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This research investigates the flight behavior of refuse-derived fuel (RDF) in a drop shaft using Computer Vision to obtain statistical data on the aerodynamic properties of the particles. Methods to determine 3D geometry models of complex-shaped particles by photogrammetry and to obtain time resolved particle positions and velocities are described. Furthermore, an approach to obtain the frequency distribution of drag and lift coefficients from photogrammetric analysis and drop shaft experiments is presented. The image evaluation is based on algorithms of the open-source libraries OpenCV, COLMAP as well as MeshLab and Open3D. The precision of the system is validated employing model particles with known geometry. The 3D particle models overestimate the particle surface area by 4.58 %, the position detection works with a mean deviation of 2.73 %. The average sink rate is calculated with an accuracy of 4.87 % and the drag coefficient with an accuracy of 2.08 %. Finally, the frequency distribution of four RDF fractions, namely, textiles, cardboard, 3D plastic particles and 2D plastic foils are presented.

Der Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen: Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien? Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht? Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken? Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen. Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet. Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen.

Um den weltweit wachsenden Energiebedarf zu decken, müssen die Anstrengungen zur Entwicklung hocheffizienter Batteriesysteme verstärkt werden. Die modernste Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie (LIB), gilt als unumstritten und ist daher in fast allen mobilen Geräten zu finden. Trotz ihres unbestreitbaren Wertes für die Menschheit sind die Ressourcen an Lithium, Nickel, Kobalt und anderen wesentlichen Elementen begrenzt. Aus diesem Grund stellen metallfreie, organische Batterien einewünschenswerte Alternative dar. Metallorganische Radikalbatterien, die auf nitroxylhaltigen Polymeren wie Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxymethacrylat) (PTMA) basieren, wurden erstmals 2002 veröffentlicht, und kurz darauf wurde die erste rein organische Radikalbatterie (ORB) vorgestellt. Ein großerNachteil der organischenMaterialien ist allerdings ihre vergleichsweise geringe spezifische Kapazität, da ein großer Anteil ihrer Masse nicht an den elektrochemischen Prozessen beteiligt ist, sondern z.B. der strukturellen Stabilität von Nitroxid-Radikalen dient. Um dieses Problem zu überwinden, wurden neue Klassen von nicht-radikalischen redoxaktiven Polymeren auf der Basis von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden untersucht. Die funktionellen Gruppen bestanden aus den kleinsten molekularen Zyklen (d.h. drei- und viergliedrigen Zyklen), welche aufgrund ihrer aromatischenNatur hohe Redoxpotentiale und Zyklenstabilität aufwiesen. Obwohl beide funktionellen Gruppen seit Jahrzehnten bekannt sind, wurde erst in den letzten Jahren die Anwendung von Cyclopropenium-Kationen als hochpotente Katholyten in Redox-Flow- Batterien (RFBs) untersucht. Soweit wir wissen, sind Quadratsäureamide seit Hünigs grundlegenden elektrochemischen Studien im Jahr 1977 nicht mehr mit dem Fokus auf Batterieanwendungen untersucht worden. Aus diesem Grund wurden neue Polymere synthetisiert, die mit Aminocyclopropeniumkationen (ACPs) und Quadratsäureamidderivaten (SAA), insbesondere Quadratsäurechinoxalinen (SQXs), dekoriert waren. Ihre physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften wurden im Hinblick auf ihre Verwendung als organisches Kathodenmaterial für Batterien untersucht. Während die synthetisierten ACP-Polymerverbindungen sehr hygroskopisch waren und irreversible Oxidationen in Lösung unterlaufen sind, stellten sich die SAA-Polymere als vielversprechender heraus. Es konnte demonstriert werden, dass vor allem die SQX-Polymere vorteilhafte Charakteristiken wie eine hohe thermische Stabilität und reversible Redoxeigenschaften in Lösung aufweisen. In nachfolgenden galvanostatischen Zyklisierungen wurde die Leistung von ausgewählten Polymeren in Lithium Halbzellen untersucht. Ein SQX Polymer ist dabei besonders herausgestochen durch seine sehr hohe Zyklisierbarkeit über einhundert Zyklen. Obwohl die erste Entladekapazität (43.7 mAh g−1) deutlich niedriger als die theoretische Kapazität war (66.8 mAh g−1), blieben nach 100 Zyklen 91 % der ersten Entladekapazität (39.8 mAh g−1) erhalten. Es wird erwartet, dass durch weitere Untersuchungen an kritischen Faktoren für die elektrochemischen Eigenschaften diese neuen redoxaktiven SQX Polymere einen signifikanten Beitrag zu der Entwicklung von organischen Batterien leisten werden.

Thermoacoustic technology emerges as a sustainable and low-carbon method for energy conversion, leveraging environmentally friendly working mediums and independence from electricity. This study presents the development of a multimode heat-driven thermoacoustic system designed to utilize medium/low-grade heat sources for room-temperature cooling and heating. We constructed both a simulation model and an experimental prototype for a single-unit direct-coupled thermoacoustic system, exploring its performance in heating-only, cooling-only, and hybrid heating and cooling modes. Internal characteristic analysis including an examination of internal exergy loss and a distribution analysis of key parameters was first conducted in the hybrid cooling and heating mode. The results indicated a positive-focused traveling-wave-dominant acoustic field within the thermoacoustic core unit, enhancing energy conversion efficiency. The output system performance was subsequently tested under different working conditions in the heating-only and cooling-only modes. A maximum output heating power of 2.3 kW and a maximum COPh of 1.41 were observed in the heating-only mode. Meanwhile, a cooling power of 748 W and a COPc of 0.4 were obtained in the typical cooling condition at 7 °C when operating in cooling-only mode. These findings underscore the promising potential of thermoacoustic systems for efficiently utilizing medium/low-grade heat sources for cooling and/or heating applications in the future.

