500 Naturwissenschaften und Mathematik
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Ansätze des maschinellen Lernens werden sowohl in der Forschung als auch in der Praxis eingesetzt, um gewünschte Ausgabedaten anhand bekannter Eingabedaten vorherzusagen. In dieser Masterarbeit wird die Anwendung des maschinellen Lernens in der Batteriedatenanalyse zur Bestimmung des Alterungsstatus von Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Vorhersage von Alterungskurven (englisch state of health - SoH) für Lithium-Ionen Batterien über die Anzahl der Entladezyklen (Zeitachse). Dies erfolgt auf der Grundlage zuvor erfasster Daten für drei Typen von Lithium-Ionen-Batterien, die bei Temperaturen von 15 °C, 25 °C und 35 °C sowie C-Raten von 0,5C, 1C und 2C aufgenommen wurden. Im Zuge dessen wurden die angewandten Methoden des maschinellen Lernens analysiert und ihre Ergebnisse verglichen. Der Umfang dieser Arbeit hebt sich von anderen Ansätzen des maschinellen Lernens in der Batteriedatenanalyse ab, da dieselben Methoden in einem breiteren Spektrum von Daten mit unterschiedlichen Temperaturen und Kathodenmaterialien verwendet wurden. Dies ist für die Analyse von Unterschieden im Verhalten in der Praxis relevant. Nach dem Erwerb und der Vorbereitung der Daten wurden Modelle mit vier ausgewählten Regressionsverfahren (lineare Regression, Ridge-Regression, Random-Forest-Regression und KNN-Regression) des überwachten Lernens trainiert und die Vorhersagen durchgeführt. Aus den Ergebnissen kann eine allgemeingültige Auslegungsgrundlage für weitere Untersuchungen und die praktische Anwendung abgeleitet werden, bei der die Vorhersagen von SoH-Kurven für Lithium-Ionen-Batterien mit linearer Regression und Ridge-Regression die höchste Genauigkeit aufweisen.
Der Klimawandel und der damit einhergehende Temperaturanstieg stellen den Gebäudesektor in Bezug auf die sommerliche Überhitzung vor erhebliche Herausforderungen. Zur Abschätzung der Auswirkungen ist es relevant, Klimadaten für einen angemessenen Zeitraum zu verwenden, um geeignete Maßnahmen zur Hitzeminderung ergreifen zu können.Die sommerliche Überhitzung variiert je nach Gebäudetyp, Standort und örtlichen Gegebenheiten. Aus diesem Grund werden in dieser wissenschaftlichen Untersuchung Wohngebäude mit mehr als zehn Wohneinheiten für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 in Österreich analysiert. Zur Beurteilung des Wohnkomforts wurden umfangreiche Messungen im Rahmen einer Studie des Energieinstituts Vorarlberg an einem repräsentativen Gebäude über einen längeren Zeitraum durchgeführt. Basierend auf den gewonnenen Messwerten wird ein Referenzgebäude im Gebäudesimulationsprogramm IDA ICE konstruiert und simuliert. Um verschiedene Klimazonen angemessen abzubilden, werden die Standorte Bregenz, Klagenfurt und Wien für das Gebäude im Jahr 2022 betrachtet. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage, um den Einfluss des Klimawandels auf die sommerliche Überhitzung abschätzen zu können. Im nächsten Schritt werden die neuen Klimadatensätze für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 für dieselben Standorte implementiert und mit den Ergebnissen von 2022 verglichen. Dadurch können verschiedene Kennziffern wie maximale Temperaturen, Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C und die Häufigkeit von Übertemperaturgradstunden herangezogen werden, um die zukünftige Hitzebelastung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit einer Erhöhung der maximalen Temperatur, der mittleren Temperatur zwischen Mai und September sowie der Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C zu rechnen ist. Der Grenzwert von 25 °C wird dabei um 12 bis 29 Prozent überschritten. Die Maximaltem-peratur steigt um vier bis neun Prozent, während sich der Wert für die mittlere Temperatur um zwei bis drei Prozent erhöht. Besonders stark nimmt die Häufigkeit von Übertemperaturen über einen längeren Zeitraum zu. Für die Umsetzung passiver Maßnahmen zeigt sich, dass diese zu einer signifikanten Reduk-tion der Stundenanzahl mit Temperaturen über den Grenzwerten führen können. Auch durch simple Maßnahmen, wie die Integration einer Nachtlüftung, kann eine Absenkung der Tem-peraturen und folglich der Stundenanzahl über den Grenzwerten erreicht werden. Ein thermischer Komfort basierend ausschließlich auf passiven Maßnahmen kann nicht für sämtliche Standorte in der Zukunft gewährleistet werden.
