Bestimmung des Kostenverlaufs von Molkereiabteilungen in Abhängigkeit von der Kapazitätsgröße und -auslastung. I. Modellbeschreibung und -abgrenzung

In dieser Arbeit werden die Grundlagen zur Bestimmung des Kostenverlaufs einzelner ausgewählter Molkereibetriebsabteilungen bei unterschiedlichen Kapazitätsgrößen und -auslastungen bestimmt. Den Produkten (Abteilungen) werden die mengenproportionalen Produkteinzelkosten zugerechnet sowie die Gemeinkosten der Abteilung, die sich aus jahresfixen, tagesfixen und chargenfixen Kosten zusammensetzen. Für Energie werden lediglich mengenproportionale Kosten in Ansatz gebracht. Die sonstigen Kosten der Hilfskostenstellen werden grundsätzlich nicht auf die Produkte bzw. Abteilungen umgelegt; sie werden im letzten Teil dieser Veröffentlichungsreihe behandelt. Die objektive Vergleichbarkeit der Kosten kann so gewährleistet werden. Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit war die Entwicklung eines für alle Abteilungen brauchbaren Simulationsmodells, das für den Einsatz in der EDV konzipiert wurde. Neben der Berechnung der anfallenden Kosten bei unterschiedlichen Anlagengrößen sind bei dem Computermodell beliebige Variationen der folgenden Faktoren möglich. Dadurch können die Auswirkungen eines veränderten Beschäftigungsgrades bzw. einer anderen Kapazitätsauslastung auf die Stückkosten der einzelnen Produkte ermittelt werden. Es ist vorgesehen, die Daten über Jahre hinaus auf dem neuesten Stand zu halten und zu veröffentlichen.

Die Kosten der Modellabteilung „Weichkäserei“. Teil 2: Modellspezifischer Faktoreinsatz

Im zweiten Teil dieser Arbeit bilden gemäß den allgemeinen technischen Prozeß­bedingungen die maschinellen und baulichen Ausrüstungen der vier Modelle, deren Investitionsbeträge, Nutzungsdauer und Instandhaltungsquote unterabteilungsweise dargestellt sind, den Ausgangspunkt dieses Themenbereiches. Eine Anpassung der technischen Auslegung an eine verringerte Auslastung erfolgte bei einer 65%igen und 33%igen Beschäftigung. Die zu tätigenden Investitionen für die Grundversion (100 % Beschäftigung) betragen im Modell 1 25,0 Mio. DM und im Modell 4 54,5 Mio. DM. Die Mengenverbräuche der Produktionsfaktoren Rohstoff, Personal, Energie, Betriebs- und Hilfsstoffe sowie Reparaturen sind von den spezifischen Modellausstattungen abgeleitet. Es ergeben sich Faktoreinsatzmengen, die mengenproportional auftreten und den Produkten zugeordnet sind, sowie periodenabhängige fixe Verbrauche, die der Abteilung angelastet werden. Anhand einer ausgewählten Beschäftigungssituation, die einem 2-Schichtbetrieb bei 250 Produktionstagen entspricht, wird aufgezeigt, wie sich die auf Abteilungsebene aggregierten Faktoreinsatzmengen in Abhängigkeit von der Modellgröße gestalten. So ergibt sich z.B. im Bereich des Produktionsfaktors Personal, daß für das Modell 1 eine Beschäftigungszahl an Arbeitskräften von 25 und im Modell 4 von 40 vorgesehen ist.

