Umwandlung, Speicherung und Verteilung von Energie

Dieses Hauptanwendungsgebiet befasst sich mit der wirtschaftlichen Nutzung energetischer Ressourcen auf der Grundlage einer mathematischen Modellierung und Optimierung. Hierbei spielen Nachhaltigkeit und Aspekte der Elektromobilität eine wichtige Rolle. Lithium-Ionen-Batterien gehören zu den Schlüsseltechnologien bei der Speicherung erneuerbarer Energie. FG 3 und FG 7 kooperieren bei der Modellierung von Transportprozessen und ihrer Simulation. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Phasenfeldmodellierung der Flüssigphasenkristallisation von Silizium zur Entwicklung optimierter Dünnschicht-Solarzellen im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojekts. Darüberhinaus untersuchen FG 4 und FG 8 Unsicherheitsaspekte im Energiemanagement mittels stochastischer Optimierung oder Uncertainty Quantification. Hierbei stehen Gasnetzwerke und erneuerbare Energien im Mittelpunkt, in deren Kontext unsichere Parameter sich etwa in Bedarfen, Niederschlägen oder technischen Koeffizienten manifestieren können. Zugleich eröffnen sich neue Perspektiven in der Modellierung und Analysis von zufallsbehafteten Gleichgewichten in Energiemärkten sowie der Kopplung von Märkten mit den zugrundeliegenden physikalischen und kontinuumsmechanischen Eigenschaften des Energieträgers in einem Netzwerk.

Optimierungsprobleme in der Energiewirtschaft

Optimierungsprobleme in der Energiewirtschaft befassen sich mit der Produktionsplanung und Verteilung verschiedener Energieträger (Strom, Gas) zur Deckung eines gegebenen Kundenbedarfs. Hierbei stellt die Betrachtung von Unsicherheiten (z.B. Lasten, meteorologische Parameter, Preise) in Transportnetzwerken eine besondere Herausforderung dar. Das Ziel besteht in der Auffindung kostenoptimaler Entscheidungen, die zugleich robust gegenüber den Unsicherheiten sind.

Thermodynamische Modelle elektrochemischer Systeme

Das Verhalten elektrochemischer Systeme wird auf der Basis von Kontinuumsmodellen untersucht. Solche Modelle lassen sich u.a. auf Gebieten wie Elektrochemie an Einkristalloberflächen, Lithium-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen, Nanoporen in biologischen Membranen, Elektrolyse und Korrosion einsetzen.

Modellierung und Simulation von Halbleiterstrukturen

Moderne Halbleiter- und Optoelektronik wie Halbleiterlaser oder organische Feldeffekttransistoren basieren auf Halbleiterstrukturen, die z.B. durch Dotierungsprofile, Heterostrukturen oder Nanostrukturen gegeben sein können. Um das Verhalten dieser Bauelemente qualitativ und quantitativ zu beschreiben und zu optimieren, ist die mathematische Modellierung und Simulation der funktionsbestimmenden bzw. -limitierenden Ladungstransportvorgänge notwendig. Im Rahmen der Green Photonics Initiative stehen auch energieeffizientere Bauteile sowie neue Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, Kommunikationstechnologien und Beleuchtung im Vordergrund.

Phasenübergänge und Hysterese im Zusammenhang mit Speicherproblemen

Phasenübergänge und Hysteresen sind charakteristisch für die Energiespeicherung. Ziel ist es, thermodynamische Modelle zur Beschreibung der Speicherprozesse zu formulieren und zu analysieren.

Modellierung dünner Filme und Nanostrukturen auf Substraten

Dünne Filme spielen eine wichtige Rolle in der Natur und vielen technologischen Anwendungen. Insbesondere im Mikro- und Nanometerbereich werden zum Beispiel Entnetzungsprozesse oder epitaktisches Wachstum zum Design von Oberflächen mit spezifischen Materialeigenschaften eingesetzt. Neben der Bedeutung, die die mathematische Modellierung, Analysis und numerische Simulation für die Beschleunigung der Entwicklung neuere Technologien hat, ist es auch wissenschsftlich auch äußerst interessant Materialeigenschaften auf diesen kleinen Skalen zu verstehen.