Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Evaluating the state of the art of parallel programming systems

This paper describes our plans to evaluate the present state of affairs concerning parallel programming and its systems. Three subprojects are proposed: a survey among programmers and scientists, a comparison of parallel programming systems using a standard set of test programs, and a wiki resource for the parallel programming community - the Parawiki. We would like to invite you to participate and turn these subprojects into true community efforts.

Spacelike maximal surfaces in 3D Lorentz-Minkowski space

We investigate spacelike maximal surfaces in 3-dimensional Lorentz-Minkowski space, give an Enneper-Weierstrass representation of such surfaces and classify those with a Lorentzian or Euclidian rotation symmetry.

Fluorescence studies on the 3d-ionization threshold range in krypton

Krypton atoms were excited by photons in the energy range from the threshold for photoionization of the 3d-electrons up to 120 eV. and the fluorescence radiation in the spectral range from 780 to 965 A was observed and analyzed. Cross sections for the population of excited states in KrIII with at least one 4s-hole resulting from an Auger transition as the first decay step and for KrII satellites were determined. The energy dependence of the 3d-ionization cross section in the 3d{_5/2}- and the 3d{_3/2}-threshold range was derived from the experimental data. The cross sections for production of KrII states were found to follow the energy dependence of the 3d-cross sections.

Study of 3d - 4f and 3d - 5f quartet and doublet transitions of doubly excited three-electron ions

We present the first observation of optical transitions between doubly excited doublet states in the term systems N V, 0 VI and F VII. The spectra were produced by foil excitation of fast ion beams. The assignment of the spectral lines was made by comparison with the results of MCDP calculations along the isoelectronic sequence. The same method also led to the identification of two 3d - 4f quartet transitions in Mg X.

3D Simultaneous Inversion for Seismic Structure and Local Hypocenters in Germany under Consideration of Seismic Anisotropy in the Upper Mantel

The main task of this work has been to investigate the effects of anisotropy onto the propagation of seismic waves along the Upper Mantle below Germany and adjacent areas. Refraction- and reflexion seismic experiments proved the existence of Upper Mantle anisotropy and its influence onto the propagation of Pn-waves. By the 3D tomographic investigations that have been done here for the crust and the upper mantle, considering the influence of anisotropy, a gap for the investigations in Europe has been closed. These investigations have been done with the SSH-Inversionprogram of Prof. Dr. M. Koch, which is able to compute simultaneously the seismic structure and hypocenters. For the investigation, a dataset has been available with recordings between the years 1975 to 2003 with a total of 60249 P- and 54212 S-phase records of 10028 seismic events. At the beginning, a precise analysis of the residuals (RES, the difference between calculated and observed arrivaltime) has been done which confirmed the existence of anisotropy for Pn-phases. The recognized sinusoidal distribution has been compensated by an extension of the SSH-program by an ellipse with a slow and rectangular fast axis with azimuth to correct the Pn-velocities. The azimuth of the fast axis has been fixed by the application of the simultaneous inversion at 25° - 27° with a variation of the velocities at +- 2.5 about an average value at 8 km/s. This new value differs from the old one at 35°, recognized in the initial residual analysis. This depends on the new computed hypocenters together with the structure. The application of the elliptical correction has resulted in a better fit of the vertical layered 1D-Model, compared to the results of preceding seismological experiments and 1D and 2D investigations. The optimal result of the 1D-inversion has been used as initial starting model for the 3D-inversions to compute the three dimensional picture of the seismic structure of the Crust and Upper Mantle. The simultaneous inversion has showed an optimization of the relocalization of the hypocenters and the reconstruction of the seismic structure in comparison to the geology and tectonic, as described by other investigations. The investigations for the seismic structure and the relocalization have been confirmed by several different tests. First, synthetic traveltime data are computed with an anisotropic variation and inverted with and without anisotropic correction. Further, tests with randomly disturbed hypocenters and traveltime data have been proceeded to verify the influence of the initial values onto the relocalization accuracy and onto the seismic structure and to test for a further improvement by the application of the anisotropic correction. Finally, the results of the work have been applied onto the Waldkirch earthquake in 2004 to compare the isotropic and the anisotropic relocalization with the initial optimal one to verify whether there is some improvement.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Region-Based Feature Interpretation for Recognizing 3D Models in 2D Images

