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Wir unternehmen mit diesem Werk den Versuch einen Teil der Komplexität des Themas anhand des Knowhows der beitragenden Autoren aus verschiedenen Disziplinen zu vereinen, um nicht nur Neugier des Lesenden zu wecken, sondern auch und um über das Thema Digitalisierung aufzuklären. Dabei besteht das Kompendium aus vier Teilen, die verschieden Herausforderungen der Digitalisierung beleuchten und systematische Einschätzungen sowie mögliche Lösungskonzepte präsentieren, die es aus Unternehmensperspektive zu beachten gibt. Das gesamte Werk stellt nur einen kleinen Teil dieser Herausforderungen dar, thematisiert – unserer Meinung nach – aber besonders relevante: Beitrag 1: Im ersten Beitrag besprechen wir die allgemeine als auch die energiewirtschaftlich geprägte Definitionen von Digitalisierung und beschäftigen uns überdies mit energierelevante Daten, deren Beschaffung und Zugang sowie mögliche datenbasierte Mehrwerte. Beitrag 2: Im zweiten Beitrag wurde der Fokus auf IT‐Management in Energieversorgungsunternehmen gelegt. Es geht um die strukturierte Vorgehensweise digitaler Transformationsprozesse, um einerseits das bestehendes Geschäft adäquat mit IT unterstützen und andererseits durch IT gebotenen Möglichkeiten Potenziale für neue Geschäftsmodelle zu identifizieren und auszuschöpfen. Beitrag 3: Der dritte Beitrag gibt einen Überblick über die rechtlichen Rahmenbedingungen von Betreibern kritischer Infrastruktur (KRITIS) und deren Auswirkungen auf die IT‐Sicherheit am Beispiel der Energiewirtschaft. Zum einen wird die derzeitige Sicherheitslage bewertet und zum anderen wird abschätzt, wie durchgängig das Sicherheitsniveau, im Rahmen der steigenden dezentralen Energieerzeugung und zunehmenden Digitalisierung mit intelligenten Technologien, ist. Beitrag 4: Der vierte Beitrag zeigt die praktische Anwendung von Gefährdungsszenarien in der Systementwicklung. Dafür wurde der Anwendungsfall virtuelles Kraftwerke im Rahmen einer Überlastsituation identifiziert und standardisiert erfasst. Auf dieser Basis wurden drei verschiedene Gefährdungsszenarien erfasst und analysiert, so dass systematisch verletzte Schutzziele und Sicherheitsanforderungen identifiziert werden konnten, die dann in einem zu implementierenden System als konkrete Sicherheitsmaßnahmen umgesetzt werden sollten. With this work, we are attempting to unite part of the complexity of the topic based on the expertise of the contributing authors from various disciplines, not only to arouse the reader's curiosity, but also to educate him or her about the topic of digitization. The compendium consists of four parts that highlight the various challenges of digitization and present systematic assessments and possible solution concepts that need to be considered from a corporate perspective. The entire work represents only a small part of these challenges, but - in our opinion - addresses particularly relevant ones: Contribution 1: In the first contribution, we discuss the general as well as energy industry definitions of digitalization and furthermore deal with energy-relevant data, its procurement and access as well as possible data-based added values. Contribution 2: The second contribution focuses on IT management in energy supply companies. It is about the structured approach of digital transformation processes to adequately support the existing business with IT on the one hand and to identify and exploit potentials for new business models offered by IT on the other hand. Contribution 3: The third contribution provides an overview of the legal framework for operators of critical infrastructure (KRITIS) and its impact on IT security using the example of the energy industry. On the one hand, the current security situation is assessed, and on the other hand, it is estimated how consistently the security level will be improved in the context of the increasing decentralized energy generation and increasing digitalization with intelligent technologies. Contribution 4: The fourth contribution shows the practical application of threat scenarios in system development. For this purpose, the use case of virtual power plants in the context of an overload situation was identified and recorded in a standardized way. On this basis, three different hazard scenarios were recorded and analyzed so that systematically violated protection goals and safety requirements could be identified, which were then to be implemented as concrete safety measures in a system to be implemented.

Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern die bisherigen Vorannahmen hinsichtlich der Handlungsmöglichkeiten regionaler Akteure beim Ausbau erneuerbarer Energien verallgemeinerbar sind. Auf der Basis regionalwissen-schaftlich fundierter Forschungsarbeiten, die sich mit dem den Handlungsmög-lichkeiten regionaler Akteure in sogenannten Vorreiterregionen befassen, sind Empfehlungen entstanden, die nach Einschätzung ihrer VerfasserInnen übertragbar sind. Dass und warum dies nur begrenzt zutrifft, wird im Rahmen dieser Arbeit vor dem Hintergrund empirischer Untersuchungen in den "Kohleregionen" Niederlausitz und Ruhrgebiet analysiert. Es zeigt sich, dass die vorhandenen Empfehlungen nicht alle Hemmnisse angemessen berücksichtigen, die den Ausbau erneuerbarer Energien in Regionen entscheidend beeinflussen können. Eine Vielzahl möglicher Hemmnisse wird nicht direkt angesprochen, antizipierte Hemmnisse werden auf andere Ursachen zurückgeführt, als ihnen in der Niederlausitz und im Ruhrgebiet zugrunde liegen. Vor dem Hintergrund der techniksoziologischen Perspektive zeigt sich, dass auch die Vernachlässigung handlungsfeldspezifischer Charakteristika zur Ausblendung von Grenzen der Handlungsmöglichkeiten regionaler Akteure beim Ausbau erneuerbarer Energien beigetragen hat. So werden die Auswirkungen der regionalspezifischen soziotechnischen Konstellationen sowie deren Kopplungen mit dem Gesamtsystem auf die Reorganisation der regionalen Energieversorgung nicht angemessen berücksichtigt. Darüber hinaus wird erkennbar, dass die Verknüpfung regionalwissenschaftlicher und techniksoziologischer Perspektiven fruchtbar ist und weiterverfolgt werden sollte. An diese Erkenntnis anknüpfend werden konzeptionelle Erweiterungsmöglichkeiten entwickelt, die die techniksozio-logische Perspektive integrieren. Regionen werden hierbei als soziotechnische Subsysteme des Energieversorgungssystems verstanden. Als Basis für eine differenziertere Analyse der Handlungs- und Einflussmöglichkeiten regionaler Ak-teure wird eine Orientierung an energierelevanten Regionentypen vorgeschlagen. Ergebnis der Arbeit sind Hinweise zur thematischen Ausgestaltung zukünftiger Empfehlungen und für zukünftige Forschungs- und Untersuchungs-ansätze. In this thesis it is examined, in what way the existing assumptions on regional actors' options of action to support renewable energies are generalisable. Based on research from regional science dealing with regional actors' options of action in so-called outrider-regions, recommendations were formulated, which are – following the appreciation of their authors – transferable. In the context of empirical research in the "coal regions" Lower Lusatia and Ruhr Valley it becomes clear why this is only partly applying. It appears that the existing recommendations do not regard all restraints for renewable energies in regions. Anticipated restraints are reduced to other causes than given in Lower Lusatia and the Ruhr Valley. Against the background of the perspective of sociology of technology it emerges that also the neglect of the characteristics of the energy supply system contributed to the fade-out of restraints. The repercussions of the regional socio-technical constellations and their linkage with the overall system on the reorganisation of the regional energy supply system are not accounted reasonably. Beyond that, the linkage of perspectives from regional science and sociology of technology occurs to be fruitful and should be enlarged in future. Conceptual enhancements should consider regions as socio-technical subsystems of the energy supply system. A reference to energy-related types of regions is proposed for a more differentiated analysis of regional actors' options of action to support renewable energies. The thesis ends with suggestions for future research and for the development of recommendations.

