Mehrzentren-Integrationsverfahren für Molekülstruktur-Rechnungen

Das in unserer Arbeitsgruppe entwickelte relativistische Molekülstrukturprogramm RELMOS erlaubt die Berechnung der totalen Energie kleiner Moleküle und Cluster mit der Dichtefunktional-Methode. Das Programm arbeitet mit numerischen Basissätzen aus atomaren DFT-Rechnungen; alle vorkommenden Matrixelemente müssen daher duch eine dreidimensionale numerische Integrationsregel ausgewertet werden. Die linear mit der Zahl der Stützstellen der numerischen Regel skalierende Rechenzeit, bestimmt im Wesentlichen die Gesamtlaufzeit des Programms und beschränkt in der Praxis die Größe der berechenbaren Systeme. Die zu berechnenden Mehr-Zentren-Integrale können wie die atomaren Basisfunktionen an einem oder mehreren Kernorten gepeakt sein, so dass eine direkte Integration sehr ineffektiv ist. Die große Zahl der durchzuführenden Integrationen verlangt weiterhin die Aufstellung einer gemeinsamen Integrationsregel für alle vorkommenden Integrale. Durch eine Raumaufteilung kann ein solches Mehr-Zentren- Integral in eine Summe von Ein-Zentren-Integralen zerlegt werden. Anschließend kann für jedes Zentrum eine numerische Integrationsregel aufgestellt werden, die dem Verlauf der Wellenfunktionen in der Nähe der Kerne Rechnung trägt. Ziel ist dabei, die Regel so zu wählen, dass sie für alle Integranden geeignet ist, dabei aber eine möglichst geringe Zahl von Stützstellen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Programmpaket entstanden, dass die Erzeugung einer numerischen Integrationsregel für Mehr-Zentren-Systeme erlaubt. Der Algorithmus des Integrationspaketes ist sehr allgemein gehalten. Für jede Raumdimension und jedes Integrationszentrum lassen sowohl die numerische Integrationsregel, als auch Koordinatentransformationen und Genauigkeitsanforderungen getrennt angeben. Die Anzahl der Integrationspunkte kann mit Hilfe von Testfunktionen an die unterschiedlichen Raumbereiche angepasst werden. Anschließend kann die Anzahl der Punkte durch eine eventuell vorhandene Molekülsymmetrie reduziert werden. Das Integrationspaket wurde an Atomen und an Molekülen unterschiedlicher Größe und Symmetrie getestet und mit der bisher verwendeten Methode von Baerends et. al verglichen. Dabei wurde die jeweils erreichte Genauigkeit für verschiedene Größen in Abhängigkeit der Zahl der Integrationspunkte betrachtet. Gegenüber dem Verfahren von Baerends zeigt sich eine Verbesserung in der Anzahl der Integrationspunkte um einen Faktor vier bis neun bei gleicher Genauigkeit, während bei festgehaltener Zahl der Integrationspunkte die numerische Genauigkeit um zwei bis drei Größenordnungen gesteigert wird.

Entwicklung eines Windleistungprognosemodells zur Verbesserung der Kraftwerkseinsatzplanung

Die Maßnahmen zur Förderung der Windenergie in Deutschland haben wichtige Anstöße zur technologischen Weiterentwicklung geliefert und die Grundlagen für den enormen Anlagenzubau geschaffen. Die installierte Windleistung hat heute eine beachtliche Größenordnung erreicht und ein weiteres Wachstum in ähnlichen Dimensionen ist auch für die nächsten Jahre zu erwarten. Die aus Wind erzeugte elektrische Leistung deckt bereits heute in einigen Netzbereichen die Netzlast zu Schwachlastzeiten. Dies zeigt, dass die Windenergie ein nicht mehr zu vernachlässigender Faktor in der elektrischen Energieversorgung geworden ist. Im Rahmen der Kraftwerkseinsatzplanung sind Betrag und Verlauf der Windleistung des folgenden Tages mittlerweile zu wichtigen und zugleich schwierig zu bestimmenden Variablen geworden. Starke Schwankungen und falsche Prognosen der Windstromeinspeisung verursachen zusätzlichen Bedarf an Regel- und Ausgleichsleistung durch die Systemführung. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prognosemodell liefert die zu erwartenden Windleistungen an 16 repräsentativen Windparks bzw. Gruppen von Windparks für bis zu 48 Stunden im Voraus. Aufgrund von prognostizierten Wetterdaten des deutschen Wetterdienstes (DWD) werden die Leistungen der einzelnen Windparks mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) berechnet. Diese Methode hat gegenüber physikalischen Verfahren den Vorteil, dass der komplexe Zusammenhang zwischen Wettergeschehen und Windparkleistung nicht aufwendig analysiert und detailliert mathematisch beschrieben werden muss, sondern anhand von Daten aus der Vergangenheit von den KNN gelernt wird. Das Prognosemodell besteht aus zwei Modulen. Mit dem ersten wird, basierend auf den meteorologischen Vorhersagen des DWD, eine Prognose für den Folgetag erstellt. Das zweite Modul bezieht die online gemessenen Leistungsdaten der repräsentativen Windparks mit ein, um die ursprüngliche Folgetagsprognose zu verbessern und eine sehr genaue Kurzzeitprognose für die nächsten drei bis sechs Stunden zu berechnen. Mit den Ergebnissen der Prognosemodule für die repräsentativen Standorte wird dann über ein Transformationsmodell, dem so genannten Online-Modell, die Gesamteinspeisung in einem größeren Gebiet berechnet. Das Prognoseverfahren hat seine besonderen Vorzüge in der Genauigkeit, den geringen Rechenzeiten und den niedrigen Betriebskosten, da durch die Verwendung des bereits implementierten Online-Modells nur eine geringe Anzahl von Vorhersage- und Messstandorten benötigt wird. Das hier vorgestellte Prognosemodell wurde ursprünglich für die E.ON-Netz GmbH entwickelt und optimiert und ist dort seit Juli 2001 im Einsatz. Es lässt sich jedoch auch leicht an andere Gebiete anpassen. Benötigt werden dazu nur die Messdaten der Leistung ausgewählter repräsentativer Windparks sowie die dazu gehörenden Wettervorhersagen, um die KNN entsprechend zu trainieren.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Überwachung der Vorspannkraft Externer Spannglieder mit Hilfe der Modalanalyse

Aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Bauwerkssicherheit ist in Deutschland seit 1998 die externe Vorspannung in Hohlkastenbrücken zur Regelbauweise geworden. Durch Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung verspricht man sich im Brückenbau weitere Verbesserungen der Robustheit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer. Trotz des besseren Korrosionsschutzes im Vergleich zur internen Vorspannung mit Verbund sind Schäden nicht völlig auszuschließen. Um die Vorteile der externen Vorspannung zu nutzen, ist daher eine periodische Überwachung der Spanngliedkräfte, z. B. während der Hauptprüfung des Bauwerks, durchzuführen. Für die Überwachung der Spanngliedkräfte bei Schrägseilbrücken haben sich die Schwingungsmessmethoden als wirtschaftlich und leistungsfähig erwiesen. Für die Übertragung der Methode auf den Fall der externen Vorspannung, wo kürzere Schwingungslängen vorliegen, waren zusätzliche Untersuchungen hinsichtlich der effektiven Schwingungslänge, der Randbedingungen sowie der effektiven Biegesteifigkeit erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Modellkorrekturverfahren, basierend auf der iterativen Anpassung eines F.E.-Modells an die identifizierten Eigenfrequenzen und Eigenformen des Spanngliedes, für die Bestimmung der Spanngliedkräfte verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berücksichtigung der Parameter (Schwingungslänge, Randbedingungen und effektive Biegesteifigkeit) bei der Identifikation der effektiven Spanngliedkräfte. Weiterhin ist eine Modellierung jeder beliebigen Spanngliedausbildung, z. B. bei unterschiedlichen Querschnitten in den Verankerungs- bzw. Umlenkbereichen, gewährleistet. Zur Anwendung bei der Ermittlung der Spanngliedkräfte wurde eine spezielle Methode, basierend auf den besonderen dynamischen Eigenschaften der Spannglieder, entwickelt, bei der die zuvor genannten Parameter innerhalb jedes Iterationsschrittes unabhängig korrigiert werden, was zur Robustheit des Identifikationsverfahrens beiträgt. Das entwickelte Verfahren ist in einem benutzerfreundlichen Programmsystem implementiert worden. Die erzielten Ergebnisse wurden mit dem allgemeinen Identifikationsprogramm UPDATE_g2 verglichen; dabei ist eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt worden. Beim selbst entwickelten Verfahren wird die benötigte Rechenzeit auf ca. 30 % reduziert [100 sec à 30 sec]. Es bietet sich daher für die unmittelbare Auswertung vor Ort an. Die Parameteridentifikationsverfahren wurden an den Spanngliedern von insgesamt sechs Brücken (vier unterschiedliche Spannverfahren) angewendet. Die Anzahl der getesteten Spannglieder beträgt insgesamt 340. Die Abweichung zwischen den durch Schwingungs-messungen identifizierten und gemessenen (bei einer Brücke durch eine Abhebekontrolle) bzw. aufgebrachten Spanngliedkräften war kleiner als 3 %. Ferner wurden die Auswirkungen äußerer Einflüsse infolge Temperaturschwankungen und Verkehr bei den durchgeführten Messungen untersucht. Bei der praktischen Anwendung sind Besonderheiten aufgetreten, die durch die Verwendung des Modellkorrekturverfahrens weitgehend erfasst werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung dieses Verfahrens die Genauigkeit im Vergleich mit den bisherigen Schwingungsmessmethoden beachtlich erhöht. Ferner wird eine Erweiterung des Anwendungsbereiches auch auf Spezialfälle (z. B. bei einem unplanmäßigen Anliegen) gewährleistet.

