laufende Projekte

Entwicklung eines selbstlernenden Verfahrens zur verbesserten Windenergie-Kurzfristprognose

Mit räumlich hochaufgelösten, an Wettermodelle gekoppelten CFD-Modellen, basierend auf den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS), kann inzwischen eine sehr hohe Genauigkeit bei der Vorhersage der Windgeschwindigkeit erreicht werden, welche für die Bewertung von Winderträgen an potentiellen Standorten verwendet werden kann. Dadurch eröffnet sich nun die Möglichkeit, diese Methoden weiterzuentwickeln, um auch Kurzfristvorhersagen im komplexen Gelände für den Windertrag von Windkraftanlagen zu erstellen. Die bereits angewandte und als Dienstleistung angebotene Herangehensweise, mesoskalige Wettermodelle in Verbindung mit Methoden der künstlichen Intelligenz für die Prognose zu verwenden (hybride Verfahren), soll deshalb im Sinne des physikalischen Downscalings mit detaillierten CFD-Simulationen und Anwendung von Ensemble-Wetterprognosen für die Bestimmung der physikalischen Prognoseunsicherheit weiterentwickelt werden.

Hybride Laborversuche für das Lehrgebiet der Biotechnologie, speziell der Enzymkinetik

Gerade chemische und biotechnologische Studiengänge sollten einen hohen Anteil an praxisrelevanten Laborversuchen aufweisen. Das bisherige Curriculum zum Fach „Enzymkinetik“ beinhaltet jedoch kaum praktischen Versuche. Diese sind jedoch für das tiefere Verständnis und den damit verbunden Lernerfolg dienlich und wünschenswert.

Aufgrund der übervollen Stundenpläne und den begrenzten Laborkapazitäten sollen daher mit Hilfe eines hybriden Lehrangebotes vor allem zeit- und materialeffiziente Laborversuche ermöglicht werden. Zukünftig sollen von den Studierenden verschiedene Untersuchungen zum Einfluss von Prozessparametern und Inhibitoren auf Enzymkinetiken über interaktive numerische Simulationen im „virtuellen Labor“ von zu Hause aus vorbereitet, durchgeführt, analysiert und mit Hilfe statistischer Versuchspläne optimiert werden. Erst danach werden zur Verifikation der Untersuchungsergebnisse reale Versuche im Biochemie-Labor der Hochschule Esslingen durchgeführt.

MoELa - Modellierung der Tropfenaufladung bei der elektrostatisch-unterstützten Lackierung zur Minimierung von Lackverlusten und Anlagenausfällen durch Verschmutzung

Für zerstäubende Lackapplikationsverfahren stellt die elektrostatische Unterstützung die effizienteste Methode dar, um den Auftragswirkungsgrad zu erhöhen und gleichzeitig die Zerstäuberverschmutzung zu reduzieren. Mit der Entwicklung und Anwendung neuer Messmethoden und Simulationsverfahren sollen im vorliegenden Projekt für relevante Industriebereiche Möglichkeiten geschaffen werden, ihre Prozesse und Produkte systematischer zu entwickeln und zu optimieren. Hierzu werden innovative Messtechniken mit numerischen Simulationen gekoppelt, so dass daraus die für die elektrostatisch unterstützte Lackierung essentiell wichtige Ladung auf dem Lacktropfen bestimmt werden kann.

NMC-basiertes Kathodenmaterial aus gebrauchten Lithiumionenbatterien soll mit physikalisch-chemischen Methoden soweit reaktiviert werden, dass es für die Herstellung neuwertiger Batterien verwendet werden kann. Ein wichtiger Aspekt dieser Aufgabe ist das sogenannte Direct Recycling. Dabei wird das Recyclat nicht in chemische Grundstoffe, wie z. B. Metalle, Metalloxide oder Salze umgewandelt, sondern die Kristallstruktur bleibt grundsätzlich erhalten. Besonderes Augenmerk wird neben der Kristallstruktur des Bulks auf die Oberflächenchemie der Partikel gelegt, denn diese ist wesentlich für den Qualitätsunterschied zwischen inaktivem Recyclat und aktivem Frischmaterial verantwortlich. Die Messung der chemischen und strukturellen Oberflächeneigenschaften ist somit, neben elektrotechnischen Batterietests, ein wichtiger Baustein bei der Beurteilung der Materialien.

