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Leiterin der Geschäftsstelle

Dr. Kirsten Hennrich

KIT Zentrum Klima und Umwelt
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Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

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Sparkassenpreis

Preisträger der 28. Ausschreibung des Sparkassenpreises

Die Preisträger  


Name Fakultät ausgezeichnete Arbeit
Dr.-Ing. Thomas Glauner Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik Aufbereitung von Schwimmbeckenwasser – Bildung und Nachweis von Desinfektionsnebenprodukten und ihre Minimierung mit Membran- und Oxidationsverfahren
Dr. Uwe Wagner Maschinenbau Experimentelle Untersuchungen außer- und innermotorischer Maßnahmen zur Rußminimierung von Dieselmotoren
Dipl.-Ing. Denis Kunz Elektro- und Informationstechnik Charakterisierung von gassensitiven Hochtemperatur-Feldeffekttransistoren
Dipl. Geoökol. Susanne Miethaner Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften Bewertung urbaner Fließgewässer - Methodenvergleich und Entwicklung eines neuen Bewertungsansatzes



Dr.-Ing. Thomas Glauner

Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik, Engler-Bunte-Institut

Aufbereitung von Schwimmbeckenwasser – Bildung und Nachweis von Desinfektionsnebenprodukten und ihre Minimierung mit Membran- und Oxidationsverfahren

Das Beckenwasser in öffentlichen Schwimmbädern muss technisch aufbereitet werden, um die Badegäste vor wassergebundenen Infektionskrankheiten zu schützen. Die gängige Aufbereitungspraxis beinhaltet eine Desinfektion des im Kreislauf geführten Beckenwassers mit Chlor sowie die Flockungsfiltration zur Entfernung partikulärer und kolloidaler Wasserinhaltsstoffe. Gelöste Belastungsstoffe, die von den Badegästen mit Schweiß, Urin und Kosmetika in das Beckenwasser eingetragen werden, werden jedoch nicht vollständig eliminiert und können sich im Wasser anreichern. Die Reaktion dieser Stoffe mit dem im Wasser gelösten Chlor führt zur Entstehung von toxischen und die Schleimhaut reizenden Desinfektionsnebenprodukten.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für eine Minimierung der Desinfektionsnebenprodukte im Schwimmbeckenwasser erarbeitet. Die Identifizierung der wichtigsten Vorläuferverbindungen und ihrer Reaktionsprodukte erfolgte im Rahmen umfangreicher Untersuchungen im Labor und in mehreren öffentlichen Bädern. Es konnte eine Anreicherung von Belastungsstoffen im Schwimmbeckenwasser nachgewiesen werden, die zu einer zeitlich verzögerten Zunahme der Desinfektionsnebenprodukte führte. Im Rahmen einer Modellrechnung konnte der Eintrag von Belastungsstoffen durch die Badegäste und die Elimination der Substanzen durch die Beckenwasseraufbereitung hinreichend genau beschrieben werden. Neben physikalisch-chemischen Analysenverfahren kamen auch biologische Testverfahren zum Einsatz. Auf diese Weise konnten erstmals gentoxische Wirkungen mit der Molmasse der Belastungsstoffe im Schwimmbeckenwasser in Beziehung gesetzt werden.
Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde ein Aufbereitungskonzept für Schwimmbeckenwasser erarbeitet und im Pilotversuch auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Die Aufbereitungskombination beinhaltete eine Ultrafiltration als mechanische Barriere für Mikroorganismen. Da über 80% der Belastungsstoffe im Schwimmbeckenwasser Molekülgrößen unter 1 kDa aufweisen erforderte die Elimination gelöster Stoffe eine Nanofiltration. Das Permeat der Nanofiltration wurde zusätzlich durch weitergehende Oxidationsverfahren aufbereitet. Die vorgestellte Aufbereitungskombination erreichte eine Elimination der Desinfektionsnebenprodukte von über 80% bei einem Durchlauf durch die Aufbereitung. Nanofiltration und Oxidation wurden daher im belastungs¬abhängigen Teilstrom durchgeführt, dessen Regelung durch die Anwendung des vorgestellten Modells erfolgte. Das Ergebnis war eine deutliche Verbesserung der Wasserqualität bei vertretbaren Betriebskosten.
Die Umsetzung des Aufbereitungskonzepts in den öffentlichen Bädern erfordert erhebliche Investitionen. Die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen darüber hinaus jedoch auch Wege auf, wie z.B. durch den optimierten Betrieb der vorhandenen Filteranlage eine Verbesserung der Wasserqualität ohne zusätzliche Investitionen erreicht werden kann.

