Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.

A l'aide de la spectroscopie par Résonance Paramagnétique Électronique (RPE), la détection des certaines espèces radicalaires à très faible durée de vie se fait par la méthode du spin-trapping. Cette technique permet de caractériser ces radicaux “libres” en les piégeant à l'aide d'une molécule diamagnétique (nitrone) pour donner naissance à une espèce paramagnétique persistante (adduit de spin), ayant un spectre RPE caractéristique du radical piégé. Le temps de demi-vie d'un adduit du spin est fortement corrélé à la nature de la nitrone et du radical piégé (alkyle, alcoxyle, alkylperoxyle, ...). Cependant, le lien entre la structure de l'adduit et sa durée de vie n'est toujours pas clairement établi. De ce fait, nous avons entrepris une étude théorique des réactions mises en jeu dans la disparition de l'adduit de spin résultant du piégeage de radicaux alkylperoxyle par des nitrones de type N-oxy-pyrroline. Plus précisément nous avons postulé un mécanisme de dégradation unimoléculaire en deux étapes. Étant donné la complexité des états de spin dans les composés considérés dans le profil réactionnel, nous avons effectué cette étude par l'approche ab initio multidéterminantale (CASSCF). Les calculs ab initio CASSCF en phase gazeuse sur une série d'adduits de spin nous ont permis de valider ce mécanisme de décomposition dans les solvants organiques et de mieux comprendre le lien entre la structure de l'adduit et sa durée de vie. / In the field of electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, the detection of some radical species with a very short half-life time is possible using the spin-trapping method. This technique allows us to characterize transient radicals by trapping them with a diamagnetic molecule (nitrone for example) to give rise to a persistent paramagnetic species (spin-adduct), whose EPR spectrum is characteristic of the trapped radical. Half-life times are strongly correlated to the nature of the nitrone and the trapped radical (alkyl, alkoxyl, alkylperoxyl, ...). However, the link between the structure of the adduct and its half-life time is still not clear. Therefore, we carried out a theoretical study of the reactions involved in the decay of spin-adducts resulting from the trapping of alkylperoxyl radicals by pyrroline-N-oxide nitrones. More precisely, we were interested in the mechanism of the two-step unimolecular degradation. Given the difficulty to discribe the spin states in the considered compounds, we chose to rationalize this study by means of ab initio multireference approach (CASSCF). The ab initio CASSCF calculations of a series of nitroxides allowed to validate this mechanism in organic solvents and to better understand the relationship between the structure of the spin-adduct and its half-life time.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

In this thesis, we present an experimental and numerical study of globularization during reheating of thixocast billet having non-dendritic microstructure. The process of reheating is an important step in the semisolid processing and is essential to control its microstructure and hence its mechanical properties. Material chosen for this study is Aluminum alloy, A356. The primary focus of this study is the heat treatment below eutectic temperature i.e. transformation in solid phase. It is found that during short duration heat treatment, globularization of primary α grains and spheroidization of eutectic Si flakes take place which improves the mechanical properties of semisolid cast products significantly. A prolonged heat treatment is found to degrade the properties of castings since it enhances the porosity and coarsening of Si. The study suggests that a precise heat treatment practice can be designed to improve the semisolid microstructure. A computational model based on Phase field approach has been proposed to study this phenomena. Predictions based on this model are qualitatively compared with corresponding experimental observations. Since eutectics form an important step in multiphase solidification, an attempt has been made to develop an enthalpy based explicit micro-scale model for eutectic solidification. In this preliminary study, growth of adjacent α and β phases in a two dimensional Eulerian framework has been simulated. The model is qualitatively validated with Jackson Hunt theory. Results show expected eutectic growth. This methodology promises significant saving in computational time compared to existing numerical models.

