 2D multiphysics model of the PEMFC is used to investigate catalyst degradation due to spatio-temporal variations in the fuel cell state variables under the highly transient load cycles. A three-step (extraction, oxidation, and dissolution) model of platinum loss in the cathode catalyst layer is used to investigate the cell performance degradation due to the consequent reduction in the electro-chemical active surface area (ECSA). By using a time-upscaling methodology, we present a comparative prediction of cell end-of-life (EOL) under different driving behavior of New European Driving Cycle (NEDC) and Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC).
Modeling and simulation play a key role in analyzing the complex electrochemical behavior of lithium-ion batteries. We present the development of a thermodynamic and kinetic modeling framework for intercalation electrochemistry within the open-source software Cantera. Instead of using equilibrium potentials and single-step Butler-Volmer kinetics, Cantera is based on molar thermodynamic data and mass-action kinetics, providing a physically-based and flexible means for complex reaction pathways. Herein, we introduce a new thermodynamic class for intercalation materials into the open-source software. We discuss the derivation of molar thermodynamic data from experimental half-cell potentials, and provide practical guidelines. We then demonstrate the new class using a single-particle model of a lithium cobalt oxide/graphite lithium-ion cell, implemented in MATLAB. With the present extensions, Cantera provides a platform for the lithium-ion battery modeling community both for consistent thermodynamic and kinetic models and for exchanging the required thermodynamic and kinetic parameters. We provide the full MATLAB code and parameter files as supplementary material to this article.
Die Veränderungen in der Energieversorgung führen zu einer neuen Systemarchitektur der Stromversorgung, die nur durch einen massiven Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) bewältigt werden kann und meist als „Smart Grid“ bezeichnet wird. Während es bereits umfangreiche Forschungsarbeiten und Demonstrationsprojekte zu einzelnen technologischen Komponenten gibt, existieren noch wenige Überlegungen, in welchen technologischen Schritten eine Migration hin zu Smart Grids durchgeführt werden sollte, die sowohl betriebstechnisch zukunftssicher ist, als auch marktgetriebene Innovationen begünstigt. Der Beitrag veranschaulicht die Herleitung solcher Migrationspfade im Rahmen eines schrittweisen Vorgehens. Zunächst werden Zukunftsszenarien für das Jahr 2030 konstruiert, um die maßgeblichen, oft auch nichttechnischen Einflussfaktoren auf das Smart Grid zu identifizieren. Darauf aufbauend werden die wesentlichen IKT-bezogenen Technologiefelder und ihre Zuordnung zu den Domänen der Energiewirtschaft beschrieben. Für jedes Technologiefeld werden die in den nächsten zwei Jahrzehnten denkbaren Entwicklungsstufen ermittelt und deren Abhängigkeit untereinander analysiert. Die gemeinsame Betrachtung von Szenarien, der Entwicklungsstufen der Technologiefelder und deren Interdependenzen führen schließlich zu einer Roadmap, welche die Migrationspfade in das Smart Grid beschreiben. Es lassen sich drei Entwicklungsphasen erkennen: Die Konzeptionsphase, die Integrationsphase und die Fusionsphase. Die präsentierten Ergebnisse entstammen dem Projekt „Future Energy Grid – Migrationspfade ins Internet“, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des E-Energy-Programms (Förderkennzeichen 01ME10012A und 01ME10013) gefördert wurde.
In this article we outline the model development planned within the joint projectModel-based city planningand application in climate change (MOSAIK). The MOSAIK project is funded by the German FederalMinistry of Education and Research (BMBF) within the frameworkUrban Climate Under Change ([UC]2)since 2016. The aim of MOSAIK is to develop a highly-efficient, modern, and high-resolution urban climatemodel that allows to be applied for building-resolving simulations of large cities such as Berlin (Germany).The new urban climate model will be based on the well-established large-eddy simulation code PALM, whichalready has numerous features related to this goal, such as an option for prescribing Cartesian obstacles. Inthis article we will outline those components that will be added or modified in the framework of MOSAIK.Moreover, we will discuss the everlasting issue of acquisition of suitable geographical information as inputdata and the underlying requirements from the model's perspective.