Qualitative und quantitative Schwingungsmessung und -analyse mittels Digital-Shearografie

Speckle Pattern Shearing Interferometrie (Shearografie) ist eine speckle-interferometrische Messmethode und zeichnet sich durch die ganzflächige, berührungslose Arbeitsweise, hohe räumliche Auflösung und hohe Messempfindlichkeit aus. Diese Dissertation beinhaltet die neue bzw. weitere Entwicklung der Shearografie zur qualitativen Schwingungsbeobachtung und zur quantitativen Schwingungsmessung. Für die qualitative Schwingungsbeobachtung in Echtzeit werden die Optimierung des Zeitmittelungsverfahrens und die neue entwickelte Online-Charakterisierung von Streifenmustern mit statistischen Verfahren vorgestellt. Auf dieser Basis können sowohl eine genaue Fehlstellen-Detektion bei der zerstörungsfreien Materialprüfung als auch eine präzise Resonanzuntersuchung zeitsparend und vollautomatisch durchgeführt werden. Für die quantitative Schwingungsmessung wird eine sog. dynamische Phasenschiebe-Technik neu entwickelt, welche durch die Einführung eines synchron zum Objekt schwingenden Referenzspiegels realisiert wird. Mit dieser Technik ermöglicht das Zeitmittelungsverfahren die Amplituden und Phasen einer Objektschwingung quantitativ zu ermitteln. Auch eine Weiterentwicklung des stroboskopischen Verfahrens in Kombination mit zeitlicher Phasenverschiebung wird in der Arbeit präsentiert, womit der gesamte Prozess der Schwingungsmessung und -rekonstruktion beschleunigt und automatisch durchgeführt wird. Zur Bestimmung des Verschiebungsfeldes aus den gemessenen Amplituden und Phasen des Verformungsgradienten stellt diese Arbeit auch eine Weiterentwicklung des Summationsverfahrens vor. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Genauigkeit des ermittelten Verschiebungsfelds unabhängig von der Sheargröße ist und gleichzeitig das praktische Problem - Unstetigkeit - gelöst wird. Eine quantitative Messung erfordert eine genaue Kalibrierung der gesamten Messkette. Ein auf dem Least-Square-Verfahren basierendes Kalibrierverfahren wird in der Arbeit zur Kalibrierung der statischen und dynamischen Phasenverschiebung vorgestellt. Auch die Ermittelung der Sheargröße mit Hilfe der 1D- bzw. 2D-Kreuz-Korrelation wird präsentiert. Zum Schluss wurde die gesamte Entwicklung durch eine Vergleichsmessung mit einem handelsüblichen Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer experimentell verifiziert.

Entwicklung von Internetdiensten im Bereich der elektrischen Maschinenauslegung

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung analytischer Modelle im Bereich der elektrischen Maschinenauslegung und deren Umsetzung in ein Softwaresystem, dass zur Auslegung elektrischer Maschinen verwendet werden kann. Es wurden zahlreiche Modelle für die elektromagnetische sowie thermische Berechnung der permanentmagneterregten Synchronmaschine sowie Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer entwickelt. Bei den Berechnungen wurde mit einer geringen Anzahl von Eingabewerten eine gute Genauigkeit bei der Berechnung der Maschinenparameter erreicht. Dieses zeigte sich durch den Vergleich von analytisch berechneten Maschinenparametern und den Werten, die mittels der Finite-Elemente-Methode berechnet wurden. Darüber hinaus wurden auch Modelle entwickelt, die für spezielle Fragestellungen herangezogen werden können, wie zum Beispiel die Auswirkung der Stromverdrängung auf das dynamische Verhalten der Asynchronmaschine mit Käfigläufern. Die einzelnen Modelle wurden zu einer Softwareeinheit zusammengefasst, die Dienste zur Auslegung elektrischer Maschinen bereitstellt. Die Dienste dieser Softwareeinheit, die auf einem Server installiert ist, können über graphische Benutzerschnittstellen ortsunabhängig und somit weltweit verwendet werden. Durch die zentrale Lage der Modelle können sehr einfach Erweiterungen an der Berechnungssoftware vorgenommen und dem Nutzer zur Verfügung gestellt werden. Mit der Entwicklung einer graphischen Benutzerschnittstelle ist eine geführte und übersichtliche Eingabe der zur Berechnung notwendigen Eingaben entstanden. Mit der Wahl von http als Transportprotokoll wird ein etabliertes Protokoll verwendet, das eine Kommunikation zwischen zwei durch Firewalls abgesicherten Teilnetzen ermöglicht, ohne dass dadurch bedenkliche Lücken in einem Sicherheitskonzept entstehen. Durch die Verwendung von SOAP als Übertragungsprotokoll zwischen den Kommunikationspartnern wird ein firmen- und produktunabhängiges Protokoll verwendet, das sich in der Praxis immer stärker etabliert.

Digital image analysis as a tool to estimate legume contributions in legume-grass swards

