Die konventionelle Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen ist mit vielen Nachteilen verbunden: hohe elektrische Lastspitzen, Energieverbräuche, Umweltbelastungen, signifikante Kosten sowie ein umfangreicher Einsatz von ozonabbauenden Kältemitteln in den letzten Jahren. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erreicht werden. Durch die thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist eine rationelle Nutzung der im Kühllastfall ausreichend vorhandenen Wärme möglich. Um die Kälteerzeugung weiter energetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern, stellt der Einsatz von Kältespeichern eine aussichtsreiche Alternative dar. In diesem Projekt wird deshalb der Kältespeicher-Einsatz speziell für die Randbedingungen in Deutschland untersucht.

Ausgehend von einem mit Kraft-/ Momentsensor ausgestatteten seriellen Roboter, wird die kraftbasierte Mensch-Roboter-Interaktion, als ein Spezialfall der Kraft-/ Momentregelung, untersucht. Betrachtet werden dabei sowohl die kinematischen Eigenschaften verschiedener Algorithmen als auch das dynamische Verhalten des Roboters während der kraftgeführten Bewegung (Handführen). Vorgeschlagen für die anschließende Implementierung in reale Steuerungssysteme wird der Ansatz zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum. Er hat im Vergleich zum kartesischen Algorithmus verschiedene Vorteile. Diese werden an konkreten Beispielen verdeutlicht. Außerdem werden diverse Zusatzfunktionalitäten und Anwendungsfelder vorgestellt. Besondere Erwähnung findet die Problematik der Bedienersicherheit während der Mensch-Roboter-Interaktion. Am Beispiel eines Robotersystems mit sog. offener Steuerung wird untersucht, inwieweit es möglich ist, den Kraft-/ Momentsensor durch einen Algorithmus zum Schätzen von Kontaktkräften und -momenten zu ersetzen. Verwendet werden dabei die Werte der Motorenströme. Darauf basierend wird die kraftgeführte Bewegung des Roboters ohne zusäzliche Sensorik demonstriert.

Ziel der Dissertation ist, die Bereitstellung positiver Minutenreserve durch dezentrale Klein-KWK-Anlagen unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu bewerten. Die Grundlage einer solchen Bewertung bilden detaillierte Kenntnisse des Abrufverhaltens positiver Minutenreserve. Deshalb wird die Inanspruchnahme positiver Minutenreserve untersucht und als stochastischer Prozess modelliert. Auf dieser Basis erfolgen Betrachtungen zur Dimensionierung der Wärmespeicher, zum Netzbetrieb mit hoher Dichte dezentraler Klein-KWK-Anlagen und zur Wirtschaftlichkeit eines solchen Konzeptes. Die abschließende ganzheitliche Betrachtung liefert Hinweise zur optimalen Betriebsweise der Klein-KWK-Anlagen. / From the technical point of view, virtual power plants consisting of small decentralized co-generation plants are able to provide positive tertiary reserve power for the European electricity transmission grid. For serious analyses, detailed knowledge about the load-characteristic of called reserve power is essentially. In order to examine grid operation, heat storage capacity and optimized power plant operation, the switch-on times of co-generation plants and the co-generated heat during reserve power provision have to be estimated. Aiming this, the called positive tertiary reserve power in Germany is analyzed and a mathematical model of the call-characteristic is synthesized. Furthermore, the results of examining grid operation, optimizing heat storage capacity and power plant operation are given. Calls of positive tertiary reserve power usually occur suddenly, non-scheduled and jumpy. Sometimes, there are single calls. Usually, calls occur clustered, i.e. one call is directly followed by further calls. Positive reserve power is much higher frequented under peak-load conditions than under base-load conditions. The characteristic of calling positive tertiary reserve power deeply depends on the control area. From the mathematical point of view, a Poisson-process fits non-scheduled and jumpy occurring events. Each jump marks a call date of positive tertiary reserve power. The values of the called power fit a logarithmical normal distribution. The lengths of the call-clusters satisfactorily fit a geometrical distribution. The expected value of called reserve energy is modeled dependent from the time of the day. The model is essential for simulating all combinations of switch-on times of co-generation plants and of co-generated heat volumes that might occur during providing reserve power. Aiming to optimize the installed heat storage capacity, the quote of heat use has to be examined. From both technical and ecological point of view, installing large heat storages is desirable in order to use all co-generated heat. From the economical point of view, installing any heat storage is not sensible. The solution of this trade-off is installing a heat storage that guarantees less or equal CO2-emissions than a conventional power plant fired with natural gas. The results of this thesis lead to 1 kWh heat storage capacity per 1 kW installed electrical power as rule of thumb. Concerning grid operation in steady state, a much higher density of co-generation plants than expected is technically installable. A general rule for extending the installable decentralized power cannot be deducted. Examining economics, decentalized co-genertation plants are desired to provide balancing power during their stand-by times. Building a virtual power plant only in order to provide reserve power is not economically sensible. From the power plant owners' view, providing positive tertiary reserve power by small decentralized co-generation plants is generally sustainable.

Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz und die inetz (Netzbetreiber) haben unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein hocheffizientes solares Fernwärmesystem (2100 m² Kollektorfläche, 1000 m³ Speicher, max. Netzlast 6-14 MW) für den Stadtteil Brühl in Chemnitz entwickelt. Dieses zeichnet sich durch viele innovative Merkmale (Systemkonzept und -betrieb, Speicher, Hausanschlussstation) aus und berücksichtigt komplexe städtische bzw. gesellschaftliche Zusammenhänge (Akzeptanz, Städtebau, Denkmalschutz, Gebäudeeigentümer, bestehende Versorgungssysteme). In diesem Projekt wurde eine breit angelegte Begleitforschung zur Funktion des Systems durchgeführt. Das Projekt umfasste u. a. die Datenbeschaffung und -auswertung bzgl. des Systems und des Quartiers, die Datenübernahme von der inetz, die Datenverarbeitung und -auswertung sowie die Optimierung des Systems. Es erfolgten spezielle Untersuchungen zur Funktion der Kollektorfelder, des Zwei-Zonen-Speichers, des Nachheizsystems und einer Hausanschlussstation. Aufgrund des Einsatzes von Wasser im gesamten System wurden die Untersuchungen in den Kollektorfeldern mit einem speziellen bzw. mobilen Monitoring realisiert. Numerische Simulationen lieferten das theoretische Verhalten für einen Soll-Ist-Ver gleich. Umgekehrt konnten die Simulationen anhand der Messwerte validiert werden. Die Mess- und Simulationsergebnisse flossen danach in Metamodelle ein. Diese Metamodelle wurden im SolFW-Tool genutzt, um eine einfache und schnelle Berechnung von solaren Fernwärmesystemen in Quartieren zur Verfügung zu stellen. Das SolFW-Tool ist als webbasiertes Simulationsprogramm verfügbar.

Aus der Einleitung: "Durch die Verwendung von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann sowohl die erzeugte elektrische als auch die anfallende thermische Energie genutzt und somit der Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie deutlich gesteigert werden. Dieses Konzept wird sowohl in Blockheizkraftwerken (BHKW) wie auch in Range Extendern (RE) verwendet (Ferrari et al. 2012). Die bisher geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch die zusätzlich vom RE bereitgestellte elektrische Energie erweitert. ..."

