Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Technisch-wirtschaftliche und soziologische Evaluierung vernetzter hochgradig solar versorgter Mehrfamilienhäuser bei Einführung eines Pauschal-Mietmodells - Eversol
Full text linkIm Jahr 2017 - 2018 wurden in Cottbus zwei solare Mehrfamilienhäuser (je 7 Wohneinheiten) gebaut und seit 2019 im bewohnten Zustand im Rahmen des Eversol-Projektes durch die TU Bergakademie Freiberg wissenschaftlich begleitet. Neben dem Energiekonzept (Solarthermie und Photovoltaik) war auch das Bewohnerverhalten aufgrund einer Pauschalmiete (Festpreis für Wohnen, Strom, Wärme und Kälte) von Interesse.
Die im Detail untersuchten Gebäude in Cottbus erreichen die hohen planerischen solaren Deckungsgrade in der elektrischen Energieversorgung sehr gut (70 % - 77 %). Das Stromverbrauchsprofil ist vergleichbar mit Literaturwerten und weist keine Auffälligkeiten aufgrund von Pauschalmiete auf. Durch deutlichen Mehrverbrauch in der Wärmeversorgung wird der solare Wärmedeckungsgrad allerdings verfehlt (50 % - 55 %). Gründe sind hier neben einem hohen Komfortanspruch der Bewohner (hohe Raumtemperaturen) u. a. auch in einer fehlerhaften Thermostateinstellung und hohen Warmwasser-Vorlauftemperaturen zu sehen. Insgesamt weisen die Monitoringergebnisse jedoch nicht auf ein verschwenderisches Verhalten aufgrund der Pauschalmiete hin. Für zukünftige Projekte wird deutlich, dass sowohl elektrischer, als auch thermischer Speicher deutlich kleiner dimensioniert werden könnten, ohne einen großen Einfluss auf die Autarkie zu haben. Der Erfolg der Auskopplung von Strom- und Wärmeüberschüssen in das umliegende Quartier konnte nachgewiesen werden. Es besteht jedoch noch weiteres Potenzial durch eine intelligente Steuerung. Die in diesem Forschungsprojekt mit umgesetzte pauschalisierte Inklusivmiete / Pauschalmiete kann als ein wesentlicher zukünftiger Anreizfaktor für ein Umdenken im Neubau von gesetzlichen, energetischen Pflichtvorgaben hin zu ökologisch-wirtschaftlichen Lösungen, von denen Mieter wie Vermieter profitieren, angesehen werden.
Die Kombination von Neubau mit Bestandsgebäuden zu einem Quartier, sowie die energetische Sanierung und Integration von regenerativen Energiequellen in Bestandsgebäude weisen ein immenses Potential in Deutschland auf und sollten zukünftig vermehrt hinsichtlich Energie und CO2-Einsparpotentialen mit einer Erarbeitung von neuen schnellen Umsetzungsstrategien untersucht werden.:Definitionen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung und Projektablauf
2 Stand der Technik und Gesetze im Gebäude- und Quartiersbestand
2.1 Gesetzliche Vorgaben und Förderrichtlinien
2.1.1 Gebäudeenergiengesetz (GEG)
2.1.2 KfW-Förderungsrichtlinien Niedrigenergiehäuser
2.1.3 Solarpflicht
2.1.4 Gesetz zur Aufteilung der Kohlendioxidkosten (CO2KostAufG)
2.2 Gebäudebestand
2.3 Niedrigstenergiegebäude im Markt der MFH
2.3.1 Geometrische Kennzahlen und baulicher Wärmeschutz
2.3.2 Technische Ausstattung
2.3.3 Energetische Betrachtung
2.4 Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Heizwärmeverbrauch
2.5 Energetische Quartierskonzepte
2.5.1 Wärme im Quartier - 5GDHC
2.5.2 Strom im Quartier
2.5.3 Fazit und Hemmnisse von Quartierskonzepten für Wärme- und Stromeigenversorgung
