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s/vefahrensoptimierung/Verfahrensoptimierung/gi

Forschergruppe (FOR) 2131: Datenassimilation in terrestrischen Systemen; Data Assimilation for Improved Characterisation of Fluxes across Compartmental Interfaces, Teilprojekt: Skalenproblematik bei der Assimilation von passiven L-Band Mikrowellenbeobachtungen von Satelliten in hochaufgelöste gekoppelte Modelle

Dieses Projekt analysiert den Nutzen und Wert von passiven L-Band Satellitenbeobachtungen für die Ensemble-basierte Datenassimilation mit vollgekoppelten Erdsystemmodellen für mesoskalige Einzugsgebiete. Modellauflösungen sind dabei typischerweise in der Größenordnung von 100 m für die Landkomponenten und 1 km für die Atmosphärenkomponente des gekoppelten Modells; diese ist viel höher als die der Satellitenbeobachtungen, die typischerweise mehrere 10 Kilometer beträgt. Ensemble-basierte Datenassimilation erfordert die Erzeugung von synthetischen Beobachtungen aus dem Erdsystemmodell heraus mit Hilfe eines Beobachtungsoperators, der dann mit Beobachtungen verglichen wird um das Analyseensemble zu generieren. Da der Modellzustand nicht notwendigerweise alle Informationen enthält, die der Beobachtungsoperator benötigt (dieser ist im Wesentlichen ein Strahlungstransportmodell) muss die fehlende Information aus externen Datenquellen extrahiert werden. Die zentralen Projektziele sind die Weiterentwicklung einen geeigneten Beobachtungsoperators, der es erlaubt Satellitenbeobachtungen im L-Band zu erzeugen, sowie dessen Nutzung für die Datenassimilation mit Hilfe der Terrestrial Systems Modeling Platform (TerrSysMP, Shrestha et al. 2014) gekoppelt mit dem Parallelized Data Assimilation Framework (PDAF, Nerger et al. 2013). Während wir in Phase I hauptsächlich einen flexiblen Beobachtungsoperator erstellt und validiert haben, konzentrieren wir uns in Phase II, neben weiteren Verbesserungen des Operators bezüglich Vegetation und seiner Operationalisierung, auf die eigentliche Datenassimilation. Diese umfasst (a) die Bestimmung des Biases zwischen virtuellen Beobachtungen des Datenassimilationsmodells und solchen des virtuellen wie des realen Einzugsgebietes, (b) Datenassimilationsexperimente zur Quantifizierung des Wertes solcher Beobachtungen auch im Vergleich zu anderen Beobachtungen, sowie (c) Vorverarbeitungs- und Filterungsmethoden um die niedrig aufgelösten Messungen optimal für die Systemzustandsschätzung auszunutzen.

Passive Sampling und Passive Dosing - ein innovativer Ansatz zur kombinierten chemischen und biologischen Analyse hydrophoben organischen Schadstoffen im Sediment-Porenwasser mariner Systeme

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von innovativen Indikatoren, die eine räumlich strukturierte Beschreibung und Bewertung der Belastungssituation und des Risikopotenzials von sedimentgebundenen Schadstoffen in marinen Systemen ermöglichen. Dieses Projekt wird es zum ersten Mal ermöglichen, Daten zur Toxizität der Porenwasserkonzentration von hydrophoben organischen Schadstoffen mit sehr geringer Unsicherheit zu erheben, direkt mit einer chemischen Analyse zu korrelieren und schließlich über entsprechende künstliche Mischungen zu verifizieren. Um dies zu erreichen, wird in diesem Projekt ein in situ Gleichgewichtssammlers (Passivsammlers) auf Basis der Festphasenmikroextraktion (passive sampling) für die Untersuchung von hydrophoben organischen Schadstoffen im marinen Bereich adaptiert. Anschließend werden die mittels Silikon Hohlfasern gesammelten Schadstoffmischungen direkt durch passive dosing in kleinskalige Biotestsysteme eingebracht. Durch Verzicht auf die vorherige Extraktion der Fasern wird das Risiko, die ursprüngliche Probenzusammensetzung zu verändern, deutlich reduziert. Erhobene Daten sind daher in hohem Maße repräsentativ für die tatsächliche Belastungssituation vor Ort. Des Weiteren werden die analysierten Schadstoffmischungen künstlich wiederhergestellt, um sie mittels passive dosing in unterschiedlichen Konzentrationen in Biotests zu untersuchen. Damit sollen Konzentrations-Wirkungskurven erstellt werden, die es erlauben, das von den sedimentgebundenen Schadstoffen ausgehende Risiko abzuschätzen (Mischtoxizität).

