Schwerpunkt Nutzung

Titel Optimale One Click Entwicklung – Einsatz von bionischen Optimierungsprogrammen für nachhaltiges Wachstum von KMU

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD (CAD)

Laufzeit: 10/2016 - 09/2020

Finanzierung: EFRE

Ansprechpartner: Pascal Diwisch, M.Sc.

Projektpartner: 3DQ-Engineering Ingenieurbüro Zapf, Boßler Werkzeug & Formenbau GmbH, ASK High Technology GmbH & Co. KG, SMB Schwede Maschinenbau GmbH, Konstruktionsservice Legat, Ingenieurbüro Hofmann GmbH, Putzin Maschinenbau GmbH, Müssel Maschinenbau GmbH, ebu Umformtechnik GmbH, TSS GmbH, Hirsch Engineering Solutions GmbH & Co. KG, Bühnenplanung Walter Kottke Ingenieure GmbH

Inhalte/Ziele: Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, Produktentwicklern von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) eine kostenlose Software (Freeware) zur automatisierten Generierung von Leichtbaustrukturen zur Verfügung zu stellen. Diese meist additiv gefertigten Leichtbaustrukturen sind hervorragend geeignet, um Produkte energiesparend sowie ressourceneffizient herzustellen und zu betreiben. Die somit erreichte hohe Gestaltungsvariabilität ermöglicht eine optimale Auslegung ohne Einschränkung der Flexibilität durch Fertigungsrestriktionen. Hierdurch ist beispielsweise bei Energieversorgungsanlagen eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine konstruktiv freie, thermisch optimierte Bauteilgeometrie möglich.

Basierend auf den am Lehrstuhl erfolgreich entwickelten und von der Oberfrankenstiftung geförderten FEM- und Topologieoptimierungs-Programmen Z88Aurora® und Z88Arion® soll u. a. der Einsatz bionischer Ansätze es dem Konstrukteur ermöglichen, den Weg zum gewichtsoptimierten Produkt deutlich zu verkürzen. Dadurch können Einsparungen hinsichtlich Materialaufwand, Energie und Personal realisiert werden.

Mit dem automatisierten Tool wird weiterhin eine Plattform geschaffen, die die wissensintensiven Abläufe im virtuellen Produktentwicklungsprozess vereinfachen, wodurch die Hemmnis, Software zur Produktentwicklung einzusetzen, gesenkt wird. Dadurch können KMU neue innovative Produkte entwickeln und ihr bestehendes Produktportfolio erweitern.

 


Methanisierung kohlenoxidhaltiger Brenngase zur Konditionierung von Einsatzgasen für Brennstoffzellengeräte und Wasserstoffspeicher

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik (CVT)

Laufzeit: 11/15-10/18

Finanzierung: Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Ansprechpartner: Georg Tauer, M.Sc.

Inhalte/Ziele: Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Durch die Energiewende erhalten regenerative Energiequellen eine immer höhere Bedeutung. Hierbei wird Methan, welches regenerativ aus Biogas oder durch die Methanisierung von Kohlenstoffdioxid im „Power-to-gas“-Prozess hergestellt werden kann, auch in Zukunft als Energieträger von großer Bedeutung sein. Eine mögliche Nutzung des Methans sind Brennstoffzellen-Heizgeräte, welche für Haushalte effizient Strom und Wärme bereitstellen. Ein wichtiger Prozessschritt ist dabei die Dampfreformierung bei welcher Kohlenstoffmonoxid entsteht welches wiederum als Katalysatorgift die Brennstoffzelle deaktiviert. Um die CO-Belastung der Brennstoffzelle zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern, soll das CO an einem hochselektiven Rutheniumkatalysator wieder zu Methan umgesetzt werden. Das im Einsatzgas enthaltene und dem CO chemisch ähnliche CO2 soll hingegen nur im geringen Maß zu Methan umgesetzt werden, um eine hohe Wasserstoffausbeute zu gewährleisten.

Innerhalb der Promotion werden verschiedene Katalysatoren für diese Umsetzung synthetisiert und getestet. Zudem wird ein technischer Reaktor mit optimalen Betriebsbedingungen ausgelegt. Somit ergibt sich ein hochselektiver CO-Aufreinigungsschritt für die Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff aus Methan im kleinen Maßstab.

