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The present work deals with the integration of variable renewable energy sources, wind and solar energy into the European and US power grid. In contrast to other networks, such as the gas supply mains, the electricity network is practically not able to store energy. Generation and consumption therefore always have tobe balanced. Currently, the load curve is viewed as a rigid boundary condition, which must be followed by the generation system. The basic idea of the approach followed here is that weather-dependent generation causes a shift of focus of the electricity supply. At high shares of wind and solar generation, the role of the rigid boundary condition falls to the residual load, that is, the remaining load after subtraction of renewable generation. The goal is to include the weather dependence as well as the load curve in the design of the future electricity supply.
After a brief introduction, the present work first turns to the underlying weather-, generation and load data, which form the starting point of the analysis. In addition, some basic concepts of energy economics are discussed, which are needed in the following.
In the main part of the thesis, several algorithms are developed to determine the load flow in a network with a high share of wind and solar energy and to determine the backup supply needed at the same time. Minimization of the energy needed from controllable power plants, the capacity variable power plants, and the capacity of storing serve as guiding principles. In addition, the optimization problem of grid extensions is considered. It is shown that it can be formulated as a convex optimization problem. It turns out that with an optimized, international transmission network which is about four times the currently available transmission capacity, much of the potential savings in backup energy (about 40%) in Europe can be reached. In contrast, a twelvefold increase the transmission capacity would be necessary for a complete implementation of all possible savings in dispatchable power plants.
The reduction of the dispatchable generation capacity and storage capacity, however, presents a greater challenge. Due to correlations in the generation of time series of individual countries, it may be reduced only with difficulty, and by only about 30%.
In the following, the influence of the relative share of wind and solar energy is illuminated and examined the interplay with the line capacitance. A stronger transmission network tends to lead to a higher proportion of wind energy being better integrated. With increasing line capacity, the optimal mix in Europe therefore shifts from about 70% to 80% wind. Similar analyses are carried out for the US with comparable results.
In addition, the cost of the overall system can be reduced. It is interesting at this point that the advantages for the network integration may outweigh higher production costs of individual technologies, so that it is more favourable from the viewpoint of the entire system to use the more expensive technologies.
Finally, attention is given to the flexibility of the dispatchable power plants. Starting from a Fourier-like decomposition of the load curve as it was a few years ago, when hardly renewable generation capacity was present, capacities of different flexibility classes of dispatchable power plant are calculated. For this purpose, it is assumed that the power plant park is able to follow the load curve without significant surplusses or deficits. From this examination, it is derived what capacity must at least be available without having to resort to a detailed database of existing power plants.
Assuming a strong European cooperation, with a stronger international transmission network, the dispatchable power capacity can be significantly reduced while maintaining security of supply and generating relatively small surplusses in dispatchable power plants.
Dynamics of chaotic strings
(2011)
The main topic of this thesis is the investigation of dynamical properties of coupled Tchebycheff map networks. At every node of the network the dynamics is given by the iteration of a Tchebycheff map, which shows strongest possible chaotic behaviour. By applying a coupling between the various individual dynamics along the links of the network, a rich structure of complex dynamical patterns emerges. Accordingly, coupled chaotic map networks provide prototypical models for studying the interplay between local dynamics, network structure, and the emergent global dynamics. An exciting application of coupled Tchebycheff map lattices in quantum field theory has been proposed Beck in Spatio-temporal chaos and vacuum fluctuations of quantized fields' (2002). In this so-called chaotic string model, the coupled map lattice dynamics generates the noise needed for the Parisi-Wu approach of stochastic quantization. The remarkable obversation is that the respective dynamics seems to reproduce distinguished numerical values of coupling constants that coincide with those observed in the standard model of particle physic. The results of this thesis give insights into the chaotic string model and its network generalization from a dynamical point of view. This leads to a deeper understanding of the dynamics, which is essential for a critical discussion of possible physical embeddings. Apart from this specific application to particle physics, the investigated concepts like synchronization or a most random behaviour of the dynamics are of general interest for dynamical system theory and the science of complex networks. As a first approach, discrete symmetry transformations of the model are studied. These transformations are formulated in a general way in order to be also applicable to similar dynamics on bipartite network structures. An observable of main interest in the chaotic string model is the interaction energy. In Spatio-temporal chaos and vacuum fluctuations of quantized fields' (2002) it has been observed that certain chaotic string couplings, corresponding to a vanishing interaction energy, coincide with coupling constants of the standard model of elementary particle physics. Since the interaction energy is basically a spatial correlation measure, an interpretation of the respective dynamical states in terms of a most random behaviour is tempting. In order to distinguish certain states as most random', or evoke another dynamical principle, a deeper understanding of the dynamics essential. In the present thesis the dynamics is studied numerically via Lyapunov measures, spatial correlations, and ergodic properties. It is shown that the zeros of the interaction energy are distinguished only with respect to this specific observable, but not by a more general dynamical principle. The original chaotic string model is defined on a one-dimensional lattice (ring-network) as the underlying network topology. This thesis studies a modification of the model based on the introduction of tunable disorder. The effects of inhomogeneous coupling weights as well as small-world perturbations of the ring-network structure on the interaction energy are discussed. Synchronization properties of the chaotic string model and its network generalization are studied in later chapters of this thesis. The analysis is based on the master stability formalism, which relates the stability of the synchronized state to the spectral properties of the network. Apart from complete synchronization, where the dynamics at all nodes of the network coincide, also two-cluster synchronization on bipartite networks is studied. For both types of synchronization it is shown that depending on the type of coupling the synchronized dynamics can display chaotic as well as periodic or quasi-periodic behaviour. The semi-analytical calculations reveal that the respective synchronized states are often stable for a wide range of coupling values even for the ring-network, although the respective basins of attraction may inhabit only a small fraction of the phase space. To provide analytical results in closed form, for complete synchronization the stability of all fixed points and period-2 orbits of all chaotic string networks are determined analytically. The master stability formalism allows to treat the ring-network of the chaotic string model as a special case, but the results are valid for coupled Tchebycheff maps on arbitrary networks. For two-cluster synchronization on bipartite networks, selected fixed points and period-2 orbits are analyzed.
