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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Transport von CO₂ aus energietechnischen Anlagen untersucht. Zunächst werden die physikalischen und technischen Randbedingungen erläutert, welche ein Transportsystem beeinflussen und beschränken, insbesondere werden die Einflüsse der thermo-dynamischen Fluideigenschaften von CO₂ und CO₂-Gemischen auf die Transportprozesse analysiert. Des Weiteren erörtert die Arbeit die Besonderheiten, die bei der Auslegung und dem Betrieb von CO₂-Pipelines (im Gegensatz beispielsweise zu Erdgaspipelines) auftreten.
Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation zweier potentieller Pipeline-transportsysteme, welche CO₂ vom Kraftwerksstandort Jänschwalde in der Lausitz a) zu einem CO₂-Hub im Hafen von Rotterdam und b) zu einem Offshore-Aquifer unter der Nordsee transportieren. Anhand dieser konkreten Fallbeispiele werden die Auslegung des Transportsystems dargestellt und die statischen und die dynamischen Betriebskennlinien der Pipelines und des Injektionsbrunnens aufgenommen und hinsichtlich der Auswirkungen auf den Betrieb unter flexiblen Lastbedingungen untersucht.
Die Modellierung der Pipelines wird mithilfe der Modellierungs- und Simulationssoftware OLGA Dynamic Multiphase Flow Simulator von Schlumberger umgesetzt. Die Validierung der genutzten Submodelle der Software erfolgt über die Simulation historischer Lastfälle der Canyon-Reef-Carrier-Pipeline in Texas und der CO₂-Injektionspilotanlage Ketzin westlich von Potsdam.
Die Hauptmodelle umfassen a) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Übergabepunkt am CO₂-Hub in Rotterdam bzw. b) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Meeresgrund sowie den Injektionsbrunnen und ein Modell des Aquiferspeichers. Es ist mit den Modellen möglich, die thermo-fluiddynamischen Prozesse des CO₂ in der Rohrleitung sowie im Injektionsbrunnen bis zum Speicher nachzubilden. Es wurden insgesamt 66 Szenarien simuliert und ausgewertet.
Die simulierten Szenarien umfassen statische Kennlinien bei konstanter Last, definierte Lastzyklen mit Sprüngen konstanter Höhe, reale Lastgänge auf Basis historischer Kraftwerksmessdaten sowie typische Betriebsabläufe wie An- und Abfahren der Pipeline, Absperrung einzelner Abschnitte der Pipeline bis hin zu den Auswirkungen eines Risses in der Pipelinewand.
Zu den wesentlichen Ergebnissen der Simulationen zählen die auftretenden Druckverläufe, Wärme-übergangs- und Wärmespeichervorgänge sowie das dynamische Verhalten bei wechselnden Lastbedingungen.
Ausgehend von den Simulationsergebnissen werden die Pipelinesysteme charakterisiert und die dynamischen Prozesse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Betriebsabläufe und Auslegungskriterien untersucht.
Es kann gezeigt werden, dass Pipelines für die gestellte Transportaufgabe geeignet sind und mit einem gewissen Maß an Prozessüberwachung und -regelung auch dauerhaft sicher betrieben werden können. Problematische Prozessverläufe werden eingehend diskutiert und Regelstrategien aufgezeigt, welche einen Betrieb der Pipelines sicherstellen können.
