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  • Energy Research
  • DE
  • German

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  • Open Access German
    Authors: 
    Sadroddin Alavipanah; Martin Wegmann; Salman Qureshi; Qihao Weng; Thomas Koellner;
    Country: Germany

    The Urban Heat Island (UHI) is the phenomenon of altered increased temperatures in urban areas compared to their rural surroundings. UHIs grow and intensify under extreme hot periods, such as during heat waves, which can affect human health and also increase the demand for energy for cooling. This study applies remote sensing and land use/land cover (LULC) data to assess the cooling effect of varying urban vegetation cover, especially during extreme warm periods, in the city of Munich, Germany. To compute the relationship between Land Surface Temperature (LST) and Land Use Land Cover (LULC), MODIS eight-day interval LST data for the months of June, July and August from 2002 to 2012 and the Corine Land Cover (CLC) database were used. Due to similarities in the behavior of surface temperature of different CLCs, some classes were reclassified and combined to form two major, rather simplified, homogenized classes: one of built-up area and one of urban vegetation. The homogenized map was merged with the MODIS eight-day interval LST data to compute the relationship between them. The results revealed that (i) the cooling effect accrued from urban vegetation tended to be non-linear and (ii) a remarkable and stronger cooling effect in terms of LST was identified in regions where the proportion of vegetation cover was between seventy and almost eighty percent per square kilometer. The results also demonstrated that LST within urban vegetation was affected by the temperature of the surrounding built-up and that during the well-known European 2003 heat wave, suburb areas were cooler from the core of the urbanized region. This study concluded that the optimum green space for obtaining the lowest temperature is a non-linear trend. This could support urban planning strategies to facilitate appropriate applications to mitigate heat-stress in urban area.

