Gasaustausch findet in der Atmosphäre primär durch turbulenten und laminaren Fluss statt. Im Boden dagegen spielt advektiver Gastransport eine untergeordnete Rolle, stattdessen dominiert Diffusion die Transportprozesse. Trotz der Unterschiedlichkeit und scheinbaren Unabhängigkeit dieser Prozesse wurde während Freilanduntersuchungen ein Anstieg von Gastransportraten im Boden um mehrere 10 % während Phasen starken Windes beobachtet. Dieser Anstieg ist auf wind-induzierte Druckfluktuationen zurückzuführen, die sich in das luftgefüllte Porensystem des Bodens fortpflanzen und zu einem minimal oszillierenden Luftmassenfluss führen (Pressure-pumping Effekt). Durch den oszillierenden Charakter des Luftmassenflusses ist der direkte Beitrag zum Gastransport sehr gering. Die damit einhergehende Dispersion führt jedoch zu einem Anstieg der effektiven Gastransportrate entgegen des Konzentrationsgradienten. Wird der Pressure-pumping (PP) Effekt bei der Bestimmung von Gasflüssen mit der Gradienten- und Kammermethode nicht berücksichtigt, kann dies zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung von Bodengasflüssen führen. Insbesondere für das langfristige Monitoring von treibhausrelevanten Gasflüssen stellen diese Unsicherheiten ein zentrales Problem dar. Wir stellen vier Hypothesen auf:(H1) Der PP-Effekt ist abhängig von Bodeneigenschaften.(H2) Die Ausprägung von Luftdruckfluktuationen ist abhängig von der Rauigkeit verschiedener Landnutzungen (Wald, Grasland, landwirtschaftliche Kulturen, Stadt)(H3) Kammermessungen werden durch Luftdruckfluktuationen beeinflusst.(H4) Der Austausch und Umsatz von Methan in Böden von Mittelgebirgswäldern wird durch den PP-Effekt verstärkt. Die Hypothesen 1, 3 und 4 werden mittels Laboruntersuchungen von Proben verschiedener Böden und Bodenfeuchtebedingungen überprüft. Die Hypothese 2 wird durch Freilandmessungen an verschiedenen Standorten überprüft. Ziele des Vorhabens sind: (Z1) Modelle zu entwickeln, die die Quantifizierung des Einflusses der Bodenstruktur auf den PP-Effekt ermöglichen, (Z2) den Effekt der Oberflächenrauigkeit auf Luftdruckschwankungen zu quantifizieren, (Z3) Schwellenwerte zu definieren, die die Bestimmung von Standorten mit ausgeprägtem PP-Effekt ermöglichen, (Z4) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für Kammermessungen zu entwickeln, (Z5) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für die Gradienten Methode zu entwickeln, (Z6) den Einfluss des PP-Effekts auf die Methanaufnahme von Böden in Mittelgebirgswäldern zu bestimmen. Ein besseres Verständnis des bisher nur unzureichend untersuchten PP-Effekts wird wesentlich dazu beitragen, die Verlässlichkeit und Präzision von Messungen von Bodengasflüssen zu steigern, die die Grundlage für weitergehende Forschung darstellen.
Das aus Anwendersicht relevante Ergebnis der Arbeiten ist ein Berechnungsverfahren auf der Basis von ANSYS-CFD für den ganzen technisch interessanten Bereich von der reinen konvektiven Wärmeübertragung, über das Blasensieden bis zur Siedekrise (CHF). Im Rahmen des Teilvorhabens untersucht KIT-U die Siedevorgänge und den Wärmeübergang am Hüllrohr unter reaktortypischen Bedingungen. Komplementär zu den Arbeitspaketen von TU-M und TU-D sollen hierdurch CHF-Daten für das Medium Wasser unter nicht skalierten, d.h. für die reale Anwendung relevanten Drücken, Temperaturen und Heizflächenbelastungen zur Überprüfung der CFD-Ergebnisse gewonnen werden. Im ersten Jahr des Vorhabens wird ein Detailkonzept der Teststrecke und der Instrumentierung erstellt und mit den anderen Projektpartnern abgestimmt. Basierend auf dieser Abstimmung wird dann die endgültige Geometrie der Messstrecke festgelegt. Im Zweiten Jahr wird die Messstrecke und die Sensorik hergestellt. In Zusammenarbeit mit TU-M sollen die bei TU-M bereits erprobten faseroptischen Sensoren zur zeitaufgelösten Messung des lokalen Dampfgehalts für die Verwendung in der Hochdruckanlage weiterentwickelt werden. Im dritten Jahr des Vorhabens werden Validierungsexperimente an zwei verschiedenen Rohrtypen durchgeführt und in eine Datenbank eingebracht.
