Offenburg University of Applied Sciences
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Modellierung, simulative Charakterisierung und Parameterstudie von Lithium-Ionen-Batterien mit einer Mischelektrode
No full textSeit ihrer Markteinführung Anfang der neunziger Jahre spielen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) eine wichtige Rolle in der Gesellschaft und Entwicklung neuer Technologien. Mit zunehmendem Bewusstsein für den Klimawandel wurde auch die Notwendigkeit erkannt, fossile Energieträger durch Alternativen zu ersetzen. Hierbei spielen LIB in einer Vielzahl von Anwendungen eine entscheidende Rolle. Zu finden sind sie sowohl im stationären Bereich wie z. B. Heimspeicher, als auch mobilen Anwendungen von der Armbanduhr bis hin zu Fähren. Neue Einsatzgebiete bedeuten dabei immer größer werdende Herausforderungen, die LIBn auf die jeweiligen Anforderungen abzustimmen. Mathematische Modelle spielen in der Forschung und Entwicklung von LIB einen elementaren Bestandteil. Mithilfe von numerischer Simulation wird das Verhalten der LIB nachgebildet, um ein besseres Verständnis für deren Verhalten zu bekommen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Parametrierung und experimentellen Validierung eines pseudo-3D (P3D) multiphysikalischen Modells einer kommerziellen 350 mAh Hochleistungs- (HP) Lithium-Ionen-Pouchzelle. Die LIB hat eine Graphitanode und eine Lithium-Kobaltoxid (LCO)/Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) Mischkathode. Das Modell beschreibt die Transportprozesse auf den drei folgenden Skalen: Wärmetransport auf der Zellebene (Makroskala) – Massen- und Ladungstransfer auf der Elektrodenpaarebene (Mesoskala) – Massentransport im Aktivmaterial (Mikroskala). Mithilfe der Open-Source-Software Cantera zur Berechnung der chemischen Kinetik wird eine verallgemeinerte Beschreibung der elektrochemischen Vorgänge in der Mischelektrode entwickelt. Zum Ende der Modellerstellung kann eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit galvanostatischen Lade-/Entlademessungen, elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Oberflächentemperaturmessungen über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen (0,05 C bis 10 C Ladung und Entladung, 5 °C bis 35 °C) gezeigt werden. Anschließend werden Methoden entwickelt, die Verluste, die in einer LIB während dem Betrieb entstehen, auf deren Ursachen zurückführen zu können. Die Verluste äußern sich in Überspannungen während der Lade und Entladevorgänge. Hierbei finden drei verschiedene Methoden ihre Anwendungen: (1) Aufteilung der Überspannungsbeiträge entsprechend ihrer Ursachen hinsichtlich der ohmschen Anteile sowie der Konzentrations- und Aktivierungsanteile der einzelnen Zellkomponenten. (2) Die partielle elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Darstellung der verschiedenen Beiträge der EIS. (3) Sensitivitätsanalyse hinsichtlich globaler Kennwerte (Kapazität, Innenwiderstand und Impedanz) und der Überspannungen zur Bewertung des Einflusses der verschiedenen Zellparameter hinsichtlich der Simulationsergebnisse. Zum Abschluss wird der Zielkonflikt zwischen Energie und Leistung betrachtet, der insbesondere auch bei Elektrofahrzeugen eine Rolle spielt, da große Reichweiten (viel Energie) und möglichst kurze Ladezeiten (hohe Leistung) gefordert werden. Es wird gezeigt, dass Lithiumplating durch hohe Temperaturen oder durch die Verwendung des CCCPCV-Ladeprotokolls, mit einer Phase mit konstantem Anodenpotential, vermieden werden kann. Es wird eine spezifische Ladeleistung eingeführt und diese als das Verhältnis zwischen der entladenen Energie (bei langsamer Entladung) und der erforderlichen Ladezeit (bei schneller Ladung) quantifiziert. Die Wert weisen ein deutliches Optimum in Bezug auf die Elektrodendicke auf. Bei 35 °C wurde das Optimum mit einem Hochenergie-Elektrodendesign erreicht, das 23,8 Wh/(min·l) spezifische Ladeleistung bei 15,2 min Ladezeit (10 % bis 80 % SOC) und 517 Wh/l Entladeenergiedichte ergab. Durch die Analyse der verschiedenen Überspannungsbeiträge konnten wir zeigen, dass Elektrolyt-Transportverluste für die unzureichende Lade- und Entladeleistung von Zellen mit sehr dicken Elektroden hauptverantwortlich sind.Since their launch in the early 1990s, lithium-ion batteries (LIB) have played an important role in society and in the development of new technologies. With an increasing awareness of climate change, the need to replace fossil fuels with alternatives was also recognized. Here, LIBs play a crucial role in numerous applications. They are used in various application areas, both stationary, e.g. home storages and in mobile applications for smartwatches up to ferries. More applications mean more challenges to adapt the LIB to the respective application. Mathematical models play an elementary part in the research and development of LIB. With the help of numerical simulation, the behaviour of the LIB is reproduced to get a deeper understanding of its behaviour.
