• Energy Research
• 7. Clean energy close
• 11. Sustainability close
• 8. Economic growth close
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Das Wissen um die endliche Verfügbarkeit konventioneller, fossiler Rohstoffe führte zur intensivierten Auseinandersetzung mit alternativen, erneuerbaren Energiequellen. Im Zuge dieses als Energiewende bezeichneten Prozesses hat die thermische Nutzung des Untergrundes als Speicher, aber auch als Quelle von Wärme deutlich zugenommen. Diese Entwicklung verstärkte die Forschungsbestrebungen für die Beschreibung thermischer Parameter des Untergrundes sowie der Bauwerke, die zur Wärmegewinnung genutzt werden, über Temperaturverteilungen während Installation und Betrieb. Die zugehörigen Temperaturmessungen können dafür zeitgemäß, kostengünstig und unaufwendig mit Ramanspektrum basierter, verteilter Temperaturmessung auf Glasfaserkabeln (DTS) durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde vom aktuellen, erkundungsbezogenen Stand der Technik aus, dem Thermal-Response-Test, untersucht, inwieweit eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Erdwärmesonden eines Sondenfeldes gegeben ist und diese Ergebnisse auch nicht etablierten, tiefenaufgelösten TRT gegenübergestellt. Aufgrund der Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Erdwärmesonden zur TRT-Durchführung wurde sich entsprechend auch mit alternativen Erkundungsmöglichkeiten auseinandergesetzt. Dafür wurde sich mit der Temperaturcharakterisierung von flachem Untergrund sowie der Erdwärmesonde (EWS) beschäftigt. Temperaturmessungen während Aufheizen und Abkühlen des Untergrunds wurden mit DTS durchgeführt und alternativen Erkundungsverfahren, wie Direct-Push, gegenübergestellt. In Kombination mit den TRT-Temperaturverteilungen zeigte sich dabei, dass nicht nur geologische Schichten unterschieden werden können, sondern auch, dass der Ausbau der Erdwärmesonde einen erkennbaren Einfluss auf die Messungen hat. Aus diesem Grund wurden die Arbeiten mit Untersuchungen zur Nutzung der Hydrationswärme als Werkzeug des Qualitätsmanagements von EWS abgeschlossen. Dabei wurde auf numerische Wärmeleitungsmodellierung, Laborversuche und Feldversuche zurückgegriffen. Aus der Summe der Ergebnisse wurden unterschiedliche Erklärungsansätze abgeleitet, welche notwendig sind für die Abschätzung, inwieweit die gefundenen Beobachtungen zur Erkundung und zum Qualitätsmanagement von Erdwärmesonden beitragen können. Dabei zeigte sich, dass verteilte Temperaturmessungen im Allgemeinen gut dazu geeignet sind, das relative Wärmespeichervermögen des Untergrundes zu ermitteln sowie mögliche Fehlstellen in der Hinterfüllung einer EWS zu detektieren. Damit kann die Temperaturmessung innerhalb einer EWS dazu genutzt werden, künftige Nutzungsarten zu definieren und die EWS vom Einbau an auf ihre Qualität zu überprüfen. Die Ankopplung dieser Versuche an herkömmliche Verfahren wie den Thermal-Response-Test hat sich bewährt, aber auch gezeigt, dass die Ergebnisse, die in TRT ermittelt werden, stark von den Einbaubedingungen der EWS abhängen. Eine direkter Vergleich von unterschiedlichen TRT eines EWS-Feldes (quartäre Sedimente, Sand, Kies, Schluff) wirft dabei Fragen zur Übertragbarkeit von TRT-Ergebnissen auf Nachbarsonden auf, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Alle Temperaturdaten aus den Experimenten können von den Archivservern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bezogen werden. Die Ordner-Struktur des Archivs ist in Appendix A dargestellt. Zusätzlich sind die Daten der angesprochenen Publikationen hinterlegt. Link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. Sollten Probleme beim Zugriff auftreten bitte ich darum sich direkt an das UFZ zu wenden. The knowledge about the limited availability of conventional, fossil energy resources directed the focus on alternative, renewable energy resources. In the course of this energy transition, there is an increased use of the shallow subsurface for thermal energy mining and storage. This increase in use led to deeper research in the field of characterisation of thermal properties of the (shallow) subsurface as well as investigations in related thermal energy mining systems like borehole ground heat exchanger (BHE). Hereby, temperature evolution during operation or exploration of the BHE with thermal response tests (TRT) were of special interest. Respective measurements can be done by Raman-spectre based distributed temperature sensing (DTS). In the presented work the actual standard tool for geothermal exploration, the TRT, is the basis for further investigation. Here, the comparability between TRTs of different BHE at the same test