ReUpDirekt - Rezyklat-Upcycling durch hydrogalvanische Aufbereitung von NMC aus direktem Recycling von Traktionsbatterien

Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Umsetzung energieeffizienter und nachhaltiger Prozesse zur Aufwertung von Kathodenmaterial (Typ: NMC) aus einem CO2-reduzierten Recyclingverfahren, ohne den Umweg über Precursorvorstufen zu nehmen. Durch die Aufwertung soll entsprechend der ganzheitlichen Betrachtung des Ökosystems Batterie eine anteilige Rückführung von sogenanntem Sekundärrohstoff in die Frischzellenfertigung ermöglicht werden ohne Einschränkungen hinsichtlich der erzielbaren Zellkapazität und Lebensdauer.

Im vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt DeMoBat (12/19 - 11/22) zeigte sich, dass die Qualität des Rezyklats hinsichtlich der Zusammensetzung und der elektrochemischen Aktivität je nach SOH der recycelten Batteriezellen variiert. Für die Schließung des Stoffkreislaufs ist demnach eine Aufbereitung des Materials notwendig, der die Alterungserscheinungen des Aktivmaterials kompensiert. Für die Bewertung und Charakterisierung der Kathodenmaterialaufbereitung werden u.a. kleinformatige Testzellen aufgebaut, die anschließend einer vollumfänglichen elektrochemischen Charakterisierung, u.a. hinsichtlich Zyklenstabilität, Alterung und Benchmarking gegenüber Frischzellen-Material unterzogen werden. Basierend auf den Charakterisierungsdaten soll ein Simulationsmodell zur Nachbildung der Zelle parametriert und validiert werden. Hierfür werden bestehende Modelle weiterentwickelt, um unterschiedliche Mischungsverhältnisse aus Rezyklat und Frischmaterial sowie unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen darzustellen. Das Modell wird genutzt, um genannte Einflussparameter (Mischungsverhältnis, Größenverteilung) zur variieren, um damit die elektrochemische Performance und das Degradationsverhalten der Zelle zu optimieren. Abschließend wird das Modell auf anwendungsorientierte Zellformate und -größen skaliert und somit der Einfluss des Rezyklats im industriellen Maßstab abgeschätzt.

Im Rahmen des Gesamtverbundforschungsvorhabens WINSENT (FKZ 0324129A-F) wurde das gleichnamige Windenergietestfeld des Forschungsnetzwerks WindForS im bergigkomplexen Gelände bis September 2022 errichtet und in Betrieb genommen. Auf die zwei modifizierbaren Forschungswindenergieanlagen (FWEA) besteht Zugriff in Bezug auf Konstruktion, Auslegung und Anlagensteuerung unter Berücksichtigung der vorherrschenden zwei Windparameter und weiteren Umweltfaktoren. Je nach Anwendung und Forschungsgebiet lassen sich Erkenntnisse dieser Technologien mithilfe validierter Computermodelle auf kommerzielle, moderne Großanlagen der Hersteller skalieren und übertragen. Das Konzept der „gläsernen FWEA“ wird nicht zuletzt deshalb verfolgt, weil ohne die Kenntnis sämtlicher Anlagendaten die Aussagekraft von notwendigen Messungen stark eingeschränkt ist, eine rechnerische Reproduktion der erhobenen Messungen im Hinblick auf die Verbesserung von Berechnungsverfahren nicht möglich und die Erprobung neuer innovativer Techniken an den Anlagen stark erschwert wäre. Das Testfeld bietet somit eine reale, sowie virtuelle Umgebung für die Erforschung des dynamischen Verhaltens von Windenergieanlagen (WEA) in komplexem Gelände, sowie die Möglichkeit zur Erprobung neuer Technologien und Regelungsstrategien.