2.6 Warmwasserbehandlung
2.6.1 Grundlagen solarer Nutzwassererwärmung im Mehrfamilienhaus
2.6.2 Warmwasserbereitstellung im Mehrfamilienhaus
3 Mietmodelle
3.1 Energielieferungen in Vermietungsmodellen
3.1.1 Beschreibung des Status Quo
3.1.2 Gesetzeskarte für Energiedienstleistungen
3.1.3 Mieterstrommodelle
3.1.4 Bestehende Pauschal- und Teilinklusivmieten
3.2 Neue Modelle der Pauschalmiete und Variationen
3.2.1 Varianten pauschaler Abrechnung
3.2.2 Wünschenswerte rechtliche Änderungen
3.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich der Pauschalmiete
3.3.1 Ermittlung der Eingabewerte
3.3.2 Ergebnisse aus Vermietersicht
3.3.3 Ergebnisse aus Mietersicht
3.4 Mögliche Einsatzbereiche von Pauschalmieten
3.4.1 Variation des Gebäudestandards und der Anlagennutzungsdauer
3.4.2 Variation der Fördermittel und der CO2-Steuer
3.4.3 Variation Energiepreis
3.4.4 Variation der Anzahl der Wohneinheiten
3.5 Vergleich der gemessenen Daten in Bezug auf die betrachteten Mietmodell
3.6 Vernetzung im Quartier
3.7 Fazit
4 Simulationsgestützte Analysen
4.1 Matlab/Simulink Modell von Gebäude und Quartier
4.2 Potentiale wärmeseitige Quartiersvernetzung
4.3 Potentiale stromseitige Quartiersvernetzung
4.4 Standortvergleich
4.5 Ökobilanzierung
4.6 Anlagendimensionierungen
5 Monitoring
5.1 Kenndaten und Gebäudekonzept
5.2 Installierte Messtechnik
5.3 Messwerterfassung
5.4 Wetterdaten
5.5 Speicherverluste
5.6 Kennzahlen
6 Energetische Bewertungen
6.1 Fehleranalyse und Vorschläge zur Systemoptimierung
6.1.1 Akku- und Wechselrichterausfall
6.1.2 Eigenzirkulation im ST-Kreislauf
6.1.3 Hydraulischer Abgleich der Teilfelder ST
6.1.4 Nahwärmeauskopplung
6.1.5 Thermostateinstellung und Umstellungen des Heiz- und Kühlmodus
6.1.6 Einspeisung ST-Ertrag in Speicher
6.1.7 Zirkulationsverluste und Auslegung Frischwasserstation
6.1.8 Klimatisierung Technikräume
6.2 Elektrische Energiebilanz - Gebäude und Einzelkomponenten
6.2.1 Allgemeine Energiebilanzen - Strom
6.2.2 PV-Anlagen
6.2.3 Haushaltsstromverbrauch
6.2.4 Hilfsstromverbrauch
6.2.5 Akkuspeicher
6.2.6 Quartiersvernetzung
6.3 Wärmebilanz - Gebäude und Einzelwohnungen
6.3.1 Allgemeine Energiebilanzen - Wärme
6.3.2 Einfluss Mieter und Thermostateinstellung auf Raumtemperatur und
Heizwärmebedarf
6.3.3 Einfluss der Globalstrahlung auf den Heizwärmeverbrauch
6.3.4 Solarthermieanlage
6.3.5 Vergleich Solarthermie- und PV-Anlage
6.3.6 Gasbrennwerttherme und Warmwasserbereitung
6.3.7 Betrachtungen des Wärmespeichers
6.3.8 Gebäude- und Wohnraumkühlung und -heizung
6.3.9 Quartiersvernetzung
6.4 Soziologische Befragungen
6.4.1 Bewertung der Wohnungen
6.4.2 Bewertung des Energiekonzepts
6.4.3 All-Inclusive-Miete
6.4.4 Einstellung zur Mobilität
6.4.5 Selbsteinschätzung des Energieverbrauchsverhalten
6.4.6 Geräteausstattung
6.4.7 Fazit
7 Fazit und Ausblick
Literaturverzeichnis
AnhangAs part of the Eversol project, two solar apartment blocks (7 units each) were built in 2017 - 2018 and were monitored since 2019 in an inhabited state as part of the Eversol project monitored scientifically by the TU Bergakademie Freiberg. Due to a flat-rate rent (fixed price for living, electricity, heating and cooling), the energy concept (solar thermal and photovoltaics) and the occupants' behaviour were of main interest.
