Kurzfassung

Die hier beschriebene International Graduate School ist Ende 2009 ausgelaufen.
Eine weitere International Graduate School ist aufgelegt worden. Weitere Informationen finden Sie hier.

Mit der Initiierung der international ausgerichteten Fachklasse D an der BTU Cottbus wird ein wesentlicher Grundstein für die länderübergreifende Aus- und Weiterbildung junger Menschen geschaffen. Darüber hinaus können die bisherigen nationalen und internationalen Studienangebote im interdisziplinär erheblich erweitert und im Sinne einer engen Verknüpfung von Forschung und Lehre qualitativ verbessert werden. Ein derartig umfassendes Lehr- und Forschungskonzept für die Nutzung nachwachsender und fossiler Rohstoffe an der BTU Cottbus stellt im nationalen Kontext ein Alleinstellungsmerkmal dar und steigert damit die Attraktivität dieser Universität im Bereich für Studenten aus der Region, anderen Bundesländern und vor allem aus dem Ausland. Hierbei besteht bei national und international agierenden Unternehmen nachhaltig eine erhebliche Nachfrage nach entsprechend wissenschaftlich ausgebildetem Nachwuchs.

International Graduate School

Herzlich Willkommen zur International Graduate School Fachklasse D "Energie und Umwelt"

Politischer Rahmen / Leitidee

Um die kommenden energiewirtschaftlichen und klimapolitischen Herausforderungen meistern zu können, werden sich die Schwerpunkte der wissenschaftlichen Förderpolitik der Bundesregierung auf den Bereich der Technologieentwicklung für die Bereitstellung von Biomasse sowie der stofflichen und energetischen Wandlung nachwachsender und fossiler Rohstoffe konzentrieren. Aufgrund der unverzichtbaren Rolle fossiler Energien in der mittelfristigen Energieversorgung und des Ersatzes von rund 40.000 MW der Kraftwerkskapazität bis 2020 bilden zudem moderne Kraftwerkstechnologien auf Basis von Kohle und Gas einschließlich CO₂-Speicherung auch zukünftig einen besonderen Schwerpunkt (COORETEC-Programm der Bundesregierung).
Für die Entwicklung von Innovation und neuer Energietechnologien sind verschiedene, sich strategisch ergänzende Linien definiert:

1. Erhöhung der Energieeffizienz
2. CO₂-Abscheidung und Speicherung
3. Weiterer Ausbau der erneuerbaren Energieträger insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellung von Biomasse sowie für die Erzeugung von Strom und Biokraftstoffen.

Mit der Initiierung der international ausgerichteten Fachklasse D an der BTU Cottbus wird ein wesentlicher Grundstein für die länderübergreifende Aus- und Weiterbildung junger Menschen geschaffen. Darüber hinaus können die bisherigen nationalen und internationalen Studienangebote im interdisziplinär erheblich erweitert und im Sinne einer engen Verknüpfung von Forschung und Lehre qualitativ verbessert werden. Ein derartig umfassendes Lehr- und Forschungskonzept für die Nutzung nachwachsender und fossiler Rohstoffe an der BTU Cottbus stellt im nationalen Kontext ein Alleinstellungsmerkmal dar und steigert damit die Attraktivität dieser Universität im Bereich für Studenten aus der Region, anderen Bundesländern und vor allem aus dem Ausland. Hierbei besteht bei national und international agierenden Unternehmen nachhaltig eine erhebliche Nachfrage nach entsprechend wissenschaftlich ausgebildetem Nachwuchs.
Die interdisziplinäre Zusammensetzung der beteiligten Lehrstühle mit vorwiegend naturwissenschaftlicher, ingenieurwissenschaftlicher und umweltwissenschaftlicher Ausrichtung bestimmt das fachliche Profil der Graduiertenschule und erlaubt einen hohen Grad an Interdisziplinarität in Forschung und Ausbildung. Neben der vertieften Bearbeitung fachspezifischer Themen wird auf die Verbindung mit naturwissenschaftlichen und technischen Fragestellungen ebenso Wert gelegt, wie auf ökonomische und sozialwissenschaftliche Herangehensweisen. Hieraus ergeben sich eine Vielzahl möglicher Promotionsprojekte, die schwerpunktmäßig an die bestehenden Forschungsschwerpunkte der BTU (Energie, Umwelt, Material, Kommunikation/Information) anknüpfen. Spezifische Dissertationsthemen können innerhalb eines erweiterten fachlichen Rahmens bearbeitet werden.


