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Die intensive Nutzung in Landwirtschaft und Forstwirtschaft und damit einhergehende Bodendegradation stellen eine enorme Herausforderung für die menschliche Gesellschaft dar. Insbesondere die Übernutzung reduziert die Ernährungssicherheit, führt zur Emission von Treibhausgasen und Aerosolen, treibt den Verlust der biologischen Vielfalt an, verschmutzt das Wasser und untergräbt eine Vielzahl von Ökosystemdienstlei - stungen, die über die Nahrungsmittelversorgung sowie die Wasser- und Klimaregulierung hinausgehen. Die direkten Emissionen durch Entwaldung, Düngung, Reisanbau und Wiederkäuer belaufen sich derzeit auf etwa 25% aller menschlichen Treibhausgasemissionen. Der intensiven Landnutzung zugrunde liegen sowohl das Bevölkerungswachstum, der Anstieg im pro-Kopf-Verbrauch an Kalorien, Holz und Fasern sowie verstärkter Konsum von Fleisch- und Milchprodukten. Dieses Kapitel fasst diese soziökonomischen Aspekte kurz zusammen und führt in die grundsätzlichen Prozesse ein, die der Emission von CO2, CH4 und N2O zugrunde liegen. In verschiedenen Kapiteln in diesem Buch werden diese Prozesse wieder aufgegriffen und unter verschiedenen Gesichtspunkten detaillierter beleuchtet. Socioeconomic aspects of land use change, effects on biogeochemical cycles and greenhouse gas emissions: Intensive agriculture and forestry and associated land degradation, pose an enormous challenge to human society. Overuse of land ecosystems reduces food security, leads to emissions of greenhouse gases and aerosols, drives biodiversity loss, pollutes water, and undermines a wide range of ecosystem services beyond food supply and water and climate regulation. Direct emissions from deforestation, fertilization, rice cultivation, and ruminants currently amount to about 25% of all human greenhouse gas emissions. Drivers of intensive land useare population growth, together with increases in per capita consumption of calories, wood, and fiber, and a shift towards consumption of meat and dairy products. This chapter briefly summarizes these socioeconomic aspects and introduces the basic processes underlying the emission of CO2, CH4, and N2O. Various chapters in this book revisit these processes and examine them in more detail from different perspectives. Aspectos socioeconómicos del cambio de uso de la tierra, efectos en los ciclos biogeoquímicos y emisiones de gases de efecto invernadero: El uso intensivo del suelo en la agricultura y la silvicultura asi como la asociada degradación del suelo representan un enorme desafío para la sociedad humana. En particular, el sobreuso hace peligrar la seguridad alimentaria, conduce a la emisión de gases de efecto invernadero y aerosoles, incrementa la pérdida de biodiversidad, contamina el agua y socava una variedad de servicios de los ecosistemas más allá del suministro de alimentos y la regulación del agua y el clima. Las emisiones directas de la deforestación, la fertilización, el cultivo de arroz y los rumiantes representan actualmente alrededor del 25% de todas las emisiones antrópicas de gases de efecto invernadero. El uso intensivo de la tierra se basa en el crecimiento de la población, el aumento del consumo per cápita de calorías, madera y fibra y un mayor consumo de carne y productos lácteos. Este capítulo resume brevemente estos aspectos socioeconómicos e introduce los procesos fundamentales que subyacen a la emisión de CO2, CH4 y N2O. Estos procesos se retoman en varios capítulos de este libro y se examinan con más detalle desde varias perspectivas.

