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Leiterin der Geschäftsstelle

Dr. Kirsten Hennrich

KIT Zentrum Klima und Umwelt
Gebäude 9675
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

E-Mail: kirsten hennrichCjk6∂kit edu

Telefon: +49 721 608 28592

Fax: +49  721 608 23949

Sparkassenpreis

Preisträger der 26. Ausschreibung des Sparkassenpreises

Dr.-Ing. Boris Lehmann

Empfehlungen zur naturnahen Gewässerentwicklung im urbanen Raum – unter Berücksichtigung der Hochwassersicherheit

Die Dissertation beschäftigt sich mit der naturnahen Gewässerentwicklung im urbanen Raum – dort, wo Hochwassergefahr und –schutz eine ganz besondere Bedeutung zukommt. Fließgewässer bestimmen das Wirkungsfeld zwischen Mensch und Umwelt. Die von Herrn Dr.-Ing. Lehmann entwickelten Methoden gehen von beobachteten Naturphänomenen aus und basieren auf physikalisch begründbaren Ansätzen. Mit dieser Arbeit wird eine Lücke geschlossen, die seit den 1980er Jahren klafft: Die hydraulische Bemessung bzw. Berechnung naturnaher komplexer Fließgewässerstrukturen erfordert weiterentwickelte eindimensionale turbulenz-theoretisch geprägte Ansätze, bei denen man ohne Schätzungen empirischer Beiwerte auskommt.. Nur so kann eine einfache Simulation des Strömungsverhaltens bei sich eigendynamisch veränderbaren Fließgewässern mit vertretbaren zeitlichen und arbeitstechnischen Aufwand der Realität sehr nahe kommen. In traditioneller Weise bearbeitet Boris Lehmann diese Thematik, ohne dass dabei Hintergrundinformationen und kritische Anmerkungen vorenthalten werden. Aufbauend auf bisherige Kenntnisse wird eine neue Methodik vorgestellt, die quasi im Feldeinsatz am Gewässer die Auswirkungen von Bewuchs- und anderen Widerständen auf das Strömungsverhalten bzw. die Hochwassersicherheit erlaubt. Naturnahe Fließgewässer zeichnen sich u.a. durch komplexe dynamische Strukturen aus, deren hydraulisches Widerstandsverhalten erfasst und beurteilt wird. Ein Beispiel hierfür ist die Wechselwirkung zwischen Uferwuchs, Strömung und dem Sedimentsverhalten von Feststoffen im Uferbereich. Mit Hilfe von Untersuchungen am wasserbaulichen Modell an der Universität Karlsruhe gibt die Arbeit neue Empfehlungen für die Gewässerentwicklungsplanung sowie eine Methodik für die mittelfristige Gewässerunterhaltung. Für den naturnahen Wasserbau steht mit der Dissertation von Dr.-Ing. Boris Lehmann eine wichtige Methode zur Verfügung, die die Berechnung komplexer naturnaher Fließgewässer berechnen kann und damit die Anforderungen zur Verbesserung des Hochwasserschutzes mit den Belangen der Ökologie zu verknüpfen.

Preisgeld: 4.000 € für Dr.-Ing. Boris Lehmann

Dr.-Ing. Heiko Kubach

Ionenstrom als Sensorsignal der dieselmotorischen Verbrennung

Der moderne Dieselmotor entwickelte sich in den letzten Jahren von einer einst als lahm und stinkend verschmähten Maschine zum zur hochmodernen Antriebsquelle für Fahrzeuge aller Klassen. Vor allem der Übergang zur direkten Einspritzung in Verbindung mit hohen Einspritzdrücken und Einspritzsystemen, die eine Aufteilung in Vor- und Haupteinspritzung erlauben trugen dazu bei, dass die Akzeptanz des Dieselmotor stetig stieg und heute sogar in der Luxusklasse eingesetzt wird. So erreicht der Dieselmotor heute einen Anteil von fast 50 % an den Pkw-Neuzulassungen. Leider wuchs mit dem Marktanteil der Dieselmotoren auch die Kritik an diesem Antriebsaggregat bezüglich der Schadstoffemission. Vor allem der Rußausstoß trägt immer wieder zu Schlagzeilen bei. Die dieselmotorische Verbrennung ist durch das heterogene Luft-Kraftstoffgemisch und dessen Selbstzündung ein komplexer Vorgang, dessen Ablauf von vielen Randbedingungen wie Umgebungstemperatur, Kraftstoffqualität und Einspritzparametern abhängt. Um den tatsächlichen Verbrennungsprozess zu analysieren und die motorischen Parameter so einzustellen, dass dieser Prozess möglichst optimal abläuft, wurde in der vorliegenden Arbeit ein neues Sensorsignal eingeführt. Der direkt in der Verbrennungszone mittels einer elektrischen Sonde gemessene Ionenstrom lässt eine Beurteilung der Verbrennung zu und liefert damit die notwendigen Daten, um die Motorparameter optimal einzustellen. Dies ermöglicht eine geschlossene Regelung der Verbrennung im Gegensatz zur kennfeldgesteuerten Verbrennung heutiger Motorsteuerungssysteme und trägt damit sowohl zur Steigerung des Wirkungsgrades als auch zur Reduktion der Schadstoffemissionen bei.