Themenstellungen

Für die Zielvereinbarung sind 1,5 Doktorandenstellen sowie 7 Stipendiatenstellen vorgesehen. Die nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick über die Zusammensetzung sowie die Zusammenarbeit der Fachklasse D.

* Verifizierung und Erweiterung von Modellen zur Simulation des Biomassezuwachses (Doktorand)

Zur Abbildung des Biomassezuwachses stehen neben vorhandenen Untersuchungsergebnissen eine Auswahl physiologisch-basierter Waldwachstumsmodelle unterschiedlicher Komplexität zur Verfügung. Bei der Auswahl eines geeigneten Simulationsmodells spielt die Skala eine große Rolle, die einerseits von der Fragestellung sowie von der Verfügbarkeit von Modelleingangs- und Kalibrierungsdaten abhängt. Im Projekt soll eine Auswahl der in Frage kommenden physiologisch-basierten Prozessmodelle im Zusammenhang mit der konkreten Datenverfügbarkeit getestet werden. Nach der Auswahlentscheidung soll das Modell ggf. um ein Modul erweitert werden, das die Auswirkungen der Biomasseproduktion auf die C-Bilanz berücksichtigt. Die Modelle werden anhand von Literaturdaten und mit Hilfe von Untersuchungsergebnissen aus Vorlaufprojekten der BTU Cottbus (s.o.) für die zu untersuchenden Baumarten parametrisiert und kalibriert. Die an der BTU Cottbus erhobenen ökologischen Basisdaten betreffen im wesentlichen die Entwicklung der C-Vorräte in oberirdischen und unterirdischen Baumkompartimenten, in der Streuauflage und im Mineralboden sowie die Entwicklung der Belaubung über den Blattflächenindex. Von den Komponenten des Wasserhaushalts stehen sowohl Messungen des Bestandesniederschlags bzw. der Interzeptionsverdunstung sowie Messungen zu Bodenfeuchte über TDR-Sonden bzw. Tensiometer zur Verfügung. Darüber hinaus existieren für einige Baumarten bereits parametrisierte Modelle, deren Parameter zumindest als Anhaltspunkt für andere Simulationsmodelle verwendet werden können.

* Analyse und Bewertung biotischer Faktoren beim Anbau schnell wachsender Baumarten (Stipendiat)

Ein wesentliches Kriterium für die gesellschaftliche Akzeptanz der mit einer intensivierten Produktion von Dendromasse einhergehenden Änderung der Bewirtschaftungsweisen bzw. Landnutzungsarten ist der Erhalt von Lebensraumfunktionen zum Schutz von Naturräumen und der an sie angepassten Arten.

Der Anbau schnellwachsender Baumarten mit verkürzten Rotationszeiten und intensivem Massenwachstum könnte hierbei Verschiebungen im Artenspektrum oder aber auch die Verdrängung angestammter Arten zur folge haben. Ebenso ist denkbar. dass mit einem zunehmenden Strukturreichtum infolge intensiverer Eingriffe die Artenvielfalt steigt. Zum einen ist in relativ einheitlich strukturierten Bestandesformen nicht mit einer Zunahme der Biodiversität zu rechnen, andererseits bieten Sie im Hinblick auf Offenlandschaften raschen Schutz und im Falle räumlich differenzierter Rotationsperioden eine reich strukturierte Landschaftsform, die die Diversität fördern könnte. Für diese nutzungsspezifischen Szenarien gilt es, die Vor- und Nachteilswirkungen auf Bestandesebene und im Landschaftsmaßstab auf zu zeigen und hieraus Bewertungskriterien und Indikatoren für die Einschätzung und Verlaufskontrolle landschaftsökologischer Folgewirkungen zu entwickeln. Hierbei sind sollen auch Kriterien für die räumlich maßgebliche Betrachtungsebenen entwickelt werden, um die Fragmentierung der Landschaft bzw. Wirkungen einer stärkeren Vernetzung durch den Anbau von schnellwachsenden Baumarten im Landschaftsmaßstab in die Beurteilung einzubeziehen.

