In der Abteilung „Maschinenbau und Verfahrenstechnik“ (MBVT), bestehend aus den Lehreinheiten Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, vertreten 32 Professor*innen ein umfangreiches Fächerspektrum, das sich in der Vielfalt der Lehr- und Forschungsschwerpunkte widerspiegelt. Die abteilungsinternen Institute arbeiten dabei eng verzahnt mit den An-Instituten zusammen: dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserforschung (IWW), dem Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) sowie dem Zentrum für Brennstoffzellen Technik (ZBT). Diese unmittelbare Zusammenarbeit fördert den anwendungsorientierten Charakter ingenieurwissenschaftlicher Forschung.

Höhepunkte der Forschung

Die DFG-Forschungsgruppe (FOR) 1993 zur „Multifunktionalen Stoff- und Energiewandlung (Sprecher: Prof. Burak Atakan, FG Thermodynamik), welche die Nutzung von Kolbenmaschinen als chemische Reaktoren zur Erzeugung von Grundchemikalien untersucht, ist in der dritten Phase. In engen Kooperationen zwischen Simulation und Experiment konnte die Wirkungsweise von Additiven bei der brennstoffreichen Umsetzung von Methan zu Synthesegas aufgeklärt werden. Nun werden Konzepte zur Reduktion der notwendigen Additivmengen ebenso verfolgt wie die chemische Umsetzung und Nutzung von CO2 in Motoren. Die Forschungsgruppe konnte wieder drei angesehene Wissenschaftler als Mercator-Fellows gewinnen: die Professoren Eric Peterson (Texas A&M University, USA), Sergey Cheskis (Tel Aviv University, Israel) und Ali Güngör (Ege University, Türkei).

Das FG Reaktive Fluide beschäftigt sich mit dem grundlegenden Verständnis von Verbrennungsprozessen und von Partikelsynthese in der Gasphase. Die Bildung funktionaler Materialien in Sprayflammen wird unter Koordination von Prof. Christof Schulz im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1980 „SpraySyn“ untersucht. Nach erfolgreicher Evaluation 2020 wurden für die nächste dreijährige Periode ca. 7,6 Mio. Euro bewilligt. Von den geförderten 18 Projekten sind acht in der Abteilung MBVT verankert. Im Kontext dieses Projektes und der von Prof. Schulz geleiteten Forschungsgruppe FOR 2284 wurde 2020 das „4th International Symposium on Gasphase Synthesis of Functional Nanomaterials“ veranstaltet – online mit 180 internationalen Teilnehmer*innen.

Für die Weiterverarbeitung der Materialien hin zu Funktionsschichten, beispielsweise für Batterien und Brennstoffzellen, spielt die Neuberufung von Jun.-Prof. Doris Segets eine wichtige Rolle. Hierdurch werden das Themenspektrum der Abteilung ergänzt und die Verbindung zwischen Materialsynthese und Anwendungen gestärkt.

Das FG Reaktive Fluide hat ein neues Anodenmaterial für Batterien auf Basis von Kohlenstoff und Silizium entwickelt. Zusammen mit Evonik ist das Team jetzt dabei, den Herstellungsprozess weiterzuentwickeln und auf Industriemaßstab zu übertragen. In dem auf drei Jahre angelegten Projekt „HOSALIB – Hochleistungs-Silizium-Kohlenstoff-Komposit als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien” fördert das BMWi mit 2,3 Mio. Euro die Forschungsaktivitäten zur Herstellung und Verarbeitung dieser Materialien. Ein weiterer wichtiger Aspekt zukünftiger Energiesysteme wird im EU-Projekt Hyflexpower untersucht. Das von Siemens geführte Konsortium untersucht den Einsatz von Wasserstoff in Gasturbinen und baut die weltweit erste Powerto-X-to-Power-Demonstrationsanlage mit einer Wasserstoffgasturbine. In diesem Projekt entwickelt das FG Reaktive Fluide Messverfahren, um in den Brennkammern über endoskopische Verfahren Flammenpositionen und Oberflächentemperaturen zu messen.

Das FG Thermische Verfahrenstechnik hat sich auf Grundlagenforschung im Bereich des Trennverfahrens der Adsorption fokussiert. Hier konnten in den Jahren 2019 und 2020 drei neue DFG-Projekte eingeworben werden.