 


Entwicklung eines biogasbetriebenen Zweitakt-Doppelkolbenmotors für die Verwendung in Blockheizkraftwerken

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD (CAD)

Laufzeit: 07/2015 – 06/2018

Finanzierung: Graduiertenkolleg "Energieautarke Gebäude", TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Ansprechpartner: Pascal Diwisch, M.Sc.

Inhalte/Ziele: Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Im Rahmen dieses Projektes soll ein biogasbetriebener Zweitaktmotor für den Einsatz in Blockheizkraftwerken entwickelt werden. Die TechnologieAllianzOberfranken fördert hierbei den Aufbau eines Motorprüfstandes. Zweitaktmotoren erzielen aufgrund der doppelten Zündfrequenz eine höhere Leistung als derzeit verwendete Viertaktmotoren. Aufgrund des nicht benötigten Ventiltriebs entfallen zahlreiche Bauteile und der Zylinderkopf kann kleiner ausgeführt werden. Dies wirkt sich positiv auf den Bauraum, die Fertigungskosten und den Ressourcenbedarf aus. Der Einsatz von aufbereitetem Biogas ermöglicht einen klimaneutralen Betrieb. Zudem können die Abgasemissionen aufgrund des besseren Kohlenwasserstoffverhältnisses von Methan, dem Hauptbestandteil von aufbereitetem Biogas, deutlich reduziert werden. Bisher konnte die Kombination von Zweitaktmotor und Biogasbetrieb aufgrund spülartbedingter Kurzschlussströmungen nicht realisiert werden. Dies ist jedoch zwingend notwendig, um den Kraftstoffverbrauch und den daraus resultierenden Anteil von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas zu reduzieren. Ziel ist es daher auf Basis eines alternative Motorkonzeptes, mittels numerischer Simulationen und anschließender Prüfstandversuche, einen Motor zu entwickeln, in den Kurzschlussströmungen vermieden werden. Somit wird der wirtschaftliche Betrieb eines Zweitaktmotors wie auch die Anwendung von aufbereitetem Biogas als Kraftsoff ermöglicht.

 


Aktive Glas-Composit-Separatoren für alterungsbeständige Sekundär-Batterien

Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung (LSWV)

Förderung: BayNW – Neue Werkstoffe, Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Projektpartner: Füller Glastechnologie GmbH, Vitrulan Textile Glass GmbH, Technologie Anwender Zentrum TAZ Spiegelau

Ansprechpartner: Ulrich Schadeck, M.Sc.

Inhalte/ Ziele: Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Separatoren für Hochleistungs-Batterien zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder stationären Speichern müssen hohe leistungsspezifische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Bisherige Technologien stoßen dabei an ihre Grenzen, da es sich bei Separatoren gemäß Stand der Technik um passive Komponenten handelt, welche zwar zum Gewicht der Batterie beitragen, aber keinen elektrochemischen Beitrag leisten.

Langfristiges Ziel ist es glasbasierte Separatoren zu entwickeln, welche zur Sicherheit, aber auch zur Funktion der Batterie beitragen, indem sie elektrochemische Aufgaben übernehmen können. Dabei soll sowohl eine kostengünstige, sowie ökologisch vertretbare Fertigungsweise im Vordergrund stehen.

 


Entwicklung eines adaptiven kinetischen Energy Harvesters zum Einsatz in energieautarken Gebäuden

Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (MRT)

Laufzeit: 04/2016 - 03/2019

Finanzierung: Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“, TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Mario Mösch

Inhalte/Ziele: Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Vielfach müssen Sensorknoten in Anwendungsszenarien wie dem intelligenten Gebäudemanagement ihre Daten (über Objektposition, Temperatur, Feuchte, …) per Funk übermitteln, etwa zum Einsparen von Verkabelungsaufwand. Es hat dann wenig Sinn, die Sensorknoten kabelgebunden mit Energie zu versorgen. Daher wird weltweit mit hohem Aufwand daran geforscht, Systeme wie Funksensoren netz- und batterieunabhängig („energieautark“) zu machen. Ein Ansatz hierfür ist Energy-Harvesting, also die „Ernte“ von Energie, sprich die Wandlung von kostenlos in der Umwelt verfügbarer Energie in elektrische Energie. Speziell kinetisches Energy-Harvesting basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie. Dem Stand der Technik nach liegt die von kinetischen Energy-Harvestern maximal erzeugbare Leistung im Milliwatt-Bereich. Diese Leistung nimmt drastisch ab, wenn der Harvester nicht optimal an die Energiequelle angepasst ist. Da Vibrationsspektren typischerweise stark zeitabhängig sind, besteht ein hohes Interesse an dynamisch rekonfigurierbaren (adaptiven) Energy-Harvestern. Im Zuge dieses Projekts sollen verschiedene Adaptionsmechanismen untersucht und darauf aufbauend ein adaptiver, also auf die jeweilige Situation anpassbarer kinetischer Energy Harvester entwickelt werden, der somit Anregungen eines breiten Frequenzspektrums verarbeiten kann.

