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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Metallisieren von Substraten. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der zur Galvanisierung von Solarzellen verwendeten Kontaktelemente im Rahmen einer nasschemischen Durchlauf-Behandlungsanlage. Eine erfindungsgemäße nasschemische Behandlungsanlage zum elektrochemischen Beschichten von flachen Substraten (1) mit Beschichtungsmaterial hat ein Becken zur Aufnahme eines Elektrolyten, sowie Transportmittel, mit welchen die flachen Substrate (1) horizontal durch den Elektrolyten transportierbar sind, und mindestens ein Kontaktelement (2), welches eine Welle (4) mit Drehachse (5) und eine zum Abrollen auf dem Substrat (1) geeignete zylindrische Umfangsfläche aufweist, wobei die Umfangsfläche mindestens ein elektrisch isoliertes Segment (3B) und mindestens ein elektrisch leitendes Segment (3A) umfasst, das mit einer Stromquelle (6) umpolbar verbindbar ist, wobei die Drehachse (5) des Kontaktelements (2) oberhalb der Oberfläche des Elektrolyten positioniert ist.
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Transports flacher Substrate wie beispielsweise Siliziumsubstrate. Insbesondere betrifft die Erfindung den besonders schonenden und kontinuierlichen Transport solcher Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Transport eines vertikal ausgerichteten flachen Substrats (1) in eine Transportrichtung innerhalb eines mit einem flüssigen Medium (F) gefüllten Transportkanals (2), wobei das flüssige Medium (F) gegen mindestens eine der Flachseiten des Substrats (1) strömt und eine die Summe aus Gewichts- und Auftriebskraft des Substrats (1) aufhebende Tragekomponente, sowie eine in Transportrichtung gerichtete Vorschubkomponente aufweist, so dass das Substrat (1) ohne mechanische Hilfsmittel getragen und transportiert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Transportkanal (2) zur Aufnahme eines flüssiges Mediums (F) sowie eines innerhalb dieses Mediums (F) in vertikaler Ausrichtung zu führenden Substrats (1), wobei der Transportkanal (2) in seinem Wandbereich (3, 4) Einströmöffnungen (5) aufweist.
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Transports flacher Substrate wie beispielsweise Siliziumsubstrate. Insbesondere betrifft die Erfindung den besonders schonenden und kontinuierlichen Transport solcher Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Transport eines vertikal ausgerichteten flachen Substrats (1) in eine Transportrichtung innerhalb eines mit einem flüssigen Medium (F) gefüllten Transportkanals (2), wobei das flüssige Medium (F) gegen mindestens eine der Flachseiten des Substrats (1) strömt und eine die Summe aus Gewichts- und Auftriebskraft des Substrats (1) aufhebende Tragekomponente, sowie eine in Transportrichtung gerichtete Vorschubkomponente aufweist, so dass das Substrat (1) ohne mechanische Hilfsmittel getragen und transportiert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Transportkanal (2) zur Aufnahme eines flüssiges Mediums (F) sowie eines innerhalb dieses Mediums (F) in vertikaler Ausrichtung zu führenden Substrats (1), wobei der Transportkanal (2) in seinem Wandbereich (3, 4) Einströmöffnungen (5) aufweist.
Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Aktor, insbesondere für einen mobilen Roboter, mit einem geschalteten, zylindrischen Linearreluktanzmotor-Antrieb (21), bestehend aus einem hohlzylindrischen Stator (23), welcher am Innenumfang zwischen umlaufenden Statorzähnen (23a) vorgesehene umlaufende Nuten (23b) aufweist, in welchen Motorwicklungen (27a, 27b, 27c, 27’a, 27’b, 27’c) angeordnet sind, und einem innerhalb des Stators (23) koaxial vorgesehenen zylindrischen oder hohlzylindrischen Translator (25) mit am Außenumfang vorgesehenen, umlaufenden Translatorzähnen (25a), wobei der Stator (23) im Bereich der Statorzähne (23a) und der Translator (25) im Bereich der Translatorzähne (25a) aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Erfindungsgemäß ist der Translator (25) über eine mechanische Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie (31) fest oder nur für einen vorbestimmten Bereich eines Bewegungsbereichs des Translators (25) mit dem Stator (25) gekoppelt.
Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen, die einen Schraubenkopf (8) und einen Schraubenschaft (9) mit einem oberen Schaftbereich (7) aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt anliegt, wobei mindestens zwei Dehnungsmesssensoren so im Schraubenschaft (9) angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft (9) erfassen, aus denen über konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen Schaftbereich (7) bestimmt werden können, wobei die Dehnungsmesssensoren als faseroptische Sensoren an mehreren Stellen entlang mindestens einer optischen Faser (1) ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messchraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Messschraube umfasst mindestens zwei Dehnungsmesssensoren, die so im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft erfassen, aus denenüber konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen freien Schaftbereich bestimmt werden können. Durch Möglichkeit der Bestimmung mehrachsiger Belastungen lassen sich Schrauben sachgerechter auslegen, so dass die Gefahr von Schraubenbrüchen reduziert wird.
Variable refrigerant flow (VRF) and variable air volume (VAV) systems are considered among the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to their ability to provide cooling and heating in different thermal zones of the same building. As well as their ability to recover the heat rejected from spaces requiring cooling and reuse it to heat another space. Nevertheless, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building. So, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. This study aims to compare these two energy systems by conducting an energy model simulation of a real building under a semi-arid climate for cooling and heating periods. The developed building energy model (BEM) was validated and calibrated using measured and simulated indoor air temperature and energy consumption data. The study aims to evaluate the effect of these HVAC systems on energy consumption and the indoor thermal comfort of the building. The numerical model was based on the Energy Plus simulation engine. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving along with a high level of indoor thermal comfort by using the VRF system compared to the VAV system. The findings prove that the VRF system provides 46.18% of the annual total heating energy savings and 6.14% of the annual cooling and ventilation energy savings compared to the VAV system.
During pyrolysis, biomass is carbonised in the absence of oxygen to produce biochar with heat and/or electricity as co-products making pyrolysis one of the promising negative emission technologies to reach climate goals worldwide. This paper presents a simplified representation of pyrolysis and analyses the impact of this technology on the energy system. Results show that the use of pyrolysis can allow getting zero emissions with lower costs by making changes in the unit commitment of the power plants, e.g. conventional power plants are used differently, as the emissions will be compensated by biochar. Additionally, the process of pyrolysis can enhance the flexibility of energy systems, as it shows a correlation between the electricity generated by pyrolysis and the hydrogen installation capacity, being hydrogen used less when pyrolysis appears. The results indicate that pyrolysis, which is available on the market, integrates well into the energy system with a promising potential to sequester carbon.
TRIZ Innovationstechnologie
(2023)
Recent advances in spiked shoe design, characterized by increased longitudinal stiffness, thicker midsole foams, and reconfigured geometry are considered to improve sprint performance. However, so far there is no empirical data on the effects of advanced spikes technology on maximal sprinting speed (MSS) published yet. Consequently, we assessed MSS via ‘flying 30m’ sprints of 44 trained male (PR: 10.32 s - 12.08 s) and female (PR: 11.56 s - 14.18 s) athletes, wearing both traditional and advanced spikes in a randomized, repeated measures design. The results revealed a statistically significant increase in MSS by 1.21% on average when using advanced spikes technology. Notably, 87% of participants showed improved MSS with the use of advanced spikes. A cluster analysis unveiled that athletes with higher MSS may benefit to a greater extent. However, individual responses varied widely, suggesting the influence of multiple factors that need detailed exploration. Therefore, coaches and athletes are advised to interpret the promising performance enhancements cautiously and evaluate the appropriateness of the advanced spike technology for their athletes critically.
