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Aktivmaterialien aus gepressten Spänen - Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung eines Aktivmaterials für elektrische Maschinen aus recycelten Blechabfällen

Zielsetzung: In diesem Forschungsvorhaben soll ein neuartiges, recyceltes Aktivmaterial aus einer Stahllegierung für elektrische Maschinen (EMn) mithilfe eines innovativen, nachhaltigen Herstellungsverfahrens entwickelt werden. Die Grundidee des Projekts besteht darin, eine Recyclingroute für Blechpakete aus ausgemusterten Statoren und Rotoren von EMn sowie für den bei der Herstellung neuer Blechpakete anfallenden Blechschrott zu etablieren. Diese neue Recyclingroute zeichnet sich dadurch aus, dass die für neue EMn benötigten Statoren und Rotoren durch das Verpressen von Metallspänen hergestellt werden – anstelle des üblichen Weges über Verschrottung, Einschmelzen, Stranggießen sowie anschließendes Warm- und Kaltwalzen. Die Antragsteller verfolgen das Konzept, sämtlichen Schrott zu zerkleinern, die entstehenden Späne chemisch zu beschichten und anschließend durch ein Umformverfahren in die finale Geometrie von Stator- und/oder Rotorbauteilen zu verpressen. Das gepresste Bauteil kann dann als Aktivmaterial oder als Teil davon, z.?B. in einem EM oder in Transformatoren, eingesetzt werden. Fazit: Das gepresste Bauteil kann anschließend als Aktivmaterial oder als Teil davon verwendet werden, z.?B. in einer elektrischen Maschine (EM) oder in Transformatoren. Der daraus resultierende neuartige Werkstoff „Compacted Chip Magnetic Composite“ (CCMC) besteht aus recycelten, isolierten Blechspänen und ähnelt damit den heute bekannten weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen (SMC – Soft Magnetic Composites). Zur Validierung dieser Idee wird der Einfluss verschiedener Spangeometrien, deren Isolierung sowie weiterer Prozess- und Systemparameter im Herstellungsprozess untersucht. Die Ergebnisse dieser Forschung sollen dazu beitragen, den Einsatz von recyceltem Blechschrott in der Elektromobilität und anderen Anwendungen (z.?B. Transformatoren und/oder andere elektrische Maschinen zur Magnetfeldinduktion) zu verbessern und die Nachhaltigkeit von EMn zu erhöhen. Gelingt es, den Energiebedarf für das Recycling von EMn deutlich zu senken, kann dies einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks zukünftiger elektrischer Maschinen leisten. Die in den Kreislauf zurückgeführten Motorkomponenten helfen dabei, den Verbrauch nicht erneuerbarer Rohstoffe sowie den Energiebedarf, die CO2-Emissionen und den Wasserverbrauch zu verringern.

Remanufacturing von PEM-Brennstoffzellenstacks für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft, Teilvorhaben: Optische Inspektion von Bipolarplatten

Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Denn (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, hat einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks. Außerdem haben Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung, die am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Brennstoffzellekomponenten, insbesondere die MEA, weisen nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen auf und können nicht unmittelbar weiterverwendet werden. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, muss sein Zustand beurteilt werden. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls nicht, muss der Brennstoffzellenstack demontiert, entsprechend befundet und ggf. Einzelkomponenten wiederaufbereitet werden, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen. ISRA untersucht im Teilvorhaben in AP3 Inline-Messtechniken zur Erkennung von Korrosion, Deformation und Anhaftung von Dichtungsresten bei demontierten Bipolarplatten. In AP4 wird ISRA versuchen, mit Hilfe von Methoden der Produktionsanalyse bei der Untersuchung der Korrelationen der Parameter für den Aufbau eines vereinfachten Alterungsmodells mitzuwirken. In AP5 werden die Ergebnisse aus AP3 in einen Demonstrator überführt.

Remanufacturing von PEM-Brennstoffzellenstacks für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft, Teilvorhaben: Forschung und Technologietransfer

Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen. Der Fokus des wbks liegt einem Demonstrator für die automatisierte Demontage unter Berücksichtigung der genannten Herausforderungen. Der Demonstrator bildet Aspekte der Handhabung und Qualitätssicherung ab und ist für verschiedene Stackdesigns befähigt.

Digitalisierte Wärmespeicher für die Energiewende, Teilvorhaben: Integration einer Sensorhaut zur Effizienzsteigerung von Wärmespeichern

