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Paper des Monats
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Robotic Measurement System Concept for Greenhouse Gas Tomography in Wastewater Treatment Plants
(2023)
This paper introduces a conceptual framework for a robotic greenhouse gas (GHG) measurement system designed for wastewater treatment plants (WWTPs). The emphasis is on accurate gas tomography measurement of emissions, crucial for national emission assessments. The proposed system is movable, semi-autonomous, and employs a combination of ground and air robots equipped with integral remote gas sensors and in-situ sensors. Employing a two/two configuration ensures comprehensive coverage of WWTPs, overcoming obstacles. The system concept lays the foundation for future implementation and evaluation, addressing the need for enhanced understanding of GHG emissions from WWTPs.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt.
Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
Energy efficient products often have a higher purchase price than less efficient alternatives. However, the life cycle costs are often lower due to the lower operating costs. From a purely economic point of view, efficient appliances are not only more ecological but often also more economical and, accordingly, should be purchased more frequently than less efficient appliances. However, this is not always the case. Information deficits are one of the major reasons of this discrepancy: the purchase price is visible during the purchasing process, but the follow-up costs are not, at least not in their exact amount. The EU Energy Label can be considered as a solution to close this gap. During the past decades, there has been a discussion on whether it would be better to communicate the monetary costs associated with energy consumption, since their calculation by the consumer is difficult or needs a high level of cognitive effort.
In this study, experiments and field studies on a total of 19 product groups were evaluated with regard to the question of whether the indication of costs instead of physical units affects the decision-making process of the consumer. It has been assessed under which circumstances it might positively influence the purchase decision of the customer, i.e. helping him or her to arrive at a more “energy efficient” decision. Overall, the results indicate that monetary claims possibly exceed the effect of claims on a physical basis when the costs or the differences between the alternatives available seem “relevant” to the consumer.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Packages for the transport of radioactive materials shall fulfil the requirements of the IAEA regulations for the safe transport. The requirements define mechanical and thermal test conditions including criteria ensuring the package design’s ability to withstand severe accidents and provide a high level of technical safety. Different methods can be used for safety demonstration showing compliance with the regulations.
The central part of a safety demonstration which is presented in this paper was a comprehensive drop test program with a full-scale model of a transport package accompanied by pre- and post-test FE analyses. Using full-scale drop test models allow the benefit that similarity and scaling issues become a significant smaller issue, additional material investigations can be limited and analyses for transferring test results to the original package design are reduced. Additionally, experience for the future serial packaging manufacturing and handling procedures can be collected in a very early state of the design approval process. The pre-test finite element analyses derived and justified the drop test program consisting of several drop sequences with different drop orientations of the specimen. The performance and the results of the drop test sequences shows the manageability and the advantage e.g., in view of the direct availability of test results for the package licensing. On the other hand, the drop test performance shows the difficulties during handling and the need for additional equipment during preparation of the specimen.
The package presented was intended for the transport and storage of compacted radioactive waste from reprocessing of spent nuclear fuel assemblies - designed and applied for approval by the AGC consortium. The project ended in 2021. The package design was characterized by a cask body made of a forged thick stainless-steel shell, a bolted double lid system with metallic gaskets and wood filled shock absorbers at both ends. The total mass of the entire transport package including content was 120,000 kg, the total length was about 7000 mm and the diameter approximately
3000 mm, both measures include the shock absorbers.
The paper provides an insight into the performance of a full-scale drop testing campaign within the package safety evaluation and shows some selected test results.
We present a temperature sensor based on a polymer exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous solution encapsulated in a capillary. Parameters are chosen such that the solution exhibits a cloud point in a temperature range of 30° C to 39°C. The characteristic of thermoresponsive polymers with an LCST, is that above that temperature phase separation of the polymer takes place which leads to a temperature-dependent formation of a cloudy suspension. An optical intensity measurement over the desired temperature range is established by an increase of optical attenuation inside the polymer solution caused by a rising temperature. For our purpose, the polymer capillary is connected to transmitter and receiver via a Polymer Optical Fibre (POF). Our intensity measurement is, to the best of our knowledge, a novel method and can be considered simple when compared to existing fibre-based temperature measurement techniques. Due to the lack of electrical components at the probe, this sensor is suitable for measurements in strong electromagnetic fields and environments for which flying sparks are hazardous, i.e., inflammable fluids or gases. Furthermore, all manufactured sensors share the same temperature dependence and, therefore, are well-suited for comparative measurement, e.g., flow measurement systems. With the given temperature range, a body temperature measurement is also suitable.
