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A general framework for nitrogen deposition effects on soil respiration in global forests
Get PDFSince the Industrial Revolution, human activities have altered atmospheric nitrogen (N) deposition to global forests, affecting carbon dioxide emissions from soils (soil respiration or SR) – one of the largest land-atmosphere carbon fluxes. However, experimental studies have demonstrated both positive and negative effects of N deposition on SR in global forests, leading to debates on how N deposition increases or decreases SR. We developed a framework for generalizing SR responses to N deposition using synthesized data from 168 N addition experiments worldwide and observed SR across the global natural N deposition gradient. The findings indicate that N deposition decreased SR in 2.9% of global forested areas, particularly in eastern China, western Europe, and the eastern USA. However, the net effect of N deposition increased the global forest SR by ~5% (1.7 ± 0.1 PgC yr). If N pollution could be effectively controlled, global forest SR would decrease, potentially contributing to a reduction in the terrestrial carbon emissions
Incipient motion of a single particle on a regular substrate in an oscillatory flow
Get PDFWe investigate and model the initiation of motion of a single particle on a structured substrate within an oscillatory boundary layer flow, following a mechanistic approach. By deterministically relating forces and torques acting on the particle to the instantaneous ambient flow, the effects of flow unsteadiness are captured, revealing rich particle dynamics. Laboratory experiments in an oscillatory flow tunnel characterise the initiation and early stages of motion, with particle imaging velocimetry measurements yielding the flow conditions at the motion threshold. The experiments validate and complement results from particle-resolved direct numerical simulations, combining an immersed boundary method with a discrete element method that incorporates a static friction contact model.
Within the parameter range just above the motion threshold, the mobile particle rolls without sliding over the substrate, indicating that motion initiation is governed by an unbalanced torque rather than a force. Both experimental and numerical results show excellent agreement with an analytical torque balance including hydrodynamic torque derived from the theoretical Stokes velocity profile, and contributions of lift, added mass
and externally imposed pressure gradient. In addition to static and rolling particle states, we identify a wiggling regime where the particle moves but does not leave its original pocket. Our deterministic approach enables prediction of the phase within the oscillation cycle at which the particle starts moving, without relying on empirical threshold estimates
Two-loop QCD corrections to and off-shell boson pair production in gluon fusion
Get PDFWe compute two-loop corrections to the associated production of a Higgs boson with a boson and to off-shell boson pair production in the gluon fusion channel, mediated by a heavy quark. We perform deep expansions in the high-energy region and around the forward limit and show that their combination covers the whole phase space. Our results constitute the next-to-leading order virtual corrections to these processes. Their numerical evaluation is fast and the dependence on all parameters is maintained, thus a change of parameter values or renormalization scheme is straightforward. As a by-product of our calculation, we also obtain the two-loop heavy quark mediated virtual corrections to the processes of off-shell di-photon and photon- production
Measurement of event shapes in minimum-bias events from proton-proton collisions at = 13 TeV
Get PDFA measurement of event-shape variables is presented, using a data sample produced in a special run with approximately one inelastic proton-proton collision per bunch crossing. The data were collected with the CMS detector at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 64 μb
. A number of observables related to the overall distribution of charged particles in the collisions are corrected for detector effects and compared with simulations. Inclusive event-shape distributions, as well as differential distributions of event shapes as functions of charged-particle multiplicity, are studied. None of the models investigated are able to satisfactorily describe the data. Moreover, there are significant features common amongst all generator setups studied, particularly showing data being more isotropic than any of the simulations. Multidimensional unfolded distributions are provided, along with their correlations
Degradation of Perovskite Solar Cells Induced by Intrinsic Stress Factors
Get PDFDer steigende weltweite Energiebedarf und die übermäßige Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energiequellen haben zur globalen Erwärmung geführt. Unter den nachhaltigen Alternativen hebt sich Solarenergie als tragfähige Lösung zur Abschwächung der Klimakrise hervor, aufgrund ihrer zunehmenden Verbreitung, sinkenden Kosten und kürzeren Genehmigungszeiten für die Netzintegration. Jüngste Fortschritte in der Photovoltaiktechnologie, insbesondere bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen (TSCs), zeigen ein bemerkenswertes Potenzial zur Steigerung der Energieumwandlungseffizienz über die Grenzen konventioneller Siliziumsolarzellen hinaus. Durch die Kombination von Absorbern mit komplementären Bandlücken zielen TSCs darauf ab, ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts effizienter zu nutzen. Trotz der Erreichung von Rekordwirkungsgraden im Labormaßstab wird die Kommerzialisierung von Perowskit-Silizium-TSCs jedoch durch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen (PSCs) eingeschränkt. Stressfaktoren wie Licht, erhöhte Temperaturen, Spannungseinflüsse, Feuchtigkeit und Sauerstoff führen zu schneller Material- und Gerätealterung der PSCs. Eine detaillierte Untersuchung der Degradationsmechanismen unter betrieblichen Bedingungen ist notwendig, um die Ursachen des Versagens zu identifizieren.