  • Open Access German
    Authors: 
    Lindner, Jonas Philipp;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Die anaerobe mikrobielle Konversion von Biomasse zu Biogas erfolgt über mehrere Prozessschritte, die aufgrund der beteiligten Mikroorganismen zur primären Gärung, sekundären Gärung und Methanbildung zusammengefasst werden können. Im Gegensatz zu einstufigen Verfahren soll in zweistufigen Biogasprozessen die primäre Gärung und die Methanogenese räumlich getrennt ablaufen, um den unterschiedlichen Milieuanforderungen der beteiligten Mikroorganismen besser entsprechen zu können. Für diese zweistufige Biogasproduktion sind in der Literatur viele verschiedene Kombinationen an Reaktortypen beschrieben. Die hauptsächlich für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen eingesetzten, diskontinuierlich betriebenen Perkolationsreaktoren haben den Nachteil, dass im Prozessablauf der pH-Wert nicht reguliert werden kann und somit keine konstante Säure- und Gasbildung möglich ist. Daneben werden geregelt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie ein vollständig automatisiertes, kontinuierliches, zweistufiges Verfahren entwickelt und im Labormaßstab aufgebaut. Bei diesem Verfahren wurde ein Rührkesselreaktor mit integrierter Filtration zur Fest-Flüssigtrennung mit einem Anaerobfilter kombiniert. Der pH-Wert der ersten Prozessstufe konnte über die Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter reguliert werden. Um diese neu entwickelte Regulierung des pH-Wertes zu überprüfen und zu optimieren, wurde untersucht, (I) welcher Einfluss von den Substrateigenschaften auf den Abbaugrad und den Biogasertrag der zugeführten Biomasse ausgeht, (II) welcher pH-Wert in der ersten Prozessstufe einen optimalen Aufschluss der Biomasse ermöglicht, (III) ob durch eine kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung der Gärreste und deren Rückführung in den Prozess eine Steigerung des Gesamtmethanertrages der Biomasse erreicht werden kann. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass eine pH-Wert-Regulierung in der primären Gärung mittels einer Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter ohne Einsatz von Additiven mit einer sehr hohen Präzision möglich ist. Durch diese pH-Wert-Regulierung konnte eine konstante Säure- und Gasbildung erzielt werden. Die Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf den Abbaugrad von lignocellulosehaltigen Substraten zeigten ein Optimum, wie in der Literatur beschrieben, bei pH-Werten zwischen 7 und 8. Bei einem pH-Wert von 5,75 wurde im Vergleich zu den ermittelten Gasertragspotenzialen der Substrate im zweistufigen System eine Methanausbeute erzielt, die bei dem Substrat „Heu/Stroh“ um -70,6 % und bei dem Substrat „Maissilage“ um -31,3 % geringer ist. Im Gegensatz dazu konnte bei zuckerhaltigen Substraten kein Unterschied zwischen dem Batchtest und dem zweistufigen System ermittelt werden. Die Aufbereitung der Gärreste mittels der Kugelmühle zeigte keine Verluste an leicht flüchtigen Substanzen durch eine Erwärmung. Durch die mechanische Aufbereitung konnte eine Steigerung des spezifischen Methanertrages um 9 % bei der Aufbereitung des „Maissilage“ Gärrestes und um 17 % bei der Aufbereitung des „Heu/Stroh“ Gärrestes aus der zweistufigen Anlage erreicht werden. Bei der Aufbereitung des Gärrestes der Praxisanlage konnte eine Verdreifachung des spezifischen Methanertrages auf einem sehr geringen Niveau ermittelt werden. Die kombinierte mechanische/enzymatische Aufbereitung mit dem aeroben Pilz „lentinula edodes“ führt bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest zu Verlusten der organischen Trockenmasse zwischen 58,2 % und 86,4 % und bei dem Gärrest der Praxisanlage zwischen 10,8 % und 18,4 %. Außerdem konnte bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest ein Anstieg des Ligningehaltes ermittelt werden. Bei den Gärresten der zweistufigen Anlage führte die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung zu einem Verlust der Methanausbeute von bis zu 86,4 %. Im Gegensatz dazu zeigte der Gärrest der Praxisanlage einen Anstieg der Methanbildung um 134,5 %. Die Untersuchungen belegen, dass der Einsatz von zweistufigen Systemen im Sinne der „klassischen“ Biogasproduktion nur für leicht abbaubare Stoffe vorteilhaft ist. Wird auf eine Trennung der Milieubedingungen verzichtet, ist die Reaktorkaskade aus Rührkesselreaktor und Anaerobfilter aufgrund der Flexibilität, Prozessstabilität und hohen Belastbarkeit sehr gut zur Verwertung von Bioabfällen mit wechselnden Zusammensetzungen geeignet. Zudem konnten wesentliche Grundlagen für den Einsatz von innovativen Fermentationsverfahren, wie z.B. der Druckfermentation, gelegt werden. Die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung scheint sowohl für die einstufige als auch für die zweistufige Biogasproduktion eine sinnvolle Alternative zur klassischen Substrataufbereitung zu sein und sollte in weiteren Projekten untersucht werden. The microbial conversion of biomass into biogas generally comprises several steps. These steps, are divided in accordance to the involved microorganisms and are often referred to as primary fermentation, secondary fermentation and methane formation. In contrast to single-stage, two-stage biogas system performs primary fermentation spatially separated from the methanogenesis in order to provide optimal milieu conditions for each group of microorganisms. There are many different reactor settings outlined in scientific literature for two-stage biogas production. For the digestion of energy crops or biowaste, discontinuously charged leach-bed reactors are often combined with anaerobic filters. The main disadvantage of this setup is the impossibility of regulating the pH-value in the first step, thus leading to fluctuating acid and gas production rates. To avoid this, new approaches aim to use continuous flow stirred-tank reactors for the process of primary fermentation, using chemical additives for the pH regulation. In the framework of this research, a process automation for a continuous two-stage system was developed and implemented in two lab scale plants at the State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Each laboratory plant comprised of a continuous stirred-tank reactor with an integrated filtration for solid-liquid separation and an anaerobic filter. In the primary fermentation stage, the adjustment of the pH-value was made by an indicatorbased return of alkaline effluent from the anaerobic filter. In order to evaluate and optimize the newly developed and completely automated pH-regulation system, this study investigated the (I) influence of the substrate characteristics on the degree of degradation and the biogas yields, (II) optimal pH-value for biomass degradation in the primary fermentation and (III) the possibility of enhancing methane yields by combined mechanical and enzymatic treatment of digestates with a subsequent refeeding into the process. The results of the investigations clearly showed the suitability of the system for a highprecision pH-regulation in primary fermentation for the tested pH-values 5.5, 6.0, 7.0 and 7.5. This unique technique enabled the continuous formation of organic acids and biogenic gases. Hay/straw, maize silage and sugar beet silage were digested at a pH-value of 5.75 in order to investigate the influence of different substrates on the two-stage system performance. Compared to the determined potential biogas yields, the recorded methane yields were 70.6 % lower for the hay/straw substrate and 31.3 % lower for maize silage in the two-stage system. Contrary to this, for sugar beet silage no difference in the gas yields between the batchtest and the two-stage system could be detected. Further investigations on the influence of pH-value on the degradation rate of lignocellulosic substrates showed an optimum pH between 7 and 8. The mechanical treatment of the digestates with the ball mill exhibited no losses of volatile solids through warming. The application of this procedure enhanced the specific methane yield from 9 to 17 % for maize silage digestate and hay/straw digestate respectively from the described laboratory plant. The treatment of the digestate obtained from a full-scale plant permitted a triplication of the specific methane yield at very low level. The combined mechanical and enzymatic treatment through the aerobic fungi “lentinula edodes” resulted in losses of volatile solids between 58.2 and 86.4 % for the hay/straw digestate and between 10.8 and 18.4 % for the substrate from the full-scale biogas plant depending on the incubation time. Furthermore, the investigations determined an increase in the lignin content of the hay/straw digestate by the combined treatment. Overall, using the digestate of the two-stage system, the mechanical/enzymatic treatment attributed to a methane yield loss by 86.4 %. In contrast, an increase of methane production by 134.5 % was observed with the full-scale digestates. This study has revealed that two-stage biogas systems are favorable only for easily degradable substrates. The phase separation was not beneficial for fiber rich substrates. Based on the results, a reactor cascade consisting of a continuous stirred-tank reactor and an anaerobic filter with similar milieu conditions seems to be well suited for the digestion of organic wastes. Due to the extraordinary high process stability, flexibility and high load capacity this system is very suitable for the treatment of substrates with extremely varying compositions. Moreover, within the study essential basics for the application of innovative fermentation procedures (e.g. pressure fermentation) were investigated. The combined mechanical and enzymatic treatment of digestates seems to be an interesting alternative to the established substrate pretreatment systems and it can be recommended also for single-stage biogas plants.