Im heutigen Zeitalter des Anthropozäns stehen die Industrie-, Schwellen- und Entwicklungsländer vor vielfältigen Nachhaltigkeitsherausforderungen, die durch globale Trends im Handlungsfeld umweltbezogener, gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Dimension menschlichen Wirkens hervorgerufen werden. Dazu zählen die steigende sozio-ökonomische Ungleichheit, der Klimawandel, die zunehmende Umweltbelastung, Urbanisierung sowie der Anstieg der Cyberabhängigkeit. Diese Trends führen in den einzelnen Ländern zu unterschiedlichen, regional ausgeprägten Risiken, wie z. B. soziale Instabilität, Unterbeschäftigung, unfreiwillige Migration, Wasserkrisen, Naturkatastrophen, Ressourcenverknappung oder Cyberattacken. Zur langfristigen Bewältigung der globalen Nachhaltigkeitsherausforderungen haben die Mitgliedsländer der Vereinten Nationen die Agenda 2030 verabschiedet. Diese umfasst 17 unteilbare und sich selbst bedingende Ziele für eine nachhaltige Entwicklung, die als Vorgabe für eine Transformation der Volkswirtschaften von einer meist rein ökonomisch geprägten hin zu einer auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Entwicklung dienen. Zur Umsetzung der Agenda 2030 sollen insbesondere globale, nationale, regionale und lokale Anspruchsgruppen maßgeblich beitragen, indem sie zielgerichtete Handlungen zur nachhaltigen Entwicklung planen, ausführen und steuern. Start-Ups können bottom-up dazu beitragen, nachhaltige Ideen durch die Entwicklung technischer Innovationen am Markt zu etablieren. Durch die marktwirtschaftliche Dynamik von Kooperation und Wettbewerb in globalen Wertschöpfungs- und Wissensnetzwerken können technische Innovationen somit langfristig die Transformation in Richtung einer nachhaltigen Entwicklung fördern. Start-Ups müssen daher befähigt werden, eigenständig nachhaltige Innovationen systematisch zu entwickeln. Es wird dazu eine Vorgehensweise erforscht, die die integrierte Entwicklung eines technischen Produktes und zugehörigen Geschäftsmodelles als relevante Teilsysteme einer Innovation ermöglicht. Die Vorgehensweise deckt die frühere und spätere Phase der Innovationsentwicklung ab. Sie ermöglicht die einfache Suche nachhaltiger Lösungen zur Entwicklung der Innovation. Dazu werden die Werte sowie Ziele und Prinzipien einer nachhaltigen Entwicklung in die Vorgehensweise eingebunden. Die Vorgehensweise orientiert sich dabei an den besonderen Bedürfnissen von Start-Ups zur Erschließung neuer Märkte sowie zur Realisierung von Wettbewerbsvorteilen auf bestehenden Märkten. Die Implementierung und Erprobung der Vorgehensweise erfolgt exemplarisch für unterschiedliche industrielle und universitäre Start-Ups. In today's age of the Anthropocene, newly and early industrialized countries are facing a variety of sustainability challenges caused by global trends in the environmental, social, and economic dimensions of human activities, such as a growing socio-economic inequality, climate change, increasing environmental degradation, urbanization, and an increasing cyber-dependency. These global trends are leading to different regional risks, e.g. social instability, underemployment, involuntary migration, water crises, natural catastrophes, resource depletion, or cyberattacks. For coping with the challenges in the long run, the General Assembly of the United Nations adopted the Agenda 2030, which applies equally to all countries in the world. The Agenda 2030 includes 17 indivisible and self-sustaining goals. These so-called Sustainable Development Goals are intended to serve as the foundation for a transformation of the global economies towards a sustainable development. The implementation of the Agenda 2030 requires a significant contribution from global, national, regional, and local stakeholders by planning, running, and controlling activities related to a sustainable development. Bottom-up, startups can essentially contribute by expanding sustainable inventions to competitive, technological innovations. By means of the market dynamics of cooperation and competition in global value creation and knowledge networks, these sustainable innovations can foster a global sustainable development. Thus, startups must be enabled to systematically develop sustainable innovations independently. For this purpose, a procedure is being researched which enables the integrated development of a technical product and related business model as relevant subsystems of an innovation. The procedure covers the early and late phase of the innovation development. It allows the search for sustainable solutions during the development of the innovation in a simple manner. To this end, values, goals, and principles of a sustainable development are integrated. The procedure is oriented towards the special needs of startups for opening up new markets and realizing competitive advantages in existing markets. The implementation and testing of the procedure is exemplary carried out for different industrial and university startups.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Modellierung und Analyse eines bistabilen Energy-Harvesting-Systems. Das System besteht aus einem mehrschichtigen Balken, dessen Trägerschicht aus Stahl aufgebaut ist. Auf diese Schicht sind Piezokeramiken aufgeklebt, welche die Umwandlung von kinetischer- in elektrische Energie ermöglichen. Der Balken ist fest mit einem Rahmen verbunden, an dem zwei Permanetmagnete montiert sind. Diese werden so gewählt, dass die Rückstellung des Balkens nichtlinear wird. Dich Nichtlinearität führt dazu, dass die unausgelenkte Lage des Balkens instabil wird und zwei neue stabile Gleichgewichtslagen entstehen. Zu Begin der Arbeit wird ein mathematisches Modell des Systems hergeleitet, aus welchem dann drei Realisierungen, welche sich im Grad der Diskretisierung und der Ordnung der Nichtlinearität unterscheiden, abgeleitet werden. Simulationsergebnisse dieser Modelle werden mit experimentell gewonnenen Daten verglichen, wobei generell eine gute Übereinstimmung erzielt wird. Weiter wird gezeigt, wie die Methode der Harmonischen Balance, unter Verwendung von multifrequenten Ansatzfunktionen, erfolgreich zur Systemanalyse bei einer harmonischen Anregung eingesetz werden kann. Abschließend wird eine Systemanalyse für den Fall einer stochastischen ANregung präsentiert, bei der die gesuchten Wahrscheinlichkeitsdichten aus der Lösung der dem System zugeordneten Fokker-Planck-Gleichung berechnet werden. The subject of the thesis is the modeling and the analysis of a bistable energy-harvesting system. The energy-harvesting system consists of a bimorph beam that is made from a ferromagnetic substructure and piezoceramic layers on top. The beam is attached to a rigid frame which can be attached to a host structure. On the frame two permanent magnets are mounted in such a way, that the restoring force of the beam becomes nonlinear. Furthermore the undeflected state becomes unstable and two new equillibrium positions occur, hence the name bistable. A mathematical modell of the system is derrived, using the lagrange function and a spatial discretization. For the further investigation, three different simulation-models are created from the mathematical model in order to study the influence of the discretization order and the degree of the nonlinearity that is used. All three models are than compared with experimental data, with a general good agreement. Furthermore it is shown, how the method of harmonic balance can be effectively used to analyse the models. As it is shown, it is necessary to use multiple ansatz functions in the method to obtain good results. Finally the modells are analyses for rhe case of an stochastic excitaion by the solution of the corresponding fokker-planck equation.

