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Untersuchung und Optimierung der dynamischen Betriebseigenschaften des Oxyfuelbetriebenen Zementklinkerbrennprozesses zur CO2-Abscheidung

Kombinierte Elektrolyse und Methanisierung zur Prozessoptimierung in der CO2-intensiven Baustoffindustrie

Ressortforschungsplan 2024, Praxis und Potentiale von Slow-Steaming zur Energieeinsparung und Vermeidung von THG-Emissionen im Seeverkehr sowie Beiträge des Luft- und Seeverkehrs im internationalen Kontext

In dem Vorhaben soll auf technische Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung bzw. Energieeinsparung eingegangen werden (bspw. Nutzung der Windkraft) und eruiert werden, in welcher Höhe Energieeinsparungen realistisch zu erwarten sind, für welche Schiffstypen diese jeweils in Frage kommen, wie weit der Energiebedarf des internationalen Seeverkehrs sich damit senken ließe und ob bzw. unter welchen Bedingungen diese Maßnahmen wirtschaftlich sind oder einer Förderung bedürfen. In die Betrachtung sollen bestehende und zukünftige Maßnahmen auf EU- und internationaler Ebene einfließen. In einem zweiten Arbeitspaket sind die Treibhausgasminderungsmöglichkeiten durch Carbon Capture on board (OCC) zu beleuchten. Es soll (beschränkt auf das System Schiff) eine detaillierte Betrachtung des Energieaufwands zur Abscheidung, Speicherung und Transport des CO2 sowie den dadurch verursachten zusätzlichen CO2eq-Emissionen erfolgen. Darüber hinaus sollen zudem auch die Auswirkungen auf die schiffsspezifische Energieeffizienz betrachtet werden und für welche Schiffstypen dies wirtschaftlich darstellbar ist. Es sind Beratungsleistungen für die Verhandlungen unter der Klimarahmenkonvention zu dem Agendapunkt der 'bunker fuels' und ein Ad-hoc-Beratungsbudget für den See- und Luftverkehr vorzusehen.

Graduiertenkolleg (GRK) 1398: Non-linearities and upscaling in porous media, GRK 1398: Nichtlinearitäten und Upscaling in porösen Medien

Der Umgang mit Nichtlinearitäten und die Frage des Upscaling stellen eine der größten Herausforderungen für technische und umweltrelevante Anwendungen im Gebiet der Strömungs- und Transportphänomene in porösen Medien dar. Eine Vielzahl hierarchischer (räumlicher und zeitlicher) Skalen können in porösen Medien identifiziert werden, die im Allgemeinen mit deren Heterogenitätsstrukturen zusammenhängen. Strömungs- und Transportphänomene können von gekoppelten Mechanismen verursacht oder beeinflusst werden, die von einem nichtlinearen Zusammenspiel von physikalischen, (geo-)chemischen und/oder biologischen Prozessen herrühren. Um Probleme auf diesem Feld sinnvoll angehen zu können, ist eine interdisziplinäre Umgebung unerlässlich. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeichnen sich in den unterschiedlichsten Arbeitsgebieten aus: angewandte Mathematik, Umwelt- und Bauingenieurwesen, Geowissenschaften und Erdölingenieurwissenschaften. Die gemeinsamen niederländisch-deutschen Forschungsprojekte werden an der TU Delft, der TU Eindhoven, der Universität Utrecht und der Universität Stuttgart durchgeführt. Grundlagenforschung, so wie etwa die Anwendung stochastischer Modelle und die Entwicklung effizienter numerischer Methoden, soll mit angewandter Forschung auf Feldern wie der Optimierung von Brennstoffzellen, Sequestrierung von CO2 oder der Vorhersage von Hangrutschungen verbunden werden. Als mögliche weiterführende Themen werden auch Anwendungen in der Papierherstellung oder der Biomechanik angestrebt. Ein zentraler Aspekt des Internationalen Graduiertenkollegs ist ein Lehrprogramm, das die Unterstützung von Lehre und Forschung von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zum Ziel hat. Dies soll erreicht werden, indem anspruchsvolle Kurse angeboten werden, die typischerweise die Fragestellungen der jungen Wissenschaftler abdecken. Außerdem soll alle vier Wochen via Videokonferenz ein Graduiertenseminar zur Diskussion von Forschungsergebnissen stattfinden. Es soll weiterhin ein Austauschprogramm geben, das Doktorandinnen und Doktoranden erlaubt, sechs bis neun Monate im Partnerland zu verbringen. Das somit entstehende internationale und interdisziplinäre Umfeld wird es Doktorandinnen und Doktoranden ermöglichen, effizient Spitzenforschung auf dem Feld der Nichtlinearitäten und des Upscaling im Untergrund durchzuführen.