  • Publication . Doctoral thesis . 2017
    Open Access German
    Authors: 
    Schlömer, Gerrit;
    Publisher: Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
    Country: Germany

    [no abstract]

  • Open Access German
    Authors: 
    Holl, David; Kanzleiter, Lena; Stelzer, Birgit; Schiebel, Edgar;
    Publisher: Universität Ulm
    Country: Germany

    Die Menschheit verbraucht immer mehr Energie, insbesondere für Strom, Kraftstoffe oder zur Wärmeerzeugung. Die steigende Energienachfrage und ein gleichzeitig wachsendes Umweltbewusstsein zur Schonung fossiler Rohstoffe mit dem Ziel des nachhaltigen Wirtschaftens (sog. Biobased Economy) lässt die Bioenergie in den Fokus rücken. Die Autoren dieses Berichts analysieren anhand bibliometrischer Analysemthoden die vorhandene Literatur zu dieser Thematik. Es werden zentrale Wissenschaftler und Forschungsorganisationen identifiziert und thematische Kooperationsnetzwerke aufgezeigt. Außerdem werden aktuelle Forschungsthemen und emergente Technologien im Kontext der bioenergetischen Energieerzeugung identifiziert und beschrieben. In einem zweiten Teil werden drei mögliche Szenarien entwickelt und beschrieben, wie sich die Bioenergie und die jeweilig relevanten Technologien in Zukunft weiterentwickeln könnten. Auf dieser Grundlage werden Technologien abgeleitet, deren Anwendung zukünftigen Erfolg in sämtlichen möglichen drei Szenarien in der Energiebranche versprechen.

  • Open Access German
    Authors: 
    Sybertz, Janine;
    Publisher: Hannover : Institut für Umweltplanung, Leibniz Universität Hannover
    Country: Germany

    Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist es eine wichtige Aufgabe des Naturschutzes, Anpassungsstrategien zu entwickeln und umzusetzen, die Arten das Überleben vor Ort oder die Abwanderung in neue geeignete Lebensräume ermöglichen. Es gibt bereits eine Reihe von Vorschlägen für solche naturschutzfachlichen Anpassungsstrategien - was für die Umsetzung in der Regel fehlt, ist eine hinreichende Konkretisierung von Maßnahmen für die regionale Ebene. Ziel dieser Studie war eine solche Konkretisierung für die beiden niedersächsischen naturräumlichen Regionen Harz und Lüneburger Heide und Wendland, um die Implementierung von Anpassungsstrategien in den regionalen Naturschutz zu fördern. Der Schwerpunkt lag dabei auf den Strategien „Reduzierung derzeitiger Stressoren“ zur Erhöhung der Resilienz von Arten vor Ort und „Schaffung von Biotopverbundstrukturen“ zur Unterstützung der Anpassung durch Wanderung. Dazu wurden die deutschlandweit wichtigsten Gefährdungsursachen der in Harz und Lüneburger Heide potentiell klimaempfindlichen und naturschutzfachlich besonders relevanten Arten ermittelt und darauf aufbauend art- und lebensraumübergreifende Handlungsprioritäten für Maßnahmen in beiden Naturräumen abgeleitet. Darüber hinaus wurde analysiert, aus welchen Lebensräumen die Arten stammen, die besonders auf Biotopverbundmaßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel angewiesen sind, um daraufhin Empfehlungen zu geben, auf welche Lebensräume sich solche Maßnahmen prioritär konzentrieren sollten. Für den Naturraum Harz wird als Anpassung an den Klimawandel vorgeschlagen, prioritär in Maßnahmen zur Verhinderung von Nährstoffeinträgen bzw. Eutrophierung zu investieren, gefolgt von Maßnahmen zur Erhöhung der Konnektivität in der Landschaft und zur Verringerung des Landschaftsverbrauchs, Maßnahmen zur Offenhaltung von Lebensräumen, Maßnahmen zur naturnahen Waldrandgestaltung bzw. Waldbewirtschaftung und Maßnahmen zum Schutz und zur Wiederherstellung von Feuchtlebensräumen. Im Naturraum Lüneburger Heide sind in erster Linie Maßnahmen zum Schutz und zur Wiederherstellung von Feuchtlebensräumen wichtig, gefolgt von Maßnahmen zur Extensivierung landwirtschaftlicher Nutzung, Maßnahmen zur Offenhaltung von Lebensräumen und Maßnahmen zur Erhöhung der Konnektivität in der Landschaft und zur Verringerung des Landschaftsverbrauchs. Im Hinblick auf Biotopverbundmaßnahmen ist in beiden naturräumlichen Regionen der Schwerpunkt auf den Lebensraumtyp (trockenes) Offenland zu legen, in der Lüneburger Heide zusätzlich auch auf den Lebensraumtyp Gewässer. Generell ist eine Vergrößerung des Anteils naturschutzrechtlich geschützter bzw. gesicherter Fläche sinnvoll. Zur Beobachtung möglicher Veränderungen und zur Evaluation umgesetzter Maßnahmen wird die Einrichtung von Monitoringprogrammen empfohlen, deren Ergebnisse in ein adaptives Management einfließen. Da die Gefährdungsursachen einiger Arten und somit für sie geeignete Schutzmaßnahmen aufgrund unzureichender Daten zu ihrer Physiologie und Ökologie nicht hinreichend bekannt sind, besteht weiterhin ein erheblicher Bedarf für Grundlagenforschung. In light of climate change, reducing non-climatic stressors and increasing habitat connectivity are two strategies often recommended for nature conservation to mitigate climate change induced impacts on species. This study aims at specifying these rather coarse strategies and developing and prioritizing climate change related conservation measures for the “Harz” and “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregions. Therefore, non-climatic stressors currently affecting potential climate-sensitive species are identified. Additionally, the habitat preferences of potential climatesensitive species, which benefit most from an increased habitat connectivity, are analyzed. Within the “Harz” ecoregion, conservation measures for reducing eutrophication are of greatest importance for climate change adaptation, followed by measures for increasing habitat connectivity and reducing land consumption, measures for the preservation of open landscapes, measures for a nature-oriented forest management and measures for maintaining and promoting wetlands. Within the “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregion, conservation measures for maintaining and promoting wetlands are of most importance for climate change adaptation, followed by measures for the extensification of agriculture, measures for the preservation of open landscapes, as well as measures for increasing habitat connectivity and reducing land consumption. In both ecoregions, most potential climate-sensitive species, which benefit from an increased habitat connectivity, live in (dry) open land. Within the “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregion, additional emphasis on measures for increasing habitat connectivity should be put on waterbodies. Additionally, increasing the amount of protected areas, together with establishing monitoring programs and adaptive management, are recommended as supplementary adaption strategies to address climate change impacts.

  • Publication . Doctoral thesis . 2004 . Embargo End Date: 18 Jun 2017
    Open Access German
    Authors: 
    Zahnen, Nikolaus;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II
    Country: Germany

    In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

  • Open Access German
    Authors: 
    Behr, Friederike; Kamlage, Jan-Hendrik;
    Publisher: Essen: Kulturwissenschaftliches Institut, 2015
    Country: Germany
  • Restricted German
    Authors: 
    Brinner, Andreas;
    Country: Germany
  • Open Access German
    Authors: 
    Arnd Weber;
    Publisher: Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Technology Assessment and Systems Analysis (ITAS)
  • Open Access German
    Authors: 
    Vanessa Hannesschläger; Redaktion Libreas;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Peer Reviewed