The high planned solar coverage rates for the electricity supply (70 % - 77 %) are very well achieved in the buildings analysed in detail in Cottbus. The electricity consumption profile is comparable with literature values and shows no anomalies due to flat-rate rent. However, the solar heat coverage is not achieved due to the significantly higher consumption in the heat supply (50 % - 55 %). In addition to the high comfort requirements of the occupants (high room temperatures), this is e. g. also due to incorrect thermostat settings and high hot water temperatures. On the whole, however, the monitoring results do not indicate any wasteful behaviour as a result of the flat-rate rent. For future projects, it is clear that both the electrical and thermal storage tanks could be significantly smaller without having a major impact on self-sufficiency. The success of exporting surplus electricity and heat to the surrounding neighbourhood has been proven, but there is further potential through intelligent control.
The all-inclusive rent / flat-rate rent implemented in this research project can be seen as a significant future motivator for a rethinking in new buildings from legislative, mandatory energy requirements to ecological and economical solutions that benefit both tenants and landlords. Combining new buildings with existing buildings to form a quarter, as well as energy-efficient renovation and integration of renewable energy into existing buildings, has great potential in Germany and should be explored further to develope new rapid realisation strategies for the future building sector.:Definitionen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung und Projektablauf
2 Stand der Technik und Gesetze im Gebäude- und Quartiersbestand
2.1 Gesetzliche Vorgaben und Förderrichtlinien
2.1.1 Gebäudeenergiengesetz (GEG)
2.1.2 KfW-Förderungsrichtlinien Niedrigenergiehäuser
2.1.3 Solarpflicht
2.1.4 Gesetz zur Aufteilung der Kohlendioxidkosten (CO2KostAufG)
2.2 Gebäudebestand
2.3 Niedrigstenergiegebäude im Markt der MFH
2.3.1 Geometrische Kennzahlen und baulicher Wärmeschutz
2.3.2 Technische Ausstattung
2.3.3 Energetische Betrachtung
2.4 Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Heizwärmeverbrauch
2.5 Energetische Quartierskonzepte
2.5.1 Wärme im Quartier - 5GDHC
2.5.2 Strom im Quartier
2.5.3 Fazit und Hemmnisse von Quartierskonzepten für Wärme- und Stromeigenversorgung
2.6 Warmwasserbehandlung
2.6.1 Grundlagen solarer Nutzwassererwärmung im Mehrfamilienhaus
2.6.2 Warmwasserbereitstellung im Mehrfamilienhaus
3 Mietmodelle
3.1 Energielieferungen in Vermietungsmodellen
3.1.1 Beschreibung des Status Quo
3.1.2 Gesetzeskarte für Energiedienstleistungen
3.1.3 Mieterstrommodelle
3.1.4 Bestehende Pauschal- und Teilinklusivmieten
3.2 Neue Modelle der Pauschalmiete und Variationen
3.2.1 Varianten pauschaler Abrechnung
3.2.2 Wünschenswerte rechtliche Änderungen
3.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich der Pauschalmiete
3.3.1 Ermittlung der Eingabewerte
3.3.2 Ergebnisse aus Vermietersicht
3.3.3 Ergebnisse aus Mietersicht
3.4 Mögliche Einsatzbereiche von Pauschalmieten
3.4.1 Variation des Gebäudestandards und der Anlagennutzungsdauer
3.4.2 Variation der Fördermittel und der CO2-Steuer
3.4.3 Variation Energiepreis
3.4.4 Variation der Anzahl der Wohneinheiten
3.5 Vergleich der gemessenen Daten in Bezug auf die betrachteten Mietmodell
3.6 Vernetzung im Quartier
3.7 Fazit
4 Simulationsgestützte Analysen
4.1 Matlab/Simulink Modell von Gebäude und Quartier
4.2 Potentiale wärmeseitige Quartiersvernetzung
4.3 Potentiale stromseitige Quartiersvernetzung
4.4 Standortvergleich
4.5 Ökobilanzierung
4.6 Anlagendimensionierungen
5 Monitoring
5.1 Kenndaten und Gebäudekonzept
5.2 Installierte Messtechnik
5.3 Messwerterfassung
5.4 Wetterdaten
5.5 Speicherverluste
5.6 Kennzahlen
6 Energetische Bewertungen
6.1 Fehleranalyse und Vorschläge zur Systemoptimierung
6.1.1 Akku- und Wechselrichterausfall
6.1.2 Eigenzirkulation im ST-Kreislauf
6.1.3 Hydraulischer Abgleich der Teilfelder ST
6.1.4 Nahwärmeauskopplung
6.1.5 Thermostateinstellung und Umstellungen des Heiz- und Kühlmodus
6.1.6 Einspeisung ST-Ertrag in Speicher
