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Multimodales luftgestütztes Quantensensor-basiertes Instrument zur nachhaltigen Exploration natürlicher Ressourcen, Teilprojekt 1: Systemelektronik und Systemmechanik

STYX - Statistische Analyse von Grundwasserdaten im Land Brandenburg

STYX ist ein Datenbanksystem, welches die Stammdaten der Messstellen und die Messwerte des Landesmessnetzes Grundwasserstand vorhält. Das Programm ist 2015/2016 völlig neu aufgesetzt worden und entspricht dem Stand der Technik. Es dient der Erfassung, Verwaltung, Auswertung und statistischen Bewertung von Messwerten, die im Land Brandenburg an ca. 2.100 Grundwassermessstellen gewonnen werden. Weiterhin werden in der Datenbank nicht mehr aktive Grundwassermessstellen sowie daten Dritter vorgehalten. In Summe handelt es sich um mehr als 16.000 Grundwassermessstellen.

Verhalten von Fischen beim Fischabstieg und Klassifizierung der Abwanderwege bei Abflussaufteilung

Veranlassung Anders als beim Fischaufstieg (DWA-Merkblatt 509) gibt es für den Fischabstieg noch keinen allgemein anerkannten Stand der Technik. Vor allem Abstieg über Wehre, Verhalten bei Abflussaufteilung und Abstieg potamodromer Arten sind nur wenig untersucht. Grundlegende Fragen, die bei der Planung von Fischabstiegshilfen durch die WSV (z.B. bei Wehrersatzbauten) gestellt werden, müssen daher im Rahmen entsprechender Untersuchungen geklärt werden. Im Fokus steht vor allem zwei Aspekte des Verhaltens der Fische: 1. Welche Abflussarme wählen die Fische, um ein Querbauwerk abwärts zu überwinden? 2. Wie muss eine Abstiegshilfe gestaltet werden, damit sie von den Fischen genutzt wird? Ziele - Identifikation der wichtigsten Abwanderkorridore eines Standorts (Parameter anhand der Modellierung von Abfluss-Szenarien ermitteln und durch telemetrische Studien mit Fischen verifizieren) - Weiterentwicklung eines methodischen Ansatzes zur Klassifikation von Abstiegskorridoren an Stauanlagen in Bundeswasserstraßen unter Berücksichtigung biologischer Untersuchungen - Vorgaben zur Positionierung und Gestaltung der Abstiegshilfen aus Beobachtungen von Fischen direkt beim Abstieg (Anwendung unterschiedlicher Erfassungsmethoden) ableiten Die ökologische Durchgängigkeit muss sowohl für aufwandernde als auch für abwandernde Fische hergestellt werden, um die Ziele des Wasserhaushaltsgesetzes zu erreichen. An Standorten mit mehreren Querbauwerken teilt sich der Fluss in der Regel in mehrere Abflussarme auf, die theoretisch zur Abwanderung genutzt werden können. Hier müssen Korridore geschaffen werden, über die Fische schadlos abwärts gelangen. Um diese effizient planen und umsetzen zu können, sind Kenntnisse darüber notwendig, welche Abwanderwege die Fische wählen und wie sie sich beim Abstieg verhalten. Fische, die im Fluss abwärts wandern, müssen Querbauwerke überwinden. Wir finden heraus, welche Wege sie an diesen Wehr- und Kraftwerksstandorten nutzen, um sie dort effektiv schützen und stromab leiten zu können.

Modellbildung für den nahen Nachlauf, Teilvorhaben: Wake-Modellierung von Turbulenzen und Lasten im nahen Nachlauf

