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This work contains investigations on the effect of powdered activated carbon (PAC) on the effluent quality and operational safety of a membrane bioreactor (MBR), as well as its effects on sewage sludge quality. The tests to detect these effects were carried out in one of the four large-scale MBRs operated in parallel at an 80.000 p.e. WWTP sewage treatment plant in Kaarst. Comparative investigations without PACs were carried out in two other MBRs. The focus was on different dosing strategies in which the PAC was dosed into the activated sludge tank in proportion to the volume flow, continuously over time and in daily pulse dosings. The cleaning performance of the PAC-MBR was improved compared to the reference. The elimination of carbon compounds and especially the adsorption of trace organic substances was significantly increased at the low PAC dosing rates of 7±5 to 10±7 gPAC/m³ influent. The mean and maximum values for nitrogen compounds in the effluent were also lower in the PAC-MBR than in the MBR without PAC, while no significant change was observed for phosphorus.At similar PAC doses, only a slight difference between the dosing strategies was discernible. Overall, the continuous dosing showed the best organic carbon and trace organic substances elimination. Daily pulse dosing showed the highest system availability for PAC dosing due to the simple dosing technology.A better filterability of the activated sludge with PAC addition could be determined and was linked to a lower content of fouling-promoting substances. In addition, a reduction in the air requirement for nitrification aeration of the PAC-MBR was observed.An improvement in the thickening of the excess sludge via sieve belt thickener was observed. The improved dewaterability of the digested sludge could be demonstrated in the laboratory in semi-technical and in the large-scale tests. During a time of PAC dosing in all four MBRs of the WWTP, a clear improvement for the dewatering efficiency in the large-scale centrifuge was achieved at the tested PAC concentrations. The cost of PAC dosing into the biological stage is not determined by the investment costs, but largely by the operating costs from PAC dosing. Considering possible savings for the wastewater levy, aeration energy and sludge disposal costs, the additional costs for PAC dosing are reduced by approx. 50 to 80 %, depending on the scenario. The investigations carried out show a high technological potential. Membrane bioreactor technology has already been state of the art for 20 years and it is complemented and completed to a considerable extent by the dosing of PAC. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen , 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

Der Klimawandel und seine negativen Auswirkungen auf Natur und Gesellschaft stellen den Menschen zunehmend vor Herausforderungen. Da sich ein ursachenbekämpfendes und lösungsorientiertes Handeln und Entscheiden auf das Verstehen naturwissenschaftlicher Zusammenhänge stützt, ist eine nachhaltige schulische Klimabildung erforderlich. Im ersten Teil der Arbeit wird daher die naturwissenschaftliche Perspektive erläutert, da sie die Grundlage für die Interpretation von Schüler:innenvorstellungen bildet. Nach der konstruktivistischen Lerntheorie erfordert das Lehren naturwissenschaftlich komplexer Themen die Berücksichtigung der kognitiven Voraussetzungen der Lernenden inklusive individueller Lernenden- bzw. Schüler:innenvorstellungen. Allerdings liegen zum aktuellen Zeitpunkt noch keine Studien zu den Vorstellungen von Grundschüler:innen in Deutschland zum Klimawandel vor, die für eine schüler:innenorientierte Konzeption von Lehr-Lern- Gelegenheiten essentiell wären. In dieser Arbeit wurden daher Vorstellungen von Fünftklässler:innen verschiedener Berliner Grundschulen zum Klimawandel über eine Fragebogenerhebung erhoben, indem elementare Vorstellungselemente zu den Ursachen, Folgen und Handlungsperspektiven ermittelt und über eine Frequenzanalyse quantifiziert wurden. Um ein tiefergehendes Verständnis über individuelle Erklärungsansätze innerhalb der subjektiven Theorien zu erlangen, wurden zusätzlich halbstrukturierte Leitfadeninterviews durchgeführt und in Struktur-Maps visualisiert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Lernenden des naturwissenschaftlichen Anfangsunterrichtes ihre Vorstellungen zum Klimawandel größtenteils anhand von digitalen, neuen und sozialen Medien und ihres sozialen Umfeldes konzipieren. Im Bereich elementarer Vorstellungselemente assoziierten die Fünftklässler:innen insbesondere das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid mit dem Klimawandel. Die Schüler:innenvorstellungen waren individuell sehr verschieden, größtenteils wissenschaftsfern und anfällig für Vermischungskonzepte verschiedener Klima- und Umweltprobleme. Anhand der Ergebnisse wurden mögliche Anknüpfungspunkte für die Änderungen von lebensweltnahen Konzepten hin zu wissenschaftsnahen Vorstellungen identifiziert. Abschließend wurden in den didaktischen Implikationen Vorschläge für experimentell ausgerichtete Lerngelegenheiten formuliert, die den Klimawandel schüler:innenorientiert und wissenschaftsnah didaktisch strukturieren.