Der integrierte Gas-Dampf (GiD-) Prozess mit Wasserrückgewinnung ist ein flexibler Kraft-Wärme-Kopplungsprozess, der die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme teilweise entkoppeln kann. Der effiziente und sparsame Einsatz von fossilen Brennstoffen ist aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht geboten. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, ist eine Möglichkeit dafür. Allerdings erfordert die KWK auch eine gleichzeitige Abnahme von Strom und Wärme beziehungsweise deren Speicherung. Sowohl Strom als auch Prozessdampf lassen sich nur aufwendig und damit relativ teuer speichern, weshalb Alternativen gefragt sind. Der GiD-Prozess besteht aus einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abhitzedampfkessel. Die Gasturbine verfügt als Besonderheit über eine Dampfinjektion, die vor, nach oder direkt in die Brennkammer erfolgen kann. Der Abhitzekessel hat zusätzliche Wärmeübertragerflächen um das Abgas bis unter den Taupunkt abzukühlen. Somit kann ein Teil des injizierten Dampfes aus dem Abgas zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Der in die Gasturbine injizierte Dampf führt dieser weitere Energie zu. Diese kann entweder zur Leistungssteigerung der Anlage oder zur Reduzierung des fossilen Brennstoffbedarfes genutzt werden. Die erste Option der Leistungssteigerung ist auch als Cheng-Prozess bekannt. Diese Arbeit widmet sich der weniger untersuchten zweiten Möglichkeit der Brennstoffreduzierung. Beim Vergleich des GiD-Prozesses mit verschiedenen anderen Kraftwerks-Prozessen zeigt sich, dass dieser besonders gut für industrielle Anlagen mit Prozessdampfbedarf und einer elektrischen Leistung kleiner 20 MW el geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GiD-Prozess mittels einer Versuchsanlage auf Basis einer Industriegasturbine mit 650 kW el untersucht. Die Arbeit dokumentiert verschiedene Versuchsfahrten und Untersuchungen an dieser Anlage. Die Injektion von Dampf reduziert die Schadstoffemissionen in den zulässigen Bereich und kann sehr flexibel zu einer Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von bis zu zwei Prozent führen. Dabei wird der Dampf sehr gleichmäßig in die Versuchsanlage eingebracht, so dass keine signifikanten Änderungen der Abgastemperaturverteilung erkennbar sind. Die Überhitzung des Dampfes kann zu einer weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades führen. Die Rückgewinnung des eingebrachten Dampfes ist mit den entsprechenden Wärmeübertragern möglich. Das zurückgewonnene Wasser ist durch die Stickoxide des Abgases verunreinigt und muss entsprechend aufbereitet werden.

Der Einsatz von Fasergefügen und insbesondere von Papier geht heute über dessen ursprüngliches Anwendungsgebiet als Informationsträger weit hinaus. Mit alternativen und neuen Aufgabenfeldern des Papiers kommen auch weitere, qualitative Anforderungen hinzu, welche es während der Herstellung, Weiterverarbeitung und Nutzung erfüllen muss. In der Vergangenheit stand verstärkt z.B. die Verbesserung der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften im Vordergrund. Für viele Anwendungsfälle spielt jedoch auch die Dehnung eine entscheidende Rolle. Beispiele sind Sackpapier oder Elektroisolationspapier. Darum verfolgt diese Arbeit das Ziel, systematisch und anhand eines neuen Dehnungsmodells, qualitativ und quantitativ die Einflüsse der Faser- und Gefügeeigenschaften anhand ausgewählter Prozessbedingungen auf das Kraft-Dehnungsverhalten, aber insbesondere auf dessen Dehnung zu untersuchen. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, mit der es unter Nutzung eines Röntgen-Computertomographen möglich ist, weitere Gefügeparameter, auch während einer semi-dynamischen Zugprüfung in-situ zu ermitteln. Für die Bewertung der Fasereigenschaften wurden vier Faserstoffe ausgewählt. Zum Einsatz kam ein ungebleichter Nadelholzsulfatzellstoff (UKP), ein gebleichter Eukalyptuszellstoff, Baumwolllinters und Tencel, eine synthetische Cellulosefaser. Diese Faserstoffe sind chemisch und morphologisch analysiert worden, bevor sie sowohl überwiegend fibrillierend als auch überwiegend kürzend in einem Refiner gemahlen wurden. Nach unterschiedlich hohem Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit in den Faserstoff wurden aus der Suspension Papiermuster gebildet, schrumpfungsbehindert getrocknet und charakterisiert. Durch die Mahlung der Faserstoffe erfolgte eine Reduktion deren mittlerer längengewichteter Faserkonturlänge, der Feinstoffanteil konnte gesteigert werden und das Wasserrückhaltevermögen nahm zu. Es konnte ein unterschiedliches Verhalten der Entwicklung des Wasserrückhaltevermögens zwischen dem ungebleichten Nadelholzsulfatzellstoff und dem gebleichten Eukalyptus gegenüber den Baumwolllinters und den Tencelfasern gefunden werden. Das Wasserrückhaltevermögen von Baumwolllinters und den Tencelfasern blieb, unabhängig von der Mahlstrategie, fast bis zum maximalen Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit von ca. 770 kWh/t unbeeinflusst. Mit den erhaltenen Kraft-Dehnungsdiagrammen der Papiermuster, welche durch eine uniaxiale Zugprüfung mit konstanter Dehnungsgeschwindigkeit messtechnisch erfasst wurden, konnte durch eine Kurveneinpassung mit dem entwickelten Dehnungsmodell das jeweilige Kraft-Dehnungsverhalten mathematisch nachgebildet werden. Dieser neue Modellansatz wurde gewählt, nachdem die Auswertung des Ansatzes von Paetow [77;78;79;90] zu große Abweichungen bei bestimmten Papiermustern aufzeigte. Dies ermöglichte die quantitative Auswertung relevanter Parameter der Kraft-Dehnungskurven. Dabei wurden der Elastizitätsmodul, die Reißlänge und die Dehnung bei maximaler Reißlänge bewertet. Eine sehr hohe Reißlänge konnte mit einem fibrillierend gemahlenem, ungebleichtem Nadelholzsulfatzellstoff und eine hohe Dehnung mit einem, ebenfalls fibrillierend gemahlenem Eukalyptuszellstoff erreicht werden. Des Weiteren sind die Reißlänge am Übergang von einem initial linearen in den nicht-linearen Kurventeil, ein Abknickfaktor sowie der weitere Kurvenverlauf nach dem nicht-linearen Bereich, bis zur maximalen Reißlänge des Gefüges bewertet worden. Der letzte Kurvenbereich wurde entweder durch den weiteren, nicht-linearen Verlauf oder durch einen sekundären Linearbereich charakterisiert. Der von Seth und Page [22] dargestellte Einfluss der Faserstoffmahlung auf den Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier konnte nicht nachgebildet werden. Dies zeigte auch, dass die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse durch eine Korrektur des Elastizitätsmoduls mit den Kraft-Dehnungskurven nicht mit den Ergebnissen aus [22] übereinstimmen. Die Faserstoffmahlung hat demnach nicht nur einen Einfluss auf die maximal erreichbare Reißlänge und Dehnung, sondern beeinflusst auch den qualitativen Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier. Es konnten keine individuellen Einflussgröße der Fasermorphologie und der Prozessparameter auf die Dehnung oder das Kraft-Dehnungsverhalten festgestellt werden, da sich die meisten dieser Eigenschaften direkt mit der eingebrachten, massenspezifischen Mahlarbeit verändern, die Papierdehnung jedoch schon nach Erreichen einer moderaten massenspezifischen Mahlarbeit von ca. 100 – 200 kWh/t nicht weiter steigern ließ. Für eine weitere Bewertung der Einflüsse auf das Kraft-Dehnungsverhalten von Papier wurden Messwerte aus [143] analysiert. Dabei zeigte sich, dass ein Anstieg an Fasern mit einer hohen Faserkräuselung die Reißlänge des Papiers sowie den Elastizitätsmodul signifikant reduziert. Die Reißlänge am Kurvenübergang vom initial linearen in den nicht-linearen Teil bleibt dabei jedoch konstant. Ein anderes Verhalten, welches mit den Ergebnissen von Seth und Page [22] sowie Lowe [12] übereinstimmt, ist die Auswirkung eines kationischen Additivs wie z.B. Stärke auf die Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Additiv keinerlei Einfluss auf den initial linearen sowie den nicht-linearen Teil der Kraft-Dehnungskurve hat, sondern nur den sekundären, linearen