Promovend: Carlo Stingl, M. Sc.

Betreuer: Prof. Dr. Thorsten Staake, Universität Bamberg

Problemstellung:
Die fortschreitende Digitalisierung und das Internet of Things (IoT) haben bereits viele Bereiche des täglichen Lebens transformiert, sich jedoch im Sanitärbereich und insbesondere bei Armaturen bisher noch nicht durchgesetzt. Armaturen spielen jedoch eine wichtige Rolle für Gesundheit, Hygiene und Ressourcenverbrauch und bieten daher großes Innovationspotential in Verbindung mit digitalen Anwendungen und Informationssystemen: So können intelligente Armaturen dabei helfen Verunreinigung durch Legionellen in öffentlichen Gebäuden zu erkennen, Verbraucher zu einem energiesparenden Verhalten anzuregen und zu einer besseren Handhygiene in Krankenhäusern und Restaurants motivieren.

Zielsetzung:
Ziel des Projekts ist die Entwicklung von digitalen und energieautarken Armaturen, die durch ihre Sensoren und Vernetzung Daten über ihren Zustand und ihre Nutzung übertragen und dabei mit Micro-Generatoren die Energie für Sensorik und Elektronik selbst gewinnen können. Hierbei liegt der Fokus des Projekts auf der Entwicklung der digitalen Systemarchitektur und Kommunikationstechnik. Mit den vernetzten und digitalen Armaturen als Grundlage ist im Folgenden die Entwicklung von digitalen Anwendungen und Services möglich. In einem Feldexperiment sollen die digitalen Armaturen in einem praktischen Anwendungsfall getestet werden: Dabei soll die Handhygiene der Nutzer in Krankenhäusern durch vernetzte Armaturen beobachtet und im nächsten Schritt durch digitale Feedback-Interventionen verbessert werden. 

Überblick über die Kommunikationsinfrastruktur der vernetzen Armaturen

Promovend

Johannes Landskron, M.Eng.

Betreuer

Prof. Dr. Klaus Stefan Drese (Hochschule Coburg)
Prof. Dr. Conrad Wolf (Hochschule Coburg)
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer (Universität Bayreuth)

Problemstellung:

Bei elektrochemischen Reaktionen, wie sie beim Laden und Entladen von Batterien vorkommen, erfolgt der Transport der Reaktanten zu den Elektroden, an denen die Reaktion stattfindet, in der Regel limitiert durch den Massentransport. Es entsteht eine Diffusionsgrenzschicht in der Nähe der Elektroden, in der eine reduzierte Konzentration der Reaktanten vorliegt. Dies begrenzt die Geschwindigkeit, mit der die elektrochemische Reaktion an der Elektrode ablaufen kann.

Zielsetzung:
Untersuchungen in der ersten Förderphase des TAO-Graduiertenkolleg haben erfolgreich nachgewiesen, dass sich durch bewusst angeregte akustische Oberflächenwellen die elektrochemischen Reaktionen beschleunigen lassen. Dieses akustische Beschleunigungsverfahren soll nun im ersten Schritt in ein Simulationsmodell übertragen werden und insbesondere ortsabhängige Reaktionsgeschwindigkeiten nutzbar gemacht werden. Im zweiten Schritt sollen die aus den Simulationen gewonnen Erkenntnisse experimentell validiert werden. Dadurch könnte erreicht werden, dass an strukturierten Elektroden die Abscheiderate lokal gezielt manipuliert werden kann.  

 Simulationsergebnisse: Schallfeld im Elektrolyt an oszillierender Elektrode (oben links); akustisch induzierte Strömungen an der Elektrode (oben rechts); Analog für strukturierte Oberfläche mit ausgeprägter Wirbelströmung in der Kerbe (unten)

Promovend: Franz Wittmann, M. Sc.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse, Zentrum für Energietechnik, Universität Bayreuth

Problemstellung

Neuartige Fassadenelemente könnten in zukünftigen energieautarken Gebäuden zu erheblichen Energieeinsparungen bei der Raumklimatisierung führen. Dabei handelt es sich um innovative Dreifachverglasungen, bei denen im Vergleich zu gängigen Dreifachverglasungen im inneren Scheibenzwischenraum ein Wasser-Glykol-Gemisch zirkuliert. Die einfallende Sonnenstrahlung wird in diesem fluiddurchströmten Scheibenzwischenraum teilweise absorbiert, sodass weniger solare Strahlung in den Raum gelangt, die ansonsten für dessen Aufheizen sorgen kann.

Zielsetzung

Ziel ist die Weiterentwicklung/Optimierung der innovativen Fassadenelemente im Hinblick auf den Einsatz in energieautarken Gebäuden. Potentielle Lösungsansätze sind zum einen die stärkere Absorption der Sonnenstrahlung durch eine elektrokrome Schicht zu realisieren. Diese Schicht kann mittels einer elektrochromen Farbreaktion gezielt abgedunkelt werden und in dem Fassadenaufbau als Folie zwischen den beiden Scheibenzwischenräumen der Dreifachverglasung integriert werden. Zum anderen stellen Nanofluide (Nanopartikel dispergiert in einem Basisfluid) eine Möglichkeit dar die Strahlungsabsorption des zirkulierenden Fluides zu verbessern. Mittels Nanopartikel können die thermophysikalischen Eigenschaften des Basisfluids optimiert werden. Für den Einsatz in energieautarken Gebäuden ist außerdem ein Anschluss der Fassadenelemente an den Wasserkreislauf des Gebäudes zu untersuchen.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer der im InDeWaG-Projekt entwickelten neuartigen Fassadenelemente (hier „HeatGlass“).

