Preisträger der 34. Ausschreibung des Sparkassenpreises

Dipl.-Ing. Franz Dichgans:

Numerische Modellierung einer naturnahen Sohlengleite

Kurzzusammenfassung der Diplomarbeit:

Vor dem Hintergrund der Forderungen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) werden zur Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit von Fließgewässern in den letzten Jahren vermehrt Fischaufstiegsanlagen an Querbauwerken (Wehre, Abstürze) errichtet. Die hydraulische Bemessung ist insbesondere bei naturnahen Bauweisen wie z.B. Sohlengleiten auf Grund der komplexen Strömungsbilder nur schwer durch Berechnungsansätze zu erfassen. Ziel der Arbeit war es, die Hydraulik einer bestehenden Sohlengleite detailliert im hydrodynamisch-numerischen (HN) Modell zu untersuchen.

Mit Hilfe von Terrestrischem Laserscanning (TLS) wurde dazu zunächst ein hochaufgelöstes Geländemodell einer bestehenden Sohlengleite erstellt. Dies war anschließend Basis für detaillierte Untersuchungen in zwei- und dreidimensionalen HN- Modellen. Die innovative Kombination von terrestrischem Laserscanning und hoch aufgelösten Modellen ermöglichte eine Modellierung mit einer bislang nicht erreichten Detailgetreue und Präzision.

Über die Simulationstechnik lassen sich umfassende Informationen zur Strömungscharakteristik auf dem Bauwerk bereitstellen, wodurch Rückschlüsse in Bezug die (fisch-)ökologische und hydraulische Bemessung von Sohlengleiten gezogen werden können. Die Arbeit liefert somit einen wertvollen Beitrag zur Optimierung von Maßnahmen zur ökologischen Aufwertung bestehender Wehr- und Wasserkraftstandorte.

Dr. Jan Ungelenk

Zinnwolframat - ein solar aktivierbarer Fotokatalysator

Kurzzusammenfassung der Dissertation:

Die Fotokatalyse ermöglicht die direkte Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Attraktive Anwendungen sind unter anderem die Generierung des Energieträgers Wasserstoff oder die Aufbereitung von Wasser durch Fotodesinfektion bzw. dem fotokatalytischen Abbau von Schadstoffen. Der bisherige „Goldstandard“ der Fotokatalyse, Anatas-Titandioxid, ist jedoch auf die Aktivierung durch UV-Licht beschränkt. Es besteht großes Interesse an neuen Fotokatalysatoren, welche auch durch langwelligeres Licht aktiviert werden können: Einerseits könnte dann das natürliche Sonnenspektrum effizient als Lichtquelle genutzt werden. Darüber hinaus eröffnen sich neue Anwendungen im Bereich der Medizin, wie die minimalinvasive, fotodynamische Therapie von Tumoren durch Bestrahlung mit zellschonendem, sichtbarem Licht

In der vorliegenden Arbeit wurde das bislang schwer zugängliche kubische Zinnwolframat dargestellt und für den Einsatz in der Fotokatalyse optimiert. Somit wurde nicht nur einer der bislang aktivsten Fotokatalysatoren entwickelt, sondern zugleich exemplarisch der vollständige Entwicklungsprozess abgebildet: Beginnend mit (1) der Identifikation und Präparation einer geeigneten Phase, (2) der Optimierung von deren stofflichen Ausprägung in Form von Nanopartikeln sowie von facettierten Mikrokristallen, (3) der umfassenden Charakterisierung dieser Materialien, (4) dem Studium und der modellhaften Beschreibung äußerer Einflussfaktoren, erstreckt sich die Arbeit bis zur (5) Erprobung des Anwendungspotentials. Dabei wird unter anderem ein vielversprechender Therapieerfolg bei der fotodynamischen Bekämpfung von Tumoren und Metastasen in tierischem wie humanem Gewebe demonstriert.

Dr.-Ing. Frederik Trippe

Techno-ökonomische Bewertung alternativer Verfahrenskonfigurationen zur Herstellung von Biomass-to-Liquid (BtL) Kraftstoffen und Chemikalien

Kurzzusammenfassung der Dissertation

Biomasse stellt einen vielseitig einsetzbaren erneuerbaren Rohstoff dar, der sowohl zur direkten Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden kann als auch als Ausgangspunkt zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien. Ein mögliches BtL (Biomass-to-Liquid) Konzept stellt das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte bioliq Verfahren dar, welches dazu dient, Reststoffe der Agrar- und Forstwirtschaft – Biomasse, die nicht als Nahrungsmittel genutzt werden kann –umzuwandeln.

Ziel der Dissertation ist es, energieeffiziente und wirtschaftliche Konfigurationen eines BtL Konzepts zu identifizieren. Am Beispiel des bioliq Verfahrens wird erstmals ein techno-ökonomisches Bewertungsmodell entwickelt, das verfahrenstechnische Auslegungsparameter direkt mit ihren wirtschaftlichen Auswirkungen verknüpft und somit Stellschrauben für die weitere Entwicklung offenlegt.

Das techno-ökonomische Bewertungsmodell liefert Ergebnisse für die Stoff- und Energiebilanzen, die Investitionsschätzung sowie die Konversions- und Herstellkosten der Zwischen- und Endprodukte. Die Mindestabsatzpreise der Endprodukte liegen für Benzin und Diesel zwischen 95 und 105% und für Ethylen und Propylen zwischen 50 und 60% über den aktuellen Marktpreisen für erdölbasierte Produkte. In Sensitivitätsanalysen werden die Anlagenverfügbarkeit und die Biomassebereitstellungskosten als wichtigste Einflussfaktoren identifiziert. Die Betrachtung von Fördermöglichkeiten durch CO2 Zertifikate und Reduktion der Mineralölsteuer zeigt, dass je nach Entwicklung der Rahmenbedingungen die Herstellung von Kraftstoffen oder Chemikalien favorisiert wird. Für potentielle Investoren muss daher langfristige Planungssicherheit gegeben sein.

Um dennoch die mit der Biomassenutzung verknüpften Ziele zur Deckung des wachsenden Energiebedarfs, zur Vermeidung fossiler treibhausrelevanter Emissionen sowie zur Versorgungssicherheit zu erreichen, müssen die BtL Produkte an Märkte adressiert sein, die höhere Preise akzeptieren. Ein möglicher Markt könnten Flugtreibstoffe sein, für die mittelfristig eine Regulierung der treibhausrelevanten Emissionen zu erwarten ist.