Kurvenbereich in Abhängigkeit der Dosiermenge beeinflusst. Dabei wurde die Steigung im sekundären Linearbereich bestimmt. Dieses Verhalten führte zu einer Erweiterung der Theorie von Kallmes [82], welcher nach einem Anstieg der Festigkeit und der Dehnung, ab einer kritischen, relativen Bindungsfläche nur noch einen Anstieg der Festigkeit vorhersagte, jedoch nicht mehr der Dehnung. Auf Grund der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse müssen drei Fälle der Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen unterschieden werden, welche primär von der Homogenität der Spannungsverteilung im Fasergefüge abhängig sind und z.B. durch die Faserkräuselung oder Blattformation beeinflusst werden kann. Diese neue Ansicht basiert auf dem Verhältnis zwischen der Bindungsenergie der Faser-Faserbindung und dem formbasierten sowie dem längenbasierten Arbeitsaufnahmevermögen der Fasern. Der erste Fall der Gefügedehnung beschreibt das Verhalten, wenn die Bindungsenergie geringer ist als das formbasierte Arbeitsaufnahmevermögen. Dies führt zu einem Auseinandergleiten des Fasergefüges. Dieses Verhalten konnte mit der Analyse von Papierproben aus Linters im Röntgen-Computertomograph qualitativ nachgewiesen werden. Steigt die Bindungsenergie an, wie es der zweite Fall voraussetzt, kann das formbasierte Arbeitsvermögen der Fasern überwunden werden und steht als Dehnvermögen zur Verfügung. Um auch, wie es der dritte Fall beschreibt, das längenbasierte Dehnvermögen der Fasern nutzen zu können, muss die Bindungsenergie zusätzlich durch z.B. ein Additiv oder hohe Drücke in einer Nasspresse weiter steigen. Die erweiterte Theorie bildet nun das gesamte Kraft-Dehnungsverhalten von Fasergefügen ab und muss in weiteren Arbeiten zur Papieranalyse verifiziert werden. Eine wertvolle Ergänzung der zu ermittelnden Gefügeparameter kann durch die entwickelte Methode mit der Röntgen-Computertomographie geleistet werden.

Alltmer intermittent elkraft byggs idag i Sverige för att öka andelen förnybar el i energisystemet. Detta leder till mer ojämn elproduktion, vilket skapar problem i form av mer volatila och oförutsägbara elpriser. Ett sätt att dämpa effekten av den ökande intermittenta kraften är att använda förnybar vätgasproduktion som lastutjämning. På detta sätt kan vätgasen potentiellt bli en viktig del i den fossilfria energimixen. Att använda vätgas som energilager i en Power-to-Power-applikation (P2P) möjliggör även utnyttjandet av prisarbitrage på elmarknaden. Ett ökat klimatfokus har återuppväckt intresset för hur vätgasproduktion kan göras lönsamt. Några tecken på att satsningar sker är att flera länder satsar stora pengar på vätgastekniker och infrastruktur, där flertalet samarbeten över nationella gränser har etablerats.Denna studie syftar till att undersöka de tekno-ekonomiska förutsättningarna för produktion av förnybar vätgas där lönsamheten av arbitragehandel på elmarknaden Elspot bedöms. Detta innefattar en gedigen granskning av kommersiella tekniker lämpade för Linköpings energisystem, däribland elektrolys, ångreformering och bränslecell. Tre fall konstruerades med olika uppsättningar av ingående komponenter. Sedan utfördes en driftoptimering som tog fram övre och undre prisgränser för produktion respektive konvertering av vätgas mot spotpriset. Optimeringsverktyget Problemlösaren i Excel användes för att få fram dessa gränser. Visual Basic (VBA) användes sedan för att genomföra en lagersimulering som visualiserar lagersaldot för alla årets timmar. För att få fram kostnaden för varje kilogram producerad vätgas användes nuvärdesberäkningen Levelised Cost of Energy (LCOE), vilket även underlättade jämförelsen av de tre fallen. Vilka effekter i form av växthusgasutsläpp de olika anläggningarna medför utvärderades också genom beräkningssättet konsekvensanalys. Där jämfördes effekten i form av nettoutsläpp i koldioxidekvivalenter för integrering av respektive anläggning. Resultaten visar på att det finns kommersiella tekniker som kan integreras med det befintliga