This thesis deals with the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multi-physics model of a commercial 350 mAh highpower (HP) lithium-ion pouch cell. The LIB has a graphite anode and a lithium cobalt oxide (LCO)/lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA) blend cathode. The model describes the transport processes on the following three scales: heat transport at the cell level (macroscale) – mass and charge transfer at the electrode pair level (mesoscale) – mass transport in the active material (microscale). A generalized description of the electrochemical processes in the blend electrode is developed with the help of the opensource software Cantera for calculating the chemical kinetics. At the end of the modelling, a very good agreement of the simulation results with galvanostatic charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and surface temperature measurements over a wide range of operating conditions (0.05 C to 10 C charge and discharge, 5 °C to 35 °C) can be shown. In the next step, the development and application of methodologies is shown. Three different methods are used here: (1) Breakdown of the overpotential contributions with regard to their causes into the ohmic, as well as the concentration and activation parts of the individual cell components. (2) the partial electrochemical impedance spectroscopy to show the different contributions of the EIS. (3) Sensitivity analysis with regard to global parameters (capacity, internal resistance and impedance) and overpotential contributi ons to evaluate the influence of the various cell parameters on the simulation results. Finally, the conflict of objectives between energy and performance is considered, which is particularly important for electric vehicles. Long ranges (a lot of energy) and the shortest possible charging times (high performance) are desired. It is shown that lithium plating can be avoided by high temperatures or by using the CCCPCV charging protocol with a constant anode potential phase. A specific charge power is introduced, and this is quantified as the ratio between the energy discharged (in the case of slow discharge) and the required charge time (in the case of fast charge). It turns out that this value has a clear optimum in relation to the electrode thickness. At 35 °C, the optimum was achieved with a high-energy electrode design, which resulted in 23.8 Wh/(min·l) specific charging power with a charging time of 15.2 min (10 % to 80 % SOC) and 517 Wh/l discharge energy density. By analyzing the different overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are the main reason for the insufficient charging and discharging performance of cells with very thick electrodes
Finite-Elemente Simulation der Programmierung und Aktivierung von magnetresponsiven Materialien
Get PDFDiese Seminararbeit handelt von der Programmierung und Aktivierung von magnetresponsiven Materialien mithilfe des Finite-Elemente Programms COMSOL Multiphysics® mit dem Modul magnetic fields no currents. Es werden die grundlegenden Gleichungen der magnetischen Feldtheorie aufgebaut, ohne Bezug auf einen Strom I als Ursache für das Magnetfeld zu nehmen. Des Weiteren werden einfache Simulationsmodelle vorgestellt, bei denen die Magnetisierungsmodelle relative Permeabilität, Magnetisierung und Jiles-Atherton verwendet werden. Dabei wird auf ein durch eine Spule induziertes Magnetfeld in dieser Arbeit verzichtet, stattdessen ist die Vorgabe des magnetischen Skalarpotentials Φ gewählt worden, um ein homogenes magnetisches Feld, wie es in einer unendlich langen Spule mit unendlich vielen Windungen vorliegen würde, nachzubilden. Für die entstandenen Simulationsmodelle werden analytische Vergleichsrechnungen durchgeführt, sofern es die Komplexität der Modelle zulässt. Dabei soll eingeordnet werden, ob eine Umsetzung des Verhaltens von 4D-Printing Objekten im Modul magnetic fields no currents, im Hinblick auf die „Programmierung“ also das Magnetisieren, sowie die „Aktivierung“ mit Vorgabe des magnetischen Skalarpotentials in der zweidimensionalen Simulation gelingen kann
Biochars from chlorine-rich feedstock are low in polychlorinated dioxins, furans and biphenyls