* Wirkung von Agroforstsystemen auf den C- und Wasserhaushalt von Ökosystemen und Landschaft (Stipendiat)

Vorhandene Modelle für die Herleitung der C-Bilanz auf Bestandes- und Landschaftsebene sind zu parametrisieren, zu optimieren und zur Entwicklung von Szenarien durch Anwendung dynamischer Simulationsmodelle einzusetzen. Daraus lassen sich für unterschiedliche Nutzungsformen bzw. -änderungen die jeweiligen Auswirkungen auf den regionalen Wasser- und Kohlenstoffhaushalt vorhersagen. Beim Anbau schnellwachsender Baumarten stehen folgende Fragen im Vordergrund:
- Auswirkungen auf den Wasserhaushalt (Evapotranspiration, Sickerwasser) von Landschaften
- Auswirkungen auf den Kohlenstoffhaushalt (Bruttoprimärproduktion (GPP), Nettoprimärproduktion (NPP), Entwicklung von C-Vorräten in verschiedenen Ökosystemkompartimenten (Dendromasse, Wurzel, Boden) sowie C-Bilanzen (Netto-Ökosystemproduktion (NEP), Netto-Biome-Produktion (NBP), net sector exchange (NSE)) von Landschaften
- Einfluss unterschiedlicher Managementmaßnahmen der Dendromasseproduktion (Bestandesdichte, Länge der Rotationsperioden, Baumarten ) auf den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt

* Ganzheitliche Kostenbetrachtung der Wertschöpfungskette Biomasse (Stipendiat)

Die effiziente Bereitstellung und Verwertung von Biomasse muss sowohl einer anlagentechnologischen Realisierbarkeit als auch wirtschaftlichen Anforderungen genügen. Ergänzend zu den technologischen Gesichtspunkten in Bezug auf Anbau, Ernte und Aufbereitung der Biomasse sowie den daran anschließenden Untersuchungen zur Verwertung soll daher eine ganzheitliche Kostenbewertung vorgenommen werden. Die Ganzheitlichkeit umfasst hierfür alle wesentlichen Prozessschritte entlang der "Wertschöpfungskette Biomasse". Ziele der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sind einerseits die Bereitstellung der in den unterschiedlichen Wertschöpfungsstufen anfallenden Investitionen und Kosten, anderseits die Betrachtung zukünftiger Vermarktungspotenziale, um daraus belastbarere Ergebnisse zur Gesamtwirtschaftlichkeit abzuleiten, welche z.B. auch Aussagen zu vertretbaren Transportentfernungen für Biomasse einschließen.

Im Rahmen der stoff- und energiewirtschaftlichen Analysen werden daher zunächst die prägenden Investitions- und Kostenbestandteile identifiziert und deren Einfluss auf die Gesamtwirtschaftlichkeit herausgearbeitet. Parallel dazu sollen Optimierungspotenziale ermittelt und evaluiert werden. Ausgehend von einem festzulegenden Basisszenario (z.B. Fortschreibung der aktuellen energie- und umweltpolitischen Rahmenbedingungen) werden mögliche Kostenentwicklungen anhand von sensitiven Untersuchungen dargestellt.

* Hydrierung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe (Stipendiat)

Mit der derzeitigen Entwicklung des Rohölpreises werden zunehmend alternative Verfahren der synthetischen Treibstoffherstellung konkurrenzfähig. Während sich die Universitäten in Freiberg und Clausthal mit der Fischer-Tropsch-Synthese befassen, ist die Hydrierung ein weitgehend unbeachtetes Entwicklungsfeld geblieben. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie sollen die technischen Voraussetzungen, der Forschungsbedarf und eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Kohlehydrierung betrachtet werden. Weiterhin ist der Einsatz alternativer Brennstoffe (z.B. Biomasse) zu berücksichtigen. Aufbauend auf die Studie wird das Konzept für eine labortechnische Anlage entwickelt.