Angesichts zukünftiger nachhaltiger Herausforderungen werden Ingenieure und Ingenieurinnen gebraucht, die an Hochschulen neben den üblichen fachlichen Wissensinhalten ebenso interdisziplinäre Kompetenzen erwerben können. Im Projekt "Technologien für nachhaltige Entwicklung" (Stiftung Innovation in der Hochschullehre, 2021) des Konsortiums der Technischen Universität Hamburg und der HafenCity Universität Hamburg wird eben dieses Ziel verfolgt. In Form von hochschulübergreifenden, offenen und digital zugänglichen Lernangeboten am Beispiel der 17 UN-Nachhaltigkeitsziele können Studierende nachhaltige Handlungskompetenzen erwerben. Das Ziel des vorliegenden Forschungsbeitrags besteht deshalb darin, sinnvolle Anknüpfungspunkte für die Entwicklung eines modularen Zusatzangebots aus curricularer und lehrender Perspektive herauszustellen. In view of future sustainable challenges, engineers are needed who can acquire interdisciplinary competencies at universities in addition to the usual technical knowledge content. In the project "Technologies for Sustainable Development" [Stiftung Innovation in der Hochschullehre, 2021] of the consortium of the Hamburg University of Technology and the HafenCity University Hamburg, this very goal is being pursued. In the form of cross-university, open and digitally accessible learning opportunities based on the example of the 17 UN Sustainable Development Goals, students can acquire sustainable action competencies. The aim of this research paper is therefore to identify useful starting points for the development of a modular supplementary offering from a curricular and teaching perspective

Die Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar. Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben. Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem „Unterer Lindenhof“, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor „Unterer Lindenhof“ eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt. The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential. The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available. In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology. All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory. The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible.

The search for alternative technologies to generate and store energy, together with the need to close carbon cycles, is providing a renaissance for organic electrochemistry. This work addresses the advancement of promising methods in the context of an electrified biorefinery.As a long-term goal of most industrial chemical processes, continuous reactions are also of great interest for electrification. Therefore, general concepts for Kolbe and non-Kolbe electrolysis in flow cells were investigated using model systems. It was found that Kolbe electrolysis is particularly suitable for semi-continuous conversions due to concentrated substrate solutions. Using the dimerization of levulinic acid as an example, previous literature results were exceeded with a yield of 75%. In non-Kolbe electrolysis, various reactor designs were realized using conventional fabrication methods as well as 3D printing. The synthesis of a promising drop-in fuel mixture was then tested in the continuous flow cell, achieving a space-time-yield seven times higher than the optimized batch reaction. Lastly, 3D printing was shown to make microreactors accessible for non- Kolbe electrolysis. To make electrochemical reactions even more efficient, different reduction reactions of levulinic acid were investigated that could be coupled to Kolbe electrolysis. Direct hydrogenation, already discussed in the literature, was used here to demonstrate the suitability of screen-printed electrodes for subsequent in situ spectroscopic studies. A novel reductive valorization was demonstrated by nitrogen incorporation and cyclization to 1,5-dimethylpyrrolidone in yields up to 78%.In another study of coupling anodic and cathodic conversions, the glucose dimer cellobiose was converted to the fine chemicals cellobitol and cellobionic acid. The electrochemical synthesis of cellobitol was not demonstrated before. While the