Diese Masterarbeit beinhaltet eine Ökobilanz eines typischen Mehrfamilienhauses im Schweizer Mittelland.
Über eine Lebenszyklusanalyse wird der indirekte ökologischen Aufwand des Gebäudes über seine
Lebensdauer quantifiziert. Mittels einer Gebäudesimulation wird der Betriebsenergiebedarf des Hauses
ermittelt. Verschiedene Energieerzeuger werden zur Deckung dieses Bedarfs eingesetzt und deren Einfluss
auf den direkten ökologischen Aufwand untersucht. Schlussendlich soll beantwortet werden, ob aus
ökologischer Sicht ein Ersatzneubau oder eine Sanierung des bestehenden Gebäudes favorisiert werden soll
und mit welchen Massnahmen der totale ökologische Aufwand eines Gebäudes minimiert werden kann. In
den Resultaten wird der Sanierungsfall mit einem Neubau in Holz- und Massivbauweise verglichen. Der
ökologische Aufwand der Varianten wird durch die Umweltindikatoren Primärenergie (nicht erneuerbar),
Treibhausgaspotential und Umweltbelastungspunkte dargestellt.
This master thesis consists of a life cycle assessment of a typical apartment building in the Swiss midlands. A
life cycle analysis is used to quantify the indirect ecological expenditure of the building over its lifetime. By
means of a software simulation the energy demand to operate the house is determined. Different heating
systems are used to cover this demand and their influence on the direct ecological expenditure is examined.
In conclusion it is shown whether from an ecological point of view a new replacement building or a
renovation of the existing building should be favoured and with which measures the total ecological
expenditure of a building can be minimised. In the results, the refurbishment case is compared with a new
building in timber and solid construction. The ecological expenditure is represented by the environmental
indicators primary energy (non-renewable), greenhouse gas potential and environmental impact points.
Elemental microanalysis of lunar analog materials with laserinduced breakdown spectroscopy (LIBS) and laser-induced XUV spectroscopy (LIXS) under vacuum conditions.
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Elemental microanalysis of lunar analog materials with laserinduced breakdown spectroscopy (LIBS) and laser-induced XUV spectroscopy (LIXS) under vacuum conditions.
Laserinduzierte weiche Röntgenstrahl und extrem ultraviolette (XUV) Spektroskopie bietet eine alternative
Bestimmungsmethode zum laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS).
Experimente mit LIXS werden, aufgrund der kleinen Wellenlängen, im Vakuum ausgeführt. Dadurch ist
diese Methode insbesondere für die Umweltbedingungen auf dem Mond gut geeignet. Diese Arbeit
untersucht die Fähigkeiten von LIXS, mit dem Motiv, LIXS später als Ersatz oder Begleitung von LIBS in
Weltraumforschungen einzusetzen. Zunächst wird über die Vorteile und Anwendungen von LIBS, vor allem
auf dem Mars, berichtet. Gefolgt wird dies von Vergleichen zwischen XUV Emissionen, detektiert mit LIXS,
und Emissionen im ultravioletten zu sichtbaren (UV-VIS) Wellenlängen Bereich, detektiert mit LIBS. Beide
Emissionen geschehen dabei im Vakuum. Untersucht werden Mond analoge Proben, die Variationen in ihrer
Zusammensetzung aufzeigen. Das Verhalten der Emissionsspektren sowie Emissionsintensitäten werden
angeschaut. Daraufhin werden drei prominente Emissionslinien jeweils in LIBS und LIXS auserwählt und
auf ihre Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit untersucht. Denn die Wiederholgenauigkeit und
Reproduzierbarkeit sind Eigenschaften von LIBS, die zu ihren wesentlichen Nachteilen gehören. Danach
werden die Emissionslinien, falls möglich, ihren Elementen zugeteilt. Zudem wird die Wiederholgenauigkeit
und Reproduzierbarkeit für das gleiche Element mit beiden Bestimmungsmethoden untersucht. Die
Messungen mit LIXS weisen bessere Wiederholgenauigkeiten und Reproduzierbarkeiten auf als die
Messungen mit LIBS für Aluminium. Allerdings ist die elementare Zuordnung der Emissionslinien zu ihren
Elementen noch nicht praktisch wie mit LIBS, da eine Verschiebung der Wellenlängen zu erkennen ist. Dies
ist möglicherweise auf die hohen Plasmatemperaturen zurückzuführen, die zur Doppler-verschiebung
beitragen. Daher sind weitere Untersuchungen notwendig, um die Plasmatemperaturen zu bestimmen.