 


Integration und Feldversuch

Laufzeit: seit 2015

Gemeinsam mit dem Energieversorger SWW Wunsiedel GmbH wird derzeit ein Feldversuchslabor aufgebaut in dem die Forschungsarbeiten prototypisch installiert und unter realen Bedingungen getestet werden sollen. Die Aktivitäten werden durch den VDE Arbeitskreis „Energieversorgung 4.0“ und den dort engagierten Experten der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) des VDE begleitet.

 


Forschungs- und Entwicklungsauftrag zum Thema Alternative Converter Topologies

Lehrstuhl für Mechatronik

Laufzeit: 10/2013 – 3/2017

Finanzierung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

Projektpartner: Siemens AG

Inhalt/Ziele: Innerhalb des Themas „Systemarchitektur DC- und AC-Backbone“ werden neuartige leistungselektronische Stellglieder benötigt. Die Hauptaufgabenstellungen sind dabei die Leistungsflussregelung in einem vermaschten DC-Netz und die Stellung von Systemdienstleistungen zur Stabilität des AC-Netzes. sowie die Definition von Maßnahmen zur Erhöhung der Stabilität.

Detailthemen sind hierbei: 1. „Anforderungen“: Erarbeitung von wahrscheinlichen Szenarien für DC-Netze, Ableitung von Anforderungen an leistungselektronische Stellglieder; 2. „Lösungsraum“: Stand der Technik, Auswahl geeigneter Lösungen, Weiter- oder Neuentwicklung zu Konzepten für effiziente und zuverlässige Hochleistungsstromrichter; 3., „Entwurf“: Detailentwurf für die funktional bedeutendste Topologie, Aufstellung des Steuerverfahrens, Absicherung des Betriebsverhaltens durch Simulation; 4. „Analyse, Anforderungen AC- und DC-Netze“: Anforderungen an Stromrichter durch Wegfall von rotierenden Massen im Netz, Fehler in DC-Netzen, Blackstart, gegenseitige Beeinflussung von DC- und AC-Netzen; 5. „Realisierung, Simulation relevanter Topologien“: 6., „Versuchsträger, Aufbau eines Versuchsmusters“: Exemplarische Umsetzung einer typischen Netzkonfiguration mit einem dazu gehörigen Stellglied an einem Versuchsträger. Durchführung und Auswertung von Messungen am Versuchsträger;

 


Untersuchung von fehlertoleranten Stromrichterstrukturen zur Steigerung der Verfügbarkeit von leistungselektronischen Schaltungen

Lehrstuhl für Mechatronik

Laufzeit: seit 01.07.2011

Finanzierung: -

Projektpartner: divers

Inhalte/Ziele: Leistungselektronik hat in den vergangenen Jahren einen starken Aufschwung durch die Verbreitung von Stromrichtern in der Automatisierungstechnik und Traktion sowie durch die Nutzung von regenerativen Energiequellen in den Bereichen Windkraft und Photovoltaik erlebt. Neben der Betriebssicherheit für den Nutzer ist insbesondere die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik im Sinne einer sicheren Funktionserfüllung von steigender Bedeutung, da immer mehr Anwendungsfälle erschlossen werden, wie beispielsweise die Elektrifizierung des Kfz Antriebsstranges zeigt. Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, bei denen Personen oder Einrichtungen geschädigt werden können, müssen Konzepte für eine sichere Leistungselektronik entwickelt werden. Durch fehlertolerante Schaltungen kann die Verfügbarkeit gesteigert und damit die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt werden.

Ein Ziel des Projektes ist die Untersuchung von innovativen, fehlertoleranten Schaltungen, die den Mehraufwand für redundante Schaltungsteile durch zusätzliche Vorteile im Normalbetrieb aufwiegen. Des Weiteren wird das Ausfallverhalten von Leistungshalbleitern analysiert und passende Strategien zur Rekonfiguration bzw. Abtrennung von fehlerhaften Schaltungsteilen nach einem Bauteilausfall entwickelt.