6.1.7 Zirkulationsverluste und Auslegung Frischwasserstation
6.1.8 Klimatisierung Technikräume
6.2 Elektrische Energiebilanz - Gebäude und Einzelkomponenten
6.2.1 Allgemeine Energiebilanzen - Strom
6.2.2 PV-Anlagen
6.2.3 Haushaltsstromverbrauch
6.2.4 Hilfsstromverbrauch
6.2.5 Akkuspeicher
6.2.6 Quartiersvernetzung
6.3 Wärmebilanz - Gebäude und Einzelwohnungen
6.3.1 Allgemeine Energiebilanzen - Wärme
6.3.2 Einfluss Mieter und Thermostateinstellung auf Raumtemperatur und
Heizwärmebedarf
6.3.3 Einfluss der Globalstrahlung auf den Heizwärmeverbrauch
6.3.4 Solarthermieanlage
6.3.5 Vergleich Solarthermie- und PV-Anlage
6.3.6 Gasbrennwerttherme und Warmwasserbereitung
6.3.7 Betrachtungen des Wärmespeichers
6.3.8 Gebäude- und Wohnraumkühlung und -heizung
6.3.9 Quartiersvernetzung
6.4 Soziologische Befragungen
6.4.1 Bewertung der Wohnungen
6.4.2 Bewertung des Energiekonzepts
6.4.3 All-Inclusive-Miete
6.4.4 Einstellung zur Mobilität
6.4.5 Selbsteinschätzung des Energieverbrauchsverhalten
6.4.6 Geräteausstattung
6.4.7 Fazit
7 Fazit und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhan
BLAINDER—A Blender AI Add-On for Generation of Semantically Labeled Depth-Sensing Data
Full text linkCommon Machine-Learning (ML) approaches for scene classification require a large amountof training data. However, for classification of depth sensor data, in contrast to image data, relativelyfew databases are publicly available and manual generation of semantically labeled 3D point clouds isan even more time-consuming task. To simplify the training data generation process for a wide rangeof domains, we have developed theBLAINDERadd-on package for the open-source 3D modelingsoftware Blender, which enables a largely automated generation of semantically annotated point-cloud data in virtual 3D environments. In this paper, we focus on classical depth-sensing techniquesLight Detection and Ranging (LiDAR) and Sound Navigation and Ranging (Sonar). Within theBLAINDERadd-on, different depth sensors can be loaded from presets, customized sensors can beimplemented and different environmental conditions (e.g., influence of rain, dust) can be simulated.The semantically labeled data can be exported to various 2D and 3D formats and are thus optimizedfor different ML applications and visualizations. In addition, semantically labeled images can beexported using the rendering functionalities of Blender
Formation of a macrocycle from dichlorodimethylsilane and a pyridoxalimine Schiff base ligand
Full text linkThe reaction of dichlorodimethylsilane with a polydentate Schiff base ligand derived from pyridoxal and 2-ethanolamine yielded the macrocyclic silicon compound (8E,22E)-4,4,12,18,18,26-hexamethyl-3,5,17,19-tetraoxa-8,13,22,27-tetraaza-4,18-disilatricyclo[22.4.0.010,15]octacosa-1(24),8,10,12,14,22,25,27-octaene-11,25-diol, C24H36N4O6Si2. The asymmetric unit contains the half macrocycle with an intramolecular O—H⋯N hydrogen bond between the imine nitrogen atom and a neighbouring oxygen atom. The crystal structure is dominated by C—H⋯O and C—H⋯π interactions, which form a high ordered molecular network
Influence of Oxygen Admixture on Plasma Nitrocarburizing Process and Monitoring of an Active Screen Plasma Treatment
Full text linkThe effect of a controlled oxygen admixture to a plasma nitrocarburizing process using active screen technology and an active screen made of carbon was investigated to control the carburizing potential within the plasma-assisted process. Laser absorption spectroscopy was used to determine the resulting process gas composition at different levels of oxygen admixture using O2 and CO2, respectively, as well as the long-term trends of the concentration of major reaction products over the duration of a material treatment of ARMCO® iron. The short-term studies of the resulting process gas composition, as a function of oxygen addition to the process feed gases N2 and H2, showed that a stepwise increase in oxygen addition led to the formation of oxygen-containing species, such as CO, CO2, and H2O, and to a significant decrease in the concentrations of hydrocarbons and HCN. Despite increased oxygen concentration within the process gas, no oxygen enrichment was observed in the compound layer of ARMCO® iron; however, the diffusion depth of nitrogen and carbon increased significantly. Increasing the local nitrogen concentration changed the stoichiometry of the ε-Fe3(N,C)1+x phase in the compound layer and opens up additional degrees of freedom for improved process control