oxidation reaction had already been studied by cyclic voltammetry and the synthesis of cellobionic acid had been reported, yields of 94% were achieved for the first time by using a redox mediator. In the last part of the work, spectroelectrochemical methods were established to study the adsorption of the organic substrates on electrode surfaces and ultimately to advance the understanding of the reaction mechanisms. Using in situ ATR-SEIRAS, the competition of Kolbe electrolysis and OER was compared in aqueous and methanolic solutions. Competitive adsorption was also observed for the reductive conversions of levulinic acid, simultaneously confirming that the reactions occur within the Helmholtz layer. In addition, an in situ Raman measurement cell was developed in which low-cost screen-printed electrodes can be used for screening studies. Dissertation, RWTH Aachen University, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, RWTH Aachen University, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

Ein schonender Umgang mit Ressourcen und die Erforschung neuer regenerativer Füllstoffe sind wesentliche Bestandteile bei der Entwicklung neuer Elastomer-Materialien. Eine vollständige oder anteilige Substitution des am weitesten verbreiteten Füllstoffs Ruß kann in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag leisten. In dieser Arbeit wurde die Eignung und das Verstärkungspotential des am häufigsten vorkommenden Biopolymers Cellulose als Füllstoff untersucht, welche eine faserige Morphologie und eine geringe Dichte aufweist. Durch die Einarbeitung einer wässrigen Cellulose-Suspension in einen Kautschuk-Latex kann die hohe spezifische Oberfläche der nanofibrillierten Cellulose (NFC) aufrechterhalten werden und ermöglicht so die Herstellung von Elastomeren, die eine hohe Verstärkung und geringe Dichte aufweisen. Es wurden verschiedene Elastomermatrices ausgewählt und grundlegend charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Einarbeitung von NFC, im Vergleich zu den hergestellten Referenz-Ruß-Systemen, in vielen Fällen zu vergleichbaren oder verbesserten Eigenschaften der Komposit-Materialien führt. Bei der Einarbeitung in eine Polychloropren-Matrix konnte gezeigt werden, dass die NFC-Materialien eine höhere Verstärkung bei niedrigeren Dehnungswerten aufweisen sowie mit steigendem Füllstoffgehalt eine deutliche Abnahme des Quellverhaltens einhergeht. Des Weiteren sind die Dichte-Werte die NFC-Materialien geringer als die der Ruß-Materialien. Die Permeabilität der Ruß- und NFC-Systeme ist ebenfalls vergleichbar. Außerdem wurde die etablierte Silica-Silan-Technologie auf Celluose übertragen, um eine Hydrophobierung und eine damit einhergehende bessere Verträglichkeit der polaren Cellulose gegenüber der unpolaren Polymermatrix zu erzielen. Zuvor musste jedoch ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt durchgeführt werden, um die leichtflüchtigen Bestandteile, die durch das Sekundärlatexverfahren im Masterbatch zurückgeblieben sind, zu entfernen. Durch Plastifizierung der Masterbatch-Materialien konnten die leichtflüchtigen Komponenten entfernt und eine erfolgreiche Weiterverarbeitung gewährleistet werden. Die Einarbeitung verschieden modifizierter Cellulose-Varianten in eine Butylkautschuk-Matrix hat gezeigt, dass durch die Silanisierung der Cellulose die Polymer-Füllstoff-Wechselwirkungen erheblich verbessert werden konnte. Dies hat sich in einer Zunahme der Reißfestigkeit, einer Abnahme des Quellgrads und in einer deutlichen Reduktion der Permeabilität gezeigt. Die Auswirkungen des statischen und dynamischen Koagulationsverfahrens wurden ebenfalls untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass das dynamische Koagulationsverfahren („Continuous Dynamic Latex Compounding“, CDLC) zu einer besseren Füllstoffdispersion beigetragen hat und dadurch Elastomere hergestellt werden konnten, die bessere Materialeigenschaften aufweisen. Dies wurde unter anderem an Mischungen untersucht, bei denen Acrylnitril-Butadien-Kautschuk als Polymermatrix eingesetzt wurde. Anhand der vorliegenden Ergebnisse und der breiten Untersuchungen in verschiedenen Polymeren konnte gezeigt werden, dass Cellulose