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie einer Hybridsolarzelle mit dem anorganischen Absorber CuInSe2 und den kleinen organischen Molekülen ZnPc und C60. Ähnlich wie bei einer Tandemsolarzelle soll bei diesem Konzept der Absorber CuInSe2 die Sonnenenergie im Infrarotbereich in Strom umwandeln und das Farbstoffmolekül ZnPc im sichtbaren Bereich. Das Fulleren C60 dient als elektronenleitender Halbleiter. Die Wirkung herkömmlicher Behandlungsmethoden von CuInSe2 auf die Hybridsolarzelle, wie das KCN-Ätzen und eine Natrium Eindiffusion, wurde mittels einer Kreuzstudie untersucht. Zu Anfang wurden die chemischen und elektronischen Eigenschaften der unterschiedlich behandelten CuInSe2-Oberflächen mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht, wobei eine kupferarme Randschicht mit der Stöchiometrie CuIn3Se5 festgestellt wurde. Auf die CuInSe2-Proben wurden ZnPc- und C60-Schichten aufgetragen und der Ladungstransfer an den hybriden Grenzflächen mittels spektraler und transienter Oberflächenphotospannung untersucht. Hierbei wurde ein erhöhter Elektronentransfer von der CuInSe2-Schicht in die C60-Schicht beobachtet, was auf eine Bandverbiegung an der CuInSe2-Oberfläche zurückgeführt wird. An der CuInSe2/ZnPc- Grenzfläche konnte eine Exzitonentrennung sowie ein verminderter Elektronentransfer in die ZnPc-Schicht festgestellt werden. Die CuIn3Se5-Randschicht zeigte zudem einen starken Einfluss auf den Ladungstransfer an der hybriden Grenzfläche. Die CuInSe2-Proben, in welche Natrium eindiffundiert ist und die keine KCN-Behandlung erhielten, zeigten die vielversprechendsten Eigenschaften. Erste Hybridsolarzellen wurden realisiert, indem nanometerdicke Ag3Mg-Schichten auf Proben der Schichtfolge Glas/Mo/CuInSe2/Organik auf die Organik aufgedampft wurden, um als semi-transparenter Frontkontakt zu fungieren. Als organische Schicht wurde jeweils C60 und ein C60:ZnPc-Blend verwendet. Die Hybridsolarzellen zeigten im Vergleich zu organischen Referenzzellen eine Erhöhung des Kurzschlussstromes um das 15-fache, was auf die Absorption in der CuInSe2-Schicht zurückgeführt werden kann. Die maximale Effizienz betrug 3.0 %. Durch eine Optimierung des Frontkontaktes und der Zellgeometrie sowie der richtigen Auswahl des Akzeptormaterials sind erhebliche Verbesserungen zu erwarten. The present work is a feasibility study of a hybrid solar cell using the inorganic absorber CuInSe2 and the small organic molecules ZnPc and C60. Similar to a tandem solar cell, the absorber CuInSe2 is intended to convert the solar energy in the infrared range into current and the dye molecule ZnPc is used to convert the energy in the visible range. The fullerene C60 serves as an electron-conducting semiconductor. The effect of conventional treatment methods of CuInSe2 on the hybrid solar cell, such as KCN etching and sodium diffusion, was investigated by a cross-study. To begin with, the chemical and electronic properties of the differently treated CuInSe2 surfaces were examined by means of photoelectron spectroscopy, whereas a copper-poor boundary layer with the stoichiometry CuIn3Se5 was determined. ZnPc and C60 layers were deposited onto the CuInSe2 samples and the charge transfer at the hybrid interfaces was investigated by means of spectral and transient surface photovoltage. An increased electron transfer from the CuInSe2 layer into the C60 layer was observed, which is attributed to a band bending on the CuInSe2 surface. An exciton separation and a reduced electron transfer into the ZnPc layer was observed at the CuInSe2/ZnPc interface. The CuIn3Se5 boundary layer also revealed a strong influence on charge transfer at the hybrid interface. The CuInSe2 samples with sodium which were not treated with KCN revealed the most promising properties. First hybrid solar cells were realized by evaporating nanometer-thick Ag3Mg layers onto samples of the layer sequence of glass/Mo/CuInSe2/organics to form a semitransparent front contact. C60 and a blend of C60 and ZnPc were used for the organic layer, respectively. The hybrid solar cells showed a 15-fold increase in the short-circuit current compared to organic reference cells, which can be attributed to the absorption in the CuInSe2 layer. The maximum efficiency was 3.0 %. Optimization of the front contact and the cell geometry as well as the correct selection of the acceptor material is expected to result in a significantly increased efficiency.

Die elektrochemische Wasserstoffentwicklung (HER = hydrogen evolution reaction) durch Wasserspaltung gilt als vielversprechende Technologie für eine „grüne“, erneuerbare und nachhaltige Energieversorgung. Hierbei gilt die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER = oxygen evolution reaction) als Engpass des vierstufigen Mechanismus mit gekoppelten Elektronen-Protonen-Transferreaktionen und hochenergetischen Intermediaten. Gegenwärtig wird die thermodynamisch und kinetisch anspruchsvolle Reaktion durch Katalysatoren auf Ruthenium- und Iridiumbasis vermittelt, jedoch beschränken hohe Kosten und die geringe natürliche Häufigkeit den Einsatz für eine industriellen Anwendung. Aus diesem Grund wurden enorme Anstrengungen unternommen, um hocheffiziente und langlebige Elektrokatalysatoren auf der Basis von kostengünstigen Elementen zu entwickeln. In Pflanzen katalysiert ein Mn4CaO5-Cluster die Wasseroxidation im Photosystem II. Mit der Natur als Vorbild untersuchten viele verschiedene Gruppen Mangan und sein Potenzial die OER elektrochemisch zu katalysieren. In dieser Arbeit wurden mehrere Verbindungen auf Manganbasis auf OER-Aktivität und Stabilität untersucht. Ziel war es in diesen Mangankatalysatoren die aktive Spezies zu identifizieren und eine mögliche industrielle Anwendung zu bewerten. The hydrogen evolution (HER) through electrochemical water splitting has been regarded as a promising technology for “green”, renewable and sustainable energy supply. For that reaction the OER is considered as the bottleneck in water splitting, with multiple protoncoupled electron transfer steps and high energy intermediates. Currently, the thermodynamically and kinetically demanding reaction is mediated by ruthenium- and iridium-based catalysts but high costs and low natural abundance restrict their practical application for industrial use. Therefore, tremendous efforts have been devoted to develop highly efficient and durable electrocatalysts based on low-cost earth-abundant elements. In plants a Mn4CaO5-cluster catalyses photochemically the water oxidation in the photosystem II. Using nature as a role model manganese attracted various groups to investigate its potential for artificial OER. In this work, several manganese based compounds have been investigated to evaluate their capacity for catalytic use in OER and potential large scale application.

Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Durch den gezielten Ausbau der erneuerbaren Energien steigt gleichzeitig der Anteil der fluktuierenden Energiequellen entsprechend an. Dies erfordert effiziente und wirtschaftliche Speichertechnologien zum Ausgleich der Diskrepanz zwischen Energieangebot und -nachfrage. Ebenfalls wird eine solche Speichertechnologie zur effizienten Nutzung von thermischer Abwärme benötigt. Als mögliches Konzept wird hierfür ein Latentwärmespeicher betrachtet, der das Prinzip des Direktkontaktes nutzt. Bei diesem Speichertyp steht das Speichermedium, ein Phasenwechselmaterial (PCM), im direkten Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid (WTF), zum Beispiel einem Mineralöl. Die Auslegung solcher Systeme ist komplex, da stetig sich ändernde wärmeübertragende Flächen im Speichersystem vorliegen und bisher keine Daten zum Wärmeübergang des 3-phasigen Systems Wärmeträgerfluid, flüssiges PCM, festes PCM bekannt sind. Zur Ermittlung der charakteristischen Kenndaten des Speichersystems wie der wärmeübertragenden Flächen und der Wärmeübergangskoeffizienten ist zu Beginn eine Beschreibung des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs erforderlich, da hier unterschiedliche und somit zeitlich veränderliche wärmeübertragende Flächen und Wärmeübergangskoeffizienten vorliegen. Folgende drei Bereiche werden im Direktkontaktlatentwärmespeicher unterschieden: Bereich 1: Das PCM liegt im festen und das WTF im flüssigen Aggregatszustand vor: Bereich 1 liegt zu Beginn des Schmelz- und zum Ende des Kristallisationsvorgangs vor. Das PCM wird erwärmt bzw. abgekühlt. Bereich 2: Das PCM befindet sich im Phasenwechsel und das WTF verbleibt im flüssigen Aggregatszustand. Im Bereich 2 wird das PCM geschmolzen bzw. kristallisiert. Bereich 3: Das PCM wie auch das WTF liegen im flüssigen Aggregatszustand vor: Bereich 3 liegt zu Beginn des Kristallisations- und zum Ende des Schmelzvorgangs vor. Das PCM wird abgekühlt bzw. erwärmt. In den beiden Bereichen 1 und 3 liegen hierbei eindeutige wärmeübertragende Flächen und Wärmeübergangskoeffizienten vor. Im Bereich 2, dem Phasenwechsel, verändern sich die wärmeübertragenden Flächen sowie auch die vorliegenden Wärmeübergangskoeffizienten stetig in Abhängigkeit der Zeit bzw. des Anteils an festem / flüssigen PCM. Zur Ermittlung der unbekannten, aber notwendigen Auslegungsdaten, wie der wärmeübertragenden Flächen und der entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten für die unterschiedlichen Bereiche des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs, werden Versuchsaufbauten auf 2 Größenskalen entwickelt und gebaut, an denen die grundsätzlichen Eigenschaften und die upscale-Möglichkeiten erarbeitet werden. Zunächst wird im Labormaßstab das Konzept der direkten Wärmeübertragung nachgestellt, wobei ein Speicherbehälter mit einer PCM-Masse von 0,60 kg und einer WTF-Eintrittsöffnung im Boden des Speicherbehälters realisiert worden ist. Um den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen WTF und festem (Bereich 1) bzw. schmelzendem PCM (Bereich 2) ermitteln zu können, wird ein künstlicher Kanal mit einem Durchmesser von 6 mm innerhalb des PCM erzeugt und abschnittsweise die Öltemperatur innerhalb des Kanals sowie die PCM- Temperatur erfasst, wobei die Erfassung der PCM-Temperatur Rückschlüsse auf die Innenwandtemperatur des Kanals erlaubt. Zur Detektion der Temperatur der im Kanal aufsteigenden Ölphase wird ein neuartiges, am Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme entwickeltes Messsystem verwendet, welches optisch die Temperatur erfasst. Bei dieser optischen Temperaturerfassung wird die vom Öl emittierte Wärmestrahlung mittels einer 910 µm dicken Glasfaser zu einer Indiumgalliumarsenid-Photodiode geleitet, welche Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich von 1,1 bis 2,2 µm detektiert. Mit Hilfe von Computertomographie werden die wärmeübertragenden Flächen und die Kanalstruktur innerhalb des PCM für den Bereich 1 experimentell bestimmt. Zur Bestimmung der wärmeübertragenden Fläche für den Bereich 2, wird beispielhaft der Schmelzvorgang für den künstlichen Kanal betrachtet. Durch die Erfassung der Temperatur innerhalb des PCM auf unterschiedlichen Höhen wird ein idealisiertes Aufschmelzmodell des Kanals entwickelt, mit Hilfe dessen die wärmeübertagende Fläche als Funktion der Zeit und der Höhe abgeleitet werden kann. Um den Wärmeübergangskoeffizienten für den Bereich 3 zwischen Öl und flüssigem PCM zu ermitteln, wird das Temperaturprofil in Strömungsrichtung der einzeln im flüssigen PCM aufsteigenden WTF-Tropfen nahinfrarot-optisch mittels der Glasfaser erfasst. Dies ist durch die hohe Messfrequenz des eigens entwickelten Messgerätes von 2000 Temperaturmessungen pro Sekunde möglich. Die wärmeübertragende Fläche für den Bereich 3 wird aus optischen Aufnahmen der Tropfen abgeleitet. Im Anschluss wird an einer Technikumsanlage eines Direktkontaktlatentwärmespeichers mit einer PCM-Masse von 12,0 kg und 18 WTF-Eintrittsöffnungen die Übertragbarkeit der ermittelten charakteristischen Kenndaten aus der Laboranlage gezeigt. Für Bereich 1 und 3 liegen eindeutige wärmeübertragende Flächen als auch Wärmeübergangskoeffizienten vor, welche ermittelt worden sind. Für Bereich 1 beträgt die wärmeübertragende Fläche 168,1 cm² und für den Bereich 3 24,61 cm². Der Wärmeübergangskoeffizient für den Bereich 1 beträgt 87 W/m² K und für Bereich 3 1845 W/m² K. Für Bereich 2 wird beispielhaft das Schmelzen betrachtet. Hier ist die wärmeübertragende Fläche eine Funktion der Zeit und der Kanalhöhe. Der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich 2 steigt mit zunehmender Zeit bis zu einem Maximalwert von 459 W/m2 K an und fällt im Anschluss schlagartig ab. Das Abfallen wird mit einer Änderung im Wärmeübergangsmechanismus erklärt. Die anschließende Übertragung der Ergebnisse aus der Labor- auf die Technikumsanlage zeigt eine gute Übereinstimmung. The energy revolution in Germany is in full swing. At the same time, the targeted expansion of renewable energies is increasing the proportion of fluctuating energy sources accordingly. This requires efficient and economical storage technologies to balance the discrepancy between energy supply and demand. Such a storage technology is also required for the efficient use of thermal waste heat. A latent heat storage system using the principle of direct contact is considered as a possible concept. In this storage system, the storage medium, a