Potentiale einer am Kreislaufgedanken orientierten Wasserbewirtschaftung in urbanen Oekosystemen

Die bestehende Stadtentwaesserung ist auf die schnelle Ableitung von Abwaessern inkl. des Niederschlagswassers optimiert. In einem extrem dicht besiedelten und durch vielfaeltige Flaecheninanspruchnahme gekennzeichneten Gebiet wird abgeschaetzt, welches Potential die am Prinzip von Nachhaltigkeit und Kreislauffuehrung von Stoffen orientierten alternativen Vorgehensweisen der Wasserbewirtschaftung besitzen. Dabei werden die Wahrung des Entwaesserungskomforts und die Preisgestaltung beruecksichtigt.

Entwicklung von neuartigen schadstoffminimierten kleinen industriellen Holz- und Holzabfallfeuerungsanlagen

In der holzverarbeitenden Industrie und in der Forstwirtschaft fallen grosse Mengen an Holzabfaellen an, deren Verbrennung oftmals sehr hohe Emissionen an Rauch, bestehend aus unverbrannten Stoffen, Partikeln und Stickstoffoxiden, verursacht. In diesem Projekt sollen erstmals bei Holz- und Holzabfall-Feuerungen mit Hilfe der numerischen Verbrennungssimulation die guenstigste Feuerraumgestaltung hinsichtlich optimaler Verbrennung und minimaler Schadstoffemission gefunden werden. Fuer die verbleibenden Partikelrestemissionen soll die Abscheidetechnologie an Holzfeuerungsabgase angepasst und optimiert werden. Dadurch kann die in Baden-Wuerttemberg ansaessige holzverarbeitende Industrie die anfallenden Holzreste umweltfreundlich und energiegewinnend verwerten und zukuenftige Entsorgungskosten (TA Siedlungsabfall) einsparen.

Implementierung eines neuen Kunststoffmetallisierungsverfahrens

Am Standort Elgersweier wird die Hansgrohe AG ein innovatives Kunststoffmetallisierungsverfahren erstmalig in Betrieb nehmen. Im Hansgrohe Werk werden Artikel aus Kunststoff wie Handbrausen sowie deren Zubehör dekorativ verchromt. Ziel des Vorhabens ist, durch den Einsatz eines neuartigen Kunststoffmetallisierungsverfahrens die Verchromung von Kunststoffen durch elektrolytische statt durch chemische Verfahren durchzuführen. Nach der derzeitigen Praxis wird immer erst die gesamte Oberfläche vernickelt. Im Anschluss wird in einem aufwändigen und umweltbelastenden Strippverfahren Nickel an den Stellen, an denen kein Nickel erwünscht ist, wieder entfernt. Während dieser Prozessschritte wird hoch konzentrierte Chromsäure eingesetzt, wobei toxische und krebserregende Chrom (VI)-Verbindungen entstehen. Durch das veränderte Verfahren besteht die Möglichkeit, nur den Teil der Oberfläche des Kunststoffs zu vernickeln, der dafür vorgesehen ist. Der Einsatz der Chromsäure kann so um mehr als 50 Prozent verringert werden. Dies ist insbesondere eine Entlastung für die Umwelt und die betroffenen Mitarbeiter aber auch ein wirtschaftlicher Vorteil, da mit Anwendung des Verfahrens ganze Bearbeitungsschritte entfallen.

Verschränkung der hochintegrierten Elektrochemischen Konversion von Kraftlignin mit biotechnologischen und chemischen Prozessen zu drop-in Chemikalien und Intermediaten für stoffliche Anwendungen, Teilvorhaben 5: Elektrochemisches Reaktorsystem