Überkritisches Kohlenstoffdioxid (sCO2) ist ein Fluid, dessen besondere Eigenschaften innovative Lösungen im Wärme- und Stofftransfer ermöglicht. Mit dem neuen CO2OLHEAT gewinnt das FG Strömungsmaschinen das mittlerweile vierte Projekt im EU-Rahmenprogramm Horizon 2020 hinzu. Ziel ist es, ein auf sCO2 basiertes Kraftwerk zu entwickeln und Betriebsflexibilität, Zuverlässigkeit und Eignung für Temperaturen über 350 °C zu demonstrieren. Zusammen mit Industriepartnern wird ein Prototyp errichtet. Das Projekt folgt anderen UDE-geleiteten EU-Projekten, die die Grundlagen, Funktionstüchtigkeit und Ausgereiftheit des Systems in Theorie und Testumgebung bereits bewiesen haben. Ein weiteres EU-Projekt im Fachgebiet ist „sCO2-4-NPP“. Es entwickelt ein innovatives, auf sCO2 basierendes Wärmeabfuhrsystem, das die Sicherheit nuklearer Kraftwerke erhöhen soll.

Wesentliche Forschungsschwerpunkte des FG Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (ISMT) sind numerische und experimentelle Untersuchungen von Mehrphasenströmungen und Fluid-Struktur-Wechselwirkungen im maritimen Kontext. Es wurden zahlreiche Arbeiten zu Sloshing, Kavitation, Ventilation und wirbelinduzierte Schwingungen von Offshore-Strukturen durchgeführt und publiziert. Z.B. wurden neue Methoden zur Vorhersage der kavitationsbedingten Erosion entwickelt. In Kooperation mit dem Fachbereich Physik der Novosibirsk State University führte das Fachgebiet Experimente zur passiven Kavitationskontrolle durch.

Die Binnenschifffahrt auf Flüssen und Kanälen war und ist nicht nur in Nordrhein-Westfalen ein unverzichtbarer Standortfaktor als wettbewerbsfähiges und nachhaltiges Verkehrssystem. Ein besonderes Highlight der Forschung in der Abteilung MBVT sind deshalb neue große Kooperationsprojekte, in das Binnenschiff informationstechnologisch für das 21. Jahrhundert fit gemacht wird. Hier arbeiten die Fachgebiete Mechatronik, das Institut für Mobil- und Satellitenfunktechnik (ISMT) sowie Steuerung, Regelung und Systemdynamik (SRS) mit dem DST und internationalen Industriepartnern zusammen. Förderer sind das Land NRW, der Bund und die EU.

Im Projekt „AutoBin“ (Autonomes Binnenschiff – Simulation und Demonstration von automatisiertem Fahren in der Binnenschifffahrt) wird ein Binnenschiff mit umfangreicher Sensorik und Aktorik ausgerüstet. Eine auf künstlicher Intelligenz basierende Steuerung wird in einem Simulator so weit entwickelt, dass sie das Schiff im Verkehr sicher vom Start zum Ziel steuern kann. Auf Anlernen im Simulator folgt Erprobung und Demonstration der Steuerung mit dem ausgerüsteten Binnenschiff.

In „FernBin“ (Ferngesteuertes, koordiniertes Fahren in der Binnenschifffahrt) werden Methoden zur Fernsteuerung von Binnenschiffen sowie Assistenzsysteme dafür entwickelt. Ein landseitiger Steuerstand wird konzipiert, der über Schnittstellen zum Schiff, Bedienelemente und Benutzungsoberflächen verfügt. Dafür wird nicht nur ein reales Testschiff verwendet, sondern es wird auch ein digitaler Zwilling des Testschiffs entwickelt, der für Funktionstests und Entwicklung sowie zum Training von Schiffführungspersonal als landseitiger Steuerstand das Fahrverhalten des Testschiffes originalgetreu abbildet.

In diesem Kontext wurde das Versuchs- und Leitungszentrum VeLAbi beim NRW-Verkehrsministerium beantragt und eingerichtet. Der Simulator mit einem achtmetrigen Durchmesser ist eine 360°-Rundprojektion mit der Nachbildung einer Schiffsbrücke. Er generiert auf seiner ca. 67 m2 großen Projektionsfläche ein durchgängiges, stereoskopisches 3D-Bild. Neben dieser Projektionsmethode kommen Virtual und Augmented Reality-Brillen zum Einsatz, die eine direkte Interaktion mit der virtuellen Umgebung ermöglichen.