site is of special interest as well as the comparison to the not widely established enhanced (depth depending) TRT. As the TRT itself is in need of a BHE, approaches more easy to apply were also investigated. To achieve the mentioned points, temperature evolution was measured with the help of DTS within the subsurface as well as within BHE. This was done during heating and cooling phases and partially compared to alternative exploration data like various Direct-Push (DP) techniques. The analysis of the temperature distributions showed not only that different geological layers can be distinguished during exploration phase but also that the construction process and quality have a measurable impact on the results. This led to investigations of the usability of hydration heat for BHE quality management by field site temperature measurements as well as laboratory and numeric analysis. From the sum of the results multiple explanations were deduced which help to understand how the results of the exploration and the quality management approaches can help in determining the type of use of future BHE projects. Furthermore, it was shown that distributed temperature measurements are generally well suited for deduction of subsurface relative thermal storage potential as well as detection of possible failures within the grouting of a BHE. Temperature measurements in BHE can therefore be used to define the future thermal usage of the subsurface as well as help detecting failures of the BHE from installation onwards. Combining those approaches with conventional TRT was successful. However, it could be shown that the results of TRT strongly depend on BHE installation procedure. It is also shown that the direct comparison of different BHE from the same field site (quarternary sediments, sand gravel, tilt) shows varying results, leading to questions about the comparability of TRT of adjacent BHE which could not finally be resolved. The data of all experiments is stored at the science-server of the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ). The folder structure of the server can be found in appendix A. The data of the publications can be found there too. The data can be accessed as raw as well as processed data from the following link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. If you have trouble accessing the data, please directly contact someone at the UFZ to help you.

Das Wissen um die endliche Verfügbarkeit konventioneller, fossiler Rohstoffe führte zur intensivierten Auseinandersetzung mit alternativen, erneuerbaren Energiequellen. Im Zuge dieses als Energiewende bezeichneten Prozesses hat die thermische Nutzung des Untergrundes als Speicher, aber auch als Quelle von Wärme deutlich zugenommen. Diese Entwicklung verstärkte die Forschungsbestrebungen für die Beschreibung thermischer Parameter des Untergrundes sowie der Bauwerke, die zur Wärmegewinnung genutzt werden, über Temperaturverteilungen während Installation und Betrieb. Die zugehörigen Temperaturmessungen können dafür zeitgemäß, kostengünstig und unaufwendig mit Ramanspektrum basierter, verteilter Temperaturmessung auf Glasfaserkabeln (DTS) durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde vom aktuellen, erkundungsbezogenen Stand der Technik aus, dem Thermal-Response-Test, untersucht, inwieweit eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Erdwärmesonden eines Sondenfeldes gegeben ist und diese Ergebnisse auch nicht etablierten, tiefenaufgelösten TRT gegenübergestellt. Aufgrund der Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Erdwärmesonden zur TRT-Durchführung wurde sich entsprechend auch mit alternativen Erkundungsmöglichkeiten auseinandergesetzt. Dafür wurde sich mit der Temperaturcharakterisierung von flachem Untergrund sowie der Erdwärmesonde (EWS) beschäftigt. Temperaturmessungen während Aufheizen und Abkühlen des Untergrunds wurden mit DTS durchgeführt und alternativen Erkundungsverfahren, wie Direct-Push, gegenübergestellt. In Kombination mit den TRT-Temperaturverteilungen zeigte sich dabei, dass nicht nur geologische Schichten unterschieden werden können, sondern auch, dass der Ausbau der Erdwärmesonde einen erkennbaren Einfluss auf die Messungen hat. Aus diesem Grund wurden die Arbeiten mit Untersuchungen zur Nutzung der Hydrationswärme als Werkzeug des Qualitätsmanagements von EWS abgeschlossen. Dabei wurde auf numerische Wärmeleitungsmodellierung, Laborversuche und Feldversuche zurückgegriffen. Aus der Summe der Ergebnisse wurden unterschiedliche Erklärungsansätze abgeleitet, welche notwendig sind für die Abschätzung, inwieweit die gefundenen Beobachtungen zur Erkundung und zum Qualitätsmanagement