Abbildung 2: Links: Prinzipskizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer elektrochromen (EC) Schicht (links). Rechts: Schema des möglichen Aufbaus bestehend aus fluiddurchströmtem Scheibenzwischenraum (HeatGlass) und elektrochromer Schicht (EC).

Promovend: Sebastian Günther 

Betreuer: Prof. Dr. Thorsten Staake, Otto-Friedrich-Universität Bamberg

Problemstellung

Durch die vorschreitende Digitalisierung gerade im Energiebereich werden immer mehr Verbrauchsdaten und Verhaltensdaten aufgezeichnet, die als Grundlage für neue, digitale Dienstleistungen dienen. Eine wichtige Gruppe solcher Dienstleistungen sind automatisierte Energieberatungen und hochspezifischen Rückmeldungen zu individuellen Verbräuchen, auch Feedback-Interventionen genannt. Obwohl Feedback durch die wachsende Marktdurchdringung von smarten Gegenständen (Intelligente Stromzähler, Smart Watches, etc.) zunehmend Anwendung findet, ist bisher noch unklar, inwieweit sich z. B. verschiedene Rückmeldungstypen (abstraktes vs. konkretes Feedback) oder Rückmeldungsarten (Rückmeldung auf Anfrage des Nutzers vs. sofortiges, aufdringliches Feedback) auf das Verhalten auswirken. Eine Bewertung solcher Aspekte ist aber hochrelevant, da unbedachte Design-Entscheidungen regelmäßig dazu führen, dass Feedback wirkungslos wird oder sogar einen Mehrverbrauch an Ressourcen anstößt. Andererseits stellen wohlgestaltete digitale Verhaltensinterventionen ein kostengünstiges Mittel dar, um großflächig Energiesparziele zu erreichen zu einer gelungenen Kundeninteraktion beizutragen.

Zielsetzung

Ziel des Promotionsvorhabens ist die Weiterentwicklung des Verständnisses von (digitalen) Verhaltensinterventionen, die Individuen unterstützen bzw. motivieren sollen, Energie im Alltag bewusst und effizient einzusetzen. Dies geschieht primär mittels Feedback-Interventionen, die es ermöglichen, die eigenen Tätigkeiten oder Gewohnheiten bereits während des Handelns oder im direkten Anschluss an eine Aktion zu bewerten und ggf. anzupassen. Hierzu werden mehrere randomisiert kontrollierte Feldstudien zu verschiedenen praxisrelevanten Fragestellungen durchgeführt, bei denen zusätzlich die Eigenschaften der Studienteilnehmer (Soziodemographika, Einstellungen, finanzielle Situation, etc.) in Begleitumfragen erhoben werden. Aus den Verbrauchsdaten lassen sich dann einerseits generelle Aussagen über die Wirkung der zugrundeliegenden Verhaltensintervention treffen, andererseits ermöglichen die Umfragedaten ein tiefergreifendes Verständnis darüber, inwieweit die verschiedenen Hintergründe der Studienteilnehmer (z. B. Umwelteinstellung, finanzielle Situation) einen Einfluss auf die Wirkung der Verhaltensintervention haben. Aus den Ergebnissen der Studien werden schlussendlich Gestaltungsempfehlungen sowohl für verhaltensorientierte Energieeffizienzkampagnen als auch für Systementwickler von Informationssystemen abgeleitet.

Beispielhafte Feedback-Intervention: Verbrauchsanzeige in der Dusche, die durch Beeinflussung des Nutzerverhaltens durchschnittlich 22% an Wasser- und Energieeinsparung bewirkt (Einsparungen pro Dusche Ø 0,6 kWh sowie 9,9 Liter Wasser).

Promovend: Daniel Roßner 

Betreuer: Prof. Dr. Claus Atzenbeck (Hochschule Hof)

Prof. Dr. Tom Gross (Uni Bamberg)

Problemstellung

Sowohl Experten als auch Laien beschäftigen sich mittlerweile mit energieautarken Gebäuden. Ein Problem, mit dem sie sich konfrontiert sehen, ist die dazu existierende Informationsfülle. Die Themenbereiche reichen von neuen Materialien über Gesetze und Fördermaßnahmen bis hin zu Erfahrungsberichten von Hausherren. Menschen verarbeiten solche Informationen hauptsächlich assoziativ, stellen also Verbindungen zu anderen, unter Umständen bereits bekannten, Informationen her. Das Mittel der Wahl ist dafür in der Regel ein Stück Papier und Stift – damit verliert der Nutzer aber etliche Vorteile, die ihm ein digitales System bieten würde.