Laser-induced soft X-ray and extreme ultraviolet (XUV) spectroscopy (LIXS) provides an alternative
detection method to Laser-induced plasma breakdown spectroscopy (LIBS). The application of LIXS
measurements is in vacuum due to small wavelengths. In this way, it is well suited for the environmental
conditions on the moon. This thesis studies the potential of LIXS, with the intention to substitute or
accompany LIBS on space explorations. Therefore, the advantages and applications of LIBS, especially on
mars, are explained, followed by comparison of the XUV emission from LIXS with the ultraviolet to visible
wavelength range (UV-VIS) emission yield by LIBS under vacuum conditions. Lunar analogue samples,
which exhibit variations in their compositions, are examined. The emission spectra and emission intensities
are investigated. Then, three prominent emission lines in each LIBS and LIXS are examined on repeatability
and reproducibility, features that demonstrate the main drawbacks of LIBS. This is followed by attribution of
emission lines to their elements, if possible. In addition, the repeatability and reproducibility is measured for
the same element by both methods. The measurements with LIXS exhibit better repeatability and
reproducibility than the measurements with LIBS for aluminum. However, the attribution of the emission
lines to their elements is still not convenient as with LIBS due to shifts in wavelengths. A possible reason
could be high plasma temperatures contributing to Doppler shifts. Therefore, further investigations are
necessary, to measure the plasma temperature.
Diese Master-Thesis befasst sich mit der numerischen Berechnung der mechanischen Spannungen in einem
Hochspannungsleiter. Dabei interessieren hauptsächlich die lokalen Spannungen in den Kontakten zwischen
den sich kreuzenden Drähten der beiden äussersten Lagen. Zwei Finite-Elemente Modellierungs-Ansätze
werden entwickelt und untersucht. Einerseits wird eine Balken-und-Volumen Hybridmodellierung betrachtet,
andererseits die Balken-zu-Volumen Submodell-Technik. Beginnend mit Modellen eines einlagigen Leiters
werden die Modelle schrittweise erweitert. Es zeigt sich, dass die Balken-und-Volumen Hybridmodellierung
nicht anwendbar ist, da die Rechenzeiten deutlich zu hoch sind. Mit dem entwickelten Balken-zu-Volumenzu-
Volumen Submodell-Ansatz können für ein-, zwei- und vierlagige Hochspannungsleiter die
Kontaktresultate, die mit einem entsprechenden Volumen-Finite-Elemente-Modell simuliert werden, mit
einer Abweichung von weniger als zwölf Prozent reproduziert werden.
This master's thesis deals with the numerical computation of stresses in overhead line conductors. Mainly the
local stresses in the contacts between the crossing wires of the two outermost layers are of interest. Two finite
element modeling approaches are developed and examined. On the one hand beam-and-solid hybrid
modelling is investigated, on the other hand the beam-to-solid submodelling technique is examined. Starting
with models of a single-layered conductor, the models are gradually expanded. It turns out that beam-andsolid
hybrid modelling is not applicable because the computation times are too high. With the developed
beam-to-solid-to-solid submodelling approach, contact results that are simulated with a corresponding solid
finite element model can be reproduced with a deviation of less than twelve percent for single-, two- and
four-layered overhead line conductors.
Entwicklung von Guidelines für den Einsatz von modularen Unterwerken in der Schweiz – am Beispiel des Bahnstrom-, des Übertragungs- und eines Verteilnetzes
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Entwicklung von Guidelines für den Einsatz von modularen Unterwerken in der Schweiz – am Beispiel des Bahnstrom-, des Übertragungs- und eines Verteilnetzes
Die Stromversorgung ist eine kritische Infrastruktur und die Unterwerke sind ein wichtiger
Teil davon. Sie sind die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Netzebenen, an welchen die
Endabnehmer angeschlossen sind. In dieser Arbeit wird untersucht, ob und unter welchen
Bedingungen der Einsatz von modularen Anlagenteilen sinnvoll ist. Die Betrachtung erfolgt
am Beispiel des Bahnstromnetzes der SBB mit über 80 Unterwerken. Alle Zwischenresultate
werden jeweils auf Gültigkeit im Übertragungsnetz der Swissgrid und im Verteilnetz der
Axpo geprüft. Dadurch können die Resultate verallgemeinert und mögliche Unterschiede
zwischen den Netzen aufgezeigt werden.
Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Grundlagen der Stromversorgung, den Aufbau und die
Modularisierung von Unterwerken eingegangen. Danach werden die Rahmenbedingungen
untersucht und die zu bewertenden Cases und die Kriterien definiert. Diese werden durch
Experten im Rahmen eines Analytic Hierarchy Process (AHP) gewichtet und in einer
multikriteriellen Entscheidungsanalyse (MCDA) bewertet. Basierend auf der Bewertung und
deren Sensitivitäten werden Guidelines für den Einsatz von modularen Anlagen(-teilen)
erarbeitet.
Es zeigt sich, dass sich der Einsatz als fixer Bestandteil eines Unterwerks, insbesondere
wegen Kostenreduktionen und einer Erhöhung der Versorgungssicherheit, lohnt. Möglich ist der beliebig kombinierbare Einsatz im Bahnstrom- und im Verteilnetz, aufgrund der
Spannung jedoch nicht für AIS-Anlagen im Übertragungsnetz.