In model-based vision, there are a huge number of possible ways to match model features to image features. In addition to model shape constraints, there are important match-independent constraints that can efficiently reduce the search without the combinatorics of matching. I demonstrate two specific modules in the context of a complete recognition system, Reggie. The first is a region-based grouping mechanism to find groups of image features that are likely to come from a single object. The second is an interpretive matching scheme to make explicit hypotheses about occlusion and instabilities in the image features.

Geometry and Photometry in 3D Visual Recognition

The report addresses the problem of visual recognition under two sources of variability: geometric and photometric. The geometric deals with the relation between 3D objects and their views under orthographic and perspective projection. The photometric deals with the relation between 3D matte objects and their images under changing illumination conditions. Taken together, an alignment-based method is presented for recognizing objects viewed from arbitrary viewing positions and illuminated by arbitrary settings of light sources.

ADAM: A Decentralized Parallel Computer Architecture Featuring Fast Thread and Data Migration and a Uniform Hardware Abstraction

The furious pace of Moore's Law is driving computer architecture into a realm where the the speed of light is the dominant factor in system latencies. The number of clock cycles to span a chip are increasing, while the number of bits that can be accessed within a clock cycle is decreasing. Hence, it is becoming more difficult to hide latency. One alternative solution is to reduce latency by migrating threads and data, but the overhead of existing implementations has previously made migration an unserviceable solution so far. I present an architecture, implementation, and mechanisms that reduces the overhead of migration to the point where migration is a viable supplement to other latency hiding mechanisms, such as multithreading. The architecture is abstract, and presents programmers with a simple, uniform fine-grained multithreaded parallel programming model with implicit memory management. In other words, the spatial nature and implementation details (such as the number of processors) of a parallel machine are entirely hidden from the programmer. Compiler writers are encouraged to devise programming languages for the machine that guide a programmer to express their ideas in terms of objects, since objects exhibit an inherent physical locality of data and code. The machine implementation can then leverage this locality to automatically distribute data and threads across the physical machine by using a set of high performance migration mechanisms. An implementation of this architecture could migrate a null thread in 66 cycles -- over a factor of 1000 improvement over previous work. Performance also scales well; the time required to move a typical thread is only 4 to 5 times that of a null thread. Data migration performance is similar, and scales linearly with data block size. Since the performance of the migration mechanism is on par with that of an L2 cache, the implementation simulated in my work has no data caches and relies instead on multithreading and the migration mechanism to hide and reduce access latencies.

A Statistical Image-Based Shape Model for Visual Hull Reconstruction and 3D Structure Inference

We present a statistical image-based shape + structure model for Bayesian visual hull reconstruction and 3D structure inference. The 3D shape of a class of objects is represented by sets of contours from silhouette views simultaneously observed from multiple calibrated cameras. Bayesian reconstructions of new shapes are then estimated using a prior density constructed with a mixture model and probabilistic principal components analysis. We show how the use of a class-specific prior in a visual hull reconstruction can reduce the effect of segmentation errors from the silhouette extraction process. The proposed method is applied to a data set of pedestrian images, and improvements in the approximate 3D models under various noise conditions are shown. We further augment the shape model to incorporate structural features of interest; unknown structural parameters for a novel set of contours are then inferred via the Bayesian reconstruction process. Model matching and parameter inference are done entirely in the image domain and require no explicit 3D construction. Our shape model enables accurate estimation of structure despite segmentation errors or missing views in the input silhouettes, and works even with only a single input view. Using a data set of thousands of pedestrian images generated from a synthetic model, we can accurately infer the 3D locations of 19 joints on the body based on observed silhouette contours from real images.