Einzelschicht-Perowskit-Solarzellen bieten eine geeignete Plattform, um die Degradation einzelner Subzellen isoliert zu untersuchen, bevor komplexere Gerätearchitekturen wie Perowskit-Silizium-TSCs betrachtet werden, bei denen Stabilitätsprobleme durch zusätzliche Schnittstellen und Materialinteraktionen verstärkt werden. Da Tandemsolarzellen zunehmend an Bedeutung gewinnen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen und die Stromgestehungskosten weiter zu senken, stehen insbesondere zweipolige TSCs vor mehreren kritischen Herausforderungen, die ihre kommerzielle Einführung verzögern. Ein zentrales Problem ist das Stromabgleich (Current Matching) zwischen den Subzellen, das aufgrund der Serienverschaltung erforderlich ist. Spektrale Verschiebungen, nicht-uniforme Beleuchtung oder Degradation einer Subzelle führen zu einem Ungleichgewicht in der Stromerzeugung der oberen und unteren Zelle. Das Tandemsystem arbeitet dann suboptimal, wobei der Gesamtstrom der TSC durch den geringeren Strom einer der beiden Subzellen limitiert wird. Stromungleichgewichte können langfristigen Stress verursachen, der die Degradation, insbesondere an den rekombinierenden Zwischenkontakten, beschleunigt. Als Antwort auf diese Einschränkungen werden alternative Strategien zur effektiveren Nutzung des Sonnenspektrums untersucht. Eine dieser Ansätze ist die Photonenkonversion (Upconversion), bei der Photonen mit niedriger Energie in Photonen höherer Energie umgewandelt werden, die dann vom aktiven Absorbermaterial aufgenommen werden können. Trotz des konzeptionellen Potenzials dieser Methode fehlen bislang umfassende Machbarkeitsstudien zur Integrationsfähigkeit in PSCs und deren Auswirkungen auf die Langzeitstabilität.
In dieser Arbeit wird systematisch der Einfluss von Verarbeitungsparametern – insbesondere der Precursor-Stöchiometrie und der Abschrecktechnik – auf die Dünnschichteigenschaften von Perowskitmaterialien untersucht. Dabei wird aufgezeigt, wie diese Materialeigenschaften die Leistung und die betriebliche Stabilität von PSCs beeinflussen. Es werden Degradationsanalysen durchgeführt, um die Ursachen des Leistungsverlusts von Einzelschicht-PSCs unter verschiedenen Betriebsstressfaktoren zu identifizieren. Unter den untersuchten Parametern hat sich gezeigt, dass die Precursor-Stöchiometrie einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität der PSCs unter Betriebsbedingungen hat. Nach erfolgreicher Integration von Perowskitabsorbern in zweipolige Tandemzellen werden die Auswirkungen des Stromabgleichs auf die Geräteleistung und die
Langzeitstabilität untersucht. Ein möglichst präziser Stromabgleich zwischen den Subzellen in zweipoligen Perowskit-Tandemsolarzellen ist entscheidend für eine stabile Betriebsdauer. Zur Überwindung der inhärenten Begrenzungen durch Stromungleichgewichte wird außerdem eine umfassende Machbarkeitsanalyse der Photonenkonversion durchgeführt, mit Fokus auf deren Auswirkungen auf die Langzeitstabilität. Darüber hinaus wird zur Bewertung der praktischen Anwendbarkeit von zweipoligen Perowskit-basierten TSCs deren Leistung unter realen Außenbedingungen untersucht. Die Überbrückung dieser Wissenslücken und die Bewältigung der Stabilitätsprobleme sind entscheidend, um das volle Potenzial der nächsten Generation von Perowskit-Photovoltaiksystemen auszuschöpfen
BlendBilanz4Mobility: Aufbau und Inbetriebnahme einer variablen Blendanlage zur Herstellung Bilanzierungs-geeigneter reFuels-Kraftstoffblends zum Erreichen höherer Beimischungsmengen zur steigenden THG-Reduktion in der Mobilität: Abschlussbericht