Summary: Productivity and forage quality of legume-grass swards are important factors for successful arable farming in both organic and conventional farming systems. For these objectives the botanical composition of the swards is of particular importance, especially, the content of legumes due to their ability to fix airborne nitrogen. As it can vary considerably within a field, a non-destructive detection method while doing other tasks would facilitate a more targeted sward management and could predict the nitrogen supply of the soil for the subsequent crop. This study was undertaken to explore the potential of digital image analysis (DIA) for a non destructive prediction of legume dry matter (DM) contribution of legume-grass mixtures. For this purpose an experiment was conducted in a greenhouse, comprising a sample size of 64 experimental swards such as pure swards of red clover (Trifolium pratense L.), white clover (Trifolium repens L.) and lucerne (Medicago sativa L.) as well as binary mixtures of each legume with perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Growth stages ranged from tillering to heading and the proportion of legumes from 0 to 80 %. Based on digital sward images three steps were considered in order to estimate the legume contribution (% of DM): i) The development of a digital image analysis (DIA) procedure in order to estimate legume coverage (% of area). ii) The description of the relationship between legume coverage (% area) and legume contribution (% of DM) derived from digital analysis of legume coverage related to the green area in a digital image. iii) The estimation of the legume DM contribution with the findings of i) and ii). i) In order to evaluate the most suitable approach for the estimation of legume coverage by means of DIA different tools were tested. Morphological operators such as erode and dilate support the differentiation of objects of different shape by shrinking and dilating objects (Soille, 1999). When applied to digital images of legume-grass mixtures thin grass leaves were removed whereas rounder clover leaves were left. After this process legume leaves were identified by threshold segmentation. The segmentation of greyscale images turned out to be not applicable since the segmentation between legumes and bare soil failed. The advanced procedure comprising morphological operators and HSL colour information could determine bare soil areas in young and open swards very accurately. Also legume specific HSL thresholds allowed for precise estimations of legume coverage across a wide range from 11.8 - 72.4 %. Based on this legume specific DIA procedure estimated legume coverage showed good correlations with the measured values across the whole range of sward ages (R2 0.96, SE 4.7 %). A wide range of form parameters (i.e. size, breadth, rectangularity, and circularity of areas) was tested across all sward types, but none did improve prediction accuracy of legume coverage significantly. ii) Using measured reference data of legume coverage and contribution, in a first approach a common relationship based on all three legumes and sward ages of 35, 49 and 63 days was found with R2 0.90. This relationship was improved by a legume-specific approach of only 49- and 63-d old swards (R2 0.94, 0.96 and 0.97 for red clover, white clover, and lucerne, respectively) since differing structural attributes of the legume species influence the relationship between these two parameters. In a second approach biomass was included in the model in order to allow for different structures of swards of different ages. Hence, a model was developed, providing a close look on the relationship between legume coverage in binary legume-ryegrass communities and the legume contribution: At the same level of legume coverage, legume contribution decreased with increased total biomass. This phenomenon may be caused by more non-leguminous biomass covered by legume leaves at high levels of total biomass. Additionally, values of legume contribution and coverage were transformed to the logit-scale in order to avoid problems with heteroscedasticity and negative predictions. The resulting relationships between the measured legume contribution and the calculated legume contribution indicated a high model accuracy for all legume species (R2 0.93, 0.97, 0.98 with SE 4.81, 3.22, 3.07 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The validation of the model by using digital images collected over field grown swards with biomass ranges considering the scope of the model shows, that the model is able to predict legume contribution for most common legume-grass swards (Frame, 1992; Ledgard and Steele, 1992; Loges, 1998). iii) An advanced procedure for the determination of legume DM contribution by DIA is suggested, which comprises the inclusion of morphological operators and HSL colour information in the analysis of images and which applies an advanced function to predict legume DM contribution from legume coverage by considering total sward biomass. Low residuals between measured and calculated values of legume dry matter contribution were found for the separate legume species (R2 0.90, 0.94, 0.93 with SE 5.89, 4.31, 5.52 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The introduced DIA procedure provides a rapid and precise estimation of legume DM contribution for different legume species across a wide range of sward ages. Further research is needed in order to adapt the procedure to field scale, dealing with differing light effects and potentially higher swards. The integration of total biomass into the model for determining legume contribution does not necessarily reduce its applicability in practice as a combined estimation of total biomass and legume coverage by field spectroscopy (Biewer et al. 2009) and DIA, respectively, may allow for an accurate prediction of the legume contribution in legume-grass mixtures.

Positive und konservative Verfahren höherer Ordnung

In der Anwendung treten häufig Differentialgleichungssysteme auf, deren Komponenten über das Lösen mit einer vorgegeben Genauigkeit hinaus Anforderungen an die, zur Näherung verwendeten, numerischen Verfahren stellen. Die Arbeit widmet sich hierbei den beiden Forderungen 1. Erhaltung der Positivität aller positiven Größen (z.B. Massen, Konzentrationen, Energie) und 2. Erhaltung der Masse in abgeschlossenen Systemen. Ausgehend von einem komplexen ökologischen 2D Modell zur Beschreibung von Algendynamiken in flachen Gewässern auf Grund der verfügbaren Phosphorvorkommen wird ein problemangepasstes Finite-Volumen-Verfahren entwickelt. Den in diesem Rahmen auftauchenden gewöhnlichen Differentialgleichungssystemen wird spezielle Aufmerksamkeit geschenkt. Es werden die bestehenden Begriffe auf eine gemeinsame formale Basis gestellt und die bestehenden Verfahren (Bruggeman und modifizierte Patankar Ansätze) mit Hilfe dieser vereinheitlichten Basis formuliert. Anschließend werden die diesen Ansätzen jeweils eigenen Schwierigkeiten und Einschränkungen (Ordnungsschranke von zwei, Erhaltung der Konservativität nur für Gleichungen mit einfacher Struktur, nicht für steife Systeme geeignet) betrachtet. Danach werden zwei Verfahrensverallgemeinerungen des modifizierten Patankar Euler Verfahrens präsentiert, welche jeweils eine der bestehenden Schwächen aufhebt. 1. Das extrapolierte mod. Pat. Euler Verfahren ermöglicht in Abhängigkeit des zu Grunde liegenden Problems die Erzeugung von Näherungen beliebig hoher Ordnung. 2. Das verallgemeinerte mod. Pat. Euler Verfahren erlaubt den Erhalt der Masse auch für komplexe Strukturen. Anschließend befasst sich die Arbeit mit der Vorstellung des verwendeten FVV, einer angepassten Form der 2D DLR Taucodes. Im weiteren Verlauf werden sämtliche theoretischen Aussagen zu den Verfahren an Hand entsprechend gewählter praktischer Testfälle demonstriert. Abschließend wird die Wirksamkeit des Gesamtverfahrens in seiner Anwendung auf das Algendynamikmodell vorgeführt.