Hocheffiziente, kostengünstige und langlebige Natrium-Ionen-Batterie Zellen

Zielsetzung: Batterien spielen eine entscheidende Rolle in der Transformation der (Strom-)Wirtschaft zu einer CO2 neutralen Zukunft. Die Emissionsreduktion hängt primär vom vorliegenden Strom- bzw. Energiemix ab. Einerseits für den Energieaufwand während der Erzeugung, andererseits während ihres Betriebs. Überdies dürfen CO2 Emissionen für die Erzeugung, Raffinierung und den Transport von Grundmaterialien nicht vernachlässigt werden. Hier setzen die in diesem Projekt beschriebenen Innovationen an. Aktuelle State-of-the-Art LIB Batterien verwenden einerseits nicht weltweit geläufige Rohstoffe, wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Diese Rohstoffe werden primär in China raffiniert. Die so hergestellten Ausgangsmaterialien werden dann ihrerseits erneut über weite Strecken transportiert. Anodenseitig wird aktuell Graphit verwendet. Beispielsweise stammen sowohl natürlicher (74%) als auch synthetischer Graphit (51%) primär aus China, weswegen chinesische Exportrestriktionen auf diesen essentiellen Zellbestandteil ein zusätzliches Hemmnis für die europäische LIB Technologie darstellen. Zusätzlich bedürfen LIB Batterien deutlich mehr CO2 in der Herstellung aufgrund der Anforderung an die Trockenräume, was bei NIB zumindest mit zusätzlicher Forschung deutlich reduzierbar wäre. Im Gegensatz dazu beruhen die Materialien für hier entworfene NIB auf weltweit geläufigen Mengenrohstoffen, was sowohl Kosten, CO2 Emissionen, Umweltbelastungen, und eben auch Abhängigkeiten von außereuropäischen Ländern minimiert. Für eine Transformation hin zu einer nachhaltigen, erneuerbaren Wirtschaft sind billige Energiespeicher essenziell. Seit langem werden in den Roadmaps NIB als die beste Zukunftstechnologie bezeichnet, um möglichst kostengünstige Energiespeicher zu bauen. Daher wurde ein Konzept der vertikalen Integration entlang der Wertschöpfungskette erarbeitet, dass mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit, binnen von zwei Jahren zu einem NI-Batteriepack Prototyp führen soll. Der große Vorteil darin besteht in der raschen Weitergabe von Innovationssprüngen an den Prototypen und eventuellen Produkten. Die Zielsetzung ist eine Zelle mit einer Energiedichte von 180 Wh/kg zu entwickeln, welche dann in Endanwendungen wie Gabelstapler, Heimspeicher, und stationäre Speicher eingesetzt werden kann. Durch den angestrebten niedrigen Preis pro kWh für NIB’s sind alle Anwendungen mit einer niedrigen bis mittleren Energiedichte denkbar.

Weniger Papierverbrauch durch leichtes Verpackungsmaterial aus Altpapier

Das Bundesumweltministerium unterstützt die Papierfabrik Palm GmbH bei der Investition in eine neue umweltfreundliche Papiermaschine mit innovativer Trocknungstechnologie. Das Familienunternehmen ist im Bereich der Papier- und Verpackungserzeugung mit Produktionsstandorten in Deutschland und Europa aktiv. Am Stammsitz in Aalen investiert das Unternehmen in eine neue Papierfabrik zur Herstellung von Wellpappenrohpapier für Verpackungen. Erstmals in Europa kann so sehr leichtes Verpackungsmaterial aus Altpapier hergestellt werden. Bei gleicher Festigkeit wie herkömmliches Papier wird ein um 15 Prozent reduziertes Flächengewicht erreicht. Dies wird durch eine Kombination aus Heißlufttrocknung und schonendem Papiertransport ermöglicht. Sie sorgt für eine schnellere und gründlichere erste Trocknungsphase des Papiers, wodurch es ermöglicht wird, dass die Papierbahn stabiler durch die Papiermaschine läuft und weniger Abrisse erfährt. Ein ständiger Abriss der Papierbahnen während der Trocknung wird verhindert. Verpackungen können zukünftig mit Hilfe der innovativen Trocknungstechnologie ressourcenschonender und energieeffizienter hergestellt werden. Bei einer geplanten Jahresproduktion von 700.000 Tonnen Papier können so gut 9.800 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart werden. Kunststoff kann zukünftig vermehrt durch Papier als Verpackungsmaterial ersetzt werden. Das Vorhaben setzt einen neuen Standard für die umweltschonende Produktion von Verpackungsmaterial aus Altpapier. Bei erfolgreichem Projektverlauf ist von einer hohen Multiplikatorwirkung innerhalb der Branche auszugehen. Mit dem Umweltinnovationsprogramm wird die erstmalige, großtechnische Anwendung einer innovativen Technologie gefördert. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Saisonale Kaeltespeicherung im Erdreich

