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Thermische Energiespeicher: PCM-Metro-2: Dynamisches Verhalten und Alterung von PCM Komponenten

In dem Projekt PCM-Metro-2 soll das dynamische Verhalten und die Alterung von PCM Komponenten untersucht werden. Das Verständnis zeitabhängiger Prozesse in PCM Komponenten ermöglicht eine zielgerichtete, effektive Auslegung der Komponenten auf die vorhandene Aufgabenstellung. Erfahrungen aus vorherigen Arbeiten haben gezeigt, dass die alleinige Kenntnis von Speicherkapazität und maximaler Leistung nicht ausreicht, um die Wirkung einer PCM Komponente in einer Anwendung genau vorherzusagen. Das bisherige Augenmerk der Forschung auf die Größe Enthalpie reicht deshalb hierbei nicht aus. Im Rahmen des Vorhabens sollen die jeweils maßgeblichen Parameter für das dynamische Verhalten unter unterschiedlichen Randbedingungen von der Materialebene über die Komponentenebene bis hin zur Systemebene ermittelt werden. Um die vor allem für Anwendungen im Gebäudebereich notwendige hohe Lebensdauer einer PCM Anwendung garantieren zu können, muss die Alterung von PCMs untersucht werden. Alterungsmechanismen müssen verstanden werden und daraufhin gezielt abgestimmte Methoden der beschleunigten Alterung entwickelt oder vorhandene Prüfverfahren auf die Belange eines PCM modifiziert werden. Das Vorgehen zur beschleunigten Alterung beruht bisher auf der thermischen Zyklierung von PCM. Makroskopische Systeme, z.B. PCM gefüllte Platten, wurden nur in Einzelfällen zykliert. Ziel ist es in diesem Projekt, ein grundlegendes Verständnis der Degradationsprozesse zu erlangen so dass zukünftig eine gezielte messtechnische Erfassung und objektive Bewertung möglich wird. Materialabhängig sollen die Grundlagen geschaffen werden zur Entwicklung geeigneter Prüfmethoden der beschleunigten Alterung und Messverfahren zur Bestimmung der Degradationsparameter. Weiterhin sollen durch einen Abgleich der Ergebnisse aus Versuchen der beschleunigten Alterung mit realen Erfahrungen Skalierungsparameter bestimmt werden, die eine belastbare Hochrechnung der Prüfergebnisse auf die reale Anwendung ermöglichen.

WavE - WEISS: Effiziente Kreislaufführung von Kühlwasser durch integrierte Entsalzung am Beispiel der Stahlindustrie, Teilprojekt 3

Ziel des Projektes ist die Effizienzsteigerung des Kühlwassereinsatzes zur Verringerung des Frischwasserverbrauchs. Konkret wird eine Halbierung der Absalzwassermenge als realistisches Ziel angesehen - für einen durchschnittlichen Stahlstandort ergibt sich eine Wassereinsparung von bis zu 800.000 m3/a. Der Lösungsweg besteht in der Verfahrensentwicklung zur Salzabtrennung aus Kreislaufwasser, Zusatzwasser und Absalzwasser. Durch die bedarfsgerechte Dosierung und Abstimmung von Kühlwasserchemikalien auf die Wasserbehandlung sollen der Salzeintrag und damit der Wasserverbrauch zusätzlich gesenkt werden. Dies ist nur durch Entwicklung und Einsatz eines Simulationstools für das gesamte Kreislaufwassersystem möglich. Mit der Effizienzsteigerung werden folgende Ziele erreicht: Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von gekühlten Prozessen, Schutz der natürlichen Wasserquellen vor Verunreinigung durch Zusätze und Salze und geringere Abhängigkeit des Produktionsprozesses von der Wasserverfügbarkeit. In Europa, in Ländern ohne Wassermangel, wird ein Marktpotential für das System zur bedarfsgerechten Chemikaliendosierung gesehen. Weltweit, insbesondere in Gebieten mit Wassermangel, wird ein Marktpotential für die entwickelte Verfahrenskombination zur Salzentfernung und hocheffizienten Wasserkreislaufführung gesehen. Das Teilvorhaben beinhaltet die Erstellung eines Tools zur Simulation der Stoff-, Wasser- und Enthalpieströme. Dieses wird für die Optimierung der Kühlung und der neuen Technologien und Hilfsstoffe genutzt. Die LCA ermöglicht eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit und der Nachhaltigkeit. Zur Erstellung des Tools und für die LCA ist eine umfangreiche Datenerhebung nötig. Es werden z.B. die Abwasserströme charakterisiert, die Systemgrenzen für die LCA definiert sowie Modelle für noch nicht vorhandene Prozesse erstellt. In der zweiten Projekthälfte werden diese mit Hilfe der praktischen Ergebnisse validiert und anschließend für die Optimierung und Bewertung genutzt.