von Erdwärmesonden beitragen können. Dabei zeigte sich, dass verteilte Temperaturmessungen im Allgemeinen gut dazu geeignet sind, das relative Wärmespeichervermögen des Untergrundes zu ermitteln sowie mögliche Fehlstellen in der Hinterfüllung einer EWS zu detektieren. Damit kann die Temperaturmessung innerhalb einer EWS dazu genutzt werden, künftige Nutzungsarten zu definieren und die EWS vom Einbau an auf ihre Qualität zu überprüfen. Die Ankopplung dieser Versuche an herkömmliche Verfahren wie den Thermal-Response-Test hat sich bewährt, aber auch gezeigt, dass die Ergebnisse, die in TRT ermittelt werden, stark von den Einbaubedingungen der EWS abhängen. Eine direkter Vergleich von unterschiedlichen TRT eines EWS-Feldes (quartäre Sedimente, Sand, Kies, Schluff) wirft dabei Fragen zur Übertragbarkeit von TRT-Ergebnissen auf Nachbarsonden auf, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Alle Temperaturdaten aus den Experimenten können von den Archivservern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bezogen werden. Die Ordner-Struktur des Archivs ist in Appendix A dargestellt. Zusätzlich sind die Daten der angesprochenen Publikationen hinterlegt. Link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. Sollten Probleme beim Zugriff auftreten bitte ich darum sich direkt an das UFZ zu wenden. The knowledge about the limited availability of conventional, fossil energy resources directed the focus on alternative, renewable energy resources. In the course of this energy transition, there is an increased use of the shallow subsurface for thermal energy mining and storage. This increase in use led to deeper research in the field of characterisation of thermal properties of the (shallow) subsurface as well as investigations in related thermal energy mining systems like borehole ground heat exchanger (BHE). Hereby, temperature evolution during operation or exploration of the BHE with thermal response tests (TRT) were of special interest. Respective measurements can be done by Raman-spectre based distributed temperature sensing (DTS). In the presented work the actual standard tool for geothermal exploration, the TRT, is the basis for further investigation. Here, the comparability between TRTs of different BHE at the same test site is of special interest as well as the comparison to the not widely established enhanced (depth depending) TRT. As the TRT itself is in need of a BHE, approaches more easy to apply were also investigated. To achieve the mentioned points, temperature evolution was measured with the help of DTS within the subsurface as well as within BHE. This was done during heating and cooling phases and partially compared to alternative exploration data like various Direct-Push (DP) techniques. The analysis of the temperature distributions showed not only that different geological layers can be distinguished during exploration phase but also that the construction process and quality have a measurable impact on the results. This led to investigations of the usability of hydration heat for BHE quality management by field site temperature measurements as well as laboratory and numeric analysis. From the sum of the results multiple explanations were deduced which help to understand how the results of the exploration and the quality management approaches can help in determining the type of use of future BHE projects. Furthermore, it was shown that distributed temperature measurements are generally well suited for deduction of subsurface relative thermal storage potential as well as detection of possible failures within the grouting of a BHE. Temperature measurements in BHE can therefore be used to define the future thermal usage of the subsurface as well as help detecting failures of the BHE from installation onwards. Combining those approaches with conventional TRT was successful. However, it could be shown that the results of TRT strongly depend on BHE installation procedure. It is also shown that the direct comparison of different BHE from the same field site (quarternary sediments, sand gravel, tilt) shows varying results, leading to questions about the comparability of TRT of adjacent BHE which could not finally be resolved. The data of all experiments is stored at the science-server of the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ). The folder structure of the server can be found in appendix A. The data of the publications can be found there too. The data can be accessed as raw as well as processed data from the following link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. If you have trouble accessing the data, please directly contact someone at the UFZ to help you.

