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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 hennrichJvq7∂kit edu

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Sparkassenpreis

Preisträger der 27. Ausschreibung des Sparkassenpreises

Die Preisträger



Name ausgezeichnete Arbeit
Dr. rer.pol. Dominik Möst Zur Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraft in liberalisierten Elektrizitätsmärkten - Eine modellgestützte Analyse dargestellt am Beispiel des schweizerischen Energieversorgungssystems
Dr. Leif Wolf Influence of leaky sewer systems on groundwater resources beneath the City of Rastatt, Germany - Grundwasserbeeinflussung durch defekte Abwasserkanäle im Gebiet der Stadt Rastatt
Dr.-Ing. Dominik Unruh Fischer-Tropsch Synthese mit Synthesegasen aus Biomasse – Verbesserung der Kohlenstoffnutzung durch Anwendung eines Membranreaktors
Dipl. geoök. Anne Kress Praxisorientiertes Feuermanagement im Biosphärenreservat Pendjari (Bénin, Westafrika)
Dipl.-Ing. Xiaoguang Luo Bestimmung von hoch auflösenden Wasserdampffeldern unter Berücksichtigung von GNSS-Doppeldifferenzresiduen
Dipl.-Ing. Sonke Christian Rogalla Kostengünstige Herstellungsmethoden für Cu(In,Ga) Se2-Solarzellen


Dr. rer.pol. Dominik Möst

Zur Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraft in liberalisierten Elektrizitätsmärkten - Eine modellgestützte Analyse dargestellt am Beispiel des schweizerischen Energieversorgungssystems

Die Liberalisierung und die damit einhergehende Inter¬nationalisierung der europäischen Energiemärkte führen zu einer grund¬legenden Veränderung der bestehenden Marktstrukturen sowie des relevanten Wett¬bewerbs¬rahmens in der Energiewirtschaft. Als Konsequenz der neuen Rahmen- und Markt¬bedingungen werden branchenweit sich schnell amortisierende Kraftwerksprojekte favorisiert. Grobe Abschätzungen haben ergeben, dass die Wirtschaft¬lichkeit bei Erneuerungen und Neu¬konzessionierungen von Wasserkraftanlagen aufgrund von strengeren Umweltauf¬lagen und der hohen Kapitalintensität nicht zwangsläufig gegeben ist. Im Falle von Wasserkraftwerken zählen insbesondere die zukünftigen Elektrizitätspreise, die wiederum stark von der zukünftigen Zusammensetzung und Entwicklung des europäischen Kraftwerksparks abhängen, zu den wichtigsten Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit der Erneuerungs- und Ausbau¬vorhaben. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung einer Methodik zur quanti¬tativen Analyse der langfristigen Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraft im liberalisierten europäi¬schen Elektrizitätsmarkt und deren exemplarische Anwendung auf das schweizerische Energie¬versorgungs¬system. Der methodische Ansatz des Modells basiert auf einer mehr¬periodigen, gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung. Zielfunktion ist die Mini¬mierung aller auf das Basisjahr diskontierten entscheidungsrelevanten Systemaus¬gaben. Technische, ökonomische und ökologische Restriktionen dienen der problemadäquaten Erfassung wesentlicher system¬technischer Charakteristika des realen Energie¬versorgungs¬systems. Mit der in dieser Arbeit weiterentwickelten Methodik können insbesondere Wasserkraftanlagen und -kaskaden detailliert im Rahmen einer systemtechnischen Abbildung des Versorgungssystems berück¬sichtigt werden, um Aussagen zur langfristigen Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraftwerke ableiten zu können. In der Modellanwendung wird hierfür der schweizerische Kraftwerkspark mit einer aufwendig erhobenen Datenbasis detailliert, d.h. auf Anlagenebene, abgebildet. Aufgrund der Inter¬nationalisierung der europäischen Energie¬märkte und der zunehmend multiregional geprägten Markt¬struktur werden relevante europäische Anrainerstaaten (Deutschland, Frankreich, Italien, Österreich, Belgien, Niederlande, Luxemburg, Slowenien) mitbetrachtet, um Aus¬wirkungen der interregio¬nalen Strom¬austausch¬optionen adäquat zu berücksichtigen. Eine wesentliche Besonderheit des in dieser Arbeit entwickelten Modells liegt darin, dass zusammenhängende Wasserkraftwerke, so genannte Kraftwerkskaskaden, abgebildet werden und somit Restriktionen für den Kraftwerksbetrieb, die aus den hydrologischen Verknüpfungen resultieren, mitberücksichtigt werden. In dem Modellansatz werden weiter intertemporäre Wechselwirkungen zwischen Investitions- und Produktionsentscheidungen einbezogen, d.h. neben der Systemausbauplanung wird auch die Anlageneinsatzplanung endogen bestimmt. Die Modellergebnisse zur Anlageneinlastung von Wasserkraftwerken stimmen gut mit der typischen Anlageneinlastung in der Realität überein. Damit liefert die vorlie¬gende Arbeit eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Erneuerung und den Aus- und Rückbau von Wasserkraftwerken in der Schweiz. Des Weiteren stellt die entwickelte Methodik Preisinformationen für Elektrizität in einem langfristigen Betrachtungshorizont bereit. Die modellgestützte Analyse zeigt, dass Erneuerungen bzw. Verlängerungen der Konzessionen aus betriebs¬wirt¬schaftlicher Sicht nicht generell unter allen Rahmenbedingungen in den verschiedenen Szena¬rien realisiert werden. Insbesondere bei Laufwasserkraftwerken werden im Referenzfall nur ca. 50% der Konzessionen verlängert, während bei Pumpspeicher- und Speicherkraftwerken nahezu alle anstehenden Konzessionsverlängerungen realisiert werden. Im Rahmen von Szenario- und Sensitivitätsanalysen werden die Auswirkungen unterschiedlicher Entwicklungen von unsicheren Parametern auf die Modellergebnisse analysiert. Die Arbeit entstand am Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) der Uni¬ver¬sität Karlsruhe (TH) und wurde von Herrn Prof. Dr. rer. nat. O. Rentz betreut.

