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Development of open educational resources for renewable energy and the energy transition process
(2021)
The dissemination of knowledge about renewable energies is understood as a social task with the highest topicality. The transfer of teaching content on renewable energies into digital open educational resources offers the opportunity to significantly accelerate the implementation of the energy transition. Thus, in the here presented project six German universities create open educational resources for the energy transition. These materials are available to the public on the internet under a free license. So far there has been no publicly accessible, editable media that cover entire learning units about renewable energies extensively and in high technical quality. Thus, in this project, the content that remains up-to-date for a longer period is appropriately prepared in terms of media didactics. The materials enable lecturers to provide students with in-depth training about technologies for the energy transition. In a particular way, the created material is also suitable for making the general public knowledgeable about the energy transition with scientifically based material.
In this work, three patent pending calibration methods for heliostat fields of central receiver systems (CRS) developed by the Solar-Institut Jülich (SIJ) of the FH Aachen University of Applied Sciences are presented. The calibration methods can either operate in a combined mode or in stand-alone mode. The first calibration method, method A, foresees that a camera matrix is placed into the receiver plane where it is subjected to concentrated solar irradiance during a measurement process. The second calibration method, method B, uses an unmanned aerial vehicle (UAV) such as a quadrocopter to automatically fly into the reflected solar irradiance cross-section of one or more heliostats (two variants of method B were tested). The third calibration method, method C, foresees a stereo central camera or multiple stereo cameras installed e.g. on the solar tower whereby the orientations of the heliostats are calculated from the location detection of spherical red markers attached to the heliostats. The most accurate method is method A which has a mean accuracy of 0.17 mrad. The mean accuracy of method B variant 1 is 1.36 mrad and of variant 2 is 1.73 mrad. Method C has a mean accuracy of 15.07 mrad. For method B there is great potential regarding improving the measurement accuracy. For method C the collected data was not sufficient for determining whether or not there is potential for improving the accuracy.
IEC Technical Committee 81 is currently creating the new IEC 62305 series of standards on Lightning Protection. Working Group 9 is responsible for Part 2 of this series, which deals with the assessment and management of risk its CDV (Committee Draft for Voting) stage and has been circulated to National Committees for comment. The paper details the development of the Simplified IEC Risk Assessment Calculator software tool as described in Informative Annex J of IEC62305-2 Ed.1/CDV 2. This tool is intended as a simplified implementation of the more rigorous treatment of risk management found in the written document. It is designed to be relatively intuitive for users who wish to obtain an initial assessment of risk sensitivity, but should not be considered a substitute to a full understanding of the methods provided in the standard when dealing with more complicated structures or those where greater risks to personal or system operation are involved.
The Solar-Institut Jülich (SIJ) and the companies Hilger GmbH and Heliokon GmbH from Germany have developed a small-scale cost-effective heliostat, called “micro heliostat”. Micro heliostats can be deployed in small-scale concentrated solar power (CSP) plants to concentrate the sun's radiation for electricity generation, space or domestic water heating or industrial process heat. In contrast to conventional heliostats, the special feature of a micro heliostat is that it consists of dozens of parallel-moving, interconnected, rotatable mirror facets. The mirror facets array is fixed inside a box-shaped module and is protected from weathering and wind forces by a transparent glass cover. The choice of the building materials for the box, tracking mechanism and mirrors is largely dependent on the selected production process and the intended application of the micro heliostat. Special attention was paid to the material of the tracking mechanism as this has a direct influence on the accuracy of the micro heliostat. The choice of materials for the mirror support structure and the tracking mechanism is made in favor of plastic molded parts. A qualification assessment method has been developed by the SIJ in which a 3D laser scanner is used in combination with a coordinate measuring machine (CMM). For the validation of this assessment method, a single mirror facet was scanned and the slope deviation was computed.