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  • Open Access German
    Authors: 
    Sadroddin Alavipanah; Martin Wegmann; Salman Qureshi; Qihao Weng; Thomas Koellner;
    Country: Germany

    The Urban Heat Island (UHI) is the phenomenon of altered increased temperatures in urban areas compared to their rural surroundings. UHIs grow and intensify under extreme hot periods, such as during heat waves, which can affect human health and also increase the demand for energy for cooling. This study applies remote sensing and land use/land cover (LULC) data to assess the cooling effect of varying urban vegetation cover, especially during extreme warm periods, in the city of Munich, Germany. To compute the relationship between Land Surface Temperature (LST) and Land Use Land Cover (LULC), MODIS eight-day interval LST data for the months of June, July and August from 2002 to 2012 and the Corine Land Cover (CLC) database were used. Due to similarities in the behavior of surface temperature of different CLCs, some classes were reclassified and combined to form two major, rather simplified, homogenized classes: one of built-up area and one of urban vegetation. The homogenized map was merged with the MODIS eight-day interval LST data to compute the relationship between them. The results revealed that (i) the cooling effect accrued from urban vegetation tended to be non-linear and (ii) a remarkable and stronger cooling effect in terms of LST was identified in regions where the proportion of vegetation cover was between seventy and almost eighty percent per square kilometer. The results also demonstrated that LST within urban vegetation was affected by the temperature of the surrounding built-up and that during the well-known European 2003 heat wave, suburb areas were cooler from the core of the urbanized region. This study concluded that the optimum green space for obtaining the lowest temperature is a non-linear trend. This could support urban planning strategies to facilitate appropriate applications to mitigate heat-stress in urban area.

