Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

Bedeutung der C- und N-Rhizodeposition für das mikrobielle Wachstum und den mikrobiellen Umsatz von C und N in der Rhizosphäre in Abhängigkeit von der Entfernung zur Wurzel

Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung des C und N mit Herkunft aus der Rhizodeposition für das mikrobielle Wachstum und den C- und N-Umsatz in der Rhizosphäre in Abhängigkeit von der Entfernung zur Wurzel zu untersuchen. Dazu wurde als wesentliche methodische Voraussetzung ein künstliches Rhizosphärensystem entwickelt, um die durch die Rhizodeposite induzierten Prozesse an der Grenzfläche zwischen Wurzeloberfläche und Boden zu untersuchen. Dieses eingesetzte Rhizosphärensystem wurde nach einem Vorbild eines in schon vielfältigen Untersuchungen der Rhizosphäre eingesetzten Systems von GAHOONIA und NIELSEN (1991) konzipiert. Zur Verfolgung der pflanzlichen C- und N-Rhizodeposition im Boden wurden 13C- und 15N-Tracer-Isotopen-Techniken zur Isotopenmarkierung der Testpflanzen eingesetzt. Zur Probenahme des Rhizosphärenbodens in räumlichen Abstand zur künstlichen Rhizoplane wurde eine Schneidvorrichtung nach FITZ et al. (2003) eingesetzt, die es ermöglicht frische Bodenproben in definiertem Abstand zur künstlichen Rhizoplane zu schneiden. Das Rhizosphärensystem wurde in 13C- und 15N-Doppelmarkierungsexperimenten mit Lolium perenne, Triticum aestivum und Avena sativa eingesetzt.Das unterschiedliche Ansprechen der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Substrateintrag in unterschiedlicher Entfernung zur Wurzel zeigte komplexe Wechselwirkungen in Bezug auf das mikrobielle Wachstum, den mikrobiellen Umsatz, den Substrateintrag aus der Rhizodeposition und den stimulierten Abbau der nativen organischen Bodensubstanz. Der Eintrag von Rhizodepositen stellt daher eine bedeutende Funktion in der Regulation der mikrobiellen Biomasse und der Prozesse des Umsatzes der organischen Bodensubstanz während und wahrscheinlich bis nach der Vegetationsperiode dar. Die simultane Verfolgung von Rhizodepositions-C und -N im Boden und deren Funktionen innerhalb der Rhizosphäre, gerade im Hinblick auf die mikrobielle Biomasse und den Umsatz der organischen Substanz im Boden, führt zu einem besseren Verständnis der komplexen wechselseitigen Prozesse zwischen Pflanze und Boden.

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.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.

Fütterungsbedingte mikrobielle Zusammensetzung von Rinderkot und deren Einfluss auf Gasemissionen und N-Mineralisierung im Boden

