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Energietechnik
(2019)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. 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. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Sweaty has already participated four times in RoboCup soccer competitions (Adult Size) and came second three times. While 2016 Sweaty needed a lot of luck to be finalist, 2017 Sweaty was a serious adversary in the preliminary rounds. In 2018 Sweaty showed up in the final with some lack of experience and room for improvements, but not without any chance. This paper describes the intended improvements of the humanoid adult size robot Sweaty in order to qualify for the RoboCup 2019 adult size competition.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
The Humboldt Portal has been designed and implemented as part of an ongoing research project to develop an information system on the Internet to share the documents and rare books of Alexander von Humboldt, a 19th century German scientist and explorer, who viewed the natural world holistically and described the harmony of nature among the diversity of the physical world. Even after more than two centuries he is admired for his ability to see the natural world and human nature in the context of a complex network of relationships. The design and implementation of the Humboldt Portal are also oriented to support further research on Humboldt’s intellectual perspective.
Although all of Humboldt's works can be found on the internet as digitized documents, the complexity and internal inter-connectivity of his vision of nature cannot be adequately represented only by digitized papers or scanned documents in digital libraries.
As a consequence a specific portal of the Humboldt's documents was developed, which extends the standards of digital libraries and offers a technical approach for the adequate presentation of highly interconnected data.
Due to the continuous scientific and literary research, new insights and requirements for the digital presentation of Humboldt documents are constantly emerging, so that this article only provides a summary of the concepts realized at now. Consequently, the design and implementation of the Humboldt Portal is both: a consequence of a continuing research project and oriented to support more research on Humboldt´s intellectual holistic perspective, which was an anticipation to the System Approach of the last Century.
In den letzten Jahren sind verstärkt große Batteriespeichersysteme in der Mittel- und Hochspannungsebene in Deutschland installiert worden. Neben dem Einsatz für lokale Anwendungszwecke wie Eigenverbrauchsmaximierung oder Lastspitzenkappung sind seit 2016 etwa 250 MW aus Batteriespeichern für die Teilnahme am Markt für Primärregelleistung (PRL) präqualifiziert worden. Damit können bereits 40 % des aktuellen Bedarfs der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) gedeckt werden. Für einen zuverlässigen Betrieb von Batteriespeichern sind intelligente Betriebsstrategien erforderlich, die im Rahmen dieser Analyse vorgestellt werden.
In der Tiefengeothermie spielen – unter den jeweiligen geologischen Rahmenbedingungen – thermische, hydraulische, chemische und mechanische (THCM-) Prozesse eine grundlegende Rolle hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit einer geothermischen Nutzung. Die Etablierung einer neuen Technologie wird sich darüber hinaus ohne Akzeptanz in der Bevölkerung mittel- und langfristig nicht behaupten können. Deshalb bilden Transparenz (z.B. Überwachung der induzierten Seismizität) und ein Transfer von Ergebnissen der Geothermie-Forschung in die Öffentlichkeit wesentliche Grundlagen zur Schaffung einer hinreichenden Akzeptanz der Tiefengeothermie.
Das Verbundprojekt GEO.Cool von Partnern im Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) hat zum Ziel, Möglichkeiten sowie Grenzen der Kühlung mit oberflächennaher Geothermie in interdisziplinärer Arbeit zu erheben und daraus Impulse für Innovationen in diesem Bereich zu gewinnen.
Das Vorhaben ist in die folgenden sechs Arbeitspakete (AP) gegliedert:
AP 1: Bedarfe und Systemaspekte
AP 2: Systemtechnik und Planung von Anlagen zur Kühlung mit oberflächennaher Ge-othermie
AP 3: Analyse von Best-Practice-Beispielen
AP 4: Thermisches und hydrogeologisches Verhalten des Untergrunds
AP 5: Genehmigungspraxis und Grenzwerte
AP 6: Synopse, Innovationspotenzial und Transfer.
Das Projekt hat eine Laufzeit vom 23.01.2017 bis zum 30.09.2019 (Förderzeitraum für alle Arbeitspakete und Projektpartner).
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.
Economic growth and ecological problems motivate industries to apply eco-friendly technologies and equipment. However, environmental impact, followed by energy and material consumption still remain the main negative implications of the technological progress in process engineering. Based on extensive patent analysis, this paper assigns more than 250 identified eco-innovation problems and requirements to 14 general eco-categories with energy consumption and losses, air pollution, and acidification as top issues. It defines primary eco-engineering contradictions, in case eco-problems appear as negative side effects of the new technologies, and secondary eco-engineering contradictions, if eco-friendly solutions have new environmental drawbacks. The study conceptualizes a correlation matrix between the eco-requirements for prediction of typical eco-contradictions on example of processes involving solids handling. Finally, it summarizes major eco-innovation approaches including Process Intensification in process engineering, and chronologically reviews 66 papers on eco-innovation adapting TRIZ methodology. Based on analysis of 100 eco-patents, 58 process intensification technologies, and literature, the study identifies 20 universal TRIZ inventive principles and sub-principles that have a higher value for environmental innovation.