High-tech running shoes and spikes ("super-footwear") are currently being debated in sports. There is direct evidence that distance running super shoes improve running economy; however, it is not well established to which extent world-class performances are affected over the range of track and road running events.
This study examined publicly available performance datasets of annual best track and road performances for evidence of potential systematic performance effects following the introduction of super footwear. The analysis was based on the 100 best performances per year for men and women in outdoor events from 2010 to 2022, provided by the world governing body of athletics (World Athletics).
We found evidence of progressing improvements in track and road running performances after the introduction of super distance running shoes in 2016 and super spike technology in 2019. This evidence is more pronounced for distances longer than 1500 m in women and longer than 5000 m in men. Women seem to benefit more from super footwear in distance running events than men.
While the observational study design limits causal inference, this study provides a database on potential systematic performance effects following the introduction of super shoes/spikes in track and road running events in world-class athletes. Further research is needed to examine the underlying mechanisms and, in particular, potential sex differences in the performance effects of super footwear.
Polyarticulated active prostheses constitute a promising solution for upper limb amputees. The bottleneck for their adoption though, is the lack of intuitive control. In this context, machine learning algorithms based on pattern recognition from electromyographic (EMG) signals represent a great opportunity for naturally operating prosthetic devices, but their performance is strongly affected by the selection of input features. In this study, we investigated different combinations of 13 EMG-derived features obtained from EMG signals of healthy individuals performing upper limb movements and tested their performance for movement classification using an Artificial Neural Network. We found that input data (i.e., the set of input features) can be reduced by more than 50% without any loss in accuracy, while diminishing the computing time required to train the classifier. Our results indicate that input features must be properly selected in order to optimize prosthetic control.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence, and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
Recently, photovoltaic (PV) with energy storage systems (ESS) have been widely adopted in buildings to overcome growing power demands and earn financial benefits. The overall energy cost can be optimized by combining a well-sized hybrid PV/ESS system with an efficient energy management system (EMS). Generally, EMS is implemented within the overall functions of the Building Automation System (BAS). However, due to its limited computing resources, BAS cannot handle complex algorithms that aim to optimize energy use in real-time under different operating conditions. Furthermore, islanding the building's local network to maximize the PV energy share represents a challenging task due to the potential technical risks. In this context, this article addresses an improved approach based on upgrading the BAS data analytics capability by means of an edge computing technology. The edge communicates with the BAS low-level controller using a serial communication protocol. Taking advantage of the high computing ability of the edge device, an optimization-based EMS of the PV/ESS hybrid system is implemented. Different testing scenarios have been carried out on a real prototype with different weather conditions, and the results show the implementation feasibility and technical performance of such advanced EMS for the management of building energy resources. It has also been proven to be feasible and advantageous to operate the local energy network in island mode while ensuring system safety. Additionally, an estimated energy saving improvement of 6.23 % has been achieved using optimization-based EMS compared to the classical rule-based EMS, with better ESS constraints fulfillment.
For the treatment of bone defects, biodegradable, compressive biomaterials are needed as replacements that degrade as the bone regenerates. The problem with existing materials has either been their insufficient mechanical strength or the excessive differences in their elastic modulus, leading to stress shielding and eventual failure. In this study, the compressive strength of CPC ceramics (with a layer thickness of more than 12 layers) was compared with sintered β-TCP ceramics. It was assumed that as the number of layers increased, the mechanical strength of 3D-printed scaffolds would increase toward the value of sintered ceramics. In addition, the influence of the needle inner diameter on the mechanical strength was investigated. Circular scaffolds with 20, 25, 30, and 45 layers were 3D printed using a 3D bioplotter, solidified in a water-saturated atmosphere for 3 days, and then tested for compressive strength together with a β-TCP sintered ceramic using a Zwick universal testing machine. The 3D-printed scaffolds had a compressive strength of 41.56 ± 7.12 MPa, which was significantly higher than that of the sintered ceramic (24.16 ± 4.44 MPa). The 3D-printed scaffolds with round geometry reached or exceeded the upper limit of the compressive strength of cancellous bone toward substantia compacta. In addition, CPC scaffolds exhibited more bone-like compressibility than the comparable β-TCP sintered ceramic, demonstrating that the mechanical properties of CPC scaffolds are more similar to bone than sintered β-TCP ceramics.
