In recent years, electricity production from distributed renewable energy generators in Germany increased significantly due to the German Renewable Energy Sources Act. Photovoltaic power plants have shown the highest growths rates in 2009 and 2010. About two thirds of photovoltaic power plants in Continental Europe are connected to low voltage networks. Related grid codes allow for distributed generation only to operate within frequency ranges that are in many cases extremely close to nominal frequency. At an abnormal system condition the frequency of a region may increase above those thresholds and distributed generators would disconnect within immediately. The paper investigates the related potential frequency stability problem and analyses mitigation measures.
Der Energiewandlungsprozess in einem elektrohydrodynamischen Generator mit einer nanostrukturierten Elektrode soll experimentell untersucht werden. Dazu werden freie Ladungen über eine Koronaentladung in eine Gasströmung eingebracht und durch die Reibung mit den umgebenden Gasmolekülen zu einer Gegenelektrode transportiert. Auf diese Weise wird mechanische in elektrische Energie gewandelt. Aus Vorarbeiten existieren Hinweise, dass mit Hilfe von nanostrukturierten Elektroden der Energiewandlungsprozess deutlich effizienter gestaltet werden kann als mit herkömmlichen Elektroden. Es soll eine Energiestrombilanz aufgestellt werden, welche die Grundlage für die daran anschließende Maximierung der Energiewandlungseffizienz bildet. Später soll der Generator in einen Capillary Pumped Loop integriert werden, der es ermöglichen soll, thermische in elektrische Energie zu wandeln. Im Kontext miniaturisierter Energiewandlersysteme soll auch das Potential von Koronaentladungen zur Förderung von Luft für Verbrennungsprozesse untersucht werden.
In TP A02 (Kaliske) werden neue, bioinspirierte Ansätze für den wachstumsoptimierten Entwurf von technischen Strukturen aus Carbonbeton entwickelt. Biologische Entwicklungsprozesse natürlicher Strukturen (z. B. Wachstum von Pflanzen) führen auf ideale und effizient lastabtragende Systeme bei minimalem Materialeinsatz. Diese biologischen Entwicklungsprozesse und -prinzipien werden identifiziert, theoretisch-numerisch abgebildet (Multiphysik) und nach Diskretisierung auf Strukturebene in einen evolutionären Strukturgenerator überführt, der die langzeitoptimierten Grundprinzipien biologisch gewachsener Strukturen dem technischen Strukturentwurf zugänglich macht.
Bedeutung des Projekts für die Praxis: Das Projekt hat einen direkten Nutzen für die Land- und Forstwirtschaft. Durch die Zusammenarbeit mit den Verlagen der Printmedien 'Der Landwirt' und 'top agrar' ist eine unmittelbare Veröffentlichung der Ergebnisse gewährleistet. Durch objektive Messverfahren werden Informationen erarbeitet, die es dem Landwirt ermöglichen, Maschinen, Geräte oder auch Verfahren besser beurteilen zu können. Dadurch stehen objektive Daten und Information zur Verfügung, die vom Landwirt, Lohnunternehmer, landwirtschaftlichen Berater, Interessierten für einen direkten Vergleich von Maschinen und Systemen genutzt werden können. - Traktoren: Traktoren aus der Produktionsserie - wie verhalten sich die Werte im Vergleich zu den Herstellerangaben im Prospekt und wie sieht es mit der Einhaltung der Emissionsgrenzwerte tatsächlich aus - Kippmulden: Kippmulden erleichtern den Alltag in der Landwirtschaft, das Angebot ist nur schwer überschaubar und noch weniger ob die von den Herstellern angegebenen Leistungskennwerte auch in der Praxis erreicht werden können, auch die Aspekte der Maschinensicherheit sind bedeutend - Hoflader: ein weiterer Hoflader zum Vergleich mit den Hofladern, die seit dem Jahre 2014 getestet wurden. Vergleich der Hoflader untereinander und auch im Bezug auf die von den Herstellern in den Prospekten angegebenen Kenngrößen - wie sieht es mit der Maschinensicherheit und Standfestigkeit aus? - Antriebsvergleich Hoflader: Elektroantrieb oder Dieselantrieb? Wo liegen die Stärken und die Schwächen? Ist auch ein Systemvergleich der im Ergebnis zeigen kann, wie weit elektrische Antrieb bereits heute ihre