Development of an integrated forest carbon monitoring system with field sampling and remote sensing for tropical forests in Indonesia

Forests play a relevant role in mitigation of climate change. A major issue, however, is the scientifically well founded, transparent and verifyable monitoring of achievements in forest carbon sequestration through reduction of deforestation and forest degradation, and through fostering sustainable forest management. Monitoring is particularly difficult in diverse and inaccessible humid tropical forest areas. The proposed research will contribute to the improvement of forest carbon monitoring under the challenging conditions of humid tropical forests. Sample based field observations and model based biomass predictions will be linked to area-wide satellite remote sensing imagery (RapidEye) and to strip samples of LiDAR imagery. Techniques of linking these data sources will be further developed and analysed with respect to (1) precision of carbon estimation and (2) accuracy of carbon regionalization. The proposed project implies research on methodological improvements of both sample based forest inventories (resampling techniques for biomass, imputation of non-response) and remote sensing application to forest monitoring (regionalization, sample based application of LiDAR data). At the core of this research is the analysis of the error variance components that each data source brings into the system. Such error analysis will allow identifying optimal resource allocation for the efficient improvement of forest carbon monitoring systems.

Energie- und Kohlenstoff-Roadmap für die europäische Chemieindustrie

Ecofys unterstützte den CEFI, bei der Entwicklung und Ausarbeitung der Energie- und Kohlenstoff-Roadmap 2050 . Die Roadmap untersucht, welche Rolle die Chemieindustrie langfristig betrachtet in einem energieeffizienten und emissionsarmen Europa der Zukunft spielen kann. In vier versch. Szenarien werden die zukünftige Nachfrage nach und damit die Produktion von Produkten der chemischen Industrie bis 2050 sowie die Entwicklung und der Einsatz von Energieeffizienz- und kohlenstoffarmen Technologien bewertet. Die Szenarien unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihrer Annahmen zum energie- und klimapol. Umfeld in Europa und dem Rest der Welt, zur Entwicklung von Energie- und Rohstoffpreisen sowie der Geschwindigkeit, mit welcher relevante Innovationen voranschreiten. Die Studie untersucht ebenfalls, welche Rolle der europäischen Chemieindustrie in der Bereitstellung von Energieeffizienz- und kohlenstoffarmen Lösungen für andere Wirtschaftsbranchen zukommen kann. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Produkte der chemischen Industrie in allen Wirtschaftsbereichen Verbesserungen in der Energieeffizienz und der Minderung von Treibhausgasemissionen ermöglichen, wobei sich diese Rolle der Chemieindustrie künftig noch verstärken dürfte. Weiterhin wird in der Studie deutlich, dass die Preisdifferenzen, welche für Energie und Rohstoffe im Vergleich zu den wichtigsten Wettbewerbsregionen bestehen, die globale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Chemieindustrie gefährden. Eine auf Europa beschränkte und nicht global abgestimmte Energie- und Klimapolitik, welche zu höheren Kosten der europäischen Produktion führt, würde die Wettbewerbsfähigkeit weiter schwächen und zu einer geringeren Produktion in Europa und damit zu vermehrten Importen von chemischen Produkten nach Europa führen. Die Verbesserung der Energieeffizienz wird den größten Beitrag leisten, die zukünftigen Treibhausgasemissionen der europäischen Chemieindustrie zu reduzieren. Des Weiteren können alternative Brennstoffe zur Erzeugung von Prozesswärme sowie die Vermeidung von Lachgasemissionen sich positiv auf die Emissionsminderung auswirken. Darüber hinaus bergen die Dekarbonisierung des Stromsektors und nach 2030 auch die CCS-Technologie zusätzliche Emissionsminderungspotentiale. Wachstum und Innovation wird dabei in den kommenden Jahren bei der Erzielung realer Emissionsminderungen eine entscheidende Rolle zukommen. Angesichts dieser Ergebnisse appelliert die Studie an die politischen Entscheidungsträger, die energie- und klimapolitische Rahmenbedingungen derart zu gestalten, dass Anreize für ein nachhaltiges und effizientes Wachstum der chemischen Industrie geschaffen werden, um die Attraktivität für Investitionen zu steigern und weitere Innovationen zu fördern. Die Studie liefert wertvollen Input für die Diskussion zur europäischen Energieversorgung sowie der post 2020 Klima und Industriepolitik. Ecofys kam die Rolle der Projektkoordination zu und lieferte zudem unabhängige analyt. Beiträge.