 


Nutzung elektrischer Überschussenergie für die elektrochemische Reduktion von CO2 zu Kohlenwasserstoffen und chemischen Wertstoffen

Lehrstuhl für Funktionsmaterialien (FuMa)

Laufzeit: -

Finanzierung: TAO

Projektpartner: Siemens AG

Inhalte/Ziele: Mit dem Ausbau erneuerbarer Energiequellen (Photovoltaik, Windenergie) entsteht elektrische Überschussenergie, deren Menge tages- und jahreszeitlich bedingt schwankt. Die entstehenden Mengen übersteigen die Kapazität bestehender Speichersysteme (z.B. Pumpspeicherkraftwerke), während alternative Speichertechnologien (z.B. Akkus, Redox-Flow-Batterie) nicht mit ausreichender Kapazität zur Verfügung stehen. Hier setzen alternative Konzepte an, die elektrische Energie zur chemischen Synthese nutzen. So wird beispielsweise bei „Power to Gas“ durch Wasserelektrolyse Wasserstoff erzeugt, der anschließend zusammen mit Kohlenmonoxid in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu Kohlenwasserstoffen (z.B. Methan) umgewandelt werden kann.

In dem vorliegenden Projekt wird ein anderer Weg gegangen, bei dem nicht ausschließlich die Synthese von Kraftstoffen, sondern auch von chemischen Wertstoffen im Vordergrund steht. So wird in dem Projekt die direkte, elektrochemische Reduktion von CO2 an Metallelektroden zu Kohlenwasserstoffen und chemischen Wertstoffen untersucht. Je nach Reaktionsbedingungen (z.B. angelegtes elektrisches Potential, Elektrolyt, Temperatur) und Elektrodenmaterial entsteht ein Gemisch aus verschiedenen Reduktionsprodukten (z.B. Methan, Ethan, Ethen, Kohlenmonoxid, Formiat, Alkoholen). Ziel des Projekts ist, die Produktverteilung steuern zu können, hohe Produktausbeuten für einzelne Stoffe zu erzielen, stabile Betriebsbedingungen zu identifizieren und somit die Grundlagen für eine technologische Bewertung und Umsetzung zu schaffen.

 


Speicherung elektrischer Überschussenergie mittels Einsatz von Wärmepumpen in Kombination mit sensiblen und latenten thermischen Speichern

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 07/2015 – 06/2018

Finanzierung: Graduiertenkolleg "Energieautarke Gebäude", TechnologieAllianzOberfranken (TAO)

Ansprechpartner: Sebastian Kuboth, M.Sc.

Inhalte/Ziele: Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.

Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) der Universität Bayreuth werden Luft/Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit thermischen Speichern zur Steigerung der Energieautarkie von Gebäuden untersucht. Dabei stellen die Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und das Demand Side Management – zur Kompensation der durch Photovoltaik und Windkraft verursachten Spitzen in der Stromerzeugung – mit Hilfe der Kopplung von Luft/Wasser-Wärmepumpen und thermischen Speichern Forschungsschwerpunkte des Promotionsvorhabens dar. Die Untersuchungen erfolgen dabei sowohl rechnergestützt als auch experimentell an zwei baugleichen Luft/Wasser-Wärmepumpen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.

 


Bavarian Hydrogen Center (BH2C): Teilprojekt Systemanalyse

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 04/2012 - 03/2017

Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Projektpartner: FAU Erlangen, CES Sulzbach-Rosenberg, HS Amberg-Weiden

Inhalte/Ziele: Das Bavarian Hydrogen Center (BH2C) hat zum Ziel, mit der LOHC-Technologie den ersten Schritt in eine zukünftige Wasserstoffgesellschaft technologisch und auch wirtschaftlich zu ermöglichen. Durch Kooperation zwischen den Universitäten Bayreuth, der FAU Erlangen und der TU München sowie dem Fraunhofer Center of Energy Storage in Sulzbach-Rosenberg und dem Kompetenzzentrum Kraft-Wärme-Kopplung in Amberg-Weiden, arbeiten eine große Zahl namhafter Forscher zusammen, um dieses angestrebte Ziel zu erreichen. Darüber hinaus werden auch in ausgewählten Fällen in Kooperation mit Industriepartnern nötige Prototypen erstellt. Forschungsschwerpunkt ist die Etablierung einer auf neuartiger Basis aufgebauten Wasserstofftechnologie (Herstellung, Speicherung, Anwendung und Infrastruktur), die eine dezentrale Energieversorgung, die Realisierung von EnergiePlus -Häusern (energiehandelnde Häuser) und wirtschaftlichen Wasserstoffmotoren und Kleinturbinen für energiehandelnde Häuser sowie eine tragfähige Erzeugungs-  und Versorgungsstruktur möglich machen soll.