Bedeutung in der Landwirtschaft haben und was zukünftig auch machbart sein wird. Der Durchbruch der Elektromobilität in der Hofwirtschaft kann unterstützt werden. Die Vermeidung von Abgasemissionen und Lärmemissionen in Stallungen fördert die Gesundheit von Tier und Mensch - Ackerwalzen: Geringeres Transportgewicht und große Walz-wirkung bedeuten Kraftstoffeinsparung bei den Transport-fahrten oder bei gleichem Transportgewicht größere Arbeits-breiten und damit verbunden höhere Schlagkraft und reduzierte Kosten. - Vergleich Stromgeneratoren: Eine Marktübersicht soll in Verbindung und ev. mit einigen konkret durchgeführten Dauertests eine wesentliche Entscheidungshilfe für Landwirte und Einkaufsgemeinschaften beim Ankauf von Stromgeneratoren sein. Die Überprüfung sicherheitstechnischer Aspekte dient der Arbeitssicherheit. - Marktübersicht Parallelfahrsysteme: Eine aktualisierte Marktübersicht der derzeit verfügbaren Parallelfahrsysteme soll nicht nur den aktuellen Stand der Entwicklung aufzeigen, sondern auch eine wesentliche Entscheidungshilfe für Landwirte und Lohnunternehmer bei der Anschaffung von Parallelfahrsystemen sein.
Das ionosphärische/thermosphärische (I/T) System unterliegt zum einen solaren und magnetosphärischen Einflüssen und wird ebenfalls von zwar kleinskaligen, aber persistenten und darum bedeutenden Prozessen aus der mittleren Atmosphäre angetrieben. Gerade der zuletzt genannte Einfluss wird seit Jahren vermutet, es konnte jedoch bis jetzt kein klarer Beleg für die Kopplung gefunden werden. Alle Anregungen aus der mittleren Atmosphäre müssen sich durch die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) ausbreiten. Dabei wechselwirken die Wellen untereinander und koppeln an die I/T. Diese Kopplung kann (a) durch die direkte Ausbreitung von primären (oder sekundären) Wellen, und /oder (b) indirekt durch den E-Region-Dynamo erfolgen. Deshalb ist die MLT generell von Bedeutung für die dynamische Anregung der I/T, in mittleren und hohen Breiten tritt sie aber besonders hervor: (1) auf diesen Breiten wurden bislang wenige Untersuchungen des I/T Systems (z.B. der Gezeiten) durchgeführt, was auf die unzureichende Auflösung der meisten Satelliten zurückzuführen ist, und (2) aktuelle Studien mit globalen gekoppelten Atmosphären/Ionosphären Simulationen zeigen, dass gerade bei diesen Breiten die solaren und lunaren Gezeiten, die für viele elektrodynamische Effekte in niedrigen Breiten verantwortlich sind, besonders große Amplituden während stratosphärischer Erwärmungen (SSW) erreichen. Wir beantragen, die einzigartigen Radars und Lidars des IAP in mittleren und hohen Breiten zu nutzen, um den Grundstrom, die Wellen und deren Wechselwirkungen in der MLT zu charakterisieren. Die lokalen Radarwindbeobachtungen erfolgen kontinuierlich in einem Höhenbereich von 70 -100 km und können durch Lidarmessungen zu niedrigeren Höhen erweitert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung der vertikalen Ausbreitung von Wellen im Wind und der Temperatur. Diese Studien werden zusätzlich durch Satellitendaten und Re-Analyse komplementiert, um sowohl regional als auch global den Antrieb durch die mittlere Atmosphäre zu erfassen. Die direkte Kopplung wird durch Vergleiche der saisonalen und jährlichen Gezeiten über den Radaren mit den thermosphärischen Daten der Satelliten aus den Überflügen mit polaren Orbits untersucht. Der Einfluss des E-Region-Dynamos wird mit Hilfe von Simulationen gekoppelter Atmosphären/Ionosphären-Modellen analysiert und beinhaltet die Anregung der lunaren Gezeit in Zeiträumen mit und ohne SSW. Die Modelle werden mit bodengebunden Beobachtungen und satellitengestützten ionosphärischen Daten verglichen und validiert. Neben vielen offenen Fragen zur Kopplung der MLT mit dem I/T-System, erwarten wir insbesondere Ergebnisse zu folgenden Fragen: (a) Wie wirkt sich die beobachtete Kurzzeitvariabilität der MLT auf Wellen und dem Grundstrom in Bezug zum I/T Wetter aus?, (b) Was sind die Charakteristiken der solaren und lunaren Gezeiten für verschiedene Strukturen des polaren Wirbels während SSW und welche Auswirkungen entsprechen diesen im I/T-System?
