Spektrometrische Bestimmung der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor unter Verwendung eines elektrostatisch durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filters zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen

Die Reduktion von Schadstoff-Emissionen und des Kraftstoffverbrauches sind für die Einhaltung von immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Vegetation von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Ob Deutschland die innerstädtischen Immissionsgrenzwerte der Europäischen Union (EU) für Stickstoffdioxid (NO2) ab 2010 einhalten wird, ist fraglich. Vor allem Lastkraftwagen mit Dieselmotor emittieren einen Großteil dieses Schadstoffes, sodass man mit einer Senkung der NO2-Emissionen dem gesetzten Ziel der Einhaltung der von der EU festgelegten NO2-Immisionsgrenzwerte bereits erheblich näher kommen würde. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mit der Kenntnis der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor mittels Spektroskopie eine Reduzierung der NO2-Emissionen und eine Senkung des Kraftstoffverbrauches erreicht werden kann. Hierzu muss sowohl die Bestimmung der NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases möglich sein, als auch die Herstellung eines mikromechanisch durchstimmbaren optischen Fabry-Pérot-Filters mit Bragg-Spiegeln, der die Voraussetzungen erfüllt, das für die spektrale Analyse benötigte Spektrum quantifizieren zu können. Zusätzlich soll mit Hilfe der aus den Spektren extrahierten Information eine in Echtzeit gemessene NO2-Konzentration im Abgas ableitbar sein. Damit sollen Kraftstoff eingespart und Schadstoff-Emissionen reduziert werden. Hierfür wird am Beispiel eines Lastkraftwagens mit typischer Abgasnachbehandlung aufgezeigt, wie über innermotorische Maßnahmen die Verbrennung optimierbar ist und wie die Eigenschaften der Abgasnachbehandlung verbesserbar sind, sodass die gewünschten Senkungen erreicht werden. Zusätzlich kann auf den Einbau eines Sperrkatalysators im Abgasstrang verzichtet werden. Ferner reduziert sich auch der Verbrauch des für die Abgasnachbehandlung benötigten Harnstoffs. Zur Klärung, ob die NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases bestimmt werden kann, wurden an einem Motorprüfstand Spektren für verschiedene NO2-Konzentrationen gemessen. Zusätzlich wurde das in dieser Arbeit behandelte Sensor-System mittels mathematischer Modellrechnung beschrieben, sodass dieses Modell anschließend auf die am Motorprüfstand gemessenen Spektren angewendet werden konnte. Die auf diese Weise berechneten Ergebnisse wurden mit den NO2-Messungen am Motorprüfstand verglichen und zeigen eine große Korrelation. In dem mathematischen Modell wird auch die spektrale Auflösung des Sensors berücksichtigt, die vom optischen Filter erreicht werden muss. Es wurde in dieser Arbeit untersucht, ob ein solches Filter realisiert werden kann. Hierzu wurde unter Anwendung der Transfer-Matrix-Methode (TMM) zur Berechnung optischer Eigenschaften von Dünnschichtsystemen eine Struktur entwickelt, die den optischen Anforderungen an das Filter genügt. Grundlage für dieses Design ist ein mikromechanisch durchstimmbares Fabry-Pérot-Filter mit Bragg-Spiegeln. Zur Herstellung dieses mikromechanisch durchstimmbaren, optischen Filters wurde eine Prozesskette entwickelt, mit der Filter mit einer Transmission von über 60 % hergestellt wurden. Die mit dieser Prozesskette hergestellten Strukturen wurden topografisch und optisch charakterisiert. Der Vergleich der gemessenen Ergebnisse mit theoretischen Modellrechnungen zeigt eine hohe Übereinstimmung, sodass mit der verwendeten Methodik gute Prognosen von Filtereigenschaften getroffen werden können. Es kann außerdem ein verbessertes Design präsentiert werden, welches eine um 10 % höhere Transmission und ein doppelt so großes Auflösungsvermögen gegenüber dem ursprünglichen Design aufweist. Verbesserungspotenziale in der Prozesskette können präsentiert werden, mit denen die optischen und mechanischen Eigenschaften zukünftiger Filter optimiert werden können. Es wird gezeigt, dass ein optisches Filter hergestellt werden kann, mit dem die NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotoren spektroskopisch bestimmt werden kann, sodass der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. In Abgasnormen sind einzuhaltende NOX-Grenzwerte festgelegt. Sollten in Zukunft auch NO2-Emissionsgrenzwerte in den Abgasnormen festgelegt werden, kann deren Einhaltung mit dem vorgestellten Sensor-Prinzip überwacht werden. Auf diese Weise wird die Chance auf Einhaltung der NO2-Immissionsgrenzwerte der EU maßgeblich erhöht.