In this paper, we describe the PALM model system 6.0. PALM (formerly an abbreviation for Parallelized Large-eddy Simulation Model and now an independent name) is a Fortran-based code and has been applied for studying a variety of atmospheric and oceanic boundary layers for about 20 years. The model is optimized for use on massively parallel computer architectures. This is a follow-up paper to the PALM 4.0 model description in Maronga et al. (2015). During the last years, PALM has been significantly improved and now offers a variety of new components. In particular, much effort was made to enhance the model with components needed for applications in urban environments, like fully interactive land surface and radiation schemes, chemistry, and an indoor model. This paper serves as an overview paper of the PALM 6.0 model system and we describe its current model core. The individual components for urban applications, case studies, validation runs, and issues with suitable input data are presented and discussed in a series of companion papers in this special issue.
Heat pumps play a central role in decarbonizing the heat supply of buildings. However, in this article, implementing heat pumps in existing buildings, a significant challenge is still presented due to high temperature requirements. In this article, a systematic analysis of the effects of heat source temperatures, maximum heat pump condenser temperatures, and system temperatures on the seasonal performance of heat pump (HP) systems is presented. The quantitative performance analysis encompasses over 50 heat pumps installed in residential buildings, revealing correlations between the building characteristics, observed temperatures, and heat pump type. The performance of an HP system retrofitted to a 30-dwelling multifamily building is presented in more detail. The bivalent HP system combines air and ground as heat sources and achieves a seasonal performance factor of 3.25 with a share of the gas boiler of 27% in its first year of operation. In these findings, the technical feasibility of retrofitting heat pumps is demonstrated in existing buildings and insights are provided into overcoming the challenges associated with high temperature requirements.
n this work a mathematical model for describing the performance of lithium-ion battery electrodes consisting of porous active material particles is presented. The model represents an extension of the Newman-type model, accounting for the agglomerate structure of the active material particles, here Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 (NCM) and Li(Ni1/3Co1/3Al1/3)O2 (NCA). To this goal, an additional pore space is introduced on the active material level. The space is filled with electrolyte and a charge-transfer reaction takes place at the liquid-solid interface within the porous active material particles. Volume-averaging techniques are used to derive the model equations. A local Thiele modulus is defined and provides an insight into the potentially limiting factors on the active material level. The introduction of a liquid-phase ion transport within the active material reduces the overall transport losses, while the additional active surface area within the agglomerate lowers the charge-transfer resistance. As a consequence, calculated discharge capacities are higher for particles modeled as agglomerates. This finding is more pronounced in the case of high C-rates
Significant improvements in module performance are possible via implementation of multi-wire electrodes. This is economically sound as long as the mechanical yield of the production is maintained. While flat ribbons have a relatively large contact area to exert forces onto the solar cell, wires with round cross section reduce this contact area considerably – in theory to an infinitively thin line. Therefore, the local stresses induced by the electrodes might increase to a point that mechanical production yields suffer unacceptably.
In this paper, we assess this issue by an analytical mechanical model as well as experiments with an encapsulant-free N.I.C.E. test setup. From these, we can derive estimations for the relationship between lay-up accuracy and expected breakage losses. This paves the way for cost-optimized choices of handling equipment in industrial N.I.C.E.-wire production lines.