Der Einsatz als Provisorium während Umbauten lohnt sich insbesondere wegen der Erhöhung
der Versorgungssicherheit. Sinnvoll ist der Einsatz nur mit MTS- oder GIS-Anlagen im
Bahnstrom- und Übertragungsnetz, nicht aber im Verteilnetz. Weiter sind die Module als
Provisorium nicht beliebig kombinierbar und es braucht eine Mindestgrösse des Portfolios für
eine akzeptable Wirtschaftlichkeit.
Es konnten die Grundlagen für einen strategischen Entscheid zur Nutzung von modularen
Unterwerken klar dargestellt werden. Es wird empfohlen, im nächsten Schritt modulare
Anlagen zu pilotieren: zuerst im Einsatz als Provisorium und danach als fixer Bestandteil
eines Unterwerks. Mit diesen Pilotprojekten können die Bewertungen validiert werden. Diese
Resultate sollten in der Folge wiederum unter den Netzbetreibern geteilt werden.
The power supply is a critical infrastructure and the substations are an important part of it.
They are the interface between the different grid levels to which the end users are connected.
This paper examines whether and under what conditions the use of modular substation
components makes sense.
The analysis is based on the SBB traction power grid with over 80 substations. The validity of
all interim results is individually verified in the transmission grid of Swissgrid and in the
distribution grid of Axpo. This enables the results to be generalised and possible differences
between the grids to be highlighted.
In the first part of the paper, the basics of power supply, the structure and modularisation of
substations are discussed. Thereafter, the framework conditions are examined and the cases to
be evaluated and criteria are defined. These are weighted by experts within the framework of
an Analytic Hierarchy Process and evaluated in a multi-criteria decision analysis (MCDA).
Based on the evaluation and its sensitivities, guidelines for the use of modular substations are
developed.
It has been shown that the use of a substation as a fixed component is worthwhile, especially
due to cost reductions and an increase in security of supply. It can be used in any combination
in the traction power and distribution grid, but not for AIS-based systems in the transmission
grid due to the voltage. The use as a temporary solution during construction work in the substation is particularly
worthwhile because of the increase in security of supply. It only makes sense to use them with
MTS or GIS systems in the traction power and transmission grid, but not in the distribution
grid. Furthermore, the modules cannot be combined at will as a temporary solution and a
minimum size of the portfolio is required for acceptable economic efficiency.
The basis for a strategic decision on the use of modular substations could be clearly presented.
In the next step it is recommended to pilot modular substations: first in use as a temporary
measure and then as a fixed component of a substation. This will allow the evaluations to be
validated, which should then again be shared among the grid operators.
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
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Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
Partikeldämpfer sind ein wirtschaftliches und effektives Konzept für die passive Reduzierung von
mechanischen Schwingungen über einen grossen Frequenzbereich. Mit dem additiven Fertigungsverfahren
können Bauteile mit innen liegenden Pulverkammern hergestellt werden, welche als additiv gefertigte
Partikeldämpfer bezeichnet werden. In bisherigen Untersuchungen von additiv gefertigten Partikeldämpfern
wurde das nicht lineare Dämpfungsverhalten experimentell bestimmt. Das detaillierte dynamische Verhalten
des metallischen Pulvermaterials in der Kavität ist soweit unbekannt.
Das Ziel dieser Masterthesis ist es, zu bestimmen, wie sich eingeschlossenes Pulvermaterial in einem additiv
gefertigten Partikeldämpfer unter dynamischer Belastung verhält. Dazu werden die folgenden
Forschungsfragen gestellt: (i) Wie kann die Energiedissipation von eingeschlossenem Pulvermaterial
charakterisiert werden? (ii) Und wie können davon die wichtigsten Abhängigkeiten für die
Produktentwicklung von additiv gefertigten Partikeldämpfern abgeleitet werden?
Um die Forschungsfragen zu beantworten, wird das dynamische Verhalten des Pulvermaterials Edelstahl CL
20ES in der Kavität mit der Diskrete Elemente Methode modelliert. Die Diskrete Elemente Methode ist ein
numerisches Berechnungsverfahren für die Simulation von Partikelbewegungen und -interaktionen. Durch
das verwendete Pulvermaterial, welches Partikelgrössen im zweistelligen Mikrometerbereich und eine hohe
Partikelanzahl pro Volumeneinheit hat, ist die Untersuchung nur an skalierten Kavitäten im
Millimeterbereich durchzuführen. Die mit Pulvermaterial befüllten Kavitäten werden unter harmonischer
Weganregung belastet. Aus den Reaktionskräften des Pulvermaterials auf die Kavität wird die
Energiedissipation berechnet. Um die wichtigsten Abhängigkeiten zu untersuchen, werden verschiedene
Kavitätsgrössen, Kavitätsformen, Anregungsamplituden und Anregungsfrequenzen untersucht.