Preisgeld: 2.000 € für Dr.-Ing. Heiko Kubach

Dr.-Ing. Olaf Schäfer

Expermimentelle und numerische Analyse der Flammenrückschlags bei der mageren Vormischverbrennung

Die Steigerung des Wirkungsgrads, d.h. Reduktion des Treibhausgases CO2, und die nachhaltige Reduktion der Stickoxid-Emissionen werden in Flugtriebwerken zukünftig nur durch die magere Vormischverbrennung erreichbar sein. Durch dieses Konzept können die Stickoxidemissionen, ohne Einbußen im Wirkungsgrad oder eine Erhöhung anderer Schadstoffemissionen, um 80 Prozent reduziert werden. Die technische Realisierung des schadstoffarmen Verbrennungskonzepts der mageren Vormischverbrennung ist unter anderem bisher nicht erfolgt, weil für das Problem des Flammenrückschlags keine systematische, grundlagenorientierte Untersuchung unter technisch relevanten Bedingungen existiert. Die vorliegende Arbeit liefert im Rahmen eines umfangreichen und syste­matisch angelegten Programms den Grundstein zu einem vollständigen Verständnis des Flammenrückschlags bei der mageren Vormisch­ver­brennung flüssiger Brennstoffe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine einzigartige, atmosphärische Versuchs­einrichtung entwickelt. Es können homogen vorgemischte laminare und turbulente Flammen erzeugt werden, sowohl verdrallt als auch unverdrallt. Als Brennstoffe eignen sich Reinstoffe, z.B. langkettige Alkane, in gleicher Weise wie kommerzielle Flüssigbrennstoffe. Diese beispiellosen Möglichkeiten bilden die Grundlage zur Bestimmung der Flammengeschwindigkeit und zur Analyse der Mechanismen beim Flammenrückschlag. Die in der Arbeit vorgestellte, systematische Vorgehensweise erfordert die Messung der Flammen­geschwindigkeit der verwendeten flüssigen Brennstoffe, da für diese keine Angaben zur Flammen­geschwindigkeit bei hohen Temperaturen existieren. Zu diesem Zweck wird eine neuartiges Verfahren zur Ermittlung der Flammengeschwindigkeit entwickelt und eingesetzt, mit dem eine Erweiterung der Datenbasis auf sehr hohe, technisch relevante Gemischtemperaturen möglich wird. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die laminare Flammenausbreitung parallel zur Wand in Rohren mit technisch relevantem Durchmesser berechnet. Eine Schlüsselposition in der vorliegenden Arbeit nimmt die Analyse des lokalen, normierten Wärmestroms ein. In dieser Weise wurde des Flammenrückschlag bisher noch nicht analysiert. Diese Analyse führt auf eine beschreibende Größe für magere Gemische langkettiger Kohlenwasserstoffe. Im Gegensatz zur allgemein verwendeten Beschreibung ist diese Größe unabhängig vom Brennstoff-Luft-Verhältnis und den laminaren Strömungsverhältnissen. Mit dieser Modellvorstellung ist die Angabe einer neuen Kennzahl möglich, unterhalb derer kein Flammenrückschlag möglich ist. In Analogie zum laminaren Flammenrückschlag kann auf Basis dieser Modellvorstellung auch zum ersten Mal eine untere Grenze angegeben werden, unterhalb der eine turbulente Flammenausbreitung parallel zur Wand nicht möglich ist. Da eine Simulation des turbulenten Flammenrückschlags derzeit noch nicht möglich ist, wurden für diesen Fall erstmals quantitative Untersuchungen zur Flammenausbreitung in turbulenter Strömung durchgeführt. Unterschiedlich turbulente Strömung mit hohen Turbulenzgraden wurden experimentell realisiert. In diesem Versuchs­aufbau wurde die untere Grenze erstmals quantitativ für den Fall einer ungestörten turbulente Rohrströmung nachgewiesen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Darstellung zur Beschreibung des Flammenrückschlags, die experimentell ermittelten Grenzen dieses Phänomens und die theoretischen Überlegungen zur Flammenausbreitung in der Nähe von Wänden ermöglichen zukünftig eine sichere Auslegung schadstoffarmer Verbrennungssysteme, die mit dem Prinzip der mageren Vormischverbrennung einen großen, umweltrelevanten Beitrag zur Reduktion der Stickoxidemissionen liefern können.