Um die Nährstoffeffizienz im Boden zu erhöhen und klimarelevante Gasemissionen zu minimieren, sind quantitative Informationen zu den C- und N-Fraktionen im Kot sowie deren Mineralisierungspotential nötig. Da über die Hälfte des fäkalen N mikrobiell gebunden ist, sind Methoden zur Bestimmung der mikrobiellen Kotqualität hilfreich. Ziele der ersten Publikation waren die Anwendung der CFE-Methode zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse in Rinderkot, Ergosterolbestimmung als Marker für die pilzliche Biomasse und Aminozuckernachweis zur Analyse der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur (pilzliches Glucosamin und bakterielle Muramin-säure). Mit Hilfe der CFE-Methode sollten lebende Mikroorganismen im Kot, inklusive Bakterien, Pilze und Archaeen, erfasst werden. Verschiedene Extraktionsmittel wurden für diese Methode getestet, um stabile Extrakte und reproduzierbare mikrobielle Biomasse-C- und -N-Gehalte zu erhalten. Der Einsatz von 0.05 M CuSO4 als Extraktionsmittel löste vorherige Probleme mit der Extraktion CHCl3-labiler N-Komponenten und sorgte für stabile Kotextrakte. Die Methoden wurden in einem Kotinkubationsexperiment bei 25 °C verglichen. Mikrobielle Parameter zeigten dynamische Charakteristika und mögliche Verschiebungen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft. Im Kot von Färsen betrug das mittlere C/N-Verhältnis 5,6 und der mittlere Cmik/Corg-Quotient 2,2%, das Verhältnis von Ergosterol zum mikrobiellen Biomasse-C war 1,1‰. Ergosterol und Aminozuckeranalyse ergaben einen signifikanten Pilzanteil von über 40% des mikrobiellen Gesamt-C. Für die Analyse mikrobieller Parameter in Rinderkot erwiesen sich alle getesteten Methoden als geeignet. Diese wurden für die folgenden Fütterungsversuche weiter unabhängig voneinander angewendet und verglichen. Die zweite Publikation verglich eine N-defizitäre (ND) und eine ausgeglichene N-Bilanz (NB) bei der Fütterung von Milchkühen unter Berücksichtigung der Kot-inhaltsstoffe, der mikrobiellen Parameter und der Verdaulichkeit. Unterschiede zwischen Individuen und Probennahmetagen wurden ebenfalls miteinbezogen. Mittlerer mikrobieller Biomasse-C- und -N-Gehalt war 37 bzw. 4,9 mg g-1 TM. Der Pilzanteil lag diesmal bei 25% des mikrobiellen Gesamt-C. Die Fütterung zeigte signifikante Effekte auf die Kotzusammensetzung. Das fäkale C/N-Verhältnis der NB-Fütterung war signifikant niedriger als bei ND. Gleiches gilt für das C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse mit jeweils 9.1 und 7.0 für ND und NB. Auch die Verdaulichkeit wurde durch die Fütterung beeinflusst. Unverdauter Futterstickstoff, Faserstoffe (NDF) und Hemi-cellulose waren in der ND-Behandlung signifikant erhöht. Einige Parameter zeigten nur einen Einfluss der Probennahmetage, mit den angewendeten Methoden gelang jedoch der eindeutige Nachweis der Fütterungseffekte auf mikrobielle Parameter im Rinderkot, wobei sich die Fütterung in nur einer Variable unterschied. Weitere Fütterungseinflüsse auf die Kotqualität wurden schließlich auch für Rinder unterschiedlicher Leistungsstufen erforscht. Hier waren die Unterschiede in der Fütterung wesentlich größer als in den vorhergehenden Experimenten. Der Kot von Färsen, Niederleistungs- und Hochleistungskühen sowie dessen Einfluss auf N2O-Emissionen, N-Mineralisierung und pflanzliche N-Aufnahme wurden untersucht. Die Färsenfütterung mit geringem N- und hohem ADF-Anteil führte zu pilzdominiertem Kot. Besonders im Vergleich zum Kot der Hochleistungskühe war der Gehalt an mikrobiellem Biomasse-C niedrig, in Verbindung mit einem breiten mikrobiellen C/N-Verhältnis und hohem Ergosterolgehalt. Eingemischt in Boden zeigte Färsenkot die niedrigste CO2-Produktion und höchste N-Immobilisierung sowie niedrigste N2O-Emissionen während einer 14-tägigen Inkubation bei 22 °C. In einem 62-Tage-Gefäßversuch mit Welschem Weidelgras waren der Trocken-masseertrag und die pflanzliche Stickstoffaufnahme in den Färsenbehandlungen am niedrigsten. Die Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen korrelierte positiv mit der Stickstoffkonzentration im Kot und negativ mit dem Rohfasergehalt, aber auch negativ mit dem C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse und dem Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem C. Mikrobielle Parameter im Kot zeigten einen größeren Zusammen-hang mit der pflanzlichen Stickstoffaufnahme als die mikrobiellen Bodenparameter.

Auswirkung der Rückführung von Kurzumtriebsplantagen in Acker- und Grünlandnutzung auf Boden C-Fraktionen