Das Gesamtziel von IntElek-to 2.0 ist die Entwicklung einer nachhaltigen Wertschöpfungskette zur Darstellung und stofflichen Nutzung monomerer und oligomerer Oxidationsprodukte des Kraftlignins, das bislang einer nahezu ausschließlichen thermischen Verwertung zugeführt wird. Dieses Projekt umfasst hierbei die Optimierung der elektrochemischen, anodischen und kathodischen, kontinuierlichen Verfahren und Prozesstechnologien zur Darstellung von o.g. monomeren und weiteren entschwefelten, funktionalen lignin-stämmigen Verbindungen, Pinacol-Kopplungsprodukten und anderen biphenylischen Intermediaten und oligomeren Verbindungen. Die Kopplung mit biotechnologischen Verfahren zur Funktionalisierung, mit nachhaltiger organischer Polymersynthesechemie (aromatische gesättigte und ungesättigte Polyester, NIPU, PU, PIR und Polyharnstoff, Epoxydharze) und konventioneller katalytischer Chemie zu Polymeranwendungen (Klebstoffe, Beschichtungen, additive Fertigung, Schäume, Abformmassen) erweitert die Wertschöpfungskette im Hinblick auf marktorientierte Anwendungen. Unter anderem wird der Einsatz der innovativen Bio-Monomere für bedeutende Massenmärkte wie die Herstellung von PUR/PIR Isolationsschäumen erforscht. PIR/PU Isolationsschäume mit einem Marktanteil von über 30% des weltweiten PU-Verbrauchs, leisten einen erheblichen Beitrag zur CO2-Minderung in der Bauindustrie. Dies soll durch eine Verschränkung der o.g. Sektoren (Elektrochemie, Biotechnologie, nachhaltige Synthese- und Polymersynthese-Chemie) zur stofflichen Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Kraftlignin erreicht werden.

Betriebsstabile Deammonifikation mit Swinging Redox

Seit dem Jahr 2009 werden an der Technischen Universität München, vom Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft, Untersuchungen zur Deammonifikation im SBR durchgeführt, bei der mittels Intervallsteuerung und spezieller Regelstrategie das gleichmäßige Schwingen des Redoxpotentials (ORP) im Fokus steht. Postuliert wird bei dieser Methode die Unterstützung eines enzymgebundenen Ladungsaustauschs zur Regeneration der Biozönose im wechselnden Milieu von Oxidation und Reduktion. Die ORP-Amplituden zeigen während der aeroben und anoxischen Phasen typische Signale, die mit den Stickstoff-Konzentrationen korrelieren. Als Resümee ist herauszustellen, dass der Prozess mit Kläranlagen-Belebtschlamm und deammonifizierendem Schlamm aus vorangegangenen Untersuchungen angefahren werden kann. Gesamtstickstoff-Abbaugrade von 90 % werden bei einer Betriebs-Temperatur von 30 °C und Belastung von mehr als 380 gN/(m3 d) erreicht. Nach zwei Jahren Betriebserfahrung mit der Behandlung von KA-Zentraten aus Garching und Ingolstadt in mehreren 150 l SBR-Technikumsanlagen wurde von 2010 bis 2012 im Klärwerk Landsberg an einer Pilotanlage mit 20 m3 SBR eine automatische Steuerung entwickelt, die eine betriebsstabile Prozessführung ermöglicht. Seitdem sind im Rahmen von Master- und Studienarbeiten die optimalen Betriebsbereiche zur Deammonifikation im Technikum präzisiert worden. Um Substrat-Hemmung sowie Nitrat-Akkumulation zu vermeiden, ist bei der Prozessregelung strickt auf Konzentrationsgradienten und ORP-Amplituden-Grenzwerte zu achten. Für die Einfahrphase hat sich die Zugabe von einem Viertel Kläranlagen-Zulauf zum Zentrat bewährt, um besonders im Teillastbereich ein ausreichendes Reduktionspotential vorzugeben. Weitere Additive sind im Regelbetrieb nicht erforderlich. Die jüngsten Ergebnisse zeigen, dass bei Voll-Last, das heißt bei einer Abbauleistung von mehr als 360 gN/(m3 d) und Zulaufkonzentrationen von 1.400 mg/l NH4-N, auch die Nitrat-Konzentration im Ablauf auf weniger als 5 % reduziert werden kann. Mit der Online-Messung von ORP, LF und pH ist der Prozess stabil zu führen. Ammonium, Nitrat und TS werden zwei bis dreimal pro Woche gemessen.