Get PDFChlorinated aromatic hydrocarbons like polychlorinated dibenzo-p-dioxins and -furans (PCDD/F) and polychlorinated biphenyls (PCB) are omnipresent in the environment due to historic production, use, and (unintended) release. Nowadays, their emission and maximum concentration in environmental compartments is strictly regulated. During biochar production, PCDD/F and PCB may be formed and retained on the solid pyrolysis product. Industrial biochars certified, e.g., under the European Biochar Certificate (EBC), exhibit concentrations that were always well below threshold values for soil application and even animal feed. However, this has not been sufficiently tested for chlorine (Cl) rich organic material such as marine biomass or polyvinyl chloride (PVC) contaminated feedstock. Here, we analyzed PCDD/F and PCB contamination in biochars produced at different temperatures from different biomasses with comparatively high Cl contents in the range from 0.2 % to 3.8 % (w/w, seagrass, two types of saltwater macroalgae, tobacco stalks, and PVC contaminated wood). All of the biochars produced showed PCDD/F and PCB contents well below the applicable threshold values given by the EBC (< 20 ng TEQ kg−1 for PCDD/F and < 2×105 ng kg−1 for PCB). The EBC thresholds were undershot by a minimum of factor 1.5 for PCDD/F (mostly factor 20) and by a minimum of factor 90 for PCB. Between 1 and 27 ppb of feedstock Cl were transformed to Cl bound in PCDD/F and PCB in the biochars. No consistent correlation between biomass Cl contents and contents of PCDD/F and PCB were found but higher Cl contents in the feedstock led to a more diverse PCDD/F congener pattern in the biochars. Pyrolysis of PVC-amended wood resulted in consistently higher contamination of PCDD/F and PCB in the biochars compared to pyrolysis of the other biomasses, potentially due to differences in Cl speciation in the feedstocks i.e., Cl in PVC is already covalently bound to an organic carbon backbone. A high contamination in PCDD/F and PCB in biochar was intentionally triggered by separation of pyrogas and biochar in the reactor at < 300 °C to promote condensation of contaminants on the solid product. Between 20 % and 80 % of feedstock Cl was released via the pyrogas, i.e., neutralization of HCl in burnt pyrogas might be necessary when pyrolyzing Cl-rich feedstock in industrial biochar production. Our results indicate that biochars produced from Cl-rich feedstocks with proper biochar production process control are conform with European certification guidelines for PCDD/F and PCB contamination. The results open the opportunity to exploit and valorize so far non-used marine or otherwise Cl enriched biomasses for the production of biochar and carbon sinks
Towards defining the optimal design parameters for a test setup studying heat transfer with carbon dioxide at supercritical conditions
No full textAs the demand for environmentally friendly refrigeration technologies continues to grow, the use of natural refrigerants for the thermal management of detectors for high-energy physics becomes increasingly relevant. While the use of boiling CO2 flows is well established at CERN for applications requiring cold conditions, this study focuses on investigating the heat transfer capabilities of carbon dioxide in supercritical conditions. In this regard, high thermal capacities and low values of density and viscosity are some of the main characteristics of fluids above their critical point. Furthermore, thanks to their inherent single-phase-like nature, supercritical fluids could allow for relatively simple fluid management in multibranched circuits. These features, combined with its critical temperature of 31°C, make supercritical carbon dioxide (sCO2) an exceptionally well-suited candidate for thermal management applications where the electronics can be operated at temperatures above 32°C. However, several points on this subject remain open in the available literature, highlighting the need for additional accurate experimental observations. This work centers around the development and use of a dedicated test rig designed to explore the thermodynamic performance and efficiency of sCO2-based systems
Speed and surface steepness affect internal tibial loading during running
No full textBackground
Internal tibial loading is influenced by modifiable factors with implications for the risk of stress injury. Runners encounter varied surface steepness (gradients) when running outdoors and may adapt their speed according to the gradient. This study aimed to quantify tibial bending moments and stress at the anterior and posterior peripheries when running at different speeds on surfaces of different gradients.
Methods
Twenty recreational runners ran on a treadmill at 3 different speeds (2.5 m/s, 3.0 m/s, and 3.5 m/s) and gradients (level: 0%; uphill: +5%, +10%, and +15%; downhill: –5%, –10%, and –15%). Force and marker data were collected synchronously throughout. Bending moments were estimated at the distal third centroid of the tibia about the medial–lateral axis by ensuring static equilibrium at each 1% of stance. Stress was derived from bending moments at the anterior and posterior peripheries by modeling the tibia as a hollow ellipse. Two-way repeated-measures analysis of variance were conducted using both functional and discrete statistical analyses.
