Angewandte Physik
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Die vorliegende Studie untersucht die Frage, wie groß der Wasserstoffspeicherbedarf Deutschlands im Jahr 2045 unter realistischen systemischen Annahmen sein muss. Anlass ist die im Weißbuch des BMWK genannte Größenordnung von rund 76 − 80 TWh saisonaler Wasserstoffspeicherung, die in der öffentlichen Diskussion häufig als Orientierungswert verwendet wird. Die zentrale Fragestellung lautet, ob diese Größenordnung aus systemanalytischer Sicht ausreichend ist, wenn im Jahr 2045 ein Wasserstoffsystem mit erheblichem Importanteil betrieben werden soll.
Für den Bedarf eines solches Wasserstoffsystems werden folgende Zahlen genannt: Der Nationale Wasserstoffrat taxiert den Bedarf auf 955 ± 335 TWℎ⁄a. Die Wasserstoffimportstrategie des Bundeswirtschaftsministeriums geht von einem Wasserstoffimportbedarf von 360 bis 500 TWℎ/a aus. Aus Daten des von der Bundesnetzagentur genehmigten Netzentwicklungsplans lassen sich Eigenerzeugungswerte von 124 bis 148 TWℎ/a ableiten.
Methodisch wird der künftige Wasserstoffspeicherbedarf aus der heutigen Erdgasversorgung als empirischer Referenz abgeleitet. Die Analyse aktueller Zeitreihen zeigt, dass der Erdgasimport nach Deutschland über das Jahr hinweg vergleichsweise konstant erfolgt, während der Verbrauch stark saisonal schwankt. Die saisonale Flexibilität wird daher primär durch Speicher bereitgestellt, nicht durch saisonal modulierte Importe. Zudem weist das Importaufkommen eine signifikante zeitliche Trägheit auf, die durch Autokorrelationsanalysen quantifiziert werden kann. Diese strukturellen Eigenschaften werden als Analogie für ein zukünftiges Wasserstoffsystem herangezogen, insbesondere unter der Annahme eines überwiegend kontinuierlichen Zuflusses aus in- und ausländischer Elektrolyse. Hierin unterscheidet sich die Wasserstoffverfügbarkeit erheblich von der Erdgasverfügbarkeit, die auf sehr große natürlich vorhanden Reservoirs zurückgreifen kann.
Auf dieser Grundlage werden zwei Speicheraufgaben getrennt betrachtet:
1. Reservespeicher zur Absicherung gegen Importstörungen oder Nachladeverzögerungen bei konstantem Zufluss,
2. Saisonalspeicher zum Ausgleich eines winterlich erhöhten Verbrauchs bei weitgehend gleichbleibender Einspeisung.
Die Berechnung des Reservespeichers erfolgt auf Basis historischer Schwankungsbreiten des Nettoaufkommens und definierter Sicherheitszeiträume. Der Saisonalspeicher wird über eine modellierte Verbrauchsmodulation bestimmt, die sich am heutigen jahreszeitlichen Verlauf des Erdgasverbrauchs orientiert. Beide Speicheraufgaben können im Extremfall gleichzeitig auftreten und werden daher additiv betrachtet.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass der erforderliche Gesamtspeicherbedarf signifikant über den im Weißbuch genannten 76 − 80 TWh liegt. Je nach Szenario ergibt sich eine Bandbreite von etwa 175 bis 315 TWh, mit einem mittleren Wert von rund 230 TWh. Eine grobe Plausibilitätsabschätzung auf Basis prozentualer Übertragung heutiger Erdgas-Speicherrelationen bestätigt diese Größenordnung. Die Diskrepanz zur Weißbuchzahl resultiert primär daraus, dass dort nur die saisonale Stromkomponente berücksichtigt wird, während mit Blick auf den künftig erforderlichen Wasserstoffimport Reservefunktionen und sektorübergreifende Nachfrageeffekte nicht vollständig einbezogen sind.
Im weiteren Verlauf wird untersucht, ob ein derartiger Speicherhochlauf infrastrukturell realistisch ist. Die historische Entwicklung der deutschen Erdgasspeicher folgt näherungsweise einer logistischen Sigmoid-Funktion mit einer charakteristischen Hochlaufphase und abnehmender Zuwachsrate gegen Ende des Ausbaus. Überträgt man diese Dynamik auf den notwendigen Wasserstoffspeicherausbau, ergeben sich – selbst bei stark beschleunigter Baugeschwindigkeit – erhebliche zeitliche Anforderungen. Je nach Zielgröße werden Ausbauzeiträume erforderlich, die deutlich über das Jahr 2045 hinausreichen, sofern keine außergewöhnliche Beschleunigung erfolgt.
Vor diesem Hintergrund wird die Frage nach der Rolle des Marktes diskutiert. Wasserstoffspeicher besitzen Eigenschaften strategischer Infrastruktur: hohe Kapitalbindung, lange Amortisationszeiträume, regulatorische Unsicherheit und systemische Relevanz. Unter Bedingungen hoher Marktrisiken und fehlender Investitionssicherheit ist im Gegensatz zur aktuellen Auffassung des Bundeswirtschaftsministeriums nicht davon auszugehen, dass „der Markt“ allein in kurzer Zeit Speicher im dreistelligen Terawattstundenbereich aus eigenem Antrieb errichtet. Dies gilt umso mehr, wenn der Wasserstoffbedarf wesentlich importabhängig ist und damit zusätzliche geopolitische Unsicherheiten bestehen.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Speicherfrage nicht eine lediglich technische Detailfrage der Energiewende ist, sondern eine zentrale Systemfrage. Soll Wasserstoff im Jahr 2045 eine tragende Rolle im Energiesystem spielen, muss der erforderliche Speicherbedarf realistisch dimensioniert und der infrastrukturelle Hochlauf frühzeitig und strategisch geplant werden. Eine alleinige Orientierung an optimistischen Importannahmen oder an reduzierten Saisonwerten unterschätzt die strukturellen Anforderungen eines resilienten Wasserstoffsystems erheblich. Ohne massives Eingreifen sowohl des eigenen als auch ausländischer Staaten kann mit der avisierten Wasserstoffversorgung nicht gerechnet werden.