Zielsetzung: Bereits 1987 wurde in einem Firmengebaeude in Wetzlar erstmals der Erdsondenteil einer erdgekoppelten Waermepumpe als Kaeltespeicher benutzt und direkt zur Kuehlung eines Konferenzraumes im Sommer herangezogen. Nunmehr sollen durch weitere Untersuchungen die Einsatzfaehigkeit und Auslegungskriterien fuer derartige energiesparende Raumkuehlungsanlagen festgestellt werden. Arbeiten und bisherige Ergebnisse: In zwei Gebaeuden (Technorama, Duesseldorf, und Betriebsgebaeude Geotherm, Linden) wird eine Raumkuehlung mit Kaeltespeicherung im Erdreich betrieben. Dabei ist in Linden nur die direkte Kaelterueckgewinnung vorgesehen, waehrend in Duesseldorf zur Deckung des Spitzenbedarfs reversible Waermepumpen zugeschaltet werden koennen. Beide Anlagen haben im Sommer 1991 voll zufriedenstellend gearbeitet. Studien fuer den Einsatz in anderen Gebaeuden liegen vor; fuer die Auslegungsrechnung wurden PC-Programme der Universitaet Lund, Schweden, eingesetzt. In einem eigenen Projekt wurde ein Bericht zum Stand der Technik erstellt.

Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometer

Die Analytik und Bewertung von Spurenverunreinigungen und deren Transformationsprodukten in der aquatischen Umwelt sowie in technischen Wasseraufbereitungsverfahren im Spuren- und Ultraspurenbereich ist einer der Hauptschwerpunkte in Forschung und Lehre der Wasserchemie am Engler-Bunte-Institut des KIT (KIT-EBI). Das vorhandene Triple-Quad (Anschaffungsdatum: 2000) entspricht nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik und Forschung. Zudem steigen die Reparaturkosten überproportional und Ersatzteile werden nicht mehr hergestellt. Daher wird der Service des Gerätes auch in absehbarer Zukunft eingestellt werden. Die Triple-Quad Geräte der neuesten Generation weisen eine um den Faktor 200-500 (substanzspezifisch) höhere Sensitivität auf, als das vorhandene Gerät. Das beantragte Gerät soll daher u.a. auch zur Direktinjektion und online Anreicherung von Wasserproben genutzt werden und so Kosten und Zeit zur Probenvorbereitung einsparen. Die UHPLC ist zeitgemäß und ermöglicht neben den normalen chromatografischen Anwendungen auch Trennungsgänge bei Drücken bis 1200 bar. Vom Anbieter wurde dem KIT-EBI im Rahmen des Kaufs eines Triple-Quad Systems eine Kooperation mit der Möglichkeit zur Messung an Q-ToF Geräten zugesagt, die für non-target Fragestellungen und Transformationsprodukt-Identifizierung genutzt werden können.