Reinforced concrete (RC) frames with masonry infills are frequently used in seismic regions all over the world. Generally masonry infills are considered as nonstructural elements and thus are typically neglected in the design process. However, the observations made after strong earthquakes have shown that masonry infills can modify the dynamic behavior of the structure significantly. The consequences were total collapses of buildings and loss of human lives. This paper presents the new system INODIS (Innovative Decoupled Infill System) developed within the European research project INSYSME (Innovative Systems for Earthquake Resistant Masonry Enclosures in RC Buildings). INODIS decouples the frame and the masonry infill by means of special U-shaped rubbers placed in between frame and infill. The effectiveness of the system was investigated by means of full scale tests on RC frames with masonry infills subjected to in-plane and out-of-plane loading. Furthermore small specimen tests were conducted to determine material characteristics of the components and the resistances of the connections. Finally, a micromodel was developed to simulate the in-plane behavior of RC frames infilled with AAC blocks with and without installation of the INODIS system.
A promising approach to reduce the system costs of molten salt solar receivers is to enable the irradiation of the absorber tubes on both sides. The star design is an innovative receiver design, pursuing this approach. The unconventional design leads to new challenges in controlling the system. This paper presents a control concept for a molten salt receiver system in star design. The control parameters are optimized in a defined test cycle by minimizing a cost function. The control concept is tested in realistic cloud passage scenarios based on real weather data. During these tests, the control system showed no sign of unstable behavior, but to perform sufficiently in every scenario further research and development like integrating Model Predictive Controls (MPCs) need to be done. The presented concept is a starting point to do so.
A German–Brazilian research project investigates sugarcane as an energy plant in anaerobic digestion for biogas production. The aim of the project is a continuous, efficient, and stable biogas process with sugarcane as the substrate. Tests are carried out in a fermenter with a volume of 10 l.
In order to optimize the space–time load to achieve a stable process, a continuous process in laboratory scale has been devised. The daily feed in quantity and the harvest time of the substrate sugarcane has been varied. Analyses of the digester content were conducted twice per week to monitor the process: The ratio of inorganic carbon content to volatile organic acid content (VFA/TAC), the concentration of short-chain fatty acids, the organic dry matter, the pH value, and the total nitrogen, phosphate, and ammonium concentrations were monitored. In addition, the gas quality (the percentages of CO₂, CH₄, and H₂) and the quantity of the produced gas were analyzed.
The investigations have exhibited feasible and economical production of biogas in a continuous process with energy cane as substrate. With a daily feeding rate of 1.68gᵥₛ/l*d the average specific gas formation rate was 0.5 m3/kgᵥₛ. The long-term study demonstrates a surprisingly fast metabolism of short-chain fatty acids. This indicates a stable and less susceptible process compared to other substrates.
In the paper a lightning protection design concept for renewable energy hybrid-systems without power mains connection is described. Based on a risk analysis protection measures against direct strikes and overvoltages are shown in an overview. The design concept is realized exemplarily for the hybrid-system VATALI on the Greek island Crete. VATALI, not lightning protected at that time, was a victim of a lightning strike in the year 2000 causing destructions and damages of some mechanical and electrical components with costs of approx. 60.000 €. The hardware costs for the protection measures were about 15.000 €: about 50% of the costs are due to protection measures against direct strikes, 50% are due to overvoltage protection.
[Paper of the X International Symposium on Lightning Protection 9th - 13th November, 2009 - Curitiba, Brazil. 6 pages] The international standard IEC 62305-3, published in 2006, requires as an integral part of the lightning protection system (LPS) the consideration of a separation distance between the conductors of the LPS and metal and electrical installations inside the structure to be protected. IEC 62305-3 gives two different methods for this calculation: a standard, simplified approach and a more detailed approach, which differ especially regarding the treatment of the current sharing effect on the LPS conductors. Hence, different results for the separation distance are possible, leading to some discrepancies in the use of the standard. The standard approach defined in the main part (Clause 6.3) and in Annex C of the standard in some cases may lead to a severe oversizing of the required separation distance. The detailed approach described in Annex E naturally gives more correct results. However, a calculation of the current sharing amongst all parts of the air-termination and downconductor network is necessary, in many cases requiring the use of network analysis programs. In this paper simplified methods for the assessment of the current sharing are presented, which are easy to use as well as sufficiently adequate.