phase change material (PCM), is in direct contact with the heat transfer fluid (WTF), for example a mineral oil. The dimensioning of such systems is complex, since continuously changing heat transfer surfaces are present in the storage system and no data on heat transfer of the 3-phase system heat transfer fluid, liquid PCM, solid PCM are known so far. In order to determine the characteristic data of the storage System such as the heat transfer surfaces and the heat transfer coefficients, a description of the melting and crystallization process is required at the beginning, since different and thus temporally variable heat transfer surfaces and heat Transfer coefficients are present. The following three sections are distinguished in the direct contact latent heat storage system: Section 1: The PCM is in the solid state and the WTF in the liquid state: Section 1 is present at the beginning of the melting process and at the end of the crystallization process. The PCM is heated or cooled. Section 2: The PCM is in phase change and the WTF is in liquid state. In this section, the PCM is melted or crystallized. Section 3: The PCM as well as the WTF are in the liquid state: This happens at the beginning of the crystallization process and at the end of the melting process. In this section the PCM is either cooled or heated. In both sections, 1 and 3, there are clear heat transfer surfaces and heat Transfer coefficients. In section 2, the phase change, the heat transfer surfaces as well as the existing heat transfer coefficients change continuously as a function of time or the proportion of solid / liquid PCM. In order to determine the unknown yet necessary dimensioning data, such as the heat Transfer surfaces and the corresponding heat transfer coefficients for the different sections of the melting and crystallization process, experimental set-ups on two size scales are developed and built on which the basic properties and upscale possibilities are elaborated. First, the concept of direct heat transfer is simulated on a laboratory scale, whereby a storage tank with a PCM mass of 0.60 kg and one WTF inlet opening in the bottom of the storage tank has been realized. In order to determine the heat transfer coefficient between WTF and solid (section 1) or melting PCM (section 2), an artificial channel with a diameter of 6 mm is created within the PCM and the oil temperature within the channel and the PCM temperature are recorded in sections, whereby the recording of the PCM temperature allows conclusions to be drawn about the internal wall temperature of the channel. In order to determine the temperature of the oil phase rising in the channel, an innovative measuring System developed at the Institute for Process Control and Innovative Energy Conversion is used, which measures the temperature optically. In the process, the thermal radiation emitted by the oil is conducted to an indium gallium arsenide photodiode by means of a 910 µm thick glass fiber, which detects thermal radiation in a wavelength range from 1.1 to 2.2 µm. Computer tomography is used to experimentally determine the heat transfer surfaces and the channel structure within the PCM for section 1. To determine the heat transfer area for section 2, the phase change, the melting process for the artificial channel is considered as an example. By measuring the temperature within the PCM at different heights, a melting model of the channel is developed, which can be used to derive the heat transfer surface as a function of time and height. In order to determine the heat transfer coefficient for the section 3 between oil and liquid PCM, the temperature profile in the direction of flow of the WTF droplets rising individually in the liquid PCM is measured near-infrared optically by means of the glass fiber. This is possible due to the high measuring frequency of the specially developed measuring device of 2000 temperature measurements per second. The heat transfer surface for section 3 is derived from optical images of the drops. Subsequently, the transferability of the determined characteristic data from the laboratory plant will be demonstrated at a pilot plant of a direct contact latent heat storage system with a PCM mass of 12.0 kg and 18 WTF inlet openings. For sections 1 and 3 there are clear heat transfer surfaces as well as heat transfer coefficients which have been determined. For section 1 the heat transfer area is 168.1 cm² and for section 3 24.61 cm². The heat transfer coefficient for section 1 is 87 W/m² K and for section 3 1845 W/m² K. For section 2, melting is considered as an example. In this case, the heat transfer surface is a function of time and channel height. The heat transfer coefficient in section 2 increases with time up to a maximum value of 459 W/m² K and then drops suddenly. The drop is explained by a change in the heat transfer mechanism. The subsequent transfer of the results from the laboratory to the pilot plant shows good agreement.

Die deutsche Energiewende erfordert nicht nur eine Transformation der Energieproduktion, sondern gleichzeitig ein Aus- und Umbau des Stromnetzes. Ein zunehmender Anteil der Stromtrassen soll dabei unterhalb der Erde verlaufen. Der Trassenbau erfolgt zumeist über die offene Bauweise (OB), die deutlich zeit- und kostenintensiver als der Bau von Freileitungen ist. Eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zur OB ist auf niedrigen Spannungsebenen die Kabelpflugtechnologie (KPT). Ziel dieser Forschungsarbeit besteht in der Beurteilung dieser Technologie als Alternative zur OB auf der 380-kV-Höchstspannungsebene. Den Bewertungsrahmen bilden die Kabelbettanforderungen der offenen Bauweise, die auch vom Kabelpflug erfüllt sein müssen: 1. korrekte Bodentiefen und Abstände der Schutzrohre, Warn- und Schutzbänder, 2. keine Hohlräume, 3. Mindestverdichtung von 80 % zum Referenzboden und 4. Wärmeleitfähigkeiten bei feuchten und trockenen Bodenbedingungen von jeweils 1,0 W m–1 K–1 und 0,4 W m–1 K–1. Diese Anforderungen dienen dem Zweck, während des Betriebs der Stromkabel die Leitertemperaturen, TL, unterhalb einer kritischen Temperatur, Tk = 90°C, zu halten, um Kabelschäden zu verhindern. Zwei Arbeitspakete bestanden dabei in dieser Forschungsarbeit: (i) Feld- und Laboruntersuchungen, um die Auswirkung des Kabelpflugs auf den Boden zu bestimmen, und (ii) numerische Simulationen mit der Software Delphin 6, um die thermische Auswirkung der erfassten Standortbedingungen auf TL zu