Zielsetzung

Dem kann ein Informationssystem entgegenwirken, das (i) dem Benutzer relevante Informationen anzeigt, ohne dass dieser danach explizit sucht, (ii) Informationen einfach, intuitiv und ohne Formalismen strukturieren lässt und (iii) vom Benutzer erzeugte Assoziationen und neues Wissen direkt oder indirekt auch anderen Benutzer zugänglich macht, so dass diese davon profitieren können. Das angedachte Informationssystem nutzt eine räumliche Umgebung zur Visualisierung. Eine wesentliche Fragestellung ist daher die bedeutungsvolle Positionierung von maschinell erstellten Vorschlägen in diesem Raum.

Vereinfachte Prinzipskizze des zu entwickelnden visuellen Informationssystems zu energieautarken Gebäuden 

Promovendin: Stanislava Mlinar 

Betreuerin: Prof. Dr. Ruth Freitag, Universität Bayreuth

Problemstellung

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Einfluss der Fermentergröße auf die Prozessstabilität und Effektivität. Es gibt viele Ergebnisse im Bereich der anaeroben Vergärung, jedoch ist die Frage, ab welcher Fermentergröße die Ergebnisse für den Industriemaßstab relevant sind. Die Frage ist auch, wie sich die mikrobielle Gemeinschaft in Schlämmen über die Zeit in verschiedenen Volumina verändert, und ob die Mikroorganismen bei einer Hemmung mehr stabil in größeren Reaktoren sind.

Zielsetzung

Das Ziel des Promotionsthemas ist es, die für die Skalierung relevanten Parameter (sowohl chemische und physische, als auch biologische) zu identifizieren. Hiermit sollte auch die Medium-Inhomogenität berücksichtigt werden. Der Prozess der anaeroben Vergärung wird im Labor-, als auch im Technikums-Maßstab ausgeführt (Fed-Batch und im kontinuierlichen Betrieb). Technische und physico-chemische Parameter aus verschiedenen Kläranlagen und Biogasanlagen werden gesammelt, die mikrobielle Gemeinschaft analysiert und weiter mit den im Labor erzielten Ergebnissen verglichen. Die Populationsanalysen sollten Informationen über den Skala-Einfluss auf die Prozessstabilität geben. Auf der anderen Seite sollten die Biogaszusammensetzung, Biogasproduktionsrate und die chemische Zusammensetzung des Schlammes auf verschiedenen Skalen ein tieferes Verständnis über die Prozesseffektivität bereitstellen. 

Promovend
Zheming Li

Betreuer
Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran

Problemstellung

Die Schnittstelle für die Erzeugung, Wandlung, Verteilung und Speicherung von Energie bilden leistungselektronische Wandler, deren wichtigste Bestandteile Halbleiterschalter sind. Widebandgap-Halbleiter auf Basis von SiC oder GaN ermöglichen enorme Verbesserungen der Effizienz bzw. Leistungsdichte. Daher soll der Einsatz dieser neuartigen Halbleiter für die folgenden elektrischen Wandler-Anwendungen in energieautarken Gebäuden untersucht werden:
•    Photovoltaik: Solarzelle ? Versorgungsnetz
•    Anbindung von Elektrofahrzeugen (Laden Batterie/Versorgung des Gebäudes aus der Batterie): Batterie ? Versorgungsnetz
•    DC-Ladegeräte: Versorgungsnetz ? Ladespannung Gerät
Applikationsspezifisch treten dabei unterschiedliche Spannungsklassen auf, für die es gilt die geeignetsten Halbleiter und Schaltungstopologien zu wählen. Der Wirkungsgrad der Wandler hängt von der Lastsituation ab. Insbesondere im Teillastbereich werden Verbesserungen durch moderne Halbleiterschalter erwartet. Des Weiteren müssen für diese neuen Halbleitertechnologien passende Ansteuer- sowie Schutzbeschaltungen entwickelt werden.

Zielsetzung

Das Ziel des Promotionsthemas ist es, diese neuartigen Halbleiterschalter für Anwendungen in energieautarken Gebäuden zu charakterisieren und effiziente Wandlerschaltungen zu entwickeln. Die Rolle von Einflussgrößen wie Spannung, Strom, Temperatur und Aufbauinduktivität auf Verluste und Kurzschlussfestigkeit soll dabei ermittelt werden. Daraus abgleitet sollen innovative Ansätze zur intelligenten Ansteuerung und zum Schutz der Halbleiterschalter entwickelt werden. Die Verifikation soll mit Hilfe von Simulation und skalierten Laboraufbauten erfolgen

Promovend: Michael Weiss, M. Sc.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer / Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess, Universität Bayreuth

Problemstellung

Im Kontext der Energiewende und der dezentralen, energieautarken Versorgung von Gebäuden spielen neben dem Einsatz neuer Technologien auch chemische Prozesse im häuslichen Umfeld eine immer größere Rolle. Eine besonders relevante Reaktion, welche in einem Festbettreaktor abläuft, ist hierbei die stark exotherme Methanisierung. Sie ist für den Betrieb von Brennstoffzellengeräten, die Überführung von Biogas in synthetisches Erdgas sowie die Umsetzung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff zu klimaneutralem Erdgas von großer Bedeutung.