Bei der Rückführung von Kurzumtriebsplantagen (KUP) in konventionelle landwirtschaftliche Nutzung erfolgt zur Saatbettvorbereitung für die Folgekulturen eine intensive Bodenbearbeitung, um Wurzeln und Erntereste zu zerkleinern und in den Boden einzuarbeiten. Dies erhöht einerseits die Mineralisierung der unter KUP akkumulierten organischen Bodensubstanz (OBS), andererseits werden dem Boden hohe Mengen an Kohlenstoff (C) mit den Ernteresten zugeführt. In dieser Arbeit wurde an den Standorten Georgenhof Pappel, Georgenhof Weide und Wachtum Pappel in einem Feldversuch untersucht, wie sich unterschiedliche Bodenbearbeitungstiefen von 5, 15 und 30 cm während der Rückführung der langjährig bewirtschafteten KUPs in Acker- und Grünlandnutzung auf die C-Dynamik im Boden auswirken. Im Mittelpunkt stand dabei die Überprüfung der Annahme, ob durch eine reduzierte Bodenbearbeitung und eine nachfolgende Grünlandnutzung die Mineralisierung der OBS gemindert werden kann. Die nach der letzten Holzernte auf den Flächen verbliebenen und in den Boden eingearbeiteten oberirdischen Erntereste führten dem Boden, neben der in der zerkleinerten Wurzelbiomasse gespeicherten C-Menge von 1-9 t C ha-1, zusätzlich zwischen 12 und 17 t C ha-1 zu. Der Anstieg der freien, leichten organischen Fraktion des Bodens direkt nach dem Umbruch der Flächen sowie im Zuge der Bodenbearbeitung verfügbar gewordene leicht abbaubare organische Verbindungen, steigerten die mikrobielle Aktivität. Dies führte trotz der intensiven Bodenbearbeitung zu einer Erhöhung des mit Makroaggregaten assoziierten C nach dem Fräsen der Flächen. Die erneute Bodenbearbeitung der Ackerparzellen ein Jahr nach dem Umbruch führte an allen Standorten und in allen Bearbeitungstiefen durch die Zerstörung von Makroaggregaten jedoch zu einer Abnahme des C in dieser Fraktion. Demgegenüber zeigte sich durch die ausbleibende Bodenbearbeitung unter Grünlandnutzung auf beiden Flächen am Georgenhof eine bessere Stabilisierung des C in den Makroaggregaten. Am Standort Wachtum nahm der C in der Makroaggregatfraktion auch unter Grünland ab, da die Aggregierung und somit auch die physikalische Stabilisierung der organischen Substanz in diesem sandigeren Boden gering ist. Dies spiegelte sich in Verlusten von 10% in der leichten organischen Fraktion wider. Die mikrobielle Biomasse nahm innerhalb eines Jahres an allen Standorten ab, verursacht durch die abnehmende Verfügbarkeit der organischen Substanz, was sich in gesunkenen Cmik/Corg Verhältnisse niederschlug. Dennoch hat ein Jahr nach dem Umbruch der KUPs die in den Ernteresten gespeicherte C Menge auf allen Flächen im Zuge des fortschreitenden mikrobiellen Abbaus um bis zu 23 t C ha-1 abgenommen. Da sich keine Änderung in der Gesamtkohlenstoffmenge des Mineralbodens feststellen ließ, wurden mögliche Mineralisationsverluste der OBS durch Abbauprodukte der Erntereste ausgeglichen. Am Standort Georgenhof Weide zeigte sich dabei in den tiefen Fräsvarianten eine geringere Abnahme der in den Ernteresten gespeicherten C-Menge gegenüber den flachen Fräsvarianten. Ebenso deutete ein höheres C/N Verhältnis der Erntereste unter Grünland gegenüber Ackernutzung auf allen drei Flächen auf einen verlangsamten Abbau der Erntereste hin. In einem Inkubationsversuch im Labor wurde das hohe N-Immobilisierungspotential der eingearbeiteten Kronen- und Wurzelreste insbesondere zu Abbaubeginn der Erntereste nachgewiesen. Eine ansteigende N-Immobilisierung nach einer zusätzlichen N-Gabe deutete an, dass eine N-Düngung im Feld möglicherweise erst nach Abbau der leicht verfügbaren Verbindungen der Erntereste empfehlenswert ist. Höhere Ergosterol/Cmik Verhältnisse nach Einarbeitung der Erntereste zeigten den gestiegenen Anteil an saprotrophen Pilzen in der mikrobiellen Gemeinschaft an. Ein Jahr nach der Rückführung der KUPs in landwirtschaftliche Nutzung deuteten die C-Verluste aus den labilen Bodenfraktionen erste Verluste des organischen Kohlenstoffs des Mineralbodens an. Allerdings ließ sich noch kein eindeutiger Einfluss der unterschiedlichen Frästiefen oder Nachnutzungen auf die C-Fraktionen im Mineralboden feststellen, so dass sich im Hinblick auf die anfangs gestellte Annahme einer verringerten C-Mineralisierung durch eine reduzierte Bodenbearbeitung noch keine Aussage treffen lässt.