Energetische Optimierung der Trockenpartie

Ausgangssituation/Problemstellungrn Die für Trocknung von Papier eingesetzte Energie wird - abgesehen von den durchaus nicht unbeträchtlichen Wärmeverlusten in der Trockenpartie - fast ausschließlich zur Erwärmung und - zu einem erheblich höheren Anteil - zur Verdampfung des Wassers benötigt, das die Bahn aus der Pressenpartie mitbringt.rnUm die hierfür aufgewendete, im abgeführten Dampf gebundene Energie zurückzugewinnen, muss der in der Haubenabluft enthaltene Dampfanteil möglichst vollständig kondensiert wer-den (was bedeutet, dass sich die Energie nach der Kondensation in dem Medium befindet, das die Haubenabluft gekühlt hat). Dabei ergeben sich eventuell eine operative und mit Ge-wissheit eine energetische Schwierigkeit:rn- Inhaltsstoffe der Haubenluft könnten Anbackungen oder Korrosion im Kondensator verursachen und dessen Wirkungsgrad reduzieren. rn- Die Qualität (also der technisch verwertbare Anteil der zurück gewonnenen Wärme = Exergie) und die Quantität der zurück gewonnenen Wärme folgen gegenläufigen Tendenzen: rn- Mit zunehmender Kondensationstemperatur steigt die Exergie der zurück gewonnen Wärme an. rn- Mit abnehmender Kondensationstemperatur steigt die - wegen ihrer tiefen Tempera-tur zunehmend wertlose - zurück gewonnene Wärmemenge an. rnrnForschungsziel/ForschungsergebnisrnZiele des Projekts sind rn- die Analyse und Bewertung des Problempotenzials der Inhaltsstoffe des Kondensats der Haubenluft auf die Arbeitsweise des Kondensators,rn- die Entwicklung und Erprobung eines Bilanzmodells auf Basis von Messwerten für die Papiertrocknung, rn- die Identifikation technisch-wirtschaftlich sinnvoller Lösungen des Zielkonflikts zwi-schen Menge und Qualität der rückgewinnbaren Energie, rn- die Bewertung des erreichbaren Potenzials an rückgewinnbarer Energie als Ersatz für Fremdenergie anhand von Fallbeispielen mittels dem Bilanzmodell und rn- die Abschätzung der technischen Realisierbarkeit sowie der Wirtschaftlichkeit der zur Nutzung dieses Potenzials erforderlichen Maßnahmen.rnrnAnwendungen/Wirtschaftliche BedeutungrnWärmeverluste über die Haubenabluft werden üblicherweise als unvermeidlich betrachtet und treten heute an allen Papier- und Kartonmaschinen auf. Die mittel- und langfristig zu er-wartende Entwicklung der Energiepreise legt es nahe, intensiv nach Möglichkeiten zu su-chen, dieses Energiepotenzial wirtschaftlich zu erschließen und damit den Fremdenergiebe-zug zu reduzieren. Betroffen von dieser Situation und damit potentieller Nutzer der ange-strebten Forschungsergebnisse ist also die gesamte Papier produzierende Industriern

Thermodynamische Kreisprozeßoptimierung

In den vergangenen Jahren wurde am Institut ein neuer Hochtemperaturkreisprozeß für Kraftwerksanlagen konzipiert, bei denen eine CO2-Rückhaltung auf einfache Art realisierbar ist (Graz Cycle). Derzeit wird an Kreisprozessen mit innerer Verbrennung im Sinne der Gasturbinenprozesse gearbeitet, wobei jedoch zur Verbrennung nicht Luft, sondern Sauerstoff benützt wird. Durch die Proßzessfürhung und die Verbrennung mit reinem Sauerstoff kann ein thermisches Kraftwerk geschaffen werden kann, das keinerlei Abgase in die Umgebung emittiert. Der vorgeschlagene Kreisprozeß läßt sich mit geringen Änderungen durch Feuerung von Methan bei Oxidation durch Sauerstoff und Kühlung mittels Wasserdampf in Brennkammer und Gasturbinenschaufeln durchführen. Es ergeben sich dabei durchaus günstige Verhältnisse für die Gestaltung dieser beiden Komponenten und es wird möglich, am Ende der Expansion nach dem Kondensator das nichtkondensierbare CO2 durch Rekompression aus der Anlage auszuscheiden und zur Speicherung bzw. Wiederverwendung darzubieten. Die Anlagenkonzeption hat den Vorteil, dass größtenteils auf existierende Komponenten zurückgegriffen werden kann und keine Sonderentwicklungen z.B.: für die CO2 Abweichung notwendig werden.

Anlage zur Verwertung regionaler organischer Reststoffe (Co-Fermentation)

Die seit 10 Jahren erfolgreich betriebene Biogasanlage von Herrn Weitz soll konzeptiert und erweitert werden. Neben der Gewinnung von Biogas aus Schweineguelle ist eine Verwertung organischer regionaler Abfaelle geplant. Das Ziel ist die Untersuchung eines optimierten Verfahrensablaufes und die Zusammensetzung der Zuschlagstoffe, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoeglichen.

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