Die Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels sind nicht zu ��bersehen. Rund 35 bis 40 % des weltweiten CO2-Aussto��es sind dabei auf unsere gebaute Umwelt zur��ckzuf��hren. Dementsprechend birgt der Bausektor ein gro��es Potenzial, die Erw��rmung der Atmosph��re einzubremsen und generationen��ber greifend nachhaltig zu handeln. Anhand der Themenbereiche Nutzungs- und technische Lebensdauer, Holz als klimaneutrale Alternative, Recycling sowie Messbarkeit der Umweltbelastung von Baustoffen werden in dieser Arbeit die M��glichkeiten des ��kologischen und nachhaltigen Bauens er��rtert. Die kritische Auseinandersetzung mit der Schnelllebigkeit Tokyos erm��glicht einen Perspektivenwechsel auf das Thema der Nutzungsdauer, der Flexibilit��t sowie des Ressourceneinsatzes unserer Geb��ude. Die hierzulande g��ngige Praxis, unsere heutigen Wohnraumanforderungen f��r nachkommende Generationen in Beton zu gie��en, sowie die Verdopplung der Wohnfl��che pro Kopf seit 1975 erweisen sich als zunehmende Herausforderung. Als klimaneutrale Alternative zu Beton gilt Holz, ein Closed-Loop-Material, das leicht wieder in den biotischen Kreislauf r��ckgef��hrt werden kann und das Potenzial hat, unsere St��dte in tempor��re k��nstliche CO2-Senken zu verwandeln. In Bezug auf die Chancen des Recyclings sollte es zuk��nftig verst��rkt darum gehen, m��glichst biotische und/oder Closed-Loop-Materialien zum Einsatz zu bringen, wobei auf die R��ckbaubarkeit bzw. Trennbarkeit der einzelnen Stoffe besonders bei einer Vermischung des technischen und biotischen Kreislaufs zu achten ist. Die Messbarkeit der Umweltbelastung von Baustoffen und Geb��uden mittels Lebenszyklusanalyse setzt den Grundstein f��r die Entwurfsarbeit und zeigt die Problematik der technischen Lebensdauer einzelner Bauteilschichten auf. Die gewonnenen Erkenntnisse flie��en in einen Entwurf f��r einen Wiener Wohnbau ein, der mittels ��kobilanzierung in Baubook bzw. eco2soft auf seine Umweltauswirkungen in der Bilanzierungsgrenze BG4, in den Lebenszyklusphasen A1���A3 und B1���B4 ��berpr��ft wird. Eine Gegen��berstellung von zwei weiteren Varianten desselben Geb��udes ��� einer herk��mmlichen Stahlbeton- und einer idealistischen Massivholzkonstruktion ��� sowie einer optionalen Unterkellerung zeigt das m��gliche Potenzial sowie die Probleme der unterschiedlichen Materialwahl. The effects of climate change in the Anthropocene cannot be ignored, whereby some 35 to 40 percent of CO2 emissions worldwide are generated by our built-up environment. Accordingly, the construction industry has great potential for curbing global warming and creating cross-generational sustainability. By examining such factors as operating and technical lifespans, wood as a climate-neutral alternative, recycling, and the measurability of building materials��� environmental impact, this study will explore the potential of ecological and sustainable construction methods. A critical examination of Tokyo���s fast-paced living environment permits us to take a different perspective on such factors as our buildings��� life cycles, their flexibility, and their deployment of resources. The usual practice in our part of the world of casting our present-day living requirements in concrete for future generations and the doubling of per capita living space since 1975, are increasingly creating massive challenges. As a climate-neutral alternative to concrete, wood is a material whose closed-loop qualities allow it easily to reenter the biotic cycle and transform our cities into temporary artificial CO2 sinks. Regarding the potential for recycling, in future we must expand our use of biotic and/or closed loop materials as far as possible while bearing in mind individual materials��� deconstructive and separation al qualities���especially where technical and biotic cycles comingle. Measuring the environmental impact of buildings and building materials through life cycle analysis creates a basis for design work and demonstrates the problematic nature of individual components��� technical lifespans. The insights thus gained flow into the design of a Viennese residential building, whose environmental impact is reviewed using environmental accounting according to Baubook and eco2soft, within the balance limit BG4, in life cycle phases A1���A3 and B1���B4. A comparison between two further variants of the same building���one of traditional concrete and an idealistic solid wood construction���featuring an optional basement demonstrates the potential and problems of the various materials chosen.

As Germany's equitable contribution to meeting the global 1.5-degree limit, 16 points of orientation for a climate-compatible energy supply system are presented. It is assumed that for this to be realized, German energy-related CO2 emissions will have to decline to zero within about 15 years. Energy conservation reduces the need for an expansion of renewable power generation capacities. The transport sector, redesigned industrial processes and building retrofits can significantly contribute to this. Nuclear energy is fraught with major risks. Besides, it cannot be scaled up suf-ficiently quickly. Using biomass as energy crops is inefficient and in conflict with other types of land use. Importing large amounts of carbon-neutral energy requires huge investments abroad. It is an unreliable option for the future. Therefore, the rapid expansion of photovoltaics (PV) and wind power in Germany is crucial. It is estimated that the electricity demand in 2030 can almost completely be met by renewables, if the capacities are expanded to about 350 GW of PV and about 150 GW of wind power. This expansion would enable supplying largely electrified mobility and heating systems as well as providing part of the required “green” hydro-gen in Germany. An average annual increase of around 30 GW of PV and around 9 GW of wind power will be required. This is about six times (PV) or three times (wind) as much as previously planned and will necessitate a significant societal effort. Delaying this expansion further would have to be compensated by even greater ef-forts in terms of drastic energy savings or imports of renewable energy. Overall, a delayed expansion of renewables would entail more difficulties than an