The development of new processes and materials for additive manufacturing is currently progressing rapidly. In order to use the advantages of additive manufacturing, however, product development and design must also be adapted to these new processes. Therefore it is suitable to use structural optimization. To achieve the best results in lightweight design, it is important to have an approach that reduces the volume in the unloaded regions and considers the restrictions and characteristics of the additive manufacturing process. In this contribution, a case study using a humanoid robot is presented. Thus, the pelvis module of a humanoid robot is optimized regarding its weight and stiffness. Furthermore, an integrated design is implemented in order to reduce the number of parts and the screw connections. The manufacturing uses a new aluminum-based material that has been specially developed for use in additive manufacturing and lightweight construction. For the additive manufacturing by means of the Selective Laser Melting (SLM) process, different restrictions and the assembly concepts of the humanoid robot have to be taken into account. These restrictions have to be considered in the setting of the individual parameters and target functions of the structural optimization. As a result, a framework is presented that shows the steps of the redesign and the optimization of the pelvis module. In order to achieve high accuracy with the product, the redesign of the pelvis module is demonstrated with regard to mechanical and thermal postprocessing. Finally, the redesigned part and the different assembly concepts are compared to analyze the economic and technical effects of the optimization.
Tryptamines can occur naturally in plants, mushrooms, microbes, and amphibians. Synthetic tryptamines are sold as new psychoactive substances (NPS) because of their hallucinogenic effects. When it comes to NPS, metabolism studies are of crucial importance, due to the lack of pharmacological and toxicological data. Different approaches can be taken to study in vitro and in vivo metabolism of xenobiotica. The zygomycete fungus Cunninghamella elegans (C. elegans) can be used as a microbial model for the study of drug metabolism. The current study investigated the biotransformation of four naturally occurring and synthetic tryptamines [N,N‐Dimethyltryptamine (DMT), 4‐hydroxy‐N‐methyl‐N‐ethyltryptamine (4‐HO‐MET), N,N‐di allyl‐5‐methoxy tryptamine (5‐MeO‐DALT) and 5‐methoxy‐N‐methyl‐N‐isoporpoyltryptamine (5‐MeO‐MiPT)] in C. elegans after incubation for 72 hours. Metabolites were identified using liquid chromatography–high resolution–tandem mass spectrometry (LC–HR–MS/MS) with a quadrupole time‐of‐flight (QqTOF) instrument. Results were compared to already published data on these substances. C. elegans was capable of producing all major biotransformation steps: hydroxylation, N‐oxide formation, carboxylation, deamination, and demethylation. On average 63% of phase I metabolites found in the literature could also be detected in C. elegans. Additionally, metabolites specific for C. elegans were identified. Therefore, C. elegans is a suitable complementary model to other in vitro or in vivo methods to study the metabolism of naturally occurring or synthetic tryptamines.
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.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics model of a 350 mAh high-power lithium-ion pouch cell with graphite anode and lithium cobalt oxide/lithium nickel cobalt aluminum oxide (LCO/NCA) blend cathode. The model describes transport processes on three different scales: Heat transport on the macroscopic scale (cell), mass and charge transport on the mesoscopic scale (electrode pair), and mass transport on the microscopic scale (active material particles). A generalized description of electrochemistry in blend electrodes is developed, using the open-source software Cantera for calculating species source terms. Very good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy, and surface temperature measurements is observed over a wide range of operating conditions (0.05C to 10C charge and discharge, 5°C to 35°C). The behavior of internal states (concentrations, potentials, temperatures) is discussed. The blend materials show a complex behavior with both intra-particle and inter-particle non-equilibria during cycling.
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 ability to change aerodynamic parameters of airfoils during flying can potentially save energy as well as reducing the noise made by the unmanned aerial vehicles (UAV) because of sharp edges of the airfoil and its rudders. In this paper, an approach for the design of an adaptive wing using a multi-material 3D printer is shown. In multi-material 3D printing, up to six different materials can be combined in one component. Thus, the user can determine the mixture and the spatial arrangement of this “digital material” in advance in the pre-processing software. First, the theoretical benefits of adaptive wings are shown, and already existing adaptive wings and concepts are explicated within a literature review. Then the additive manufacturing process using photopolymer jetting and its capabilities to print multiple materials in one part are demonstrated. Within the scope of a case study, an adaptive wing is developed and the necessary steps for the product development and their implementation in CAD are presented. This contribution covers the requirements for different components and sections of an adaptive wing designed for additive manufacturing using multiple materials as well as the single steps of development with its different approaches until the final design of the adaptive wing. The developed wing section is simulated, and qualitative tests in a wind tunnel are carried out with the wing segment. Finally, the additively manufactured wing segment is evaluated under technical and economic aspects.
We present a planar chromatographic separation method for the compounds caffeine, artemisinin, and equol, separated on high-performance thin-layer chromatography (HPTLC) silica gel plates. As solvents for separation, methyl t-butyl ether and cyclohexane (1:1, V/V) have been used for equol, cyclohexane and ethyl acetate (7:3, V/V) for artemisinin, and ethyl acetate and acetone (7:3, V/V) for caffeine. After separation, the plate was scanned with a very specific time of flight-direct analysis in real time-mass spectrometry (TOF-DART-MS) system using the (M + 1)+ signals of equol, artemisinin, and caffeine. The (M + 1) peak of artemisinin at 283.13 m/z is clearly detectable, which is the proof that DART-MS is applicable for the quantitative determination of rather instable molecules. The planar set-up of DART source, HPTLC plate and detector inlet in a line showed higher sensitivities compared to desorption at an angle. The optimal detector voltage increases with the molar mass of the analyte, thus an individual determination of optimal detector voltage setting for the different analyte is recommended to achieve the best possible measurement conditions. In conclusion, DART-MS detection in combination with an HPTLC separation allows very specific quantification of all three compounds.