prognostizieren. Der 1. Prototyp des Kabelpflugs kam 2019 an zwei Standorten, Aurachtal und Wartjenstedt, zum Einsatz. Die Kabelbettanforderungen 1–4 wurden in keinem Profil alle erfüllt. Um eine bessere Bodenverdichtung zu erzielen und die Bildung von Hohlräumen zu unterbinden, wurde zwischen 2019 und 2020 der starre Kabelpflug in einen mobilen Kabelpflug umgebaut. Der 2. Prototyp kam dann 2020 auf der gleichen Trasse in Wartjenstedt zum Einsatz. Durch die Modifikationen konnten Anforderung 1 und 2 erfüllt werden. Zur Überprüfung von Anforderung 3 und 4 wurden die Laboruntersuchungen herangezogen. Mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmessung wurde für vier ausgewählte und im Labor selbst gepackte Substrate die λ(θ)-Beziehung ermittelt (Sand: Sl3; Schluff: Ut3; Ton: Lt3; Lehm: Slu). Durch die Messungen ließ sich für jede Bodenart eine Mindesttrockenrohdichte (ρB,min) ermitteln, ab der Kabelbettanforderung 4 erfüllt ist (Lt3: 1,64 g cm–3; Sl3, Slu, Ut3: 1,50 g cm–3). Der Verdichtungsgrad von mindestens 80 % und das Erzielen von ρB,min wurde nur von den lehmigen Profilen erfüllt. Im Jahr 2021 kamen in Aurachtal zuletzt die zwei speziellen Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ zum Einsatz (Sand, St2), die beide Potenzial zur Verbesserung der Verdichtung aufzeigen. Die Untersuchung von zwei flüssigen Verfüllmaterialien, DrillMix 160 und Cable Cem F 0,4 des Unternehmens HeidelbergCement AG, sollte Aufschluss darüber geben, ob das Einbringen eines der beiden Substrate während des Kabelpflugeinsatzes Hohlräume vermeiden und Verdichtungen erhöhen könnte. Während das Cable Cem F 0,4 den thermischen Kabelbettanforderungen entsprach, wurde bei beiden Substraten während des Austrocknens ein irreversibles Schrumpfen festgestellt. Eine dauerhafte Lösung bietet daher keines der beiden Produkte. Die im Feld und Labor erfassten Eigenschaften der vier Bodenarten wurden in den numerischen Modellierungen berücksichtigt. Zielgröße stellte für die Bewertung TL und Tk dar. Insgesamt ergab sich hinsichtlich TL die Reihenfolge TL,Sand < TL,Schluff < TL,Lehm < TL,Ton mit einer Differenz in TL,median zwischen Sand und Ton von 5,6°C. Neben der Bodenart zeigt sich auch, dass ρB einen relevanten Einfluss auf TL hat. Dabei nahm TL beim Schluff um 0,7°C, beim Ton um 0,6°C und beim Lehm um 0,5°C mit einer Zunahme von ρB um 0,10 g cm–3 ab. Beim Sand wurde ein vernachlässigbarer Effekt ermittelt. TL-Ergebnisse der Kabelpflugszenarien einer Bodenart lagen bis ρB-Werten von 2,0 g cm–3 über denen der OB (Schluff: 1,9 g cm–3). Bei den Kabelpflugszenarien mit ρB = ρB,min betrug für die vier Bodenarten TL der KPT mindestens 103 % (Sand) und höchstens 106 % (Schluff, Ton, Lehm) von TL der OB. Keine der durchgeführten Szenarien ergab dabei TL > Tk. Die Modellierung bei kompletter Austrocknung unterstrich jedoch, dass ρB,min erfüllt sein muss, damit Tk nicht überschritten wird. Die in dieser Forschungsarbeit untersuchten Bodenarten konnten in drei Eignungsklassen für die KPT eingeordnet werden (geeignet, eingeschränkt geeignet, weniger geeignet). Bei Klasse I handelt es sich um nicht bindige Böden und bindige Böden mit breiten Korngrößenverteilungen (Sand, Sl3 und Lehm, Slu). Es bestehen hohe λ(θ)-Werte, während ρB,min im Feld bereits erzielt wird (Lehm) oder erwartet werden kann erzielt zu werden (Sand). Die KPT eignet sich an diesen Standorten. Spezielle Kabelpflugtechniken oder weitere Kabelpflugoptimierungen sind nicht erforderlich. Bei Klasse II handelt es sich um (i) bindige Böden mit mittleren ρB,min-Werten (Schluff, Ut3) und (ii) nicht-bindige Böden mit engen Korngrößenverteilungen in der Sandfraktion mit hohen ρB,min-Werten (Sand, St2). Die erforderlichen ρB,min wurden im Feld nicht (Schluff) bzw. mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht (Sand) erzielt. Für den Sand steht eine Bestimmung von ρB,min noch aus. Die KPT eignet sich eingeschränkt an diesen Standorten. Ein Einsatz des Kabelpflugs unter möglichst trockenen Bodenbedingungen könnte u. U. das Erzielen von ρB,min ohne die speziellen Kabelpflugtechniken ermöglichen, wenn dadurch die Ausrollgrenze der Substrate unterschritten wird. Die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ sind in ihrer Verdichtungswirkung noch zu bewerten. Eine Eignung der Klasse II ist zukünftig denkbar. Bei Klasse III handelt es sich um sehr bindige Böden (Ton, Lt3). Diese Böden zeichnen sich aufgrund der Mineralogie durch geringe λ(θ)-Beziehungen aus. Im Feld wird ρB,min nicht erreicht. Aufgrund von möglichem Schrumpfungsverhalten kann u. U. kein dauerhafter Kontakt zwischen Schutzrohr und Bodenmatrix garantiert werden. Die KPT eignet sich weniger an diesen Standorten. Eine Unterschreitung der Ausrollgrenze ist unter den Klimabedingungen Mitteldeutschlands auch nicht nach Trockenperioden zu erwarten. Eine Verbesserung durch den jahreszeitlich bedingten Einsatz des Kabelpflugs sowie durch die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ ist daher kritisch zu beurteilen. Das Grundproblem schlechter thermischer Eigenschaften und des möglichen Schrumpfungsverhaltens kann auch nicht durch weitere Optimierungen behoben werden. Die Bestimmung der Eignung aller Bodenarten für die KPT und für den Einsatz der speziellen Kabelpflugtechniken zur Nachverdichtung erfordert weitere Forschungsarbeiten und Kabelpflugeinsätze. Angesichts dieser Ergebnisse kann die KPT auch auf der 380-kV-Spannungsebene unter Erfüllung der erforderlichen Kabelbettanforderungen einen positiven Beitrag zur Energiewende leisten. Weitere Forschungsschwerpunkte lassen sich aus dieser Arbeit ableiten, auf deren Grundlage weitere Optimierungen der KPT und der Modellierungen möglich sind. Zukünftig ist dabei eine stärkere Kooperation zwischen Bodenphysik, Elektrotechnik und Maschinenbau gefordert. The German energy transition requires not only a transformation of energy production but also a simultaneous expansion and reconstruction of the electricity grid. It is assumed that an increasing proportion of the new power lines will run underground. In the past, most of the underground lines were built using the open-cut construction method, which is significantly more time-consuming and cost-intensive than the construction of overhead lines. At low voltage levels, cable-laying plough technology (CLPT) already offers a more cost-effective and environmentally friendly alternative. Therefore, this research aims to evaluate CLPT at the 380 kV extra-high voltage level as an alternative