Die Verleihung des Sparkassenpreises belegt: am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird an einem breiten Spektrum von Umweltthemen geforscht – auch von Nachwuchswissenschaftlern. Mit insgesamt 10.000 Euro zeichnete die Sparkassenstiftung sechs Arbeiten aus Bauingenieur- und Geowissenschaften, Maschinenbau, Wirtschaftswissenschaften, Physik und Elektrotechnik aus. Der Vorstand der Sparkasse Karlsruhe und der Präsident des KIT verliehen in Anwesenheit des Karlsruher Bürgermeisters Klaus Stapf die Preise am Donnerstag, den 29. April 2010 um 17 Uhr im Allgemeinen Verfügungsgebäude (Geb. 50.41, Adenauerring 20).

Dipl.-Met. Max Bangert 

Fakultät für Physik
Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Berücksichtigung des Einflusses von anthropogenem Aerosol auf warme Wolken in COSMO-ART

Die Atmosphäre der Erde ist ein komplexes System aus einer Vielzahl von Gasen und darin suspendierten festen und flüssigen Partikeln. Mit der fortschreitenden Industrialisierung hat der Mensch zunehmend durch Emissionen in dieses sensitive System eingegriffen und greift heute noch ein. Die suspendierten flüssigen und festen Partikel in der Atmosphäre werden als Aerosol bezeichnet. Durch anthropogene Emissionen werden die chemische Zusammensetzung und die räumliche Verteilung des Aerosols massiv beeinflusst. Die Quantifizierung der Auswirkungen des anthropogenen Aerosols auf Klima und Wettergeschehen von der globalen bis zur lokalen Skala sind Gegenstand der aktuellen Forschung.
Die Wechselwirkung zwischen Aerosolpartikeln und Wolken ist eine der größten Unsicherheiten in der modernen Klima- und Wettervorhersage. Aerosolpartikel dienen, in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung und Größe, als Kondensationskerne bei der Bildung von Wolken und bestimmen dadurch die Größenverteilung der Wolkentropfen.
Als Folge dessen ergeben sich Wechselwirkungen zwischen den Aerosolpartikeln, den Wolken, der Niederschlagsbildung und dem Strahlungshaushalt in der Atmosphäre. Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge sind numerische Modelle ein wichtiges Werkzeug zur Quantifizierung der beteiligten Prozesse.
In der vorgestellten Diplomarbeit wurde das regionale Atmosphären- und Chemie-Transport-Modell COSMO-ART des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung weiterentwickelt und um die Berechnung der Anzahl von Wolkenkondensations-kernen und deren Einfluss auf die Niederschlagsbildung erweitert.
In der Arbeit wurden Simulationen für Süd-West-Deutschland durchgeführt und erstmals der Einfluss der Aerosolpartikel auf den regionalen Niederschlag auf Basis der anthropogenen Emissionen in einer Fallstudie untersucht. Durch eine erhöhte Anzahl von Aerosolpartikeln kommt es zu einer Abschwächung bis hin zur Unterdrückung der leichten Niederschlagsereignisse und zu einer räumlichen wie zeitlichen Verschiebung der Niederschlagsmaxima. Als Folge dessen ergeben sich Auswirkungen auf den Wassergehalt der Wolken, welche die Lebensdauer der Wolken und den Strahlungshaushalt der Atmosphäre beeinflussen. Zudem wurde gezeigt, dass die Anzahl der verfügbaren Wolkenkondensationskerne sehr variabel ist und stark von den Eigenschaften der Aerosolpartikel abhängt.
Die vorgestellte Arbeit liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Auswirkungen von anthropogenen Emissionen auf das tägliche Wettergeschehen und bei der Abschätzung des Aerosolbeitrages zum Klimawandel.

Preisgeld: 1500 EUR

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Dipl. Geoökol. Ekkehart Bethge

Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften
Institut für Hydromechanik

Risikoberechnung zum Schadstoffeintrag aus Hochwasserretentionsräumen in einen Grundwasserleiter.