Results
There were significant main effects for running speed and gradient on peak bending moments and peak anterior and posterior stress. Higher running speeds resulted in greater tibial loading. Running uphill at +10% and +15% resulted in greater tibial loading than level running. Running downhill at –10% and –15% resulted in reduced tibial loading compared to level running. There was no difference between +5% or –5% and level running.
Conclusion
Running at faster speeds and uphill on gradients ≥+10% increased internal tibial loading, whereas slower running and downhill running on gradients ≥–10% reduced internal loading. Adapting running speed according to the gradient could be a protective mechanism, providing runners with a strategy to minimize the risk of tibial stress injuries
Predictive Analaytics
No full textZiel dieser Arbeit ist es, die Bedeutung und Relevanz von Predictive Analytics (PA) Prozessen im Management zu analysieren und zu untersuchen, wie die Integration von Big Data und AA zur Verbesserung der Unternehmensführung beitragen kann
CAD - gestütztes Modell der inneren Mechanik der zweiten "Eisernen Hand" des Götz von Berlichingen
No full textDie vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Rekonstruktion des inneren Mechanismus der zweiten „Eisernen Hand“ von Götz von Berlichingen. Das Besondere an dieser Prothese ist, dass jeder Finger einzeln und in seinen drei Gelenken sowie der Daumen in einem Gelenk eingerastet werden kann. Der komplexe innere Mechanismus war bis zur Veröffentlichung einer ausführlichen Beschreibung durch Christian von Mechel im Jahr 1815 unbekannt.
Basierend auf dieser Beschreibung werden die einzelnen Bauteile mit der CAD- Software Autodesk Inventor im Maßstab 2:1 rekonstruiert und anschließend mit einem 3D-Drucker gefertigt, um die Mechanik zu testen. Zudem wird für die Bauteile, die der größten Belastung ausgesetzt sind, eine FEM-Analyse durchgeführt, um die kritischen Punkte zu identifizieren.
Durch einige Anpassungen der Mechanik im Gehäuse konnte der Mechanismus im Maßstab 2:1 anhand des Zeigefingers dargestellt werden. Wird das Modell jedoch wieder auf den Maßstab 1:1 skaliert, sind die inneren Bauteile aus Kunststoff zu fein, weshalb als Problemlösung die Herstellung der Federn aus Stahl in Betracht gezogen wird
Biogas production from chitin-rich mealworm residue: Investigating the impact of diverse pretreatment methods
Get PDFThis thesis delves into the optimization of chitin-rich mealworm residue sourced from the University of Warmia and Mazury in Olsztyn for the purpose of biogas production. The study focused on two types of mealworm residue, namely shell and frass, which represent the collected exoskeletons of the worms and the entirety of the residue from mealworm farming, respectively.
Cellulase enzyme initially enhanced biogas production significantly, showing promising results with a notable increase of up to 23% from shell waste and 30% from frass substrates. These findings underscore the potential of enzymatic interventions to augment biogas production from such substrates.
Subsequently, the study sought to optimize the activity of chitinase enzyme to facilitate the degradation of chitin content present in the mealworm residue. However, the Chit36-TA chitinase enzyme, exhibited no activity on the shell waste. As a result, various pretreatment methods, encompassing enzymatic, mechanical, and thermal approaches, were explored to promote chitin degradation. Despite these efforts, none of the pretreatment methods yielded significant improvements in chitin degradation.
This study underscores the complexities involved in enzymatic pretreatment strategies for chitin-rich waste materials. While cellulase showed promise in enhancing biogas production, the limited efficacy of chitinase highlights the need for further research to explore alternative methods for efficient chitin degradation. Such endeavors are crucial for unlocking the full potential of mealworm residue as a valuable substrate for biogas production, thereby contributing to the sustainable management of organic waste and renewable energy generation.
Finally, the application of chitinase in the biogas reactor was evaluated, revealing no positive influence on biogas production from shell substrates
Analyse der Kommunikationsstrategie mit Fokus auf den Online-Marketing-Planungsprozess am Beispiel der relaunchten Marke von BIO:VÉGANE SKINFOOD
No full textDie Arbeit soll Verständnis darüber schaffen, wie das Unternehmen BCG Baden-Baden Cosmetics Group GmbH die Kommunikationsstrategie mit Fokus auf den Online-Marketing-Planungsprozess am Beispiel der relaunchten Naturkosmetikmarke von BIO:VÉGANE SKINFOOD aufbaut und umsetzt