eine nachhaltige Alternative zu den etablierten Füllstoffen darstellt und es möglich ist, Elastomere mit geringer Dichte und einer hohen Verstärkung herzustellen. The efficient handling of resources and research into new regenerative fillers are essential components of the development of new elastomer materials. A complete or partial substitution of the most common filler carbon black can make an important contribution in this context. In this paper, the suitability and the reinforcement potential of the most common biopolymer cellulose as a filler was investigated as it has a fibrous morphology and low density. By incorporating an aqueous cellulosic suspension into a rubber latex, the high specific surface area of nanofibrillated cellulose (NFC) can be maintained, enabling the production of elastomers that feature high reinforcement and low density. Various elastomer matrices were selected and fundamentally characterized. It could be shown that the incorporation of NFC, compared to the manufactured reference carbon black systems, led to comparable or improved properties of the composite materials in many cases. When incorporated into a polychloroprene matrix, it could be shown that the NFC materials have higher reinforcement at lower elongation values and that the swelling behavior decreases significantly with increasing filler content. Furthermore, the density values of the NFC materials are lower than those of the carbon black materials. The permeability of the carbon black and NFC systems is comparable. In addition, the established silica-silane technology was transferred to cellulose in order to make the polar cellulose hydrophobic and thus more compatible with the non-polar polymer matrix. Before that, however, an additional processing step had to be carried out in order to remove the volatile components that remained in the masterbatch as a result of the secondary latex process. By plasticizing the masterbatch materials, the volatile components could be removed and a successful further processing ensured. The incorporation of differently modified cellulose variants into a butyl rubber matrix has shown that the polymer-filler interactions can be significantly improved by silanizing the cellulose. This was reflected in an increase in tear strength, a decrease in the degree of swelling and a significant reduction in permeability. The effects of the static and dynamic coagulation procedure were also studied. It could be shown that the dynamic coagulation process (“Continuous Dynamic Latex Compounding”, CDLC) has contributed to better filler dispersion and, as a result, it has been possible to produce elastomers with better material properties. This was investigated, among other things, on mixtures in which acrylonitrile butadiene rubber was used as the polymer matrix. Based on the present results and the broad investigations in different polymers, it could be shown that cellulose represents a sustainable alternative to the established fillers and that it is possible to produce elastomers with low density and high reinforcement.

Dieses Dossier gibt einen Einblick, wie Ergebnisse aus Förderprojekten in die Breite getragen bzw. nach Ablauf der Förderdauer weitergenutzt werden können. Dazu werden zunächst mit diesem Prozess in Verbindung gebrachte Begrifflichkeiten, wie Verstetigung, Transfer, Dissemination oder Nachhaltigkeit, dargestellt. Anschließend geht es um die Frage welche Faktoren, die Verstetigungsprozesse positiv sowie negativ beeinflussen. Dafür werden Ergebnisse einer Literaturrecherche und einer Diskussion mit Expert_innen dargestellt. Im Fokus dieser Publikation stehen die Ergebnisse einer Online-Befragung. Sie zeigen, welche Relevanz bestimmte Faktoren für die Verstetigung haben, inwieweit die unterschiedlichen Perspektiven der befragten Personengruppen Einfluss auf die Sichtweise der Verstetigung nehmen und ob sich Unterschiede je nach betrachteter Produktform (Software, Lehr-/Lernmaterial, Wissen und Konzepte für Wissenschaft bzw. Praxis) ergeben. Eine Diskussion und Gesamtbetrachtung der Ergebnisse sowie ein Fazit runden die Ausführungen ab. (DIPF/Orig.) Essen : mmb Institut GmbH 2023, 32 S.