Im vorliegenden Beitrag wird ein Strommarktsimulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Bereitstellung von Flexibilität auf dem Strom- und Regelleistungsmarkt in Deutschland modell-gestützt analysiert werden soll. Das Modell bildet dabei zwei parallel verlaufende, zentrale Wettbewerbsmärkte ab, an denen Akteure durch die individuelle Gebotsermittlung handeln können. Die entsprechend hierzu entwickelte Gebotslogik wird detailliert erläutert, wobei der Fokus auf der Flexibilität fossil-thermischer Kraftwerke liegt. In der anschließenden Gegen-überstellung mit realen Marktpreisen zeigt sich, dass die verwendete Methodik und die Ge-botslogik den bestehenden Markt und dessen Marktergebnis in geeigneter Form wiederspie-geln, wodurch zukünftig unterschiedlichste Flexibilitätsszenarien analysiert und Aussagen zu deren Auswirkungen auf den Markt und seine Akteure getroffen werden können.
In this article the high-temperature behavior of a cylindrical lithium iron phosphate/graphite lithium-ion cell is investigated numerically and experimentally by means of differential scanning calorimetry (DSC), accelerating rate calorimetry (ARC), and external short circuit test (ESC). For the simulations a multi-physics multi-scale (1D+1D+1D) model is used. Assuming a two-step electro-/thermochemical SEI formation mechanism, the model is able to qualitatively reproduce experimental data at temperatures up to approx. 200 °C. Model assumptions and parameters could be evaluated via comparison to experimental results, where the three types of experiments (DSC, ARC, ESC) show complementary sensitivities towards model parameters. The results underline that elevated-temperature experiments can be used to identify parameters of the multi-physics model, which then can be used to understand and interpret high-temperature behavior. The resulting model is able to describe nominal charge/discharge operation behavior, long-term calendaric aging behavior, and short-term high-temperature behavior during extreme events, demonstrating the descriptive and predictive capabilities of physicochemical models.
Modelling detailed chemistry in lithium-ion batteries: Insight into performance, ageing and safety
(2018)
Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist seit ihrem kommerziellen Durchbruch zu Beginn der neunziger Jahre zum Standard für die portable Energieversorgung geworden. Zunehmend macht sie auch im mobilen und stationären Bereich klassischen Technologien, wie dem Verbrennungsmotor, Konkurrenz. Da in diesen Anwendungsfeldern aber meist größere Energiemengen erforderlich und wesentlich längere Produktlebenszyklen üblich sind, sind einerseits die Sicherheit und andererseits die Alterung der Batterien von herausragendem Interesse. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung und Modellierung einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle. Dabei wird eine Lithiumeisenphosphat-Kathode mit einer Graphit-Anode kombiniert. Dieser Zelltyp eignet sich besonders für stationäre Anwendungen. Trotz eines bisher vergleichsweise geringen Marktanteils lassen sich, wie im Laufe dieser Arbeit ersichtlich wird, die Ergebnisse gut auf den Großteil der kommerziell verwendeten Lithium-Ionen-Zellen abstrahieren. Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe mathematischer Modellierung dieser Lithium-Ionen-Batterie das Verständnis über die komplexen Alterungsmechanismen zu vertiefen, um mit diesen Erkenntnissen Verbesserungsvorschläge zum Aufbau und der Betriebsweise der Batterien zu erarbeiten. Eine Batterie ist ein hochkomplexes physikalisches System, in dem sich die räumlichen Gradienten der physikalischen Größen um viele Größenordnungen unterscheiden können. Auch bei der zeitlichen Betrachtung laufen wichtige Prozesse wie beispielsweise die Ladung, die Alterung oder das thermische Durchgehen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ab. Dabei finden in der Zelle gleichzeitig, teilweise