Within the framework of the project a genderand diversity-oriented teaching evaluation and modern, media-supported blended learning approaches were used in order to achieve the intended goals. First research results of the literature and status quo analysis were already implemented and tested in newly designed teaching approaches, for example in a multidisciplinary introductory lecture of civil engineering at RWTH Aachen University.
Ein von der Arbeitsgemeinschaft (AG) Solar NRW und diversen Industriepartnern gefördertes und an der Fachhochschule Aachen, Abt. Jülich durchgeführtes Forschungsprojekt „Blitzschutz für netz-autarke Hybridanlagen“ machte es möglich, sich mit dem Blitzschutz speziell solcher Anlagen näher zu beschäftigen. Vermehrt bekannt gewordene Schadensfälle an nicht netz-gekoppelten Hybridanlagen waren der Auslöser, den Schutz zu überdenken. Definiertes Ziel war es, für netz-autarke energietechnische Anlagen ein Konzept zum Schutz vor Blitzeinwirkungen zu erstellen. Diese Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaikanlagen, ggf. auch Solarthermieanlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet). Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit kann noch ein Dieselaggregat dazukommen. Hybridanlagen werden vor allem in Gebieten mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in relativ dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Dem Blitzschutz von Hybridanlagen kommt dabei eine steigende Bedeutung zu. Besonderes Augenmerk in dem genannten Forschungsprojekt sollte dabei auf die technisch/wirtschaftliche Ausgewogenheit des Schutzes gelegt werden: • die Schutzmaßnahmen sollen nur in solchen Fällen eingesetzt werden, wo dies als Ergebnis von Risikoanalysen sinnvoll erscheint; • für typische netz-autarke Hybridanlagen sollen die Schutzmaßnahmen ohne deutliche Verteuerung realisierbar sein (es soll also kein absoluter Schutz realisiert werden; ggf. soll lediglich der auftretende Schaden soweit möglich minimiert werden). Dazu wurde in einem ersten Schritt zunächst eine Aufnahme des Iststandes einiger typischer netz-autarker Hybridanlagen und deren einzelnen Komponenten durchgeführt. Aufgrund dessen wurde eine umfassende Risikoanalyse zur Blitzbedrohung dieser Anlagen auf der Basis von VDE V 0185 Teil 2:2002-11 [1] erstellt. Die Ergebnisse mündeten in ein technisch/wirtschaftlich ausgewogenes Konzept für den Anlagen- Blitzschutz (d.h. insbesondere dem Schutz vor direkten Blitzeinschlägen und deren unmittelbaren Auswirkungen) nach VDE V 0185 Teil 3:2002-11 [2] und für den Elektronik-Blitzschutz (d.h. für den Schutz vor Überspannungen durch direkte, insbesondere aber auch indirekte Blitzeinschläge) nach VDE V 0185 Teil 4:2002-11 [3]. Aufgrund der gesammelten Ergebnisse konnten dabei allgemeine Empfehlungen für den Äußeren und Inneren Blitzschutz von regenerativen Energieerzeugungssystemen erstellt werden. Diese sollen in Schulungen einmünden, die für Hersteller und Betreiber von Hybridanlagen angeboten werden. Durch die Anwendung wird der Schutz der Anlagen vor Blitzeinwirkung und elektromagnetischen Störungen verbessert, was sich in einer reduzierten Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. erhöhten Verfügbarkeit wiederspiegelt. An einigen ausgewählten Anlagen werden mit Hilfe der im Projekt involvierten Industriepartner die Schutzmaßnahmen realisiert. Hierbei entstanden den Eigentümern bzw. Betreibern der Anlagen keine Kosten. In diesem Beitrag werden beispielhaft drei Anlagenprojekte detailliert gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Schweinezuchtfarm in Magallón (Spanien, Zaragozza), das bioklimatische Haus (Kreta, Heraklion) und die Tegernseer- Hütte (Deutschland, Lenggries).
