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Forschungsbericht 2013
(2014)
Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte für eine klimaverträgliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür die deutschen energiebedingten CO2-Emissionen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken müssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazitäten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Gebäudewärme hierzu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energiepflanzen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Landnutzung. Importe klimaneutral erzeugter Energieträger in sehr großem Umfang erfordern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft.
Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Windkraft in Deutschland. Schätzungsweise kann der Elektrizitätsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahezu vollständig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elektrifizierte Mobilität und Wärmeversorgung betreiben und ein Teil des benötigten "grünen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierfür ist ein jährlicher Zubau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft nötig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine gesellschaftliche Kraftanstrengung. Ein weiter verzögerter Ausbau müsste mit noch deutlich größeren gesellschaftlichen Anstrengungen für drastische Energieeinsparungen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt könnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Aufbau der Kapazitäten mehrere Jahre erfordert, ist es möglich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt für Importe entwickelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegenüber der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfolgen.
Grüner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abgeleitete Syntheseprodukte sind für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie für die Absicherung der Energieversorgung bei Dunkelflauten nötig. Ohne die genannten Ausbauziele für Wind und Solar noch drastisch weiter zu erhöhen, stehen diese Produkte für Straßenverkehr und Wärmeversorgung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Techniken zum Ausgleich zwischen Elektrizitätsangebot und -nachfrage sind verfügbar und sollten rechtzeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu gehören: Stromaustausch mit den Nachbarländern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. Für deren Integration sowie den Ausbau der Netze sollten zügig verbesserte rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen werden.
Die Kosten eines klimaverträglichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht höher als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitsplätze und Exportchancen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Gebäudesanierung. Die politischen Rahmenbedingungen entscheiden, ob eine klimaverträgliche Energieversorgung Deutschlands gelingt.
Resting motor threshold and magnetic field output of the figure-of-8 and the double-cone coil
(2020)
The use of the double-cone (DC) coil in transcranial magnetic stimulation (TMS) is promoted with the notion that the DC coil enables stimulation of deeper brain areas in contrast to conventional figure-of-8 (Fo8) coils. However, systematic comparisons of these two coil types with respect to the spatial distribution of the magnetic field output and also to the induced activity in superficial and deeper brain areas are limited. Resting motor thresholds of the left and right first dorsal interosseous (FDI) and tibialis anterior (TA) were determined with the DC and the Fo8 coil in 17 healthy subjects. Coils were orientated over the corresponding motor area in an angle of 45 degrees for the hand area with the handle pointing in posterior direction and in medio-lateral direction for the leg area. Physical measurements were done with an automatic gantry table using a Gaussmeter. Resting motor threshold was higher for the leg area in contrast to the hand area and for the Fo8 in contrast to the DC coil. Muscle by coil interaction was also significant providing higher differences between leg and hand area for the Fo8 (about 27%) in contrast to the DC coil (about 15%). Magnetic field strength was higher for the DC coil in contrast to the Fo8 coil. The DC coil produces a higher magnetic field with higher depth of penetration than the figure of eight coil.
Power-to-Methane as one part of Power-to-Gas has been recognized globally as one of the key elements for the transition towards a sustainable energy system. While plants that produce methane catalytically have been in operation for a long time, biological methanation has just reached industrial pilot scale and near-term commercial application. The growing importance of the biological method is reflected by an increasing number of scientific articles describing novel approaches to improve this technology. However, these studies are difficult to compare because they lack a coherent nomenclature. In this article, we present a comprehensive set of parameters allowing the characterization and comparison of various biological methanation processes. To identify relevant parameters needed for a proper description of this technology, we summarized existing literature and defined system boundaries for Power-to-Methane process steps. On this basis, we derive system parameters providing information on the methanation system, its performance, the biology and cost aspects. As a result, three different standards are provided as a blueprint matrix for use in academia and industry applicable to both, biological and catalytic methanation. Hence, this review attempts to set the standards for a comprehensive description of biological and chemical methanation processes.
Automatische Multicore-Echtzeitvalidierung – Ein Prozess für modellbasierte Softwareentwicklung
(2015)
Influence of adsorbates on the performance of a field emitter array in a high voltage triode setup
(2017)
In the present work, black-silicon field emitter arrays (FEAs) are investigated regarding the influence of residual gas pressure on the characteristics and lifetime in the high voltage triode setup. Current-voltage-characteristics at different pressure levels are recorded and show a decreasing emission current with rising pressure. This decrease can be explained by an increase of the work function and charging of the emitter surface caused by adsorbates. The emission current can be restored to its initial value by heating of the FEA up to 110 °C during active emission. With this regeneration procedure, an extended lifetime from about 20 h to 440 h at a residual gas pressure of 10−5 mbar is achieved.
Precisely aligned high-aspect-ratio (HAR) silicon tip arrays were fabricated using enhanced reactive ion etching with an inductively-coupled-plasma followed by a sharpening oxidation. A gold thin film was then sputtered only on the tips of the HAR structures. Field-emission (FE) properties from Au-coated HAR p-Si tip array cathodes have been systematically investigated by means of field emission scanning microscopy (FESM). A rather high efficiency of the HAR Si structures (71% at 550 V), but limited homogeneous FE with currents of 1-600 nA might be correlated with the varying geometry of the tips and the presence of oxides. I-V measurements of single Au-coated HAR emitters revealed activation effects and the saturation current region at 3 nA. An increase of the saturation current by 4 orders of magnitude was observed during 20 hours of conditioning at constant voltage, which finally resulted in nearly reproducible FN curves with a ß-factor of 473. An excellent stability of the emission current of less than 1 % was obtained during the additional long-time conditioning at constant voltage. Optical switching under halogen lamp illumination resulted in at least 2 times higher saturation currents and showed a linear dependence of the FE current on the light color temperature.
A control circuit to stabilize the flux of electrons transmitted through an extractor electrode is presented. By controlling the emission current a fluctuation with a standard deviation of 0.015% is observed. However, the achievable stability of the transmitted electron current is limited due to a variation of the extraction grid current ratio showing a standard deviation of 4.33%. By regulating the difference of the emission current and the extraction grid current an improved stability of the transmitted electron current down to a standard deviation of 0.280% is observed. Even with operation at 2 × 10 -5 mbar a standard deviation of 0.558% is achieved.