Konservierende Bodenbearbeitung im Ökolandbau - Analyse einer Verfahrenstechnik im Kontext der Bodenfruchtbarkeit

Seit der Gründung der Ökologischen Landbaubewegung wird über eine angepasste Bodenbearbeitung diskutiert. Konservierende Bodenbearbeitungssysteme scheinen zwar dem Prinzip des Erhalts und der Förderung der Bodenfruchtbarkeit am ehesten gerecht zu werden, wurden bislang vor allem auf Grund der Unkrautregulierung im Ökolandbau abgelehnt. Anhand von vier Methoden (Literaturrecherche, Feldversuch, Umfrage und Experteninterviews) werden die unterschiedlichen Aspekte der konservierenden Bodenbearbeitung in der Praxis des Ökolandbaus untersucht. In dem dreijährigen Feldversuch wurde das Mulchsaatverfahren nach Getreide mit zwei verschiedenen Bearbeitungstiefen (5-7 cm und 13-15 cm) zur Zwischenfrucht mit dem Pflugeinsatz (25 cm) verglichen. Dabei zeigt sich, dass bei der tiefen Bearbeitung mit dem Grubber der für einen nennenswerten Erosionsschutz notwendige Bedeckungsgrad von 30 % nicht zuverlässig erreicht wird. Gleichzeitig sprechen die geringen Unterschiede in den Trockenmasseerträgen der flachen und tiefen Grubbervarianten für eine flachere Bearbeitung. Die Ergebnisse der Umfrage zur Bodenbearbeitung, die 367 Ökobauern beantworteten, zeigen, dass die Mehrheit der Betriebe (56%) bei der Grundbodenbearbeitung den Pflug einsetzt. 6% der befragten Ökobauern geben an ohne Pflug zu wirtschaften. Etwa 40 % der befragten Ökobauern verzichten zumindest einmal in ihrer Fruchtfolge auf den Pflug. Die Experteninterviews von drei Ökobauern verdeutlichen die unterschiedlichen Maßnahmen der konservierenden Bodenbearbeitung. Ein komplexes System wird erkennbar, das sich durch langjährige Erfahrung der Landwirte entwickelt hat. Anhand der Ergebnisse ist eine konservierende Bodenbearbeitung im Ökolandbau möglich und im Sinne der Förderung der Bodenfruchtbarkeit auch als notwendig zu bezeichnen. Allerdings ist dabei die Bodenbearbeitung nicht isoliert zu betrachten. Im Konzept der konservierenden Bodenbearbeitung sind Entscheidungen in vielen Teilbereichen des Ökobetriebs zum Erfolg notwendig.

Von den Markenteilungen bis zum Emscher Landschaftspark: Freiraumverluste und Freiraumschutz im Ruhrgebiet