ambitious expansion. Since it takes years to build capacity, it is possible to recalibrate efforts, for example, when it becomes apparent that a sufficiently large global import market is developing. Until then, out of responsibility for the future and in the spirit of the Paris Agreement, it is advisable to pursue the expansion targets outlined here. Green hydrogen (i.e. hydrogen produced from renewable energies) and derived syn-thesis products are necessary for the decarbonization of industrial processes, air transport and shipping as well as for securing energy supply for periods when solar and wind power generation is very low. However, without drastically raising the above-mentioned expansion targets for wind and solar even higher, these products will not be available in sufficient quantities for road transport and heat supply. Tech-niques to balance electricity supply and demand are available and should be speedily developed and expanded. These include electricity exchange with neighboring coun-tries, demand management and energy storage. It is advisable to quickly create im-proved legal frameworks, to integrate these technologies, and to expand electricity grids. In the medium to long term, the costs of a climate-compatible energy system are no higher than currently. At the same time, employment and export opportunities are generated in Germany through the development, operation and maintenance of a renewable-based energy system and the energy-efficient retrofitting of buildings. The political framework will determine whether Germany's climate-compatible en-ergy supply system succeeds. 1.0

Die Diskussion um die Beschleunigung des Ausbaus erneuerbarer Energien ist keine neue.Zuletzt hat der russische Angriffskrieg auf die Ukraine diese Thematik erneut stark in den Fokus gerückt. Als Antwort darauf hat die EU mit dem REPower EU-Plan ein Maßnahmenbündel zum Ausbau der Erneuerbaren in Europa vorgestellt. Einige der Maßnahmen, insbesondere die Beschleunigungsgebiete für erneuerbare Energie, weisenstarken Raumordnungsbezug auf. Ziel dieser Arbeit ist es, mögliche Umsetzungswege dieses Instruments aufzuzeigen und bestehende sektorale Raumordnungsprogramme zur Energiegewinnung zu evaluieren.Zuerst wird ein Überblick über die Kompetenzen der EU im Energiesektor sowie über relevante Sekundärrechtsakte gegeben, anschließend werden ausgewählte aus dem REPowerEU-Planfließende Rechtsakte beleuchtet. Dabei stellt sich die Novellierung der Erneuerbaren-Energien-Richtlinie (RED III) als zentraler Rechtsakt heraus, welcher mit sogenannten„Beschleunigungsgebieten für erneuerbare Energie“ für einen Durchbruch in puncto Verfahrensbeschleunigung sorgen soll. Während auf nationaler Ebene derartige Bemühungen mit einer Novelle des UVP-Gesetzes erfolgt sind und große Teile der vorherigen Fassung der Erneuerbaren-Energien-Richtlinie mit dem Erneuerbaren-Ausbau-Gesetz (EAG) umgesetzt wurden, ist die Umsetzung der Beschleunigungsgebiete aufgrund der zersplitterten Kompetenzen im Bereich Energieraumplanung mit Herausforderungen verbunden.Es werden drei Möglichkeiten zur Koordinierung von Bund und Bundesländern zur Umsetzung der Beschleunigungsgebiete in nationales Recht aufgezeigt. Schlussendlich wird ein Grundsatzgesetz des Bundes im Bereich des Elektrizitätswesens als Lösung angesehen. Mit dem von der Bundesregierung bereits Anfang 2023 angekündigten Erneuerbaren-Ausbau-Beschleunigungsgesetz (EABG) könnte die Ausweisung der Beschleunigungsgebiete an bundesweit einheitliche Standards geknüpft werden sowie die Bundesländer auf Grundlage eines potenzialbasierten Ansatzes an die Ausbauziele des Bundes gebunden werden.Durch die Analyse bestehender sektoraler Raumordnungsprogramme zur Energiegewinnung der Bundesländer hinsichtlich ihrer Kriterien zur Festlegung von Eignungszonen gelangt manzu der Erkenntnis, dass die verschiedenen Programme teilweise erheblich in ihrer Qualitätschwanken. Das stützt den Ruf nach bundesweit einheitlichen Vorgaben zur Umsetzung der Beschleunigungsgebiete. The discussion about accelerating the expansion of renewable energies is not new. Most recently, the Russian war of aggression against Ukraine has once again brought this issue strongly into focus. In response, the EU has presented the REPower EU plan, a package of measures to expand renewables in Europe. Some of these measures, particularly the renewable acceleration areas, have a strong spatial planning component. The aim of this workis to outline possible implementation paths for this instrument and to evaluate existing sectoral spatial planning programs for renewable energy generation.First, an overview of the EU's competencies in the energy sector, as well as relevant secondary legal acts, will be provided. Then, selected legal acts flowing from the REPowerEU plan will be examined. The revision of the Renewable Energy Directive (RED III) emerges as a central legal act, which aims to achieve a breakthrough in procedural acceleration through so-called„renewable acceleration areas“. While such efforts have been made at the national level through an amendment of the Environmental Impact Assessment Act (UVP-G) and large parts of the previous version of the Renewable Energy Directive were implemented with the Renewable Expansion Act (EAG), the implementation of the acceleration areas is challenging due to the fragmented competencies in energy spatial planning.Three options for coordinating between the federal government and the federal states to implement the acceleration areas into national law are outlined. Ultimately, a fundamentalact of the federal government in the field of electricity is seen as a solution. With the Renewable Expansion Acceleration Act (EABG) already announced by the federal government in early 2023, the designation of acceleration areas could be linked to nation wide uniformstandards and the federal states could be bound to the federal expansion targets based on a potential-based approach.By analyzing existing sectoral spatial planning programs for energy generation of the federalstates regarding their criteria for defining suitability zones, it is concluded that the programs vary considerably in quality. This supports the call for national guidelines for the implementation of acceleration areas.