Im Projekt LaserJetDrilling -LJD- wird eine neue Bohrtechnologie entwickelt, die eine deutlich günstigere und schnellere Erzeugung von Tiefenbohrungen in Festgesteinen, z.B. für Geothermie, ermöglicht. Die Technologie ist relativ verschleißfrei und verspricht aus ersten Versuchen min. eine 2 - 4 fach höhere Vortriebgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Bohrverfahren. LJD kann damit helfen, Kosten und Zeit für die Markterschließung erneuerbarer Energien zu reduzieren. Beim LJD werden zwei Verfahren miteinander kombiniert. Einerseits das Bohren mit Hochdruckwasserstrahl, in der Industrie bereits lange als Jetting zum Schneiden, oberflächlichen Abtragen und letztlich auch zum Bohren bekannt, und der LASER Schneidtechnik, welche ebenfalls in der Industrie seit vielen Jahren bekannt ist und dort standardmäßig eingesetzt wird. Diese Laser Technik wird beim LJD erstmalig als energielieferndes, thermisches Verfahren kombiniert mit Wasserstrahltechnik aus dem GeoJetting Bohren, also eine Symbiose aus Wasser- und Laserstrahlbohren. Die inhaltlichen Schwerpunkte der HSBO / GZB liegen nach Festlegung der Systemgrößen für das LJD in der Bearbeitung, Herstellung und Tests der bohrtechnisch relevanten, mechanisch / technischen Teile für dieses neue Verfahren. Die Laser Technik kommt von den Partnern IPT und IPG. Die Entwicklung, Konstruktion und Adaption der Bohrtechnik passend zur Lasersystemtechnik, incl. Design, Herstellung und Betrieb der LJD Bohrköpfe und -technik, incl. der Infrastruktur für umfangreiche Versuche, liegt in der Verantwortung der Hochschule Bochum / GZB. Dort im Bohrtestfeld und in den Labors wird diese LJD Technik entsprechend zusammengebaut, angewandt und bewertet werden.
Ziel des Projekts LaserJetDrilling ist die Entwicklung eines neuartigen Bohrverfahrens, mit dem eine flächendeckende Strom- und Wärmegewinnung aus Tiefer Geothermie in Deutschland realisiert werden kann. Hierfür wird ein neuartiges Bohrverfahren entwickelt, welches zur Steigerung der Vortriebgeschwindigkeiten hochenergetische Laserstrahlung verwendet. Ziel der IPG Laser GmbH ist die Entwicklung und Fertigung einer Multi-kW-Laserstrahlquelle. Ziel dieser Entwicklung ist eine Quelle, mit der erstmals Laserstrahlung von 30 kW optischer Leistung in einen Wasserstrahl eingekoppelt werden kann. Zur Umsetzung dieses Ziels sind umfangreiche Entwicklungsarbeiten in den Bereichen Leistungsmodulation, Fasersteckerdesign und Sicherheitseinrichtungen notwendig. Im Teilvorhaben der IPG Laser GmbH wird eine Laserstrahlquelle entwickelt, deren Eigenschaften auf die Anforderungen des wassergeführten Laserstrahlbohrens angepasst sind. Ein zu entwickelnder hochdynamischer Detektor soll zum Schutz der Strahlquelle vor Zerstörung die rückflektierte Strahlung bei der Einkopplung des Laserstrahls in Wasser erfassen und bei Erreichen eines gewissen Schwellwertes die Strahlquelle abschalten bzw. die reflektierte Strahlung in einen Absorber ablenken. Weitere Entwicklungsarbeit ist im Bereich des Fasersteckers notwendig. Die Genauigkeit aktueller Faserstecker ist nicht ausreichend, um einen Laserstrahl innerhalb eines Bohrkopfs in einen Wasserstrahl kleinen Durchmessers einzukoppeln. Hierfür ist die Sonderentwicklung eines Fasersteckers mit hochgenau ausgerichteter Faser notwendig. Weiteres Entwicklungsziel ist die Entwicklung einer angepassten Laserleistungsmodulation zur Erzielung einer möglichst kurzen Bestrahlungsdauer. Hier gilt es in Vorversuchen zu prüfen, inwiefern die Modulationsfrequenz Einfluss auf die Einkopplung des Laserstrahls in den Wasserstrahl und auf das Abtragsergebnis am Gestein hat.