The ability of water to form cage-like structures and capture gas molecules under high pressure and low temperatures lead to problems in gas pipelines, especially in the mid-20th century. Also, there is an enormous amount of this so-called gas hydrate, captured in deep sea sediments or in terrestrial permafrost soils in which they reserve a possible degradable energy resource. On the other hand, they also maintain a high risk to enhance the ongoing climate change. At the same time, through their high energy storage ability, gas hydrates exhibit a high potential for industrial applications like alternative energy storage, carbon capture technologies or cleaning of exhaust emissions through separation and storage. But through their complex kinetics and ongoing dynamics through induction, synthesis and dissociation, the usage of hydrates is still far away from relevant industrial application. To make the potential capable there is still a huge amount of basic research necessary: Specially to shorten the induction time. An earlier thesis at FH-Vorarlberg exposed a potential method to shorten the induction time through a stirred reactor with an extremely high stirring rate without the usage of promotors. Therefore, this thesis is dedicated to expose the possible reasons for the witnessed effect through high stirring rates (>10000 rpm) at different pressure and tempera-ture conditions. The goal is to show possible physical effects to shorten the induction time of hy-drate synthesis. Therefore, a stirred reactor is used in which the possible effects should be investi-gated through the research with CO2 hydrates. In the research, there will be a closer look on phe-nomena like cavitation, increasing the phase interface through stirring or pressure fluctuations. The results of this thesis show an interesting connection between pressure, stirring rate and increased phase interface. Furthermore, there are also some exposed significances between stirring under spe-cial conditions which were exposed through statistical analyses. The results show that stirring could possibly be a new driving force when executed under the right conditions.
Die Integration regenerativer und innovativer Energiespeichertechnologien in der Gebäudetechnik ist ein zentraler Bestandteil der Strategie, um die globalen Ziele der Energiewende zu erreichen. Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, stellen geothermische Energiequellen sowie Erdspeichersysteme in Kombination mit Wärmepumpen und Kältemaschinen eine sehr effiziente Technologie dar. Da bei der Oberflächennahen Geothermie in Abhängigkeit des Standorts eine gemittelte Erdreichtemperatur von 10 °C bereitgestellt wird, kann vorallem bei Niedertemperatursystemen durch die Verwendung von Wärmepumpen eine hohe Jahresarbeitszahl erreicht werden. Wird ein Gebäude zusätzlich noch gekühlt, kann durch die Regeneration des Erdspeichersystems zudem der Effekt der saisonalen Energiespeicherung ausgenutzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden drei unterschiedlichen Erdspeichersysteme für ein bestehendes Gebäude mit der Simulationssoftware Ida Ice simuliert. Die in dieser Arbeit verwendeten Erdspeichersysteme sind: Erdwärmesonden, Energiepfähle und Bodenabsorber. Die Speichersysteme werden mit einer Wärmepumpe und Kältemaschine für die Energiebereitstellung und der entsprechenden Regelungstechnik kombiniert. Neben einer energetischen Betrachtungsweise wird zusätzlich eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt, um die ökonomische Bewertung bei allen Energiespeichersystem mit zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewertung der Energiespeichersysteme von vielen Dimensionierungsparametern abhängig sind und jedes System seine Vor- und Nachteile aufweist. Über einen kurzfristigen Zeitraum von zwei Jahren kann durch die Erdwärmesonden die höchste Vorlauftemperatur und dadurch die beste Jahresarbeitszahl erreicht werden. Langzeitsimulationen zeigen jedoch, dass ohne genügend Regenration das Erdreich bei der Erdwärmesondenvariante auskühlt, weshalb in einer zusätzlichen Variante die Regeneration der Erdwärmesonden durch das Verwenden einer Solarthermieanlage simuliert wird. Das Auskühlen des Erdreichs kann bei den Energiepfählen durch die natürlichen Speichereffekte, die aus der Koppelung des Gebäudefundaments mit den Energiepfählen resultieren, vermieden werden, wodurch die Energiepfahlvariante über einen Zeitraum von mehreren Jahren und ohne Regeneration die effizienteste Variante ist. Die Bodenabsorbervariante kann durch die limitierende Dimensionierung aufgrund der Gebäudefundamentoberfläche den Wärmebedarf des Gebäudes nicht decken, wodurch die Heizelemente beim Pufferspeicher aktiviert werden müssen, was zu einer schlechteren Jahresarbeitszahl führt. Auch im Vergleich zu der bestehenden Luftwärmepumpen-Referenzanlage weist die Bodenabsorbervariante einer geringere Jahresarbeitszahl auf, wodurch die Variante als die am wenigste effizienteste bewertet wird. Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ist die Erdwärmesondenvariante aufgrund der hohen Investitionskosten die teuerste Variante und der Bodenabsorber die günstigste. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch, dass bei einer Energiepreissteigerung die Bodenabsorber aufgrund der Aktivierung der Heizelemente beim Pufferspeicher in Richtung teuerste Variante tendiert.