in gegenseitiger Abhängigkeit, zahlreiche chemische Reaktionen statt. Zur numerischen Simulation bedarf es also eines Modells, das flexibel mit diesen unterschiedlichen Anforderungen umgeht. Die in dieser Arbeit verwendete hauseigene Software DENIS bildet dieses flexible Gerüst, welches sich des numerischen Lösers LIMEX, der elektrochemischen Simulationsumgebung Cantera und der Mathematiksoftware MATLAB bedient. Das Kontinuum-Modell verwendet drei unterschiedliche Skalen entlang der gleichen räumlichen Dimension (sog. 1D+1D+1D oder pseudo-3D-Modell). Durch diese drei miteinander gekoppelten Skalen werden die Temperaturverteilung, die elektrochemischen Vorgänge und die Diffusion von Lithium in die Aktivmaterialien berechnet. Ähnliche, häufig nach John Newman benannte, Modelle lassen sich in großer Vielfalt in der Literatur finden. Eine wichtige Verbesserung des Modells stellt daher vor allem die Erweiterung um die Nebenreaktionen dar. Dabei ist die Bildung der Solid Electrolyte Interface (SEI) von herausragendem Interesse, jedoch auch deren Zersetzung bei zu hohen Temperaturen, die zum thermischen Durchgehen der Batterie führen kann. Durch die Modellierung der SEI-Nebenreaktion gelingt es, die kalendarische Alterung der Zellen in dem für viele kommerzielle Anwendungen relevanten Bereich von 100 % bis 80 % State of health (SOH) zu simulieren. Eine weitere wichtige Modellerweiterung stellt die Berücksichtigung mechanischer Effekte dar; dies führt zu einer Beschreibung der zyklischen Alterung der Zelle. Dabei wird ein realer mechanischer Effekt mit dem bestehenden elektrochemischen Modell verbunden. Grundlegende Hypothese ist hierbei, dass die SEI-Schicht beim Laden der Zelle aufbricht und es damit zu einer erhöhten Reduktion des Elektrolyten kommt. Somit ist das Modell in der Lage, sowohl kalendarische als auch zyklische Effekte zu simulieren, die auf chemischen und mechanischen Ursachen basieren. Die Berücksichtigung des Effektes der Austrocknung der Elektrode durch die Reduktion des Elektrolyten ermöglicht eine Vorhersage des irreversiblen Kapazitätsverlustes bis weit über die 80 % SOH-Grenze hinaus. Durch Hinzufügen einer zweiten SEI-Reaktion kann darüber hinaus das thermische und elektrische Verhalten der Zelle bei erhöhten Temperaturen außerhalb des Betriebsbereichs sowie bei externem Kurzschluss qualitativ und quantitativ gut abgebildet werden. Abweichungen der Modellvorhersage zu experimentellen Werten lassen sich zum Teil mit der Vernachlässigung von weniger relevanten physikalischen und chemischen Vorgängen erklären. Ein weiterer Grund für Abweichungen ist in der Zusammensetzung der experimentellen Daten zu suchen, bei denen die Batterien stets von der gleichen Zellchemie sind, sich jedoch in der exakten Bauform teilweise unterscheiden. Um das an Parametern deutlich überbestimmte Modell zu validieren, werden die Ergebnisse umfangreicher Experimente mit stationären Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) verwendet. Neben Lade- und Entladezyklen sind die Elektrochemische-Impedanz-Spektroskopie (EIS) und Alterungsexperimente an baugleichen Zellen durchgeführt worden. Nur mit dieser experimentellen Unterstützung entsteht somit ein konsistentes thermo-elektrochemisches Modell der Zelle. Aufgrund der erweiterten experimentellen Datengrundlage kann somit die Komplexität des Modells erhöht werden. Diese verschiedenen Modellvorhersagen können mit einem einzigen Satz an Parametern gemacht werden. Durch die Kombination und Integration dieser unterschiedlichen Alterungseffekte in ein konsistentes physikalisches System entsteht damit ein Modell, dessen Aussagekraft sich nicht auf einen spezifischen Betriebsbereich der Zelle reduziert. Die Interaktionen der vielen physikalisch-chemischen Effekte sind für verschiedene Betriebszustände analytisch nur schwer abschätzbar. Mit der modellbasierten Abbildung dieser komplexen Interaktionen wird somit ein wissenschaftlicher Mehrwert geschaffen.