 


Entwicklung einer energieeffizienten und ressourcenschonenden Phasentrennanlage für Wasser/Öl/Salz-Emulsionen aus Schiffsabwässern

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik (CVT), Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 12/2014 - 12/2016

Finanzierung: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektpartner: Karl-Hopf GmbH, Bayreuth

Inhalte/Ziele: Ziel ist die Entwicklung einer thermischen Phasentrennanlage zur Aufspaltung eines Schlamm-Wasser-Öl-Salzgemisches, welches in Sonderabfallbehandlungsanlagen zur Aufarbeitung von Bilgenwasser, vorwiegend aber von Slopölen aus der Seeschifffahrt zur Anwendung kommen soll. Das Aufbrechen/Trennen von stabilen Ölwasseremulsionen auf physikalischem Wege hat Grenzen, wobei die Zusammensetzung des "Bilgenwasser-Slopöl-Cocktails" das Ergebnis des Entölungsprozesses bestimmt. Viele Bilgenwasser/Slopöl - Entöler stoßen bei dieser komplexen Reinigungsaufgabe an Grenzen. Unsere Phasentrenntechnik soll die in Bilgenwasser/Slop-Ölbehandlungsanlagen am Ende des Aufbereitungsprozesses anfallende Schlammphase in eine Wasser und Öl/Sedimentationsphase auftrennen. Bisher wird diese Schlammphase über einen Dekanter weiter entwässert und als Feststoff der thermischen Verwertung zugeführt. Unser Entwicklungsvorhaben mit dem Phasentrennkonzept greift hier an und hat zum Ziel, das wertvolle Öl aus dem Reststoffstrom solcher Anlagen als Basisrohstoff für Recyclingöl zurückzugewinnen.

 


Entwicklung einer Methode zur Auslegung von gewichtsoptimierten Multimaterial-Sandwichbauweisen für Windkraftanlagen durch Finite-Elemente Analyse (Sandwich-SIM)

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Laufzeit: 9/2012 - 8/2016

Finanzierung: Oberfranken Stiftung

Projektpartner: LS Polymere Werkstoffe Bayreuth

Inhalte/Ziele: Leichte, gewichts- und ressourcenoptimierte Komponenten spielen eine Schlüsselrolle im Strukturleichtbau des 21. Jahrhunderts. Bei ressourceneffizienten Mobilitäts- und Energiekonzepten bieten moderne Sandwichbauweisen ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung und tragen zur Steigerung der Energieeffizienz bei. Durch die Energiewende ist besonders in der Windenergiebranche ein extremer Nachfrageanstieg in Hinblick auf Windenergieanlagen größerer Leistung (2 bis 7 MW) zu verzeichnen. Die Leistung dieser Anlagen steigt quadratisch mit dem Rotordurchmesser. Längere Rotoren verschärfen die Anforderungen an den Strukturleichtbau der Rotoren. Hier spielen Sandwichbauweisen im Rotorblatt eine wichtige Rolle. Ein beliebtes Material in der Rotorblattfertigung ist Balsaholz als Kernwerkstoff in Sandwichkomponenten, da es sich durch einen hohen Schubmodul (GBalsaholz= 100 MPa bis 200 MPa) bei gleichzeitig geringer Dichte (~ 200 g/l) als natürlicher Verbundwerkstoff auszeichnet. Die begrenzte Verfügbarkeit des Tropenholzes, die klimaabhängigen Eigenschaftsschwankungen oder die Zersetzungsgefahr durch Wasseraufnahme sowie das Brandverhalten sind jedoch Probleme, welche die Suche nach alternativen Kernmaterialien katalysieren. Zur Substitution von Balsa können beispielsweise Polymerschäume als synthetische Kernmaterialien eingesetzt werden. Sie sind in ihrer Dichte kontrollierbar, sind gegen Zersetzung und Pilzbefall resistent und herstellungsbedingt wesentlich homogener in den mechanischen Eigenschaften.

