Westfälisches Energieinstitut
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Institut
Due to high power density and superior efficiency, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are believed to play a significant role for carbon dioxide emissions free electrical energy systems in the future. Unlike in Carnot processes, chemical energy in the form of hydrogen and oxygen is converted directly into electrical energy without a further process step. One issue in the development of PEMFCs for mobile or stationary applications is the utilization of rare and expensive catalyst material like platinum within the membrane electrode assembly (MEA) see figure 1. In addition, the objective is to reduce production costs and to increase the lifetime of PEMFC. One approach to improve PEMFCs is the development of intelligent electrode architectures. However, cost effective high performance materials are necessary to reach the development targets.
The present paper presents one- and two-step approaches for electrochemical Pt and Ir deposition on a porous Ti-substrate to obtain a bifunctional oxygen electrode. Surface pre-treatment of the fiber-based Ti-substrate with oxalic acid provides an alternative to plasma treatment for partially stripping TiO2 from the electrode surface and roughening the topography. Electrochemical catalyst deposition performed directly onto the pretreated Ti-substrates bypasses unnecessary preparation and processing of catalyst support structures. A single Pt constant potential deposition (CPD), directly followed by pulsed electrodeposition (PED), created nanosized noble agglomerates. Subsequently, Ir was deposited via PED onto the Pt sub-structure to obtain a successively deposited PtIr catalyst layer. For the co-deposition of PtIr, a binary PtIr-alloy electrolyte was used applying PED. Micrographically, areal micro- and nano-scaled Pt sub-structure were observed, supplemented by homogenously distributed, nanosized Ir agglomerates for the successive PtIr deposition. In contrast, the PtIr co-deposition led to spherical, nanosized PtIr agglomerates. The electrochemical ORR and OER activity showed increased hydrogen desorption peaks for the Pt-deposited substrate, as well as broadening and flattening of the hydrogen desorption peaks for PtIr deposited substrates. The anodic kinetic parameters for the prepared electrodes were found to be higher than those of a polished Ir-disc.
Besondere Herausforderung: Weiterbildung. BIM: Einbinden von kleinen und mittelgroßen TGA-Büros
(2019)
Die Digitale Transformation im Bauwesen heißt Building Information Modeling, kurz BIM. Damit die zahlreichen kleinen und mittelständischen Ingenieur- und Planungsbüros hier mithalten können, müssen passende Weiterbildungs- und Einführungskonzepte für BIM geschaffen werden. Der Artikel untersucht die Herausforderungen und Hemmnisse dafür in Deutschland.
In vielen TGA-Büros werden bereits heute mehr oder weniger unbewusst wichtige Vorteile der BIM-Methode genutzt, als „Little BIM“ oder Büro-intern als „Big BIM“ bzw. „Closed-BIM“.
Große Potenziale von BIM lassen sich aber erst erschließen, wenn alle relevanten Akteure für die Planung, Errichtung und den Betrieb Software übergreifend an und mit einem gemeinsamen Datenmodell arbeiten (Open BIM).
Der TGA kommt beim BIM eine Schlüsselrolle zu, muss dafür aber viel früher als bisher in die Gebäudeplanung einbezogen werden.
Eine große Herausforderung für die Verbreitung von BIM ist die digitale Transformation der kleinteiligen TGA-Branche in den Segmenten Planung und Installation. Ein wichtiger Schritt dafür ist eine zielgerichtete Weiterbildung, um den individuellen Schulungs- und Investitionsbedarf zu ermitteln.
BIM in Lehre und Praxis
(2019)
Das neuartige Coronavirus SARS-COV-2 wird insbesondere in Innenräumen übertragen. Dabei spielen Aerosole, also kleinste Schwebeteilchen, eine wichtige Rolle. Der längere Aufenthalt in Räumen begünstigt die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung auch über eine Distanz von mehr als 1,5 m.