Blitzschutzkonzept für eine netz-autarke Hybridanlage am Beispiel der Anlage VATALI auf Kreta
(2001)
Netz-autarke Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaik- (PV-) Anlagen, ggf. auch Solarthermie- (ST-) Anlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet) und werden vor allem in Gegenden mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in rel. dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Der Blitzschutz von netz-autarken Hybridanlagen ist ein bislang noch vergleichsweise unzureichend bearbeitetes Fachgebiet. Für große Windenergie-Anlagen (WEA) wurde in den letzten Jahren eine Zahl von FuE-Projekten durchgeführt, zum Großteil finanziert durch die öffentliche Hand, zum kleineren Teil auch durch die Industrie, d.h. die WEAHersteller. Dabei wurden bestehende Defizite im Design der WEA festgestellt und Maßnahmen vorgeschlagen, die vor den mechanischen Zerstörungen insbesondere des Rotors und vor den Störungen und Zerstörungen an den elektrischen / elektronischen Systemen der WEA weitgehend Schutz bieten [1, 2, 3]. Der Stand-der- Normung ist im Entwurf DIN VDE 0127 Teil 24 „Blitzschutz für Windenergieanlagen“ (dt. Übersetzung des internationalen Drafts IEC 61400-24 „Wind turbine generator systems; Part 24: Lightning Protection“) dokumentiert [4]. Die Maßnahmen sind allerdings insbesondere für größere WEA vorgesehen; im Falle kleinerer WEA lassen sie sich nur bedingt umsetzen. Trotzdem sind auch kleinere WEA rel. stark blitzeinschlaggefährdet, wenn sie auf einer Bergkuppe o.ä. platziert werden. Für solche kleinere WEA, wie sie bei Hybridanlagen üblicherweise Verwendung finden, müssen die Blitzschutzmaßnahmen aus der DIN VDE 0127 Teil 24 angepasst werden. Für PV- und ST-Anlagen ist eine entsprechende Blitzschutz-Norm noch nicht in Sicht. Hier ist vor allem der Schutz gegen direkte Blitzeinschläge in die Anlage bzw. die Gebäude noch nicht ausreichend beachtet. Blitzfangeinrichtungen sind oft nicht vorgesehen. In aller Regel hat man dabei bisher eine Ausführungsform des Blitzschutzes realisiert, die primär einen Ferneinschlag berücksichtigt und die dabei entstehenden induzierten, rel. energieschwachen Überspannungen durch schwächere Schutzelemente wie Rückstromdioden, Bypassdioden und zum Teil thermisch überwachte Varistoren begrenzt [5, 6, 7]. Diese Schutzelemente können allerdings bei Naheinschlägen bzw. Direkteinschlägen überlastet und damit zerstört werden. Darüber hinaus können Nahoder Direkteinschläge auch zur Schwächung der elektrischen Festigkeit der PVModulisolierung führen. Die Folge davon sind lokale extreme Wärmeentwicklungen, die sogar ein Schmelzen von Glas (sekundärer Langzeiteffekt) hervorrufen könnten. Bei einem Blitzeinschlag in die netz-autarke Hybridanlage VATALI auf Kreta im Jahre 2000 wurden sowohl einige mechanische wie auch elektrische Komponenten der Anlage zerstört bzw. zum Teil schwer beschädigt. Die Anlage VATALI besaß zum Zeitpunkt des Blitzeinschlags keinen wirksamen Blitzschutz. Der Gesamtschaden der Hardware belief sich auf ca. 60.000,- EURO. Die exponierte Stellung der Anlage auf einer Bergspitze stellte und stellt nach wie vor ein enormes Blitzeinschlag-Risiko dar, so dass auch zukünftig mit Blitzeinwirkungen gerechnet werden muss. Die Anlage wurde inspiziert, blitzschutz-technische Erfordernisse definiert und daraus Ertüchtigungsmaßnahmen abgeleitet, die mit überschaubarem Aufwand realisierbar sind.