Die Veränderung des Klimas verdeutlicht u. a. die globale Relevanz des emissionsarmen Betriebs maritimer Systeme. Für diesen bedarf es einer nachhaltigen Energieversorgung an Bord, die durch die Integration erneuerbarer Energiequellen erreichbar ist. Dadurch entstehen zusätzliche Freiheitsgrade für das Energiemanagement eines Schiffs gegenüber dem Stand der Technik, bei dem alle Anlagen über große zentrale Generatoren versorgt werden. Da an Bord großenteils Gleichstrom (DC) verwendet wird, wird eine DC-Energieversorgung betrachtet, welche gegenüber Wechselstrom (AC)-Netzen Umwandlungsverluste reduziert. In der Studie wird mit Reinforcement Learning als Methodik für eine mehrdimensionale Optimierung untersucht, welche zusätzlichen Freiheitsgrade im Energienetz ausgeschöpft werden können. Dazu werden ein exemplarisches Kabinennetz eines Kreuzfahrtschiffes realitätsgetreu in MATLAB (Software) modelliert und eine optimierte Regelung für das Energiemanagement simuliert. Dabei werden zwei Regelziele verfolgt: zum einen die Optimierung der Spannungsniveaus der Quellen (Batteriespeicher, Photovoltaik, Netzeinspeisung) in Form einer Droop-Regelung, zum anderen die Optimierung der mit dem Netz ausgetauschten Leistungen der genannten Quellen. Durch die Anpassung der Spannungsniveaus lässt sich die Aufteilung der Lasten zwischen den Quellen variieren, eine Überlastung einzelner Quellen verhindern und die Lebensdauer der Komponenten im Netz maximieren. Die Studie leistet einen Beitrag bei der Ermittlung des Potenzials von KI-Anwendungen für das Energiemanagement.

Der Klimawandel erfordert den Ausbau urbaner blau-grüner Infrastrukturen, was jedoch mit einem erheblichen Mehrbedarf an Wasser einhergeht. Zentrale Abwasserinfrastrukturen genügen nicht den Ansprüchen der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Daher ist ein neuer Umgang mit Wasser im städtischen Kontext notwendig. Die getrennte Erfassung von schwach belastetem Grauwasser aus Duschen und Handwaschbecken bietet eine nahezu kontinuierliche, wenig verschmutzte Wasserressource zur Wiederverwendung. Naturnahe Verfahren wie Bodenfilter können zur Grauwasseraufbereitung eingesetzt werden; der hohe Flächenbedarf beschränkte jedoch bisher den Einsatz in dicht besiedelten Gebieten. In dieser Arbeit werden technologiebasierte und konzeptionelle Ansätze vorgestellt. Dabei wurden acht vertikal durchströmte Bodenfilter zur nutzungsorientierten Grauwasseraufbereitung im kleintechnischen und Pilotmaßstab untersucht und zusätzlich ein Excel-basiertes Instrument entwickelt, das die Auswirkungen der Grauwasserseparation auf konventionelle zentrale Kläranlagen bewertet. Die Ergebnisse zeigen schwankende Zusammensetzungen und Mengen von Grauwasser. Aufgrund begrenzter Datenverfügbarkeit in der Fachliteratur wird empfohlen, die hier ermittelten 85-Perzentilwerte von 13 g CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) pro Einwohner (E) und Tag sowie 55 L/(E·d) für die Bemessung von Anlagen zur Behandlung von gesiebtem, schwach belastetem Grauwasser heranzuziehen. Die ermittelten Stickstofffrachten und -konzentrationen waren aufgrund von Urinkontamination um 60 – 130 % höher als bisher angenommen, während die Phosphorkonzentrationen gesetzlich bedingt um ca. 60 % niedriger lagen. Alle Vertikalfilter wiesen im Ablauf meist < 2,0 mg/l abfiltrierbare Stoffe (AFS) bzw. < 10 mg/l CSB auf (also Eliminationen von überwiegend > 98 % AFS bzw. > 97 % CSB). Der aufgeständerte Rheinsandfilter zeigte bei < 12°C eine eingeschränkte Nitrifikation, während der Lavasandfilter bei > 5°C vollständig nitrifizierte. Die Vertikalfilter entfernten bis zu 50 – 70 % Stickstoff bei Drainageeinstau und Nitratrückführung. Der Lavasandfilter hielt Phosphor weitestgehend zurück. Die Reduktion von Escherichia coli, Enterokokken und Gesamtcoliformen betrug > 3 log-Stufen, während organische Spurenstoffe meist zu > 85 % entfernt wurden. Durch gezielte Anpassungen im Aufbau und Betrieb wurden für verschiedene Nutzungszwecke (Bewässerung, Versickerung und Toilettenspülung) geeignete Qualitäten erreicht. Der erforderliche Flächenbedarf für Bodenfilter zur Behandlung von schwach belastetem Grauwasser wurde zu 0,4 m2/E bestimmt (bezogen auf 85-Perzentilwerte). Dem liegen eine CSB-Flächenbelastung von 32 g/(m2·d) und eine hydraulische Flächenbelastung von 130 L/(m2·d) zugrunde. Die Anwendung von Lavasandfiltern in aufgeständerter Bauweise erwies sich als