Das FG Energietechnik befasst sich mit drei Forschungsschwerpunkten. Der erste Schwerpunkt ist die Modellierung und Analyse von Energiesystemen, insbesondere der Kraft-Wärme-Kopplung und innovativen Wärmenetzen. Dazu wurden Projekte zur Begleitung der Entwicklung des großen Neubaugebiets Duisburg-Wedau durchgeführt. Der zweite Schwerpunkt sind wissenschaftlichen Analysen zum Einsatz von Wasserstoff, z.B. die Hochdruckspeicherung unter Berücksichtigung des realen Gasverhaltens oder auch die Wasserstoffspeicherung in Form von Ammoniak. Der dritte Schwerpunkt ist die Entwicklung elektrochemischer Energiewandler, und zwar Brennstoffzellen und neue Batterietechnolgien mit den Kooperationspartnern Grillo und Varta Microbattery.

Das FG Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik (LUAT) forscht an zukünftigen Energieversorgungssystemen und Anlagen, mit denen, auf erneuerbaren Energieträgern basierend, flexibel Strom, Wärme und Nutzstoffe (Kraftstoffe oder Grundchemikalien) bereitgestellt werden. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) geförderten Projekt „Bicarb2Fuel“ kooperiert das LUAT mit der Mitsubishi Power Europe GmbH. Ziel ist, ein energieeffizientes Verfahren der CO2-Abtrennung und Umsetzung zu Methan und Methanol zu demonstrieren. Dabei entsteht am LUAT eine Anlage im Technikumsmaßstab einschließlich aller erforderlichen Verfahrensschritte im Absorptions/Desorptionsprozess. Parallel werden im Labor thermodynamische und reaktionskinetische Daten erfasst, um die gezielte Katalysatoren- und Verfahrensoptimierung und Modellsimulationen zu ermöglichen.

Das FG Werkstofftechnik erforscht seit 2020 zusammen mit Prof. Alexander Hartmaier vom Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS) der Ruhr-Universität Bochum die Verformungs- und Schädigungsmechanismen in austenitischem Stahl bei überlagerter Druck- und Torsionsbelastung. In dieser DFG-geförderten Kooperation wird hochauflösende Elektronenmikroskopie eingesetzt, um die Schädigung auf mikrostruktureller Ebene zu klären. Diese Erkenntnisse fließen in mikromechanische Modelle ein, die die Vorhersagbarkeit des Verhaltens austenitischer Stähle unter komplexer Beanspruchung deutlich verbessern.

Preise und Auszeichnungen

Kaum an der UDE, wurde Prof. Doris Segets 2020 in die Junge Akademie der BerlinBrandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina aufgenommen. Prof. Burak Atakan wurde 2020 zum „Fellow of The Combustion Institute” ernannt.

Mehrere Doktorand*innen der Abteilung wurden für ihre hervorragenden Dissertation ausgezeichnet:

Dr. Dennis Roskosch mit dem MegaWATT-Preis 2019

Dr.-Ing. Andreas Peters mit dem Georg-Weinblum-Preis 2020

Dr.-Ing. Marcel Richter und Dr.-Ing. Florian Möllenbruck mit dem VGB Innovation Award 2019 bzw. 2020.

 

Aber auch die kürzeren Formen der Wissenschaftskommunikation auf Fachtagungen wurden prämiert. Es erhielten

Sebastian Grimm den Preis für das beste Poster bei der Euro-CVD 2019 in Luxemburg

Florian Möllenbruck den Werner von Boie-Preis des Kraftwerkstechnischen Kolloquiums 2019 in Dresden

Jonas Ambrosy und Kooautor*innen den Posterpreis des Jahrestreffens der Process-Net-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik, Extraktion und Adsorption 2020 in Berchtesgaden

Christian Mauer und Koautor*innen den Posterpreis der ProcessNet-Jahrestagung 2020 in Aachen

Qi Deng und Koautoren den Student Paper Award der IEEE Conference on Cognitive and Computational Aspects of Situation Management 2020, online durchgeführt von der University of Victoria (BC, Kanada)

Roland Boumann und Koautor*innen den Best Research Paper Award des 6th International Symposium on Robotics and Mechatronics 2020 in Taipei (Taiwan).