Preisgeld: 4.000 € für Dr. rer.pol. Dominik Möst - Dissertation

Dr. Leif Wolf

Influence of leaky sewer systems on groundwater resources beneath the City of Rastatt, Germany - Grundwasserbeeinflussung durch defekte Abwasserkanäle im Gebiet der Stadt Rastatt

Abwasserkanäle besitzen aufgrund ihrer erheblichen räumlichen Ausdehnung (468000 km öffentliche Netzlänge in Deutschland) und ihrem mangelhaften baulichen Zustand (19,6 % wurden als kurzfristig sanierungsbedürftig eingestuft) ein erhebliches Gefährdungspotential für Boden und Grundwasser. Dieses Gefährdungspotential wurde in der Vergangenheit kontrovers diskutiert. Zum einen wird von einer weitgehenden Selbstabdichtung des Kanalnetzes ausgegangen, zum anderen wurden anhand von Massenbilanzen hohe Austrittsmengen vorausgesagt. Die vorliegende Arbeit leistet hierzu einen übergreifenden Beitrag, in dem die verschiedenen methodischen Ansätze auf ein Stadtgebiet angewendet und anhand eines umfangreichen Monitoringprogramms an einem speziell errichteten Messnetz überprüft wurden. Im Grundwasser wurden für Nitrat sowie die Schwermetalle Kupfer, Blei und Zink keine auffällig erhöhten Befunde im Umfeld von Kanalleckagen festgestellt. Bei den untersuchten Pharmaka ergaben sich die häufigsten Nachweise im Grundwasser für iodierte Röntgenkontrastmittel (insb. Amidotrizoesäure). Mehrere Beprobungen auf mikrobiologische Indikatoren wie E.Coli, Enterokokken, Coliphagen und sulfitreduzierende Clostridien ergaben eine deutliche Keimbelastung des urbanen Grundwassers. Zur Hochrechnung der Abwasseraustrittsmengen auf den Stadtmaßstab wurde eine Berechnungsmethode unter Verwendung von Monte Carlo Simulationstechniken entwickelt die eine effiziente Alternative zu den zeitgleich in europäischen Forschungsprojekten entwickelten Prognosewerkzeugen darstellt und die Aussage um eine Beurteilung der Unsicherheit erweitert. Durch Anwendung eines dreidimensionalen numerischen Grundwassermodells unter Verwendung der finiten Elemente Methode wurde eine dreidimensionale Prognose der Stoffverteilung im Grundwasser als Resultat der Abwasserbeeinflussung erzeugt. Die Quantifizierung der vertikal sowie lateral im Grundwasserkörper ausgetauschten Wassermengen wurde dann als Grundlage einer konservativen Massenbilanzrechnung zur Abschätzung von worst-case Szenarien benutzt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die im Labormaßstab festgestellten Kolmations- und Selbstabdichtungsprozesse im Stadtgebietsmaßstab nicht ausreichend wirksam sind um eine messbare Beeinträchtigung der Grundwasserqualität zu verhindern. Überschreitungen von Grenzwerten der Trinkwasserverordnung wurden jedoch nur für mikrobiologische Indikatoren festgestellt. Der Eintrag fäkaler Verunreinigungen durch Kanalleckagen ins Grundwasser muss daher in Zukunft noch stärker bei der Ausweisung von Schutzgebieten berücksichtigt werden. Einer ausreichenden Trennung zwischen Grundwassernutzung (auch private, nicht angemeldete) und defekten Abwassersystemen als Kontaminationsquelle ist Rechnung zu tragen.

Preisgeld: 2.000 € für Dr. Leif Wolf - Dissertation

Dr.-Ing. Dominik Unruh

Fischer-Tropsch Synthese mit Synthesegasen aus Biomasse – Verbesserung der Kohlenstoffnutzung durch Anwendung eines Membranreaktors