Das Forschungsvorhaben „Sandwich-SIM“ verfolgt das Ziel, Berechnungsmethoden zur konstruktiven Auslegung von gewichtsoptimierten Multimaterial-Sandwichbauweisen durch FEA zu entwickeln, welche auf die Auslegung flächiger, gekrümmter Sandwichbauteile ausgerichtet sind.

Die Herausforderungen in der Vorhersage großflächiger Sandwichbauteile liegen in:

  • Der umfassende Erforschung des Eigenschaftspotentials von Sandwichen mit Polymerkernschicht und die korrekte Interpretation des Werkstoffverhaltens, insbesondere der Schädigungsmechanismen (Deckschichtrisse, Kernschubversagen, Deckschichtknittern, Ausbeulen, etc.) und deren Übertragung auf die FE.
  • Der Betrachtung von Fertigungseffekten (z.B. Abstützungseffekte durch Einschnitte und Versteifungsrippen) und die Erstellung von Materialtests als Eingangsdaten für eine realitätsnahe FEA.
  • Der Abbildung komplexer, realistischer Geometrien innerhalb der FE bei gleichzeitig akzeptabler Rechenzeit.
  • Der Realisierung von wirklichkeitsnahen Belastungskollektiven der Simulation zur Lebensdauervorhersage unter Berücksichtigung des Versagens.
  • Der Ermöglichung von variable Materialkombinationen, veränderlichen Schichtdicken, und Schnittgeometrien innerhalb der Simulation durch flexibles Preprozessing (Cuts & Grooves Generator) und Optimierung der Struktur in der FEA.

 


Entwicklung eines Berechnungswerkzeuges zur unabhängigen Beurteilung der thermischen und mechanischen Dimensionierung von nuklearen Transport- und Lagerbehältern

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Laufzeit: 04/2014 - 03/2016

Finanzierung: Eidgenössisches Nuklear Sicherheits Inspektorat (ENSI)

Projektpartner: ENSI, Brugg (CH)

Inhalte/Ziele: Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines unabhängigen und neuartigen Hilfsmittels zur Beurteilung der thermischen Dimensionierung von Transport- und Lagerbehältern (T/L-Behälter) für abgebrannte Brennelemente. Es soll damit möglich sein, Temperaturverläufe im Inneren von T/L-Behältern bei beliebiger Beladung gemäß Vorgaben des ENSI mit einer komplett unabhängigen und eigenständigen Berechnungsmethode abzubilden. Eine Innovation ist dabei die besondere Behandlung des Helium-gefüllten Ringspaltes im Behälter durch eine speziell angepasste thermische Finite-Elemente-Analyse (FEA). Es ist notwendig, die einzelnen thermischen Randbedingungen, wie Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, zu einer neuartigen, globalen Randbedingung zu verknüpfen, ohne diesen Bereich mit finiten Elementen zu vernetzen. Die Kombination dieser Randbedingung mit einer Überbrückung des Spaltes wird als Thermische Spaltbedingung (TSB) im Projekt bezeichnet. Dadurch kann eine erhebliche Zeit- und Ressourcenersparnis bei der Beurteilung von Transportbehältern, im Vergleich zu bestehenden Bewertungen, ermöglicht werden.

 


Kompetenzzentrum Kraft-Wärme-Kopplung: Handlungsfeld Innovative Verfahren der KWK

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 01/2013 - 12/2015

Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Projektpartner: FAU Erlangen, CES Sulzbach-Rosenberg, HS Amberg-Weiden

Inhalte/Ziele: Nach aktuellem Stand der Technik werden kleine und  mittlere KWK-Anlagen bis ca. 2 MW elektrischer Leistung als Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotoren für flüssige oder gasförmige Brennstoffe als Antriebsaggregate ausgeführt, während in Großkraftwerken Wärme aus Dampf- oder Gasturbinen ausgekoppelt wird. Neben diesen etablierten KWK-Prozessen existiert jedoch eine Reihe weiterer innovativer Verfahren, die teils erhebliche Vor-teile aufweisen und bestehende KWK-Technologien ergänzen und neue Anwendungsfelder für die KWK erschließen können. Für die anwendungsorientierte Forschung von besonderem Interesse sind dabei v. a. KWK-Systeme auf Brennstoffzellenbasis, solare KWK-Systeme, Mikrogasturbinenprozesse und Mikro-Dampfprozesse mit Wasser oder organischen Fluiden als Arbeitsmedium (Clausius-Rankine-Cycle, Organic  Rankine Cycle). Letztere eignen sich insbesondere zur Abwärmeverstromung bei KWK-Anlagen oder industriellen Prozessen. Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Testfeldes für ORC-Anlagen an der Universität Bayreuth, das für verschiedene Turbine- und Verdampferarten ausgelegt ist.