Kooperationen und Internationales

Im April 2020 wurde Prof. Dieter Schramm vom FG Mechatronik Gastprofessor an der Technischen Universität Dalian (DUT, China). Dr.-Ing. Frederic Kracht aus der Mechatronik ist dort Gastwissenschaftler. Diese Kooperation untersucht die fahrdynamische und umgebungsabhängige Beanspruchung von Brennstoffzellenfahrzeugen und entwickelt eine auf digitalen Zwillingen basierenden Plattform für die Auslegung von Fahrzeugen und Fahrsimulatoren.

Die Mitglieder der Abteilung sind aktiv in ihren wissenschaftlichen Fachgemeinschaften und organisieren wichtige Konferenzen. 2019 fand das VDI/ProcessNet-Thermodynamik-Kolloquium mit mehr als 200 Teilnehmer*innen an der UDE statt, an dem insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs der deutschsprachigen Fachgebiete Thermodynamik über ihre Forschungen berichtet. Mittlerweile zum 11. Mal organisierte das FG ABWL & Internationales Automobilmanagement 2019 das „Wissenschaftsforum Mobilität“. Das Forum ist so stark gewachsen, dass die 400 Teilnehmer*innen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik statt an der Uni im City Palais Duisburg die über 80 Beiträge diskutierten. Erstmalig gab es dazu in der Innenstadt eine Ausstellung neuer Mobilität für interessierte Bürger*innen. Das FG ISMT richtete zwei internationalen Konferenzen aus, die „Autonomous Inland and Short Sea Shipping Conference 2019“ und den „14. OpenFOAM Workshop“.

In einem multidisziplinären Konsortium aus Sozial-, Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften gehen Forscher*innen der Universitätsallianz (UA) Ruhr der der Frage nach, wie die Mobilität im Ruhrgebiet nachhaltig gestaltet werden kann. Das vom Verkehrsministerium des Landes NRW über drei Jahre mit 2,4 Mio. Euro geförderte Projekt „InnaMoRuhr“ hat das Ziel, die vier Standorte der UA Ruhr ohne zusätzliche Emissionen verkehrstechnisch besser miteinander zu vernetzen und so das Mobilitätsverhalten der Studierenden und Beschäftigten nachhaltig zu verändern. Aus unserer Fakultät ist das FG ABWL & Internationales Automobilmanagement beteiligt.

Eine wichtige Kooperation des FG Energietechnik ist das Virtuelle Institut KWK.NRW. Hier arbeiten das Gas-Wärme-Institut Essen e.V., das ZBT und mehrere Fachgebiete der UDE daran, die in NRW vorhandenen Kompetenzen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zu bündeln. Eine Vielzahl von weiteren universitären Einrichtungen, Verbänden und Unternehmen unterstützt das virtuelle Institut als assoziierte Partner.

Transfer und Nachhaltigkeit

Drei Mitarbeiter des FG ABWL & Internationales Automobilmanagement, Dr. Florian Knobbe, Stefan Sommer und Gregor Szybisty, möchten smarte, kabellose Ladesysteme anbieten. Sie gründeten dazu das Unternehmen „gapcharge“ und gewannen damit nationale und internationale Startup Wettbewerbe. Seit Mail 2020 gibt es ein Prototyp-Ladesystem mit ersten digitalen Zusatzfunktionen. Im August 2020 wurde gapcharge in das High-Tech.NRW Accelerator-Programm aufgenommen. Der Start der Serienfertigung ist für 2021 geplant. Auch aus dem FG Energietechnik hat eine erste Ausgründung erfolgreich die Arbeit aufgenommen, die Lagom Energy GmbH, die Energiesystemanalysen anbietet.

Das FG Strömungsmaschinen setzt sich für einen produktiven und zukunftsweisenden Austausch und Wissenstransfer zwischen Industrie und Forschung ein. Mit CoRE (Center of Rotating Equipment) errichtete die UDE zusammen mit der Siemens Energy ein weltweit einzigartiges Forschungs-, Ausbildungs- und Trainingscenter für Strömungsmaschinen. Die Kooperation steigert den Transfer und Austausch zwischen Theorie, Praxis und Industrie auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, in dem Deutschland global Alleinstellungsmerkmale besitzt.