A smart energy concept was designed and implemented for a cluster of 5 existing multi-family houses, which combines heat pumps, photovoltaic (PV) modules and combined heat and power units (CHP) to achieve energy- and cost-efficient operation. Measurement results of the first year of operation show that the local power generation by PV modules and CHP unit has a positive effect on the electrical self-sufficiency by reducing electricity import from the grid. In winter, when the CHP unit operates continuously for long periods, the entire electricity for the heat pump and 91 % of the total electricity demand of the neighborhood are supplied locally. In summer, only 53 % is generated within the neighborhood. The use of a specifically developed energy management system EMS is intended to further increase this share. CO2 emissions for heating and electricity of the neighborhood are evaluated and amount to 18.4 kg/(m2a). Compared to the previous energy system consisting of gas boilers (29.1 kg/(m2a)), savings of 37 % are achieved with electricity consumption from the grid being reduced by 65 %. In the second construction stage, an additional heat pump, CHP unit and PV modules will be added. The measurement results indicate that the final district energy system is likely to achieve the ambitious CO2 reduction goal of -50% and further increase the self-sufficiency of the district.
Der prozentuale Energieaufwand für die Warmwasserbereitung ist umso höher, je geringer der Bedarf an Raumwärme – erreicht durch besser gedämmte Gebäudehüllen – ist. Gleichzeitig kann dieser Aufwand für Warmwasser aufgrund der normativ geforderten Systemtemperaturen von 60/55 °C bei zentraler Warmwasserbereitung über Wärmepumpen nur vergleichsweise energieaufwendig abgedeckt werden. Eine Studie des Fraunhofer ISE zeigt, wie groß dieser Temperatur-Effekt im Vergleich unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme ist.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
As PV enters the terawatt era, reliability, sustainability and low carbon footprint of solar modules are key requirements. The N.I.C.E.TM technology from Apollon Solar is a good candidate for significant improvements in these areas. As the second-generation pilot line is now functional with IEC certification underway, we present a holistic assessment of N.I.C.E.TM technology compared with conventional module technology with encapsulant. This includes electrical performance and cost/consumables, reliability, and degradation mechanisms as well as sustainability aspects. In addition, the new generation of N.I.C.E.-wire modules are presented that use thin round Cu wires instead of flat ribbons for interconnection. This candidate technology for an alternative to the Smart Wire Connection Technology (SWCT) is investigated experimentally as well as via numerical simulations.
Buildings that are cooled and, if applicable, heated by thermo-active building systems (TABS) in combination with environmental energy have been established in the market during the last years. Many successful and efficient examples prove, that these systems can achieve a good thermal room comfort with a high energy efficiency of the plant system using environmental energy (mainly surface-near geothermal energy). However, operating experience and a systematic evaluation of several building projects demonstrate that there is potential improvement in the design, implementation, and operation of TABS systems. The article presents operating experience and a detailed evaluation of the operation performance of several non-residential buildings with thermo-active building systems with respect to thermal comfort and energy efficiency.
In 35 deutschen und 7 europäischen Büro- und Verwaltungsgebäuden wurden auf Basis von Monitoringkampagnen über mehrere Betriebsjahre Raum- und Außentemperaturwerte in zeitlich hoher Auflösung erfasst und der thermische Raumkomfort im Sommer standardisiert nach der Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08 detailliert ausgewertet. Ergänzt wird die Auswertung um Kurzzeitmesskampagnen über zwei sehr warme Wochen im Sommer in unsanierten bzw. teilsanierten Bürogebäuden, errichtet im Zeitraum von 1960 bis 1975. Die untersuchten Gebäude mit ihrem jeweiligen Kühlkonzept lassen sich in sechs Kategorien einteilen: ohne Kühlung, passive, luftgeführte und wassergeführte Kühlung sowie Mixed-mode-Kühlung und Vollklimatisierung. Im Quervergleich aller Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Raumkomfort und thermischen Kühlenergiebezug bewertet. Detaillierte Komfortuntersuchungen nach der Europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08 geben Hinweise auf die Wirksamkeit der eingesetzten Kühltechnologien in den jeweiligen Klimazonen. Daraus lassen sich Handlungsempfehlungen für die Planungspraxis und den Gebäudebetrieb ableiten.
Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs‐ und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten. Die Analyse erfolgte auf Basis von detaillierten Langzeitmessungen über ein Betriebsjahr in acht Demonstrationsgebäuden in unterschiedlichen klimatischen Zonen Europas und einer standardisierten Datenauswertung. Im Quervergleich aller acht Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Kühlenergiebezug, dem thermischen Raumkomfort und dem Primärenergieeinsatz für die technische Gebäudeausrüstung und die Beleuchtung bewertet. Ein Energiekonzept ist erst dann zufriedenstellend, wenn mit möglichst geringem Energieeinsatz und bei hoher Anlageneffizienz ein guter thermischer Raumkomfort zur Verfügung gestellt werden kann. Mit entsprechenden Gebäudesignaturen werden diese Parameter in einen Zusammenhang gebracht und die Zielstellung überprüft. Detaillierte Komfortuntersuchungen nach der europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007‐08 geben Hinweise auf die Wirksamkeit der eingesetzten Kühltechnologien in den jeweiligen Klimazonen. Daraus lassen sich Handlungsempfehlungen ableiten.
Mit längerfristigen Nutzerbefragungen in zwei unmittelbar benachbarten Bürogebäuden in Freiburg wurden das Temperaturempfinden der Nutzer und deren Zufriedenheit mit dem thermischen Raumkomfort zweimal täglich erfasst. Ein Bürogebäude wird im Sommer mit einem maschinellen Nachtlüftungskonzept konditioniert und das zweite verfügt über eine Betonkerntemperierung und eine Zu- und Abluftanlage. Auf Basis der vorhandenen Daten aus der Erhebung wurde mit Hilfe von Regressionsanalysen ein Modell zur Vorhersage der Komforttemperatur berechnet und mit den Modellen in DIN EN 15251 verglichen.
Mit längerfristigen Nutzerbefragungen in zwei unmittelbar benachbarten Bürogebäuden in Freiburg wurden das Temperaturempfinden der Nutzer und deren Zufriedenheit mit dem thermischen Raumkomfort zweimal täglich erfasst. Ein Bürogebäude wird im Sommer mit einem maschinellen Nachtlüftungskonzept konditioniert und das zweite verfügt über eine Betonkerntemperierung und eine Zu‐ und Abluftanlage. Auf Basis der vorhandenen Daten aus der Erhebung wurde mit Hilfe von Regressionsanalysen ein Modell zur Vorhersage der Komforttemperatur berechnet und mit den Modellen in DIN EN 15251 verglichen.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
The DMFC is a promising option for backup power systems and for the power supply of portable devices. However, from the modeling point of view liquid-feed DMFC are challenging systems due to the complex electrochemistry, the inherent two-phase transport and the effect of methanol crossover. In this paper we present a physical 1D cell model to describe the relevant processes for DMFC performance ranging from electrochemistry on the surface of the catalyst up to transport on the cell level. A two-phase flow model is implemented describing the transport in gas diffusion layer and catalyst layer at the anode side. Electrochemistry is described by elementary steps for the reactions occurring at anode and cathode, including adsorbed intermediate species on the platinum and ruthenium surfaces. Furthermore, a detailed membrane model including methanol crossover is employed. The model is validated using polarization curves, methanol crossover measurements and impedance spectra. It permits to analyze both steady-state and transient behavior with a high level of predictive capabilities. Steady-state simulations are used to investigate the open circuit voltage as well as the overpotentials of anode, cathode and electrolyte. Finally, the transient behavior after current interruption is studied in detail.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are energy efficient and environmentally friendly alternatives to conventional energy conversion systems in many yet emerging applications. In order to enable prediction of their performance and durability, it is crucial to gain a deeper understanding of the relevant operation phenomena, e.g., electrochemistry, transport phenomena, thermodynamics as well as the mechanisms leading to the degradation of cell components. Achieving the goal of providing predictive tools to model PEMFC performance, durability and degradation is a challenging task requiring the development of detailed and realistic models reaching from the atomic/molecular scale over the meso scale of structures and materials up to components, stack and system level. In addition an appropriate way of coupling the different scales is required.