Preisgeld: 4000 Euro für Dr.-Ing. Thomas Glauner - Dissertation

Dr. Uwe Wagner

Fakultät für Maschinenbau, Institut für Kolbenmaschinen

Experimentelle Untersuchungen außer- und innermotorischer Maßnahmen zur Rußminimierung von Dieselmotoren

Ein Hauptziel der Arbeit war die Entwicklung und Bewertung eines elektrischen Regenerationssystems für Dieselpartikelfilter, welches eine Regeneration des Partikelfilters unabhängig vom Motorbetriebspunkt und ohne zusätzliche Eingriffe in die Motorsteuerung ermöglicht. Ein besonders kritischer Punkt ist hierbei der Kaltstart des Motors bzw. Motorbetriebspunkte mit sehr niedriger Last, wie z. B. im Kurzstrecken- und Stadtbetrieb eines Fahrzeuges. Gerade unter diesen Umständen haben konventionelle Regenerationssysteme und -strategien erhebliche Schwierigkeiten, eine zuverlässige Filterregeneration zu gewährleisten.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene elektrisch beheizte Partikelfiltersysteme zur Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren mit dem Ziel entwickelt und untersucht, eine Partikelfilterregeneration mit möglichst niedrigem Energiebedarf ohne zusätzliche motorische Maßnahmen im unteren Last- und Drehzahlbereich zu erreichen. Ausgehend von ersten Untersuchungen mit einer Heizung am Filterende, mit der jedoch nahezu keine Regeneration möglich ist, wurden verschiedene Heizungsanordnungen mit einer an der Filtereinlassseite integrierten Heizung durchgeführt. Die aus diesen Versuchen gewonnenen Erfahrungen führten zu einem dreiteiligen Filtersystem, bestehend aus einem Heizmodul, einer Keramikschaumscheibe und einem unveränderten Partikelfilter. Diese Aufteilung erlaubt eine klare Trennung der Funktionen Abgasfiltration und elektrischer Regenerationseinleitung.

Zusätzlich zur Realisierung eines funktionsfähigen, elektrisch regenerierbaren Partikel-filtersystems wurde dessen Rußminderungspotenzial und Wirkungsgradgüte mit fortschrittlichen dieselmotorischen Brennverfahren verglichen, die ebenfalls eine deutliche Reduzierung der Partikelemissionen versprechen. Hierbei wurde zum einen ein optimiertes konventionelles Brennverfahren herangezogen, welches zwar keine vollständige, aber dennoch sehr deutliche Reduzierung der Partikelemissionen ermöglicht, dafür aber sowohl teil- und volllastfähig ist als auch eine gute Kontrolle über den Verbrennungszeitpunkt und -ablauf bietet. Dabei wurde die Idee einer räumlichen Trennung der heute in modernen Common-Rail Dieselmotoren üblichen Voreinspritzung von der Haupteinspritzung an einem Nutzfahrzeug-Einzylinder Forschungsmotor umgesetzt und untersucht. Zum anderen wurde ein so genanntes HCCI-Brennverfahren untersucht, welches zumindest im Teillastbereich eine vollständige Vermeidung der Ruß- und Stickoxidemissionen ermöglicht, jedoch nicht im gesamten Kennfeld des Motors angewendet werden kann und als weiteren Nachteil eine nur begrenzte Kontrolle über den Verbrennungsablauf bietet. Hierbei wurde besonders auf die Möglichkeiten der Verbrennungsbeeinflussung durch unterschiedliche Kraftstoffeigenschaften und auf die Anwendung einer Einspritzdüse mit konventioneller Düsenlochanordnung geachtet, um weiterhin auch ein heterogenes Brennverfahren für Hoch und Volllastbereiche im Kennfeld darstellen zu können.

Vergleicht man den kraftstoffseitigen Mehraufwandes, der für eine vollständige Reduzierung der Partikelemissionen mit Hilfe eines Partikelfilters notwendig ist, müssen die für die Partikelfilterregeneration notwendigen Energiemengen bzw. daraus resultierenden Mehrverbräuche verglichen werden. Ausgangsbasis dafür ist ein konventioneller Dieselmotor ohne Abgasnachbehandlung durch einen Partikelfilter. Bei einer konventionellen Partikelfilterregeneration mit einer Nacheinspritzstrategie tritt heute ein erheblicher Kraftstoffmehrverbrauch auf. Dem gegenüber ergibt sich für die Minimierung der Rußemissionen durch innermotorische Prozesse und der damit verbundenen verringerten Häufigkeit der Regenerationsereignisse ein wesentlich geringerer Anstieg des Kraftstoffverbrauchs, da die Filterregeneration wesentlich seltener ist. Bei Verwendung des elektrisch regenerierbaren Partikelfiltersystems, welches im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, liegt bei sonst unverändertem Brennverfahren des Basismotors der Kraftstoffmehrverbrauch durch die Partikelfilterregeneration bei weniger als 0,1 %.