* Moderne Kraftwerkskonzepte und Rekultivierungsansätze (Doktorand)

Im Süden Brasiliens ist ein Großteil der dortigen Braunkohlereserven zu finden. Die Braunkohlegewinnung ist ein bedeutender Wirtschaftsfaktor in der Region, jedoch mit negativen Folgen für die Umwelt, besonderes für die Atlantische Regenwald und die Bevölkerung verbunden. Durch das brasilianische Umweltrecht von 1981 sind die Braunkohlefirmen zur Rekultivierung von zerstörten Landflächen verpflichtet. In der Realität liegen jedoch oftmals keine Rekultivierungsplanungen für die ausgekohlten Tagebaue bzw. Bergbaue vor. Vor diesem Hintergrund besteht ein dringender Forschungsbedarf für diese Thematik in der Region. Die BTU Cottbus hat mehrere Jahre Erfahrungen auf dem Gebiet Bodenschutz und Rekultivierung ausgebeuteter Braunkohletagebau in der Region Lausitz in Ostdeutschland. Verschiedene Strategien für Landnutzung sind hier schon erfolgreich umgesetzt worden (z.B. Einführung von Agro-Forst-Systemen, Erzeugung vom Waldbiomasse).

Im Rahmen dieser Forschungsaktivität sollen die Aktivitäten aus Deutschland auf brasilianische Verhältnisse übertragen und weiterentwickelt werden. Diese Forschungsanstrengungen erfolgen in Zusammenarbeit mit dem brasilianischen Braunkohleproduzenten "Carbonífera Criciúma". Das Hauptziel ist die Entwicklung einer Landnutzungsplanung und die Rekultivierung ausgebeuteter Braunkohletagebau durch Biomassenerzeugung unter Berücksichtigung ökologischer und soziökonomischer Gesichtspunkte.

* Untersuchungen von Problemstellungen bei der Verbrennung in einer O2-/CO2-Atmosphäre (Stipendiat)

Zur Auslegung und Entwicklung von Anlagenkomponenten für den Oxyfuel-Prozess ist die Bearbeitung von Fragestellungen die den Verbrennungsprozess verschiedener Brennstoffe in einer O₂-/CO₂-Atmosphäre betreffen von Interesse. Die Untersuchung des Verbrennungsprozesses unter den vorgenannten Bedingungen ist Inhalt dieses Forschungsprojektes. Dabei ist die Bestimmung wesentlicher Prozessparameter (maximaler CO₂-Gehalt, Wasserdampfgehalt, Gastemperaturen, Staubbeladung, O₂-Gehalt, Rezirkulationsgasanteil, Brennkammertemperaturen in Abhängigkeit des Rezirkulationsgasanteils), das Abbrand- und Ausbrandverhalten in der O₂/CO₂-Atmosphäre und die Bestimmung der Verbrennungsparameter (Verbrennungslufttemperatur, Luftstufungen, O₂-Gehalt) von Interesse. Darüber hinaus soll das Temperaturverhalten in der Brennkammer (vertikale Temperaturprofile) und die Aufteilung des Sauerstoffs (Luftstufung, O₂-Gehalt der Stoffströme) untersucht werden. Die Schadstoffentstehung und primäre feuerungstechnische Minderungsmaßnahmen (Luftstufungen, Brennkammertemperatur, Rezirkulationsgasanteil) für die Gaskomponenten CO, SO₂, NO_X und N₂O sind zu bewerten. Bezüglich des Brennstoffes ist der Einsatz verschiedener Brennstoffe und dessen Auswirkungen von Unregelmäßigkeiten in den Eigenschaften (Heizwert, Wassergehalt, Partikelgröße) sowie die Möglichkeit der Entschwefelung mit Trockenadditiven (Ca/S-Verhältnis, Körnung, unterschiedliche Additive, Aufgabeort) zu untersuchen.

* Dezentrales Energiemanagement System zur leistungsfluss- und netzbetriebs-optimierten Integration erneuerbarer Energiequellen in die Stromnetze. (Doktorand)