Nitrogen and carbon dynamics in grassland soils and plants after application of digestate

A better understanding of effects after digestate application on plant community, soil microbial community as well as nutrient and carbon dynamics is crucial for a sustainable grassland management and the prevention of species and functional diversity loss. The specific research objectives of the thesis were: (i) to investigate effects after digestate application on grass species and soil microbial community, especially focussing on nitrogen dynamic in the plant-soil system and to examine the suitability of the digestate from the “integrated generation of solid fuel and biogas from biomass” (IFBB) system as fertilizer (Chapter 3). (ii) to investigate the relationship between plant community and functionality of soil microbial community of extensively managed meadows, taking into account temporal variations during the vegetation period and abiotic soil conditions (Chapter 4). (iii) to investigate the suitability of IFBB-concept implementation as grassland conservation measure for meadows and possible associated effects of IFBB digestate application on plant and soil microbial community as well as soil microbial substrate utilization and catabolic evenness (Chapter 5). Taken together the results indicate that the digestate generated during the IFBB process stands out from digestates of conventional whole crop digestion on the basis of higher nitrogen use efficiency and that it is useful for increasing harvestable biomass and the nitrogen content of the biomass, especially of L. perenne, which is a common species of intensively used grasslands. Further, a medium application rate of IFBB digestate (50% of nitrogen removed with harvested biomass, corresponding to 30 50 kg N ha-1 a-1) may be a possibility for conservation management of different meadows without changing the functional above- and belowground characteristic of the grasslands, thereby offering an ecologically worthwhile alternative to mulching. Overall, the soil microbial biomass and catabolic performance under planted soil was marginally affected by digestate application but rather by soil properties and partly by grassland species and legume occurrence. The investigated extensively managed meadows revealed a high soil catabolic evenness, which was resilient to medium IFBB application rate after a three-year period of application.

Experimentelle Untersuchung der rotierenden Instabilität im Axialverdichtergitter

Die Strömung in Turboverdichtern ist geprägt von instationären Effekten. Ziel dieser experimentellen Arbeit ist die zeitlich aufgelöste Darstellung eines dieser Effekte: der rotierenden Instabilität. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das dem Auftreten von rotierender Ablösung vorausgeht und bereits im stabilen Arbeitsbereich auftritt. Das bessere Verständnis der rotierenden Instabilität bietet somit auch einen Ansatz zur Klärung der Ursachen, die zu rotierender Ablösung führen. Zur Durchführung der zeitlich aufgelösten Untersuchung wird im Rahmen dieser Arbeit eine Messmethodik vorgestellt, welche erstmals bei der Strömungsuntersuchung in Turbomaschinen Anwendung findet. Die Methodik basiert auf simultanen Messungen mittels konventionellem PIV und zeitlich hochaufgelöster Hitzdrahtanemometrie. Über die Frequenzanalyse des Hitzdrahtsignals ist es im Postprocessing möglich, die einzelnen PIV-Bilder gemäß ihres Phasenwinkel zu ordnen. Dieser statistische Ansatz ermöglicht die Darstellung und Analyse der zeitlichen Entwicklung von rotierender Instabilität über einer Schwingungsperiode.

Alley cropping of willows and grassland for bioenergy provision: productivity, tree-crop interactions and energy balance

The demand for biomass for bioenergy has increased rapidly in industrialized countries in the recent years. Biogenic energy carriers are known to reduce CO2 emissions. However, the resource-inefficient production of biomass often caused negative impacts on the environment, e.g. biodiversity losses, nitrate leaching, and erosion. The detrimental effects evolved mainly from annual crops. Therefore, the aim of modern bioenergy cropping systems is to combine yield stability and environmental benefits by the establishment of mixed-cropping systems. A particular emphasis is on perennial crops which are perceived as environmentally superior to annual crops. Agroforestry systems represent such mixed perennial cropping systems and consist of a mix of trees and arable crops or grassland within the same area of land. Agroforestry practices vary across the globe and alley cropping is a type of agroforestry system which is well adapted to the temperate zone, with a high degree of mechanization. Trees are planted in rows and crops are planted in the alleyways, which facilitates their management by machinery. This study was conducted to examine a young alley cropping system of willows and two grassland mixtures for bioenergy provision under temperate climate conditions. The first part of the thesis identified possible competition effects between willows and the two grassland mixtures. Since light seemed to be the factor most affecting the yield performance of the understory in temperate agroforestry systems, a biennial in situ artificial shade experiment was established over a separate clover-grass stand to quantify the effects of shade. Data to possible below- and aboveground interactions among willows and the two grassland mixtures and their effects on productivity, sward composition, and quality were monitored along a tree-grassland interface within the alleys. In the second part, productivity of the alley cropping system was examined on a triennial time frame and compared to separate grassland and willow stands as controls. Three different conversion technologies (combustion of hay, integrated generation of solid fuel and biogas from biomass, whole crop digestion) were applied to grassland biomass as feedstock and analyzed for its energetic potential. The energetic potential of willow wood chips was calculated by applying combustion as conversion technique. Net energy balances of separate grassland stands, agroforestry and pure willow stands evaluated their energy efficiency. Results of the biennial artificial shade experiment showed that severe shade (80 % light reduction) halved grassland productivity on average compared to a non-shaded control. White clover as heliophilous plant responded sensitively to limited radiation and its dry matter contribution in the sward decreased with increasing shade, whereas non-leguminous forbs (mainly segetal species) benefited. Changes in nutritive quality could not be confirmed by this experiment. Through the study on interactions within the alleys of the young agroforestry system it was possible to outline changes of incident light, soil temperature and sward composition of clover-grass along the tree-grassland interface. Nearly no effects of trees on precipitation, soil moisture and understory productivity occurred along the interface during the biennial experiment. Considering the results of the productivity and the net energy yield alley cropping system had lower than pure grassland stands, irrespective of the grassland seed mixture or fertilization, but was higher than that for pure willow stands. The comparison of three different energetic conversion techniques for the grassland biomass showed highest net energy yields for hay combustion, whereas the integrated generation of solid fuel and biogas from biomass (IFBB) and whole crop digestion performed similarly. However, due to the low fuel quality of hay, its direct combustion cannot be recommended as a viable conversion technique, whereas IFBB fuels were of a similar quality to wood chip from willow.