 


Untersuchung des Einflusses eines Ölzusatzstoffes (zero-e-oil) auf Leistung, Kraftstoffverbrauch, Geräusch- und Abgasemission eines 4-Zylinder Saugmotors

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Laufzeit: 06/2014 - 09/2014

Finanzierung: Fraunhofer

Projektpartner: zero-e-oil, Nürnberg

Inhalte/Ziele: Der Motorölzusatz Zero-E-Oil senkt laut Herstellerangaben den Kraftstoffverbrauch, die Geräusch-, die Abgasemissionen und steigert die Motorleistung. Am Lehrstuhl wurden durch den Aufbau eines Motorprüfstands bei Verwendung von Hochleistungsmesstechnik anhand von Vergleichsuntersuchungen mit und ohne Zusatzstoff die Auswirkungen des Additivs ermittelt. Im Laufe der ausführlichen Untersuchungen wurden adäquate Prüfzyklen entwickelt und angewendet.

 


Entwicklung eines netzautarken Solar-Luft-Kollektors zur Nutzung in ländlichen Bereichen

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

Laufzeit: 8/2012 - 1/2014

Finanzierung: Fa. Bolz, Argenbühl

Projektpartner: Prof. Böhm, Fachbereich Maschinenbau, HS Weingarten

Inhalte/Ziele: Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Solar-Luft-Kollektors, der den Heizwärmebedarf eines autarken Gebäudes (Jagdhütte, Alpengasthof, Schrebergarten, Garage) besonders im ländlichen Bereich zu einem möglichst großen Anteil deckt. Dabei sind die Austrittstemperatur des Fluids und die nutzbare Wärme die entscheidenden Parameter. Diese werden von verschiedenen Größen beeinflusst, wobei Massenstrom, Intensität der Globalstrahlung, Kollektorneigungswinkel, Strömungsführung, Fläche, die für den Wärmetausch zur Verfügung steht, Wärmeübergangskoeffizienten, Druckverlust, Material und Abmessungen die wichtigsten sind.

Um einen optimalen Aufbau des Kollektors zu realisieren, wurden zahlreiche, verschiedene numerische Strömungs- und Festigkeitsuntersuchungen angestellt und optimierte Realisierungsvarianten erarbeitet.

 


Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 09/2011 - 08/2013

Finanzierung: Bayerische Forschungsstiftung

Projektpartner: Hochschule Amberg-Weiden (Prof. Dr.-Ing. Weiß), DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.

Inhalte/Ziele: Trotz des vielfach nachgewiesenen Potenzials an Abwärme sowohl im industriellen Bereich, als auch aus Biogas-BHKWs, fehlt es derzeit an wirtschaftlichen Lösungen für die Verstromung im Bereich kleiner 50 kWel. Diese Marktlücke soll durch die Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes geschlossen werden. Durch den Einsatz einer völlig neuartigen Mikro-Expansionsturbine und der Kopplung der Abwärmequelle an den ORC-Prozess mittels eines Direktverdampfers soll der Anlagenwirkungsgrad maximiert werden. Ziel ist die Errichtung einer ersten Demonstrationsanlage mit 10-30 kWel.

 


Anwendung oxidischer Halbleiter zur Umwandlung von Abwäme aus Kraftwerks- und Industrietechnologie (Thermo-Oxid-Power)

Lehrstuhl für Funktionsmaterialien (FM), Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik (MRT)

Projektstart: 2011

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: Siemens AG, Merck KGaA

Inhalt/Ziele: Um die Abwärme von der Kraftwerken und der Industrieanlagen kostengünstig und großtechnisch in Thermoelektrischen Generatoren (TEGs) nutzen zu können werden teilleitfähige Materialien auf Basis von dotierten, oxidischen Keramiken mit hoher Verfügbarkeit untersucht und weiterentwickelt. Diese n- und p-teilleitfähigen Partikel zeichnen sich durch ihre hohe elektrischen Leitfähigkeit bei niedriger thermischen Leitfähigkeit aus. Durch die Einbettung in eine Kunststoffmatrix können diese Materialien wie Polymere mit bekannten Technologien, z.B. zu Bändern, verarbeitet werden.