Um diese Reaktion kontrollieren und den Umsatz maximieren zu können, muss die Reaktortemperatur über ein Heiz- und Kühlsystem sowie über die Zufuhr der Reaktanten geregelt werden. Für die Prozessüberwachung und -optimierung sind demnach das axiale sowie das radiale Temperaturprofil des Reaktors von besonderem Interesse. Nach aktuellem Stand der Forschung wird die axiale Temperaturverteilung mit einem im Inneren verlegten Thermoelement-Führungsrohr invasiv gemessen, während das radiale Temperaturprofil meist nur durch mathematische Modelle beschrieben wird. Ein Verfahren, welches zur nichtinvasiven Messung derartiger Temperaturprofile eingesetzt werden könnte, ist die elektrische Kapazitätstomographie (electrical capacitance tomography, ECT).

Zielsetzung

Zunächst soll die Eignung der ECT zur Messung von Temperaturverteilungen in Festbettreaktoren untersucht werden. Dabei ist die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der relativen Permittivität infrage kommender Schüttungsmaterialien von zentraler Bedeutung. Über den Temperatur-Permittivitäts-Zusammenhang kann dann von der gemessenen Permittivitätsverteilung auf die Temperaturverteilung geschlossen werden.

Im weiteren Verlauf des Promotionsvorhabens soll durch den Vergleich gemessener und berechneter Temperaturprofile ein geeignetes Wärmeabfuhrmodell erstellt werden. Auf dieser Basis bildet die Konzeption und Modellierung eines Methanisierungsreaktors zur Identifikation der optimalen Betriebsbedingungen den Abschluss des Projektes.

Durch den vorgesehenen Einsatz der ECT soll insbesondere das allgemeine Prozessverständnis erweitert und der Wirkungsgrad derartiger Anlagen gesteigert werden.

ECT-Messsystem, welches zur Erfassung der Temperaturverteilungen zum Einsatz kommen soll.

Promovend: Ferdinand Fischer, M. Sc.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess, Universität Bayreuth

Problemstellung

In energieautarken Gebäuden der Zukunft könnte wasserstoffbasierende Brennstoffzellen eine tragende Rolle zu kommen. Der Brennstoff (Wasserstoff) wird dabei heutzutage zum größten Teil über das sog. Dampfreforming-Verfahren (CH₄ + H₂O –> CO + 3H₂) aus Erdgas erzeugt. Das in diesem Prozess entstehende Kohlenmonoxid muss jedoch aus dem Brenngas entfernt werden, da es in höherer Konzentration auf die Brennstoffzelle deaktivierend wirkt. Hierfür wird das CO mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion (CO + H₂O –> CO₂ + H₂) in unschädliches CO₂ überführt. Technisch werden dabei feste Katalysatoren (z. B. Cu/ZnO) bei Prozesstemperaturen von mindestens 200 °C verwendet. Aus thermodynamischen Gründen findet jedoch bei diesen Temperaturen kein vollständiger CO-Umsatz statt (z. B. 94 % bei äquimolarem H₂O/CO-Verhältnis).  Daher wird ein weiterer Verfahrensschritt (selektive CO-Oxidation, CO-Methanisierung) bei der Brenngasaufbereitung notwendig, um einen, für Brennstoffzellenanwendungen typischen CO-Gehalt von 100 ppm nicht zu überschreiten.

Zielsetzung

Verringerung der Temperatur der WGS-Reaktion durch die Verwendung von sehr aktiven SILP-Katalysatoren auf ca. 120 °C. Hierdurch verschiebt sich das thermodynamische Gleichgewicht und der CO-Umsatz gleicht annähernd einem Vollumsatz (siehe Abbildung 1). 

Abbildung 1: CO-Gleichgewichtsumsatz der WGS-Reaktion in Abhängigkeit vom S/G (Wasserdampf/trockenes Feed-Gas) mit einem typischen Feed einer Methan-Dampfreformierung

Durch diese Optimierung der WGS-Reaktion kann somit bei der Aufbereitung des Brenngases der zusätzliche Prozessschritt (selektive CO-Oxidation oder CO-Methanisierung) komplett wegfallen, was Brennstoffzellengeräte deutlich vereinfachen bzw. verbessern würde. 

Promovend: Jonathan P. Spratte, M. Sc.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth

Problemstellung

Die Energieeffizienz von Bestandsbauten kann häufig nur durch situationsadaptive Klimatisierung und Beleuchtung gesteigert werden. Aus diesem Grund ist eine entsprechende Zustandsüberwachung durch entsprechende Sensoren notwendig. Um Aufwand und Kosten zu senken und die Flexibilität zu erhöhen, ist die Notwendigkeit einer Verkabelung unerwünscht, weshalb die Sensordaten oft per Funk in einem Funksensornetzwerk (WSN) übermittelt werden müssen. Um auch auf einen regelmäßigen Batteriewechsel verzichten zu können, ist die Entwicklung energieautarker, also netz- und batterieunabhängiger Funksensorenknoten (FSK) von großem Interesse. Eine Möglichkeit zur Umsetzung energieautarker FSKs ist die Energieversorgung durch die Ernte von kinetischer Energie aus der Umgebung durch Energy-Harvester.