In der Promotionsarbeit wurde ein Züchtungsverfahren zur Herstellung strukturell hochqualitativer AlN-Volumenkristalle mittels PVT-Methode entwickelt. Wesentliche Grundvoraussetzungen dafür sind ein thermisch und chemisch stabiles Tiegelmaterial, ein AlN-Quellmaterial mit Sauerstoffverunreinigungen <300 ppm und AlN-Keime mit hoher kristalliner Perfektion. Unter den getesteten potenziellen Tiegelmaterialien (BN, TaC, TaN, NbC, NbN, TaB2, W) zeigten sich TaC und mit Abstrichen W unter AlN-Züchtungsbedingungen ausreichend stabil und wurden für die Wachstumsversuche verwendet. Zur effektiven Reduzierung der Sauerstoffverunreinigungen im AlN-Quellmaterial wurde ein karbothermischer Reduktionsprozess entwickelt, welcher eine Restsauerstoffkonzentration im Quellmaterial von <300 ppm gewährleistet. AlN-Keime für die Homoepitaxie von AlN-Volumenkristallen wurden durch heteroepitaktisches Wachstum auf SiC-Substraten und über spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle hergestellt. Beim heteroepitaktischen Wachstum auf SiC zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Substratpolarität. Wachstum auf C-polarem SiC ist mit geringeren Ätzgrubendichten von 5*10^4 - 10^6 cm^(-2) gegenüber Si-polarem Wachstum mit Ätzgrubensdichten von 5*10^6 - 10^7 cm^(-2) gekennzeichnet. Für beide Substratpolaritäten wurden Modelle des Anwachsstadiums entwickelt. AlN-Kristalle mit bis zu 35 mm im Durchmesser wurden gezüchtet. Die hohe Rissneigung aufgrund von Abkühlspannungen und Si-Konzentrationen von mehreren Prozent im gewachsenen AlN-Kristall vermindern aber die Kristallqualität erheblich. Eine sehr hohe kristalline Perfektion kann hingegen durch spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle auf einer Zwischenebene in der Tiegelmitte gewährleistet werden. Bei Nukleationstemperaturen von 2200 °C wurden isometrische Kristalle mit 12*12*14 mm^3 gezüchtet. Die Kristalle weisen eine zonare Struktur auf, welche durch einen in [000-1]-Richtung gewachsenen Kernbereich mit Versetzungsdichten <10^2 cm^(-2) und einem senkrecht um den Kernbereich gewachsenen Randbereich mit Versetzungsdichten von 10^2 - 10^4 cm^(-2) gekennzeichnet ist. Strukturell hochqualitative (000-1)-Keime wurden aus spontan nukleierten isometrisch gewachsenen AlN-Kristallen präpariert und für die homoepitaktische Volumenkristallzüchtung verwendet. Unter Zuhilfenahme numerischer Temperaturfeldsimulationen wurde ein angepasster Keimhalter entwickelt, welcher ein leicht konvexes Temperaturfeld am Keim gewährleistet und Parasitärwachstum unterdrückt. Somit konnten AlN-Volumenkristalle homoepitaktisch gezüchtet werden, welche eine Durchmesservergrößerung unter Beibehaltung der hohen strukturellen Qualität der Keimkristalle zeigen. Dieses Verfahren bietet die Grundlage, durch die Züchtung mehrerer Kristallgenerationen eine Durchmesseraufweitung auf industriell relevante Größen von 1-2" zu erreichen.
Für eine Konzeption boden- und grundwasserverträglicher Folgenutzung von Altlastenstandorten werden Kenntnisse über Mechanismen und Einflussfaktoren für die Freisetzung akkumulierter Substanzen und deren Transport benötigt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, einen Beitrag über Einflussfaktoren, die die Mobilität der polyzyklischen Aromaten im Boden steuern, zu liefern. Unter Nutzung und Zusammenführung bisheriger Erkenntnisse aus der Vor-Ort-Analytik wurde ein Beprobungsschemata entwickelt, welches das räumlich variable Verlagerungsverhalten der PAK in verschiedenen Böden Brandenburgs rationell beschreibt. Unter natürlichen Witterungsbedingungen wurden aufgeschlossene Bodenprofile horizontweise beprobt und das Verlagerungsverhalten von PAK in Abhängigkeit von Bodenparametern untersucht. An den feldgemischten Bodenproben wurden neben der PAK-Analytik folgende physiko-chemische Einflussfaktoren auf eine PAK-Mobilisierung ermittelt: Hydrosedimentation und röntgenografische Untersuchungen zur Bewertung von Feinstfraktionen im Bodenmaterial; Kornverteilungen mittels Siebanalysen zur Ermittlung der kf -Werte für die Bewertung von Durchlässigkeit und Sorptionsfähigkeit der untersuchten Böden; Wassergehalt, Glühverlust und organischer Kohlenstoffgehalt; pH-Werte, elektrische Leitfähigkeit und Karbonatgehalte. Sehr hohe PAK-Gehalte in der Gley-Braunerde wie am Standort Erkner, im Humuspodsol wie in Beeskow sowie in der vergleyten Rostbraunerde wie in Berlin-Britz ziehen eine Hemmung des Stoffabbaus nach sich. In diesen Böden bestehen günstige Voraussetzungen für eine hohe Freisetzung organischen Materials. Bei schluffreicher Ausprägung der Matrix kann eine Sorption begünstigt werden. Die PAK-Gehalt/Glühverlust-Korrelationen der jeweiligen ortstypischen Leitböden mit