  • Open Access German
    Authors: 
    Lindner, Jonas Philipp;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Die anaerobe mikrobielle Konversion von Biomasse zu Biogas erfolgt über mehrere Prozessschritte, die aufgrund der beteiligten Mikroorganismen zur primären Gärung, sekundären Gärung und Methanbildung zusammengefasst werden können. Im Gegensatz zu einstufigen Verfahren soll in zweistufigen Biogasprozessen die primäre Gärung und die Methanogenese räumlich getrennt ablaufen, um den unterschiedlichen Milieuanforderungen der beteiligten Mikroorganismen besser entsprechen zu können. Für diese zweistufige Biogasproduktion sind in der Literatur viele verschiedene Kombinationen an Reaktortypen beschrieben. Die hauptsächlich für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen eingesetzten, diskontinuierlich betriebenen Perkolationsreaktoren haben den Nachteil, dass im Prozessablauf der pH-Wert nicht reguliert werden kann und somit keine konstante Säure- und Gasbildung möglich ist. Daneben werden geregelt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie ein vollständig automatisiertes, kontinuierliches, zweistufiges Verfahren entwickelt und im Labormaßstab aufgebaut. Bei diesem Verfahren wurde ein Rührkesselreaktor mit integrierter Filtration zur Fest-Flüssigtrennung mit einem Anaerobfilter kombiniert. Der pH-Wert der ersten Prozessstufe konnte über die Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter reguliert werden. Um diese neu entwickelte Regulierung des pH-Wertes zu überprüfen und zu optimieren, wurde untersucht, (I) welcher Einfluss von den Substrateigenschaften auf den Abbaugrad und den Biogasertrag der zugeführten Biomasse ausgeht, (II) welcher pH-Wert in der ersten Prozessstufe einen optimalen Aufschluss der Biomasse ermöglicht, (III) ob durch eine kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung der Gärreste und deren Rückführung in den Prozess eine Steigerung des Gesamtmethanertrages der Biomasse erreicht werden kann. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass eine pH-Wert-Regulierung in der primären Gärung mittels einer Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter ohne Einsatz von Additiven mit einer sehr hohen Präzision möglich ist. Durch diese pH-Wert-Regulierung konnte eine konstante Säure- und Gasbildung erzielt werden. Die Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf den Abbaugrad von lignocellulosehaltigen Substraten zeigten ein Optimum, wie in der Literatur beschrieben, bei pH-Werten zwischen 7 und 8. Bei einem pH-Wert von 5,75 wurde im Vergleich zu den ermittelten Gasertragspotenzialen der Substrate im zweistufigen System eine Methanausbeute erzielt, die bei dem Substrat „Heu/Stroh“ um -70,6 % und bei dem Substrat „Maissilage“ um -31,3 % geringer ist. Im Gegensatz dazu konnte bei zuckerhaltigen Substraten kein Unterschied zwischen dem Batchtest und dem zweistufigen System ermittelt werden. Die Aufbereitung der Gärreste mittels der Kugelmühle zeigte keine Verluste an leicht flüchtigen Substanzen durch eine Erwärmung. Durch die mechanische Aufbereitung konnte eine Steigerung des spezifischen Methanertrages um 9 % bei der Aufbereitung des „Maissilage“ Gärrestes und um 17 % bei der Aufbereitung des „Heu/Stroh“ Gärrestes aus der zweistufigen Anlage erreicht werden. Bei der Aufbereitung des Gärrestes der Praxisanlage konnte eine Verdreifachung des spezifischen Methanertrages auf einem sehr geringen Niveau ermittelt werden. Die kombinierte mechanische/enzymatische Aufbereitung mit dem aeroben Pilz „lentinula edodes“ führt bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest zu Verlusten der organischen Trockenmasse zwischen 58,2 % und 86,4 % und bei dem Gärrest der Praxisanlage zwischen 10,8 % und 18,4 %. Außerdem konnte bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest ein Anstieg des Ligningehaltes ermittelt werden. Bei den Gärresten der zweistufigen Anlage führte die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung zu einem Verlust der Methanausbeute von bis zu 86,4 %. Im Gegensatz dazu zeigte der Gärrest der Praxisanlage einen Anstieg der Methanbildung um 134,5 %. Die Untersuchungen belegen, dass der Einsatz von zweistufigen Systemen im Sinne der „klassischen“ Biogasproduktion nur für leicht abbaubare Stoffe vorteilhaft ist. Wird auf eine Trennung der Milieubedingungen verzichtet, ist die Reaktorkaskade aus Rührkesselreaktor und Anaerobfilter aufgrund der Flexibilität, Prozessstabilität und hohen Belastbarkeit sehr gut zur Verwertung von Bioabfällen mit wechselnden Zusammensetzungen geeignet. Zudem konnten wesentliche Grundlagen für den Einsatz von innovativen Fermentationsverfahren, wie z.B. der Druckfermentation, gelegt werden. Die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung scheint sowohl für die einstufige als auch für die zweistufige Biogasproduktion eine sinnvolle Alternative zur klassischen Substrataufbereitung zu sein und sollte in weiteren Projekten untersucht werden. The microbial conversion of biomass into biogas generally comprises several steps. These steps, are divided in accordance to the involved microorganisms and are often referred to as primary fermentation, secondary fermentation and methane formation. In contrast to single-stage, two-stage biogas system performs primary fermentation spatially separated from the methanogenesis in order to provide optimal milieu conditions for each group of microorganisms. There are many different reactor settings outlined in scientific literature for two-stage biogas production. For the digestion of energy crops or biowaste, discontinuously charged leach-bed reactors are often combined with anaerobic filters. The main disadvantage of this setup is the impossibility of regulating the pH-value in the first step, thus leading to fluctuating acid and gas production rates. To avoid this, new approaches aim to use continuous flow stirred-tank reactors for the process of primary fermentation, using chemical additives for the pH regulation. In the framework of this research, a process automation for a continuous two-stage system was developed and implemented in two lab scale plants at the State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Each laboratory plant comprised of a continuous stirred-tank reactor with an integrated filtration for solid-liquid separation and an anaerobic filter. In the primary fermentation stage, the adjustment of the pH-value was made by an indicatorbased return of alkaline effluent from the anaerobic filter. In order to evaluate and optimize the newly developed and completely automated pH-regulation system, this study investigated the (I) influence of the substrate characteristics on the degree of degradation and the biogas yields, (II) optimal pH-value for biomass degradation in the primary fermentation and (III) the possibility of enhancing methane yields by combined mechanical and enzymatic treatment of digestates with a subsequent refeeding into the process. The results of the investigations clearly showed the suitability of the system for a highprecision pH-regulation in primary fermentation for the tested pH-values 5.5, 6.0, 7.0 and 7.5. This unique technique enabled the continuous formation of organic acids and biogenic gases. Hay/straw, maize silage and sugar beet silage were digested at a pH-value of 5.75 in order to investigate the influence of different substrates on the two-stage system performance. Compared to the determined potential biogas yields, the recorded methane yields were 70.6 % lower for the hay/straw substrate and 31.3 % lower for maize silage in the two-stage system. Contrary to this, for sugar beet silage no difference in the gas yields between the batchtest and the two-stage system could be detected. Further investigations on the influence of pH-value on the degradation rate of lignocellulosic substrates showed an optimum pH between 7 and 8. The mechanical treatment of the digestates with the ball mill exhibited no losses of volatile solids through warming. The application of this procedure enhanced the specific methane yield from 9 to 17 % for maize silage digestate and hay/straw digestate respectively from the described laboratory plant. The treatment of the digestate obtained from a full-scale plant permitted a triplication of the specific methane yield at very low level. The combined mechanical and enzymatic treatment through the aerobic fungi “lentinula edodes” resulted in losses of volatile solids between 58.2 and 86.4 % for the hay/straw digestate and between 10.8 and 18.4 % for the substrate from the full-scale biogas plant depending on the incubation time. Furthermore, the investigations determined an increase in the lignin content of the hay/straw digestate by the combined treatment. Overall, using the digestate of the two-stage system, the mechanical/enzymatic treatment attributed to a methane yield loss by 86.4 %. In contrast, an increase of methane production by 134.5 % was observed with the full-scale digestates. This study has revealed that two-stage biogas systems are favorable only for easily degradable substrates. The phase separation was not beneficial for fiber rich substrates. Based on the results, a reactor cascade consisting of a continuous stirred-tank reactor and an anaerobic filter with similar milieu conditions seems to be well suited for the digestion of organic wastes. Due to the extraordinary high process stability, flexibility and high load capacity this system is very suitable for the treatment of substrates with extremely varying compositions. Moreover, within the study essential basics for the application of innovative fermentation procedures (e.g. pressure fermentation) were investigated. The combined mechanical and enzymatic treatment of digestates seems to be an interesting alternative to the established substrate pretreatment systems and it can be recommended also for single-stage biogas plants.