Zielsetzung

Die Ziele der Arbeit umfassen die Bereitstellung und Charakterisierung eines durch einen kinetischen Energy-Harvester versorgten, energieautarken FSK. Es sollen Entwurfskriterien und Grenzen von energieautarken FSKs jeweils für regelmäßige und ereignisbasierte Messungen und Datenübertragungen herausgearbeitet und untersucht werden. Ferner soll eine praktische Demonstration in Form eines WSN, in dem wenigstens ein, nach Möglichkeit mehrere energieautarke FSKs verwendet werden, aufgebaut und auf die Leistungsfähigkeit untersucht werden.

Abb.1 Laboraufbau eines Energy-Harvesters 

Promovendin: Ming Cheng, Universität Bayreuth, M. Sc.

Betreuerin: Prof. Dr.-Ing. Christina Roth, Universität Bayreuth

Problemstellung

Zwar sind Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) seit den 1980er Jahren bekannt und bereits seit mehreren Jahren in der großtechnischen Anwendung, dennoch besteht weiterhin ein signifikantes Potenzial zu deren Optimierung, und zwar insbesondere durch Materialentwicklungen an Membran und Elektrode. Eine Verringerung der unerwünschten Nebenreaktionen (z.B., HER an der Anodenseite) könnte Einsatzbereich und Kosten der VRFB entscheidend verbessern.

Abb.1. Aufbau eines VRFB-Systems mit den entsprechenden Redoxpaaren an Anoden- und Kathodenseite sowie den Potentialbereichen und den parasitären Nebenreaktionen.

Zielsetzung

Die wissenschaftlichen Arbeitsziele des vorgestellten Projekts konzentrieren sich auf das Verständnis der Katalyse der negativen Teilreaktion bei gleichzeitiger Unterdrückung der unerwünschten Wasserstoffevolution durch untersch. Elemente, wie beispielsweise Bismut und Neodym. Diese sollen mittels verschiedener Syntheserouten kontrolliert und mit unterschiedlich hohen Beladungen flächig bzw. nanopartikulär auf der Oberfläche und im Bulk kommerzieller Kohlenstoffvliese und – papiere abgeschieden werden. Der Erfolg dieser Strategie soll mit Mikroskopie und Röntgenbeugung charakterisiert und elektrochemisch in 3-Elektroden-Modelluntersuchungen sowie in Batterietests nachgewiesen werden.

Promovend: Marco Griesbach, M.Sc.  

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth

Problemstellung

Um die allgemein bekannten Klimaziele zu erreichen, werden energieautarke Gebäude vor allem in öffentlichen Bereichen gefordert. Neben einem hohen Strom- und Wärmebedarf können bestimmte öffentliche Gebäude wie Krankenhäuser oder Forschungsinstitute zudem einen hohen Kältebedarf aufweisen. Um das Gesamtsystem effizient zu versorgen, erscheint eine Kombination der Erzeugerbereiche als vielversprechende Lösung.

Eine besonders innovative Schnittstelle zur kombinierten Wärme- und Kältebereitstellung wird dabei Eis-Energiespeichern zugesprochen. Dabei entzieht eine Wärmepumpe dem im Speicher vorhandenen Wasser die latente Wärme beim Erstarrungsvorgang und hebt diese auf ein nutzbares Temperaturniveau an. Durch das Kaltwasser, welches zur Gebäude- und Prozesskühlung benötigt wird, kann das Eis im Speicher regeneriert werden, wodurch sich der Versorgungskreis schließt.

Zielsetzung

Um komplexe Verbundsysteme effizient realisieren und betreiben zu können, werden Simulationen in MATLAB® Simulink® ausgeführt. Durch verschiedene Untersuchungen sollen Handlungsempfehlungen identifiziert werden, durch welche zukunftsweisende Konzepte zur Wärme- und Kältebereitstellung erarbeitet und optimiert werden. Dabei sollen sowohl verschiedene Betriebsstrategien als auch unterschiedliche Speicher- und Anlagen-dimensionierungen analysiert werden.

Modell des TAO-Gebäudes der Universität Bayreuth, in dem ein Eis-Energiespeicher in Kombination mit einer Wärmepumpe zu einer effizienten Energieversorgung beiträgt.

Promovend:       Simeon Meshack Imologie
Betreuerin:         Prof. Dr. Ruth Freitag, Universität Bayreuth

Problemstellung

Research attention is recently drawn to microbial fuel cell (MFC) technology as a potential part of bioremediation and renewable energy sources. However, only fragment of information is available on the optimization and modelling of MFC systems for petroleum hydrocarbon bioremediation. In addition, the achieved process understanding of MFCs has been insufficient to optimize them into efficient tools for bioremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soil and stable power sources. The Power outputs of MFCs are known to follow the general trend of the phases of bacterial growth. Thus MFCs exhibit fluctuating electrical outputs. These fluctuations are not ideal for the healthy operation of any electrical appliance; because most electrical and electronic devices exhibit optimum performances at fixed or stable power supply. While many studies are directed at upscaling the MFCs in terms of power density, the problem of their unstable outputs has not been addressed.

Zielsetzung

This study is aimed at optimizing soil MFC for stable power density and bioremediation of petroleum hydrocarbon (PAH) contaminated soil. The experiment is designed to study the effects of variables such as Electrode spacing, interval of treatment with substrate and types of electrode on the MFC power output and the losses within the MFC systems. The role of urine in stabilizing the power output of the MFCs is of particular interest. Besides, the interactions of these variables at their different levels and their treatment effects on the MFCs performance in terms of power production, internal resistances and PAH remediation are being studied. The results from this research will be used to model the output of the MFCs for prediction of their responses to the selected input variables.