Die Kosten der Modellabteilung "Pasteurisierte Konsummilch"

Mit der Analyse des Kostenverlaufes in der Abteilung "Pasteurisierte Konsummilch" wird die Aktualisierung der Modellabteilungsrechnung fortgeführt. Gegenüber dem 1975 durchgeführten Kostenvergleich verschiedener Trinkmilchverfahren (1) basiert diese Abteilungskalkulation auf der modellhaften Kostenermittlung einer Einproduktsimulation anhand eines Abpackverfahrens im Tetra-Rex-System. Unter Berücksichtigung des methodisch weiterentwickelten Kostenrechnungsprinzips (2) wird der Produktionsprozeß zur Herstellung pasteurisierter Vollmilch mit 3,5 % Fett in 1-l-Kartonverpackung hinsichtlich der Kostenverursachung untersucht. Drei Modellvarianten mit Abfülleistungen von 5.400 bis 22.800 Packungen/Stunde, die einer maximalen Produktion von 30,3 bis 128,0 Packungen/Jahr entsprechen, bilden den Ausgangspunkt für die Analyse der Produktionskosten der Abteilung. In Abhängigkeit von der täglichen Abfüllmenge und dem Produktionsprogramm werden spezifische Modellausrüstungen bestimmt, von denen sich unmittelbar die variablen und fixen Einsatzmengen der Produktionsfaktoren ableiten. Der Einfluß unterschiedlicher Kapazitätsgrößen und -auslastungen auf die Herstellungskosten wird mit simulierten Beschäftigungssituationen zwischen 15 und 100 % verdeutlicht, die eine Bestimmung der Kosten für Milchmengen zwischen 4,5 und 128,0 Mio. Packungen im Jahr ermöglichen. Gemäß der Kapazitätsgröße und der technischen Auslegung der Modelle betragen die Investitionen 1,7 Mio. DM im Modell 1 und 4,7 Mio. DM im Modell 3. Bezogen auf die jeweilige Outputmenge der Abteilung ergeben sich spezifische Investitionen, die mit zunehmender Modellgröße von 56 auf 37 DM je 1.000 Packungen sinken. Die Gesamtkosten der Abteilung “Pasteurisierte Konsummilch”, die sich aus den Produkt- und Abteilungseinzelkosten zusammensetzen, betragen im größten Modell bei 100 % Beschäftigung 73,8 Pf/Pckg. Abteilungs-Output und steigen mit abnehmender Modellgröße und sinkendem Beschäftigungsgrad (15 %) auf 83,1 Pf/Pckg.. In der beschäftigungsabhängigen Gesamtkostenentwicklung tritt zwischen dem 3- und 1-Schichtbetrieb eine Kostensenkung im Modell 1 von 3,0 Pf/Pckg. ein, die im Modell 3 2,0 Pf/Pckg. ausmacht. Der kapazltsgrößenbedingte Degressionseffekt Ist vom größten zum kleinsten Modell mit 1,7 Pf/Pckg. im 3-Schichtbetrieb und mit 2,7 Pf/Pckg. im 1-Schichtbetrieb markiert. Aus der prozentualen Zusammensetzung der Gesamtkosten bei einem Beschäftigungsgrad von 64 % dominieren die Rohstoffkosten mit modellspezifischen Anteilen von 72 - 73 %, die Betriebskosten beanspruchen 25 - 26 %, und die Anlagekosten sind anteilig mit 2 - 3 % vertreten. Mit der Darstellung der prozentualen Verteilung der Gesamtkosten ohne Rohstoffkosten treten die Kostenarten der Betriebskosten in den Vordergrund. Bei gleicher Ausgangssituation entfallen 83 - 89 % auf die Verpackungsmaterialkosten, 3 - 6 % auf die Personalkosten sowie 1 - 2 % auf die Energie- und Betriebsstoffkosten; 7 - 9 % ergeben sich hier für die Anlagekosten. Den Ergebnissen der Modellkalkulationen ist zu entnehmen, daß mit zunehmender Kapazitätsgröße und ansteigendem Beschäftigungsgrad nennenswerte Kosteneinsparungen zu erreichen sind. Dagegen zeichnen sich Kostendegressionen in Abhängigkeit von der Zahl der Produktionstage aufgrund des geringen Anteils der tagesfixen Kosten an den Gesamtkosten nur im minimalen Umfang ab.