cable-laying method. The evaluation framework is based on the open-cut construction cable bed requirements, which the CLPT also must fulfill. The requirements consist of: 1st) correct soil depths and positions of the cable conduits, warning and protective stripes, 2nd) no air cavities, 3rd) minimum soil compaction of 80 % to the reference soil and 4th) thermal conductivities under wet and dry soil conditions of 1.0 W m–1 K–1 and 0.4 W m–1 K–1, respectively. The purpose of these requirements is to mainain conductor temperatures (TL) below a critical temperature (Tk = 90°C) during power cable operation to prevent cable damage. Two work packages formed the basis for this research: (i) field observations and laboratory tests to determine the effects of the cable plough on soil properties, and (ii) numerical simulations using Delphin 6 software to predict the thermal impact of the identified soil properties on TL. The cable plough manufacturer deployed the 1st prototype at the two investigation sites of this research work, Aurachtal and Wartjenstedt, in 2019. No profile met all cable bed requirements 1 to 4. To achieve better soil compaction and prevent air cavity formation, the manufacturer converted the rigid prototype into a mobile one between 2019 and 2020. Subsequently, the manufacturer deployed the 2nd prototype on the same route in Wartjenstedt in 2020, where the cable plough met requirements 1 and 2. Laboratory investigations were conducted to evaluate requirements 3 and 4. Four substrates found on-site (sand: Sl3; silt: Ut3; clay: Lt3; loam: Slu) were packed in the laboratory with specified bulk densities to determine λ(θ) relationships using thermal conductivity measurements. The measurements allowed to determine a minimum dry bulk density (ρB,min) for each soil texture, above which cable bed requirement 4 is fulfilled (Lt3: 1.64 g cm–3; Sl3, Slu, Ut3: 1.50 g cm–3). Only the loamy profiles of the study sites met the minimum compaction of at least 80 % and ρB,min. In Aurachtal 2021, the manufacturer deployed two individual cable plough functions, “water injection“ and “vibration“, in sandy soils (St2) both showing potential to improve bulk density. In the laboratory, two liquid backfill materials (DrillMix 160 and Cable Cem F 0,4, HeidelbergCement AG) were also tested to determine whether the introduction of these products during the cable ploughing could avoid air cavities and increase the bulk density. While the Cable Cem F 0,4 met the thermal cable bed requirements, both substrates were found to irreversibly shrink during the drying process. Therefore, neither product provides a permanent solution. The thermal conductivity measurements of the four soil textures were taken into account in the numerical simulations. The target values for the evaluation of the simulations were TL and Tk. Regarding TL, we determined the following soil texture order: TL,sand < TL,silt < TL,loam < TL,clay. The difference in TL,median between sand and clay accounted for 5.6°C. Besides soil texture, dry bulk density also impacts TL. An increase in dry bulk density by 0.10 g cm–3 decreases TL by 0.7°C for silt, by 0.6°C for clay, and by 0.5°C for loam. The effects for sand were negligible. Model scenarios representing the cable plough profile calculated higher values for TL, up to bulk densities of 2.0 g cm–3, than open-cut construction scenarios for all soil textures (1.9 g cm–3 for silt). For cable plough scenarios with ρB = ρB,min, the CLPT scenarios for the four soil textures computed minimum 103 % (sand) and maximum 106 % (silt, clay, loam) of the TL-values for the open-cut method. None of the scenarios resulted in TL > Tk. However, simulations with completely desiccated soils underlined that ρB,min must be met for TL values < Tk. Investigated soil textures of this research study (Sl3, St2, Slu, Ut3 and Lt3) could be divided into three different applicability classes regarding CLPT. Class I contains non-cohesive soils and cohesive soils with broad grain size distributions (sand, Sl3 and loam, Slu). These soils have large λ(θ) relations, while ρB,min is obtained on site (loam) or can be expected to be met (sand). The CLPT is applicable at these soil sites, while additional cable plough functions or further cable plough optimisations are not required. Class II contains (i) cohesive soils with medium ρB,min values (silt, Ut3) and (ii) non-cohesive soils with narrow particle size distributions in the sand fraction with high ρB,min values (sand, St2). In the field, ρB,min values were not met (silt) or not met with high probability (sand). Laboratory determination of ρB,min has yet to be accomplished for the sand. The CLPT is only to a limited extent suitable at these soil sites. Without further cable plough optimisations, ρB,min may be achieved if the cable plough is used seasonally under very dry soil conditions. The extent of dryness is required to let the soil´s water content fall below its plastic limit. The additional functions “water injection“ and “vibration“ still need to be evaluated for their compaction potential. The suitability of Class II for CLPT is conceivable in the future. Class III contains very cohesive soils (clay, Lt3). Mineralogically, these soils have low λ(θ) relations. In the field, ρB,min is not achieved. Permanent contact between conduits and soil matrix might possibly not be guaranteed, as these soils are potentially prone to swelling and shrinkage dynamics. CLPT is less suitable at these locations. Under the climatic conditions of central Germany, falling below the plastic limits of clays is unlikely, even after dry periods. Therefore, the increase of bulk densities by seasonal use of the cable plough or the additional functions “water injection“ and “vibration“ must be critically assessed. The basic problem of poor thermal properties and potential shrinkage behaviour cannot be remedied by further optimisation. Determination of the suitability of each soil texture for CLPT and for the application of additional cable plough functions requires future research studies and cable plough deployments. Ultimately, CLPT can positively contribute to the energy transition even at the 380 kV level if necessary cable bed requirements are met. Further research topics can expand on this research work for further optimisation of CLPT and of modelling the respective research questions. These topics require greater cooperation between soil physicists, electrical engineers and mechanical engineers.