Eine Möglichkeit, um die Schwebeteilchen aus der Raumluft zu entfernen sind Raumluftreiniger. Diese gibt es in verschiedenen Ausführungen und Funktionsprinzipien. Das vorliegende Dokument soll dabei helfen den richtigen Gerätetyp für die jeweilige Anwendung zu finden. Dabei geht es zum einen um große Räume hoher Belegungsdichte (z. B. Schulklassen), zum anderen um Restaurants und Freizeitstätten im öffentlichen Raum. Zu guter Letzt kann der Einsatz dieser Geräte auch im privaten Umfeld sinnvoll sein.
Für alle Geräte gilt: Sie unterstützen die Vermeidung von hohen Virenkonzentrationen im Raum. Das ist jedoch kein Ersatz zum regelmäßigen Lüften und der Zufuhr von „frischer Luft“ und damit mehr Sauerstoff für den Raum.
Zentrale Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) sind für Betriebszeiten von fünfzehn und mehr Jahren konzipiert. Nicht selten werden die Geräte auch nach 25 Jahren Dank Retrofit weiterbetrieben. Unberücksichtigt bleibt dabei, ob die zukünftigen, klimatischen Bedingungen noch der Auslegung entsprechen. Zur Überprüfung der klimatischen Änderungen können sogenannte Testreferenzjahre (TRY – Test Reference Year) genutzt werden. Diese basieren für die heutige Auslegung auf den lokalen, stündlichen Wetterbedingungen im Bezugsjahr 2012 und zusätzlich auf modellbasierten Wetterdaten für das Bezugsjahr 2045.
Das Zentralluftgerät einer Krankenhaus-Intensivstation wurde für die 15 Wetter¬stationen der VDI 4710, Blatt 3 in Deutschland auf die Leistungsanforderungen von heute und für das Jahr 2045 untersucht. Zusätzlich wurden für den Standort Berlin die aktuellen Wetteraufzeichnungen im Sommer 2020 betrachtet. Daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie sich städtische Wärmeinseln (UHI – Urban Heat Islands) zukünftig auf den Energie- und Leistungsbedarf zur Gebäudeklimatisierung auswirken werden.
Die Auswirkungen auf die Wärme- und Kältespitzenleistung sowie der kumulierte Energiebedarf werden genauso analysiert wie der Befeuchtungsbedarf. Hieraus lassen sich die potenziellen Leistungsreserven abschätzen und die Klimaresilienz der Anlagentechnik bewerten.
RLT-Geräte werden meist auf eine Lebensdauer von 15 Jahren ausgelegt. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass viele Anlagen mehr oder weniger unverändert bis zu 25 Jahren betrieben werden. Damit müssen aktuell projektierte RLT-Anlagen auch bei dem erwarteten Klimawandel die gewünschten Zuluftparameter (Temperatur und Luftfeuchte) einhalten. Der Artikel untersjucht den einfluss des Klimawandels für Deutschland bezogen auf die Klimatisierung einer exemplarischen Krankenhausintensivstation.
Der prognostizierte Klimawandel erfordert bereits für die heutige Auslegung von RLT-Geräten eine Berücksichtigung der zukünftigen Wetterdaten in Form von Testreferenzjahren(TRY). Am Beispiel einer Intensivstation eines Krankenhauses werden für alle 15 Klimaregionen in Deutschland die Unterschiede der Heiz- & Kühlleistung sowie der Betriebsstunden analysiert.
Am Beispiel eines rund 100 Jahre alten Verwaltungsgebäudes wird gezeigt, wie eine dynamische Kühllastberechnung eine exakte Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten ermöglicht. Darauf basierend kann dann eine individuelle RLT-Anlagentechnik installiert werden. Die Auslegung erfolgt mit zwei Versionen der VDI 2078. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen.