Wie beeinflusst trocknungsbedingtes Kristallsalz die Dynamik der Wasserverdunstung aus porösen Medien?

Bodenversalzung, also eine übermäßige Anhäufung von löslichen Salzen im Boden, hat schädliche Auswirkungen auf Pflanzen, Tiere & die menschliche Gesundheit. Sie ist eine der Hauptbedrohungen für Bodenfruchtbarkeit & -stabilität und die biologische Vielfalt des Bodens und führt zu unerwünschten Veränderungen der physikalischen, chemischen & biologischen Bodenfunktionen. Abgesehen vom Boden, hat sie erhebliche Effekte auf andere Prozesse z.B. die Haltbarkeit von Baumaterialien, die Lebensdauer von Straßenbelägen und die CO2-Sequestrierung. Die Salzwasserverdunstung wird von den Transporteigenschaften des porösen Mediums, den äußeren Bedingungen (z. B. Wind, Umgebungstemperatur & relative Luftfeuchtigkeit), den Eigenschaften der verdunstenden Lösung und der Salzkristallisation beeinflusst. Während der Wasserverdunstung wird die gelöste Substanz durch kapillarinduzierte Flüssigkeitsströmung von der feuchten Zone am Boden zur Verdunstungsoberfläche transportiert. Dabei tendiert die Diffusion dazu, den gelösten Stoff homogen über die gesamte Domäne zu verteilen. Die Konkurrenz zwischen Aufwärtsadvektion und Diffusionstransport bestimmt die Verteilung der gelösten Stoffe im gesamten Boden. Wenn die Advektion die Diffusion dominiert, wird der gelöste Stoff meist in Oberflächennähe abgelagert, was zu einem allmählichen Konzentrationsanstieg führt. Bei klarer Überschreitung der Löslichkeitsgrenze, kommt es zur Ausfällung von Kristallen an der Bodenoberfläche. Die Oberflächenkristalle bilden komplexe Strukturen, die die für die Verdunstung verfügbare Fläche erheblich vergrößern können. Wie genau das Vorhandensein des sich verdunstungsbedingt bildenden porösen kristallisierten Salzes an der Oberfläche die Verdunstungswasserverluste aus dem Boden unter verschiedenen Bedingungen beeinflusst, ist nur unzureichend verstanden. Genaue Informationen über die komplexe Kopplung zwischen Strömungs- & Transportprozessen in porösen Medien und dem sich entwickelnden kristallisierten Salz an der Oberfläche sind für eine genaue Prognose der Wasserverdunstung aus dem Boden erforderlich, da unsere Beschreibung dieses Prozesses sonst auf die Anpassung von Parametern reagieren würde. Ohne dieses Wissen kann man die Wasserverfügbarkeit und die Verdunstung von der Bodenoberfläche deutlich unter- oder überschätzen, was verschiedene hydrologische Prozesse beeinflusst. Wir planen eine umfassende multiskalige, numerische & experimentelle Untersuchung, um die Auswirkungen des verdunstungsgetriebenen kristallisierten Salzes an der Oberfläche auf die verdunstenden Wasserverluste aus porösen Medien zu quantifizieren und werden die modernsten numerischen & experimentellen Werkzeuge wie Molekulardynamiksimulationen, Porennetzwerk- & Kontinuumsskalenmodellierung, Synchrotron-Röntgenmikrotomographie und maßgeschneiderte Laborexperimente einsetzen. Dies ermöglichet uns, die Salzwasserverdunstung genau zu beschreiben und die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren.