An den meisten Flussläufen in Mitteleuropa werden zur Verbesserung des Hochwasserschutzes Hochwasserrückhalteräume (Hochwasserretentionsräume) geschaffen. Gleichzeitig wird das Grundwasser vieler Flussauen zur Trinkwassergewinnung genutzt. Die Lage der Hochwasserrückhalteräume in den Einzugsgebieten von Grundwasserentnahmebrunnen kann zu einer Gefährdung der Trinkwasserressource durch Verlagerung von Schadstoffen aus der Hochwasserwelle in das Grundwasser führen. Die Prognose der während eines Überflutungsereignis auftretenden Schadstoffflüsse in das Grundwasser stellt somit eine wichtige Entscheidungsgrundlagen für die wasserwirtschaftliche Planung dar. Die hierfür erforderliche Berechnung der Schadstoffflüsse über die Bodenzone in das Grundwaser wird insbesondere durch die hohe räumliche Variabilität der Bodeneigenschaften in den Flussauen vor eine große Herausforderung gestellt. Zur Beschreibung der flächenhaften Verteilung der Bodeneigenschaften liegen zudem in der Praxis meist nur ungenügend Informationen vor, so dass die erforderlichen Berechnungsgrundlagen mit großen Unsicherheiten behaftet sind.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation erfolgten erstmals die Darstellung der Strömungs- und Transportprozesse in der Bodenzone eines Hochwasserrückhalteraums sowie die Beschreibung einer Methodik zur Risikoberechnung für den Schadstoffeintrag über die Bodenzone in den Grundwasserleiter. Die Grundlage hierfür bildet das entwickelte analytische Transportmodell FWInf, mit dessen Hilfe die Schadstoffmassenflüsse und Schadstoffkonzentrationen in der Deckschicht während eines Flutungsereignisses ermittelt werden können. Bei der Berechnung der Schadstoffverlagerung werden die räumlichen Unterschiede im Bodenaufbau (z.B. Bodensubstrat oder Mächtigkeit der Bodenzone) und der hydraulischen Bedingungen (z.B. Überstauhöhe) innerhalb des Hochwasserrückhalteraums berücksichtigt. Durch Verwendung von statistischen Methoden wird die Unsicherheit der Bodeneigenschaften beschrieben und zur Quantifizierung des Risikos einer Grundwasserverunreinigung herangezogen.
Im Zuge der Risikoanalyse der Strömungs- und Transportprozesse in der Bodenzone konnten die wesentlichen Bodeneigenschaften identifiziert werden, die die Schadstoffverlagerung über die Bodenzone kontrollieren. Zudem wurden die Standorte beschrieben für die eine besondere Gefährdung durch Schadstoffinfiltration zu erwarten ist. Im Rahmen der Dissertation erfolgte eine Anwendung des Verfahrens zur Risikoberechnung auf dem Gebiet eines geplanten Hochwasserrückhalteraums am Rhein südwestlich von Karlsruhe. Durch Verwendung der verfügbaren Informationen über den Bodenaufbau sowie eigener Feld- und Laboruntersuchungen wurde die räumliche Verteilung und die Unsicherheit der Bodeneigenschaften für dieses Gebiet bestimmt Für ein theoretischen Flutungsszenario konnte mit Hilfe der entwickelten Methodik das Risiko eines Schadstoffeintrags in den Grundwasserleiter in räumlicher Auflösung berechnet werden.

1. Preis, Preisgeld: 2000 EUR

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Patrick Jochem

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften
Institut für Wirtschaftspolitik und Wirtschaftsforschung

A CO2 Emissions Trading Scheme for German Road Transport. Assessing the impacts using a meso economic model with multi-agent attributes