Die Neuberechnung der Kühllast von Gebäuden im Bestand wird immer dann nötig, wenn sich größere Nutzungsänderungen ergeben. Dabei ist die Datenlagen zur Bausubstanz und dem Aufbau der Umschließungsflächen meist unzureichend für die Eingabe in die Berechnungsalgorithmen nach VDI 2078:2015-06. Der Artikel analysiert an einem denkmalgeschützten Verwaltungsgebäude die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Kühllast. Dabei wir auch ein Vergleich zur lange gültigen Vorgängerrichtline von 1996 durchgeführt.
Im zweiten Corona-Winter sollen die Schulen offenbleiben. Neben Fenster- und mechanischer Lüftung werden mobile Raumluftreiniger als sinnvolle Maßnahmen angesehen, um das Infektionsrisiko zu reduzieren. Dabei stellt sich die Frage, wie deren sicherer und zuverlässiger Betrieb gestalten sein muss. Gibt es bevorzugte Aufstellpositionen im Raum und wie wirkt sich die Luftbewegung auf die Behaglichkeit aus? Die Datenlage hierzu ist noch unzureichend (vgl. HLH-Interview mit Dr. Gommel, HLH 10/2021). Diese Fragen werden für einen typischen Seminar- und Klassenraum näher beleuchtet.
As vaccination campaigns are in progress in most countries, hopes to win back more normality are rising. However, the exact path from a pandemic to an endemic virus remains uncertain. While in the pre-vaccination phase many critical indoor situations were avoided by strict control measures, for the transition phase a certain mitigation of the effect of indoor situations seems advisable.
To better understand the mechanisms of indoor airborne transmissions, we present a new time-discrete model to calculate the level of exposure towards infectious SARS-CoV-2 aerosol and carry out a sensitivity analysis for the level of SARS-CoV-2 aerosol exposure in indoor settings. Time limitations and the use of any kind of masks were found to be strong mitigation measures, while how far the effort for a strict use of professional face pieces instead of simple masks can be justified by the additional reduction of the exposure dose remains unclear. Very good ventilation of indoor spaces is mandatory. The definition of sufficient ventilation in regard to airborne SARS-CoV-2 transmission follows other rules than the standards in ventilation design. This means that especially smaller rooms most likely require a significantly greater fresh air supply than usual. Further research on 50% group models in schools is suggested. The benefits of a model in which the students come to school every day, but for a limited time, should be investigated. In terms of window ventilation, it has been found that many short opening periods are not only thermally beneficial, they also reduce the exposure dose. The fresh air supply is driven by the temperature gradient and wind speed. However, the sensitivity towards these parameters is not very high and in times of low wind and temperature gradients, there are no arguments against keep windows open in order to make up for the reduced air flow rate. Long total opening periods and large window surfaces will strongly reduce the exposure. Additionally, the results underline the expectable fact that exposure doses will increase when hygiene and control measures are reduced. It seems advisable to investigate what this means for the infection rate and the fatality of infections in populations with partial immunity. Very basic considerations suggest that the value of aerosol reduction measures may be reduced with very infectious variants such as delta.
For proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) to become competitive, the cost of stack components, such as bipolar plates (BPP), needs to be reduced. This can be achieved by using coated low-cost materials, such as copper as alternative to titanium. Herein we report on highly corrosion-resistant copper BPP coated with niobium. All investigated samples showed excellent corrosion resistance properties, with corrosion currents lower than 0.1 µA cm−2 in a simulated PEM electrolyzer environment at two different pH values. The physico-chemical properties of the Nb coatings are thoroughly characterized by scanning electron microscopy (SEM), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and atomic force microscopy (AFM). A 30 µm thick Nb coating fully protects the Cu against corrosion due to the formation of a passive oxide layer on its surface, predominantly composed of Nb2O5. The thickness of the passive oxide layer determined by both EIS and XPS is in the range of 10 nm. The results reported here demonstrate the effectiveness of Nb for protecting Cu against corrosion, opening the possibility to use it for the manufacturing of BPP for PEMWE. The latter was confirmed by its successful implementation in a single cell PEMWE based on hydraulic compression technology.