Aus diesem Vergleich lässt sich das Fazit ziehen, dass zwar einerseits eine innermotorische Verringerung der Rußemission sehr hilfreich ist, da jeder Ruß, der nicht entsteht, auch nicht „wegregeneriert“ werden muss. Andererseits darf aber auch die Regenerationsstrategie nicht vernachlässigt werden, da diese in ungünstigen Fällen einen erheblichen Kraftstoffverbrauch nach sich ziehen kann. Wird dagegen ein gezielt entwickeltes System verwendet, tritt nahezu kein Mehrverbrauch auf, der sich durch eine Kombination mit einem rußminimierten Brennverfahren praktisch vollständig vermeiden ließe.

Preisgeld: 4000 Euro für Dr. Uwe Wagner - Dissertation

Dipl.-Ing. Denis Kunz

Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik

Charakterisierung von gassensitiven Hochtemperatur-Feldeffekttransistoren

Um dem globalen Klimawandel zu begegnen sind sparsame und CO2-arme Antriebe für Personen- und Nutzkraftfahrzeuge zwingende Voraussetzung. Zwar können moderne Verbrennungsmotoren mit geringem Kraftstoffverbrauch und niedriger CO2-Emission betrieben werden, doch entstehen im sog. Magerbetrieb giftige Schadgase, die mit Hilfe aufwändiger Abgasnachbehandlungssysteme reduziert werden müssen. Zur Regelung und Diagnose solcher Systeme werden neuartige Abgassensoren benötigt, die mit hoher Auflösung und schnellen Ansprechzeiten emissionsrelevante Gaskomponenten wie CO, NH3, NOx und Kohlenwasserstoffe selektiv detektieren. Der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlungssysteme und somit die Effizienz der Schadstoffreduzierung hängen dabei wesentlich von den Leistungsdaten des Abgassensors ab. Ein vielversprechendes Sensorkonzept basiert auf einem hochtemperaturfähigen Halbleiterchip, ein sog. chemosensitiver Feldeffekttransistor (ChemFET), dessen Gateelektrode mit katalytischen Metallisierungen funktionalisiert wird. Abhängig von der umgebenden Gasatmosphäre werden Gasspezies an der Gateelektrode ad- bzw. desorbiert, das Halbleiterbauelement somit polarisiert, sodass schließlich eine elektrische Signaländerung gemessen werden kann. Die große Herausforderung in der Entwicklung eines solchen Sensors liegt darin, seine Funktionalität gezielt auszuprägen und unter den rauen Bedingungen des Abgasstrangs eines Kraftfahrzeugs (Temperatur, Ruß, korrosive Gase) über lange Zeit sicher zu stellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ChemFETs unterschiedlicher Bauarten unter Hochtemperaturbelastung und bei verschiedenen Gasumgebungen gealtert und elektrisch charakterisiert. Hierbei wurden mehrere Degradationssmechanismen identifiziert, die die Langzeitstabilität der Sensoren beeinträchtigen. Anhand von Oberflächenuntersuchungen (REM, Auger-Elektronen-Spektroskopie) an ausgewählten Proben konnten die experimentell ermittelten Ergebnisse bestätigt werden. Mit den in dieser Arbeit erstmals durchgeführten Messungen an einem LKW-Motorprüfstand konnte außerdem die prinzipielle Funktionalität der Sensoren unter realen Abgasbedingungen erfolgreich demonstriert werden: Im komplexen Gemisch des Dieselabgases ließen sich NH3-Konzentrationen im unteren ppm-Bereich bei sehr gutem Signal-/Rauschverhältnis nachweisen. Der Vorteil mit Hilfe der Halbleitertechnologie kostengünstig mehrere Messfunktionen in einem einzigen Sensorchip zu integrieren, gepaart mit der hier gezeigten hochauflösenden Empfindlichkeit der ChemFETs, ermöglicht den Einsatz zukünftiger Abgasnachbehandlungssysteme im Automobil und trägt somit aktiv zur nachhaltigen Reduktion der CO2-Emissionen und zum sparsamen Verbrauch moderner Kraftfahrzeuge bei.