Mikrobielle Nutzung von Ernteresten in Bodensäulen und Litterbags

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflüsse der Bodenart und Einarbeitungstiefe von Streu auf die mikrobielle Nutzung und ihren Abbau. Anhand einer Kohlenstoffsequestrierung wurde die Verlagerung streubürtigen Kohlenstoffes in die Fraktionen CO2-C, SOC, extrahierbaren Kohlenstoff, Cmik und POM-C betrachtet. Aufgrund der Analyse der δ13C-CO2 Werte der Bodenrespiration, im Rahmen der Sequestrierung des streubürtigen Kohlenstoffes, war der Anteil der streubürtigen Bodenrespiration und somit die gesamte, zu erwartende Bodenrespiration bekannt. Durch die, bei der Kohlenstoffsequestrierung, ermittelten Werte konnte eine Plausibilitätsprüfung an vier Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration, auf ihre Genauigkeit und mögliche Artefakte hin, durchgeführt werden. Des Weiteren wurden in einem anschließenden Freilandversuch unter subtropischen Bedingungen die Einflüsse verschiedener Dünger und Feldfrüchte, in Abhängigkeit der Streuqualität, auf den Streuabbau und die mikrobielle Besiedelung hin untersucht. Im ersten Versuch (Kapitel 3), wurde anhand eines Säulenversuches der Einfluss der Einarbeitungstiefe, in Anhängigkeit der Bodenart, auf den Streuabbau untersucht. Dieses ist von großer Bedeutung, da auf landwirtschaftlich genutzten Flächen Streu und so genannte "Grüne Dünger" durch den Einsatz unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme, wie z.B. der Kreiselegge oder dem Wendepflug, in unterschiedliche Tiefen eingearbeitet werden. Die Verlagerung streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes per Pilzhyphen, über eine Distanz von bis zu 20 cm wurde innerhalb dieser Arbeit das erste Mal gezeigt. Bisherige Studien zeigten einzig einen Transport von streubürtigem Kohlenstoff per Pilzhyphen, über eine kurze Distanz von der Detritussphäre in den angrenzenden Boden. Der höhere Anteil streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes innerhalb der von der Streuschicht weiter entfernten Schichten im sandigen Boden, im Vergleich zum lehmigen Boden zeigte, dass das feine Porenvolumen des lehmigen Bodens den Transport Streubürtigen Kohlenstoffes per Pilzhyphen grundsätzlich behindert. Diese Annahme wurde durch die stärkere Abnahme des Anteils streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes, mit zunehmender Entfernung zur Streuschicht, im lehmigen Boden im Vergleich zum sandigen Boden unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass der sandige Boden zusätzlich durch die höhere Porosität eine erhöhte Sauerstoffdurchlässigkeit und somit, in den tieferen Schichten bessere Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen bietet als der lehmige Boden. Durch die Ausbreitung substratbürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes wurde im sandigen Boden mehr streubürtiger Kohlenstoff durch Mikroorganismen inkorporiert als im lehmigen Boden. Ein weiterer Grund für die geringere Verlagerung von streubürtigem Kohlenstoff in die mikrobielle Biomasse des lehmigen Bodens ist wahrscheinlich der bessere physikalische Schutz durch den höheren Tonanteil. Durch die Einarbeitung der Streu stieg in allen Ansätzen der Gehalt an Ergosterol, welcher ein wesentlicher Indikator für die Präsenz saprotropher Pilze ist. Besonders stark ausgeprägt war der Anstieg des Ergosterolgehaltes, sowie des Ergosterol / mikrobielle Biomasse C – Quotienten, wenn Streu in die untere Schicht (15 - 20 cm) ein-gearbeitet wurde. Diese tiefenspezifischen Unterschiede wurden bisher in noch keinem weiteren Versuch beobachtet und können auf die Entwicklung unterschiedlicher pilzlicher Gemeinschaften zurück zu führen sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass pilzliche Nekromasse in den oberen Bodenschichten schneller umgesetzt wird und somit bei der Ergosterolbestimmung nicht mit erfasst wird. Da der Umsatz der pilzlichen Nekromasse im porösen sandigen Boden, aufgrund der höheren Sauerstoffverfügbarkeit und des geringeren physikalischen Schutzes, vermutlich höher ist als im lehmigen Boden, wird diese Annahme durch den im sandigen Boden geringeren Gehalt an mikrobiellen Kohlenstoff unterstützt. Wie erwartet, überstieg die Mineralisation der Streu im sandigen Boden die der im lehmigen Boden. Jedoch anders als erwartet, unterschied sich die Mineralisation in Abhängigkeit der Einarbeitungstiefe, mit einer erhöhten Mineralisation bei Einarbeitung der Streu in 0 - 5 cm Tiefe, einzig im sandigen Boden. Die Berechnung des Ertragskoeffizienten zeigte, dass die Substratsnutzungseffizienz der Mikroorganismen im sandigen Boden signifikant geringer war als die im lehmigen Boden. Die Zugabe von Streu führte in beiden Böden, verstärkt jedoch im lehmigen Boden, zu einem positiven Priming Effekt, der in beiden Bö-den stärker ausgeprägt war, als Streu in 0–5 cm Tiefe eingearbeitet wurde. Trotz