Grundzüge der Strömungslehre
(2023)
Dieses ausgereifte Lehrbuch stellt in prägnant kurzer und mathematisch verständlicher Darstellung die strömungstechnischen Grundlagen dar. Aufgaben mit Lösungen helfen den Lernstoff richtig anzuwenden und fördern das Verständnis. Das Buch eignet sich zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen über Strömungslehre sowie zum Selbststudium. Die vorliegende Auflage geht auf die immer größer werdende Rolle des Energiehaushalts ein und trägt damit den aktuellen Entwicklungen Rechnung. Ergänzt wurden aktuelle Übungsaufgaben der Strömungsmechanik, zahlreiche Beispiele veranschaulichen den Energiesatz.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Renewable energy sources such as solar radiation, geothermal heat and ambient heat are available for energy conversion. With the help of special converters, these resources can be put to use. These include solar collectors, geothermal probes and chillers. They collect the energy and convert it to a temperature level high enough to be suitable for heat purposes. In the case of refrigeration machines, a distinction is made between electrically and thermally driven machines.
The use of renewable energy sources for heating and cooling in buildings today offers the best opportunities to avoid the use of fossil fuels and the associated climate-damaging emissions. However, unlike fossil fuels, renewable energy sources such as solar radiation are not available at the push of a button, but occur uncontrollably depending on weather conditions, the location of the building and the time of year. Their use is free of charge. However, complex converters and systems usually have to be installed in order to use them. These must be carefully planned and operated in order to avoid unnecessary costs and to generate the maximum possible yield. The regenerative energy systems are usually integrated into existing conventional systems. When designing the control and regulation equipment, it is crucial to design the automation of the systems in such a way that primarily renewable energy sources are used and the share of fossil energy sources is minimized.
This textbook helps use regenerative systems for heating and cooling effectively. Integration and automation schemes provide a quick overview. Practical examples clearly show standard solutions for the integration of regenerative energy sources. For the 2nd edition, improvements have been made to the text and illustrations, and references to standards have been updated. Control questions at the end of the main chapters serve to consolidate the understanding of the content.
Hintergrund
In diesem Artikel wird ein Überblick und Vergleich der am häufigsten verwendeten zementierten Hüftschäfte, gruppiert in die verschiedenen Schafttypen und Zementmanteldicken, gegeben, um zu sehen, welche Kombination gut abschneidet.
Methodik
Aus dem Endoprothesenregister Deutschland wurden die Revisionsraten zementierter Schaftarten kategorisiert und die Revisionsraten von 3 und 5 Jahren erfasst und analysiert. Für die Recherche lag die Konzentration auf den Schäften Exeter, C‑Stem, MS-30, Excia, Bicontact, Charnley, Müller Geradschaft, Twinsys, Corail, Avenir, Quadra und dem Lubinus SP II. Ein wichtiger Aspekt lag darin, welcher Schaft favorisiert implantiert wird und welche Zementiertechnik in Hinblick auf die geplante Zementmanteldicke angewendet wird. Um einen Trend in der zementierten Hüftendoprothetik herauszufinden, wurden zusätzlich die Daten des dänischen, schwedischen, norwegischen, schweizerischen, neuseeländischen, englischen und australischen Endoprothesenregister verglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung
Die meisten Länder nutzen zementierte Prothesen nach dem Kraftschlussprinzip (Exeter, MS30, C‑Stem etc.) oder dem Formschlussprinzip (Charnley, Excia, Bicontact), welche mit einer Zementmanteldicke von 2–4 mm implantiert werden. Jedoch hat sich in Deutschland und der Schweiz ein Trend zur Line-to-Line-Technik, mit einer geplanten Zementmanteldicke von 1 mm (Twinsys, Corail, Avenir, Quadra) aufgezeigt, dem Prinzip der Müller-Geradschaft-Prothese und der Kerboul-Charnley-Prothese folgend, auch wenn diese an sich als „french paradoxon“ postuliert werden. In den EPRD-5-Jahres-Ergebnissen scheinen die neueren Line-to-Line-Prothesen etwas schlechter abzuschneiden. Die besten Ergebnisse erzielt der „MS 30“ in Deutschland und der „Exeter“ in England. Hierbei handelt es sich um polierte Geradschäfte mit Zentraliser und Subsidence-Raum an der Spitze mit einem 2–4 mm Zementmantel in guter Zementiertechnik.