Integrated bioenergy and food production

Rising global energy needs and limited fossil fuel reserves have led to increased use of renewable energies. In Germany, this has entailed massive exploitation of agricultural biomass for biogas generation, associated with unsustainable farming practices. Organic agriculture not only reduces negative environmental impacts, organic farmers were also prime movers in anaerobic digestion (AD) in Germany. This study’s aim was to identify the structure, development, and characteristics of biogas production associated with organic farming systems in order to estimate further development, as well as energetic and associated agronomic potentials. Surveys were conducted among organic farms with AD technology. 144 biogas plants could be included in the analysis. Total installed electrical capacity was 30.8 MWel, accounting for only 0.8% of the total installed electrical capacity in the German biogas sector. Recently, larger plant types (>250 kWel) with increased use of (also purchased) energy crops have emerged. Farmers noticed increases in yields (22% on average) and quality of cash crops in arable farming through integrated biogas production. In conclusion, although the share of AD in organic farming is relatively small it can provide various complementary socio-ecological benefits such as the enhancement of food output through digestate fertilization without additional need for land, while simultaneously reducing greenhouse gas emissions from livestock manures and soils. However, to achieve this eco-functional intensification, AD systems and their management have to be well adapted to farm size and production focus and based primarily on residue biomass.

Urban Grass and Grass-Leaf Litter Mixtures as Source for Bioenergy Recovery

Städtische Biomassen der Grünflächen bilden eine potentielle, bisher weitgehend ungenutzte Ressource für Bioenergie. Kommunen pflegen die Grünflächen, lassen das Material aber verrotten oder führen es Deponien oder Müllverbrennungsanlagen zu. Diese Praxis ist kostenintensiv ohne für die Verwaltungen finanziellen Ausgleich bereitzustellen. Stattdessen könnte das Material energetisch verwertet werden. Zwei mögliche Techniken, um Bioenergie zu gewinnen, wurden mit krautigem Material des städtischen Straßenbegleitgrüns untersucht i) direkte anaerobe Fermentation (4 Schnitte im Jahr) und ii) „Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse“ (IFBB), die Biomasse durch Maischen und mechanisches Entwässern in einen Presssaft und einen Presskuchen trennt (2 Schnitte im Jahr). Als Referenz wurde die aktuelle Pflege ohne Verwertungsoption mitgeführt (8faches Mulchen). Zusätzlich wurde die Eignung von Gras-Laub-Mischungen im IFBB-Verfahren untersucht. Der mittlere Biomasseertrag war 3.24, 3.33 und 5.68 t Trockenmasse ha-1 jeweils für die Pflegeintensitäten Mulchen, 4-Schnitt- und 2-Schnittnutzung. Obwohl die Faserkonzentration in der Biomasse der 2-Schnittnutzung höher war als im Material der 4-Schnittnutzung, unterschieden sich die Methanausbeuten nicht signifikant. Der Presskuchen aus dem krautigen Material des Straßenbegleitgrüns hatte einen Heizwert von 16 MJ kg-1 Trockenmasse, während der Heizwert des Presskuchens der Gras-Laub-Mischung in Abhängigkeit vom Aschegehalt zwischen 15 und 17 MJ kg-1 Trockenmasse lag. Der Aschegehalt der Mischungen war höher als der Grenzwert nach DIN EN 14961-6:2012 (für nicht-holzige Brennstoffe), was auf erhöhte Bodenanhaftung auf Grund der Erntemethoden zurückzuführen sein könnte. Der Aschegehalt des krautigen Materials vom Straßenrand hielt die Norm jedoch ein. Die Elementkonzentration (Ca, Cl, K, Mg, N, Na, P, S, Al, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Si, Zn) im krautigen Material war generell ähnlich zu Landwirtschafts- oder Naturschutzgrünland. In den Mischungen nahm die Elementkonzentration (Al, Cl, K, N, Na, P, S, Si) mit zunehmendem Laubanteil ab. Die Konzentration von Ca, Mg und der Neutral-Detergenz-Fasern stieg hingegen an. Die IFBB-Technik reduzierte die Konzentrationen der in der Verbrennung besonders schädlichen Elemente Cl, K und N zuverlässig. Außer den potentiell hohen Aschegehalten, wurde während der Untersuchungen kein technischer Grund entdeckt, der einer energetischen Verwertung des getesteten urbanen Materials entgegenstehen würde. Ökonomische, soziale und ökologische Auswirkungen einer Umsetzung müssen beachtet werden. Eine oberflächliche Betrachtung auf Basis des bisherigen Wissens lässt hoffen, dass eine bioenergetische Verwertung städtischen Materials auf allen Ebenen nachhaltig sein könnte.

Bubble Behavior in a Taylor Vortex

We present an experimental study on the behavior of bubbles captured in a Taylor vortex. The gap between a rotating inner cylinder and a stationary outer cylinder is filled with a Newtonian mineral oil. Beyond a critical rotation speed (ω[subscript c]), Taylor vortices appear in this system. Small air bubbles are introduced into the gap through a needle connected to a syringe pump. These are then captured in the cores of the vortices (core bubble) and in the outflow regions along the inner cylinder (wall bubble). The flow field is measured with a two-dimensional particle imaging velocimetry (PIV) system. The motion of the bubbles is monitored by using a high speed video camera. It has been found that, if the core bubbles are all of the same size, a bubble ring forms at the center of the vortex such that bubbles are azimuthally uniformly distributed. There is a saturation number (N[subscript s]) of bubbles in the ring, such that the addition of one more bubble leads eventually to a coalescence and a subsequent complicated evolution. Ns increases with increasing rotation speed and decreasing bubble size. For bubbles of non-uniform size, small bubbles and large bubbles in nearly the same orbit can be observed to cross due to their different circulating speeds. The wall bubbles, however, do not become uniformly distributed, but instead form short bubble-chains which might eventually evolve into large bubbles. The motion of droplets and particles in a Taylor vortex was also investigated. As with bubbles, droplets and particles align into a ring structure at low rotation speeds, but the saturation number is much smaller. Moreover, at high rotation speeds, droplets and particles exhibit a characteristic periodic oscillation in the axial, radial and tangential directions due to their inertia. In addition, experiments with non-spherical particles show that they behave rather similarly. This study provides a better understanding of particulate behavior in vortex flow structures.

Estudio del manejo de residuos sólidos en el Relleno Sanitario Doña Juana con el fin de delinear un borrador de propuesta para el manejo integral de residuos sólidos en la ciudad de Bogotá D.C

Con el presente trabajo se busca realizar una propuesta de solución al sistema de manejo de los residuos sólidos urbanos en el relleno sanitario de Doña Juana en la ciudad de Bogotá, porque los desechos producidos por el consumo humano al no ser tratados de la forma correcta, afectan negativamente a la ciudad, rompen el cirulo vital del desarrollo y desequilibran el medio ambiente. Se realiza un diagnostico histórico al manejo de los residuos sólidos en la ciudad de Bogotá, para poder entender la forma en que el sistema funciona, teniendo en cuenta, sus errores y aciertos, posteriormente por medio Programa 21 de Naciones Unidas, se lleva a cabo el análisis de la información obtenida en el diagnóstico, para que de esta forma, se pueda realizar una propuesta a los problemas identificados en el relleno sanitario de Doña Juana, partiendo de los aspectos económicos, ambientales y sociales.