Bauherren formulieren immer ��fter den Wunsch nach einem gesunden Wohnumfeld. Aufgrund von verf��gbarem Materialwissen und Baustoffinformationssystemen sind Planer mittlerweile in der Lage, materialspezifische Anforderungen zum schadstoffarmen Planen und Bauen abzuleiten. Aktuell gibt es jedoch keine standardisierten Vorgehensstrategien und Hilfen, die den Planer bei der Umsetzung der daraus entstehenden prozessbezogenen Herausforderungen unterst��tzen. Schadstoffarme Projekte werden h��ufig als Individualwerk, mit immer wieder neu konzipierten Abl��ufen, von Experten durchgef��hrt. Bereits entwickelte Expertenl��sungen verbleiben als exklusives Wissen bei wenigen Fachplanern. Nur einzelne Teilprozesse sind als Strategiewissen f��r alle verf��gbar. Somit bleiben zu viele Fragen und Unsicherheiten zur Planung und Bauausf��hrung offen, Experten sind nach wie vor notwendig, wenn besonders schadstoffarm gebaut werden soll. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer prozessbezogenen Vorgehensstrategie zur Qualit��tssicherung des schadstoffarmen Planens und Bauens. Eine praxisnahe Systematik soll ���neue��� Abl��ufe und Zusammenh��nge f��r Planer aufzeigen, um fr��hzeitig Risiken zu vermeiden. Aufbauend auf einer Vorstudie zu theoretischen Risikomodellen und beispielhaften Bauteilbetrachtungen wird eine qualitative Studie mit der Methode der Experteninterviews durchgef��hrt, um Expertenwissen und deren Planungswissen zu explizieren und f��r die Ergebniserstellung zu interpretieren. Als Ergebnis der Untersuchung werden sieben sog. ���neue��� Kernprozesse zum schadstoffarmen Planen und Bauen definiert und mit Checklisten hinterlegt. Um aufzuzeigen, wie der theoretische Ansatz in eine praxisnahe Anwendung ��berf��hrt werden muss, folgt eine zweite Ausarbeitungsstufe. In dieser werden die Modelle und die Checklisten zu einem Strategiemuster zusammengef��hrt. F��r zwei Bauteile k��nnen hiernach eine Bauteilmatrix, Bauteilmuster und Hilfetexte erstellt werden. Die entwickelte Vorgehensstrategie stellt eine praxisnahe Planungshilfe zur Qualit��tssicherung dar und besteht aus folgenden 4 Ebenen: - Ebene E.1 ���Strategiemuster��� - ��berblick Risikobereiche. - Ebene E.2 ���Bauteilmuster��� - Vergleichsm��glichkeit Bauteile. - Ebene E.3 ���Bauteilmatrix��� - Kurzhinweise Risiken. - Ebene E.4 ���Strategiebl��tter��� - Handlungsanweisung. Clients more and more ask for healthy living and working environments. Planers see themselves challenged to fulfill these requests. They benefit from product information, which aims to support them, and which evolves ongoing. But nevertheless, currently, there are no standardized and freely accessible procedural strategies and aids, supporting the planner in implementing these specified requirements in planning and construction processes. Project management is often carried by an individual with him constantly redesigned processes. This comes with a large number of questions and uncertainties in regards to planning and construction, resulting in the consultation of an expert. The aim of the following research work is the development of a process-related strategy, which helps to qualitatively manage planning and construction processes of environmentally-friendly projects, projects that contain fewer pollutants. New processes are to modeled in step with actual practice in order to avoid risks early enough. Based on a preliminary study of theoretical risk models and exemplary construction components, a qualitative study helps to explicate expert knowledge and strategies by using the method of expert interviews. As a research result, seven so-called "new" key processes are defined for the planning and construction of projects with fewer pollutants. These results are displayed as two-dimensional models in various levels of detail and are supplemented by so-called checklists. In order to transmit these theoretical approaches into a practical application, a strategy pattern is developed out of the models and the checklists. In addition, this pattern is verified du to an exemplification with the examples of two external walls. As a result, a matrix as well as a pattern for each construction element can be deviated. Due to the complementation by additional information and the design of a so called strategic data sheet, the scheme and its elements for the quality management system can be identified and defined as the following: - Level 1 E.1 ���Strategy Pattern��� - overview risks. - Level 2 E.2 ���Construction Element Matrix��� - comparison of constructions. - Level 3 E.3 ���Construction Element Pattern��� - key information. - Level 4 E.4 ���Strategic Data Sheet��� - additional information.