Die Untersuchung zeigt, dass eingeschlossenes Pulvermaterial in Kavitäten unter dynamischer Belastung zu
hoher Energiedissipation führt und dadurch ein effektives Konzept für die passive Schwingungsreduktion ist.
Additiv gefertigte Partikeldämpfer haben einen ähnlichen Mechanismus der Energiedissipation wie der Ein-
Partikeldämpfer oder Aufpralldämpfer. Die Energiedissipation entsteht vor allem durch die unelastischen
Stossvorgänge zwischen Partikeln und Kavität. Die Effizienz des Partikeldämpfers wird aber nur erreicht, wenn die Amplitude genügend gross ist. Diese minimal nötige Amplitude ist abhängig vom Partikelfüllstand
in der Kavität und der Grösse der Kavität. Für die Produktentwicklung von additiv gefertigten
Partikeldämpfern kann gesagt werden, (i) dass mehr Pulvermaterial zu mehr Energiedissipation führt, (ii)
dass das Pulvermaterial im Bauteil an der Stelle mit der grössten Auslenkungsamplitude platziert werden soll,
um eine grössere Energiedissipation zu erreichen und (iii) dass die Kavitätslänge in Bewegungsrichtung
einen positiveren Einfluss auf die Energiedissipation als der Kavitätsquerschnitt in Bewegungsrichtung hat.
Particle dampers are a promising approach for passive reduction of vibrations over a wide frequency range.
With additive manufacturing, it is possible to manufacture parts with embedded powder cavities. In previous
investigations of additive manufactured particle dampers, the non-linear damping behavior was determined
experimentally. The dynamic behavior of the metallic powder in the cavity is unknown.
The goal of this thesis is to determine the dynamic behavior of the internal powder in an additive
manufactured particle damper. The research questions are: (i) How can the energy dissipation of powder be
characterized? (ii) And in addition, what are the main dependencies for the product development of additive
manufactured particle dampers?
In this thesis, the dynamic behavior of the stainless steel CL 20ES powder is modeled with the Discrete
Element Method. The Discrete Element Method is a numerical method for simulation of particle motions and
particle interactions. Due to the powder material used, which has particle sizes in the micrometer range and a
high number of particles per volume, it is only possible to perform this investigation on scaled cavities in the
millimeter range. The dynamic behavior of the powder is determined under harmonic base excitation of the
cavity. The calculation of the energy dissipation is based on the reaction forces of the powder on the cavity.
This work examines the influence of different cavity sizes, cavity shapes, excitation amplitudes and
frequencies on the energy dissipation.
The investigation shows that powder in cavities leads to high-energy dissipation under dynamic vibration.
Due to this, it is an effective concept for passive reduction of vibrations. Additive manufactured particle
dampers have a similar mechanism of energy dissipation as single particle impact dampers or vibration
absorbers. The energy dissipation is caused by the inelastic collision between particles and cavity. The
efficiency of the particle damper is only achieved when the excitation amplitude is large enough. The
minimal required amplitude depends on the amount of particles in the cavity and on the cavity size. The
simulation results provide better understanding of the particle damping mechanisms, which may help in the
design of the next generation of additive manufactured particle dampers. It can be said that (i) more powder
leads to more energy dissipation, (ii) the powder should be positioned in the place with maximum amplitude
to achieve greater energy dissipation and (iii) that the cavity length in the direction of movement has a more
positive influence on the energy dissipation than the cross section in the direction of movement.
In dieser Arbeit wird die F&E-Plattform in Grid-Living and Mobility instandgesetzt. Weiter wird die
Solardatenerfassung mit einer Statistik, für eine eigene Visualisierung, erweitert. Ein zentraler Punkt dieser
Arbeit ist die Konzeptionierung eines fortgeschrittenen Algorithmus für die Steuerung der Energieflüsse.
Dieser soll nicht nur unterschiedliche Lasten managen können, sondern auch die Maximierung der Autarkie,
mit einem netzdienlichen Betrieb in Einklang bringen. Die ganze Thematik ist auf vorhergehenden Arbeiten
aufgebaut, in das aktuelle Umfeld eingebettet und auf eine mögliche Weiterentwicklung der Plattform
ausgearbeitet worden. Die Entwicklung ist rasant, die Spannungsfelder sind gross und eine Vielzahl von
unterschiedlichen Komponenten, Techniken und Interessen fliessen zusammen. Es ist ein zentraler Baustein
eines Wandels, der durch die Gesellschaft angestossen und nun von der Politik forciert wird. Ein ideales,
spannendes Feld für weitere Forschungsarbeiten.
This Thesis works on a Grid-Living and Mobility Platform on the HSLU, also called the F&E-Plattform. This
Platform will be maintained and the Data from the Photovoltaic station will be collected. The collected data is
to be used for Visualization. Further an important Point of this Thesis is to establish an advanced Algorithm
to control the energy flow of this Platform. This Algorithm should not just include the management of loads,
it should also maximize the autarky and that should be complied with a Grid-beneficial behavior. The work
relied on previous studies, imbedded into the actual environment and elaborated for future development of
the platform. The development is fast, the stress fields are large and numerous technologies, components and
interests are coming together. It is further a central building block in the change, pushed by the society and
now forced by the politics. Those are ideal conditions for further Research.