 


Modellierung und Simulation des Temperaturprofils glashaltiger Fassaden

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 12/2009 – 11/2012

Finanzierung: Teilprojekt des FORGLAS-Verbundes bei der Bayerischen Forschungsgemeinschaft

Projektpartner: F. X. Nachtmann Bleikristallwerke GmbH

Inhalte/Ziele: Im Rahmen des als Querschnittsvorhaben ausgelegten Teilprojektes werden die in verschiedenen Teilprojekten entwickelten Werkstoffe und Wandaufbauten anhand von Modellsimulationen unter energetischen Gesichtspunkten untersucht und bewertet. Dabei werden insbesondere Wärmeübergänge an Außen- und Innenwänden infolge Strahlung und Konvektion, die Wärmeleitung in den Wandschichten sowie der Gehalt an Wasser bzw. Wasserdampf bilanziert.

Im Vordergrund stehen Untersuchungen des dynamischen Verhaltens unter unterschiedlichsten meteorologischen und sonstigen Bedingungen, aus denen Aussagen über solare und interne Wärmegewinne während der Heizperiode wie auch den sommerlichen Wärmeschutz abgeleitet werden. Die Ergebnisse der instationären Modellierung werden mit stationären Berechnungen gemäß den gesetzlichen Richtlinien und zugehörigen Normen sowie Messungen verglichen.

 


Pilotprojekt zum Ausbau der Nutzung industrieller Abwärme in grenznahen und strukturschwachen Gebieten Oberfrankens mittels mobiler thermischer Speicher

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)

Laufzeit: 07/2009 – 06/2011

Finanzierung: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Inhalte/Ziele: Drastisch steigende Energieträgerpreise sowie anspruchsvolle Ziele zur Senkung der Emissionen klimawirksamer Gase zwingen gerade Unternehmen energieintensiver Branchen wie z.B. des Glas- und Keramikgewerbes zum Handeln. Der Energieeinsatz in diesen Branchen dient vorrangig der Bereitstellung von Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau, so dass die effiziente Nutzung anfallender Abwärme einen maßgeblichen Ansatzpunkt zur Senkung der Produktionskosten und damit der Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit darstellt. Abwärme wird heute zwar bereits in vielen Betrieben – zumindest teilweise – einer weiteren Verwendung zugeführt. Während in größeren Unternehmen häufig eine Wärmeübertragung auf andere Produktionsbereiche möglich ist, steht vor allem in KMUs jedoch oft nur die Bereitstellung von Raumwärme und die Warmwasserbereitung als Nutzungsoption zur Verfügung. Damit wird dem in der Energietechnik bedeutsamen Temperaturniveau der verfügbaren Abwärme in der Regel nur unzureichend Rechnung getragen. Hieraus ergibt sich für die KMUs ein beträchtliches Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz und damit der Senkung der Produktionskosten und Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit.

Ziel des Pilotprojektes ist es, ein Konzept für die Einführung außerbetrieblicher Abwärmenutzung unter Einsatz mobiler thermischer Speichersysteme in der Region Oberfranken zu erstellen, wobei in erster Linie Betriebe in den Kreisen Hof, Wunsiedel, Kronach, Kulmbach, Bayreuth sowie ferner Coburg und Lichtenfels berücksichtigt werden. Im Vordergrund stehen hierbei KMUs aus dem Bereich Glasgewerbe und Keramik, nach Möglichkeit werden aber auch die Bereiche Papier, Textilien sowie Nahrungs- und Genussmittel einbezogen. Als potenzielle Wärmeabnehmer werden sowohl andere Unternehmen und Betriebe als auch zentralisierte Einrichtungen (z.B. Stromerzeugung auf Abwärmebasis) in Betracht gezogen, wobei nach heutigem Kenntnisstand Transportentfernungen bis ca. 30 km veranschlagt werden können.

 

Anschrift

Prof. Brüggemann
Prof.-Rüdiger-Bormann-
Straße 1
95447 Bayreuth

T. 0921 - 55-6801
F. 0921 - 55-6802