Die Planung und der Bau von Reinräumen sind komplexe Vorgänge, die ein hohes Maß an logistischer und fachlicher Kompetenz erfordern. Insbesondere ist die stetige Steigerung der Reinheit bis zur Inbetriebnahme eine wesentliche Voraussetzung für den späteren bestimmungsgemäßen Betrieb. Die Regelwerke und hier insbesondere die VDI 2083 liefert klare Vorgaben für den Planungsablauf. Um die Umsetzung der Richtlinie in die Praxis jedoch einfacher und unmissverständlich zu gestalten, sollte ein dezidierter Qualitätsplan vor jedem Projektbeginn ausgearbeitet werden. Dieser soll in Abhängigkeit des Baufortschritts die Bau- und Schutzmaßnahmen koordinieren und klare Regeln für die am Bau Beteiligten festlegen. Um unvorhergesehene Fehler und deren Folgen zu minimieren bietet sich die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) als Bestandteil des Qualitätsplans an. Hierdurch werden mögliche Fehler beschrieben und die Risiken erfasst und vorsorglich minimiert. Die Risikoprioritätszahl (RPZ) ist dabei ein Maß für den möglichen Schaden. Die FMEA sorgt dafür, dass die festgelegten Maßnahmen mit hoher Wirksamkeit umgesetzt werden können.
Die Erstellung der FMEA betrifft alle Gewerke beim Bau des Reinraums, daher sollten die Inhalte in gemeinsamen Besprechungen aller Verantwortlichen für jedes Bauvorhaben individuell erstellt werden. Dadurch ist zusätzlich das Bewusstsein zur Reinhaltung bei allen Gewerken gegeben. Der Bauleitung obliegt die durchgehende und verantwortungsbewusste Umsetzung des Qualitätsplans.
Zur Planung und zum Bau von Reinräumen gibt es zwei Normen (VDI 2083 „Reinraumtechnik“ und ISO 14644 „Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche“). Beide Normen fordern einen Qualitätsplan, der aber nicht eindeutig definiert ist. In der Praxis bedeutet dies, dass sich die ausführenden Planer und Gewerke nicht auf eine allgemein gültige Norm für einen Qualitätsplan verlassen können. Genau an dieser Stelle setzt eine Masterarbeit an und definiert einen möglichen Qualitätsplan mit Zwischenzielen und den dafür erforderlichen Maßnahmen. Unter anderem wird zur Sicherstellung der einzelnen Baufortschritte und zur Einhaltung des Reinraumkonzepts die Methodik der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) eingeführt. Diese Methodik wird bereits in der Automobilindustrie angewendet und umfasst unter anderem auch die sogenannte Risikoprioritätszahl (RPZ), die das Gesamtrisiko eines möglichen Fehlers in Planung und Bau beziffert. cci Zeitung hat bei Prof. Christian Fieberg, seit März 2017 Professor für Gebäudetechnik, und M. Sc. Lea Klaßen, Verfasserin der Masterarbeit, beide Westfälische Hochschule Gelsenkirchen, zu diesem Thema nachgefragt.
Der zuverlässige und sichere Betrieb eines Reinraums hängt maßgeblich von der Planung ab.
DIN EN ISO 14644, Teil 4, und VDI 2083, Blatt 4 legen zahlreiche Vorgaben zur Planung, Ausführung und Erst-Inbetriebnahme fest. Der „rote Faden“ ist dabei der Qualitätsplan. Dieser soll sicherstellen, dass bei der Planung und dem Bau des Reinraums die nachfolgende Qualifizierung erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Vorgaben hierzu sind in den beiden Regelwerken allerdings unzusammenhängend und bei der praktischen Umsetzung und Abstimmung der einzelnen Gewerke meist nicht ausreichend.