Oxidation von Methan und Formaldehyd an eisenbasierten Katalysatoren in sauerstoffreichen Abgasen
Full text linkDie vorliegende Dissertationsschrift umfasst systematische Untersuchungen zur Oxidation von Methan und Formaldehyd an Eisenoxid-Vollkatalysatoren im sauerstoffreichen Abgas von Gasmotoren. Als Brennstoff kann sowohl biogenes als auch fossiles Methan eingesetzt werden, wobei mit Biogas betriebene Motoren im Fokus dieser Arbeit stehen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass α-FeOOH-stämmige Katalysatoren eine hohe Oxidationsaktivität aufweisen. Unter abgastypischen Bedingungen startet die Umsetzung von Formaldehyd bei 150 °C und verläuft oberhalb von 300 °C vollständig. Der Methanumsatz beträgt bei 550 °C bis zu 30 %. Weiterhin liefern Struktur-Aktivitäts-Korrelationen sowie mechanistische Studien ein molekulares Verständnis für die Umsetzung der beiden Schadstoffe und bestimmende Eigenschaften der Eisenoxid-Katalysatoren.
Zum einen wird deutlich, dass bei einer großen BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und Anzahl azider Adsorptionszentren sowie geringer Kristallitgröße (< 50 nm) eine hohe Methanoxidationsaktivität erhalten wird. Dabei liegen die Katalysatoren unter den abgastypischen Bedingungen in der α-Fe2O3-Modifikation vor. Des Weiteren ist eine hohe Redoxaktivität bzw. Sauerstoffmobilität von signifikanter Bedeutung. Die Methanumsetzung findet durch sequenzielle Abstraktion der Wasserstoffatome statt und wird demnach maßgeblich durch Wasserstofftransferprozesse und die Verfügbarkeit von aktiven Sauerstoffspezies auf der Katalysatoroberfläche beeinflusst. Die kinetische Modellierung der Methanoxidation legt die Umsetzung nach einem Langmuir-Hinshelwood-basierten Mechanismus nahe. Hierbei wird eine Aktivierungsenergie von 131 kJ∙mol-1 erhalten.
Für eine hohe katalytische Aktivität bei der Formaldehydkonversion sind eine große
BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und eine hohe Verfügbarkeit von Hydroxidgruppen essentiell. Die Oxidation verläuft bei tiefen Temperaturen (< 300 °C) vorwiegend nach einem Cannizzaro-Mechanismus, wobei als wesentliche Zwischenprodukte Methoxy- und Formiat-Spezies entstehen. Erstere sind die Ursache für die Methanolbildung im Anspringbereich der Umsetzung. Als katalytisch aktive Spezies können oberflächliche Hydroxidgruppen identifiziert werden, die an der Oberfläche der Fe2O3-Katalysatoren vorhanden sind und den Ablauf der Cannizzaro-Reaktion ermöglichen.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Aufskalierung des aktivsten Fe2O3-Katalysators das Potential für die Schadstoffminderung sowohl im Labormaßstab als auch an einem Gasmotor aufgezeigt. Hierbei wird Formaldehyd am frischen Katalysator vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt, während die Oxidation des Methans aufgrund zu tiefer Temperaturen des Abgases nicht stattfindet
Speicherung von Wasserstoff im Untergrund – Geologisches Potential in Deutschland
Full text linkZur Erreichung der Klimaschutzziele und Dekarbonisierung der Energieerzeugung und Industrie wird in Deutschland und Europa der Ausbau erneuerbaren Energien (v.a. Solar- und Windenergie, Geothermie) vorangetrieben. Die daraus resultierende fluktuierende Stromerzeugung, meist nicht mit dem Strombedarf überlappend, kann in Zukunft nicht mehr durch fossile Energieträger ausgeglichen werden, sondern muss gespeichert werden. Wasserstoff als chemischer Energieträger bietet dazu eine gute Option im Gigawatt- bis Terawattstundenbereich. Als großskalige Speicheroption für Wasserstoff bieten sich Salzkavernen an, die schon jahrzehntelang erprobt und Stand der Technik sind. Die bestehenden Kavernen in Deutschland reichen dabei nicht für die prognostizierten Speicherbedarfe aus, Deutschland verfügt aber über