Künstliche Photosynthese ist ein chemischer Prozess, der darauf abzielt, die natürliche Photosynthese nachzuahmen, indem CO₂ nur unter Verwendung von Sonnenenergie in wertvolle Rohstoffe umgewandelt wird. Es bietet eine Chance, die ökologischen und ökonomischen Probleme zu beantworten, die mit dem gestörten Kohlenstoffkreislauf verbunden sind und der für den Klimawandel verantwortlich ist. Die ersten künstlichen Photosynthesesysteme wurden in den frühen 80er Jahren von LEHN und Mitarbeitern eingeführt und haben seitdem beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Um die verschiedenen Schritte der natürlichen Photosynthese nachzuahmen, kombinieren die beschriebenen homogenen Systeme ein lichtsammelndes Molekül (Photosensibilisator, PS), einen metallhaltigen Katalysator, der in der Lage ist, mit CO₂ zu reagieren und es zu reduzieren, sowie Protonen- und Elektronenquellen, um die Umwandlung von CO₂ in C1-Bausteine zu ermöglichen (Kohlenmonoxid, Formiate, Methanol, Methan). Erst kürzlich wurden unedle Metalle in die Strukturen integriert, um die seltenen und teuren Edelmetalle zu ersetzen, wodurch die Systeme nachhaltiger und kostengünstiger wurden. Ihre unterschiedliche Reaktivität erfordert jedoch ein gründliches Verständnis der beteiligten Mechanismen sowie ein spezifisches Ligandendesign und angepasste Reaktionsbedingungen. In dieser Dissertation wurden neue Komplexe auf Übergangsmetallbasis für die photokatalytische Reduktion von CO₂ hauptsächlich zu CO und H₂ als Nebenprodukt entworfen. Im ersten Projekt wurde ein System mit dem bekannten und leichtverfügbaren Ni(cyclam)Cl₂ als Katalysator in Kombination mit neuen CuI-basierten Photosensibilisatoren entworfen. Das System wurde optimiert und produzierte selektiv CO mit einer TON von 8, wenn der bimetallische CuI-Komplex PS-4 als PS mit einer Quanteneffizienz von 2,1% verwendet wurde. Diese Ergebnisse gehören zu den höchsten, die mit Ni(cyclam)Cl₂ als Katalysator berichtet wurden, der zum ersten Mal mit einem unedlen Metall als PS in Verbindung gebracht wurde, was zeigt, dass Edelmetalle ersetzt werden können. In einem zweiten Schritt wurden neue auf unedlen Metallen-basierte einkernige Katalysatoren für die photokatalytische CO₂-Reduktion mit 2,6-Bis(1,2,3-triazol-yl-methyl)pyridin-Ligandenstrukturen entworfen, aus denen ein bestimmter Eisenkomplex hervorstich. Er produzierte CO mit einer TON von 576 und einer Quanteneffizienz von 7,1% in Kombination mit einem CuI-Photosensibilisator. Seine Aktivität als Katalysator wurde untersucht und ein katalytischer Mechanismus vorgeschlagen. Die Umwandlung des Phenylliganden in ein Chinolin ermöglichte die Bildung eines zweikernigen Kobaltkomplexes, der bei Verwendung als Katalysator dreimal mehr CO produzierte als sein einkerniges Analogon. Dies erlaubte die Annahme eines kooperativen Effekts zwischen den beiden Metallen. Ein anderer Syntheseansatz führte zur Bildung eines trimetallischen Eisenkomplexes, dessen Eigenschaften untersucht und beschrieben wurden. Weder seine magnetischen Eigenschaften noch seine Verwendung als Katalysator für die CO₂-Reduktion zeigten das Vorhandensein von Kooperativitätseffekten zwischen den Metallen. Schließlich wurde das Design von Multimetall-Photokatalysatoren untersucht, die einen Photosensibilisator und einen Katalysator im selben Molekül kombinieren. Aus den Synthesewegen gingen jedoch nur einkernige Komplexe hervor, die interessante katalytische Aktivitäten zeigten.

Pyrolysis of plastic waste is a key technology for closing the anthropogenic carbon cycle. The energy demand (ED) of this endothermic process is a crucial factor to evaluate its benefits compared to established recycling pathways. The pyrolysis ED can be determined experimentally. However, this is elaborate and limited in transferability. Existing models cover virgin plastics or hydrocarbon thermoplastic mixtures on a laboratory scale. Here, a model for calculating the ED of thermoplastic mixtures based on the superposition of virgin polymer data is developed. The material data, such as heat capacity, phase transition enthalpy, and reaction enthalpy, are determined using differential scanning calorimetry. Pilot-scale experiments are performed in a 1 kg/h screw reactor. These experimental data are compared to model calculations. The feedstock-specific ED for pyrolysis is plastic-type independent. It amounts to approximately 4−6% of the feedstocks’ net calorific value. The validation shows excellent accordance for virgin plastics and hydrocarbon plastics mixtures. The modeled ED of mixtures including heteroatoms is systematically underestimated, which indicates changes in the degradation mechanism. The model allows for resolving several phenomena contributing to the pyrolysis ED. The simple calculation of the ED with in-depth information on occurring phenomena enables more reliable process design, optimization, and evaluation.