Bauherren formulieren immer ��fter den Wunsch nach einem gesunden Wohnumfeld. Aufgrund von verf��gbarem Materialwissen und Baustoffinformationssystemen sind Planer mittlerweile in der Lage, materialspezifische Anforderungen zum schadstoffarmen Planen und Bauen abzuleiten. Aktuell gibt es jedoch keine standardisierten Vorgehensstrategien und Hilfen, die den Planer bei der Umsetzung der daraus entstehenden prozessbezogenen Herausforderungen unterst��tzen. Schadstoffarme Projekte werden h��ufig als Individualwerk, mit immer wieder neu konzipierten Abl��ufen, von Experten durchgef��hrt. Bereits entwickelte Expertenl��sungen verbleiben als exklusives Wissen bei wenigen Fachplanern. Nur einzelne Teilprozesse sind als Strategiewissen f��r alle verf��gbar. Somit bleiben zu viele Fragen und Unsicherheiten zur Planung und Bauausf��hrung offen, Experten sind nach wie vor notwendig, wenn besonders schadstoffarm gebaut werden soll. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer prozessbezogenen Vorgehensstrategie zur Qualit��tssicherung des schadstoffarmen Planens und Bauens. Eine praxisnahe Systematik soll ���neue��� Abl��ufe und Zusammenh��nge f��r Planer aufzeigen, um fr��hzeitig Risiken zu vermeiden. Aufbauend auf einer Vorstudie zu theoretischen Risikomodellen und beispielhaften Bauteilbetrachtungen wird eine qualitative Studie mit der Methode der Experteninterviews durchgef��hrt, um Expertenwissen und deren Planungswissen zu explizieren und f��r die Ergebniserstellung zu interpretieren. Als Ergebnis der Untersuchung werden sieben sog. ���neue��� Kernprozesse zum schadstoffarmen Planen und Bauen definiert und mit Checklisten hinterlegt. Um aufzuzeigen, wie der theoretische Ansatz in eine praxisnahe Anwendung ��berf��hrt werden muss, folgt eine zweite Ausarbeitungsstufe. In dieser werden die Modelle und die Checklisten zu einem Strategiemuster zusammengef��hrt. F��r zwei Bauteile k��nnen hiernach eine Bauteilmatrix, Bauteilmuster und Hilfetexte erstellt werden. Die entwickelte Vorgehensstrategie stellt eine praxisnahe Planungshilfe zur Qualit��tssicherung dar und besteht aus folgenden 4 Ebenen: - Ebene E.1 ���Strategiemuster��� - ��berblick Risikobereiche. - Ebene E.2 ���Bauteilmuster��� - Vergleichsm��glichkeit Bauteile. - Ebene E.3 ���Bauteilmatrix��� - Kurzhinweise Risiken. - Ebene E.4 ���Strategiebl��tter��� - Handlungsanweisung. Clients more and more ask for healthy living and working environments. Planers see themselves challenged to fulfill these requests. They benefit from product information, which aims to support them, and which evolves ongoing. But nevertheless, currently, there are no standardized and freely accessible procedural strategies and aids, supporting the planner in implementing these specified requirements in planning and construction processes. Project management is often carried by an individual with him constantly redesigned processes. This comes with a large number of questions and uncertainties in regards to planning and construction, resulting in the consultation of an expert. The aim of the following research work is the development of a process-related strategy, which helps to qualitatively manage planning and construction processes of environmentally-friendly projects, projects that contain fewer pollutants. New processes are to modeled in step with actual practice in order to avoid risks early enough. Based on a preliminary study of theoretical risk models and exemplary construction