Abnahme der SOC-bürtigen mikrobiellen Biomasse stieg die Mineralisation des SOC stark an. Es ist anzunehmen, dass extrazelluläre Enzyme wie Cellulase und Lignin modifizierende Enzy-me, produziert von saprotrophen Pilzen, zum Abbau von Cellolose und Lignin der Streu, zum Teil sehr effizient SOC abbauen. Im zweiten Versuch (Kapitel 4) wurde anhand des gleichen Säulenversuches (Versuch 1; Kapitel 3) der Einfluss der Entfernung von CO2-hot-spots im Boden zur Bodenoberfläche, in Abhängigkeit der Bodenart, auf vier verschiedene Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration betrachtet. Zusätzlich wurde durch eine Plausibilitätsprüfung anhand der Kohlenstoffbilanz, basierend auf der in Versuch 1 durchgeführten Kohlenstoffsequestrierung, die Genauigkeit der vier Methoden in Abhängigkeit der Bodenart überprüft. Für beide Ansätze mit sandigem Boden zeigen IR und PAS eine deutliche Überschätzung der mit NaOH und GC bestimmten Bodenrespiration. Die Überschätzung durch IR ist dabei auf die durch die dynamische Haube verursachten Turbulenzen und deren Auswirkungen auf den porösen sandigen Boden zurück zu führen. Bei geringen Respirationsraten, wie bei der Kontrolle, zeigt die Messung mittels IR trotz Turbulenzen, verursacht durch den Ventilator der Haube, keine Überschätzung. Die Überschätzung durch PAS hingegen kann nicht auf Turbulenzen, verursacht durch die dynamische Haube, zurück geführt werden, da bei den Analysen mit PAS und GC identische Hauben, höher und größer als bei IR, eingesetzt wurden und die Bodenrespiration durch GC nicht überschätzt wurde. Im Gegensatz zu beiden sandigen Ansätzen überschätzt IR die Bodenrespiration im lehmigen Boden nicht. NaOH hingegen unterschätzt die Bodenrespiration, wenn Streu in 15-20 cm Tiefe des lehmigen Bodens eingearbeitet ist. Dieses ist dadurch zu erklären, dass, bedingt durch die geringere Porosität sowie das höhere Wasserhaltevermögen und dem daraus resultierenden geringeren Luft gefüllten Porenvolumen, die Diffusion von CO2 im lehmigen Boden langsamer ist als im sandigen Boden. Nach Absorption des CO2 der Haubenluft diffundiert das CO2 des CO2-hot-spots in 15-20 cm Tiefe, entlang des Diffusionsgradienten, aufgrund des Diffusionswiderstandes in lehmigen Boden langsamer zur Oberfläche als im sandigen Boden oder wenn der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche liegt. Da bei der Messung mit der dynamischen Haube diese nur kurz auf der Fläche verbleibt, beeinflusst der Diffusionsgradient diese Messungen nicht. Hinzukommt, dass bei den Messsystemen, die in Kombination mit der dynamischen Haube eingesetzt werden, im Gegensatz zur Absorption durch Lauge keine CO2 Abreicherung stattfindet und die Diffusion von CO2 aus dem Boden über lange Zeit bis zu hohen CO2 Konzentration in der Haube linear bleibt. Alle drei mit einer dynamischen Haube kombinierten Methoden zeigen mit Korrelations-koeffizienten zwischen 0,90 und 0,93 starke Korrelationen mit NaOH. Während PAS die Bodenrespiration im Verhältnis zu NaOH immer überschätzt, tritt eine Überschätzung durch GC nur bei Mineralisationsraten unter 500 mg m-2 h-1 und für IR bei Mineralisations-raten über 40 mg m-2 h-1 ein. Die Plausibilitätsprüfung zeigt, dass für sandigen Boden, mit NaOH und GC eine sehr exakte Wiederfindung von Kohlenstoff erreicht wird, wohingegen IR und PAS in der Wiederfindung von Kohlenstoff bei deutlich über 100 % liegen. Für den lehmigen Boden hingegen ist nach Entfernung der CO2-hot-spots zur Bodenoberfläche zu differenzieren. Befindet sich der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche ist die Wiederfindung von Kohlenstoff für NaOH, GC und IR sehr exakt. Befindet sich der CO2-hot-spot jedoch in 15-20 cm Tiefe, ist die Wiederfindung des Kohlenstoffes durch NaOH deutlich unter 100 %. Die Wiederfindung durch PAS liegt sowohl für den sandigen als auch für den lehmigen Boden immer deutlich über 100 %. Im dritten Versuch (Kapitel 5), wurde anhand eines Litterbag-Versuches im Norden des Omans, der Einfluss verschiedener Dünger und Feldfrüchte auf den Abbau von Streu auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Abhängigkeit der Streuqualität betrachtet. Bei dem Großteil bisheriger Streuabbauversuche, unter gemäßigten und subtropischen Klimaten, stand der Abbau von Streu im Wald im Fokus der Betrachtung. Die wenigen Versuche zum Streuabbau auf landwirtschaftlich genutzten Flächen beschränken sich auf die gemäßigten Klimate. Wohingegen der Abbau von Streu, sowie der Einfluss von Dünger und Feldfrucht unter subtropischen Bedingungen, zum ersten mal mit der vorliegenden Arbeit fokussiert wurde. Der Verlust an organischem Material war verglichen mit Versuchen un-ter gemäßigten Klimaten, bei allen vier Streuarten, generell hoch. Der höhere Abbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu ist auf Unterschiede der Streuqualität zurückzuführen. Neben der