Human interaction frequently includes decision-making processes during which interactants call on verbal and non-verbal resources to manage the flow of interaction. In 2017, Stevanovic et al. carried out pioneering work, analyzing the unfolding of moment-by-moment dynamics by investigating the behavioral matching during search and decision-making phases. By studying the similarities in the participant's body sway during a conversation task in Finnish, the authors showed higher behavioral matching during decision phases than during search phases. The purpose of this research was to investigate the whole-body sway and its coordination during joint search and decision-making phases as a replication of the study by Stevanovic et al. (2017) but based on a German population. Overall, 12 dyads participated in this study and were asked to decide on 8 adjectives, starting with a pre-defined letter, to describe a fictional character. During this joint-decision task (duration: 206.46 ± 116.08 s), body sway of both interactants was measured using a 3D motion capture system and center of mass (COM) accelerations were computed. Matching of body sway was calculated using a windowed cross correlation (WCC) of the COM accelerations. A total of 101 search and 101 decision phases were identified for the 12 dyads. Significant higher COM accelerations (5.4*10−3 vs. 3.7*10−3 mm/s2, p < 0.001) and WCC coefficients (0.47 vs. 0.45, p = 0.043) were found during decision-making phases than during search phases. The results suggest that body sway is one of the resources humans use to communicate the arrival at a joint decision. These findings contribute to a better understanding of interpersonal coordination from a human movement science perspective.
Background/Purpose
Several methods are used to evaluate the outcome of total hip arthroplasty (THA), however, their relationship at different time points after surgery is unclear. The purpose of this exploratory study was to investigate correlations between self-report function, performance-based tests (PBTs) and biomechanical parameters in patients 12 months after THA.
Methods
Eleven patients were included in this preliminary cross-sectional study. Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score (HOOS) was completed for self-reported function. As PBTs, the Timed-up-and-Go test (TUG) and 30-Second-Chair-Stand test (30CST) were used. Biomechanical parameters were derived from analyses of hip strength, gait and balance. Potential correlations were calculated using Spearman correlation coefficient r.
Results
HOOS scores and parameters of PBTs showed moderate to strong correlations (0.3 < r < 0.7). Correlation analysis between HOOS scores and biomechanical parameters revealed moderate to strong correlations for hip strength whereas correlations with gait parameters and balance were rather weak (r < 0.3). Moderate to strong correlations were also found between parameters of hip strength and 30CST.
Conclusion
For THA outcome assessment 12 months after surgery, our first results indicate that self-report measures or PBTs could be used. Analysis of hip strength also appears to be reflected in HOOS and PBT parameters and may be considered as an adjunct. Given the weak correlations with gait and balance parameters, we suggest that gait analysis and balance testing should be performed in addition to PROMs and PBTs as they may provide supplementary information, especially for THA patients that are at risk for falls.
The increasing diffusion of rapidly developing AI technologies led to the idea of the experiment to combine TRIZ-based automated idea generation with the natural language processing tool ChatGPT, using the chatbot to interpret the automatically generated elementary solution principles. The article explores the opportunities and benefits of a novel AI-enhanced approach to teaching systematic innovation, analyses the learning experience, identifies the factors that affect students' innovation and problem-solving performance, and highlights the main difficulties students face, especially in interdisciplinary problems.