Lithium-Luft-Batterien galten seit ihrer erstmaligen Ver��ffentlichung 1996 als der Allheilsbringer aller menschlichen Energieprobleme. Durch die Verwendung von metallischem Lithium anstelle von Interkalationsmaterialien, wie bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, und Sauerstoff, der direkt aus der Umgebungsluft bezogen werden k��nnte, sind theoretische Energiedichten im Bereich von bis zu 13000 Wh/kg erreichbar. Trotz gro��er Forschungsanstrengungen und zahlreicher Forschungsarbeiten zum Thema scheint allerdings der technische Stand gleichzubleiben. Noch immer sorgen die Bildung von Nebenprodukten, die Elektrolytzersetzung, die Bildung von hochreaktiven Sauerstoffspezies f��r vielschichtige Probleme beim Betrieb der Zellen und es scheint, sobald ein Problem gel��st wurde, w��rden sich zwei neue auftun. Trotz ihres Potentials zeigen Lithium-Luft-Batterien bis heute gro��e Probleme bei der Wiederaufladbarkeit, einem starken Kapazit��tsverlust bei fortschreitender Zyklenzahl und eine schlechte Rundumeffizienz. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Identifikation von Material- und Strukturparametern zur Performancesteigerung von Lithium-Luft-Batterien. Hierf��r wurde ein Finite-Elemente-Simulationsmodell erstellt, um Parameter zu identifizieren, die die Zellperformance beeintr��chtigen und zu eruieren, welche baulichen oder materialspezifischen ��nderungen vorgenommen werden m��ssten, um die Zellperformance zu verbessern. Zus��tzlich wurden Testzellen im Knopfzellformat gefertigt und unter reiner Sauerstoffatmosph��re getestet. In einer Parameterstudie wurde der Einfluss von initialer Porosit��t, der Art des Katalysators, die Variation der Stromdichte und die Art des aprotischen Elektrolyten auf die Zyklenlebensdauer und die generelle Zellperformance untersucht. Die Prognosen des Simulationsmodells und die Ergebnisse der Zelltests wurden miteinander verglichen und Verbesserungsvorschl��ge gemacht. In anschlie��enden post mortem-Untersuchungen wurden sowohl ganze Testzellen als auch Zellbestandteile mittels Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersiver R��ntgenspektroskopie und Tomografie charakterisiert. Die Untersuchungen zeigten, dass die schlechte Rundumeffizienz und der hohe Kapazit��tsverlust der Lithium-Luft-Zellen haupts��chlich auf die Anode zur��ckzuf��hren sind, deren Struktur sich im laufenden Batteriebetrieb umzubauen scheint. Durch die Stromst��rke des Betriebsstroms wird die Metalloberfl��che w��hrend des Entladevorgangs degradiert und im Ladevorgang wird elementares Lithium an der Anodenoberfl��che erneut abgeschieden. Die Stromst��rke beeinflusst diesen Vorgang, so dass sich die Oberfl��chenstruktur und die Rauigkeit der Lithiumoberfl��che von Zyklus zu Zyklus stark ��ndert. Das Lithiumreservoir, welches die Entladekapazit��t bestimmt, variiert dementsprechend und sorgt f��r starke Kapazit��ts��nderungen im Verlauf der Zyklisierung. Zus��tzlich expandiert das Anodenmetall, was die Zelle auf mechanische Art und Weise altern l��sst. In Tomografieschnittbildern der Kathode konnten kristalline Ablagerungen innerhalb der por��sen Gasdiffusionselektrode beobachtet werden, der Einfluss der initialen Porosit��t auf die Zellperformance konnte ebenfalls abgesch��tzt werden. Die identifizierten Probleme k��nnen einige wenige Fragestellungen zu der schlechten Performance von Lithium-Luft-Batterien beantworten. Dennoch d��rfte noch viel zu tun sein, um die Zelle wirklich zum Allheilsbringer aller menschlichen Energieprobleme zu erheben. Since it was first published in 1996, lithium-air batteries have been considered to be the solution for all human energy problems. By using metallic lithium instead of intercalation materials, as used in conventional lithium-ion batteries, and oxygen, which can be obtained directly from the ambient air for battery reaction, theoretical energy densities in the range of up to 13,000 Wh/kg can be achieved. However, despite great research efforts and numerous research projects on the subject, the technical status seems to remain the same. The formation of by-products, the decomposition of electrolytes and the formation of highly reactive oxygen species still cause complex problems in the operation of cells and it seems that as soon as one problem was solved, two new ones would arise. Despite their potential, lithium-air batteries still have major problems with rechargeability, a large loss of capacity with increasing number of cycles and poor all-round efficiency. This doctoral thesis deals with the identification of material and structural parameters to increase the performance of lithium-air batteries. For this purpose, a finite element simulation model was created to identify parameters that impair cell performance and to determine which structural or material-specific changes would have to be made in order to improve cell performance. In addition, test cells were manufactured in button cell format and tested in a pure oxygen atmosphere. In a parameter study, the influence of initial porosity, the type of catalyst, the variation of the current density and the type of aprotic electrolyte on the cycle life and the general cell performance was investigated. The prognoses of the simulation model and the results of the cell tests were compared and suggestions for improvement were made. In subsequent post mortem examinations, whole test cells as well as cell components were characterized by means of scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and tomography. The investigations showed that the poor all-round efficiency and the high loss of capacity of the lithium-air cells are mainly due to the anode, the structure of which seems to change during battery operation. Due to the strength of the operating current, the metal surface is degraded during the discharging process and elemental lithium is deposited again on the anode surface during the charging process. The current strength influences this process, so that the surface structure and the roughness of the lithium surface changes significantly from cycle to cycle. The lithium reservoir, which determines the discharge capacity, varies accordingly and ensures large changes in capacity in the course of cycling. In addition, the anode metal expands, which mechanically ages the cell. In tomographic cross-sectional images of the cathode, crystalline deposits could be observed within the porous gas diffusion electrode, and the influence of the initial porosity on the cell performance could also be estimated. The identified problems can answer a few questions about the poor performance of lithium-air batteries. Nevertheless, there is still much to be done in order to really elevate the cell to the solution of all human energy problems.