In der biologischen Methanisierung wandeln methanogene Mikroorganismen Wasserstoff und CO2 zu synthetischem Methan um. Anders als in den bekannten biologischen Verfahren zur Methansynthese, wie z.B. in Biogasanlagen, läuft hier nur eine Reaktion ab, so dass die Reaktionsbedingungen ausschließlich auf diese Reaktion ausgerichtet werden können. Ziel der Prozessentwicklung ist es, eine möglichst hohe Methankonzentration im Produktgas zu erreichen und gleichzeitig die Methanbildungsrate zu maximieren. Die gasförmigen Edukte müssen zunächst in die flüssige Phase transportiert werden, bevor sie von den Mikroorganismen zu Methan umgesetzt werden. Durch ihren Stoffwechsel halten die Mikroorganismen einen ständigen Konzentrationsgradienten für den Stofftransport aufrecht. In dieser Arbeit konnte sowohl in Form eines mathematischen Modells als auch in experimentellen Untersuchungen gezeigt werden, dass dabei ein Gleichgewicht zwischen der Stofftransportrate und der Umsatzrate der Mikroorganismen vorliegt, welches die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems definiert. Mit Hilfe des Modells konnte für eine definierte methanogene Kultur anhand der Parameter Wasserstoffpartialdruck, Stofftransportkoeffizient und Biomassekonzentration die Reaktionskinetik des Systems mit hoher Genauigkeit vorausgesagt werden. Es wurde gezeigt, dass aus dem Verhältnis von Umsatzrate und Stofftransportrate folgt, durch welchen dieser beiden Teilprozesse die Kinetik des Prozesses vorgegeben wird. Wie die experimentellen Untersuchungen ergaben, waren die methanogenen Organismen in einem breiten Anwendungsbereich in der Lage, in die Lösung transportierte Edukte unmittelbar umzusetzen. Die Kinetik des Prozesses wurde in diesem Fall durch die Kinetik des Stofftransports von Wasserstoff in die Lösung vorgegeben. Daraus resultierte eine lineare Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit vom Wasserstoffpartialdruck und vom Stofftransportkoeffizient. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Strahldüsenreaktor entwickelt und so optimiert, dass eine möglichst hohe Methanbildungsrate erzielt werden konnte. In diesem wurde zunächst mit Hilfe der Rezirkulation der Gasphase ein möglichst hoher Stofftransport und eine möglichst ideale Durchmischung des Reaktionssystems realisiert. Zur weiteren Steigerung der Methanbildungsrate wurde darüber hinaus das Durchmischungsverhalten des Reaktors untersucht und angepasst. Mit Hilfe einer Kaskadenschaltung mehrerer Reaktionskessel wurde so eine stärkere Rohrreaktorcharakteristik realisiert. Durch die Kaskadenschaltung von vier Reaktionskesseln wurde die Methanbildungsrate im Vergleich zum volldurchmischten System bei sonst gleichen Bedingungen um mehr als das Sechsfache gesteigert. In the process of biological methanisation, methanogenic microorganisms convert hydrogen and CO2 into synthetic methane. In contrast to known biological processes for methane synthesis, such as in biogas plants, only one reaction takes place here. Therefore, the reaction conditions can be aligned exclusively to this reaction. The goal of the process development is to achieve high methane concentrations in the product gas while maximizing the methane formation rate. As the educts of the reaction are present in gaseous form, they must be transported across the phase boundary gaseous/liquid before they can be converted to methane by the methanogenic microorganisms. Through their metabolism, the microorganisms maintain a constant concentration gradient for mass transport. The uptake rate of the microorganisms therefore influences the mass transfer rate and vice versa. The combination of a mathematical model and experimental investigations in this work have shown that there is a state of equilibrium between the mass transfer rate and the uptake rate of the microorganisms, which defines the reaction rate of the system. With the help of the model and for a defined methanogenic culture, the reaction kinetics could be predicted with high accuracy as a function of the parameters hydrogen partial pressure, mass transfer coefficient and biomass concentration. It could be shown that the reaction kinetics follow from the relation between mass transfer rate and the uptake rate of the microorganisms. The experimental investigations showed that the methanogenic organisms were able to instantaneously convert educts that had been transported into the solution in the laboratory process. In this case, the kinetic properties of the methanogenic organisms caused the reaction kinetics of the process to be limited by the mass transport. As a result, the reaction kinetics were linearly dependent on the hydrogen partial pressure and the mass transfer coefficient of hydrogen. For this purpose, a jet loop reactor was developed and optimized to achieve the highest possible methane formation rate. To further increase the methane formation rate, the mixing behavior was also investigated and adjusted. It was adapted to a stronger tubular reactor characteristic by cascading several reaction vessels. By implementing a cascade of four reaction vessels the methane formation rate was increased more than six times compared to the fully mixed system under otherwise identical conditions.

For an enhancement in the time-space-yield of one-stage agricultural biogas plants, experiments for developing early warning indicators (EWI) for process failures and countermeasures for process stabilization and for adapting the substrate composition were conducted. A new EWI was developed, the A/elCon, the proportion of the concentration of organic acids to the electrical conductivity, which warned most effectively in lab- and full-scale experiments. As a countermeasure against process failures, the addition of different additives was tested. In general, the addition of additives counteracted over-acidifications at high organic loading rates (OLR). In contrast to increased OLRs without countermeasures, the microbial communities adapted to high OLRs, if additives were added, by an increase in the relative abundance of hydrogenotrophic and acid tolerant mixotrophic methanogens. The combination of trace elements and NaOH was most beneficial for stabilizing agricultural biogas processes and was successfully used in combination with the A/elCon to maintain a long-term high-performance digestion (up to OLR = 7.5 kg VS m 3 d 1, t > 100 d). A further increase in the time-space-yield was achieved by co-digesting energy-rich lipid-containing substrates. As known from the digestion of biological waste, the high-performance co-digestions were stabilized by CaO additions leading to an aggregate formation. The stabilization was based on the precipitation of toxic long-chain fatty acids with calcium and thus the formation of surfaces for biofilms. Even a long-term high-performance co-digestion (up to OLR = 9 kg VS m 3 d 1, t > 100 d) was established by adding CaO. In this connection the formation of highly effective fatty acid degrading microbial consortia was detected consisting of syntrophic bacteria and hydrogenotrophic archaea that contributed to the process stability. Analyzing the microbial communities the results of the metagenome analysis and of the classical genetic fingerprinting via DGGE were compared. Both methods showed an increase in acidogenic bacteria and thereby especially in lactic acid producing bacteria with increasing loading rates. The results of the metagenome analysis were much more detailed. Zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute in einstufigen, landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden Versuche zur Entwicklung von Frühwarnindikatoren (FWI) für Prozessstörungen und von Maßnahmen zur Prozessstabilisierung, sowie zur Substratzusammensetzung durchgeführt. Ein neuer FWI wurde entwickelt, der A/elCon, das Verhältnis aus der Konzentration organischer Säuren (engl.: org. acids) zur elektrischen Leitfähigkeit (engl.: electr. conductivity), der im Labor und in der Großtechnik am effektivsten vor drohenden Prozessstörungen warnte. Als Maßnahme zur Prozessstabilisierung wurde die Zugabe von Additiven untersucht. Grundsätzlich wurde durch die Additivzugabe eine Übersäuerung bei hohen Raumbelastungen vermieden. Im Unterschied zur Leistungssteigerung ohne Additivzugabe, passte sich die mikrobielle Lebensgemeinschaft durch Zunahme der relativen Abundanz hydrogenotropher und säuretoleranter mixotropher Methanogener an hohe Raumbelastungen (BR) an. Eine Kombination aus Spurenelementen und NaOH eignete sich am besten zur Prozessstabilisierung und wurde zusammen mit dem A/elCon erfolgreich zur Etablierung einer Langzeit-Hochlast-Vergärung (bis BR = 7,5 kg oTS m 3 d 1, t > 100 d) von NawaRo eingesetzt. Eine weitere Leistungssteigerung wurde durch Co-Vergärung energiereicher lipidhaltiger Substrate erzielt. Wie aus Anlagen der Abfallwirtschaft bekannt, wurden die Hochlast-Co-Vergärungen bei CaO-Zugabe durch eine Aggregatbildung stabilisiert. Die Aggregate binden toxische, langkettige Fettsäuren und bilden Oberflächen für Biofilme. Es wurde auch eine Langzeit-Hochlast-Co-Vergärung (t > 100 d) durch Zugabe von CaO etabliert. Dabei wurde die Ausbildung einer hocheffektiven fettsäureabbauenden mikrobiellen Lebensgemeinschaft, bestehend aus syntrophen Bacteria und hydrogenotrophen Archaea detektiert, die entscheidend zur Prozessstabilität beitrug. Bei der Charakterisierung der mikrobiellen Biozönosen wurden die Ergebnisse der Metagenomanalyse und des klassischen genetischen Fingerprintings mittels DGGE verglichen. Beide Methoden zeigten eine Zunahme acidogener Bacteria und dabei speziell von Milchsäurebakterien mit zunehmender Raumbelastung. Die Ergebnisse der Metagenomanalyse waren deutlich detaillierter.