Entwicklung eines membranbasierten Enthalpietauschers für die Wohnraumlüftung, Teilaufgabe: Grundlagenermittlung, Konzeption sowie Monitoring und Evaluierung

Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines neuartigen Enthalpietauschers für die Lüftungstechnik. Im Vergleich zu konventionellen Systemen überzeugt das innovative Konzept durch geringe Druckverluste (reduzierten Energieverbrauch) sowie bessere Übertragungsleistungen. Die technische Ausarbeitung des Enthalpietauschers sieht den Einsatz wasserdampfpermeabler Membranen als selektive Barriere zwischen den Strömungskanälen vor. Ab- und Zuluft strömen an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Membran vorbei und sorgen somit für den Übergang von sensibler und latenter Wärme, ohne eine Rezirkulation der Abluft in den Raum zuzulassen. Aufbauend auf der Definition eines Lastenheftes werden innerhalb der ersten beiden Projektjahre grundlegende Untersuchungen im Bereich der Membran- und Spacerentwicklung sowie des Moduldesigns durchgeführt. Die Konzeptionierungsphase endet mit einer vorläufigen Bewertung der Energieeffizienz und der Ausarbeitung eines großtechnischen Fertigungskonzeptes für die Module. Nach einer Prototypenfertigung im Maßstab1:1 werden in einer Messreihe innerhalb des Neubaus der Aachener Verfahrenstechnik (NGP2) die neuartigen Enthalpietauscher unter realen Bedingungen und bei verschiedenen Lastfällen vermessen . Bauliche Veränderungen, die für die Realisierung der Messreihe erforderlich sind, werden in der Planung des Gebäudes berücksichtigt. Eine Anpassung der Regelungsparameter des Lüftungssystems an die neuen Module ist jedoch unausweichlich.

Gemischbildungsverhalten Bio-Ethanol-haltiger Kraftstoffe unter dieselrelevanten Bedingungen, Teilvorhaben 3: Simulation

In der Vergangenheit wurde in mehreren Ursache-Wirkungs-Untersuchungen der Einfluss der Beimischung von Bioethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienz untersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, wie der Bioethanolanteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung (Luft meist im überkritischen Zustand) beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die Bioethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Darum wird in diesem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bioethanolhaltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter dieselrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bioethanolzugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bioethanolgehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bioethanolzumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime charakterisiert. Im AP II wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im AP III numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners sichergestellt.

Gemischbildungsverhalten Bio-Ethanol-haltiger Kraftstoffe unter dieselrelevanten Bedingungen, Teilvorhaben 2: Stofftransport Quantifizierung

In der Vergangenheit wurde in mehreren Ursache-Wirkungs-Untersuchungen der Einfluss der Beimischung von Bioethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienz untersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, wie der Bioethanolanteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung (Luft meist im überkritischen Zustand) beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die Bioethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Darum wird in diesem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bioethanolhaltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter dieselrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bioethanolzugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bioethanolgehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bioethanolzumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime charakterisiert. Im AP II wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im AP III numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners sichergestellt.