The permissible noise emission is a significant hurdle for the construction of new onshore wind power plants. Therefore, the noise emission of new wind turbines must be reduced in order to enable a higher area density for electricity production from wind energy. An important part of the interference noise of wind power plants is the tonal machine noise of the generator. To improve the sound behavior of future turbines, predictive calculation models must be available in order to derive optimization approaches. The relevant influencing factors for the electromagnetic excitation forces of the generator as a source of structure-borne noise have not yet been sufficiently investigated. Therefore, the aim of this study is to evaluate the influencing factors of the electromagnetic structure-borne sound excitations in the air gap of the generator and to develop a simulation model with which the electromagnetically excited structure-borne sound in gearless wind turbines can be calculated with sufficient accuracy. Accordingly, the developed simulation methodology is presented and the sensitivity of the generator's oscillations to the influencing factors is analyzed. The investigated influencing factors include the thermal expansion of the generator components, the electrical sheet geometry and the deformation of the air gap environment by electromagnetic as well as aerodynamic loads.In addition to the influencing factors, the abstraction losses of the model are also investigated and recommendations for the modeling are derived. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, 1 Karte (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022 Published by RWTH Aachen University, Aachen

Eutektische Mischungen aus Salzhydraten und Salzen werden als Phasenwechselmaterialien (PCM) zur Latentwärmespeicherung eingesetzt. Um in mehrkomponentigen Mischungen Eutektika zu identifizieren, empfiehlt es sich, fest-flüssig Phasendiagramme mit einem thermodynamischen Modell vorherzusagen und kalorimetrische Messungen berechneter Eutektika gezielt durchzuführen. In der Dissertation wurde hierfür das modifizierte BET-Modell verwendet, welches die Hydratation in konzentrierten wässrigen Salzlösungen mit niedriger Wasseraktivität beschreibt. Es wurde eine Methodik zur Verwendung dieses Modells für Salze mit relativ hoher Wasseraktivität in konzentrierten wässrigen Lösungen im Bereich der Löslichkeit entwickelt. Diese Methodik wurde durch die Berechnung der Phasendiagramme der Systeme NaCl + LiCl + H2O, NaCl + CaCl2 + H2O sowie NaCl + MgCl2 + H2O verifiziert. Insgesamt wurden zwanzig vorhergesagte Eutektika ternärer und quasiternärer Systeme mit dynamischer Differenzkalorimetrie experimentell überprüft. Für etwa die Hälfte dieser Eutektika zeigt sich eine Übereinstimmung zwischen berechneter und gemessener Schmelzenthalpie im Rahmen der 5 % Messgenauigkeit sowie ein Unterschied von weniger als 1 K zwischen berechneter und gemessener Schmelztemperatur. Um berechnete Phasendiagramme mit kalorimetrischen Messungen zu vergleichen und zu interpretieren, wurden anhand der Phasendiagramme Kristallisationspfade ermittelt und in Enthalpie-Temperatur-Kurven umgerechnet. Der Vergleich berechneter und gemessener Enthalpie-Temperatur-Kurven führt zu einem verbesserten Verständnis der Phasendiagramme ternärer Systeme. Dies wurde an den Systemen LiNO3 + NaNO3 + H2O, Ca(NO3)2 + Mn(NO3)2 + H2O sowie Ca(NO3)2 + CaBr2 + H2O getestet. Die entwickelte Methodik des Vergleichs berechneter und gemessener Enthalpie-Temperatur-Kurven verbessert die Entwicklung von PCM auf der Basis von Mischungen aus Salzhydraten und Salzen. Die Ergebnisse der Dissertation sollen dazu beitragen, dass das Potential von PCM auf Salzhydratbasis für die Latentwärmespeicherung vermehrt genutzt wird. Eutectic mixtures of salt hydrates and salts are applied as phase change materials (PCM) for latent heat storage. To identify eutectics of multicomponent mixtures, it is recommended to predict solid-liquid phase diagrams using a thermodynamic model and to perform calorimetric measurements of calculated eutectics. In the thesis, the modified BET model was applied which describes the hydration in concentrated aqueous salt solutions with low water activity. A method to apply this model to salts with relatively high water activity in concentrated aqueous solutions within the range of solubility was developed. This method was verified by calculating the phase diagrams of the systems NaCl + LiCl + H2O, NaCl + CaCl2 + H2O, and NaCl + MgCl2 + H2O. In total, twenty eutectics of ternary and pseudo-ternary systems were predicted and experimentally examined via differential scanning calorimetry. In about half of the cases, an agreement between calculated and measured melting enthalpies within the 5% measuring uncertainty as well as a difference of less than 1 K between calculated and measured melting temperatures are obtained. In order to compare and to interpret calculated phase diagrams and calorimetric measurements, crystallization paths were determined on the basis of phase diagrams and converted into enthalpy-temperature curves. Comparing calculated and measured enthalpy-temperature curves leads to an improved understanding of phase diagrams of ternary systems. This was tested on the systems LiNO3 + NaNO3 + H2O, Ca(NO3)2 + Mn(NO3)2 + H2O, and Ca(NO3)2 + CaBr2 + H2O. The developed method of comparing calculated and measured enthalpy-temperature curves improves the development of PCM on the basis of mixtures of salt hydrates and salts. The results of the thesis should contribute to the increased use of the potential of salt hydrate-based PCM for latent heat storage.