Zur Zeit gibt es in Europa Bestrebungen den Anteil biogener Kraftstoffe zu erhöhen. Gründe hierfür sind u.a. die Verminderung des fossilen CO2-Ausstoßes und die geringere Abhängigkeit vom Rohstoff Erdöl. Dabei könnte die Fischer-Tropsch Synthese (FT-Synthese), mit Biomasse als Einsatzstoff, zur Produktion von Kohlenwasserstoffkraftstoffen aus Synthesegas in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Heute dienen als Einsatzstoffe zur Synthesegaserzeugung Kohle und Erdgas. Es kommen jedoch sämtliche kohlenstoffhaltigen Rohstoffe als Einsatzstoffe in Frage. Die Zusammensetzung des Synthesegases unterscheidet sich dabei erheblich und erfordert mehr oder weniger großen verfahrenstechnischen Aufwand bei der Umwandlung in flüssige Kohlenwasserstoffe. Das Produkt der FT-Synthese enthält je nach Betriebsbedingungen und Katalysator (heute Eisenund Kobaltkatalysatoren) vor allem geradkettige Kohlenwasserstoffe mit C-Zahlen von 1 bis > 100 mit unterschiedlichen Anteilen von Alkenen und verzweigten Kohlenwasserstoffen sowie geringeren Anteilen von Alkoholen, Alkanalen und Säuren. An Eisenkatalysatoren läuft neben der FTReaktion auch die CO/CO2-Konvertierungsreaktion ab. Im Zusammenhang der sinkenden Reichweite von Erdöl, der Belastung der Umwelt und des Klimas sowie der politischen Abhängigkeiten aufgrund der ungleichen geographischen Verteilung von Erdöl werden alternative Rohstoffe für die Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffkraftstoffen erforscht. Erdgas mit der Hauptkomponente Methan, ist ein günstiger Einsatzstoff für die Fischer-Tropsch Synthese, da die Verfahrenstechnik des fluiden Einsatzstoffes relativ einfacher ist und das hohe H/C-Verhältnis eine hohe Kohlenstoffnutzung ermöglicht. Konkurrierend zur chemischen Verflüssigung über die Synthese ist die physikalische Verflüssigung zu „Liquified Natural Gas“ (LNG). Kohle könnte wegen der hohen Verfügbarkeit zukünftig an Einfluss gewinnen. Gerade in China scheint derzeit ein erhebliches Interesse an der Einführung von kohlestämmigem Kraftstoff zu bestehen. Ein wesentlicher Nachteil ist hier das niedrige H/C-Verhältnis (H/C << 2), was zum Ausschleusen eines erheblichen Teils von Kohlenstoff in Form von CO2 und damit zu niedrigen Kohlenwasserstoffausbeuten führt. Biomasse als nachwachsender Rohstoff ermöglicht die Erzeugung von Kraftstoffen aus einer nicht fossilen Quelle. Da die Zusammensetzung von Biomasse ungefähr der Formel C1H1,6O0,7 entspricht, muss auch hier zur Einstellung des H/C-Verhältnisses H/C ≥ 2 für die Synthese CO2 ausgeschleust werden. Die erzielbaren Kohlenwasserstoffausbeuten sind dabei etwa auf dem Niveau von Kohle (Schaub, Unruh & Rohde 2003). Vor dem Hintergrund des ansteigenden CO2-Gehalts in der Atmosphäre werden nachwachsende