ein großes geologisches Potential, neue Kavernen im Untergrund anzulegen.To achieve the climate change objectives and decarbonisation of power generation and industry, Germany and Europe are expanding their renewable energies (esp., solar, wind and geothermal energy) vastly. The resulting fluctuation power generation, usually not equalling the current demands, cannot be balanced by fossil fuels in the future and has to be stored instead. Hydrogen as a chemical energy carrier is a good option for the gigawatt- to terawatt-hour range. Salt caverns offer a large-scale storage option for hydrogen that have been used for decades and are state of the art. The existing caverns in Germany are not sufficient for the forecasted storage needs. However, Germany has a large potential for the underground construction of new caverns
Phasefield modeling of ternary fluid-structure interaction problems
Full text linkInteractions between three immiscible phases, including incompressible viscoelastic structures and fluids, form standard constellations for countless scenarios in natural science. The complexity of many such scenarios has motivated various research efforts in scientific computing. This work presents novel numerical approaches for two specific of these ternary fluid-structure interaction constellations. The potential of these approaches is demonstrated by diverse applications. First, a phase field model is developed describing the interaction between a fluid and a viscoelastic solid. For this purpose, a Navier-Stokes-Cahn-Hilliard system is considered together with a hyperelastic neo-Hookean model. Based on this, an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is implemented to simulate the indentation of the solid material in the context of atomic force microscopy, capable of predicting physical parameters. Next, the second approach is developed to describe the interaction between a two-phase fluid and a viscoelastic solid, where fluid and solid are defined on separate domains but aligned at the interface between them. The previously introduced phase field model is used to represent the fluid and an ALE method is used for the motion of the grid, where the fluid-solid interface moves with flow velocity. A unified system is solved in all subdomains, which includes both the balance of mass and momentum and the balance of forces at the fluid-solid interface. Simulations of static and dynamic soft wetting are subsequently presented, in particular a contact line moving over a substrate with oscillating stick-slip behavior. This work combines the advantages of phase field and ALE methods for meaningful simulations and emphasizes validity and numerical stability in all approaches
Synthese und thermodynamische Charakterisierung ausgewählter Alanate
Full text linkIm Mittelpunkt der Arbeit stehen Alanate und Aluminiumhydride der Übergangs- und Erdalkalimetalle in Bezug auf ihre Synthese, ihre thermodynamischen Eigenschaften, ihre Zersetzungsreaktionen und ihre potentielle Eignung für reversible Wasserstoffspeicheranwendungen. Es konnten für CeAlH6, Mg(AlH4)2, Ca(AlH4)2, Sr(AlH4)2, CaAlH5 und SrAlH5 die Wärmekapazitätsfunktionen sowie die absoluten Entropien und Bildungsenthalpien bei 298,15 K bestimmt werden. Weiterhin wurden Methoden zur Näherung der genannten thermodynamischen Daten evaluiert und mit den ermittelten Werten aktualisiert und erweitert. Außerdem wurde die im Bereich der komplexen Hydride übliche Annahme, dass sich die bei der Synthese gebildeten Nebenprodukte LiCl und NaCl gegenüber den Hydriden inert verhalten, überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass die Annahme hinsichtlich der Eigenschaften und Zersetzungsreaktionen von Mg(AlH4)2, Ca(AlH4)2 und Sr(AlH4)2 Bestand hat. In Bezug auf die Dehydrierung von CaAlH5 und SrAlH5 ist sie jedoch ungültig, wenn die Probe LiCl enthält
Numerische Simulation von thermisch gekoppelten Gesteinszerstörungsprozessen mittels Diskreter Elemente