Die Arbeit an Industrienormen ist oft wirtschaftlichtechnisch zukunftsweisend. Prof. Doris Segets vom FG Reaktive Fluide koordiniert das BMWi-Projekt „NoRu“ zur Normung der Charakterisierung von Rußen für Brennstoffzellen und Batterien. Hier werden die Grundlagen für eine DIN/ISO-Norm für Kohlenstoffmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen entwickelt. Mit im Konsortium sind das FG Energietechnik, das ZBT und die Berliner LUM GmbH.

Perspektiven

Wegen der engen Verknüpfung energietechnischer und ökonomischer Fragen liegt eine enge Zusammenarbeit der entsprechend orientierten Fachgebiete nahe. Eine aussichtsreiche konkrete Zukunftsperspektive zeichnet sich im Bereich der Funktionsmaterialien ab, und zwar in einem von den Professor*innen Christof Schulz, Jutta Geldermann und Angelika Heinzel mit Partner*innen der Ruhr-Universität Bochum und dem ZBT initiierten Vorhaben in der Zukunftscluster-Initiative des BMBF. Mit dem Projektvorschlag „WISDOM4E – Wissensbasiertes Design komplexer Materialien und Systeme für nachhaltige elektrochemische Energiespeicherung und -wandlung“ ist das Konsortium in einem für die UDE und die UA Ruhr strategisch wichtigen Themenfeld in die Endausscheidung gekommen. Es wurde mit 500.000 Euro zur Erstellung eines Vollantrags gefördert. Die finale Auswahl steht 2021 an, es winkt eine Förderung von bis zu 9 Jahren mit bis zu 5 Mio. Euro pro Jahr.

Regelungstechnik und Automatisierung, speziell jedoch Fehlererkennung, Schadendiagnose, und Prognosen zum Verhalten technischer Systeme sind Schwerpunkte der Fachgebiete der Professoren Steven Ding (EIT) und Dirk Söffker (MBVT). Daher lag es nahe, die Forschungsschwerpunkte der beiden Lehrstühle auch in einem Studienprogramm abzubilden. Hierzu wurde der neue Studiengang „Automation and Safety“ mit den Profilen „Automation Control Engineering“ und „Safe Systems“ etabliert.

Die Automatisierung des Verkehrs auf Wasserstraßen birgt ein großes Potenzial. Die Akzeptanz des automatisierten Fahrens hängt von den damit verbundenen Risiken ab. Maßgabe soll daher eine Erhöhung des Sicherheitsniveaus gegenüber dem nichtautomatisierten Fahren sein. Dies ist das übergeordnete Ziel des beantragten Vorhabens SafeBin. Hier geht es um die Bewertung von Risiken (teil)automatisierter Binnenschiffe im Hinblick auf den Funktionsausfall von Systemen, Gefährdungen durch automatisierte Systeme für Mensch und Umwelt, mögliche Maßnahmen zur Verringerung von Risiken und die Erkennung und Bewältigung von Gefahrensituationen und Fehlerfällen während des Betriebs.

Gegenwärtig verfügt das FG Strömungsmaschinen über einen 4-stufigen Axialverdichter, der zur Erforschung der Nassverdichtung eingesetzt wird. Der Lehrstuhl hat gerade die Bewilligung für eine Ausrüstung von ca. 1 Mio. Euro erhalten, mit der die Umgebungsluft und das eingespritzte Wasser weiter aufbereitet werden können. Somit kann die zukünftige Forschung auf Untersuchungen der Strömung in Axialkompressoren mit Wasserverdampfung bei Eintrittsbedingungen mit Temperaturen bis zu 100°C ausgedehnt werden.

Das FG ISMT wird seine Forschungsarbeiten auf den Gebieten Sloshing, Kavitation und Fluid-Strukur-Wechselwirkung weiter verstärken. Es wurden bereits mehrere Forschungsanträge zu diesen Themen eingereicht. Weiterhin wird in Kürze ein Laserlabor zur experimentellen Untersuchung von Kavitation auf mikroskopischer Ebene in Betrieb genommen.