Rohstoffe derzeit intensiv erforscht. Unterstützt wird dies durch das von der EU in der sogenannten Bio-Direktive (EU 2003) gesetzte Ziel, den Anteil biogener Kraftstoffe bis zum Jahr 2010 auf 5,75 % zu steigern. Mögliche Wege sind hier die Vergärung von z.B. Getreide oder Rüben zu Ethanol, die Umesterung von pflanzlichen Ölen zu Fettsäuremethylester sowie Syntheseverfahren, wie die Fischer-Tropsch Synthese, zur Produktion flüssiger Kohlenwasserstoffe. Zielsetzung Ziel der vorliegenden Arbeit war es, für die Fischer-Tropsch Synthese Grundlagen für die Integration einer Membran zur selektiven Entfernung von H2O zu ermitteln. Schwerpunkt hierbei war die verbesserte Kohlenstoffnutzung bei Einsatz eines biomassestämmigen (CO2-reichen) Synthesegases. Die experimentelle Demonstration und rechnerischen Untersuchungen sollten einer Membranintegration darstellen und helfen, die Haupteinflussgrößen zu identifizieren.

Preisgeld: 2.000 € für Dr.-Ing. Dominik Unruh - Doktorarbeit

Dipl. geoök. Anne Kress

Praxisorientiertes Feuermanagement im Biosphärenreservat Pendjari (Bénin, Westafrika)

Feuer hat maßgeblich zur Entstehung der Savannen Afrikas beigetragen, so dass viele der Savannen heute als Ökosysteme des Feuerklimax verstanden werden. Dementsprechend stellt der gezielte Feu-ereinsatz einen Kernpunkt des Managements im Biosphärenreservat Pendjari (Benin, Westafrika) dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird das aktuelle Feuermanagementkonzept der Biosphärenreservatverwal¬tung dokumentiert und sein Bezug zur Praxis hinterfragt, da bereits frühere Untersuchungen zei¬gen, dass die aktuelle Brennpraxis nicht kon¬form mit den von der UNESCO an ein MAB-Biosphärenreser¬vat gestellten Kriterien ist. Zur Gewin¬nung neuer Erkenntnisse für ein anwendungsbezogenes Feuer¬managementkonzept wurden darüber hinaus experimentelle Brände in verschiedenen Vegetationsfor¬mationen des Untersuchungsgebietes gelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Definition der Feuer¬typen und eine Ableitung ihrer Auswirkungen (z.B. Brandtemperatur) alleine über das Datum nicht möglich ist. Zur Bestimmung des optimalen Brandzeitpunktes müssen daher neue Kennwerte, wie z.B. Witterungsparameter, herangezogen werden. Für ein praxisorientiertes Feuermanagement gilt es, Zielsetzungen für die einzelnen Zonen des Biosphärenreservates festzulegen. Aus diesen lassen sich dann konkrete Strategien zum Feuermanagement entwickeln. Grundvoraussetzung zur Umsetzung eines anwendungsbezogenen Feuermanagements mit den derzeitigen finanziellen und personellen Mitteln ist die erhebliche Reduktion der zu brennenden Fläche. Nur so können neue Ansätze für ein gezieltes Feuermanagement tatsächlich umgesetzt und die IUCN-Kriterien erfüllt werden.