Die 3D-Morphologie von Batterieelektroden hat einen wesentlichen Einfluss auf ihre elektrochemischen Eigenschaften. Dabei muss sowohl die ionische als auch die elektrische Leitfähigkeit in der gesamten Elektrode sichergestellt sein. Die Bestimmung geeigneter hierarchischer Elektrodenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich ist somit unerlässlich für die Verbesserung der elektrochemischen Performanz von polymerbasierten Batterien. Hierfür sind detaillierte Kenntnisse der 3D-Morphologie experimentell hergestellter Elektroden und ihrer funktionellen Eigenschaften erforderlich. Das Ziel dieses Projektes ist es, besser zu verstehen, wie polymerbasierte Batterieelektroden strukturiert werden müssen, um 3D-Morphologien zu erhalten, die zu einer hohen elektrochemischen Performanz und Degradationsstabilität führen. Hierfür werden neuwertige und zyklisch gealterte Standard-Elektroden untersucht, die von der AG Schubert der Uni Jena zur Verfügung gestellt werden. Die 3D-Morphologie dieser Elektroden wird zunächst von der AG Manke mittels tomographischer Bildgebungstechniken wie FIB/SEM Tomographie und Synchrotron-Tomographie rekonstruiert. Des Weiteren wird die AG Manke tomographische Operando-Messungen durchführen, um Strukturänderungen während der Zyklisierung zu analysieren. Die AG Schmidt wird mit statistischer Bildanalyse Korrelationen zwischen Fabrikationsparametern und transportrelevanten Kenngrößen der 3D-Morphologien von neuwertigen und gealterten Elektroden untersuchen und quantitativ bewerten, während die AG Carraro ortsaufgelöste numerische Simulationen des Ladungstransports durchführt und ein elektrochemisches Multiskalen-Modell entwickelt, um zu untersuchen, wie die 3D-Morphologie der Elektroden die in ihr ablaufenden elektrochemischen Prozesse beeinflusst. Neben den experimentell hergestellten Elektroden der AG Schubert werden simulierte Elektrodenstrukturen untersucht. Hierfür entwickelt die AG Schmidt einen stochastischen Geometrie-Generator, mit dem sie eine große Vielfalt von virtuellen Elektrodenstrukturen in 3D erzeugt. Dadurch wird die systematische Untersuchung der 3D-Morphologie von polymerbasierten Batterieelektroden mittels Computersimulation ermöglicht. Insbesondere führt die 3D Simulation von Elektrodenstrukturen zu empirisch hergeleiteten Formeln, die transportrelevante Kenngrößen der 3D-Morphologie durch Fabrikationsparameter ausdrücken, also zu sogenannten Fabrikation-Mikrostruktur-Beziehungen. Die Kombination von stochastischer Struktursimulation mit der numerischen Simulation elektrochemischer Prozesse der AG Carraro führt außerdem zu Formeln, durch die elektrochemische Kenngrößen mittels morphologischer Kenngrößen ausgedrückt werden, d.h. zu Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen. Insgesamt werden so durch die Kombination von 3D Bildgebung mit modellbasierter 3D Simulation Strukturierungsempfehlungen generiert, die das Design von polymerbasierten Batterieelektroden mit optimierter elektrochemischer Performanz unterstützen.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
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