Für den Leistungsbereich von kleineren und mittleren Mehrfamilienhäusern wurde die (elektro)-speichergeführte Betriebsstrategie für BHKW entwickelt. Durch die Strategie kann die Netzbezugs- und Einspeisecharakteristik des Systems im Vergleich zum herkömmlichen, wärmegeführten BHKW technisch und wirtschaftlich deutlich verbessert werden.

Der Grundgedanke der speichergeführten Betriebsstrategie ist es, den Betrieb des BHKWs auf den Ladungszustand des EES auszurichten. Somit erhöht sich die Anzahl der Betriebszyklen des BHKWs pro Tag bei einer höheren Ausnutzung des EES. Dies führt zu einer Erhöhung des elektrischen Autarkiegrades im Vergleich zum Energiesystem mit wärmegeführtem BHKW sowie zu Systemen, die nur aus PV und EES bestehen.

Der erhöhte Autarkiegrad führt zu minimaler Netzeinspeisung und einer gleichzeitigen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Energiesystems. Bestätigt wird die Wirkungsweise der speichergeführten Betriebsstrategie sowohl durch detaillierte Simulationsrechnungen in einer modularen, herstellerunabhängigen Umgebung als auch durch reale Prüfstandsdaten.

Im Projekt EKOSTORE wurde die speichergeführte Betriebsstrategie für BHKW entwickelt und umgesetzt. Das Projekt zeigt, dass angepasste Betriebsstrategien für dezentrale Energiesysteme wirtschaftliches Optimierungspotenzial bieten und die Kopplung von Energiesystemen mit elektrischen Speichern in Zukunft eine Schlüsselstellung einnimmt.

Ziel des Projekts war es, ein neuartiges MR-kompatibles EEG-System zu entwickeln, welches sowohl durch eine verbesserte Handhabbarkeit als auch Komptabilität mit neuen Sequenzen, Feldstärken und Gradientensystemen im MRT die Beantwortung neuer wissenschaftlicher Fragestellungen erlaubt.

Im Vorhaben wurde ein MR-kompatibler EEG-Verstärker mit 64 Kanälen (einschließlich Dateninterface, Synchronisationseinheit und Akku) entwickelt. Durch das Zusammenschalten von bis zu vier Verstärkern stehen bis zu 256 Kanäle zur Verfügung. Die Herausforderung, hohe Bildgebungsartefakte zu vermeiden, konnte durch gezielte Optimierungsmaßnahmen gelöst werden. Die begleitende wissenschaftliche Evaluation befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung von MRT und EEG-Verstärkersystem unter variablen Bedingungen, also unter einer Variation von Feldstärke, Gradientensystemen, Gradientenschaltungen und Hochfrequenzimpulsen.

Es konnte ein neues MR-kompatibles EEG-Verstärkersystem als Demonstrator entwickelt werden. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Studien werden von der LMU für simultane EEG-fMRT-Messungen zur Beantwortung unterschiedlicher klinischer Fragestellungen in der Grundlagenforschung genutzt.

Ein neues integratives Fügeverfahren ist das sog. Nähschweißen, das den Schweiß- mit dem Nähprozess vereinigt. Die Kombination dieser zwei etablierten Prozesse soll ein neuartiges Fügeverfahren generieren, das Potenzial hat, hochfeste Verbindungen herzustellen. Weiter eröffnet das Nähschweißen die Möglichkeit, individuell anpassbare und lokale Verstärkungen in Bauteile einzubringen.

Das in diesem Vorhaben etablierte Nähschweißkonzept nutzt die Beweglichkeit der Fasern in der Schmelze zum Einbringen von Endlosfasern über die Fügestelle hinweg. Zur Umsetzung des Projekts musste zunächst eine geeignete modulare Versuchsanlage entwickelt werden, auf der sowohl der Schweiß- als auch der Nähprozess umgesetzt werden konnte.

Die komplexen Zusammenhänge einzelner Parameter im Nähschweißen wurden durch eine Vielzahl an Variationen sowohl bei Prozesseinstellungen als auch bei der Materialwahl erforscht. Insgesamt zeigten alle Versuche, dass nähgeschweißte Probekörper ein gutmütigeres Versagensverhalten aufweisen als rein geschweißte Referenzen. Der größte Effekt der Nahteinbringung konnte bei der Durchführung statischer Drucktests erzielt werden. Die Auswertung zeigte hier eine deutlich gesteigerte Energieaufnahme im Bereich der Nähte.

FOR10’000 ist ein Systemprojekt, das sich im Förderzeitraum von zwei Jahren mit der Aufgabe befasste, abgestimmt auf die Rahmenbedingungen des ländlichen Raums ein wirtschaftliches Konzept für die stofflich-energetische Nutzung von organischen Reststoffen (u. a. aus der „Biotonne“) zu erstellen. Die Schwerpunkte der experimentellen Arbeiten lagen im Bereich der Substratvorbehandlung, der Biogasveredelung und der Gärrestaufbereitung.