Im Zuge der Machbarkeitsstudie „BubbleMeth“ (FKZ BWFE310091) wurde die Machbarkeit der biologischen Methanisierung in einem neukonzipierten innovativen Pilot-Reaktor, basierend auf einer Gegenstromblasensäule mit separatem Entgasungs-Reaktor, sowohl für den Betrieb in der biologischen in-situ als auch der ex-situ Methanisierung demonstriert.
Die Pilot-Anlage besteht aus einer Gegenstromblasensäule und einem separaten Entgasungs-Reaktor und wurde an der Hochschule Offenburg geplant und gebaut. Die beiden Reaktor-Säulen haben jeweils eine Höhe von 10 m, einen Säulendurchmesser von 0,3 m und ein Gesamtreaktionsvolumen von etwa 1,1 m3. Der Gaseintrag erfolgt über Sinterplatten am Boden der Gegenstromblasensäule. In dieser Begasungssäule strömt die Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zu den aufsteigenden Gasblasen und reichert sich durch den am Säulenfuß vorliegenden hydraulischen Druck zunehmend mit gelöstem Gas an. Die Säule, in die das Eduktgas am Säulenboden eingetragen wird, ist in Abbildung 1 auf der rechten Seite dargestellt und befindet sich auf der Saugseite einer Pumpe. Bei einer etwa 9,5 m hohen Wassersäule erhöht sich der Absolutdruck am Säulenboden auf etwa 1,95 bar, womit sich die Löslichkeit einer beliebigen Gaskomponente im Vergleich zum Atmosphärendruck bei konstanter Temperatur im Gleichgewicht gemäß dem Henry’schen Gesetz näherungsweise verdoppelt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Verfügbarkeit von gelöstem Wasserstoff für die bei der biologischen Methanisierung katalytisch wirkenden hydrogenothrophen Archaeen zu erhöhen. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit und den damit erreichten Druckwechsel wird auf der Seite des Entgasungs-Reaktors ein Ausgasen der relativ zum Atmosphärendruck übersättigten Gaskomponente ermöglicht. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit über zwei Säulen wird außerdem die räumliche Trennung des Eduktgaseintrages und der Produktgasabtrennung erreicht.
Die in-situ Methanisierung wurde in der Machbarkeitsstudie bis zu einer organischen Beladungsrate von 0,94 kg m-3 d-1 realisiert. Die erwartete Biogasbildungsrate (BGBR) bei vollständiger Umsetzung des Glucose/Fructose-Substrates zu Methan und CO2 lag bei ca. 0,686 m3 m-3 d-1. Die gemessene BGBR erreichte 0,61 ± 0,03 m3 m-3 d-1. Die geringe Abweichung kann auf eine zusätzliche Nutzung des Substrates für den Erhaltungsstoffwechsel des gesamten biologischen Systems zurückgeführt werden. Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der in-situ Methanisierung 0,785 m3 m-3 d-1 und ist dabei bezogen auf das gesamte Reaktionsvolumen von ca. 1,1 m3 in beiden Reaktorkolonnen. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 2,3, um einen vollständigen CO2-Umsatz und eine damit verbundene Verschiebung des pH-Wertes in den alkalischen Bereich bei der in-situ Methanisierung zu vermeiden. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 80 Vol.% CH4, 18 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, die im Wesentlichen aus der manuellen Entnahme der Gasproben resultieren, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Im Anschluss an die Untersuchungsphase der in-situ Methanisierung wurde der Prozess auf die ex-situ Methanisierung umgestellt. Dazu wurde die OLR schrittweise reduziert und gleichzeitig der Eintrag von CO2 aus einer Druckgasflasche erhöht. Die ex-situ Methanisierung wurde im Rahmen der Machbarkeitsstudie bis zu einem volumenspezifischen CO2-Eintrag bezogen auf das Gesamtreaktionsvolumen von 1,1 m3 von 0,563 m3 CO2 m-3 d-1 durchgeführt.
Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der ex-situ Methanisierung 2,168 m3 m-3 d-1. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 3,6 bis 3,9. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 91 Vol.% CH4, 8 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Besonders bemerkenswert war, dass sowohl bei der in-situ als auch der ex-situ Methanisierung und den jeweils in der Machbarkeitsstudie eingesetzten maximalen volumetrischen H2-Einträge weder im austretenden Produktgas am Entgasungsreaktor noch im rezirkulierten Gas am Kopf des Begasungsreaktors Wasserstoff nachzuweisen war. Damit besteht großes Potenzial für eine weitere Steigerung der Methanbildungsrate. Aus diesem Grund sollen die Arbeiten zur biologischen Methanisierung in einem Innovationsprojekt fortgeführt werden. Die Anlage soll hinsichtlich ihrer Eignung in einer relevanten Einsatzumgebung zur Methanisierung von in Biogas enthaltenem CO2-bewertet werden. Dazu soll die Anlage außerdem mit einem preiswerten alkalischen Elektrolyseur kombiniert werden, um das Verfahren so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Dieser Elektrolyseur soll in Anlehnung an die fluktuierende Energiebereitstellung Erneuerbarer Energien zyklisch betrieben werden und dabei vor allem zu Zeiten günstiger Spotmarktpreise in Betrieb sein.
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.
Enhancing engineering creativity with automated formulation of elementary solution principles
(2023)
The paper describes a method for the automated formulation of elementary creative stimuli for product or process design at different levels of abstraction and in different engineering domains. The experimental study evaluates the impact of structured automated idea generation on inventive thinking in engineering design and compares it with previous experimental studies in educational and industrial settings. The outlook highlights the benefits of using automated ideation in the context of AI-assisted invention and innovation.
This book constitutes the proceedings of the 23rd International TRIZ Future Conference on Towards AI-Aided Invention and Innovation, TFC 2023, which was held in Offenburg, Germany, during September 12–14, 2023. The event was sponsored by IFIP WG 5.4.
The 43 full papers presented in this book were carefully reviewed and selected from 80 submissions. The papers are divided into the following topical sections: AI and TRIZ; sustainable development; general vision of TRIZ; TRIZ impact in society; and TRIZ case studies.
Eco-innovations in chemical processes should be designed to use raw materials, energy and water as efficiently and economically as possible to avoid the generation of hazardous waste and to conserve raw material reserves. Applying inventive principles identified in natural systems to chemical process design can help avoid secondary problems. However, the selection of nature-inspired principles to improve technological or environmental problems is very time-consuming. In addition, it is necessary to match the strongest principles with the problems to be solved. Therefore, the research paper proposes a classification and assignment of nature-inspired inventive principles to eco-parameters, eco-engineering contradictions and eco-innovation domains, taking into account environmental, technological and economic requirements. This classification will help to identify suitable principles quickly and also to realize rapid innovation. In addition, to validate the proposed classification approach, the study is illustrated with the application of nature-inspired invention principles for the development of a sustainable process design for the extraction of high-purity silicon dioxide from pyrophyllite ores. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of nature-inspired eco-engineering in the context of AI-assisted invention and innovation.
Der vorliegende Leitfaden entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, KIT und Universität Freiburg (INATECH) mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben.
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.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
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.
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
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.