Die CO2 Abscheidung ist ein Schlüsselprozess für die Dekarbonisierung der Wirtschaft und Industrie. Die Entwicklungspfade der IEA und des IPCC zur Erreichung des CO2 Nettonulle-missionsziel bis 2050 oder 2070 beinhalten alle eine Form von Carbon Capture, (CC). Als vielversprechende CC-Technologie gerät die gashydratbasierte CO2 Abscheidung, hbCC, aufgrund der hohen Speicherkapazität bei moderaten Druck- und Temperaturniveau und des unproblematischen Arbeitsmediums Wasser zusehends ins Interesse der Forschung und In-dustrie. Gashydrate sind unstöchiometrische Einschlussverbindungen, bei denen die Gasmo-leküle in einem Wirtsgitter aus Wassermolekülen gespeichert werden können. In einem m3 Gashydrat können 170 Nm3 Gas gespeichert werden. Die statischen Eigenschaften von Gas-hydrat sind gut verstanden. Die Dynamik der Synthese und Dissoziation, die intrinsische Re-aktionskinetik der Hydratformation, die Nukleation von initialen Kristallisationskeimen und der Einfluss von Wärme- und Stofftransportphänomenen auf die Dynamik ist noch nicht geklärt. Ein profundes Verständnis der Synthese- und Dissoziationsdynamik, inklusive dem Zusam-menhang mit den p,T-Prozessbedingungen, gilt als Voraussetzung für die Entwicklung effizi-enter hbCC-Verfahren. Üblicherweise wird Gashydrat synthetisiert indem flüssiges Wasser mit der Gasphase in Kontakt gebracht wird. Der initial gebildete Hydratfilm auf der Phasen-grenzfläche hemmt in weiter Folge den Stofftransport für das weitere Hydratwachstum. Die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck, (engl. pressurized thermal evaporation, PTE), unterliegt keinem gehemmten Stofftransport, weil Wasserdampf und Gasmoleküle an einer kalten Substratoberfläche kontinuierlich für die Synthese vorliegen. In vorhergehenden Studien wurden subsequente Synthese- und Dissoziationsexperimente durch PTE aus reiner CO2 oder CH4 Gasphase zur Untersuchung der Dynamik durchgeführt. Für diese Arbeit werden erstmals subsequente PTE Synthese- und Dissoziationsexperimente aus einem binären 0,85 N2 + 0,15 CO2 Synthesegasgemisch umgesetzt. Das durch die Syn-these abgeschiedene Gas wird nach der Dissoziation mit einem Massenspektrometer auf seine Zusammensetzung untersucht. Hydratspeicherkapazität, Abscheiderate und die Selek-tivität der CO2 Gasphasenabscheidung wird für eine Synthesetemperaturvariation, (- 40 °C bis - 15 °C), und einen Synthesedruck von 40 bar(a) bestimmt. Durch Zeitrafferauf-nahmen der Hydratformation und Dissoziation wird die Auswirkung der p,T-Prozessbedingun-gen auf die Synthese- und Dissoziationsdynamik untersucht und der optimale Betriebspunkt für die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck bestimmt. Aus den Ergebnissen lässt sich ein klarer Zusammenhang zwischen Synthesetemperatur, Ab-scheiderate und Selektivität ableiten. Ein tiefere Synthesetemperatur führt zu einer effiziente-ren CO2 Abscheidung. Außerdem zeigt sich bei der Beobachtung der Synthesedynamik eine direkte Resublimation des Gashydrats auf der Wachstumsoberfläche. Es bildet sich keine flüssige Übergangsphase vor der Nukleation. Die neuen Erkenntnisse sind wichtige Faktoren für das Design zukünftiger PTE-Verfahren und Prototypen.
This master thesis investigates a Computational Intelligence-based method for solving PDEs. The proposed strategy formulates the residual of a PDE as a fitness function. The solution is approximated by a finite sum of Gauss kernels. An appropriate optimisation technique, in this case JADE, is deployed that searches for the best fitting parameters for these kernels. This field is fairly young, a comprehensive literature research reveals several past papers that investigate similar techniques.
To evaluate the performance of the solver, a comprehensive testbed is defined. It consists of 11 different Poisson equations. The solving time, the memory consumption and the approximation quality are compared to the state of the art open-source Finite Element solver NGSolve. The first experiment tests a serial JADE. The results are not as good as comparable work in the literature. Further, a strange behaviour is observed, where the fitness and the quality do not match. The second experiment implements a parallel JADE, which allows to make use of parallel hardware. This significantly speeds up the solving time. The third experiment implements a parallel JADE with adaptive kernels. It starts with one kernel and introduce more kernels along the solving process. A significant improvement is observed on one PDE, that is purposely built to be solvable. On all other testbed PDEs the quality-difference is not conclusive. The last experiment investigates the discrepancy between the fitness and the quality. Therefore, a new kernel is defined. This kernel inherits all features of the Gauss kernel and extends it with a sine function. As a result, the observed inconsistency between fitness and quality is mitigated.
The thesis closes with a proposal for further investigations. The concepts here should be reconsidered by using better performing optimisation algorithms from the literature, like CMA-ES. Beyond that, an adaptive scheme for the collocation points could be tested. Finally, the fitness function should be further examined.