Wir werden in dieser Arbeit einen Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Gebäudeautomation aufzeigen. Raumlufttechnische (RLT-)Anlagen nehmen eine zunehmend bedeutsame Rolle in der Klimatisierung von Gebäuden und deren Energieverbrauch ein. Klassische Ansätze in der Gebäudeautomation verwenden PID-Regler um einen stabilen, behaglichen und energieeffizienten Betrieb von RLT-Anlagen zu gewährleisten. Bei der Verwendung eines PID-Reglers wird eine Störung erst dann kompensiert, wenn sie bereits eine messbare Änderung z.B. der Raumtemperatur verursacht hat. Der Zeitpunkt vom Auftreten der Störung bis zur Feststellung ihres Einflusses auf das Raumklima ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der die Regelung die Störung ausgleichen kann. Je langsamer die Detektion erfolgt, desto größer ist die Auswirkung der Störung und entsprechend z.B. Kosten oder Unbehaglichkeit bei Überhitzung des Raumes. Wir werden zeigen, dass es möglich ist, die Intensität einer auf thermischen Quellen basierenden Störung zu detektieren, ohne ihre Auswirkung auf das Raumklima abwarten zu müssen. Es wird dabei ein Indikator verwendet, welcher die Intensität der Wärmequellen abschätzt, basierend auf einer Auswertung eines hochfrequenten Signalanteils einer Temperatur- bzw. Luftgeschwindigkeitsmessung. Um diesen Indikator und das notwendige Grundlagenverständnis zu erlangen, untersuchen wir die relevanten Eigenschaften der thermischen Konvektion, wie sie unter behaglichen Bedingungen in der Raumklimatisierung auftreten können, anhand des Beispiels der Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK). Dabei wird eine rechteckige Geometrie in 2D bei Temperaturdifferenzen, die näherungsweise der Wärmeabgabe von Personen in Innenräumen nachempfunden sind, von unten beheizt und von oben gekühlt. Damit soll geprüft werden, ob in dem dabei entstehenden Strömungsfeld Strukturen erkennbar sind, anhand derer die Intensität der die Konvektion antreibenden Wärmequellen abgeschätzt werden kann. Die Konvektion unter den betrachteten Parametern zeigt ein deterministisch chaotisches Verhalten. Um die Eigenschaften dieses Verhaltens prototypisch und isoliert von sonstigen störenden oder zu spezifischen Einflüssen betrachten zu können, verwenden wir das Lorenz-Modell. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei in der Verwendung verschiedener Ansätze aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse und Statistik, um zu prüfen, welche Methode valide und numerisch kostengünstig für die Bildung des Indikators genutzt werden kann. Die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung wird sich dabei als wichtiger erster Baustein herausstellen. Um die Auswirkungen der Geometrie, Messgröße sowie Auswertungsdauer bei der Bildung des Indikators besser beurteilen zu können, wird die RBK mit einer direkten numerischen Simulation (DNS) eingehend untersucht. Dabei wird sich zeigen, dass die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung es ermöglicht, die Intensität der Konvektion mit einem linearen Ansatz und einer hohen statistischen Sicherheit abzuschätzen. Die theoretischen Erkenntnisse aus dem Lorenz-Modell und der DNS werden durch Messungen unter Laborbedingungen ergänzt. Dabei zeigt sich, dass eine Übertragung der Auswerteverfahren auf eine dreidimensionale Raumgeometrie unter Verwendung einer geeigneten Messtechnik möglich ist. Qualitative Übereinstimmungen zu den spezifischen Eigenschaften insbesondere im Unterschied zwischen einer Luftgeschwindigkeits- und einer Temperaturmessung zu den simulierten Daten unterstreichen die Güte dieser in der Breite durchgeführten Analyse. Abschließend werden wir zeigen, dass auch Personen als reale Wärmequellen mit dem Indikator detektiert werden können und es unter dieser Voraussetzung möglich ist, die Auswirkungen auf die Betriebssicherheit sowie die mögliche Kostenersparnis an einem Modell aufzeigen. In dem Modell wird der Indikator als Basis für eine neues Modellprädiktives (MP) Regelungskonzept angewendet. Dabei zeigt sich, dass sowohl eine Verbesserung der Regelgüte als auch eine Reduktion der Betriebsführungskosten realisiert