Promovend: Robin Fick, M. Eng.

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth

Prof. Dr. Robert Honke, Hochschule Hof

Problemstellung

Die zukünftige energetische Gebäudeversorgung bedarf zunehmend dezentraler Konzepte, um die energiepolitischen Klimaziele erreichen zu können. Hierbei kann die Integration multipler erneuerbarer Energiequellen wesentlich zur Steigerung des Autarkiegrades beitragen. Um diese zeitlich und thermisch fluktuierenden Wärmequellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus nutzen zu können, werden meist Schichtenspeicher eingesetzt. Anwendungsoptimierte hydraulische Be- und Entladegeometrien ermöglichen es, Verwirbelungen und thermischen Durchmischungen aufgrund reduzierter interner Strömungen vorzubeugen. Folglich kann die Effizienz derartiger Anlagen durch eine erhöhte Schichtungsqualität gesteigert werden. Für die Auslegung und Regelung komplex betriebener Großwärmespeicher bedarf es zukünftig besonders für eine simultane Beladung hinreichend validierter Methoden und Modelle.

Zielsetzung

Ziel dieses Vorhabens ist es, ein für die Gebäudesimulation anwendungsgerechtes und übertragbares Speichermodell zu entwickeln. Dafür werden interne Strömungsprozesse bei multipler Be- und Entladung primär für große, drucklose Wärmespeicher (>100 m³) in unterschiedlicher Konstellation untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf simultan einströmenden Fluiden und deren Interaktionen aufgrund verschiedener hydraulischer Leitgeometrien, veränderlicher Volumenströme und Temperaturniveaus. Mithilfe numerischer Strömungssimulationen soll eine Basis für die Umsetzung und Optimierung des Speichermodells geschaffen werden. Die abschließende Modellvalidierung soll anhand eines Institutsgebäudes (Institut für Wasser- und Energiemanagement der Hochschule Hof, iwe) mit integriertem Großwärmespeicher erfolgen. Die äußerst vielseitige energetische Gebäudeaktivierung dieses Versuchsträgers stellt eine optimale Plattform für Untersuchungen zur multiplen Beladung dar. Die detaillierte thermische Validierung des Speichermodells soll dabei mithilfe eines faseroptischen Temperaturmesssystems (DTS - distributed temperature sensing) erfolgen.

Promovend

Georg Tauer, M.Sc.

Betreuer

Prof. Dr.-Ing Andreas Jess, Universität Bayreuth

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden, bzw. energieautarken Kommunen stellt sich  nicht nur die Frage der Energieerzeugung, sondern ebenfalls der effektiven Nutzung und Speicherung. Mithilfe der Power-to-Gas Technologie lässt sich mit Überschussstrom Wasserstoff erzeugen, der anschließend mit CO₂, beispielsweise aus Biogas, katalytisch zu Methan umgesetzt werden kann. Methan als Energieträger besitzt den Vorteil, dass es einfach transportiert werden kann und viele Anwendungsmöglichkeiten besitzt. Somit ließe sich Überschussstrom chemisch speichern und Biogas veredeln, um es ins Erdgasnetz einzuspeisen. Da die Wasserstofferzeugung an die Stromproduktion gekoppelt ist, muss der Reaktor dynamisch betrieben werden. Um einen hohen Umsatz und einen sicheren Reaktorbetrieb der stark exothermen Reaktion (-165 kJ/mol) zu gewährleisten, ist ein mathematisches Modell nötig.

Zielsetzung

In der Arbeit soll ein mathematisches Reaktormodell für die Methanisierung von Biogas unter instationären Bedingungen entwickelt werden, das sowohl den Umsatz als auch das Temperaturprofil im Reaktor zuverlässig voraussagt. Das Modell soll an einem wandgekühlten Einzelrohrreaktor mit 1 m Länge verifiziert werden.

Promovendin

Sabrina Tietze

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth

Prof. Dr. Gerhard Lindner, Hochschule Coburg

Problemstellung

Bei energieautarken Gebäuden sind Methoden der Energiespeicherung von besonderer Bedeutung. Bei elektrochemischen Speichern wird die Kinetik der elektrochemischen Prozesse allerdings u.a. durch den Aufbau einer elektrochemischen Grenzschicht an den Elektroden bestimmt. Diese Schicht hemmt den Transfer der Elektronen und somit die Ladung des Akkumulators.

Zielsetzung

Durch Beeinflussung der elektrochemischen Grenzschicht mit Hilfe akustischer Wellen soll der Elektronentransfer verbessert und somit elektrochemische Prozesse beschleunigt werden. In der Elektromobilität hätte dies z.B. den Vorteil, die Ladezeit eines Akkumulators zu verkürzen. Beim Elektropolieren kann die Zeit des Elektropoliervorgangs verkürzt werden, was wiederum industriell von Vorteil ist.