Get PDFMit dem Ziel steigenden THG-Reduktion in der Mobilität im Tanklager von Exolum in Mannheim. Die wissenschaftliche Begleitung erfolgte durch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Für den Kraftstoffimport nach Baden-Württemberg ist Mannheim ein entscheidender Standort. Wenn erneuerbare Kraftstoffe und Kraftstoff-Vorprodukte (z.B. Methanol) importiert werden, erfolgt dies für eine Nutzung in Baden-Württemberg meist über den Hafen Rotterdam, ab dem die Kraftstoffe oder Kraftstoffkomponenten in Binnentankschiffen über den Rhein transportiert werden. Die am Rhein in Mannheim angeordneten Tanklager sind somit die erste Importstelle in Deutschland und dienen zur weiteren Distribution per Tankzug an die Empfängerstellen. Die Lagerung der Kraftstoffe wird unter Energiesteueraussetzung in einem Energiesteuerlager durchgeführt. Die Energiesteuererhebung erfolgt
1 reFuels ist die Obermenge der Kraftstoffe aus erneuerbaren Quellen und setzt sich zusammen aus fortschrittlichen Biokraftstoffen, Kraftstoffen aus Rest- und Abfallstoffen und aus auf Elektrolyse-Wasserstoff basierenden E-Fuels
2 Die entsprechenden PtX-Kraftstoffe (Power-to-X) werden in der EU Regulatorik als RFNBO - Renewable Fuels of Non-Biological Origin bezeichnet
Seite 6 von 24 erst mit der Verladung der Kraftstoffe über geeichte Zähler in die abholenden Tankzüge oder Tanklastwagen.
reFuels müssen ihren höheren Preis durch gesicherte Nachhaltigkeitskriterien rechtfertigen. Die nachweisbare Nachhaltigkeit bei Nutzung der reFuels ist eine wesentliche Voraussetzung für die Wertschöpfung von reFuels. Damit ist eine geschlossene und bilanzierungsfähige Nachweisfähigkeit notwendig, auch wenn die erneuerbar erzeugten Kraftstoffe fossilen Kraftstoffen beigemischt werden.
Die Abgabe von kleineren, bedarfsgerechten Kraftstoffmengen kann ein Türöffner für den Hochlauf der reFuels sein. Durch Investitionen in Mischanlagen zum Mischen kleiner Mengen können auch einzelne Tankkraftwagen-Lieferungen gezielt abgemischt und eingesetzt werden. Damit können in den Phasen des Hochlaufs und anfangs begrenzter verfügbarer Mengen diese Mengen in Form von Beimischungen in gezielten Anwendungen (z.B. Seetankstellen, Speditionstankstellen oder Hoftankstellen von Feuerwehren) bilanziert und genutzt werden. Die Bilanzierung der Kraftstoffe ist im Zusammenhang mit der zugeordneten Nutzung die Basis einer normgerechten Bilanzierung der Treibhausgasemissionen und ihrer Reduktion bei den Anwendern. Eine Beimischung von tankwagengroßen Mengen ist bislang für Raffinerien nicht finanziell attraktiv. Daher stellt die Anlage keine Konkurrenz beispielsweise für die Mineraloelraffinerie Oberrhein (MiRO) in Karlsruhe dar. Gleichzeitig bietet BlendBilanz4Mobility für kleinere Hersteller oder geringere Produktionsmengen von reFuels eine Vermarktungsmöglichkeit und kann damit den Hochlauf der Produktion durch regionale Produzenten ankurbeln.
Mit BlendBilanz4Mobility wurde die Fähigkeit der Kleinmengenabgabe (in Tankkraftwagen) für beliebige reFuel-Kraftstoffmischungen nachgewiesen. Hierzu wurde im Projekt eine mit Sensorik ausgestattete Blendanlage mit Anschluss an drei Tanks aufgebaut. In diesen drei Tanks können biogene, strombasierte und fossile Kraftstoffe gelagert und anschließend in variablen Mengenverhältnissen auf einzelne Transportmittel (z.B. Tankwagen TKW und Kesselwagen KWG) abgefüllt werden. Durch diese Blendanlage wurde erstmalig in Deutschland eine bilanzierte Kleinmengen-Mischfähigkeit erreicht. Auszüge aus Unterlagen zur Umsetzung der Anlage befinden sich im Anhang dieses Dokumentes.