  • Publication . Doctoral thesis . 2017
    Open Access German
    Authors: 
    Schlömer, Gerrit;
    Publisher: Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
    Country: Germany

    [no abstract]

  • Open Access German
    Authors: 
    Holl, David; Kanzleiter, Lena; Stelzer, Birgit; Schiebel, Edgar;
    Publisher: Universität Ulm
    Country: Germany

    Die Menschheit verbraucht immer mehr Energie, insbesondere für Strom, Kraftstoffe oder zur Wärmeerzeugung. Die steigende Energienachfrage und ein gleichzeitig wachsendes Umweltbewusstsein zur Schonung fossiler Rohstoffe mit dem Ziel des nachhaltigen Wirtschaftens (sog. Biobased Economy) lässt die Bioenergie in den Fokus rücken. Die Autoren dieses Berichts analysieren anhand bibliometrischer Analysemthoden die vorhandene Literatur zu dieser Thematik. Es werden zentrale Wissenschaftler und Forschungsorganisationen identifiziert und thematische Kooperationsnetzwerke aufgezeigt. Außerdem werden aktuelle Forschungsthemen und emergente Technologien im Kontext der bioenergetischen Energieerzeugung identifiziert und beschrieben. In einem zweiten Teil werden drei mögliche Szenarien entwickelt und beschrieben, wie sich die Bioenergie und die jeweilig relevanten Technologien in Zukunft weiterentwickeln könnten. Auf dieser Grundlage werden Technologien abgeleitet, deren Anwendung zukünftigen Erfolg in sämtlichen möglichen drei Szenarien in der Energiebranche versprechen.

  • Open Access German
    Authors: 
    Sybertz, Janine;
    Publisher: Hannover : Institut für Umweltplanung, Leibniz Universität Hannover
    Country: Germany

    Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist es eine wichtige Aufgabe des Naturschutzes, Anpassungsstrategien zu entwickeln und umzusetzen, die Arten das Überleben vor Ort oder die Abwanderung in neue geeignete Lebensräume ermöglichen. Es gibt bereits eine Reihe von Vorschlägen für solche naturschutzfachlichen Anpassungsstrategien - was für die Umsetzung in der Regel fehlt, ist eine hinreichende Konkretisierung von Maßnahmen für die regionale Ebene. Ziel dieser Studie war eine solche Konkretisierung für die beiden niedersächsischen naturräumlichen Regionen Harz und Lüneburger Heide und Wendland, um die Implementierung von Anpassungsstrategien in den regionalen Naturschutz zu fördern. Der Schwerpunkt lag dabei auf den Strategien „Reduzierung derzeitiger Stressoren“ zur Erhöhung der Resilienz von Arten vor Ort und „Schaffung von Biotopverbundstrukturen“ zur Unterstützung der Anpassung durch Wanderung. Dazu wurden die deutschlandweit wichtigsten Gefährdungsursachen der in Harz und Lüneburger Heide potentiell klimaempfindlichen und naturschutzfachlich besonders relevanten Arten ermittelt und darauf aufbauend art- und lebensraumübergreifende Handlungsprioritäten für Maßnahmen in beiden Naturräumen abgeleitet. Darüber hinaus wurde analysiert, aus welchen Lebensräumen die Arten stammen, die besonders auf Biotopverbundmaßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel angewiesen sind, um daraufhin Empfehlungen zu geben, auf welche Lebensräume sich solche Maßnahmen prioritär konzentrieren sollten. Für den Naturraum Harz wird als Anpassung an den Klimawandel vorgeschlagen, prioritär in Maßnahmen zur Verhinderung von Nährstoffeinträgen bzw. Eutrophierung zu investieren, gefolgt von Maßnahmen zur Erhöhung der Konnektivität in der Landschaft und zur Verringerung des Landschaftsverbrauchs, Maßnahmen zur Offenhaltung von Lebensräumen, Maßnahmen zur naturnahen Waldrandgestaltung bzw. Waldbewirtschaftung und Maßnahmen zum Schutz und zur Wiederherstellung von Feuchtlebensräumen. Im Naturraum Lüneburger Heide sind in erster Linie Maßnahmen zum Schutz und zur Wiederherstellung von Feuchtlebensräumen wichtig, gefolgt von Maßnahmen zur Extensivierung landwirtschaftlicher Nutzung, Maßnahmen zur Offenhaltung von Lebensräumen und Maßnahmen zur Erhöhung der Konnektivität in der Landschaft und zur Verringerung des Landschaftsverbrauchs. Im Hinblick auf Biotopverbundmaßnahmen ist in beiden naturräumlichen Regionen der Schwerpunkt auf den Lebensraumtyp (trockenes) Offenland zu legen, in der Lüneburger Heide zusätzlich auch auf den Lebensraumtyp Gewässer. Generell ist eine Vergrößerung des Anteils naturschutzrechtlich geschützter bzw. gesicherter Fläche sinnvoll. Zur Beobachtung möglicher Veränderungen und zur Evaluation umgesetzter Maßnahmen wird die Einrichtung von Monitoringprogrammen empfohlen, deren Ergebnisse in ein adaptives Management einfließen. Da die Gefährdungsursachen einiger Arten und somit für sie geeignete Schutzmaßnahmen aufgrund unzureichender Daten zu ihrer Physiologie und Ökologie nicht hinreichend bekannt sind, besteht weiterhin ein erheblicher Bedarf für Grundlagenforschung. In light of climate change, reducing non-climatic stressors and increasing habitat connectivity are two strategies often recommended for nature conservation to mitigate climate change induced impacts on species. This study aims at specifying these rather coarse strategies and developing and prioritizing climate change related conservation measures for the “Harz” and “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregions. Therefore, non-climatic stressors currently affecting potential climate-sensitive species are identified. Additionally, the habitat preferences of potential climatesensitive species, which benefit most from an increased habitat connectivity, are analyzed. Within the “Harz” ecoregion, conservation measures for reducing eutrophication are of greatest importance for climate change adaptation, followed by measures for increasing habitat connectivity and reducing land consumption, measures for the preservation of open landscapes, measures for a nature-oriented forest management and measures for maintaining and promoting wetlands. Within the “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregion, conservation measures for maintaining and promoting wetlands are of most importance for climate change adaptation, followed by measures for the extensification of agriculture, measures for the preservation of open landscapes, as well as measures for increasing habitat connectivity and reducing land consumption. In both ecoregions, most potential climate-sensitive species, which benefit from an increased habitat connectivity, live in (dry) open land. Within the “Lüneburger Heide und Wendland” ecoregion, additional emphasis on measures for increasing habitat connectivity should be put on waterbodies. Additionally, increasing the amount of protected areas, together with establishing monitoring programs and adaptive management, are recommended as supplementary adaption strategies to address climate change impacts.

  • Publication . Doctoral thesis . 2004 . Embargo End Date: 18 Jun 2017
    Open Access German
    Authors: 
    Zahnen, Nikolaus;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II
    Country: Germany

    In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

  • Open Access German
    Authors: 
    Behr, Friederike; Kamlage, Jan-Hendrik;
    Publisher: Essen: Kulturwissenschaftliches Institut, 2015
    Country: Germany
  • Restricted German
    Authors: 
    Brinner, Andreas;
    Country: Germany
  • Open Access German
    Authors: 
    Arnd Weber;
    Publisher: Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Technology Assessment and Systems Analysis (ITAS)
  • Open Access German
    Authors: 
    Vanessa Hannesschläger; Redaktion Libreas;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Peer Reviewed