Dieses Forschungsthema zielt auf die bessere Modellierung von virtuellen Kraftwerken, die zunehmend als einer der wichtigsten Systemintegrationsaspekte für dezentrale Energieeinspeisungen in die Stromnetze erkannt werden. In der jüngsten Vergangenheit wurden an unterschiedlichsten Stellen sogenannte "Dezentrale Energie-Management Systeme DEMS" entwickelt. Auch die BTU verfügt hier über ein sehr leistungsfähiges System, welches von der Fa. Siemens entwickelt wurde. Wie alle Systeme betrachtet aber auch dieses die dezentral eingespeiste Energiemenge rein unter ökonomischen Aspekten. Vorhandene Restriktionen aus Sicht der Netze oder des Netzbetriebes werden nicht berücksichtigt. Dies ist einer der wesentlichen Gründe, dass DEMS bislang nur sehr wenig bei Energieversorgungsunternehmen eingesetzt werden konnte. Durch eine Erweiterung um die erforderlichen Analyse-Tools für Lastfluss, Kurzschluss, Netzbetrieb soll hier eine deutliche Weiterentwicklung erfolgen und so die Akzeptanz dieses Werkzeuges gesteigert werden. Mit dieser Doktorandenstelle soll auch eine weitere inhaltliche Arbeitsbeziehung zum LS Energiewirtschaft hergestellt werden.

* Modellierung der dynamischen Ausgleichsvorgänge beim Einsatz von supra- bzw. halbleitender Strombegrenzer (Stipendiat)

Supra- bzw. halbleitende Strombegrenzer befinden sich im Prototypenstadium, bzw. sind in ersten Feldversuchen installiert. Im Bereich der Materialentwicklung gibt es Lösungen als Dünnschicht- bzw. Dickschichttechnologie. Eigene Voruntersuchungen im Kraftwerkseigenbedarf in den zurückliegenden Jahren zeigten, dass für den Einsatz in der Energietechnik eine Dünnschichtvariante technologisch nur mit extremem Einsatz im Netz oder Kraftwerkseigenbedarf einsetzbar sein wird. Der Schwerpunkt eigener Arbeiten liegt deshalb auf supraleitenden Strombegrenzern mit Dickschichtmaterialien, wie sie z.B. von Nexans hergestellt werden. Für eine erfolgreiche Systemintegration derartiger Begrenzer in der Energietechnik sind umfangreiche Analysen des Betriebsverhaltens notwendig. Eine sinnvolle Modellierung vor allem des dynamischen Betriebsverhalten ist in den verfügbaren Netzberechnungsprogrammen derzeit jedoch nicht möglich. In dieser Arbeit sollen somit erweiterte Modellierungsansätze für dieses Betriebsmittel geschaffen werden.

* Modellierung der dynamischen Ausgleichsvorgänge beim Einsatz von Frequenz-umrichtern und dynamischen Kompensationsanlagen (Stipendiat)

Frequenzumrichter und dynamische Kompensationsanlagen sind bereits verbreitet im Netz eingebaut. Das stationäre und quasi-stationäre Betriebsverhalten sind inzwischen gut bekannt. Im Bereich hochdynamischer Vorgänge, wie sie z.B. bei üblichen Kurzschlüssen im Netz vorkommen, gibt es bislang nur wenig gesichertes Wissen. Auch die entsprechenden Modellierungsmöglichkeiten sehr unbefriedigend. Besonders Kritisch tritt dieses Problem durch die mit extrem hohen Zubauraten ins netz gebrachten Windkraftanlagen auf. Diese sich bei heute üblichen technischen Lösungen immer mit Frequenzumrichter ausgestatten, um so die Erzeugungsseite von der Netzseite frequenzmäßig zu entkoppeln. Das dynamische Verhalten dieser leistungsstarken Frequenzumrichter bei symmetrischen und asymmetrischen ein- zwei- oder dreipoligen Fehlern mit und ohne Erdberührung soll detailliert untersucht werden und entsprechende Werkzeuge zur Modellierung geschaffen werden, die der BTU nachhaltig eine gute Position im Bereich elektrischen Energietechnik unter den deutschen Hochschulen sichert.


Organisation

Die Fachklasse D der International Graduate School Cottbus wird von folgenden Hochschullehrerinnen und Hochschullehrern getragen:

PD Dr. habil. Dirk Freese, LS Bodenschutz und Rekultivierung (Sprecher)

Prof. Dr.-Ing. H. J. Krautz, LS Kraftwerkstechnik

Prof. Dr.-Ing. H. Schwarz, LS Energieverteilung und Hochspannungstechnik

Prof. Dr. rer. pol. W. Fichtner, LS Energiewirtschaft