Gemischbildungsverhalten Bio-Ethanol-haltiger Kraftstoffe unter dieselrelevanten Bedingungen, Teilvorhaben 1: Gemischbildung Qualitativ

In der Vergangenheit wurde in mehreren Wirkungs-Ergebnis-Untersuchungen mit teils unterschiedlichen Ergebnissen der Einfluss der Beimischung von Bio-Ethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienzuntersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, auf welche Weise der Bio-Ethanol-Anteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die bio-ethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Um die Möglichkeiten regenerativer Kraftstoffe besser zu verstehen und nutzen zu können, wird in dem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bio-ethanol-haltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter aktuellen (sehr hohen, häufig sogar überkritischen) dieselrelevanten Druck-und Temperaturbedingungenuntersucht. Mit modernen Mess-und Simulationsmethoden wird die Gemischbildung experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bio-Ethanol-Zugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bio-Ethanol-Gehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bio-Ethanol-Zumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Ziel ist es durch die gemeinsame Optimierung der Kraftstoffveränderung und der Gemischbildungssteuerung durch die Einspritztechnikeine über das reine Substitutionspotenzial hinausgehende Reduzierung von umwelt-und klimaschädlichen Emissionen zu erreichen. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Professur für Technische Thermodynamik, Prof. Wensing) werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime unter anwendungsnahen Bedingungen charakterisiert. Im AP II (FAU, Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies, PD Dr. Bräuer) wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im APIII (Technische Universität Berkakademie Freiberg, Lehrstuhl für Numerische Thermofluiddynamik, Prof. Hasse)numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners (L'Orange GmbH, Stuttgart) sichergestellt.

Gussteilqualität - Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Herstellung von Gussstücken aus Sphäroguss für den Windkraftanlagenbau, Teilvorhaben: Thermische Analyse des Erstarrungsprozesses von Gussteilen sowie deren mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen ein Verfahren und ein Messsystem entwickelt werden, welche es ermöglichen, schon während des Schmelzprozesses zu erkennen, ob das Gussstück aus dieser Schmelze das geforderte hohe Qualitätsniveau erreichen wird. Bei gegenteiligen Anzeichen sollen dem Schmelzer Lösungswege zur Verbesserung der Schmelzqualität aufgezeigt werden. Dadurch sollen Gussstücke mit höchster und gleichbleibender Qualität erzeugt und Ausschuss beziehungsweise Nacharbeit dieser teuren Bauteile minimiert werden.

Moleküldynamik Simulationen von Sorptionsprozessen an Bodenmaterialien

Interaktionen von organischen Stoffen mit Bodenmaterial spielen in vielen umweltrelevanten Prozessen eine grosse Rolle. Die Adsorption im Boden beeinflusst die Mobilitaet und Abbaubarkeit von organischen Schadstoffen. Die Zugaenglichkeit und Anzahl von Sorptionsstellen ist ein wichtiger - den Transport von Schadstoffen beeinflussender - Faktor. Boden selbst besteht aus einer komplexen Mischung von anorganischen und organischen Materialien. Zur Beschreibung eines derart komplexen Systems ist die Entwicklung geeigneter repraesentativer Model und Modelszenarien erforderlich. Im Rahmen dieses Projektes moechten wir zwei wichtige Aspekte der Interaktion organischer Substanzen mit Boden mittels theoretischer Methoden auf molekularer Ebene betrachten. Erstens sollen die Interaktionen ausgewaehlter organischer Substanzen an Tonoberflaechen untersucht werden. Ausgehend von den Ergebnissen des vorhergehenden Projektes wollen wir komplexere und daher auch realistischere Szenarien betrachten. Im speziellen sollen die Interaktionen von ausgewaehlten Pestiziden, typischen Huminstofffragmenten und solvatisierten Kationen (z.B. K+, Mg2+, Ca2+) an Tonoberflaechen untersucht werden. Die Anwendung von Methoden der Molekueldynamik soll es erlauben thermodynamische Parameter zu berechnen und den moeglichen Beitrag unterschiedliche Interaktionen zu vergleichen. Der zweite Teil des Projektes zielt auf eine detaillierte Beschreibung der Wechselwirkungen von Huminstoffen mit umweltrelevanten organischen Verbindungen hin. Ebenfalls aufbauend auf das vorhergehende Projekt soll das dort entwickelte Huminstoffmodell verwendet und erweitert werden. Dieses Model besteht aus Huminstoff - Einzelfragmenten mit unterschiedlicher Funktionalitaet. Mit Hilfe von Molekuel Dynamik Simulationen sollen auch hier Unterschiede in der freien Enthalpie zwischen unterschiedlichen Interaktionsmechanismen herausgearbeitet werden. Insbesondere sollen die Stabilitaeten in unterschiedlich polaren Medien untersucht werden. Damit kann die Auswirkung von hydrophilen und lipophilen Umgebung auf die Wechselwirkung betrachtet werden. Die Simulationen sollen es z.B. erlauben abzuschaetzen in welchem Verhaeltnis ausgewaehlte Pestizide im sorbierter bzw. freien Zustand vorliegen koennen. Beide Teile des Projektes werden wichtige und fundamentale Informationen ueber moegliche Beitraege unterschiedlicher Interaktionen zur Sorption von organischen Substanzen an Bodenmaterialien liefern. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen den Verbleib und das Verhalten von organischen Molekuelen in der Umwelt besser zu verstehen.