In der vorliegenden Arbeit werden die Erfolge und Misserfolge der Freiraumpolitik im Ruhrgebiet untersucht. Ausgangspunkte sind der Freiraumschwund, der über einen Zeitraum von fast 200 Jahren dokumentiert wird, sowie die Gegenbewegungen, die sich für den Freiraumschutz einsetzen. Nach der Vorstellung einer Freiraumtypologie werden diese Entwicklungen in detaillierten historischen Abrissen für jeden Freiraumtyp dargestellt, woraus sich eine eigene Ruhrgebietsgeschichte - aus der Perspektive der Freiflächen und ihrer Nutzer - ergibt. Folgerichtig beginnt die vorliegende Arbeit nicht mit Kohle und Eisen, sondern mit der Land- und Forstwirtschaft. Anhand historischer Quellen wird die gängige Am-Anfang-war-die-Heide-These widerlegt, denn das Ruhrgebiet war waldreich und ein produktiver Agrarraum. Landwirtschaftliche Flächen- und Waldverluste sind die Basis der Siedlungstätigkeit. Ohne die Gemeinheitsteilungen im 19. Jahrhundert wären die Stadterweiterungen und Industrieansiedlungen im Ruhrgebiet nicht möglich gewesen. Die - in Grundzügen im Ersten Weltkrieg entwickelte - Agrarpolitik mit der Förderung von Produktivitätssteigerungen und Hofaufgaben erleichterte den weiteren Entzug von Agrarflächen, und genauso wirkt heute die Liberalisierung der Agrarmärkte. Alternative Ansätze (z.B. Direktvermarktung) konnten diesen Trend noch nicht aufhalten. Auch das Baumschutzgesetz von 1922 konnte die nationalsozialistischen Kahlschläge, die Waldverluste im Zweiten Weltkrieg und durch den Wiederaufbau nicht verhindern. Erst seit der Deindustrialisierung, der Aufforstung von Halden und der Umweltbewegung nehmen Wälder wieder zu. Demgegenüber treten Ende des 19. Jahrhunderts völlig neue Freiraumtypen auf. Die bürgerschaftliche Kleingartenbewegung wurde dank ihrer Bedeutung für die Ernährung in den Städten seit dem Ersten Weltkrieg vom Staat stark unterstützt, von den Nationalsozialisten gleichgeschaltet, konnte aber in den 1950er Jahren ihren bürgerschaftlichen Charakter und ihre Stärke wieder zurückgewinnen. Auch wenn Kleingärten als bauliche Reserveflächen missbraucht werden, geschieht dies nicht mehr ohne Ersatzland. Im Unterschied hierzu wurde die Stadtparkbewegung kommunalisiert. Sodann entstanden Volksparks mit Sportanlagen, ästhetisch ausgerichtete Gartenschauen, die breit gefächerten Revierparks der 1970er Jahre und neue Parktypen im Emscher Landschaftspark. 1920 wird der Siedlungsverband Ruhrkohlenbezirk gegründet, der mit den Verbandsgrünflächen ein eigenes Instrument zum Freiraumschutz und die Kompetenz zur Fluchtlinien- bzw. Bebauungsplanung erhielt. Inzwischen darf der Verband, vor einigen Jahren in den Regionalverband Ruhr umgewandelt, zu kommunalen Planungen nur noch Stellungnahmen abgeben. Schon früh versuchte der Verband, industrielles Ödland zu begrünen. Nach den Bahndammbegrünungen vor dem Zweiten Weltkrieg hat er seit den 1950er Jahren Halden aufgeforstet, bis in den 1990er Jahren der Aufbau des Emscher Landschaftsparks begann. Zechen- und Industriebrachen werden in neue Parks, Halden und Mülldeponien in Landmarken und Freizeitlandschaften verwandelt. Zu fragen ist, was aus diesen Geschichten für die Freiraumpolitik folgt. Zwei gegensätzliche Thesen werden diskutiert: die Tragedy of the Commons, die im Gemeineigentum die Ursache ökologischer Probleme sieht, während der Common-Property-Ansatz gerade in gemeinschaftlichen Nutzungen einen Ansatz für Problemlösungen sieht. Dabei liegt eine Besonderheit von Freiräumen in ihrem hohen Öffentlichkeitsgrad, d.h. dass sie von vielen Menschen genutzt werden und gleichzeitig mehrere, z.B. produktive, ökologische, politische oder berufliche Funktionen erfüllen. Untersucht wird, inwieweit erfolgreich gesicherte Freiflächen Merkmale von stabilen Common-Property-Institutionen tragen, d.h. welche Funktionen die Freiräume erfüllen, wie ihre Nutzung geregelt ist und vor allem welchen Einfluss die Nutzer auf Entscheidungen haben. Thesenhaft lässt sich zusammenfassen, dass ein Teil der Freiräume sein Wachstum einer derzeit unverzichtbaren Funktion verdankt, nämlich der Camouflage von Müll und Altlasten, die eine bauliche Nutzung ausschließen. Andere Freiräume verdanken ihren Bestand ihren vielfältigen Nutzungen, zur Erholung, durch Denkmäler, für Veranstaltungen, aber auch der Wertsteigerung für umliegende Wohngebiete. Ein kleiner Teil der Freiräume hat tatsächlich einen Common-Property-Charakter: Kleingartenanlagen, die von bürgerschaftlichen Gruppen gegründeten Parks sowie die Flächen, die durch Bürgerinitiativen o.ä. gegen eine bauliche Umnutzung verteidigt werden. Grund genug, um die Idee eines Netzwerks von Parkvereinen aufzugreifen, die sich von bürgerschaftlicher Seite aus für Freiräume einsetzen können.

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.