Preisgeld: 1.000 € für Dipl. geoök. Anne Kress - Diplomarbeit

Dipl.-Ing. Xiaoguang Luo

Bestimmung von hoch auflösenden Wasserdampffeldern unter Berücksichtigung von GNSS-Doppeldifferenzresiduen

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) wie z.B. das amerikanische GPS oder das künftige europäische System Galileo dienen primär der Positionsbestimmung. Da die von den Satelliten aus ca. 20.000 km Höhe abgestrahlten elektromagnetischen Signale die Erdatmosphäre durchlaufen, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Signallaufzeit von den Eigenschaften der Atmosphäre beeinflusst. Die Einflüsse der Erdatmosphäre auf die GNSS-Signale können in iono- und neutrosphärische Einflüsse eingeteilt werden. Die Neutrosphäre ist für elektromagnetische Wellen des L-Bands nicht dispersiv und deren Einflüsse auf die GNSS-Signale können nicht durch Messungen auf mehreren Träger-frequenzen eliminiert werden. Die neutrosphärischen Einflüsse lassen sich in eine trockene und eine feuchte Komponente unterteilen, wobei der feuchte Anteil i.d.R. weniger als 10% der gesamten Einflüsse beträgt, gleichzeitig jedoch wertvolle Informationen über den wichtigen Bestandteil der Erdatmosphäre, Wasserdampf, enthält. Die Variation des feuchten Anteils des Neutrosphäreneinflusses kann in eine sog. isotrope und eine sog. anisotrope Komponente unterteilt werden. Der isotrope Anteil kann im Rahmen einer statischen GNSS-Auswertung durch Prädiktionsmodell und Zusatzparameter, ein zweiteiliges Verfahren, beschrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll der anisotrope Anteil unter Anwendung von Residueninformationen aus der GNSS-Auswertung bei der Modellbildung mitberücksichtigt werden. Kombiniert mit der o.g. zweiteiligen Modellierung können Wasserdampffelder unter Anwendung eines planaren Einschichtmodells zeitlich und räumlich hochauflösend bestimmt werden. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen konzentrieren sich auf den anisotropen Anteil des feuchten Neutrosphäreneinflusses, von seiner Entstehung durch die Konvertierung von Doppeldifferenzresiduen (DDR) über seine Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren (z.B. Basislinienlänge, Mehrwegeeinflüsse und Auswertestrategie) bis zu seinem Beitrag bei der Visualisierung von Wasserdampffeldern. Als Datenmaterial stehen die GPS-Beobachtungen aller 16 Baden-Wüttermbergischen Stationen des SAPOS®-Netzes (Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung) im Zeitraum DOY2004: 186-193 zur Verfügung. Basierend auf Berechnungen und graphischen Darstellungen lassen sich Animationen generieren, die zeitliche Variationen des Wasserdampfs in einem 3- bzw. 30-Minuten-Takt veranschaulichen können. Bei relativ ruhigen Wetterbedingungen und unter der Voraussetzung, dass sowohl das funktionale als auch das stochastische Modell bei der GNSS Auswertung zutreffend definiert sind, liegen die DDR normalerweise in einem kleinen Wertebereich von wenigen Millimetern. In diesem Fall lohnt es sich nicht, den anisotropen Anteil bei der Modellierung mitzuberücksichtigen, weil die Konvertierung von Doppeldifferenzresiduen in Pseudo-Zerodifferenzresiduen (PZDR) mit einem hohen Zeit- und Rechenaufwand verbunden ist. Deswegen ist es notwendig, eine Größenordung für DDR aus der GNSS-Auswertung festzulegen, ab der die Residueninformationen bei neutrosphärischer Modellierung zu berücksichtigen sind. Am Schluss dieser Arbeit wird die vorgestellte dreiteilige neutrosphärische Modellierung mit anderen Modellierungsmöglichkeiten hinsichtlich der räumlichen Auflösung des ermittelten Wasserdampffeldes verglichen. Durch diesen Vergleich wird festgestellt, dass die dreiteilige neutrosphärische Modellierung durch Berücksichtigung der Residueninformationen eine verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung des modellierten Wasserdampffeldes gegenüber der gewöhnlichen zweiteiligen Modellierung darstellt.