Die Kosten der Modellabteilung „Milchtrocknung“ am Beispiel der Herstellung von Sprühmagermilchpulver

Mit der Analyse des Kostenverlaufes in der Abteilung „Milchtrocknung“ wird die Aktualisierung der Modellabteilungsrechnung fortgeführt. In fünf Unterabteilungen - Vorstapelung, Eindampfung, Trocknung, Absackung und Lager - wird verursachungsgerecht untersucht, welche Kosten bei der Herstellung von Sprühmagermilchpulver, abgefüllt in 25-kg-Säcken, auf Abteilungsebene entstehen. Die Bestimmung der Abteilungs- und Stückkosten erfolgt in drei Modellgrößen, deren Kapazitäten entsprechend der Leistung des Verdampfers für Verarbeitungsmengen zwischen 10.800 und 55.000 kg Magermilch/Stunde ausgelegt sind. In Abhängigkeit vom Beschäftigungsgrad, der für Werte zwischen 15 und 100 % simuliert wird, lassen sich Kosten für Produktionsmengen zwischen 1.000 und 35.300 t Magermilchpulver/Jahr ermitteln. Die in Ansatz gebrachten Investitionen betragen im Modell 1 8,1 Mio. DM, die sich im Modell 3 auf 20,3 Mio. DM erhöhen. Bezogen auf die jeweilige Outputmenge ergeben sich aus den Investitionssummen spezifische Investitionen, die mit zunehmender Modellgröße von 1.177 DM auf 576 DM/t Magermilchpulver abfallen. Bei einer Beschäftigung von 100 % mit 340 Produktionstagen im Jahr errechnen sich in den Modellkalkulationen modellspezifische Gesamtkosten in Höhe von 371,28 Pf im Modell 1,358,74 Pf im Modell 2 und 351,06 Pf im Modell 3 je kg Magermilchpulver. Kostenanalysen bei einem Beschäftigungsgrad von 80 % mit 280 Produktionstagen im Jahr zeigen, daß die modellspezifischen Gesamtkosten zu 86 % (Modell 1) bis 92 % (Modell 3) von den Rohstoffkosten bestimmt werden. 3 - 6 % entfallen auf die Anlagekosten, 1 - 3 % auf die Personalkosten, und mit 4 % sind die Kosten für Energie und Betriebsstoffe an den modellspezifischen Gesamtkosten beteiligt. Die Verpackungskosten werden in allen Modellen mit einem Anteil von 1 % an den Gesamtkosten ausgewiesen. Unter dem Einfluß von Kapazitätsauslastung und Kapazitätsgröße lassen sich auffallende Kostendegressionseffekte erzielen, die durch Simulationsrechnungen für verschiedene Variationen von Beschäftigungen, Produktionstagen und -Zeiten belegt werden. Die Kostenanalyse zeigt deutlich, daß mit zunehmender Modellgröße und steigender Produktionsmenge erhebliche Stückkostendegressionen zu erzielen sind, wobei der Einfluß des Beschäftigungsgrades auf die Kostendesgression merklich höher ist als derjenige der Modellgröße.

Die Kosten der Modellabteilung "Speisequark"