Eine elektroporetische Vorbehandlung des Substrats erhöht mit relativ geringem Energieaufwand signifikant den Gasertrag, der mit einer nachgeschalteten Kavitationseinheit noch weiter erhöht werden kann. Entscheidend für die effiziente Rückgewinnung der Nährstoffe aus den Gärresten ist zunächst die fest/flüssig-Trennung der Gärreste. Dies kann durch einen HTC-Schritt erreicht werden. Aus dem von der kompostierbaren Kohle abgetrennten Prozesswasser lässt sich per Elektrodialyse und elektrochemischer Fällung der Ammonium- und Phosphationen ein stabilisiertes Flüssigdüngerkonzentrat herstellen. Neben HTC liefert auch der Sabatier-Prozess Hochtemperaturwärme, die mittels ORC verstromt werden kann. Allerdings stehen die Erlöse aus ORC und Sabatier in keinem Verhältnis zu den hohen Stromkosten für die Wasserelektrolyse.

Der Schlüssel für eine wirtschaftliche Verwertung von organischen Reststoffen im 10‘000 t/a Maßstab liegt sowohl in der Substratvorbehandlung als auch in der Aufbereitung der Gärreste, vorausgesetzt ihr Wert als Bodenverbesserer wird entsprechend finanziell honoriert.

Ziel des Bayerischen Forschungsverbundes ForOxiE²; war es daher, Materiallösungen und Brennstoffzellen-Komponenten mit verbesserten Eigenschaften bzgl. Stabilität, Aktivität und Funktionalität zu entwickeln.

Unterteilt in die Themengebiete a) Elektrolyte, b) Elektroden sowie c) Prüf- und Fertigungsmethoden hat der Forschungsverbund, bestehend aus sechs Instituts- und acht Industriepartnern, neue Materialien und Fertigungsverfahren für die Polymerelektrolytmembran- (PEM) und die Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) entwickelt, angepasst und erprobt. Für die PEM-Brennstoffzellen wurden leitfähigere und temperaturstabilere Komposit-Membranen (s. Abb. links) sowie fluorfreie Elektrolytmembranen aus ionischen Flüssigkeiten erfolgreich hergestellt und getestet. Außerdem konnten neue Erkenntnisse zu platinfreien Katalysatoren sowie zu hierarchisch strukturierten Katalysatorträgern gewonnen werden. Für die SOFC wurden protonenleitende keramische Elektrolyte erforscht. Die Forscher setzen neue Fertigungsprozesse wie die aerosolbasierte Kaltabscheidung (ADM, s. Abb. rechts) sowie additive Verfahren ein, um SOFC-Komponenten zu fertigen. In Zell- und Alterungsuntersuchungen wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Komponenten erfolgreich geprüft. Die Untersuchungen reichen bis zur Betriebsoptimierung einer Wandler-/Speicher-Kombination aus Brennstoffzelle, Elektrolyseur und Batterie für zukünftige Herausforderungen in stärker fluktuierenden Stromnetzen.

Der industrielle Einsatz bleifreier Weichlote hat zur Zunahme von Poren in den Lötverbindungen elektronischer Baugruppen geführt. Insbesondere bei leistungselektronischen Anwendungen können Poren die Funktion und Zuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen. Da die Porenentstehung fertigungstechnisch nur mit großem Aufwand vermieden werden kann, sind in der industriellen Praxis fast immer Poren in Lötstellen vorhanden.

Zur Erzeugung porenarmer Lötstellen wurde das neue Verfahren des Überdrucklötens eingesetzt. Zur Charakterisierung der Lötstellen kam neben der konventionellen Röntgentechnik die Computertomographie (CT) zum Einsatz, mit der Porenpositionen und -volumina exakt erfasst wurden. Im Rahmen des Projekts wurden kritische Porenpositionen in Lötstellen von Leistungs-LED-Baugruppen anhand von Computertomographien in Verbindung mit den Ergebnissen von Zuverlässigkeitstests ermittelt.

Auf Basis der CT-Daten wurden mittels FEM(Finite-Element-Methode)-Simulationen Fallstudien durchgeführt, in denen die Größe, die Anzahl und die Position der Poren in den Lötverbindungen variiert wurden. Aus den in der Simulation und aus den Zuverlässigkeitstests gewonnen Erkenntnissen konnten kritische Porengrößen und -positionen abgeleitet werden. Es zeigte sich, dass vor allem die Porenposition einen entscheidenden Einfluss auf die Rissentstehung hat.

Die entwickelte Methodik (Kombination von CT und FEM) lässt sich auch auf andere Anwendungen bzw. elektronische Baugruppen übertragen und ermöglicht Zuverlässigkeitsprognosen für neue Produkte und Materialien.