Safe Distributed Coordination of Heterogeneous Robots through Dynamic Simple Temporal Networks

Research on autonomous intelligent systems has focused on how robots can robustly carry out missions in uncertain and harsh environments with very little or no human intervention. Robotic execution languages such as RAPs, ESL, and TDL improve robustness by managing functionally redundant procedures for achieving goals. The model-based programming approach extends this by guaranteeing correctness of execution through pre-planning of non-deterministic timed threads of activities. Executing model-based programs effectively on distributed autonomous platforms requires distributing this pre-planning process. This thesis presents a distributed planner for modelbased programs whose planning and execution is distributed among agents with widely varying levels of processor power and memory resources. We make two key contributions. First, we reformulate a model-based program, which describes cooperative activities, into a hierarchical dynamic simple temporal network. This enables efficient distributed coordination of robots and supports deployment on heterogeneous robots. Second, we introduce a distributed temporal planner, called DTP, which solves hierarchical dynamic simple temporal networks with the assistance of the distributed Bellman-Ford shortest path algorithm. The implementation of DTP has been demonstrated successfully on a wide range of randomly generated examples and on a pursuer-evader challenge problem in simulation.

Building Grounded Abstractions for Artificial Intelligence Programming

Most Artificial Intelligence (AI) work can be characterized as either ``high-level'' (e.g., logical, symbolic) or ``low-level'' (e.g., connectionist networks, behavior-based robotics). Each approach suffers from particular drawbacks. High-level AI uses abstractions that often have no relation to the way real, biological brains work. Low-level AI, on the other hand, tends to lack the powerful abstractions that are needed to express complex structures and relationships. I have tried to combine the best features of both approaches, by building a set of programming abstractions defined in terms of simple, biologically plausible components. At the ``ground level'', I define a primitive, perceptron-like computational unit. I then show how more abstract computational units may be implemented in terms of the primitive units, and show the utility of the abstract units in sample networks. The new units make it possible to build networks using concepts such as long-term memories, short-term memories, and frames. As a demonstration of these abstractions, I have implemented a simulator for ``creatures'' controlled by a network of abstract units. The creatures exist in a simple 2D world, and exhibit behaviors such as catching mobile prey and sorting colored blocks into matching boxes. This program demonstrates that it is possible to build systems that can interact effectively with a dynamic physical environment, yet use symbolic representations to control aspects of their behavior.

View-Based Strategies for 3D Object Recognition

A persistent issue of debate in the area of 3D object recognition concerns the nature of the experientially acquired object models in the primate visual system. One prominent proposal in this regard has expounded the use of object centered models, such as representations of the objects' 3D structures in a coordinate frame independent of the viewing parameters [Marr and Nishihara, 1978]. In contrast to this is another proposal which suggests that the viewing parameters encountered during the learning phase might be inextricably linked to subsequent performance on a recognition task [Tarr and Pinker, 1989; Poggio and Edelman, 1990]. The 'object model', according to this idea, is simply a collection of the sample views encountered during training. Given that object centered recognition strategies have the attractive feature of leading to viewpoint independence, they have garnered much of the research effort in the field of computational vision. Furthermore, since human recognition performance seems remarkably robust in the face of imaging variations [Ellis et al., 1989], it has often been implicitly assumed that the visual system employs an object centered strategy. In the present study we examine this assumption more closely. Our experimental results with a class of novel 3D structures strongly suggest the use of a view-based strategy by the human visual system even when it has the opportunity of constructing and using object-centered models. In fact, for our chosen class of objects, the results seem to support a stronger claim: 3D object recognition is 2D view-based.

On the Convergence of Stochastic Iterative Dynamic Programming Algorithms

Recent developments in the area of reinforcement learning have yielded a number of new algorithms for the prediction and control of Markovian environments. These algorithms, including the TD(lambda) algorithm of Sutton (1988) and the Q-learning algorithm of Watkins (1989), can be motivated heuristically as approximations to dynamic programming (DP). In this paper we provide a rigorous proof of convergence of these DP-based learning algorithms by relating them to the powerful techniques of stochastic approximation theory via a new convergence theorem. The theorem establishes a general class of convergent algorithms to which both TD(lambda) and Q-learning belong.