deutlich abweichenden Messwerten deuten auf besonders belastete Böden bzw. anthropogene Matrices. Die als bedeutsam erkannten Eigenschaften der organischen Substanz treten in ihrem Einfluss auf die Höhe der PAK-Tiefenverlagerung dann deutlich in Erscheinung, wenn die untersuchten Standorte geringe Unterschiede in solchen substrat-bedingten Bodeneigenschaften aufweisen, die für Adsorptionsvorgänge und für die Fließbedingungen der Bodenlösung maßgeblich sind. Anderenfalls (Acker-Auengley wie in Bad Freienwalde) sind es vor allem diese substratbedingten Eigenschaften, die letztlich die stattfindende Freisetzung bestimmen. Es konnte gezeigt und bestätigt werden, dass hohe Ton und Schluffgehalte, hohe Gehalte an pedogenen, wenig kristallinen Eisenoxiden (Gley-Braunerde in Erkner), hohe Gehalte an austauschbarem Ca2+ und Mg2+ durch Adsorptions- und Ausfällungs-prozesse zur Verrin-gerung der Freisetzung von organischem Material beitragen. Es wird in den PAK-kontaminierten Böden trotz ihrer nur geringen Wasserlöslichkeit unter Mitwirkung der organischen Substanz teilweise in großen Mengen PAK mobilisiert. Die Möglichkeit einer an den organischen Kohlenstoff gekoppelten Tiefenverlagerung bis in das Grundwasser wurde in der reliktischen Gley-Braunerde in Erkner deutlich. Vergleyte Rostbraunerden des Standortes Berlin-Britz zeigen eine durch hohe Durchlässigkeiten und gelöstes organisches Material begünstigte Verlagerung der PAK aus dem Oberboden mit dem Sickerwasser. Die Qualität der organischen Masse (Zersetzungsgrad) spielt neben ihrer Menge eine wesentliche Rolle für die Schadstoffmobilisierung. Untersuchungen zum Einfluss des löslichen organischen Materials auf die Mobilisierung und Tiefenverlagerung von Schadstoffen müssen deshalb mit der standorttypischen gelösten organischen Substanz durchgeführt werden, da berücksichtigt werden muss, dass infolge veränderter Umweltbedingungen auch zu Veränderungen an der organischen Substanz kommt, die wiederum für die Schadstoffmobilisierung von entscheidender Bedeutung sein können. Die statistische Auswertung des umfangreichen Datenmaterials zeigte, dass Wassergehalt und pH nur einen geringen Einfluss auf die PAK-Konzentration haben. Verbesserte Bestimmtheitsmaße werden erzielt, wenn zusätzlich kf, TOC und Glühverlust in die Korrelationen einbezogen werden. Liegt eine größere, statistisch relevante Anzahl von Messwerten eines Bodentyps vor, so werden die theoretisch zu erwartenden Beziehungen zwischen den Gehalt an organischer Substanz und dem PAK-Gehalt in der Korrelation deutlich sichtbar. Für eine weiterführende Klärung direkter Abhängigkeiten zwischen Extraktionsverhalten von PAK und spezifischen Matrixeigenschaften sind Bodenproben mit definierten Korngrößen und Wassergehalten gezielt mit PAK zu kontaminieren und anschließend zu extrahieren.
We consider semiconductor devices at very low temperatures, composed of a mesoscopic quantum structure (QS) constituting the active region contacted by ideal probes with infinite conductivity. The coherent transport through the QS is described in the Landauer-Büttiker formalism. We perform self-consistent calculations for the electron density in the QS. We present a capacitance model that takes into account the openness of the QS and the existence of finite contacts embedding the system. For single-barrier tunnelling structures, we present the implicit connection between the capacitance and the conductance. For a field induced two-dimensional electron gas in a special GaAs/AlxGa1-xAs heterostructure we present a detailed analysis of the coupling to the contact reservoir. Excellent quantitative agreement in the C-V characteristic is obtained. It is also analized the conductivity of systems with confinement in more dimensions.
We analyze here some electron properties and lattice dynamics in semiconductor heterostructures, pointing out the dramatic changes relative to the bulk properties due to the existence of the interfaces in these systems. The first part of the study is devoted to the electron scattering phenomena in noninteracting open systems and to the transport properties described in the Landauer-Büttiker formalism. We develop a resonant theory of transport and apply it first to the conductance through a quantum dot embedded in a quantum wire and second to the capacitance of a two dimensional electron gas formed in a MIS-type semiconductor heterostructure. In the second part of the study we illustrate the four major new features of the optical phonon spectra in a strained semiconductor heterostructure in contrast to an unstrained one. The results are particularized for double heterostructures InP/GaAs/InP grown on the faces (001) and (111) of the substrate.