The decommissioning or refurbishment of nuclear facilities necessitates either the storage or disposal of large radioactive components such as steam generators, pressurizers, reactor pressure vessels and heads, and coolant pumps, to list the major contributors. These components or objects are large in size and mass, measuring up to approximately 6 meters in diameter, up to 20 meters in length, and weighing over 400 000 kg. In many situations, the components are transported off-site to a storage, disposal or recycling/treatment facility. Previously, many large objects had to be transported under special arrangement.
Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
The consideration of ageing mechanisms is with integration of the new para 613A into IAEA SSR-6 (Rev. 1) now obligatory for the design of transport packages. In addition, para 809(f) requires for packages intended to be used for shipment after storage the consideration of the effects of ageing mechanisms during storage in safety analyses and the implementation of corresponding instructions for operation and maintenance. Para 503(e) requires that all packaging components and radioactive contents have been maintained during storage in a manner that all requirements specified in IAEA SSR-6 (Rev.1) and in the applicable certificates of approval have been fulfilled.
The evaluation of ageing mechanisms and their effects including monitoring are part of BAM’s authority assessment tasks related to the mechanical and thermal package design and quality assurance aspects. BAM has compiled a guideline for the implementation of ageing assessment and of the measures for ageing management of the approval procedure based on requirements of IAEA SSR-6 (Rev.1). The guideline is applicable only for packages requiring a competent authority approval.
The paper aims to describe the structure of the guideline and the general approach for ageing management requirements. The type and amount of measures for ageing management depend mainly on the use of the package and on the ageing effects for the component, which result from relevant ageing mechanisms during package operation time.
The implementation of measures for ageing management is divided into three levels – systemic measures, package design related measures and documentation. The systemic measures are attributed to the general management system and define the whole activities for organization of ageing management like structure, responsibilities, documentation, reports and evaluation. The package design related measures are defined in an ageing management plan (AMP). These measures shall ensure that the anticipated changes of the package design under consideration of ageing effects still complies with the design approval specification. Therefore, an ageing surveillance program (ASP) and, if necessary, a gap analysis program shall be developed. The ageing management documentation (AMD) ensures the continuous documentation of the compliance of a specific package to the approved package design, comprising mainly records resulting from operation and surveillance.
In accordance with the IAEA transport regulations, the design of special form radioactive material (SFRM) shall resist a severe transport accident without undue loss or dispersal of radioactive material. The safety assessment for design approval includes besides the program for physical tests (impact, percussion, bending and heat test) also the evaluation of the management system for design, manufacture, testing, documentation, use, maintenance, and inspection.
SFRM source design plus management system shall ensure, that every specimen of the approved design is able to survive the severe mechanical and thermal tests at any time of its SFRM-working life.
Due to the long-term use of SFRM designs in most cases, the assessment of the source ageing behavior is an important aspect in the approval procedure. Different fields of application imply a wide range of environmental conditions, from clean room atmosphere to highly aggressive industrial conditions. Besides of radioactive content, corrosion is a main factor for possible SFRM design degradation.
Although the IAEA Advisory Material SSG-26 already implies an indication of the need for considering ageing mechanisms, suitable amendments in the regulatory requirements of SSR-6 should be introduced to make the approval procedure more transparent and help to reduce rounds of questions by the authority. A supplementary requirement for considering of ageing mechanisms could be a helpful contribution to an international harmonization of the approval procedure.
This paper will describe major influencing factors to be considered to assess the ageing behavior of a SFRM design and will identify the need for a regulatory specification of a SFRM-working life as basis for the assessment of the SFRM design regarding time-dependent weakening. A proposal for an explicit requirement for consideration of ageing mechanisms in safety assessment of SFRM, which should be considered in the ongoing SSR-6 revision cycle, will be explained.