Nach dem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) sind die Kohlendioxyd(CO2)-Emissionen ein Haupttreiber des globalen Klimawandels. Der Deutsche Verkehrssektor emittiert mit knapp 160 Mio. t CO2 pro Jahr 18 % der gesamtwirtschaftlichen Emissionen und trägt bisher am geringsten zum Erreichen der Emissionsminderungsziele bei. Um die Anreize zur Emissionsminderung beim Hauptverursacher im Verkehrssektor, dem Straßenverkehr, zu erhöhen, diskutiert die Europäische Kommission schon länger eine mögliche Einführung eines Zertifikatehandels.
Der Autor zeigt, dass ein Up-Stream-Zertifikatehandel, der wie die Energiesteuer die Mineralölhändler in die Verantwortung nimmt, eine effiziente und wirksame Lösung dieser Problematik ist. Um dessen Auswirkungen im Deutschen Straßenverkehr auf Haushalte und Speditionen abzuschätzen, entwickelte der Autor ein empirisch kalibriertes agentenbasiertes meso-ökonomisches Simulationsmodell und setzte es in einer geeigneten JAVA-Umgebung um. Alle berücksichtigten Agenten im Modell sind möglichst realitätsnah abgebildet. Die benötigten Daten kommen aus umfangreichen Datenbanken des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie vom Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung im Mannheim und die meisten Reaktionsmechanismen sind statistisch hergeleitet.
Das entwickelte Modell ermöglicht die Zusammenhänge des Emissionsziels, Kraftstoffnachfrage, Zertifikatepreise in intra- oder intersektoralen Zertifikatehandelssystemen zu simulieren. Der Autor empfiehlt ein intersektorales (sektorübergreifendes) Handelssystem, da die Zahlungsbereitschaft für individuelle Mobilität größer ist, als Vermeidungskosten in andere Sektoren. Passt der Verkehrsteilnehmer sein Verkehrsverhalten nicht an, würde er CO2-Minderung in anderen Sektoren durch einen erhöhten Kraftstoffpreis bezahlen. Der daraus resultierende Aufpreis auf den Liter Kraftstoff beliefe sich auf 0,04 bis 0,06 Euro pro Liter. Dies bedeutet eine monatliche Mehrbelastung der Haushalte von ca. 20 Euro pro Haushalt – der Straßengüterverkehr wäre jedoch mit knapp 2 % Mehrkosten pro Kilometer stärker betroffen.
Um auch makroökonomische Auswirkungen mit in die Bewertung aufzunehmen wendet der Autor ein am Institut für Wirtschaftspolitik und Wirtschaftsforschung (IWW) des KIT entwickeltes systemdynamisches Modell ASTRA an. Die Modellergebnisse bestätigen die Effizienz des gewählten Instruments zur Reduzierung der CO2-Emisisonen im Straßenverkehr.

1. Preis, Preisgeld: 2000 EUR

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Michael Allgeier, Hatem Bouferguine, Philip Schumann

Low Power Wind Turbine Energy Maximiser

Angeregt durch die Ausschreibung des internationalen Wettbewerbs „2009 International Future Energy Challenge“ wurde die Idee einer gemeinsamen Arbeit für die Themenstellung „Low Power Wind Turbine Energy Maximiser“ geboren. Die drei Studenten Philip Schumann, Michael Allgeier und Hatem Bouferguine schlossen sich im Rahmen ihrer Studienarbeiten zu einer Gruppe zusammen, um gemeinsam dieses Gerät gemäß den Anforderungen zu entwickeln. Der „Low Power Wind Turbine Energy Maximiser“ soll in der Lage sein, die elektrische Energie aus dem Generator einer kleinen Windturbine möglichst effizient für das Laden einer 12V-Batterie zu nutzen. Neben dieser Aufgabe stehen ein kleiner Bauraum, niedriges Gewicht und geringe Kosten bei der Realisierung des Geräts im Vordergrund. Mögliche Anwendungen sind die unabhängige Stromversorgung von Wohnmobilen, Booten, kleinen Häusern oder Anlagen ohne Stromanschluss wie Anzeigetafeln, Funkstationen etc.
Für die Umsetzung des Projekts wurde die Aufgabe in drei Teilbereiche untergliedert. Philip Schumann entwickelte die Leistungselektronik und die mechanischen Komponenten des Geräts. Mit einer innovativen elektrischen Schaltung erreicht das sehr kompakte Gerät einen hohen Wirkungsgrad und kommt ohne Lüfter aus. Gesteuert wird das System von einem Microcontroller, dessen Software die Regelung der elektrischen Wandler, das Maximum-Power-Point-Tracking und die Betriebssteuerung inklusive der Überwachung übernimmt. Hatem Bouferguine war für diese Steuerelektronik und deren Programmierung verantwortlich. Mit Hilfe eines Prüfstands, welcher von Michael Allgeier realisiert worden ist, konnte das Gerät auf seine optimale Funktion getestet und optimiert werden. Diese Einrichtung wurde durch die Ankopplung eines Generators an einen elektrischen Motor mit zugehöriger Elektronik verwirklicht.
Nach der Fertigstellung des Geräts bestätigten Messungen, dass alle Anforderungen der Aufgabe erfüllt wurden. Der „Low Power Wind Turbine Energy Maximiser“ erwies sich als sehr robust und alltagstauglich und kann somit durch die Reduzierung von Treibhausgasen oder durch Vermeidung von Schwermetallen in Batterien effektiv zum Umweltschutz beitragen.