Latente Energiespeicherung ist ein vielversprechendes Konzept für Anwendungen, die thermische
Energiespeicher (TES) mit hoher Energiedichte benötigen. Makroverkapselte Systeme sind Beispiele
dafür, die durch ihre Kompaktheit und Flexibilität für Anpassungen sowie Modularität hervorstechen.
Sie enthalten mit Phasenwechselmaterial (phase change material, PCM) gefüllte Kapseln, die als
Schüttbett-Wärmeübertrager fungieren, um die Wärmespeicherungskapazität eines TES zu erhöhen.
Die Interaktion zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und den Kapseln hat einen grossen Einfluss
auf das Verhalten des TES und entsprechend spielt die Geometrie der einzelnen PCM-Kapsel eine
wichtige Rolle.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, durch eine dimensionslose Analyse Korrelationen zwischen den
Eigenschaften der Geometrie einer einzelnen Kapsel und den Eigenschaften eines Schüttbetts zu
identifizieren. Dafür werden mittels Computertomographie Daten zu 14 Schüttbetten, bestehend aus
11 verschiedenen Partikelformen und zwei verschiedenen Behältern, erfasst und mittels Simulationen
basierend auf Festkörperdynamik Daten zu 31 Schüttbetten, bestehend aus 20 verschiedenen
Partikelformen und vier verschiedenen Behältern, generiert. Die Datensätze werden anschliessend
verglichen und ausgewertet, um verlässliche Inputdaten für eine Regressionsanalyse, auf der
Grundlage von dimensionslosen Zahlen, zu schaffen. Die Regressionsanalyse ergibt, basierend auf
den experimentellen und den simulierten Daten, zwei lineare Regressionsmodelle, die von einem
Polynom zweiter bzw. dritter Ordnung als Zusammenhang zwischen den Prädiktoren und den
Reaktionsvariablen ausgehen.
The principle of latent heat energy storage is particularly promising for thermal energy storage
applications that require high energy density. Macro-encapsulated systems are examples for that,
which stand out due to their compactness and flexibility for customization and modularity.
They contain capsules filled with phase change material (PCM), which are arranged as a packed bed
heat exchanger structure in order to enhance the heat storage capacity of the thermal energy
storage unit. The interaction between the flowing heat transfer fluid and the capsules has a major
influence on the performance of the TES and, thus, the geometry of the individual PCM capsules
plays an important role.
This master thesis aims to identify correlations between the characteristics of a single capsule's
geometry and the characteristics of a packed bed by means of a dimensionless analysis.
Therefore, experimental data for 14 packed beds, consisting of 11 different particle shapes and 2
different containers, is generated using computed tomography and simulated data for 31 packed
beds, consisting of 20 different particle shapes and 4 different containers, is generated by applying a
numerical rigid body dynamics routine. The data is then compared and evaluated to create a solid
data set for a regression analysis, based on dimensionless numbers. Based on the experimental and
the simulation data, the regression analysis yields, two multiple linear regression models based on
the assumption of a 2nd and a 3rd order polynomial relationship between the predictors and the
response variables.
Ein Hybridakku kombiniert Akkumulatoren mit hoher Energiedichte mit Superkondensatoren, welche eine
sehr hohe Leistung für eine kurze Zeit zur Verfügung stellen können. Um diese zwei Energiespeicher mit
dem Antriebsstrang zu verbinden, wird ein Gleichspannungswandler benötigt, welcher die Spannungen
anpasst. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit dem Aufbau, der Inbetriebnahme, der Optimierung
und der Regelung eines synchronen bidirektionalen Aufwärtswandlers für einen Hybridakkumulator in der
Formula Student Electric. Es wird dabei ein Prototyp eines Gleichspannungswandlers mit Siliziumkarbid
Halbleitern und einer maximalen Leistung von 40 kW aufgebaut und im Labor in Betrieb genommen. Zur
Evaluation der optimalen Parameter für die Auslegung des Wandlers wird ein Multikriterielle Optimierung in
Matlab und Simulink implementiert. Für die Regelung wird eine Zustandsraumbeschreibung des Wandlers
hergeleitet und mit einer Schaltungssimulation in PLECS verglichen.
A hybrid accumulator combines high energy density accumulators with supercapacitors that can provide very
high amounts of power for a short period of time. To connect these two energy storages to the drivetrain, a
DC/DC converter is needed to adapt the voltages. In this thesis a prototype of a dual input synchronous
bidirectional boost converter for use in a hybrid accumulator in a formula student electric race car is
assembled and commissioned. The prototype which uses silicon-carbide semiconductors and has a maximum
power of 40 kW is commissioned in a laboratory environment. The evaluation of optimal parameters for the
design of the converter is determined using a multi-objective optimization implemented in Matlab and
Simulink. For the control of the converter a state space representation is determined and compared to a circuit
simulation using PLECS.