Mit der Analyse des Kostenverlaufes in der Abteilung "Speisequark" wird die Aktualisierung der Modellabteilungsrechnungen fortgeführt. In drei Unterabteilungen - Reifungslager, Produktion und Abpackung - werden aus der Produktgruppe Speisequark die drei Produkte Speisequark mager, 500-g-Becher (P1), Speisequark mager, 250-g-Becher (P2) und Speisequark 40 % Fett i. Tr., 250-g-Becher (P3) hergestellt und hinsichtlich ihrer Produktionskosten untersucht. Die Bestimmung der Abteilungs- und Stückkosten erfolgt in drei Modellgrößen, deren Kapazitäten entsprechend der Leistung des Quarkseparators für Quarkmengen zwischen 1.100 und 4.400 kg Quark/Stunde ausgelegt sind. In Abhängigkeit vom Beschäftigungsgrad, der für Werte zwischen 28 und 100 % simuliert wird, werden Kosten für Produktionsmengen zwischen 1.600 und 33.100 t Quark/Jahr ermittelt. Die in Ansatz gebrachten Investitionen betragen im Modell 1 4,8 Mio. DM, die sich im Modell 3 auf 7,9 Mio. DM erhöhen. Bezogen auf die jeweilige Outputmenge ergeben sich aus den Investitionssummen spezifische Investitionen, die mit zunehmender Modellgröße von 768 DM auf 323 DM/t Quark abfallen. Kostenanalysen für einen 2-Schicht-Betrieb an 250 Produktionstagen im Jahr zeigen, daß die modellspezifischen Gesamtkosten z. B. für P1 zu 67 % (Modell 1) bis 78 % (Modell 3) von den Rohstoffkosten bestimmt werden. 14-6 % entfallen auf die Anlagekosten, 11-12 % auf die Verpackungskosten, und mit 6-2 % sind die Personalkosten an den modellspezifischen Gesamtkosten beteiligt. Die Kosten für Energie sowie Hilfs- und Betriebsstoffe werden in allen Modellen nur mit einem Anteil von 1 % an den Gesamtkosten ausgewiesen. Unter dem Einfluß von Kapazitätsauslastung und Kapazitätsgröße lassen sich Kostendegressionseffekte erzielen, die durch Simulationsrechnungen für verschiedene Variationen von Beschäftigungen belegt werden. Die Kostenanalyse macht deutlich, daß mit zunehmender Modellgröße und steigender Produktionsmenge erhebliche Stückkostendegressionen zu erzielen sind, wobei der Einfluß der Modellgröße auf die Kostendegression höher ist als derjenige des Beschäftigungsgrades.

Die Kosten der Modellabteilung „Joghurt“ am Beispiel der Herstellung von Rührjoghurt mit Früchten

Mit der Analyse des Kostenverlaufs in der Abteilung "Joghurt" wird die Aktualisierung der Modellabteilungsrechnung fortgeführt. In drei Unterabteilungen - Joghurtbereitung, Abfüllung, Lager - wird untersucht, welche Kosten bei der Herstellung von Rührjoghurt mit Früchten, abgefüllt in 150-g-Kunststoffbechern, nach ihrer Verursachung auf Abteilungsebene entstehen. Die Bestimmung der Abteilungs- und Stückkosten erfolgt in drei Modellgrößen, deren Kapazitäten entsprechend der Leistung der Abfülllinie 27.900 und 167.400 Becher/Stunde ausgelegt sind. In Abhängigkeit vom Beschäftigungsgrad, der für Werte zwischen 20 und 100% simuliert wird, lassen sich Kosten für 138,2 Mio. bis 829,3 Mio. Becher/Jahr ermitteln, die Produktionsmengen von rd. 20.800 t bis 124.700 t Joghurt entsprechen. Die in Ansatz gebrachten Investitionen betragen im Modell 1 12 Mio. DM und erhöhen sich im Modell 3 auf 43,4 Mio. DM. Bezogen auf die jeweilige Outputmenge ergeben sich aus den Investitionssummen spezifische Investitionen, die mit zunehmender Modellgröße von 87 DM auf 52 DM/1000 Becher abfallen. Bei einer Beschäftigung von 100% mit 250 Produktionstagen im Jahr errechnen sich modellspezifische Gesamtkosten in Höhe von 27,57 Pf im ModelH, 25,66 Pf im Modell 2 und 24,78 Pf im Modell 3 je Becher Fruchtjoghurt. Kostenanalysen bei einem Beschäftigungsgrad von 60% mit 250 Produktionstagen im Jahr zeigen, dass die modellspezifischen Gesamtkosten zu 45% von den Kosten für Hilfs-und Zusatzstoffe bestimmt werden. 22-24% entfallen auf die Verpackungsmaterialkosten, 20-23% auf die Rohstoffkosten, und mit 5-8% sind die Anlagekosten an den modellspezifischen Gesamtkosten beteiligt. Die Kosten für Energie und Betriebsstoffe sowie Personal werden je nach Modellgröße mit einem Anteil von 1-3% an den Gesamtkosten ausgewiesen. Der Kostenanalyse ist zu entnehmen, dass mit zunehmender Modellgröße und steigender Produktionsmenge Stückkostendegressionen zu erzielen sind, wobei der Einfluss des Beschäftigungsgrades auf die Kostendegression höher ist als derjenige der Modellgröße. Unter dem Einfluss von Kapazitätsauslastung und Kapazitätsgröße lassen sich nur im Bereich bis zu 100 Mio. Becher/Jahr starke Kostendegressionseffekte erzielen, die durch Simulationsrechnungen für verschiedene Variationen von Beschäftigungen belegt werden.