Bauliche Anlagen mit Stahlkonstruktionen (bzw. auch Stahlbetonskelett- Konstruktionen) und metallenen Wänden sind bereits in sehr großer Zahl errichtet. Dazu gehören kleinere bis größere Lagerhallen ebenso wie Einkaufszentren. Sie zeichnen sich durch große Flexibilität, einfache Planung, kurze Bauzeit und rel. geringe Kosten aus. Auch in der nahen Zukunft ist deshalb mit Planung und Errichtung weiterer solcher baulicher Anlagen zu rechnen. Abhängig von der Nutzung der Hallen sind auch mehr oder weniger umfangreiche elektrische und elektronische Systeme vorhanden, die wichtige Funktionen sicherstellen müssen. Der Blitzschutz für diese baulichen Anlagen sollte sich also nicht nur im „klassischen“ Gebäude-Blitzschutz nach DIN V 0185-3 VDE V 0185 Teil 3 [1] erschöpfen; ein Ergänzung hin zu einem sinnvollen Grundschutz der elektrischen und elektronischen Systeme nach DIN V 0185-4 VDE V 0185 Teil 4 [2] ist anzuraten. Im folgenden Beitrag wird ein Konzept vorgestellt, mit dem ein hochwertiger Blitzschutz sowohl der baulichen Anlage und der darin befindlichen Personen, als auch der elektrischen und elektronischen Systeme verwirklicht werden kann. Insbesondere bei großflächigen Hallen stellen sich dabei besondere Anforderungen. Das Konzept und die zugehörigen blitzschutz-technischen Maßnahmen können drei Hauptbereichen zugeordnet werden: - Äußerer Blitzschutz; - Innerer Blitzschutz; - weitergehende besondere Maßnahmen. Das Konzept sowie die Maßnahmen werden allgemein beschrieben und teilweise anhand einer ausgeführten Anlage mit Fotos beispielhaft dokumentiert.
In many historical centers in Europe, stone masonry is part of building aggregates, which developed when the layout of the city or village was densified. The analysis of such building aggregates is very challenging and modelling guidelines missing. Advances in the development of analysis methods have been impeded by the lack of experimental data on the seismic response of such aggregates. The SERA project AIMS (Seismic Testing of Adjacent Interacting Masonry Structures) provides such experimental data by testing an aggregate of two buildings under two horizontal components of dynamic excitation. With the aim to advance the modelling of unreinforced masonry aggregates, a blind prediction competition is organized before the experimental campaign. Each group has been provided a complete set of construction drawings, material properties, testing sequence and the list of measurements to be reported. The applied modelling approaches span from equivalent frame models to Finite Element models using shell elements and discrete element models with solid elements. This paper compares the first entries, regarding the modelling approaches, results in terms of base shear, roof displacements, interface openings, and the failure modes.
Recent earthquakes showed that low-rise URM buildings following codecompliant seismic design and details behaved in general very well without substantial damages. Although advances in simulation tools make nonlinear calculation methods more readily accessible to designers, linear analyses will still be the standard design method for years to come. The present paper aims to improve the linear seismic design method by providing a proper definition of the q-factor of URM buildings. Values of q-factors are derived for low-rise URM buildings with rigid diaphragms, with reference to modern structural configurations realized in low to moderate seismic areas of Italy and Germany. The behaviour factor components for deformation and energy dissipation capacity and for overstrength due to the redistribution of forces are derived by means of pushover analyses. As a result of the investigations, rationally based values of the behaviour factor q to be used in linear analyses in the range of 2.0 to 3.0 are proposed.
In collaborative research projects, both researchers and practitioners work together solving business-critical challenges. These projects often deal with ETL processes, in which humans extract information from non-machine-readable documents by hand. AI-based machine learning models can help to solve this problem.
Since machine learning approaches are not deterministic, their quality of output may decrease over time. This fact leads to an overall quality loss of the application which embeds machine learning models. Hence, the software qualities in development and production may differ.
Machine learning models are black boxes. That makes practitioners skeptical and increases the inhibition threshold for early productive use of research prototypes. Continuous monitoring of software quality in production offers an early response capability on quality loss and encourages the use of machine learning approaches. Furthermore, experts have to ensure that they integrate possible new inputs into the model training as quickly as possible.
In this paper, we introduce an architecture pattern with a reference implementation that extends the concept of Metrics Driven Research Collaboration with an automated software quality monitoring in productive use and a possibility to auto-generate new test data coming from processed documents in production.