Diese Arbeit widmet sich der Herausforderung, wie Wärmebedarf von Fernwärmenetzen dekarbonisiert werden kann. Ziel der Konzeptstudie ist es, den durch Spitzenlast gedeckten Energiebedarf durch weniger kohlenstoffintensive Wärme des Grundlastsystems zu substituieren. Die grundlegende Forschungsfrage lautet daher: Wie kann die Integration von thermischen Energiespeichern zur Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen beitragen? Zwei mögliche Bewältigungsstrategien – Peak-Shaving und Load-Shifting – werden dazu untersucht und verglichen.
Zunächst wird ein Dimensionierungstool vorgestellt, womit das Leistungsverhältnis so angepasst werden kann, dass die Grundlast einen bestimmten Anteil des Energiebedarfs deckt. Auf der Grundlage eines Energiebilanzmodells wird anschliessend das Substitutionspotential für verschiedene Kapazitäten des thermischen Energiespeichers berechnet. Bei einem angenommenen Energiesplit von 80 % Grundlast und 20 % Spitzenlast und einer moderaten Substitution von weniger als 5 % führt das vorgeschlagene Load-Shifting zu einer deutlich geringeren Grösse des thermischen Energiespeichers im Vergleich zum Peak-Shaving-Ansatz. Es wird angenommen, dass dies auf die höheren (Ent-)Ladezyklen im Frühjahr und Herbst zurückzuführen ist, wenn die Nachfrage um die Grundlast-Nennleistung schwankt und die «Täler» helfen, die nachfolgenden «Spitzen» zu decken.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die wirtschaftliche Analyse einer Systemkombination aus Biomasse zur Deckung der Grundlast und Erdgas für die Spitzenlast durchgeführt. Der Preisunterschied, der für die Substitution von 5 % des Energiebedarfs durch einen thermischen Pufferspeicher erforderlich ist, beträgt 0,07-0,10 EUR/kWh. Die Analyse der Kohlenstoffreduktion zeigt, dass diese Substitution einen Verstärkungsfaktor aufweist. Dieser drückt aus, wie viel mehr Kohlenstoff im Vergleich zur substituier-ten Energie eingespart wird. Der Verstärkungsfaktor hängt von den lokalen Standards ab und beträgt für die Schweiz 2,2 und für das Vereinigte Königreich 3,3.
In this dissertation, the challenge of how heating demand can be decarbonised is researched, focusing on district heating networks in particular. The aim of this concept design study is to substitute the energy demand met by peak load with the less carbon-intensive heat produced by base load systems. Thus, the fundamental research question is: How can the integration of thermal energy storage contribute to the decarbonisation of district heating networks? Two possible coping strategies – the peak shaving and the load shifting approach – are investigated and compared.
First, a sizing tool which helps to tailor the power ratio to meet a certain split of energy demand is introduced. Based on an energy balance model with fixed order control, the potential energy substitution for various capacities of the thermal energy storage is calculated. For an assumed energy split of 80% base load, 20% peak load, and for a moderate substitution below 5%, the proposed load shifting solution leads to a significantly smaller sized thermal energy storage compared to the peak shaving approach. This is assumed to originate from higher (dis)charging cycles during the spring and the autumn, when demand oscillates around the rated base load power and “valleys” help to cover subsequent “peaks”.
In the second part of this dissertation, the economic analysis of a system combination relying on biomass to cover base load and natural gas for peak load is carried out. The price difference needed for substitution of 5% of the energy demand using a tank thermal energy storage is found to amount to EUR 0.07–0.10/kWh (i.e., natural gas surpassing biomass). The carbon reduction analysis shows that this substitution results in an amplification factor which expresses how much more carbon is saved compared to energy substituted (both measured in percentages as compared to the original system). The amplification factor depends on local standards and was found to be 2.2 for Switzerland and 3.3 for the UK.
Frühere Projekte haben gezeigt, dass Liquid Time-Constant Networks (LTC) sehr gute Performance
bei verschiedenen Aufgaben des maschinellen Lernens (ML) erzielen können. Zudem kann die
Modellarchitektur kompakter gehalten werden als bei anderen Modelltypen. Es hat sich jedoch als
schwierig erwiesen, die Echtzeitanforderungen zu erfüllen, wenn die Software auf einem
eingebetteten Softprozessor mit geringem Energieverbrauch implementiert ist.
Das Ziel dieses Projekts ist es, einen eng-gekoppelten Coprozessor zu entwickeln und zu
implementieren, um die Verarbeitung von LTC zu beschleunigen. Der Coprozessor wird als
Erweiterung einer RISC-V CPU implementiert. Der in Chisel implementierte Rocket-Chip-Generator
wird als Basis für dieses Projekt verwendet.