werden kann. Die wesentliche Neuerung des Konzeptes besteht in der Reduktion des Schwierigkeitsgrades der Regelstrecke im Störfall. Dieser Ansatz bietet ein breites Anwendungsspektrum, dessen volles Potential es noch weiter zu erschließen gilt. In this paper we will show a way to a paradigm shift in building automation. Air handling units (AHU) play an increasingly important role in the air conditioning of buildings and their energy consumption. Classical approaches in building automation use PID controllers to ensure stable, comfortable and energy efficient operation of AHUs. When using a PID controller, a disturbance is not compensated until it has already caused a measurable change, e.g. in the room temperature. The time from the occurrence of the disturbance to the detection of its influence on the room climate is decisive for the speed with which the control can compensate for the disturbance. The slower the detection, the greater the effect of the disturbance and associated with it, for example, the cost as well as the discomfort of overheating a room. We will show that it is possible to detect the intensity of a disturbance based on a thermal source without waiting for its effect on the room climate. An indicator will be used to estimate the intensity of the thermal sources, based on an evaluation of a high-frequency signal component of a temperature or air velocity measurement. In order to obtain this indicator and the necessary basic understanding, we investigate the relevant properties of thermal convection, as they can occur under comfortable conditions in room air conditioning, using the example of Rayleigh-Bénard convection (RBC). A rectangular geometry in 2D is heated from below and cooled from above at temperature differences that approximate the heat dissipation of people indoors. The goal is to determine whether structures can be identified in the resulting flow field that can be used to estimate the intensity of the heat sources driving the convection. The convection under the investigated parameters shows a deterministic chaotic behavior. In order to be able to consider the properties of this behavior prototypically and isolated from other disturbing or too specific influences, we use the Lorenz model. The focus is on the use of different approaches from the field of time series analysis and statistics to test which approach can be used validly and numerically inexpensive for the formation of the indicator. The use of the sample standard deviation will be established as an important first building block. In order to better assess the effects of geometry, measured quantity as well as evaluation time in the formation of the indicator, the RBC will be investigated in detail with a direct numerical simulation (DNS). It will be shown that the use of the sample standard deviation allows to estimate the intensity of the convection with a linear approach with a high statistical confidence. The theoretical findings from the Lorenz model and the DNS will be complemented by measurements under laboratory conditions. It is shown that a transfer of the evaluation methods to a three-dimensional space geometry is possible by using a suitable measurement technique. Qualitative agreements on the specific properties, especially in the difference between an air velocity and a temperature measurement to the simulated data, underline the goodness of this broadly performed analysis. Finally, we will show that people can also be detected as real heat sources with the indicator and that, under this condition, it is possible to demonstrate the effects on operational safety and the possible cost savings on a model. In the model, the indicator is applied as a basis for a new model predictive (MP) control concept. It is shown that an improvement of the control performance as well as a reduction of the operation management costs can be realized. The main innovation of the concept is the reduction of the degree of difficulty of the controlled system in case of disturbance. This approach offers a wide range of applications, the full potential of which still needs to be further developed.