Impuls- und Energieflüsse in Gegenwart von oberflächenaktiven Substanzen

Unsere Motivation basiert auf der Tatsache, dass bei schwachen bis mäßigen Windgeschwindigkeiten die gekoppelten viskosen Luft-Wasser-Schichten auf beiden Seiten der Mikroschickt an der Wasseroberfläche (surface microlayer, SML) den Großteil der Windspannung tragen, die wiederum stark von den Oberflächenwellen moduliert wird. Dynamische Prozesse auf Skalen von Millimetern bis wenigen Zentimetern werden durch den Windstress angetrieben und sind von zentraler Bedeutung für ein tiefes Verständnis der SML-Dynamik und der Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre. Wenn monomolekulare Oberflächenfilme an der Meeresoberfläche (marine Monolayers) die (mehrschichtige/ Mikrometer-) SML bedecken, dämpfen sie kleinskalige Oberflächenwellen, wodurch diese Austauschprozesse beeinflusst werden. Während die allgemeine Wirkung von Monolayern auf die kleinskalige Oberflächenrauheit, auf den Windstress und auf Gasflüsse grundsätzlich bekannt ist, fehlt es noch an Wissen über ihren Einfluss auf Prozesse, die auf sehr kleinen Längenskalen in der Größenordnung von Millimetern und darunter ablaufen. Im Teilprojekt 2.2 der Forschungsgruppe BASS werden wir diese Lücke durch eine Reihe von Laborexperimenten am Windwellenkanal der Universität Hamburg schließen, in denen modernste Beobachtungstechniken einen bisher nicht erreichten Einblick in kleinskalige Dynamiken innerhalb der SML und ihrer unmittelbare Umgebung liefern werden. Die Relevanz für die Forschungsgruppe BASS ergibt sich aus der Untersuchung von Transport-, Akkumulations- und Austauschprozessen innerhalb der SML, die hauptsächlich von kleinskaligen Dynamiken an der Meeresoberfläche getrieben werden und somit von ihnen abhängen. Um diese Prozesse zu verstehen, ist eine gründliche Kenntnis der kleinräumigen Oberflächenwellen- und oberflächennahen Strömungsfelder sowie der Turbulenzmuster sowohl ober- als auch unterhalb der (dynamischen) Wasseroberfläche erforderlich. Ihre Untersuchung erfordert Messungen auf räumlichen Skalen im Millimeterbereich und darunter, sowie Experimente unter kontrollierten (Wind- und Wellen-) Bedingungen, die nur in Laboreinrichtungen wie dem Windwellenkanal der Universität Hamburg möglich sind. Innerhalb dieses Teilprojekts werden wir kleinräumige (cm bis sub-mm) physikalische Prozesse an der rauen Luft-Wasser-Grenzfläche untersuchen, die von anderen Teilprojekten untersuchte Austauschprozesse modulieren und kontrollieren, und die durch monomolekulare Oberflächenfilme verändert werden, die häufig in Küstengewässern anzutreffen sind.

Effizienzsteigerung biologischer Abluftbehandlungsverfahren durch Kombination mit alternativen Verfahren zur Abluftreinigung von biologischen Abfallbehandlungsanlagen sowie mechanisch-biologischen Restabfallbehandlungsanlagen

Abluftemissionen von biologischen Abfallbehandlungsanlagen zum Zweck der Komposterzeugung werden über die TA Luft geregelt. Dabei hat sich die Kombination aus Wäscher und Biofilter zur Abluftbehandlung mit dem Ziel der Staubabscheidung und Geruchsminderung weitgehend bewährt. Hauptsächliches Augenmerk liegt dabei auf der Begrenzung von Geruchsemissionen. Neben Anforderungen an die Begrenzung von geruchsintensiven Stoffen wird die effektive Reduktion aller kritischen organischen Stoffe der Klassen 1 und 2 nach Nr. 3.1.7 TA Luft zur Einhaltung der festgeschriebenen Grenzwerte gefordert. Bei der mechanisch-biologischen Behandlung von Siedlungsabfällen hat sich in Untersuchungen und Praxiserfahrungen der letzten Jahre gezeigt, dass der Biofilter nicht ausreicht, um die Abluft zu reinigen und die Anforderungen der TA Luft an eine effektive Reduktion aller kritischen organischen Stoffe der Klassen 1 und 2 zu erfüllen. Mit in Kraft treten der 30. BImSchV sind für mechanisch-biologische Restabfallbehandlungsanlagen weitergehende bzw. alternative Abluftreinigungsverfahren notwendig, so dass sich ein neuer Stand der Technik auf dem Gebiet der Abluftreinigung abzeichnen wird. Untersucht werden alternative Abluftreinigungsverfahren zur Behandlung der Emissionen von biologischen Abfallbehandlungsverfahren sowie mechanisch-biologische Restabfallbehandlungsverfahren. Das Projekt wird in Kooperation mit einem Industriepartner durchgeführt. Neben der Bilanzierung der quantitativen Emissionen sollen deren potenzielle Umweltauswirkungen auf Basis einer ökobilanziellen Abschätzung ermittelt werden, um die unterschiedlichen Systeme miteinander vergleichen zu können.

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