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.
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.
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?
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.