Levantamento de práticas ambientais e energéticas de PMEs em Portugal

Para qualquer empresa o seu maior objetivo passa pela produção de lucro e, atualmente, esse aspeto está diretamente relacionado com a sua capacidade de manter uma gestão que incorpore a responsabilidade social, ambiental e económica, em prol de um desenvolvimento global mais sustentável. As grandes empresas já iniciaram e continuam este processo de mudança, desenvolvendo medidas e estratégias neste sentido. Porém, apesar de representarem o grosso do tecido empresarial, as Pequenas e Médias Empresas só agora começam a dar os primeiros passos em direção a uma gestão mais ponderada ambiental e energeticamente. Com este trabalho pretende-se reunir informação relativa às Pequenas e Médias Empresas portuguesas de forma a compreender quais as principais áreas de atuação, as medidas que poderão ser implementadas e, consolidar o ponto de situação deste sector acerca dos vários temas ao nível do meio ambiente e da energia. Para tal, foram realizados levantamentos energéticos e aplicado um questionário acerca dos comportamentos e práticas ambientais. Verificou-se que apesar da grande maioria das empresas analisadas já terem ponderado a importância e as vantagens da eficiência energética, ainda são poucas as organizações que têm implementados planos, estratégias ou instrumentos para melhoria do seu desempenho ambiental e energético.

Modes de représentation pour l'éclairage en synthèse d'images

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)

Aspects géométriques et intégrables des modèles de matrices aléatoires

Travail réalisé en cotutelle avec l'université Paris-Diderot et le Commissariat à l'Energie Atomique sous la direction de John Harnad et Bertrand Eynard.

Simulations magnétohydrodynamiques en régime idéal

Cette thèse s’intéresse à la modélisation magnétohydrodynamique des écoulements de fluides conducteurs d’électricité multi-échelles en mettant l’emphase sur deux applications particulières de la physique solaire: la modélisation des mécanismes des variations de l’irradiance via la simulation de la dynamo globale et la reconnexion magnétique. Les variations de l’irradiance sur les périodes des jours, des mois et du cycle solaire de 11 ans sont très bien expliquées par le passage des régions actives à la surface du Soleil. Cependant, l’origine ultime des variations se déroulant sur les périodes décadales et multi-décadales demeure un sujet controversé. En particulier, une certaine école de pensée affirme qu’une partie de ces variations à long-terme doit provenir d’une modulation de la structure thermodynamique globale de l’étoile, et que les seuls effets de surface sont incapables d’expliquer la totalité des fluctuations. Nous présentons une simulation globale de la convection solaire produisant un cycle magnétique similaire en plusieurs aspects à celui du Soleil, dans laquelle le flux thermique convectif varie en phase avec l’ ́energie magnétique. La corrélation positive entre le flux convectif et l’énergie magnétique supporte donc l’idée qu’une modulation de la structure thermodynamique puisse contribuer aux variations à long-terme de l’irradiance. Nous analysons cette simulation dans le but d’identifier le mécanisme physique responsable de la corrélation en question et pour prédire de potentiels effets observationnels résultant de la modulation structurelle. La reconnexion magnétique est au coeur du mécanisme de plusieurs phénomènes de la physique solaire dont les éruptions et les éjections de masse, et pourrait expliquer les températures extrêmes caractérisant la couronne. Une correction aux trajectoires du schéma semi-Lagrangien classique est présentée, qui est basée sur la solution à une équation aux dérivées partielles nonlinéaire du second ordre: l’équation de Monge-Ampère. Celle-ci prévient l’intersection des trajectoires et assure la stabilité numérique des simulations de reconnexion magnétique pour un cas de magnéto-fluide relaxant vers un état d’équilibre.