Promovend

Mario Mösch

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth

Problemstellung

Die Welt wird immer vernetzter. Künftig werden immer mehr Sensoren ihre Umgebung überwachen und ihre Informationen per Funk an andere Geräte senden. Um den wenig umweltfreundlichen Einsatz von Batterien zu vermeiden, beziehen Funksensorknoten der Zukunft ihre Energie über Energy-Harvesting aus ihrer Umgebung. Beim kinetischen Energy-Harvesting etwa soll die in häuslichen Mikrovibrationen (zufallende Tür, vorbeilaufende Menschen) enthaltene Energie genutzt werden. Der Harvester ist dabei auf eine Vibrationsfrequenz eingestellt; verändert diese sich, kann keine Energie mehr geerntet werden. Darum muss das System adaptiert werden.

Zielsetzung

Die Forschungsarbeit des ZET bezieht sich auf Grundlagen zur Nutzbarmachung von Gebäudevibrationen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Selbstadaptivität des Harvesters. Die große Herausforderung dabei ist es, die regelmäßige Selbstanpassung so zu gestalten, dass der Aufwand für ihren Betrieb den durch sie erreichten energetischen Nutzen nicht übersteigt.

Bei einer Vibration schwingen die hier zu sehenden Magnete um die Kupferspule in der Mitte und erzeugen so eine Induktionsspannung. Damit werden autarke Funksensorknoten gespeist.

Promovendin: Panagiota Garbis             

Betreuer: Prof. Dr.-Ing Andreas Jess, Universität Bayreuth

Zielstellung 

Anlässlich der Energiekonzepte werden neue Ziele gesetzt, um den Anteil der erneuerbarer Energien zu steigern. In den zukünftigen Energieversogungsystemen nimmt Wasserstoff eine zentrale Position als Kraftstoff im Transport als auch im stationären Einsatz in Wohnhäusern im Zusammenhang mit Brennstoffzellen ein. Der stationäre Einsatz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) in Häusern kann zur Strom- und Wärmeversorgung eines Hauses dienen. Auf Grund des Erdgas Versorgungsystems, ist Erdgas die erste Wahl zur Produktion von Wasserstoff durch Dampfreformierung für den Betrieb einer Brennstoffzelle. Dabei entsteht aber unter anderen ein kleiner Anteil an Kohlenmonoxid. Das entstehende Kohlenstoffmonoxid ist wiederum ein Katalysatorgift und deaktiviert die Brennstoffzelle. Um die CO-Belastung der Brennstoffzelle zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern, soll das Kohlenmonoxid 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.

Promovend

Pascal Diwisch, M.Sc.

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg, Universität Bayreuth

Problemstellung

Die gesetzliche Vorgabe, CO₂-Emissionen zu reduzieren und somit dem Klimawandel entgegenzuwirken, bedingt den Ausbau regenerativer Energien. Diese sind aber oftmals von Wetterbedingungen abhängig. Eine Alternative hierzu bietet die Energieerzeugung aus Biogas. Wird dieses in gasbetriebenen Motoren eingesetzt, kann aufgrund besserer Abgaswerte und höherer Wirkungsgrade ein wertvoller Beitrag zur nachhaltigen Energiebereitstellung geleistet werden. Die Leistungsreduzierung infolge nicht aufbereiteter Biokraftstoffe muss der Motor, bei gleichbleibender Baugröße, Gewicht und Emissionswerten, kompensieren.

Zielsetzung

Ziel ist es, ein kompaktes Motorkonzept auf Basis des Zweitakt-Doppelkolbenmotors zu entwickeln, welches besonders für den Gasbetrieb geeignet ist. Darüber hinaus kann der Energiebedarf während der Fertigung wie auch die Fertigungskosten aufgrund der geringeren Baugröße und notwendigen Bauteile bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte, gesenkt werden.

Prototyp des Zweitakt-Doppelkolbenmotors am Prüfstand

Promovend: Ulrich Schadeck, M.Sc.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos, Universität Bayreuth

Problemstellung

Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten bestehen grundsätzlich aus zwei Elektroden und einem elektrolytgetränkten Separator, wobei letzterer nach heutigem Stand der Technik üblicherweise aus polymerbasierten Membranen besteht. Diese Separatoren sind bedingt hochtemperaturstabil und sind passive Batterie-Komponenten mit keinerlei elektrochemischen Beitrag zu den Zellreaktionen.

Zielsetzung

Im Rahmen der Arbeit wird ein glasbasierter Separator entwickelt, wobei dieser aus einem Komposit eines Glasfaser-Basisvlieses mit integrierten Mikrometer-Glasflakes besteht. Der Separator soll über einen weiten Temperaturbereich dimensionsstabil sein und zudem über eine gewisse Flexibilität verfügen. Weiterhin soll über eine Anpassung der Glaszusammensetzung eine gewisse elektrochemische Aktivität generiert werden, wobei spezifische Parameter der Batterie wie etwa die Zyklenstabilität oder die Schnellladefähigkeit verbessert werden sollen.