This review provides a comprehensive overview of the state of the art in modeling of PEMFC, covering all relevant scales from atomistic up to system level as well as the coupling between these scales. Furthermore, it focuses on the modeling of PEMFC degradation mechanisms and on the coupling between performance and degradation models.
Given the looming threats of climate change and the rapid worldwide urbanization, it is a necessity to prioritize the transition towards a carbon-free built environment. This research study provides a holistic digital methodology for parametric design of urban residential buildings with regard to the Mediterranean semi-arid climate zone of Morocco in the early design phase. The morphological parameters of the urban residential buildings, namely the buildings’ typology, the distance between buildings, the urban grid’s orientation, and the window-towall ratio, are evaluated in order to identify the key combinations of passive and active solar design strategies that determine the high energy performing configurations, based on the introduced Energy Performance Index (EPI), which is the ratio between solar BIPV production to maximum available installed BIPV capacity and the normalized thermal energy needs. Through an automated processing of 2187 iterations via Grasshopper, we simulate daylight autonomy, indoor thermal comfort and solar rooftop photovoltaic and building integrated photovoltaic (BIPV) energy potential. Then, we analyze the conflicting objectives of energy efficiency measures, active solar design strategies, and indoor visual comfort in the decision-making process that supports our goal of getting closer to net zero urban residential buildings. The digital workflow showed interesting trends in reaching a balanced equilibrium between performance metrics influenced by the contrasting impact of solar exposure on indoor daylight autonomy and thermal energy demand. Furthermore, the study’s findings indicate that it is possible to achieve an annual load match exceeding 66,56 % while simultaneously ensuring an acceptable visual indoor comfort (sDA higher than 0.4). The findings also highlight the important role of the BIPV system in shifting towards the net zero energy goal, by contributing up to 30 % of the overall solar energy output and covering up to 20 % of the yearly self-consumption. Moreover, the energy balance evaluation on an hourly basis indicates that BIPV system notably enhances the daily load cover factor by up to 5.5 %, particularly in the case of slab SN typology, throughout the different seasons. Graphical representations of the yearly, monthly and hourly load matches and the hourly energy balance of the best performing configurations provide a thorough understanding of the potential evolution of the urban energy system over time as a result of the gradual integration of active solar electricity production.
The uncertain and time-variant nature of renewable energy results in the need to deal with peaks in the production of energy. One approach is to achieve a load shift and thereby help balancing the grid by using thermally Activated Building Systems (TABS). Control systems currently in place do not exploit the full potential of TABS. This paper reviews how Model Predictive Control can possibly reduce the fluctuations of the demand and supply of (renewable) energy as it enables the TABS to react to the dynamics of weather and its impact on the grid at any time.
The nonlinear behavior of inverters is largely impacted by the interlocking and switching times. A method for online identifying the switching times of semiconductors in inverters is presented in the following work. By being able to identify these times, it is possible to compensate for the nonlinear behavior, reduce interlocking time, and use the information for diagnostic purposes. The method is first theoretically derived by examining different inverter switching cases and determining potential identification possibilities. It is then modified to consider the entire module for more robust identification. The methodology, including limitations and boundary conditions, is investigated and a comparison of two methods of measurement acquisition is provided. Subsequently the developed hardware is described and the implementation in an FPGA is carried out. Finally, the results are presented, discussed, and potential challenges are encountered.