Through automated monitoring of the software quality and auto-generated test data, this approach ensures that the software quality meets and keeps requested thresholds in productive use, even during further continuous deployment and changing input data.
Thematisch widmet sich das Projekt Coolplan- AIR der Fortentwicklung und Feldvalidierung eines Berechnungs- und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Vermessung, Simulation und Integration rein luftgestützter Kühltechnologien. Im Bereich der Kälteerzeugung wurden Luft‐ Luft‐ Wärmepumpen, Anlagen zur adiabaten Kühlung bzw. offene Kühltürme und VRF‐ Multisplit‐ Systeme (Variable Refrigerant Flow) im Feld bzw. auf dem Teststand der HSD vermessen. Die Komponentenmodelle werden in die Matlab/Simulink‐ Toolbox CARNOT integriert und anschließend auf Basis der zuvor erhaltenen Messdaten validiert.
Einerseits erlauben die Messungen das Betriebsverhalten von Anlagenkomponenten zu analysieren. Andererseits soll mit der Vermessung im Feld geprüft werden, inwieweit die Simulationsmodelle, welche im Vorgängerprojekt aus Prüfstandmessungen entwickelt wurden, auch für größere Geräteleistungen Gültigkeit besitzen. Die entwickelten und implementierten Systeme, bestehend aus verschiedensten Anlagenmodellen und Regelungskomponenten, werden geprüft und dahingehend qualifiziert, dass sie in Standard- Auslegungstools zuverlässig verwendet werden können.
Zusätzlich wird ein energetisches Monitoring eines Hörsaalgebäudes am Campus Jülich durchgeführt, das u. a. zur Validierung der Kühllastberechnungen in gängigen Simulationsmodelle genutzt werden kann.
Large industrial facilities and power plants often require a huge number fo information and control cables between the differnet structures. These I&C-cables can be routed in reinforced concrete cable ducts or in isolated buried cable runs. KTA 2206 is the German lightning protection standard for nuclear power plants. During the last several years considerable effort has been made to revise this standard. Despite the well established principles and design guidelines for the construction of the lightning protection system, this standard puts special emphasis on the coupling of transient overvoltages to I&C-cables.
The paper deals with the development of the probabilistic approach to the assessment of risk due to lightning. Sources of damage, types of damage and types of loss are defined and, accordingly, the procedure for risk analysis and the way of assessment of different risk components is proposed. The way to evaluate the influence of different protection measures (lightning protection system; shielding of structure, cables and equipment; routing of internal wiring; surge protective device) in reducing such probabilities is considered. The paper has been prepared within the framework of the activity of IEC TC81-WG9/CLC TC81-WG4 directed to prepare the draft IEC 62305-2 Risk Management, in cooperation with the Secretary of IEC/CLC TC81.
Analysis Of Base Isolated Liquid Storage Tanks With 3D Fsi-Analysis As Well As Simplified Approaches
(2017)
Tanks are preferably designed, for cost-saving reasons, as circular, cylindrical, thin-walled shells. In case of seismic excitation, these constructions are highly vulnerable to stability failures. An earthquake-resistant design of rigidly supported tanks for high seismic loading demands, however, uneconomic wall thicknesses. A cost-effective alternative can be provided by base isolation systems. In this paper, a simplified seismic design procedure for base isolated tanks is introduced, by appropriately modifying the standard mechanical model for flexible, rigidly supported tanks. The non-linear behavior of conventional base isolation systems becomes an integral part of a proposed simplified process, which enables
the assessment of the reduced hydrodynamic forces acting on the tank walls and the corresponding stress distribution. The impulsive and convective actions of the liquid are taken into account. The validity of this approach is evaluated by
employing a non-linear fluid-structure interaction algorithm of finite element method. Special focus is placed on the boundary conditions imposed from the base isolation and the resulting hydrodynamic pressures. Both horizontal and vertical
component of ground motion are considered in order to study the principal effects of the base isolation on the pressure distribution of the tank walls. The induced rocking effects associated with elastomeric bearings are discussed. The results
manifest that base isolated tanks can be designed for seismic loads by means of the proposed procedure with sufficient accuracy, allowing to dispense with numerically expensive techniques.