Verwertbarkeit durch Mikroorganismen beeinflusst die Streuqualität zusätzlich die "Schmackhaftigkeit" der Streu für Organismen der Mesofauna. Wodurch ein selektiver Transport und/oder Grazing von Mikroorganismen stattfindet. Der geringere Abbau der Luzernenstreu verglichen mit Maisstreu jedoch ist nicht auf die Streuqualität sondern auf die geringere mikrobielle Besiedelung der Luzernenstreu während der Versuchszeit zurückzuführen. Der Unterschied im Grad der mikrobiellen Besiedelung kann durch die erhobenen Daten nicht erklärt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Leguminosen Substanzen wie z.B. Polyphenole enthalten, welche die mikrobielle Biomasse und im Besonderen die pilzliche Biomasse in beachtlichem Umfang inhibitieren. Ebenso wenig ist der höhere Abbau von Weizenstreu verglichen mit Rapsstreu durch die Streuqualität zu begründen. Eine mögliche Erklärung für den geringeren Abbau der Rapsstreu kann ihr hoher Aluminium Gehalt sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass die Rapsstreu organische Substanzen wie Glucosinolate enthält, welche den mikrobiellen Streuabbau inhibitieren. Während der Hemicellulosegehalt am Ende des Versuches nicht durch die Streuqualität beeinflusst war, zeigten Cellulose und Lignin quali-tätsabhängige Effekte. Der stärkere Abbau von Cellulose bei Luzernen- und Maisstreu ist auf den anfänglich höheren Stickstoffgehalt zurückzuführen, wodurch die Produktion und Aktivität von Cellulose degradierenden Enzymen, wie Exo-Cellulase, Endo-Cellulase und Xylanase, anstieg. Es ist davon auszugehen, dass die Differenzen im Celluloseabbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu, neben Unterschieden im anfänglichen Stickstoffgehalt, auf den höheren Schutz von Cellulose durch Lignin in Raps- und Weizenstreu zurückzuführen sind. Während der initial geringe Stickstoffgehalt den Ligninabbau in Raps- und Weizenstreu unterstützt, ist die relative Anreicherung von Lignin in Luzernen- und Maisstreu hingegen auf den initial hohen Stickstoffgehalt zurückzuführen. Dem entgegen hat die Zusammensetzung weiterer Nährstoffe einen sehr geringen Effekt. Es ist jedoch möglich, dass stärkere Effekte durch den Eintrag von Boden in die Litterbags durch Organismen der Mesofauna, Wurzelwachstum oder physikalische Verlagerung überdeckt werden. Während unter organische Düngung, die pilzliche Biomasse ansteigt, fördert der leicht verfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung die Bildung bakterieller Biomasse. Der höher Gehalt an pilzlicher Biomasse unter organischer Düngung zeigte keinen generellen Effekt auf den Abbau von Kohlenstoff. Er führte jedoch zu einer Veränderung in der Streuzusammensetzung. Die verringerte Abnahme bzw. verstärkte Zunahme der Nährstoffgehalte bei organischer Düngung ist durch den Eintrag dünger-bürtiger Nährstoffe, im Besonderen durch die verstärkte Bildung pilzlicher Hyphen in die Litterbags hinein, zu erklären. Trotz höherer Gehalte an pilzlicher Biomasse war der Ligningehalt am Ende des Versuches unter organischer Düngung höher als unter mineralischer Düngung. Diese ist auf den Eintrag düngerbürtiger Pilze zurückzuführen, welche eine geringere Lignindegradierungseffizienz aufweisen. Der Einfluss der Feldfrucht auf den Streuabbau äußert sich durch höhere Gehalte mikrobieller und im Besonderen pilzlicher Biomasse, und durch geringere Gehalte an N, P, Ca, Na und K in, im Litterbag verbleiben-der Streu, unter dem Anbau von Mohrrüben. Der Anstieg der pilzlichen Biomasse führt, ebenso wie bei der organischen Düngung zu keinem generellen Anstieg der Kohlenstoffdegradation, zeigt jedoch einen selektiven Effekt auf den Abbau von Cellulose. Der Einfluss, sowohl auf die mikrobielle Biomasse, als auch auf den Nährstoffgehalt, zeigt die Bedeutung der Unterschiede im Wurzelwachstum, der Rhizodeposition sowie des Nährstoffbedarfs in Abhängigkeit der Feldfrucht. Trotz großer Unterschiede der Streuarten im anfänglichen Gehalt mikrobieller Biomasse war dieser am Ende des Versuches für alle Streuarten identisch. Dieses war Folge eines starken Anstiegs der pilzlichen Biomasse bei Luzernen- und Maisstreu sowie einer Abnahme der pilzlichen Biomasse bei Raps- und Weizenstreu, welche zuvor noch nicht beobachtet wurde. Dieses macht den Einfluss der anfänglichen mikrobiellen Biomasse auf deren Entwicklung während des Streuabbauprozesses im Boden deutlich. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der anfänglichen pilzlichen Biomasse der Raps- und Weizenstreu, welche sich unter gemäßigten Klimaten entwickelte, unter subtropischen Bedingungen nicht überlebensfähig war. Generell war der Streuabbau durch Pilze dominiert. Es zeigte sich jedoch, dass Unterschiede im Pflanzenmaterial einen Einfluss auf die bakterielle Biomasse hatten, Unterschiede in Düngung und Feldfrucht hingegen die pilzliche Biomasse und die bakterielle Biomasse beeinflussten.