Kombinierte Elektrolyse und Methanisierung zur Prozessoptimierung in der CO2-intensiven Baustoffindustrie, TP1: Projektkoordination, Einbindung eines Archaeenreaktors und Testbetrieb der Gesamtanlage

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Investigation of mechanism driving glacial/interglacial variability in stratification/mixing and biological productivity of the Pacific Southern Ocean and potential implications on air-sea CO2-exchange: synthesis of climate and ocean biogeochemical modeling with paleoceanographic reconstructions

Atmospheric CO2 concentrations present a repetitive pattern of gradual decline and rapid increase during the last climate cycles, closely related to temperature and sea level change. During the Last Glacial Maximum (LGM; 23-19 kyr BP), when sea level was ca. 120 m below present, the ocean must have stored additionally about 750 Gt carbon. There is consensus that the Southern Ocean represents a key area governing past and present CO2 change. The latter is not only of high scientific but also of socio-economic and political concern since the Southern Ocean provides the potential for an efficient sink of anthropogenic carbon. However, the sensitivity of this carbon sink to climate-change induced reorganizations in wind patterns, ocean circulation, stratification, sea ice extent and biological production remains under debate. Models were not yet able to reproduce the necessary mechanisms involved, potentially due to a lack of the dynamic representation/resolution of atmospheric and oceanic circulation as well as missing carbon cycling. Data on past Southern Ocean hydrography and productivity are mainly from the Atlantic sector, thus do not adequately document conditions in the Pacific sector. This sector is not only the largest part of the Southern Ocean, but it also represents the main drainage area of the marine-based West Antarctic Ice Sheet (WAIS). In the proposed study we aim to generate paleo-data sets with a newly established proxy method from sediment core transects across the Pacific Southern Ocean. This will enhance the baselines for the understanding and modeling of the Southern Ocean's role in carbon cyling, i.e. ocean/atmosphere CO2 exchange and carbon sequestration. It will also allow insight into the response of the WAIS to past warmer than present conditions. Paired isotope measurements (oxygen, silicon) will be made on purified diatoms and radiolarians to describe glacial/interglacial contrasts in physical and nutrient properties at surface and subsurface water depth. This will be used to test (i) the impact of yet unconsidered dust-borne micronutrient deposition on the glacial South Pacific on shifts of primary productivity, Si-uptake rates and carbon export, (ii) the 'silicic-acid leakage' hypothesis (SALH) and (iii) the formation and extent of surface water stratification. Diatom and radiolarian oxygen isotopes will provide information on the timing of surface ocean salinity anomalies resulting from WAIS melt water. Climate model simulations using a complex coupled atmosphere ocean general circulation model (AOGCM) in combination with a sophisticated ocean biogeochemical model including Si-isotopes will be used for comparison with the paleo records. The analysis will cover spatial as well as temporal variability patterns of Southern Ocean hydrography, nutrient cycling and air-sea CO2-exchange. With the help of the climate model we aim to better separate and statistically analyse the individual impacts of ocean circulation and bio

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre

Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.

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