Preisgeld: 1.000 € für Dipl.-Ing. Xiaoguang Luo - Diplomarbeit

Dipl.-Ing. Sonke Christian Rogalla

Kostengünstige Herstellungsmethoden für Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen

Die Sicherstellung der weltweiten Energieversorgung entwickelt sich zunehmend zu einer der bedeutensten Herausforderungen für die Zukunft. Endliche Ölreserven und die globale Klimaveränderung durch CO2-Emissionen, die durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehen, führen zur intensiven Suche nach alternativen, regenerativen Energiequellen. Die Nutzung der Sonnenenergie zur direkten elektrischen Stromerzeugung (Photovoltaik) besitzt ein enormes Potential, um mittel- bis langfristig einen großen Beitrag zur Stromerzeugung zu leisten. Jedoch liegen die Stromgestehungskosten für Solarstrom derzeit noch um das vier- bis fünffache über den Kosten der konventionellen Stromerzeugung. Wesentlicher Kostenpunkt sind hier die teueren Solarmodule. Im Gegensatz zur den etablierten Herstellungsverfahren für Solarzellen auf Siliziumbasis bietet die Verwendung von Dünnschichttechnologie für die Modulproduktion ein drastisches Kostensenkungspotential. Durch die Wahl geeigneter Halbleitermaterialien kann die Dicke der aktiven Solarzellenschicht auf ein Hundertstel gesenkt werden. Dies führt einerseits zu einem wesentlichen geringeren Materialbedarf und ermöglicht großflächige Beschichtungsverfahren. In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Stuttgart ein neues Verfahren zur Herstellung von Solarzellen-Absorberschichten auf der Basis des Verbindungshalbleiters Cu(In,Ga)Se2 erfolgreich erprobt. Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Verwendung einer Lösung zur Beschichtung der Substrate. Diese Lösung enthält die benötigten Elemente für die Absorberschicht und kann mit günstigen Druckverfahren mit hoher Produktionsgeschwindigkeit abgeschieden werden. In einen nachgelagerten kurzen Heizprozess in Selenatmosphäre entsteht die photovoltaisch aktive Absorberschicht. Mit den aufgebauten Anlagen und der entwickelten Lösung konnten Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 4,5 % hergestellt werden. Ausblickend wurde ein großes Steigerungspotential für den Wirkungsgrad festgestellt. Die Ergebnisse der Arbeit bilden eine mögliche Grundlage zur Umsetzung der Vision einer druckbaren Solarzelle. Dies würde die Herstellungskosten für Solarmodule drastisch senken und in naher Zukunft die förderungsfreie Konkurrenzfähigkeit der solaren Energieerzeugung herstellen.

Preisgeld: 1.000 € für Dipl.-Ing. Sonke Christian Rogalla - Diplomarbeit