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.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
Lithium-ion batteries exhibit slow voltage dynamics on the minute time scale that are usually associated with transport processes. We present a novel modelling approach toward these dynamics by combining physical and data-driven models into a Grey-box model. We use neural networks, in particular neural ordinary differential equations. The physical structure of the Grey-box model is borrowed from the Fickian diffusion law, where the transport domain is discretized using finite volumes. Within this physical structure, unknown parameters (diffusion coefficient, diffusion length, discretization) and dependencies (state of charge, lithium concentration) are replaced by neural networks and learnable parameters. We perform model-to-model comparisons, using as training data (a) a Fickian diffusion process, (b) a Warburg element, and (c) a resistor-capacitor circuit. Voltage dynamics during constant-current operation and pulse tests as well as electrochemical impedance spectra are simulated. The slow dynamics of all three physical models in the order of ten to 30 min are well captured by the Grey-box model, demonstrating the flexibility of the present approach.
A novel peptidyl-lys metalloendopeptidase (Tc-LysN) from Tramates coccinea was recombinantly expressed in Komagataella phaffii using the native pro-protein sequence. The peptidase was secreted into the culture broth as zymogen (~38 kDa) and mature enzyme (~19.8 kDa) simultaneously. The mature Tc-LysN was purified to homogeneity with a single step anion-exchange chromatography at pH 7.2. N-terminal sequencing using TMTpro Zero and mass spectrometry of the mature Tc-LysN indicated that the pro-peptide was cleaved between the amino acid positions 184 and 185 at the Kex2 cleavage site present in the native pro-protein sequence. The pH optimum of Tc-LysN was determined to be 5.0 while it maintained ≥60% activity between pH values 4.5—7.5 and ≥30% activity between pH values 8.5—10.0, indicating its broad applicability. The temperature maximum of Tc-LysN was determined to be 60 °C. After 18 h of incubation at 80 °C, Tc-LysN still retained ~20% activity. Organic solvents such as methanol and acetonitrile, at concentrations as high as 40% (v/v), were found to enhance Tc-LysN’s activity up to ~100% and ~50%, respectively. Tc-LysN’s thermostability, ability to withstand up to 8 M urea, tolerance to high concentrations of organic solvents, and an acidic pH optimum make it a viable candidate to be employed in proteomics workflows in which alkaline conditions might pose a challenge. The nano-LC-MS/MS analysis revealed bovine serum albumin (BSA)’s sequence coverage of 84% using Tc-LysN which was comparable to the sequence coverage of 90% by trypsin peptides.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics aging model of a 500 mAh high-energy lithium-ion pouch cell with graphite negative electrode and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) positive electrode. This model includes electrochemical reactions for solid electrolyte interphase (SEI) formation at the graphite negative electrode, lithium plating, and SEI formation on plated lithium. The thermodynamics of the aging reactions are modeled depending on temperature and ion concentration and the reactions kinetics are described with an Arrhenius-type rate law. Good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements and electrochemical impedance spectroscopy is observed over a wide range of operating conditions. The model allows to quantify capacity loss due to cycling near beginning-of-life as function of operating conditions and the visualization of aging colormaps as function of both temperature and C-rate (0.05 to 2 C charge and discharge, −20 °C to 60 °C). The model predictions are also qualitatively verified through voltage relaxation, cell expansion and cell cycling measurements. Based on this full model, six different aging indicators for determination of the limits of fast charging are derived from post-processing simulations of a reduced, pseudo-two-dimensional isothermal model without aging mechanisms. The most successful aging indicator, compared to results from the full model, is based on combined lithium plating and SEI kinetics calculated from battery states available in the reduced model. This methodology is applicable to standard pseudo-two-dimensional models available today both commercially and as open source.
Im Automobilbau bietet der Einsatz der Multimaterialbauweise ein signifikantes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Zugleich erfordert diese Bauweise eine große Anzahl von Fügeverfahren für die Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe und Werkstoffklassen. Dabei muss eine Vielzahl an konstruktiven und materialseitigen Anforderungen berücksichtigt werden. Um in diesem Auswahlprozess den Aspekt des Leichtbaus beim Fügeverfahren selbst systematisch zu integrieren, wurde eine Methodik entwickelt, welche die Fügeverfahren im Hinblick auf ihr jeweiliges Leichtbaupotenzial bewertet.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.