Preisgeld: 2.000 € für Dr.-Ing. Olaf Schäfer

Dipl.-Geoök. Mirjam Kiczka

Verteilung, Trägerphasen und Spezies von Arsen aus Bewässerungswasser in Reisböden und –pflanzen Eine Fallstudie aus West Bengalen, Indien

Grundwasser in Bangladesch und West Bengalen (Indien) enthält in vielen Bereich natürlicherweise stark erhöhte Arsenkonzentrationen. Die Verwendung dieses Grundwassers als Trinkwasser führt zu chronischen Arsenvergiftungen in der Bevölkerung, die teilweise als die größte Massenvergiftung der Menschheit bezeichnet wird. Das stark belastete Grundwasser dient jedoch nicht nur als Trinkwasser, sondern wird auch zur Bewässerung vor allem im Nassreisanbau eingesetzt. Durch eine Anreicherung im durchwurzelten Oberboden kann es zum einen zu einer Anreicherung des Arsens in den Pflanzen kommen. Zum anderen kann die phytotoxische Wirkung des Arsens Ernteeinbußen nach sich ziehen. Viele Studien haben sich bereits mit der Akkumulation von Arsen in Reisböden und Pflanzen beschäftigt. Verschiedene Formen des Arsens werden jedoch unterschiedlich stark von Pflanzen aufgenommen bzw. schädigen sie in ungleichem Maße. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, wie Arsen aus Bewässerungswasser im Boden vorliegt, wie mobil es ist und welches die Hauptbindungspartner sind. Hierzu wurden chemische Extraktionssequenzen sowie die neue Synchrotron-Technik verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass Eisenoxide und –hydroxide die wichtigste Rolle bei der Fixierung von Arsen aus Bewässerungswasser spielen. Ein besorgniserregendes Ergebnis der Arbeit ist, dass ein Viertel des eingetragenen Arsens in einer für die Pflanzen besonders leicht verfügbaren Form vorliegt. In Eisencoatings, die sich um die Wurzel bilden, wurden extrem hohe Arsenkonzentrationen erreicht. Dieses Arsen liegt in relativ hohen Anteilen in der toxischeren reduzierten Form vor. Diese Arbeit legt daher nahe, dass weitere Untersuchungen zur Stabilität der Eisencoatings nach der Ernte der oberirdischen Pflanzenteile notwendig sind, um die langfristige Arsen-Mobilität besser abschätzen zu können.

Preisgeld: 1.500 € für Dipl.-Geoök. Mirjam Kiczka

Dipl.-Ing. Tobias Morck

Untersuchungen zur biologischen und weitergehenden Grauwasserbehandlung - vor dem Hintergrund der neuen Gesetzlichen Regelungen der Stadt Curitiba, Brasilien

Die Umsetzung alternativer, nachhaltiger Entsorgungskonzepte basiert auf der Teilstrombetrachtung und der separaten Behandlung einzelner Stoffströme, eine im Bereich der Industrie längst realisierte Konzeption. Auch im Siedlungsbereich werden Anstrengungen unternommen, die im häuslichen Bereich anfallenden Abfall- und Abwasserströme zu separieren, Kreisläufe zu schließen, sowie Nährstoffe in den Kreislauf zurückzuführen. Im Bereich der Flüssigemissionen sind neben Regenwasser und Schwarzwasser (Abwasser mit fäkalen Feststoffen) insbesondere Grauwässer, als Ablauf von Bade- und Duschwannen, Handwaschbecken und Waschmaschinen als nährstoffarme Fraktion zur erneuten Nutzung, etwa zur Toilettenspülung von großem Interesse. Was in Deutschland im Wesentlichen an Modellstandorten untersucht und realisiert wird, ist in Curitiba, der 1,5 Millionen Einwohner zählenden Hauptstadt des Bundesstaates Paraná, Brasilien in Form des Gesetzes zur rationalen Wasserverwendung“ seit April 2004 Vorgabe. Obwohl die brasilianischen Süßwasserressourcen zu den größten der Welt gehören, leidet vor allem der Nord- und Südosten des Landes unter ernstem Wassermangel. Unter anderem beinhaltet das neue Gesetz die Wiederverwendung von Grauwasser. Diese Fragestellung wurde vor Ort am Institut LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolviment, Curitiba-PR im Betrieb einer labormaßstäblichen Versuchsanlage untersucht. Die Reinigungseinheit der Versuchsanlage bestand aus einem Scheibentauchkörper und einer Langsamsandfiltration. Dabei konnte gezeigt werde, dass das nährstoffarme Grauwasser für eine biologische Reinigung mit Scheibentauchkörpern geeignet ist. Die postulierte hygienisierende Wirkung des Langsamsandfilters konnte nachgewiesen werden. Das aufbereitete Grauwasser genügte somit den Anforderungen für eine Wiederverwendung. Es galt als nicht mehr fäulnisfähig und hygienische Bedenken konnten ausgeschlossen werden. "Die Arbeit wurde durch ein Kurzstipendium des DAAD - Deutscher Akademischer Austauschdienst - ermöglicht."

Preisgeld: 1.500 € für Tobias Morck