components, a qualitative study helps to explicate expert knowledge and strategies by using the method of expert interviews. As a research result, seven so-called "new" key processes are defined for the planning and construction of projects with fewer pollutants. These results are displayed as two-dimensional models in various levels of detail and are supplemented by so-called checklists. In order to transmit these theoretical approaches into a practical application, a strategy pattern is developed out of the models and the checklists. In addition, this pattern is verified du to an exemplification with the examples of two external walls. As a result, a matrix as well as a pattern for each construction element can be deviated. Due to the complementation by additional information and the design of a so called strategic data sheet, the scheme and its elements for the quality management system can be identified and defined as the following: - Level 1 E.1 ���Strategy Pattern��� - overview risks. - Level 2 E.2 ���Construction Element Matrix��� - comparison of constructions. - Level 3 E.3 ���Construction Element Pattern��� - key information. - Level 4 E.4 ���Strategic Data Sheet��� - additional information.

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

The replacement of internal combustion engines by electric motors has been identified as a way to achieve widely-accepted international climate protection goals. Especially in the material handling sector, vehicles with electric drives have gained increasing market acceptance over the past decades. However, the electrification of counterbalanced forklift trucks with high tonnages requires batteries with extended energy capacity. Higher energy capacity usually correlates with higher volume-to-surface ratios resulting in decreased heat dissipation and, therefore, increased average operating temperatures of the commonly used lead acid batteries. As a consequence, battery lifetime is greatly reduced. Without design changes, one possibility for avoiding high operating temperatures is an adapted battery management strategy. This thesis reports on results obtained with flooded lead acid batteries, demonstrating that, with management strategies which include operation in a partial state of charge, energy efficiencies can be increased from about 0.7 to about 0.85 with minimal impact on lifetime.

The replacement of internal combustion engines by electric motors has been identified as a way to achieve widely-accepted international climate protection goals. Especially in the material handling sector, vehicles with electric drives have gained increasing market acceptance over the past decades. However, the electrification of counterbalanced forklift trucks with high tonnages requires batteries with extended energy capacity. Higher energy capacity usually correlates with higher volume-to-surface ratios resulting in decreased heat dissipation and, therefore, increased average operating temperatures of the commonly used lead acid batteries. As a consequence, battery lifetime is greatly reduced. Without design changes, one possibility for avoiding high operating temperatures is an adapted battery management strategy. This thesis reports on results obtained with flooded lead acid batteries, demonstrating that, with management strategies which include operation in a partial state of charge, energy efficiencies can be increased from about 0.7 to about 0.85 with minimal impact on lifetime.