Beispiel für einen Glas-Separator

Promovend: Jürgen Wenig

Betreuer: Prof. Dr. Thorsten Staake, Otto-Friedrich-Universität Bamberg

Problemstellung

Elektrofahrzeuge (EVs) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) stellen erhebliche Anforderungen an das Stromnetz. Um die räumliche und zeitliche Netzbelastung sowie die Anforderungen an die Fahrzeugbatterien und die Eignung der Fahrzeuge für unterschiedliche Nutzersegmente zu verstehen, bedarf es einer genauen Analyse des Mobilitätsverhaltens der Nutzer. Simulationsmodelle, die unterschiedliche Fahrersegmente differenziert betrachten, innerhalb eines Modelles vergleichbar machen und unterschiedliche Ladeinfrastruktur- und Batteriekonfigurationen vergleichend gegenüberstellen, liegen jedoch bisher nicht vor.

Zielsetzung

Ziel dieses Projektes ist es, basierend auf GPS-Daten von 1.000 Fahrzeugen und einem für diesen Fall entwickelten Simulationsmodell präzise abzuschätzen, wo, wann, und wie viel elektrische Energie Fahrzeuge aus dem Stromnetz entnehmen, welchen Einfluss unterschiedliche Ladeinfrastruktur-Konfigurationen spielen, welcher Anteil der Fahrziele elektrisch erreicht werden kann, wie sich die Aussagen zwischen unterschiedlichen Fahrersegmenten unterscheiden, und welchen Beitrag dezentrale Erzeugung zur Elektromobilität leisten kann. Weitere Ergebnisse zielen auf die Beantwortung der Frage, inwiefern Lastverschiebestrategien beim Aufladen von PHEVs dabei helfen, Lastspitzen abzumildern.

Vorgehensweise zur GPS-datenbasierten Simulation von Elektromobilitätsszenarien

Promovend: Nicolas Weithmann

Betreuer: Prof. Dr. Ruth Freitag

Titel des Projektes: Einfluss von Metall(oid)en aus dem Gärsubstrat auf Stabilität und Effizienz von Biogasanlagen

Problemstellung

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Eintrag von Störstoffen, die über komplexe Substrate und Gärhilfsmittel in Biogasanlagen gelangen und dort auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft treffen. Im Besonderen Arsen, Antimon und Bismut werden durch die Mikroben methyliert und volatilisiert. Hierdurch entstehen zum einen geno- und zytotoxischer Verbindungen die zu einer Hemmung der Mikrobiologie führen, zum anderen werden Methylgruppen dem Methanbildungsprozess entzogen.

Zielsetzung (3-4 Zeilen)

Es sollen toxische Verbindungen identifiziert, Schadkonzentrationen bestimmt und direkte Auswirkungen auf die Mikrobiologie und die damit verbundene Gasausbeute nachgewiesen werden. Hierdurch soll in Energieautarken Kommunen eine zuverlässige Biogasversorgung zum Ausgleich der Fluktuation, aber auch als Grundlage für Power-to-Gas Applikationen, geschaffen werden.

Biogasreaktoren im Labormaßstab sind zur Temperierung in einem Inkubator aufgestellt, das Gas wird durch Schläuche nach außen geleitet, gesammelt und analysiert.

Promovend:      Dr.-Ing. Patrick Kaiser

Betreuer:           Prof. Dr. Ruth Freitag

Titel des Projekts: Einsatz bioelektrochemischer Methoden in der dezentralen Energieversorgung

Problemstellung:

Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem eine mikrobiell katalysierte Freisetzung von Elektronen auf der Anodenseite und anschließender Elektronenaufnahme an der Kathode stattfindet. Es kommen hauptsächlich Mikroorganismen aus der Umwelt zum Einsatz, die in Form eines Biofilms auf der Anode angesiedelt werden. Der Biofilm baut sich stetig auf und ab, was wiederum die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert.

Zielsetzung (3 - 4 Zeilen): Es wurde ein künstlicher Biofilm entwickelt, der aus ausgewählten elektrogenen Mikroorganismen bestand und zu einer gleichmäßigen Leistung der Brennstoffzelle führte. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projektverbunds „Ressourcenschonende Biotechnologie für Bayern – BayBiotech“ zwischen 2015-2018 durchgeführt, welcher vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert wurde.

Promovend: Andy Gradel

Betreuer: 

Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess, Universität Bayreuth

Prof. Dr.-Ing Tobias Plessing, Hochschule Hof

Problemstellung

Aufgrund der zunehmenden Knappheit fossiler Brennstoffe ist der Ausbau autarker Versorgungsnetze für Gebäude und Kommunen aus erneuerbaren Energiequellen eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Eine flexible Lösung bietet hierbei die Vergasung der Reststoffe zu einem brennbaren Produktgas durch Teiloxidation des Feedstocks. Während der pyrolytischen Zersetzung entstehen dabei sogenannte Teere, die das Produktgas verunreinigen. Eine zu hohe Belastung mit derartigen Stoffen verschmutzt und beschädigt nachfolgende Prozesskomponenten, weshalb eine aufwendige Gasreinigung unumgänglich und den Prozess bis heute für viele Einsatzsstoffe unwirtschaftlich macht. 

Zielsetzung

Eine neuartige Technologie, entwickelt mit dem Industriepartner WS Wärmeprozesstechnik GmbH, soll die Teerbelastung im Produktgas durch die Adsorption an prozessinterne Stoffe deutlich reduzieren. Der Nutzungsgrad des vorhandenen Potentials biogener Abfallstoffe könnte dann mit kostengünstigen, dezentralen Kleinanlagen deutlich erhöht werden.