Preisgeld (insgesamt): 1000 EUR

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Fatih Sarikoc

Fakultät für Maschinenbau
Institut für Kolbenmaschinen

Untersuchungen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen bei modernen Brennverfahren für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung.

Ein hoher Prozesswirkungsgrad wird aus thermodynamischer Sicht primär durch hohe Verbrennungstemperaturen und einem hohen Luft-Kraftstoffverhältnis erreicht. Beide Faktoren begünstigen allerdings die Stickoxidbildung. Daraus ergibt sich ein Zielkonflikt, mit dem in Zukunft die Motorenentwickler verstärkt konfrontiert werden. Neben der angedachten Reglementierung der CO2-Emissionen wird der Rechtsrahmen zur Reduzierung der zur Zeit als schädlich eingestuften Abgaskomponenten durch strengere Abgasgrenzwerte weiter verschärft.
Die externe Abgasrückführung ist eine wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung der Stickoxidemissionen aufgrund der Inertgaseigenschaft des Abgases und den damit sinkenden Verbrennungsspitzentemperaturen. Mit zunehmender AGR-Rate verschlechtern sich allerdings die Entflammungs¬bedingungen und die Brenndauer steigt an. Dementsprechend ist die maximale AGR-Verträglichkeit bei der geschichteten Benzin-Direkteinspritzung durch abnehmende Laufruhe und erhöhten Kraftstoffverbrauch begrenzt. Die externe Abgasrückführung hilft ebenso bei der kontrollierten Selbstzündung, die Stickoxidemissionen bei höheren Lasten zu senken, wobei die kontrollierte Selbstzündung äußerst sensibel auf die Zugabe von externer AGR reagiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen sowohl mit geschichteter Benzin-Direkteinspritzung und strahlgeführtem Brennverfahren als auch mit kontrollierter Selbstzündung untersucht. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Untersuchung der Abgasrückführung. Neben der konventionellen Abgasrückführung, bei der das rückgeführte Abgas homogen im Brennraum verteilt ist, galt es, das Potenzial einer geschichteten externen Abgasrückführung zur Erhöhung der AGR-Verträglichkeit sowohl bei geschichteter Benzin-Direkteinspritzung als auch bei kontrollierter Selbstzündung zu analysieren. Die Abgasschichtung stellt eine gezielte Inhomogenisierung des extern rückgeführten Abgases mit hohen Abgaskon¬zentrationen in den äußeren Bereichen des Brennraums und geringen Abgaskonzentrationen im zentralen Brennraumbereich dar. Aufgrund der Tatsache, dass der Einfluss des Zündfunkens bei kontrollierter Selbstzündung mit zunehmender Last und geringer werdender Verdünnung mit Restgas zunimmt, zeigt diese Art der Abgasschichtung bei hohen Lasten großes Potenzial hinsichtlich der externen AGR-Verträglichkeit. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung der Stickoxidemissionen. Bemerkenswert ist dabei, dass der Kraftstoffverbrauch nahezu konstant auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten wird. Mit der herkömmlichen Abgasrückführung muss stets ein Kompromiss aus sinkenden Stickoxidemissionen und  ansteigendem Kraftstoffverbrauch eingegangen werden, da durch die homogene Abgasverteilung insbesondere die Entflammungsphase sehr negativ beeinflusst wird. Es konnte mit dieser Strategie gezeigt werden, dass bei der strahlgeführten Benzin-Direkteinspritzung in Abhängigkeit der jeweiligen Last die Stickoxidemissionen um 60 - 65% reduziert werden bei nahezu konstantem Kraftstoffverbrauch. Mit kontrollierter Selbstzündung werden die Stickoxidemissionen im Vergleich zum Betrieb ohne Abgasrückführung um 50% gesenkt, im Vergleich zur konventionellen Flammenfrontverbrennung sinken die Stickoxidemissionen um 80% bei einem um 5% niedrigeren Kraftstoffverbrauch.
Umfangreiche Voruntersuchungen ohne externe Abgasrückführung wurden zum allgemeinen Verständnis beider Brennverfahren durchgeführt. Als Analysemethoden kamen neben den thermodynamischen Untersuchungen optische Messtechniken wie die Hochgeschwindigkeitsvisualisierung des Kraftstoffstrahls und der Verbrennung sowie die Vielfach-Lichtleitermesstechnik zur Erfassung der Flammenausbreitung an einem Einzylinder-Forschungsaggregat zum Einsatz. Mit der dreidimensionalen Simulation der Strömung und Gemischbildung wurde die erzielte Abgasschichtung im Brennraum beurteilt. Um den Einfluss der inhomogenen Verteilung des extern rückgeführten Abgases auf die Verbrennung zu analysieren, wurde der Reaktionsfortschritt der kontrollierten Selbstzündung mit einem Fortschrittsvariablenmodell, basierend auf detaillierter Reaktionskinetik, das mit einem Modell zur Beschreibung der turbulenten Flammenausbreitung gekoppelt wurde, berechnet.