Der Erfolg der Photovoltaik in Deutschland und der Welt basiert derzeit auf der indirekten Subventionierung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und vergleichbare Instrumente in anderen Regionen. Auch unter der Prämisse, dass der derzeitige Gestehungspreis für konventionell erzeugte Elektrizität die realen Kosten, bedingt durch mögliche zukünftige Umweltschäden und Ressourcenknappheit, nur unzureichend widerspiegelt, sind weitere Kostensenkungen in der Produktion unabdingbar. Durch den hohen Kostenanteil der Wafer am Modul liegt in der Waferfertigung das größte Kostensenkungspotential. Die Vereinzelung feuchter Siliziumwafer ist aus Durchsatz- und Qualitätsaspekten ein wichtiger Schritt in der Fertigung. Durch die hohe Bruchgefahr bei der Handhabung von Wafern kann die Vereinzelung auch wesentlich zur Kostenreduktion beitragen. Die in Literatur und Patenten beschriebenen Verfahren sind derzeit noch nicht in einem ausgereiften Zustand, um die Vereinzelung von Wafern sicher und zuverlässig durchzuführen. Daher sind weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung nötig, um die derzeitigen und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig muss das Verständnis über die Vorgänge bei der Vereinzelung sowie die Einflüsse auf den Wafer weiter vertieft werden. Insbesondere das Schädigungspotential der Vereinzelung auf den Wafer bestimmt die Auslegung eines solchen Systems in besonderem Maße. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst die Ausgangssituation in der derzeitigen Waferproduktion. Die Umgebung in der Waferproduktion ist geprägt durch eine Vielzahl von Einflüssen, besonders durch flüssige Betriebsstoffe wie der Slurry oder auch den Reinigungsmedien. Die zu vereinzelnden Wafer sind fragile und spröde Substrate welche in dieser Umgebung verarbeitet werden müssen. Entsprechend vielseitig ist der derzeitige Stand der Technik zur Vereinzelung, welcher größtenteils in Patentschriften beschrieben ist. Zur weiteren Entwicklung eines Vereinzelungsverfahrens wird die Aufgabe weiter analysiert. Durch Versuche in einer realen Fertigungsumgebung erscheint die Vereinzelung vom Stapel als vielversprechender Ansatz. Die Fragilität des Substrats führt zu der Überlegung, Flüssigkeitsstrahlen zur Vereinzelung der Wafer einzusetzen. Damit soll eine schonende Handhabung der Wafer erzielt werden. Das Prinzip dieser Vereinzelung vom Stapel wird dann zunächst in einem Modell beschrieben und entsprechend berechnet. Zur Überprüfung und Validierung des Modells wird zunächst ein Versuchsstand entwickelt an welchem die Einflüsse der Flüssigkeitsstrahlen auf den Wafer detailliert untersucht werden k¨onnen. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb des Versuchsstandes fließen in die Konstruktion eines Prototypen ein. Gleichzeitig können die Einstellungen des Prototypen anhand der Ergebnisse aus den Versuchsreihen initial eingestellt werden. Die Tests mit dem Prototypen zeigen eine prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens. Weiterer Bedarf in Forschung und Entwicklung liegt in der Optimierung von Verfahren im industriellen Umfeld. Eine hohe Zuverlässigkeit bei der Vereinzelung bei gleichzeitig störungsunempfindlichem Betrieb sind dabei wichtige Indikatoren für den Erfolg von Vereinzelungsverfahren. Technologisch kommen weitere Anforderungen auf die Waferbehandlung zu. Der Trend zu dünneren Wafern (kleiner als 180- 210 µm) ist derzeit durch die gesunkenen Kosten f¨ur das reine Silizium nicht mehr der zentrale Fokus der Entwicklung. Sobald jedoch weitere Kostensenkungspotentiale an anderer Stelle realisiert werden können, wird die Dicke der Wafer vermutlich wieder an Bedeutung zunehmen. Möglicherweise werden auch größere Waferformate (gröoßer 200mm Kantenlänge) in Zukunft in die Massenfertigung eingeführt werden. Die Verfahren und Anlagen müssen dann entsprechend angepasst werden. Eine weitere einflussreiche Entwicklung kann die Umstellung Slurry-basierter Trennverfahren auf alternative Technologien darstellen. Insbesondere das Sägen mit Diamantdraht (mit Industriediamanten besetzter Schneidedraht) wird die Vereinzelung vor neue Herausforderungen stellen, da sich die Oberflächeneigenschaften damit ändern. The separation of crystalline photovoltaic wafer after sawing is an important but difficult automation challenge. In wafer manufacturing, wafers are cut out of an ingot with a wire saw. A slurry mainly based on glycol and silicon carbide is typically used as the abrasive medium. The ingots are glued to a plate. After the wafers are cut out, they are still glued to the plate. In many factories the wafers are separated manually. However due to reasons of costs, quality and the dimensions of the wafers, an automation solution is highly desirable. This thesis presents experiments to define pre-conditions and requirements for an automated separation process. Based on this requirements a model is developed which leads to a possible solution for the implementation. The thesis concludes with the description of a prototype equipment and the conducted tests.