Die Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar. Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben. Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem „Unterer Lindenhof“, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor „Unterer Lindenhof“ eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt. The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential. The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available. In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology. All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory. The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible.

Die Durchströmturbine ist eine radiale Gleichdruckturbine, welche zweimal beaufschlagt wird. Das einströmende Wasser wird stoßfrei und mit hoher Geschwindigkeit dem walzenförmigen Trommelrad zugeführt. Dabei tritt der Freistrahl auf den Laufradschaufeln auf, durchquert das Laufrad und tritt auf den gegenüberliegenden Laufradschaufeln erneut auf. Aufgrund der einfachen und gleichzeitig robusten Bauweise wird die Durchströmturbine häufig bei Kleinwasserkraftwerken verwendet. Kleinwasserkraftwerke gewinnen mit dem Ziel der emissionsfreien Energiegewinnung immer mehr an Bedeutung - vor allem zur Deckung des Energiebedarfs bei Industrieunternehmen oder im Interesse des Umweltschutzes in Entwicklungsländern.Zur Leistungsbewertung der Durchströmturbine wird in dieser Arbeit eine numerische Strömungssimulation durchgeführt. Ausganglage dafür sind zur Verfügung gestellte Geometriedaten einer Versuchs-Durchströmturbine. Mit ANSYS ICEMCFD werden die Bereiche definiert sowie ein strukturiertes Netz generiert. Das vernetzte Modell wird in ANSYS FLUENT importiert und die numerische Strömungssimulation gestartet. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten wird die Simulation für drei unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten durchgeführt: 20 rad/s, 25 rad/s und 35 rad/s. Zur Durchführung einer realitätsnahen Simulation ist die Auswahl der Randbedingungen von großer Wichtigkeit.Anhand der Simulationsergebnisse wird der Wasserlauf durch die Turbine visualisiert, der Wirkungsgrad bestimmt sowie die auf die Welle wirkenden Kräfte ermittelt. Die aus der Strömunssimulation erhaltenen Werte werden abschließend noch in das Muscheldiagramm der Versuchsturbine eingetragen und die Ergebnisse verglichen. The cross flow turbine is a radial impuls turbine, which is pressurized twice. The incoming water is fed shock-free and at high velocity to the drum-shaped impeller. The free jet hits the impeller blades, passes through the impeller and hits the opposite impeller blades again. Due to its simple yet robust design, the cross flow turbine is often used in small hydropower plants. Small hydropower plants are becoming increasingly important with the aim of emission-free energy generation - especially to meet the energy requirements of industrial companies or in the interests of environmental protection in developing countries.In order to evaluate the performance of the cross flow turbine, a numerical flow simulation is carried out in this work. The starting point for this is the geometry data provided for a test flow turbine. Using ANSYS ICEM CFD, the regions are defined and a structured mesh is generated. The meshed model is imported into ANSYS FLUENT and the numerical flow simulation is started. To obtain comparable results, the simulation is performed for three different angular velocities: 20 rad/s, 25 rad/s und 35 rad/s. To perform a realistic simulation, the selection of boundary conditions is of great importance.Based on the simulation results, the water flow through the runner is visualized, the efficiency is determined and the forces acting on the shaft are determined. Finally, the values obtained from the flow simulation are plotted on the turbine's Hill Chart and the results are compared.