Die digitale Nachweisführung ist entscheidend für das Schaffen von Vertrauen in die Treibhausgasreduktionen durch reFuels. Mit dem erfolgreichen Bau der Mischanlage wurde die in der Verrohrung der drei Krafstocktanks integrierte Sensorik mit digitaler Schnittstelle versehen. Durch die Integration der Mengenmessung in der Tanklagersoftware wird für jeden ausgelieferten Kraftstoff die genaue Treibhausgaseinsparung berechnet. Mittels Bereitstellung der Daten in den Zoll-Meldungen und im Tool „Digital Fuel Twin“ (DFT) der Fa. Bosch wird für jeden ausgelieferten Kraftstoff die genaue nachgewiesene Treibhausgaseinsparung berechnet.
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Das Tanklager Exolum Mannheim nutzt das Softwaresystem OpenTAS der Fa. OpenTAS GmbH als Mengen-Buchhaltungsprogramm. Diese Software wurde um drei Schnittstellen zu den Zählern erweitert, um die validierten digitalen Meldungen an die Zollmeldungen und das Tool „Digital Fuel Twin“ der Fa. Bosch senden zu können.
Nutzer des Kraftstoffes wie Logistikflottenbetreiber können hiermit entsprechend der Corporate Sustainability Reporting Directive der EU (CSRD) eine Reduktion der Transportemissionen nachweisen. Als direkte Emissionen (Scope 1) für den eigenen Betrieb und die eigene Berichtserstellung ermöglicht dies das Erreichen eigener Klimaschutzziele. Als indirekte Emissionen (Scope 3) wird die Weitergabe der THG-Reduktionen an Logistikkunden in Rahmen von THG-reduziertem Logistikverkehr möglich. Durch diese Nachweisbarkeit in einer durchgängig digitalen Nachweiskette wird die Selbstauskunft von Logistik-Unternehmen im Rahmen von Ausschreibungen mit zertifizierten THG-Emissionsdaten untermauert und das Vertrauen in real erreichbare Emissionsreduktionen erhöht.
Unternehmen können sicher nachgewiesene Treibhausgasreduktionen durch den Einsatz von reFuels für die Erreichung ihrer Klimaziele und die Nachhaltigkeitsberichterstattung (CSRD) nutzen. Die Konformität mit der CSRD-Richtlinie der EU wird erreicht, indem unter Einhaltung der ESRS-Kriterien (European Sustainability Reporting Standards) gemäß dem sogenannten Greenhouse Gas Protokoll die genutzten Mengen und die damit verbundene Nutzung digital und gesichert verknüpft werden. Neben der technischen Realisierung der Pilot-Blendanlage wurde das Ziel erreicht, eine belastbare bilanzielle THG-Reduktion beim Einsatz von reFuels als Beimischung nachzuweisen
Towards Climate Neutrality by 2050: Role of Aluminum for Short‐ and Long‐Term Energy and Hydrogen Storage
Get PDFReaching climate neutrality by 2050 requires innovative long-term energy storage (LTES) solutions beyond the current use of fossil fuels. While hydrogen is widely promoted, its low volumetric energy density, complex storage requirements, and limited infrastructure readiness raise questions about scalability. This Perspective paper argues that aluminum deserves attention as a strategic energy carrier. With an exceptionally high volumetric energy density, global availability, and full recyclability, aluminum offers unique advantages for seasonal storage and sector coupling. We highlight the promising high-temperature aluminum–steam oxidation pathway, which produces both heat and hydrogen alongside γ-Al2O3, directly recyclable in decarbonized smelting processes. Beyond technical feasibility, we discuss system-level opportunities, from coupling aluminum-based storage with renewable-powered smelting plants to enabling multi-service energy hubs for electricity and mobility. Preliminary techno-economic assessments show that aluminum-based hybrid cycles can achieve round-trip efficiencies of 30–36% in power-to-power applications and competitive levelized costs for electricity and hydrogen production in the power-to-X framework. Moreover, key performance indexes show aluminum-based hydrogen aboveground storage can reach densities exceeding Clean Hydrogen targets by a factor of seven, with competitive CAPEX and OPEX values. These results highlight aluminum\u27s potential to complement or outperform hydrogen in enabling reliable, high-density, and fully recyclable energy storage within decarbonized energy systems
Benchtop NMR Signal Enhancement of Metabolites in Urine Extract using SABRE
Get PDFMetabolites in a urine extract are signal-enhanced by SABRE hyperpolarization and detected using a benchtop NMR spectrometer. Quantification by standard addition is demonstrated for endogenic urinary nicotinamide (vitamin B3). Even higher sensitivity is achieved in an automated setup for multi-scan SABRE experiments. This hyperpolarization scheme is able to expedite biomarker detection and quantification, while maintaining low infrastructural requirements