La recapture du dioxyde de carbone est aujourd'hui un défi mondial majeur pour minimiser son impact sur le réchauffement climatique. La capture par adsorption physique pourrait être un procédé viable si le bon adsorbant est trouvé, mais cette capture dans les fumées de combustion impose des contraintes comme les faibles concentrations en CO2 (< 20%), la faible pression totale (1 bar) et la présence éventuelle d'eau. Cette thèse avait pour but l'évaluation de l'impact de la vapeur d'eau lors d'adsorption de CO2 sur des matériaux poreux hybrides, les Metal Organic Frameworks. En premier lieu, ce travail a consisté à étudier l'adsorption de CO2 et de vapeur d'eau séparément sur un grand nombre de MOFs. Une sélection de MOFs, prenant en compte des critères de stabilité et de capacité d'adsorption, a ensuite été effectuée afin d'évaluer l'effet de la vapeur d'eau lors d'adsorption du CO2 sur ces derniers. Un dispositif expérimental a été développé où sont obtenues simultanément des enthalpies d'adsorption et des courbes de percées. Dans nos travaux, nous avons pu établir trois types de comportements en présence de vapeur d'eau :- Négatif/Préjudiciable sur l'adsorption du CO2 : dû à un empoisonnement ou à l'instabilité des matériaux en présence d'eau (cas du HKUST-1). - Neutre : quantités de CO2 captées constantes (cas de l'UiO-66).- Positif : amélioration (cas du MIL-101(Cr)) ou remarquable accroissement d'adsorption de CO2 suite à la pré-adsorption de vapeur d'eau (MIL-100(Fe) & MIL-127(Fe)).Ce travail s'inscrit dans le cadre du 7ieme projet européen Macademia "MOFs as Adsorbents and Catalysts: Discovery and Engineering of Materials for Industrial Applications". / The elimination of carbon dioxide has become a worldwide challenge to minimize its impact on global warming. Capture using physical adsorption is viable as long as the right adsorbent is found. CO2 capture from flue gases poses a number of problems in terms of low CO2 concentration (below 20%), low total pressure, and the eventual presence of water. This study focuses on the impact of water vapour during CO2 adsorption on different porous materials. An experimental device has been developed to assess the impact of water vapour during CO2 adsorption: both the heats of adsorption and the breakthrough curves were obtained. The uptakes of CO2 at 0.2 bar have been studied in porous materials after having been pre-equilibrated under different relative humidity's (3 and 40%). The enthalpies allow a better understanding of the phenomena involved. Several MOFs, like HKUST-1(Cu), UiO-66(Zr), MIL-100(Fe), MIL-101(Cr), MIL-127(Fe) have been compared to a zeolite NaX and an activated carbon Takeda-5A.Three different behaviours are shown: - Where water has a negative impact on CO2 adsorption. This can be due to poisoning or the poor stability of the materials like HKUST-1. - Where water seems to have little effect on CO2 adsorption like case of UiO66. - Where water has a positive effect on CO2 uptake. Slight improvement for MIL-101(Cr) and remarkable enhancement of CO2 uptake through pre-adsorption of water vapor has been highlighted here in two cases: the mesoporous MIL-100(Fe) and the bifunctional MIL-127(Fe).This work is part of the European project FP7 Macademia "MOFs as Adsorbents and Catalysts: Discovery and Engineering of Materials for Industrial Applications".

Le développement du modèle prédictif E-PPR78, basé sur une méthode de contribution de groupe, a été entrepris depuis plus de dix ans pour prédire le comportement de systèmes multiconstituants. Ce modèle repose sur l'équation d'état de Peng-Robinson dans sa version de 1978 et les règles de mélanges de Van der Waals. Il utilise un seul paramètre d'interaction binaire, kij, qui dépend de la température. Afin de permettre au modèle E-PPR78 de prédire le comportement du gaz naturel, trois nouveaux groupes sont ajoutés : le monoxyde de carbone, l'hélium et l'argon. Pour cela, il a été nécessaire de former une base de données expérimentales la plus large possible contenant les mesures d'équilibres de phase et d'enthalpies de mélange pour les systèmes binaires constitués par ces trois groupes ainsi que ceux définis dans les études précédentes et présents dans le gaz naturel. Après une description de la classification des diagrammes de phase de Van Konynenburg et Scott, le modèle E-PPR78 est présenté. La troisième partie est consacrée à l'ajout des trois nouveaux groupes au sein du modèle. Les résultats sont obtenus avec une précision satisfaisante. Il apparaît clairement que le modèle E PPR78 est capable de prédire le comportement du gaz naturel dans des conditions de températures et de pressions particulièrement larges / The development of the predictive E-PPR78 model, based on a contribution group method, has been undertaken since ten years to predict accurately the behaviour of multi-component systems. This model lies on the Peng-Robinson equation of state with classical Van der Waals mixing rules. It uses a unique binary interaction parameter, kij, which is temperature dependant. To enable the E-PPR78 model to predict the behavior of natural gases, three new groups are added: carbon monoxide, helium and argon. It was necessary to build an experimental database, as exhaustive as possible, containing phase equilibrium and enthalpies of mixing data for binary systems formed by these groups and those defined in previous studies and present in natural gases. After a description of the classification scheme of Van Konynenburg and Scott, the E-PPR78 model is described. The third part is about the addition of the three new groups to the model. It clearly appears that the E-PPR78 model is able to predict the fluid-phase behavior of natural gases over wide ranges of temperatures and pressures