This study examines how manufacturer-specific additive formulations used to obtain nominally identical black PLA filaments influence the thermal, mechanical, and tribological performance of FDM-printed parts. Five commercial filaments were analyzed under identical processing conditions using thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), tensile testing, pin-on-disc measurements, and stereomicroscopy. The filaments exhibited substantial compositional variability, with total additive contents ranging from 2.08 wt.% to 27.82 wt.%. One filament (M5) contained a significant fraction of inorganic fillers, confirmed by SEM/EDX as Ca-, Na- and Mg-based oxides and silicates, identifying it as a PLA-based composite despite being marketed as standard PLA. These differences strongly affected thermal behavior (Tg, Tcc, Tm) and translated directly into the performance of the printed parts. Ultimate tensile strength varied by 88.91% across all filaments (19.38–36.61 MPa), but only by 13% among the four conventional PLA filaments (M1–M4). Tribological performance differed markedly: mean coefficients of friction ranged from 0.246 (M3) to 0.368 (M2), a spread of approximately 50%, with wear-track morphologies reflecting the frictional response. Overall, the results show that PLA filaments cannot be treated as interchangeable materials. Greater transparency and standardized reporting of filament composition are needed to ensure reproducibility and support informed material selection in FDM applications.
Photovoltaikmodule unterliegen im Betrieb verschiedenen Degradationsmechanismen, die zu Leistungsverlusten führen. Diese Studie[1] untersucht die tatsächliche Degradation ausgewählter Solarmodule der Photovoltaikanlage an der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen über einen Zeitraum von bis zu 23 Jahren[2]. Ziel ist es, die Langzeitstabilität verschiedener Modultechnologien unter realen Betriebsbedingungen zu evaluieren und Aussagen über die Qualität der Degradation zu treffen.
Die Untersuchung umfasst PV-Installationen mit kristallinen Modulen (mono- und polykristallin), Dünnschichtmodulen (amorphes und mikrokristallines Silizium) sowie innovativen Heterojunction-Modulen (Sanyo HIT). Nach Auswertung der Ertragsdaten und Performance Ratio wurden zehn Module aus den einzelnen Anlagen selektiert und im Solarlabor mittels Sonnensimulator unter Standard-Testbedingungen (STC) vermessen. Ergänzende Elektrolumineszenz- und Thermographie-Analysen ermöglichten die Identifikation von Mikrodefekten, Zellrissen und Hot-Spots.
Die Ergebnisse bezogen auf die Laborleistungsmessung zeigen Degradationsraten zwischen 0,16% und 0,65% pro Jahr, abhängig von der Modultechnologie. Polykristalline PeakonP-Module weisen durchschnittliche Verluste von 0,53% jährlich auf. Monokristalline Solon Black 230 Module zeigen geringere Degradation (0,37% p.a.), während rückseitenkontaktierte Solon Black 280 Module geringe Werte erreichen (0,16% p.a.). Heterojunction-Module (Sanyo HIT) zeigen eine Degradation von 0,64% p.a. Die Hauptdegradationsursachen sind lichtinduzierte Degradation (LID), potentialinduzierte Degradation (PID), Zellrisse und Delaminationen. Die meisten Module erfüllen oder übertreffen die Herstellergarantien von 90% nach 10 Jahren.
[1] Die in diesem Beitrag präsentierten Ergebnisse basieren auf der Bachelorarbeit von Daniel Westers, die im FB 2 (Lehreinheit Elektrotechnik) der Westfälischen Hochschule im Jahr 2021 im Solarlabor unter Betreuung von Prof. Dr. Andreas Schneider durchgeführt wurde.
[2] Alle zeitlichen Angaben in dieser Arbeit beziehen sich auf das Jahr der Bearbeitung der Bachelorarbeit.
Directed Energy Deposition-Laser (DED-L) enables high-performance coatings through melting and successive powder deposition. Its compositional flexibility suits functionally graded layers that enhance corrosion and wear resistance. This study aimed to improve parameters for producing dense, defect-free, graded Ni- and Fe-based coatings by varying the scanning speed and deposition strategy (monodirectional versus bidirectional, with/without layer rotation), while keeping the power and hatch distance constant. Laser and electron microscopy were used to link parameters to porosity and uniformity. Optimal settings minimized pores, improved interlayer bonding and preserved geometry; inadequate parameters yielded porous, irregular deposits. A bidirectional path with 90° rotation appeared best. Ongoing research activities are needed to assess its properties.
Highlights
What are the main findings?
- Bidirectional samples show fewer pores than samples with monodirectional movement.
- Increasing the scanning speed leads to lower porosity (bidirectional scanning mode with 90°
layer rotation).
- Bidirectional deposition with 90° layer rotation exhibits best quality
What are the implications of the main findings?
- Systematic study of scanning speed and deposition strategy.
- Practical guidance for process improvement of graded metal coatings; properties under evaluation.
- Functionally graded Ni-Fe coatings fabricated by DED-L with tailored microstructures.