Full text linkIn den letzten Jahren intensivierten sich die Bemühungen, anisotropes Verhalten von Gesteinen in numerischen Modellen abzubilden. Für ein tiefgreifendes Verständnis dieser Prozesse sind numerische Modelle gut geeignet, da hier die Rand- und Anfangsbedingungen sehr exakt vorgegeben werden können, um das Verhalten eines pkysikalischen Systems unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen zu studieren. Am Beispiel von Gneis wird ein numerisches Modell für die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuche vorgestellt. Dieses nutzt den Diskreten-Element-Code 3DEC der Fa. Itasca Consulting Group, Inc. um gekoppeltes nichtlinear-anisotropes thermo-mechanisches Materialverhalten zu simulieren. In dieser Arbeit wird sowohl der Modellaufbau anhand eines GBM gezeigt, als auch ein Stoffgesetz zur Simulation eines nichtlinearen orthotropen thermischen Expansionsverhaltens entwickelt. Die dafür benötigten Modellparameter werden anhand von durchgeführten Laborversuchen kalibriert. Das entwickelte Modell wird dann angewendet, um die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuchen für ein anisotropes Material (Gneis) durchzuführen, um das Modell zu validieren. Am Ende der Arbeit wird eine praktische Anwendung des Modells in Form eines Schneidversuchs gezeigt.In recent years, efforts have intensified to simulate the anisotropic behavior of rocks in numerical models. Numerical models are well suited for a profound understanding of these processes, since the boundary and initial conditions can be specified very precisely in order to study the behavior of a physical system under fully controllable conditions. Using the example of gneiss, a numerical model is presented for the modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests. The discrete element code 3DEC from the company Itasca Consulting Group, Inc. is used to simulate coupled nonlinear-
anisotropic thermo-mechanical material behavior. In this thesis the model generation is shown using Grain-Based Models and a material law for the simulation of a nonlinear orthotropic thermal expansion behavior is developed. The model parameters required for this are calibrated based on performed laboratory tests. The developed model is then applied to perform modeling of uniaxial compression
and Brazilian tensile tests for an anisotropic material (gneiss) to validate the model. Lastly, a practical application of the model is shown in the form of a cutting test
Development and characterization of MgO and TiO2 reinforced Steel Ceramic Composites resistant to long-term contact with liquid aluminum alloys
Full text linkThe PhD thesis provides detailed description of a successful development of MgO and TiO2 particle reinforced Steel Ceramic Composites (SCC) for molten aluminum alloy applications. For this purpose, the influence of MgO and TiO2 addition and subsequent pre-oxidation surface treatment on the structure of SCCs and their corrosion resistance against long-term contact with liquid aluminum alloys was investigated. The initiation and progression of corrosion processes were thoroughly analyzed by means of newly developed DSC-aided corrosion tests, high temperature electrochemical studies and adapted wettability measurements. The gained insights led to the recognition of most important factors contributing to the corrosion, including both the electrochemical and the chemical driving forces arising between the SCCs and aluminum alloy. The evaluation of long-term corrosion resistance was performed with the help of finger immersion tests, crucible corrosion tests and subsequent SEM/EDS/EBSD and XRD analyses aiming at the determination of elements most prone to the dissolution in the liquid aluminum alloy and formation of corrosion phases. The pre-oxidized MgO reinforced SCC revealed superior corrosion resistance, being capable of withstanding more than 168 h of contact with liquid aluminum alloy.:Table of content
1 Introduction 1
2 Theoretical background 5
2.1 Wettability measurements 5
2.2 Electrochemical behavior of SCC/molten aluminum alloy material pair 8
2.3 Steel-based materials/molten aluminum alloy reaction 13
2.4 Long-term corrosion mechanisms 16
2.5 Differential Scanning Calorimetry for corrosion precipitation analysis 18
2.6 Corrosion of steel and SCCs during long-term contact with aluminum alloys 19