In einem ersten Schritt wird eine optimierte Software-Implementierung entwickelt und analysiert.
Dies zeigt, welche Berechnungen am meisten zur Gesamtverarbeitungszeit beitragen. Basierend auf
diesen Erkenntnissen werden dann die Hardware-Komponenten entworfen. Der implementierte
Coprozessor ist vollständig konfigurierbar. Dies ermöglicht verschiedene Modellgrößen und einen
variablen Grad an Paralellisierung. Das Design kann mit den Rocket-Chip Komponenten für ein MPF-
300 Field Programmable Gate Array (FPGA) mit einer Clockfrequenz von 100 MHz synthetisiert
werden.
Mit dem fertigen Coprozessor wird die Verbesserung der Verarbeitungszeit evaluiert. Dabei zeigt sich,
dass bei den beschleunigten Berechnungen bis zu 1000 mal schneller gerechnet werden können. Die
erreichbare Gesamtbeschleunigung hängt von der jeweiligen Modellarchitektur ab. Es kann jedoch
gezeigt werden, dass ein bestimmtes Modell aus einem früheren Projekt nun die
Echtzeitanforderungen erfüllen kann. Schlussendlich könnte die Beschleunigung eines größeren Teils
der Berechnungen eine deutlich höhere Gesamtbeschleunigung für einige Modelle bringen. Dafür ist
schlussendlich eine kleine Erweiterung der aktuellen Implementierung hier vorgeschlagen.
Previous projects have shown that Liquid Time-Constant Networks (LTC) can achieve very good
performance on various machine learning (ML) tasks. Additionally, the model architecture can be
kept more compact than those of other model types. Still, it has proven to be difficult to fulfill realtime
requirements if the software is implemented on a low-power embedded soft processor.
The aim of this project is to design and implement a tightly-coupled coprocessor to accelerate the
processing of LTC. The coprocessor is implemented as an extension of a RISC-V CPU. The Rocket-
Chip generator, implemented in Chisel, is used as a basis for this project.
In a first step, an optimized software implementation is developed and analyzed. This shows what
computations contribute most to the overall processing time. The hardware componentes are then
designed based on those insights. The implemented coprocessor is fully configurable to allow
different model sizes and a variable degree of paralellization. The design can be synthesized with the
Rocket-Chip components for a MPF-300 Field Programmable Gate Array (FPGA) with a clock
frequency of 100 MHz.
Finally, the improvement of the runtime is evaluated. This shows that a massive speedup of up to
1000x can be achieved for the accelerated computations. The achievable overall speedup depends on
the particular model architecture. But it can be shown that a specific model from a previous project
can now fulfill the real-time requirements. Finally, accelerating a larger portion of the computations
could again bring further runtime improvements and a significantly larger overall speedup for some
models. Thus, a small extension to the current implementation is proposed here.
This thesis is conducted together with the Soldati AG. Soldati is a producer and manufacturer
of specialized machinery for production packaging and the food industry. Besides
this Soldati also produces air motors for special applications. The goal of Soldati in this
project is to automate the assembly of a pin, seal, roll and piston of this air motor to
reduce the labor intensity during production. The current production of these piston assemblies
is done with an assembly station into which the parts get fed by hand. Another
goal is to generate knowledge on object detection with computer vision and the integration
of a vision system with an industrial robot. In this project, a system was developed
to get the bulk goods of the four parts and separate them to pick them with a robot. The
piston assembly consists of four parts: a roll, pin, piston and seal. These parts must all be
separated and picked with the same system. The parts are, with a characteristic length of
15 mm, rather small compared to other parts for which vision systems are used. For this
separation, a concept was developed from the delivered of bulk parts to the assembly of
the parts. This concept was evaluated and the critical aspects were tested. The separation
was developed with a vibration feeding bunker which distributes and doses the parts on
a conveyor. The conveyor moves them under a monocular camera. The camera detects
the parts with a developed algorithm and calculates the exact location and orientation in
the image. The calibrated image can then be used to reference an industrial robot to it.
With the industrial robot, the parts can then be picked and placed in a blister. From the
blister, they can then be fed into the existing assembly station. The designed system was
able to perform the detection and picking of the parts and therefore verified the concept.
In a next step, the system could be integrated into the work environment. There would be
the need for some adaptations since the tests made were only to verify a proof of concept.
Data-driven Modellierungsmethoden erhalten einen immer höheren Stellenwert in der Wissenschaft und der
Industrie. Computational Fluid Dynamics erweist sich als ein exemplarisches Gebiet, um solche Methoden zu
entwickeln und anzutreiben. Im Zentrum dieser Thesis steht der spezifische Prozess Field Inversion and
Machine Learning (FIML), entwickelt von Parish und Duraisamy [1], Duraisamy et al. [2, 3] und Singh et al.
[4]. FIML strebt an, bestehende RANS Turbulenzmodelle mithilfe von Messdaten oder hoch qualitativen
Simulationsdaten zu optimieren.