Ziel des Projekts LaserJetDrilling ist die Entwicklung eines neuartigen Bohrverfahrens, mit dem eine flächendeckende Strom- und Wärmegewinnung aus Tiefer Geothermie in Deutschland realisiert werden kann. Hierfür wird ein neuartiges Bohrverfahren entwickelt, welches zur Steigerung der Vortriebgeschwindigkeiten hochenergetische Laserstrahlung verwendet, die zum Schutz der Optik vor Verschmutzung in einen Wasserstrahl eingekoppelt wird. An die Wasserstrahlführung werden hohen Anforderungen hinsichtlich Druckstabilität, Homogenität und Reinheit gestellt. Die KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG entwickelt und fertigt das hierfür benötigte Equipment zur Druckerzeugung und Wasseraufbereitung. Im Teilvorhaben der KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG wird eine Druckerzeugung und Wasseraufbereitung für den LaserJetDrilling-Ansatz entwickelt und gefertigt. Notwendige Ausgangsdaten für die Auslegung der Pumpenkomponenten sind die beim assoziierten Partner Synova für Mikroanwendungen vorhandenen Informationen (Druck, Durchfluss, Reinheitsgrad) und Erfahrungswerte im Bereich Druckerzeugung und Wasseraufbereitung. Die Informationen werden auf Grundlage eines Kooperationsvertrages dem LaserJetDrilling-Konsortium zur Verfügung gestellt. Die Konzeptionierung des Pumpen- und Wasseraufbereitungsequipments für den LaserJetDrilling-Ansatz stellt den ersten Schwerpunkt des Arbeitspaketes von KAMAT dar. Hierfür müssen die Kennwerte von Synova hochskaliert werden, so dass eine Wasserstrahlführung von multi-kW-Laserstrahlung ermöglicht wird. Im Anschluss wird die Fertigung und Beschaffung der hierfür notwendigen Komponenten vorbereitet und umgesetzt. Abschließend erfolgt die Inbetriebnahme der Druckerzeugung und Wasseraufbereitung am LaserJetDrilling-Prüfstand.
Motivation: Um Ressourcen zu schonen und CO2-Emissionen zu reduzieren, werden seit einiger Zeit alternative Fahrzeugantriebe entwickelt und verwendet. Viele PKW-Hersteller bieten eine breite Palette von Fahrzeugen an, die rein elektrisch, hybrid, d. h. in Kombination von Verbrennungsmotor und Elektroantrieb, oder gasgetrieben fahren. Obwohl die Anzahl neu zugelassener Hybrid- und Elektroautos stark angestiegen ist, gibt es bislang kaum belastbare Untersuchungen, wie sich die neuen Energieträger, z. B. im Fall von Bränden, verhalten. Ziele und Vorgehen: Das Projekt SUVEREN erforscht physikalische Phänomene, die im Zusammenhang mit dem Einsatz neuer Energieträger in unterirdischen Verkehrsbereichen auftreten können. Dazu wird u. a. das Brandverhalten von Batterien und Gasdruckbehältern sowie von in Fahrzeugen verbauten Verbundmaterialien untersucht. Wichtige Forschungsinhalte sind die Interaktion zwischen Rauchgasen und Löschmitteln sowie Möglichkeiten der Bekämpfung von z. B. Batteriebränden durch Sprinkler oder Wassernebellöschanlagen. In die Risikoanalyse werden die speziellen räumlichen Gegebenheiten in urbanen unterirdischen Räumen, wie Tiefgaragen und Tunneln, einbezogen. Innovationen und Perspektiven: Mit dem verstärkten Einsatz neuer Energieträger in unterirdischen Räumen wird im Hinblick auf die öffentliche Sicherheit Neuland betreten. Im Vorhaben wird daher ein Sicherheitskonzept zum Umgang mit diesen Energieträgern erarbeitet, das u.a. die Gestaltung von Brandbekämpfungsanlagen, Löschmitteln, Flucht- und Rettungswegen sowie Maßnahmen für Einsatzkräfte beinhaltet. Es ist vorgesehen, die Ergebnisse in nationale und europäische Normen und Regelwerke einfließen zu lassen.
Ziel des Vorhabens ist es, grundlegende Untersuchungen zur Realisierung eines Hochdruck-Massenspektrometers durchzuführen, mit dem toxische Industriechemikalien und Explosivstoffe vor Ort innerhalb von Sekunden detektiert werden können. Zusammen mit der Leibniz Universität Hannover soll ein Flugzeitspektrometer erforscht werden, welches in einem Druckbereich betrieben wird, welcher zwischen dem eines klassischen Flugzeitspektrometers (ToF-MS), d.h. Hochvakuum, und eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS), d.h. Umgebungsdruck, liegt. Das Hochdruck-Massenspektrometer (HiP-MS) soll zur Aufrechterhaltung des Unterdruckes nur mit einer einfachen Vorpumpe ausgestattet werden, sodass das Gerät auch mobil eingesetzt werden kann. In diesem Teilvorhaben werden u.a. Untersuchungen zur Realisierbarkeit des Probenahmesystems und des Unterdrucksystems durchgeführt. Elektronische Schaltkreise werden entworfen und realisiert, sowie der mobile Demonstrator aufgebaut. Zusammen mit potentiellen Endanwendern wird der Demonstrator getestet und charakterisiert.
| Origin | Count |
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| Bund | 131 |
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| Förderprogramm | 131 |
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