In dem Projekt DARING soll die Energieeffizienz von Wärmespeichern (z.B. Puffer- und Trinkwasserspeicher) im Bereich der Gebäudeenergieversorgung signifikant gesteigert werden. Dafür wird eine innovative Sensortechnologie (Sensorhaut) für die großflächige Erfassung des Temperaturprofils an den Speichern optimiert. Mit den generierten Daten lässt sich der exakte Beladungszustand bestimmen und die Energiezufuhr gezielter steuern. Durch eine bessere Steuerung von Wärmepumpensystemen kann eine Effizienzsteigerung um bis zu 10% erreicht werden. Für Solarthermie-Anlagen im Gebäudebereich sowie Fernwärme-Hausstationen werden äquivalente Werte prognostiziert. Bei der vorgelagerten Gebäudeversorgung über Wärmenetze besteht bei einer Integration in das übergeordnete Lastmanagement das Potenzial, vom kontinuierlichen in den Pulsbetrieb überzugehen, womit Trinkwasserspeicher gezielt beladen werden können. Die Technologie der Sensorhaut basiert auf druckbarer organischer Dünnschicht-Elektronik und erlaubt die zuverlässige Messung verschiedener Parameter (z.B. Temperatur) über große Flächen hinweg in Echtzeit. Durch den speziellen Herstellungsprozess (Flüssigprozessierung) sind die Sensorfolien in Form und Funktion nahezu beliebig konfigurierbar. Dabei entsteht nur ein minimaler Material- und Energieverbrauch, woraus sich im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik Kostenvorteile sowie eine bessere CO2-Bilanz ergeben. DARING ist als Verbundprojekt konzipiert, in dem Experten aus Forschung und Praxis zusammenarbeiten. Dadurch wird gewährleistet, so nah an den realen Gegebenheiten und Bedürfnissen zu entwickeln wie möglich. Neben dem Institut für Angewandte Physik der TU Dresden sind die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung, die Firma Viessmann Climate Solutions SE sowie die Cupasol GmbH als direkte Projektpartner an der Umsetzung und Erprobung beteiligt. Darüber hinaus ist die Vonovia SE als Drittmittelgeber Teil des Konsortiums.

Digitalisierte Wärmespeicher für die Energiewende, Teilvorhaben: Optimierung Sensorhaut zur großflächigen Temperaturerfassung an Wärmespeichern

In dem Projekt DARING soll die Energieeffizienz von Wärmespeichern (z.B. Puffer- und Trinkwasserspeicher) im Bereich der Gebäudeenergieversorgung signifikant gesteigert werden. Dafür wird eine innovative Sensortechnologie (Sensorhaut) für die großflächige Erfassung des Temperaturprofils an den Speichern optimiert. Mit den generierten Daten lässt sich der exakte Beladungszustand bestimmen und die Energiezufuhr gezielter steuern. Durch eine bessere Steuerung von Wärmepumpensystemen kann eine Effizienzsteigerung um bis zu 10% erreicht werden. Für Solarthermie-Anlagen im Gebäudebereich sowie Fernwärme-Hausstationen werden äquivalente Werte prognostiziert. Bei der vorgelagerten Gebäudeversorgung über Wärmenetze besteht bei einer Integration in das übergeordnete Lastmanagement das Potenzial, vom kontinuierlichen in den Pulsbetrieb überzugehen, womit Trinkwasserspeicher gezielt beladen werden können. Die Technologie der Sensorhaut basiert auf druckbarer organischer Dünnschicht-Elektronik und erlaubt die zuverlässige Messung verschiedener Parameter (z.B. Temperatur) über große Flächen hinweg in Echtzeit. Durch den speziellen Herstellungsprozess (Flüssigprozessierung) sind die Sensorfolien in Form und Funktion nahezu beliebig konfigurierbar. Dabei entsteht nur ein minimaler Material- und Energieverbrauch, woraus sich im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik Kostenvorteile sowie eine bessere CO2-Bilanz ergeben. DARING ist als Verbundprojekt konzipiert, in dem Experten aus Forschung und Praxis zusammenarbeiten. Dadurch wird gewährleistet, so nah an den realen Gegebenheiten und Bedürfnissen zu entwickeln wie möglich. Neben dem Institut für Angewandte Physik der TU Dresden sind die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung, die Firma Viessmann Climate Solutions SE sowie die Cupasol GmbH als direkte Projektpartner an der Umsetzung und Erprobung beteiligt. Darüber hinaus ist die Vonovia SE als Drittmittelgeber Teil des Konsortiums.

Remanufacturing von PEM-Brennstoffzellenstacks für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft, Teilvorhaben: Demontage Konzept

Dem Projektvorhaben liegt folgende Problemstellung zu Grunde: Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen.

Remanufacturing von PEM-Brennstoffzellenstacks für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft

Dem Projektvorhaben liegt folgende Problemstellung zu Grunde: Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen.