Preisgeld: 1000 Euro für Dipl.-Ing. Denis Kunz - Diplomarbeit

Dipl. Geoökol. Susanne Miethaner

Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften, Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik

Bewertung urbaner Fließgewässer - Methodenvergleich und Entwicklung eines neuen Bewertungsansatzes

Während man sich in der freien Landschaft schon seit längerer Zeit bemüht, Fließgewässer naturnäher zu gestalten, wurden die ökologische Funktion und das Entwicklungspotential städtischer Gewässer lange Zeit kaum beachtet, obwohl es sich gerade hier um besonders stark vom Menschen beeinflusste Ökosysteme handelt und eine nachhaltige Bewirtschaftung notwendig ist. Erst in den letzten Jahren haben sich viele Projekte mit der Umgestaltung urbaner Fließgewässer befasst. Im Zentrum der Maßnahmen stehen ökologische (aquatische Durchgängigkeit, strukturreiches Gewässerbett) ebenso wie sozio-kulturelle Aspekte (Zugänglichkeit, ästhetische Gestaltung). Trotz enger Restriktionen (z.B. Hochwasserschutz, geringes Flächenpotential) und unterschiedlicher Entwicklungsziele werden in der bisherigen Bewertungspraxis im urbanen Raum die gleichen Methoden wie in der freien Landschaft angewandt. Die Entwicklung speziell für den städtischen Bereich geeigneter Bewertungsverfahren befindet sich noch in den Anfängen. In einem ersten Schritt wurde deshalb im Rahmen der Diplomarbeit mit Hilfe eines Methodenvergleichs untersucht, ob existierende Bewertungsverfahren für die Anwendung an urbanen Fließgewässern geeignet sind. Dafür wurden vier Bewertungsmethoden an repräsentativen Fallbeispielen urbaner Fließgewässer angewendet. Ausgewählt wurden die „Strukturkartierung“ nach LAWA (2000) und LUA NRW (2001), die österreichische „Methode zur Beurteilung des hydromorphologischen Ist- Bestandes“ (MÜHLMANN 2005), der englische „Urban River Survey“ (BOITSIDIS ET AL. 2006), sowie einzelne Bewertungsmodule nach KAISER (2005). Dabei wurde deutlich, dass die untersuchten Verfahren zur ökomorphologischen Bewertung zu wenig an die spezielle Situation städtischer Fließgewässer angepasst sind, um eine differenzierte Defizitund Potenzialanalyse zu erlauben. Dies gilt z.B. im Hinblick auf ihre zu strengen Leitbilder, die zu geringe räumliche Auflösung und die unzureichende Erfassung der aquatischen Durchgängigkeit. Die erprobten sozio-kulturellen Bewertungsmodule nach KAISER (2005) stellen dagegen eine wichtige Ergänzung der bisher nur naturschutzfachlich orientierten Bewertungspraxis dar. In einem zweiten Schritt wurde aus den Ergebnissen des Methodenvergleichs und Anregungen aus der Literatur ein neuer Ansatz für die ökomorphologische und sozio-kulturelle Bewertung urbaner Fließgewässer entwickelt. In Anlehnung an BAUMGART (2003) und das Konzept des Biotopverbundes (u.a. JEDICKE 1994) wurde ein neues Leitbild „urbane Fließgewässer als Korridorbiotop“ entworfen. Zentrale Inhalte sind die Gewährleistung bzw. Herstellung der aquatischen Durchgängigkeit und die von verschiedenen Autoren formulierten Mindestanforderungen für urbane Fließgewässer. Es wurden 18 Indikatoren zusammengestellt, um die zwei Bereiche „Strukturvielfalt“ und „Aquatische Durchgängigkeit“ zu bewerten. Für jeden Indikator wird eine Bewertungsmatrix vorgestellt. Neu ist dabei insbesondere die Bewertung der aquatischen Durchgängigkeit, die an jedem Wanderungshindernis eine nach Tiergruppen getrennte Beurteilung ermöglicht. Für die sozio-kulturelle Bewertung werden auf Grundlage der von KAISER (2005) formulierten Bewertungsmodule acht Indikatoren für die Bereiche „räumliche Integration des Gewässers“, „Attraktivität des Gewässerraumes“ und „Zusatzinformationen“ zusammengestellt. Der dreigliedrige Aufbau des entwickelten Verfahrens (Strukturvielfalt, aquatische Durchgängigkeit, sozio-kulturelle Bewertung) erlaubt nicht nur eine gezielte Defizitanalyse, sondern ermöglicht auch die Ableitung konkreter Maßnahmen. Nach einer Umgestaltung können die erzielten Erfolge durch eine erneute Bewertung unterstrichen werden. Dies ist nicht nur politisch von Bedeutung, denn der Nachweis (Berichtspflicht) des Erreichens des „guten ökologischen Potenzials“ wird auch in der EUWRRL gefordert. Diesen Anforderungen entspricht auch die gesonderte Bewertung der Durchgängigkeit.

Preisgeld: 1000 Euro für Dipl. Geoökol. Susanne Miethaner - Diplomarbeit