praxistauglich. Damit wird die Ausweitung des Bodenfilterverfahrens auf den urbanen Raum gefördert. Die Bilanzierungen zeigen, dass die Abtrennung von bis zu 17 % des an die Kläranlage angeschlossenen Grauwassers förderlich für den Kläranlagenbetrieb ist. Bei höheren Abtrennungsraten könnte jedoch eine Stickstoffrückgewinnung/-entfernung aus stickstoffreichen Schlammströmen erforderlich werden. Die Trennung bzw. dezentrale Aufbereitung von Grauwasser hat Vorteile wie Verdunstungskühlung und Wasserwiederverwendung und unterstützt zentral die Transition zu ressourcenorientierten Sanitärsystemen. Insgesamt können betrieblich und baulich angepasste Bodenfilter eine wichtige Rolle in dieser Umstellung spielen und einen deutlichen Beitrag zum nachhaltigen Umgang mit Wasser im städtischen Bereich leisten. Climate change requires the strengthening of urban blue-green infrastructure, which, however, is associated with a significant increase in water demand. Concurrently, centralized wastewater infrastructures are inadequate to meet the criteria for resource efficiency and sustainability, as mixed wastewater discharge persists. Therefore, a new approach to water management is imperative in urban contexts. Source-separation of light greywater, such as from showers and hand wash basins, provides a nearly permanent, low-polluted water resource for reuse. Nature-based solutions like constructed wetlands can be employed for greywater treatment; however, the substantial area requirements have so far limited their implementation in highly urbanized areas. This study presents technology-based and conceptual approaches, involving the investigation of eight vertical-flow constructed wetlands for on-demand greywater treatment at small and pilot scales. Additionally, an Excel-based tool was developed to assess the impact of greywater separation on the operation of conventional wastewater treatment plants (WWTP). The findings reveal varying compositions and volumes of the investigated greywater. Due to limited data availability in existing literature, it is recommended to utilize the 85th percentiles derived from this study for the design of constructed wetlands treating light greywater, amounting to 13 g COD (chemical oxygen demand) per person (P) and day and 55 L/(P·d). Total nitrogen loads and concentrations were 60 – 130% higher than previously assumed due to urine contamination, while total phosphorus concentrations were about 60% lower due to legal regulations. In all wetland systems investigated, the effluent showed < 2.0 mg/L of total suspended solids and < 10 mg/L of COD, corresponding to eliminations mostly > 98% and > 97%, respectively. The elevated Rhine sand wetland showed limited nitrification at < 12°C, while the lava sand wetland showed complete nitrification at > 5°C. The investigated wetlands removed up to 50 – 70% of nitrogen by impounding the drainage layer and returning nitrate-rich effluent to the wetland surface. The lava sand wetland retained phosphorus extensively. Reduction of Escherichia coli, Enterococci, and total coliforms exceeded > 3 log levels, while organic micropollutants were predominantly removed by > 85%. Through adjustments in design and operation, suitable qualities were achieved for different reuses (irrigation, infiltration, and toilet flushing). The necessary surface area requirement for constructed wetlands treating light greywater was determined to be 0.4 m²/P (based on 85th percentile values). This value is derived from a COD surface load of 32 g/(m²·d) and a hydraulic surface load of 130 L/(m²·d). The deployment of elevated lava sand wetlands proved to be viable in practice. Overall, these findings promote the expansion of constructed wetlands to urbanized areas. Mass and volume flow balances indicate that the separation of up to 17% of the greywater connected to the WWTP benefits its operation. However, at higher separation rates, TN recovery/removal from nitrogen-rich sludge streams may be required. The separation/decentralized treatment of greywater offers manifold advantages such as evaporation cooling and water reuse, and significantly supports the transition towards resource-oriented sanitation systems. Adapted constructed wetlands can play an important role in this transformation process and can significantly contribute to a more sustainable water management in urban areas. Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen; 12