2.7 Protective coatings and surface treatment of steel and Steel Ceramic Composites 21
2.7.1 Protective coatings against molten aluminum alloys 21
2.7.2 Oxidation kinetics 22
3 Materials and Methods 25
3.1 Materials and Composites Manufacturing 26
3.2 Investigation of corrosion phase formation via DSC-aided corrosion tests 29
3.3 High temperature electrochemical studies 30
3.4 Elaboration of suitable surface pre oxidation for SCCs 33
3.5 Wettability Tests 34
3.6 Finger immersion tests 35
3.7 Crucible Corrosion Tests 36
4 Results and Discussion 41
4.1 Investigation of corrosion phase formation using DSC-aided corrosion tests 41
4.1.1 Determination of reference information for DSC-aided corrosion test 41
4.1.2 Influence of the sample/melt contact duration on the alteration of DSC signal – elaboration of suitable corrosion test conditions. 44
4.1.3 Investigation of 120 min contact time between 316L40TiO2 and 316L40MgO Steel Ceramic Composites with aluminum alloy on the formation of corrosion phases in the melt 47
4.1.4 SEM/EDS microscopical analysis of 316L sample after DSC-aided corrosion test with AlSi7Mg0.3 aluminum alloy for 120 min 51
4.1.5 SEM/EDS microscopical analysis of 316L40TiO2 sample after DSC-aided corrosion test with AlSi7Mg0.3 aluminum alloy for 120 min 53
4.1.6 SEM/EDS microscopical analysis of 316L40MgO sample after DSC-aided corrosion test with AlSi7Mg0.3 aluminum alloy for 120 min 55
4.2 High temperature electrochemical studies of SCCs 60
4.2.1 Evaluation of thermal and chemical stability of selected three-electrode cell materials 60
4.2.2 Differential Potential 61
4.2.3 Impedance Spectroscopy and Potentiodynamic Polarization 64
4.2.4 Microscopical analysis of WE after the electrochemical experiment 68
4.3 Surface treatment of SCCs 79
4.3.1 Dilatometry and Thermogravimetry of SCCs during pre-oxidation 79
4.3.2 Preliminary evaluation of morphology of the SCCs cross-section after pre oxidation at different temperatures and for different durations 83
4.3.3 Detailed SEM/EDS/XRD structure analysis of selected pre-oxidized SCCs 87
4.4 Wettability of aluminum alloy on SCCs 102
4.4.1 Characterization of substrates surface 102
4.4.2 Wetting angle at the drop release 102
4.4.3 Wetting angle 30 min after reaching 850 °C 104
4.4.4 Evaluation of the droplet/substrate cross-section 105
4.5 Finger Immersion Tests 107
4.5.1 Preliminary evaluation of peroxidized SCCs after immersion test 107
4.5.2 Analysis of 316L40TiO2 immersion sample pre oxidized at 850 °C for 24 h 111
4.5.3 Analysis of 316L40TiO2 immersion sample pre-oxidized at 1000 °C for 24 h 112
4.5.4 Analysis of 316L40MgO immersion sample pre oxidized at 850 °C for 24 h 113
4.5.5 Analysis of 316L40MgO immersion sample pre-oxidized at 1000 C for 24 h 114
4.6 Crucible Corrosion Tests 115
4.6.1 Preliminary evaluation of crucible corrosion test results 115
4.6.2 Analysis of 316L40TiO2 sample pre oxidized at 850 °C for 24 h after the crucible corrosion test for 24 h 119
4.6.3 Analysis of 316L40TiO2 sample pre-oxidized at 1000 °C for 24 h after the crucible corrosion test for 168 h 120
4.6.4 Analysis of 316L40MgO sample pre-oxidized at 850 °C for 24 h after the crucible corrosion test for 24 h 122
4.6.5 Analysis of 316L40MgO sample pre-oxidized at 1000 °C for 24 h after the crucible corrosion test for 168 h 125
4.6.6 Analysis of the microstructure of aluminum alloy after crucible corrosion tests 128
4.6.7 Evaluation of contamination of aluminum alloy after crucible corrosion tests 133
Conclusions 137
References 145
Appendixes 161
Appendix A: Preliminary Investigations 161
A.1: Preparation of SCC granulates 161
A.2: Evaluation of properties of composites pressed from granulates 162
Appendix B: Constructions and Designs 169
B.1. Three-Electrode Cell – for high temperature electrochemical measurements with molten aluminum alloys as reference electrode 169
B.2. Capillary System – for capillary purification technique wettability measurements with aluminum alloys 177
Appendix C: Auxiliary Investigations 184
C.1 Detailed SEM/EDS analysis of pre-oxidized SCCs 184
C.2 SEM/EDS analysis of SCCs after 96 h Finger Immersion Tests in aluminum alloy 20