Im Rahmen des Projekts sollte folgende These untersucht werden: „Die Degression der Herstellkosten durch eine industrielle Serienproduktion von Kleinkraftwerken überkompensiert die derzeit verfolgten vermeintlichen Größenvorteile und führt zu einer insgesamt wirtschaftlicheren, risikoärmeren und sichereren, für die Bürger annehmbareren und umweltfreundlicheren Stromerzeugung.“

Die Forschungsstudie untersuchte, ob

• die enorme Kostendegression bei steigenden Stückzahlen kleinerer Anlagen den Verlust der positiven Effekte durch Größe überkompensieren.
• signifikant größere Produktionsvolumina den Wechsel zu Technologien mit deutlich besseren Leistungswerten ermöglichen.
• Akzeptanz, Energieautonomie sowie Umweltverträglichkeit mit kleineren Anlagen deutlich besser erzielt werden können.

Die Studie beleuchtet die regenerativen Primärenergieträger Sonne, Wind, Wasser und Biomasse hinsichtlich der technologisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen. Dabei wurden die notwendigen Zielkosten der Mikrokraftwerke in Relation zum aktuellen Strompreis für Privathaushalte, der Industrie und die Stromgestehungskosten von Großkraftwerken ermittelt. Neben dem detektierten Forschungsbedarf für jede Energieform stellen die notwendigen Aktivitäten im Bereich der Energiespeicher, Kleingeneratoren und Fertigungsverfahren sowie die Aspekte der Netzintegration von Mikrokraftwerken das Studienergebnis dar.

Ziel dieses Projekts war es, additive Fertigungsprozesse für die Herstellung von Hohlleiterschlitzantennen basierend auf dem Stereolithographieverfahren zu charakterisieren und daraus sowohl die Antennen selbst, als auch deren Entwurfsprozess zu verbessern.

Die Herausforderung besteht insbesondere in der Optimierung der Metallisierung der zunächst funktionslosen Plastikstrukturen, da hierbei Flächen in schwer zugänglichen Hohlräumen beschichtet werden müssen.

Es konnte anhand von Demonstratoren gezeigt werden, dass unter Verwendung sog. geschlitzter Hohlleiter, einer für den 3D-Druck optimierten Wellenleitertechnologie, selbst komplexe Antennenstrukturen für den Einsatz im 77GHz-Band realisiert werden können. Verschiedene Verfahren zur leitfähigen Beschichtung konnten im Laufe dieses Kleinprojekts experimentell untersucht und daraus abgeleitete Verfahrens- sowie Entwurfsempfehlungen an gefertigten Antennenstrukturen demonstriert werden.

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung neuartiger Algorithmen und Heuristiken, welche die Kommunikation zwischen Prozessorkernen mittels Buffering-Mechanismen optimieren und dadurch die Ressourcennutzung verbessern.  

Hierzu wurden zunächst verschiedene in der Literatur beschriebene und allgemein für Echtzeitsysteme verwendbare Buffering-Algorithmen untersucht und deren Eigenschaften hinsichtlich Puffergröße und Management-Overhead verglichen. Als der am besten geeignete Algorithmus wurde das Dynamic Buffering Protocol identifiziert und für die dem Projektkontext zugrundeliegende statische, zeitgesteuerte Ausführung automobiler Tasks adaptiert. Für das resultierende Static Buffering Protocol (SBP) wurden auf der Basis des Mixed-Integer Linear Programming und genetischer Algorithmen verschiedene Optimierungsheuristiken entwickelt, die Puffergrößen, Signalzugriffszeiten und Prozessorlast reduzieren und auf Design- und Deployment-Ebene automobiler Software anwendbar sind. Der SBP-Algorithmus und eine Auswahl der Heuristiken wurden anschließend in dem kommerziellen Werkzeug TA Tool Suite implementiert und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit mithilfe von Echtzeitsimulationen und Benchmarks zeitgesteuerter automobiler Software evaluiert.

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines parallelisierten Mikrobioreaktor-Systems mit integrierter Messtechnik und individueller Sauerstoff-Regelung zur Optimierung von Kultivierungsbedingungen für 3D-Zellkonstrukte. Ebenso sollte im Design die Nutzung als transportables System berücksichtigt werden.

Die Mikrobioreaktoren wurden mit CAD konzipiert und mit 3D-Druck hergestellt. Die Sauerstoffregelung wurde basierend auf der Flussrate der Pumpe programmiert und das System mit vier parallelen Reaktoren aufgebaut. Dieses wurde in iterativen Zyklen für ein 3D-Zellkulturmodell, basierend auf einer Knochenmatrix, getestet und optimiert. So konnte erstmalig der Sauerstoffgehalt in 3D-Zellkonstrukten in vier Reaktoren unabhängig voneinander eingestellt und geregelt werden. Zusätzlich wurde eine automatisierte Besiedelungsmethode für adhärente 3D-Zellkulturen etabliert. Aufgrund der kompakten Bauweise wurde die Grundlage für ein transportables System gelegt.

Das Bioreaktorsystem erlaubt die gezielte Untersuchung von kritischen Parametern wie Sauerstoff und ermöglicht zudem automatisierte und reproduzierbare Experimente. Mögliche Anwendungen sind unter anderem die Grundlagen- und angewandte Forschung im Bereich des Tissue Engineerings und der regenerativen Medizin bis hin zur optimalen Herstellung von Gewebeersatz.