Die Feld Inversion wird mittels einer Zielfunktion formuliert, welche die Differenz zwischen dem Base
Model und dem Truth Model ausdrückt. Zusätzlich wird die Zielfunktion durch einen Tikhonov Term
regularisiert. Diese Funktion wird anschliessend mit einem Optimierungsalgorithmus und der diskreten
Adjoint Methode iterativ minimiert, um ein Diskrepanzfeld zu erhalten, welches den Unterschied zwischen
dem Base und Truth Model wieder gibt. Ein Machine Learning Algorithmus lernt anschliessend die
Beziehung zwischen dem Diskrepanzfeld und selektierten Features des Base Models. Das trainierte Model
wird in einem finalen Schritt an das Base Turbulenzmodel gekoppelt, welches somit das optimierte Model
darstellt.
Ziel dieser Arbeit ist es, den FIML Prozess innerhalb des Druck-gekoppelten CFD Solvers coupledNumerics
[5] anzuwenden. Mit dem proof of concept wird der Prozess an einem U-Rohr validiert. Dies, indem das
Spalart-Allmaras Turbulenzmodell (Base Model) optimiert wird, um die gleichen Resultate wie das Spalart-
Allmaras Model mit Rotations- und Krümmungskorrektur (Truth Model) zu erzielen. In einem zweiten
Schritt wird die Generalisierungsfähigkeit des FIML Verfahrens auf verschiedene Reynolds Zahlen und
Rohrgeometrien getestet. Als letztes wird der Prozess an wenig vorhandenen realen Messdaten angewendet.
Hierfür wird der zwei dimensionale Hump als Geometrie verwendet, welcher einen hohen Druckgradienten
erzeugt.
Der proof of concept zeigt, dass der FIML Prozess fähig ist, das Diskrepanzfeld zu extrahieren und
anschliessend die inherente Beziehung zwischen diesem Feld und den Features in neuen Simulation
wiederzugeben. Der Random Forest Algorithmus erzeugte konsistentere Resultate mit weniger Aufwand im
Vergleich zu einem simplen Neuralen Netzwerk. Die Genauigkeit des Machine Learning Models basiert auf mehreren Faktoren, reduziert aber in jedem Fall die Genauigkeit des Diskrepanzfeldes von der
vorhergehenden Feld Inversion. Der Generalisierungstest zeigt, dass das optimierte Turbulenzmodell auf
unterschiedlichen Reynolds Zahlen und Geometrien anwendbar ist, solange diese genügende Ähnlichkeiten
aufweisen. Die Verwendung von gemessenen Reibungskoeffizienten für die Feld Inversion zeigte, dass das
Resultat einen under- oder overfit zu den Truth Daten erzeugen kann.
Data-driven modelling has gained momentum in science and engineering and computational fluid dynamics
is an exemplary field to explore this approach. Central to this thesis is the specific framework of Field
Inversion and Machine Learning (FIML) developed by Parish and Duraisamy [1], Duraisamy et al. [2, 3] and
Singh et al. [4] to improve existing RANS turbulence models using measurement or high-fidelity simulation
data.
Key of the paradigm is the field inversion, where an objective function is formulated in terms of the
difference between the base model and the truth model. This thesis uses a formulation with Tikhonov
regularization. The objective function is then iteratively minimized using an optimization algorithm with a
discrete adjoint method to extract the spatial discrepancy of the model. A machine learning algorithm is
employed to learn the relationship between this discrepancy field and selected features of the base model.
The machine learning model is linked to the base model, capable of conducting simulations resembling the
truth model.
The goal of this thesis is to apply the proposed FIML framework within the pressure-coupled solver
coupledNumerics [5]. The proof of concept aims to validate the FIML procedure: The Spalart-Allmaras
turbulence model (base model) is optimized to equal the Spalart-Allmaras rotation and curvature correction
model (truth model) using a U-turn pipe as geometry. In a second step, the generalization capabilities of the
FIML procedure are verified by training and predicting on varying Reynolds numbers and pipe geometries. In
a final step, the FIML paradigm is applied to an adverse pressure gradient case, using the 2-dimensional wall
mounted hump geometry and sparse experimental values only as truth model.
The proof of concept shows that the FIML paradigm is capable of inferring the discrepancy field via an
inverse problem using full-field data and that machine learning tools are able to recreate this field for new
simulations. The random forest algorithm showed more consistent results with less effort than a simple neural
network implementation. The accuracy of the machine learning model depends on many factors such as the
selected hyperparameters and features but can never perfectly reproduce the field inversion results,
diminishing therefore the overall accuracy of FIML. The generalization test proofs that the paradigm is
capable of being applied to different flows and geometries, as long as they are similar. Using the friction
coefficient as sparse data to inform the objective function for the hump, it is found that difficulties arise to
obtain a result which neither under- nor overfits the truth model data during the field inversion.