Instrumente für eine nachhaltige Entwicklung im Tourismus

Das Vorhaben zielt darauf ab, Instrumente (weiter) zu entwickeln, die eine nachhaltige Entwicklung des Tourismus auf der Angebots- und Nachfrageseite unterstützen. Mit diesen Instrumenten sollen Transparenz und Vergleichbarkeit sowie Sicht- und Buchbarkeit nachhaltiger Reiseelemente oder auch der gesamten Reisekette ermöglicht werden. Langjährige, regelmäßige Erhebungen - unter Beteiligung BMUV über ReFoPlan-Vorhaben - zeigen, dass die Einstellung der Bevölkerung zum umwelt- und sozialverträglichen Reisen kontinuierlich ansteigt. Trotz der hohen Einstellungswerte gibt es in der Umsetzung deutlich weniger Urlaubsreisen, bei denen tatsächlich auf Nachhaltigkeit geachtet wurde. In der Begründung wird u.a. eine mangelnde Auffindbarkeit entsprechender Angebote genannt. Zudem kann die Verantwortung für nachhaltig ausgerichtetes Reiseverhalten nicht alleine den Verbraucher*innen überlassen werden sondern ist bereits in die Angebotsgestaltung zu integrieren und transparent abzubilden. Hierfür sind Nachhaltigkeitszertifizierungen im Tourismus ebenso in der Diskussion wie einheitliche, vergleichbare Kriteriensets und Berechnungstools, um den CO2-Fußabdruck oder den 'ökologischen Rucksack' einer Reise bzw. ihrer Bestandteile abzubilden. Über Stakeholder-Beteiligungen, Branchendialoge u.ä. soll die Entwicklung unterstützt, die Instrumententauglichkeit diskutiert und ihre Umsetzung erprobt werden. Die Ergebnisse sind in geeigneten Formen (Veröffentlichungen, Online-Tools, Workshop / Konferenz) zu verbreiten und zur Anwendung vorzuschlagen

Lebenszyklusverlängerung von bestehenden und zukünftigen stationären Batteriespeichersystemen durch hybride Zustandsprognose

Das Projekt BattLifeBoost soll die Zustandsschätzung und die damit verbundene Lebensdauerabschätzung für Batteriesysteme verbessern. Dabei wird von den 4 Projektpartnern unter Berücksichtigung von vorhandenen Felddaten sowie der Anwendung von statistischen Methoden, maschineller Lernverfahren und den im Projekt entwickelten Zellalterungsmodell ein Systemalterungsmodell entwickelt, was eine deutlich verbesserte Prädiktion der noch möglichen Speicherlebensdauer ermöglicht. Neben der verbesserten Prognose der Batteriehaltbarkeit in vorgegebenen stationären Anwendungen wird zudem ein Modelltransfer auf bis dato nicht hinreichend parametrierte Batteriezellen untersucht. Abschließen werden die Projektergebnisse von allen Partnern ökonomisch und ökologisch bewertet. Dieses Teilprojekt fokussiert sich auf die State-of-Health (SOH) Bestimmung von stationären Energiespeichern. Dabei soll der SOH aus Felddaten von Heimspeichersystemen ermittelt und mittels Machine-Learning Algorithmen extrapoliert werden, um ein End-of-life (EOL) Datum bestimmen zu können. Aus den gewonnenen sowie geclusterten Daten sollen Degradationsparameter bestimmt und daraus ein SOH-Model entwickelt werden, um die Auswirkungen weiterer Lastprofile bzw. Anwendungsfelder auf die Lebensdauer abschätzen zu können. Mit den Ergebnissen soll die Überdimensionierung der Speicher sowie die Zeit für die notwendige Qualifizierung von Zellen verringert werden, wodurch sich wirtschaftliche und ökologische Vorteile wie die Reduktion des CO2-Fußabdrucks ergeben.

Lebenszyklusverlängerung von bestehenden und zukünftigen stationären Batteriespeichersystemen durch hybride Zustandsprognose, Teilvorhaben: Bestimmung, Prädiktion und Modellierung des SOHs basierend auf Felddaten

Das Projekt BattLifeBoost soll die Zustandsschätzung und die damit verbundene Lebensdauerabschätzung für Batteriesysteme verbessern. Dabei wird von den 4 Projektpartnern unter Berücksichtigung von vorhandenen Felddaten sowie der Anwendung von statistischen Methoden, maschineller Lernverfahren und den im Projekt entwickelten Zellalterungsmodell ein Systemalterungsmodell entwickelt, was eine deutlich verbesserte Prädiktion der noch möglichen Speicherlebensdauer ermöglicht. Neben der verbesserten Prognose der Batteriehaltbarkeit in vorgegebenen stationären Anwendungen wird zudem ein Modelltransfer auf bis dato nicht hinreichend parametrierte Batteriezellen untersucht. Abschließen werden die Projektergebnisse von allen Partnern ökonomisch und ökologisch bewertet. Dieses Teilprojekt fokussiert sich auf die State-of-Health (SOH) Bestimmung von stationären Energiespeichern. Dabei soll der SOH aus Felddaten von Heimspeichersystemen ermittelt und mittels Machine-Learning Algorithmen extrapoliert werden, um ein End-of-life (EOL) Datum bestimmen zu können. Aus den gewonnenen sowie geclusterten Daten sollen Degradationsparameter bestimmt und daraus ein SOH-Model entwickelt werden, um die Auswirkungen weiterer Lastprofile bzw. Anwendungsfelder auf die Lebensdauer abschätzen zu können. Mit den Ergebnissen soll die Überdimensionierung der Speicher sowie die Zeit für die notwendige Qualifizierung von Zellen verringert werden, wodurch sich wirtschaftliche und ökologische Vorteile wie die Reduktion des CO2-Fußabdrucks ergeben.

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