Zellulare Nichtlineare Netzwerke bzw. Zellulare Neuronale Netzwerke, sogenannte CNN, wurden 1988 von L.O. Chua und L.Yang eingeführt und seither intensiv untersucht. Diese sind als Simulations-Software und als schaltungstechnische Realisierungen, in Hardware, verfügbar.
Als analog arbeitende Hardware Schaltungen können diese Netzwerke erhebliche Rechenleistungen erzielen.
Durch ihren Aufbau ermöglichen sie eine parallele Daten- und Signalverarbeitung.
Eine Einführung in CNN wird gegeben und das EyeRIS 1.1 Systems des Unternehmens ANAFOCUS Ltd. vorgestellt.
Das EyeRIS 1.1 System ist mit einem analog arbeitenden Focal Plane Prozessor (FPP) und einem digitalen Prozessor ausgestattet, wobei der Focal Plane Prozessor auch als Kamera zur Aufnahme von Bildern und Bildsequenzen benutzt werden kann.
Dies ermöglicht es, analoge CNN-Algorithmen zusammen mit digitalen Algorithmen auf einem System zu implementieren und so die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Der Datenaustausch zwischen dem analogen und digitalem Teil des EyeRIS 1.1 Systems geschieht mittels digital/analog und analog/digital Wandlung. Es werden Algorithmen auf dem EyeRIS 1.1 System untersucht und mit Ergebnissen die mittels Simulationen erzeugt wurden verglichen.
In Voruntersuchungen werden die Darstellungsgenauigkeit von Werten im analogen Teil des EyeRIS 1.1 Systems und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten des EyeRIS 1.1 Systems untersucht.
Im Weiteren wird besonderes Augenmerk auf medizinische und technische Anwendungsgebiete gelegt werden.
Im medizinischen Anwendungsbereich wird die Implementierung von Algorithmen zur Vorhersage epileptischer Anfälle untersucht.
Hierfür wird ein evolutionär motiviertes Optimierungsverfahren entwicklet und auf dem EyeRIS 1.1-System implementiert.
Hierbei werden Simulationen durchgeführt und mit Ergebnissen, die mittels Verwendung des EyeRIS 1.1 Systems erlangt wurden, verglichen.
Ein zweites Verfahren geht die Signalanalyse für die Vorhersage auf dem EyeRIS 1.1-System mittels Mustererkennung an.
Das Mustererkennungsverfahren wird eingehend beschrieben sowie die hierbei zu beachtenden Randbedingungen erläutert.
Die Ergebnisse zeigen, daß Algorithmen zur Vorhersage von epileptischen Anfällen auf schaltungstechnichen Realisierungen von CNN implementiert werden können.
Im technischen Bereich wird die Anwendbarkeit auf die Problemstellung der Bildverarbeitung gelegt und die Möglichkeit von CNN basierten Algorithmen zur Erkennung von Prozessparametern bei Laserschweißverfahren untersucht. Ein solcher Prozessparameter ist das sogenannte Key-Hole, welches in Bildsequenzen von Laserschweißprozessen als ein Maß für die zu erwartende Qualität einer Schweißnaht herangezogen werden kann. Ein CNN basierter Algorithmus für die Erkennung solcher Key-Holes wird in dieser Arbeit vorgestellt und untersucht.
Für die Überwachung eines Laserschweißverfahrens wird der entwickelte Algorithmius und seine Funktionsweise beschrieben.
Dieser wird in Teilalgorithmen auf die analog bzw. digital arbeitenden Komponenten des EyeRIS 1.1 Systems verteilt.
Die Teilalgorithmen und die möglichen Aufteilungen und deren Laufzeitverhalten werden beschrieben und untersucht.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, daß eine Prozessüberwachung mittels CNN möglich ist und heben die Vorteile hervor, welche die Bildaufnahme und -verarbeitung mittels analoger CNN-Hardware bietet.