Impact of sward type, cutting date and conditioning temperature on mass and energy flows in the integrated generation of solid fuel and biogas from semi-natural grassland

Energy production from biomass and the conservation of ecologically valuable grassland habitats are two important issues of agriculture today. The combination of a bioenergy production, which minimises environmental impacts and competition with food production for land with a conversion of semi-natural grasslands through new utilization alternatives for the biomass, led to the development of the IFBB process. Its basic principle is the separation of biomass into a liquid fraction (press fluid, PF) for the production of electric and thermal energy after anaerobic digestion to biogas and a solid fraction (press cake, PC) for the production of thermal energy through combustion. This study was undertaken to explore mass and energy flows as well as quality aspects of energy carriers within the IFBB process and determine their dependency on biomass-related and technical parameters. Two experiments were conducted, in which biomass from semi-natural grassland was conserved as silage and subjected to a hydrothermal conditioning and a subsequent mechanical dehydration with a screw press. Methane yield of the PF and the untreated silage was determined in anaerobic digestion experiments in batch fermenters at 37°C with a fermentation time of 13-15 and 27-35 days for the PF and the silage, respectively. Concentrations of dry matter (DM), ash, crude protein (CP), crude fibre (CF), ether extract (EE), neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF), acid detergent ligning (ADL) and elements (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) were determined in the untreated biomass and the PC. Higher heating value (HHV) and ash softening temperature (AST) were calculated based on elemental concentration. Chemical composition of the PF and mass flows of all plant compounds into the PF were calculated. In the first experiment, biomass from five different semi-natural grassland swards (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) was harvested at one late sampling (19 July or 31 August) and ensiled. Each silage was subjected to three different temperature treatments (5°C, 60°C, 80°C) during hydrothermal conditioning. Based on observed methane yields and HHV as energy output parameters as well as literature-based and observed energy input parameters, energy and green house gas (GHG) balances were calculated for IFBB and two reference conversion processes, whole-crop digestion of untreated silage (WCD) and combustion of hay (CH). In the second experiment, biomass from one single semi-natural grassland sward (Arrhenaterion) was harvested at eight consecutive dates (27/04, 02/05, 09/05, 16/05, 24/05, 31/05, 11/06, 21/06) and ensiled. Each silage was subjected to six different treatments (no hydrothermal conditioning and hydrothermal conditioning at 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C). Energy balance was calculated for IFBB and WCD. Multiple regression models were developed to predict mass flows, concentrations of elements in the PC, concentration of organic compounds in the PF and energy conversion efficiency of the IFBB process from temperature of hydrothermal conditioning as well as NDF and DM concentration in the silage. Results showed a relative reduction of ash and all elements detrimental for combustion in the PC compared to the untreated biomass of 20-90%. Reduction was highest for K and Cl and lowest for N. HHV of PC and untreated biomass were in a comparable range (17.8-19.5 MJ kg-1 DM), but AST of PC was higher (1156-1254°C). Methane yields of PF were higher compared to those of WCD when the biomass was harvested late (end of May and later) and in a comparable range when the biomass was harvested early and ranged from 332 to 458 LN kg-1 VS. Regarding energy and GHG balances, IFBB, with a net energy yield of 11.9-14.1 MWh ha-1, a conversion efficiency of 0.43-0.51, and GHG mitigation of 3.6-4.4 t CO2eq ha-1, performed better than WCD, but worse than CH. WCD produces thermal and electric energy with low efficiency, CH produces only thermal energy with a low quality solid fuel with high efficiency, IFBB produces thermal and electric energy with a solid fuel of high quality with medium efficiency. Regression models were able to predict target parameters with high accuracy (R2=0.70-0.99). The influence of increasing temperature of hydrothermal conditioning was an increase of mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and a differing effect on energy conversion efficiency. The influence of increasing NDF concentration of the silage was a differing effect on mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. The influence of increasing DM concentration of the silage was a decrease of mass flows, an increase of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. Based on the models an optimised IFBB process would be obtained with a medium temperature of hydrothermal conditioning (50°C), high NDF concentrations in the silage and medium DM concentrations of the silage.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.