Regelungsstrategie für den heißen Bypass von regenerativen Nachverbrennungsanlagen zur Stabilisierung der Brennraumtemperatur im überautothermen Betrieb

Thermische Nachverbrennungsanlagen mit regenerativer Abluftvorwärmung (RNV-Anlagen) werden in der Industrie häufig eingesetzt, um Abluftströme aus Produktionsprozessen zu reinigen, die mit organischen Schadstoffen verunreinigt sind. Durch die mit der regenerativen Wärmerückgewinnung erzielbaren hohen Vorwärmgrade, ist es möglich, RNV-Anlagen schon ab Konzentrationen von etwa 2 g/mN3 brennbarer Substanzen in der Abluft autotherm, also ohne zusätzliche Brennstoffzufuhr zu betreiben. Sind die Konzentrationen deutlich höher als für den autothermen Betrieb erforderlich (über-autothermer Betrieb), stellt man fest, dass sich Temperaturmaxima bilden, die in die Regeneratoren hineinwandern. Gleichzeitig nimmt die Temperatur im Brennraum ab. Da die Regelung der Zufuhr von Zusatzbrennstoff oftmals auf der Brennraumtemperatur basiert, kann dies dazu führen, dass die Brennstoffzufuhr erhöht wird, obwohl bereits ausreichend Reaktionsenthalpie mit den Abluftschadstoffen zugeführt wird. Durch Auskopplung von Reingas aus dem Brennraum über einen sog, heißen Bypass, können das Wärmekapazitätsstromverhältnis beeinflusst und damit die Temperaturmaxima zum Brennraum hin verschoben werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird hierfür ein Regelungskonzept entwickelt. Neben einer Temperatur basierten Regelung (anhand des gemessenen Profils oder auf Basis weniger ausgewählter Messstellen), wird auch die Modell basierte Regelung evaluiert. Hierzu wurde ein vereinfachtes Modell implementiert, welches die Vorgänge in den Regeneratoren anhand der Rekuperator-Analogie beschreibt.

MeProRisk II: Optimierungsstrategien und Risikoanalyse für tiefe geothermische Reservoire - eine Machbarkeitsstudie, Teilprojekt - A: Numerische Modellbildung und Optimierungsverfahren

Evaluation der unter MeProRisk I entwickelten Methodik zur Reservoirsimulation, Unsicherheitsbewertung und Risikoanalyse hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit im technisch-wirtschaftlichen Umfeld geothermischer Erkundung. Diese Methodik umfasst (a) iterative Modellbildung mit stochastisch bewerteten thermischen und hydraulischen Gesteinseigenschaften, (b) stochastische numerische Simulation der Reservoire und Produktionsbedingungen zur quantitativen Unsicherheitsabschätzung, (c) neuartige seismische Interpretation zur Abschätzung der Permeabilität. Darüber hinaus sollen Methoden der Optimierung der Exploration im Hinblick auf eine Reduktion der Unsicherheit oder eine Maximierung des Informationsgewinns erarbeitet und bei der Exploration umgesetzt werden. (1) Anwendung der MeProRisk Methodik auf: (a)'Pawsey-Dublette' - Geothermie Projekt im städtischen Umfeld, (b) 'Murci' und 'Guardia Lombardi' Felder, Italien - geothermische Explorationsvorhaben in ca. 250 km2 großen Medium-Enthalpie Regionen. (2) Entwicklung, Evaluierung und Implementierung eines mathematischen Verfahrens zur 'Optimierten Exploration' und exemplarische Anwendung des Verfahrens auf die Explorationsvorhaben. (3) Bewertung unterschiedlicher Produktionsszenarios in den Explorationsfeldern hinsichtlich der Unsicherheiten von Temperatur und Fließraten.

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