The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Teil der Statistik "Primärenergieverbrauch"
Raum: Sachsen-Anhalt Gesamt
Der Primärenergieverbrauch umfasst die für Umwandlung und
Endverbrauch benötigte Energie, die aus
Primärenergieträgern gewonnen wird. Er ergibt sich aus der
Summe der im Land gewonnen Primärenergieträger, den
Bestandsveränderungen sowie dem Saldo aus Bezügen und
Lieferungen. Um die in unterschiedlichen Einheiten (z. B.
Tonne, m³, kWh oder Joule) ausgewiesenen Energieträger
vergleichbar und additionsfähig zu machen, werden diese zur
Berechnung des Primärenergieverbrauches, auf Grundlage
ihres jeweiligen Heizwertes, auf einen einheitlichen Nenner
(Joule) umgerechnet.
Bei Primärenergieträgern handelt es sich um Energieträger,
die keiner Umwandlung unterworfen wurden. Dies sind Stein-
und Braunkohle (roh), Hartbraunkohle, Erdöl, Erdgas,
Grubengas, erneuerbare Energieträger sowie Kernenergie.
Direktumwandlung von Flammenwaerme in elektrische Energie, wobei die Eingangswaerme eine Temperatur von ca. 1100 Grad C bis 1300 Grad C besitzt und das Verfahren keine rotierenden oder beweglichen Teile benoetigt.
1) Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine Anlage zur photovoltaischen Energiewandlung beschafft und auf dem Dach eines Laborgebaeudes der Fachhochschule Bochum installiert. Kenndaten und Leistungsmerkmale verschiedener Module werden untersucht, um Aussagen ueber Einsatzmoeglichkeiten am Standort Gelsenkirchen treffen zu koennen. Nachgeschaltete Anlagenkomponenten zur Speicherung und Wandlung der elektrischen Energie werden in bezug auf ihren Wirkungsgrad und auf Oberwellen oder weitere Stoersignale untersucht. Daneben dient die Anlage der Ausbildung von Studenten in diesem neuen Arbeitsgebiet der Energietechnik. Es ergeben sich Ausbildungs- und Entwicklungsmoeglichkeiten aus dem Bereich der Leistungselektronik und der Informationsverarbeitung.2) Die vorhandene Solaranlage besteht aus 16 Solarzellenmodulen mit je 50 Watt Peak-Leistung. Zur Zeit wird die maximale Leistung der Anlage auf 1600 Watt erweitert. Ueber einen angeschlossenen Rechner kann die Solaranlage wahlweise entweder im Inselbetrieb oder alternativ in Verbindung mit einem Wechselrichter im Netzparallelbetrieb arbeiten. Im Inselbetrieb sind die Module mit einem Laderegler verbunden, der sie je nach Ladezustand mit einem angeschlossenen Bleiakkumulator-Speicher oder einem Gleichstromverbraucher verbindet. Verbraucher koennen auch ueber einen Wechselrichter im Inselbetrieb mit der gespeicherten Energie des Akkus betrieben werden.
Stoff- und Energieumwandlungen im Boden hängen vom Aktivitätszustand der Mikroorganismen und ihrem Stoffwechsel ab. Der mikrobielle Abbau von Phosphor (P) kann nicht nur durch P, sondern auch durch Kohlenstoff- (C) und Energiemangel angetrieben werden, da energiereiche Phosphoesterbindung zu den wichtigsten Energiespeichern und -überträgern in Zellen gehört. In diesem Projekt werden wir den von „EcoEnergeticS“ entwickelten thermodynamisch-metabolischen Ansatz zur Bioenergetik des P-Abbaus aus organischen Quellen vertiefen. Unser Ziel ist es, die Energiekosten der Enzymproduktion für den P-Abbau zu ermitteln, mittels derer C, Energie und Nährstoffe aus Substraten unterschiedlicher Komplexität gewonnen werden können. Wir werden erstmals die Parameter der mikrobiellen P-Immobilisierung (Pmic-Bildung), des ATP-Spiegels, der Dynamik der Speichesubstanzen (PHBs), des PLFA- und DNA-Gehalts und deren Verhältnisse sowie die Enzymaktivität mit Wärmefreisetzung und CO2-Emission als Stellvertreter der Stoffwechselaktivität zu kombinieren. Wir nehmen an, dass die Energiekosten zur Produktion P-hydrolysierender Enzyme durch Mikroorganismen mit zunehmender Substratkomplexität steigen. Eine weitere Hypothese lautet, dass Mikroorganismen entweder bei C- oder P-Mangel Verbindungen mit hochenergetischen Phosphoesterbindungen (z. B. ATP) eher als Quelle für entweder C oder P verwenden. Ohne P-Mangel kann C aus ATP in zur Energiespeicherung in Speicherstoffe (z. B. PHB) eingebaut werden, während hydrolysiertes P freigesetzt wird. In WP1 werden wir die Investition von Mikroorganismen in die Enzymproduktion zur Gewinnung von Energie und Nährstoffen aus organischen P-Substanzen unterschiedlicher Komplexität ermitteln, was die Hydrolyse durch entweder eine oder mehrere Phosphatasen (Phosphomono- und Phosphodiesterasen, Phytasen) erfordert. Weiterhin werden wir in WP2 die Energiekosten von i) anorganischer P-Aufnahme und anaboler Verwendung, ii) Mineralisierung von organischen P-Verbindungen mit zunehmender Komplexität entschlüsseln. Das Verwendung von hochenergetischen, C- und P-haltigen Organo-Phosphoestern durch Mikroorganismen bei Nährstoff- und/oder Energielimitierung wird in WP3 untersucht. Insbesondere zielen wir darauf ab, den Einbau von ATP in Zellkomponenten als Indikator für den metabolischen Zustand von Zellen zu definieren, die in der Lage sind, i) energielimitierte, ii) C-limitierte oder iii) P-limitierte mikrobielle Gemeinschaften in Böden zu differenzieren. Insgesamt wird dieses Projekt untersuchen, wie Nährstoffmangel und die Notwendigkeit der Phosphatasebildung die Energie- und C-Speicherung beeinträchtigen und welche dieser P- und C-Wege abhängig von der mikrobiellen Aktivität angetrieben werden. Das Verständnis dieser Mechanismen kann dazu beitragen, die mikrobielle Effizienz bei der P-Umwandlung aus organischer Substanz zu erhöhen, was besonders angesichts des zukünftigen Mangels an Phophordüngemitteln von besonderer Bedeutung ist.