L’objectif de cette thèse est l’étude thermodynamique des systèmes {amine – eau} et {CO2 – amine – eau}. Les amines étudiées sont des amines démixantes qui ont la particularité de présenter une séparation de phase liquide-liquide en solution aqueuse en fonction de la température et du taux de charge en CO2. Ces composés sont considérés comme de nouveaux solvants potentiels pour le captage du CO2. Les séparations de phase liquide- liquide des systèmes {amine – eau} ont été mises en évidence par calorimétrie et par une technique visuelle en utilisant un microcalorimètre (microDSCIII, Setaram) et une cellule d’équilibre de phase (SPM20, Thar Technologies). Pour permettre la représentation thermodynamique des systèmes {amine – eau}, les volumes molaires d’excès, les enthalpies molaires d’excès et les capacités calorifiques spécifiques ont été mesurés. Les enthalpies de mélange ont été déterminées avec une technique calorimétrique à écoulement. Le calorimètre employé est un BT2.15 de chez Setaram équipé avec une cellule de mélange développée au laboratoire. Les volumes molaires d’excès on été déterminés à partir des mesures des masses volumiques obtenues avec un densimètre à tube vibrant. Les capacités calorifiques spécifiques ont été déterminées avec le microcalorimètre microDSCIII. Les enthalpies d’absorption du CO2 dans les solutions aqueuses et les limites de solubilité ont été étudiées pour les amines présentant un intérêt pour le captage du CO2 avec une technique calorimétrique à écoulement utilisant un C80 de chez Setaram. La dernière partie de ce travail concerne le développement de modèle thermodynamique pour corréler les données mesurées. Les énergies de Gibbs des systèmes {amine – eau} sont calculées en utilisant soit le modèle étendu UNIQUAC soit le modèle NRTL. Cependant, deux sets de paramètres ont été obtenus pour décrire d’une part les équilibres liquide-liquide et d’autre part, les enthalpies molaires d’excès et les capacités calorifique spécifiques. Pour les systèmes {CO2 – amine – eau}, un modèle gamma-phi a été utilisé. Les paramètres d’interaction ont été ajustés à partir de données d’équilibre liquide vapeur et permettent de prédire les enthalpies de solutions, les limites de solubilités et la spéciation du système en fonction du taux de charge. / The aim of this Ph.D. thesis is the thermodynamic study of {amine – water} and {CO2 – amine – water} systems. The amines are demixing amines, which have the singularity to exhibit a liquid-liquid phase separation in aqueous solutions as a function of temperature, composition and CO2 loading charge. These compounds can be considerate as new absorbents for CO2 capture. The liquid-liquid phase separations for {amine – water} systems were detected by calorimetry and visual techniques using a microcalorimeter (microDSCIII, Setaram) and an equilibrium cell (SPM20, Thar Technologies). In order to help in the thermodynamic representation of {amine – water} systems, excess molar volumes, excess molar enthalpies and specific heat capacities were measured. The enthalpies of mixing were determined using a flow calorimetric technique. The calorimeter was a BT2.15 from Setaram equipped with a homemade mixing cell. Excess molar volumes were determined from densities measurement performed with a vibrating tube densitometer. The enthalpies of solution of CO2 with absorbent and limits of gas solubility were studied for selected systems of interest for CO2 capture using a flow calorimetric technique. Last part of this work concerns the development of thermodynamic models to correlate the experimental data. The Gibbs energies of studied {amine – water} systems were calculating using both extended UNIQUAC and NRTL models. However, two sets of parameters were necessary to describe on one side the liquid-liquid equilibrium of mixtures and on the other side excess molar enthalpies and specific heat capacities. For {CO2 – amine – water} systems, a gamma-phi model was used. Interactions parameters were adjusted with vapor-liquid data and are able to predict the enthalpy of solution of CO2 in aqueous amine solutions, solubility limits of gas and speciation of the system as a function of loading charge.

This thesis is focused on the design of steam boiler like a supplement for cogeneration unit of biogas plant. The main idea is to use a waste heat from the exhaust gasses to produce a technological steam of required parameters. The thesis contains of a calculation an amount of the heat in exhaust gasses and a heat exchange surface. An Aerodynamic loss and a wall thickness of the boilers are verified by strength calculation in the next parts of this thesis. At the end of this thesis are made projection drawings and diagram, which are made of the calculations.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Polyhalite is an abundant distributed mineral in rock salt formations, and considered to respond as a natural heavy metal sink because the Mg2+ ion can be substituted by other bivalent metal ions like Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ and Zn2+. One of the quantities needed to predict mineral solubilities in multi-electrolyte solutions is the solubility constant Ksol. Since polyhalite forms slowly over months or years at 298 K, the solid-liquid phase equilibria experiments were accomplished at 313 K. Enthalpies of dissolution were measured and used to extrapolate lnKsol from 313 K to 298 K. Pitzer’s equations have been applied to describe activities of solute and water, with Pitzer parameters estimated from experimental data. The solubility constants for the polyhalites were applied to calculate the solubility equilibria in the quaternary systems K+, M2+, Ca2+ / SO42- // H2O (M = Mg, Mn, Co, Cu, Zn) at 298 K and 313 K, and in case of Mg-polyhalite also in the hexary system Na+, K+, Mg2+, Ca2+ / Cl-, SO42- // H2O.