Mehrzentren-Integrationsverfahren für Molekülstruktur-Rechnungen

Das in unserer Arbeitsgruppe entwickelte relativistische Molekülstrukturprogramm RELMOS erlaubt die Berechnung der totalen Energie kleiner Moleküle und Cluster mit der Dichtefunktional-Methode. Das Programm arbeitet mit numerischen Basissätzen aus atomaren DFT-Rechnungen; alle vorkommenden Matrixelemente müssen daher duch eine dreidimensionale numerische Integrationsregel ausgewertet werden. Die linear mit der Zahl der Stützstellen der numerischen Regel skalierende Rechenzeit, bestimmt im Wesentlichen die Gesamtlaufzeit des Programms und beschränkt in der Praxis die Größe der berechenbaren Systeme. Die zu berechnenden Mehr-Zentren-Integrale können wie die atomaren Basisfunktionen an einem oder mehreren Kernorten gepeakt sein, so dass eine direkte Integration sehr ineffektiv ist. Die große Zahl der durchzuführenden Integrationen verlangt weiterhin die Aufstellung einer gemeinsamen Integrationsregel für alle vorkommenden Integrale. Durch eine Raumaufteilung kann ein solches Mehr-Zentren- Integral in eine Summe von Ein-Zentren-Integralen zerlegt werden. Anschließend kann für jedes Zentrum eine numerische Integrationsregel aufgestellt werden, die dem Verlauf der Wellenfunktionen in der Nähe der Kerne Rechnung trägt. Ziel ist dabei, die Regel so zu wählen, dass sie für alle Integranden geeignet ist, dabei aber eine möglichst geringe Zahl von Stützstellen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Programmpaket entstanden, dass die Erzeugung einer numerischen Integrationsregel für Mehr-Zentren-Systeme erlaubt. Der Algorithmus des Integrationspaketes ist sehr allgemein gehalten. Für jede Raumdimension und jedes Integrationszentrum lassen sowohl die numerische Integrationsregel, als auch Koordinatentransformationen und Genauigkeitsanforderungen getrennt angeben. Die Anzahl der Integrationspunkte kann mit Hilfe von Testfunktionen an die unterschiedlichen Raumbereiche angepasst werden. Anschließend kann die Anzahl der Punkte durch eine eventuell vorhandene Molekülsymmetrie reduziert werden. Das Integrationspaket wurde an Atomen und an Molekülen unterschiedlicher Größe und Symmetrie getestet und mit der bisher verwendeten Methode von Baerends et. al verglichen. Dabei wurde die jeweils erreichte Genauigkeit für verschiedene Größen in Abhängigkeit der Zahl der Integrationspunkte betrachtet. Gegenüber dem Verfahren von Baerends zeigt sich eine Verbesserung in der Anzahl der Integrationspunkte um einen Faktor vier bis neun bei gleicher Genauigkeit, während bei festgehaltener Zahl der Integrationspunkte die numerische Genauigkeit um zwei bis drei Größenordnungen gesteigert wird.

Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Untersuchung von Schichtsystemen für die magnetooptische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie

Untersuchung von Schichtsystemen für die magneto-optische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie Dissertation von Stephan Knappmann, Universität Gh Kassel, 2000 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Kerr-Mikroskop aufgebaut und für eine neuartige Untersuchungsmethode von gekoppelten magnetischen Schichten angewendet. Damit können Schichtsysteme untersucht werden, bei denen die eine Schicht eine temperaturabhängige Reorientierung der Magnetisierung von in-plane zu senkrecht zeigt. Derartige Schichten sind für zukünftige magnetooptische Speichertechniken interessant, da sie für die magnetisch induzierte Superauflösung (MSR) eingesetzt werden können. Zunächst wurde ein Ganzfeld-Kerr-Mikroskop aufgebaut und durch einen zusätzlichen Strahlengang erweitert. Da die Proben lokal geheizt werden sollten, wurde der Strahl eines Diodenlasers (l = 780 nm) in den Strahlengang eingekoppelt, durch das Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert und nach der Reflexion vollständig aus dem Strahlengang entfernt. Dies war deshalb wichtig, da Domänenbilder aufgenommen werden sollten, während die Schichten lokal geheizt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den magnetooptischen Ausleseprozeß in MSR Systemen mikroskopisch zu simulieren. Dies wurde am Beispiel einer Doppelschicht demonstriert. Dieses Schichtsystem besteht aus einer Speicherschicht mit senkrechter Magnetisierung (TbFeCo) und einer Ausleseschicht mit temperaturabhängiger Reorientierung (GdFeCo). Damit ist dieses Schichtsystem für eine spezielle MSR Technik (CAD-MSR) geeignet. Dabei wird im heißen Bereich des laserinduzierten Temperaturprofils die Information aus der Speicherschicht in die Ausleseschicht kopiert, so daß eine Apertur gebildet wird, die nur von der Temperaturverteilung abhängt. Bei diesem Schichtsystem konnte gezeigt werden, daß sich durch ein Magnetfeld die Aperturwirkung deutlich verbessern läßt. Dieses Ergebnis läßt sich auf alle Schichten übertragen, bei denen die Reorientierung der Magnetisierung durch allmähliche Drehung erfolgt. Die wesentlichen Ergebnisse der Domänenbeobachtungen an der TbFeCo/GdFeCo-Doppelschicht konnten durch Simulationen mit Hilfe eines einfachen Modells bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung von Vielfachschichten. Es wurden Tb/Fe-Vielfachschichten mit einer Modulationswellenlänge von 1,5 - 5 nm durch Kathodenzerstäubung hergestellt und magnetisch charakterisiert. Die natürlichen Domänen-strukturen zeigten eine starke Abhängigkeit von dem Verhältnis der Tb- und Fe-Schichtdicken. Die Erklärung kann durch das Wechselspiel von magnetostatischer Energie EMS und Domänenwandenergie EDW gegeben werden. In der Nähe des Kompensationspunktes ist EMS klein und EDW dominiert. Als Folge bilden sich zirkulare Domänen. Mit der Entfernung vom Kompensationspunkt steigt EMS und es wird eine verzweigte Domänenstruktur favorisiert. Thermomagnetische Schreibexperimente an einer ausgewählten Tb/Fe-Vielfachschicht haben ergeben, daß sich bei kleinen Schreib-Magnetfeldern Subdomänenstrukturen ausbilden können. In der Praxis ist ein solcher Subdomänenzustand unerwünscht, da er zu einem erhöhten Ausleserauschen führen würde. Der Effekt läßt sich durch ein höheres Magnetfeld oder eine höhere Kompensationstemperatur (höhere Tb-Konzentration) vermeiden. Schließlich wurde demonstriert, daß nach kleinen Änderungen mit dem Mikroskop Domänen in longitudinaler Konfiguration abgebildet werden können. Da die Kerr-Drehungen hier kleiner sind als im polaren Fall, mußten verschiedene Verfahren der Bildverarbeitung angewendet werden, um den magnetischen Kontrast zu vergrößern. Neben der bekannten Subtraktion eines Referenzbildes wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verbesserung der Domänenbilder angewendet, wobei zwei Referenzbilder mit entgegengesetzter Magnetisierung benötigt werden.

VUV-Laserablation von Spinnenseide

Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.