1. Preis, Preisgeld: 2000 EUR

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Dipl.-Ing. Michael Schlick

Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften
Institut für Technologie und Management im Baubetrieb

Wirtschaftlichkeitsanalyse zu Auslegung und Betrieb von Biogasanlagen mit Nassvergärung.

In der Diplomarbeit werden zunächst die Grundlagen für eine wirtschaftliche Auslegung von Biogasanlagen geschaffen. Dazu werden, neben vorhandenen Literaturangaben, umfassende Betriebskennwerte existierender Biogasanlagen ausgewertet und mit Hilfe von Regressionsanalysen mathematisch erfasst. Weiterhin werden auf Biogasanlagen zugeschnittene Gleichungen entwickelt, mit denen wichtige wirtschaftliche Kennwerte wie Investitionskosten, laufende Kosten, Erlöse, Rendite und Amortisationsdauer unter verschiedenen Rand¬bedingungen berechnet werden können. Anhand eines ausführlichen Beispiels wird die Durchführung einer Wirtschaftlichkeitsanalyse mittels der erarbeiteten Grundlagen und Gleichungen erläutert. Ebenso werden Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Optimierung aufgezeigt.
Auf Basis der in der Diplomarbeit erarbeiteten Grundlagen bzw. der erläuterten Vorgehensweise können seitens des Planers/Investors detaillierte Wirtschaftlichkeits-analysen über zu erstellende Biogasanlagen durchgeführt werden. Damit können gegenüber Anlagenherstellern genauere Vorgaben bzgl. einer zu erstellenden Biogasanlage gemacht werden, was unter anderem eine bessere Vergleichbarkeit verschiedener Angebote bzw. eine bessere Adaptierung der Anlage an die technisch/wirtschaftlichen Rahmenbedingungen des Investors ermöglicht. Sämtliche Erkenntnisse und Formeln der Diplomarbeit sind so dargestellt bzw. konzipiert, dass sie in der Regel problemlos an neue technisch-wirtschaftliche Entwicklungen oder individuelle Gegebenheiten angepasst werden können.

Preisgeld: 1500 EUR

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