Eine Untersuchung des Laufzeitverhaltens auf Grafikkarten Prozessoren (GPU's) wird im Anhang vorgestellt.
For the transport of high-intensity hadron beams in low-energy beam lines of linear accelerators, the compensation of space charge forces by the accumulation of particles of opposite charge is an important effect, reducing the required focusing strength and potentially the emittance growth due to space charge forces. In this thesis, space charge compensation was studied by including the secondary particles in particle-in-cell simulations.
For this purpose, a new electrostatic particle-in-cell code named bender was developed. The software was tested using known self-consistent solutions for an electron plasma confined in an external potential as well as for a KV distributed beam in a periodic focusing lattice. For the simulation of compensation, models for residual gas ionisation by proton and electron impact were implemented.
The compensation process was studied for a 120 keV, 100 mA proton beam transported through a short drift section. Various features in the particle distributions were identified, which can not explained by a uniform reduction in the electric field of the beam. These were tied to the presence of thermal electrons confined within the beam potential. Using the Poisson-Boltzmann equation, their distribution could be reproduced and their influence on the beam for a wider range of parameters studied. However, the observed temperatures show a significant numerical influence. The hypothesis was formed, that stochastical heating present in particle-in-cell simulations is the mechanism leading to the formation of the observed (partial) thermal equilibrium.
For the low-energy beam transport line of the Frankfurt neutron source FRANZ, bender was used to predict the pulse shaping in the novel ExB chopper system. The code was also used for the design and the study of an electron lens for the Integrable Optics Test Accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory. Aberrations due to guiding center drifts and the strong electric field of the electron beam as well as the current limits in such a system were investigated.
Wir haben uns in dieser Arbeit der Frage nach der Dissipation in niederenergetischen Schwerionenkollisionen gewidmet. Dissipation im Allgemeinen hat ihre Ursache in direkten Teilchenkollisionen, die in der Methode von TDHF bezüglich der Nukleonen fehlen. Im VUU-Modell sind sie dagegen ein zentraler Bestandteil der Zeitentwicklung und spielen bei mittleren und hohen Energien eine wichtige Rolle.
Mithilfe des VUU-Modells wurde deshalb versucht einen Einfluss der Nukleon-Nukleon-Kollsionen auf den Impulsstrom festzustellen, der an der Verbindungsstelle in der Reaktion 16O + 132Sn mit b = 7 fm und Ecm = 100 vorliegt. Dabei variierten wir den NN-Wirkungsquerschnitt im Kollisionsterm der VUU-Gleichung mit der Erwartung, dass eine daraus resultierende Verminderung bzw. Erhöhung der Stoßrate Auswirkungen auf die Geschwindigkeitsverteilungen der Materie zeigt. Ein positives Ergebnis hätte den Schluss nahegelegt, dass die mittlere freie Weglände und damit die Viskosität von Kernmaterie in Schwerionenkollisionen zu berücksichtigen ist.
Im Verlauf unserer Analyse haben wir festgestellt, dass die von uns verwendeten Methoden nicht zu den gewünschten Ergebnissen führten, z.T. auch weil die Kerne in den VUU-Rechnungen Instabilität aufwiesen und so die relevante Reaktionszeit einschgeschränkt wurde. Wir konnten einen Einfluss von direkten Teilchenkollisionen auf den Impulsstrom zwischen den Kernen des obigen Systems nicht verifizieren. Zusätzliche Simulationen an 12C + 12C mit b = 0 fm haben dann gezeigt, dass offenbar der allergrößte Teil der Nukleon-Nukleon-Kollisionen aufgrund des Pauli-Prinzips blockiert wird. Aus diesem Grund ziehen wir die Möglichkeit in Betracht, dass die starke Präsenz des Pauli-Prinzips im niederenergetischen Bereich die Stoßrate nicht nur maßgeblich reduziert, sondern damit direkte Stöße insgesamt kaum Einfluss auf den Impulsstrom und die Dissipation haben könnten. Die Dissipation ist demnach hauptsächlich auf einen Austausch üuber die Verbindungsstelle zweier Kerne zurückzuführen, was in weiterführender Literatur unter dem Stichwort window formula bekannt ist.
Weitere Untersuchungen in diese Richtung sind wünschenwert. Insbesondere ist es erforderlich das angesprochene Zeitproblem zu lösen, um eventuell die Stoßrate zu erhöhen. Dann könnte ein möglicher Einfluss auf den Impulsstrom wesentlich länger und detaillierter studiert werden. Es bietet sich zudem an, das benutzte Auswerteprogramme vuudens so abzuändern, dass z.B. ein feineres Gitter benutzt werden kann, auf dem die Dichten berechnet werden. Das so gesteigerte Auflösungsvermögen würde sicherlich die
Unzulänglichkeiten der in dieser Arbeit verwendeten Methoden reduzieren. Bei weiterem und tieferem Studium der besprochenen Prozesse könnte es natürlich sein, dass bessere Ansätze zur Analyse gefunden werden. Dies wäre in jedem Fall zu begrüßen.