energisystemet på ett resurseffektivt sätt, däremot är de ekonomiska förutsättningarna inte lika bra och P2P-lösningarna är idag långt ifrån lönsamma. Anledningen tros vara en kombination av otillräckliga elprisfluktuationer samt låg total systemverkningsgrad (som högst 14%) för samtliga konstruerade fall. De årliga intäkterna från elförsäljningen motsvarar cirka 1 procent av de årliga kostnaderna för anläggningen, och LCOE landade på cirka 1500 kronor. Resultaten från investeringskalkyleringen visar på att en högre utnyttjandegrad leder till en lägre LCOE. Lagersimuleringen visar på att säsongslagring krävs för denna typ av anläggning då fluktuationerna inte är tillräcklig stora på en daglig, veckovis eller månatlig basis. Känslighetsanalys på LCOE och driftoptimeringen visar inte heller på lönsamhetsmöjligheter i P2P-fallen även vid gynnsamma justeringar på parametrarna investeringskostnad, elpris och verkningsgrad. Ur ett klimatperspektiv visar samtliga fall, med ett undantag, på en minskade växthusgasutsläpp i regionen.  Slutsatsen som dras av resultaten från fallstudien är att, trots goda tekniska förutsättningar och positiv inverkan på lokala växthusgasutsläpp, kan en P2P-applikation med vätgaslagring inte göras lönsam i en svensk kontext inom en nära framtid. Däremot visar ett Power-to-Gas-fall potential för lönsamhet, då dess investeringskostnad är mindre samt att systemverkningsgraden är högre. / More and more intermittent electric power is being built in Sweden today to increase the share of renewable electricity in the energy system. This leads to more uneven electricity generation, which creates problems in terms of more volatile and unpredictable electricity prices. One way to dampen the effect of the increasing intermittent power is to use renewable hydrogen production as load shedding. In this way, the hydrogen gas can potentially become an important part of the fossil-free energy mix. Using hydrogen as energy storage in a Power-to-Power application (P2P) also enables the use of price arbitrage in the electricity market. An increased climate focus has rekindled interest in how hydrogen production can be made profitable. Some signs that investments are taking place are that several countries are investing big money on hydrogen technologies and infrastructure, and collaborations across national borders have been established. This study aims to investigate the techno-economic prerequisites for renewable hydrogen production where the profitability of arbitrage on the Elspot market is explored. This comprises a thorough investigation of commercial technologies suited for Linköping’s energy system. Three cases where constructed with different component constellations. Then the operational strategy was optimised which generated a lower and upper price limit for production and conversion of hydrogen with input price data from Elspot. The optimisation tool in Excel was used in order to obtain these price limits. Visual Basic (VBA) was then used for storage simulation in order to get a perception of the storage development through all the hours of the year. The cost of every kilogram of hydrogen produced was then calculated through Levelized Cost of Energy (LCOE), which made the comparison of the three cases easier. The resulting greenhouse gas emissions when integrating the facilities in each case were also evaluated with a so-called impact analysis. The effect was compared in net emissions in carbon dioxide equivalents for an integration of each facility.     The results show that there are commercial technologies that can be integrated with the existing energy system in a resource efficient manner, whereas the economic prerequisites are not as good, where today’s Power-to-Power (P2P) solutions are not profitable. The reason seems to be the combination of insufficient spot price fluctuations and a low system efficiency (14% at best) for each case. The annual revenues correspond to 1 percent of the annual costs and that LCOE lands at about 1500 SEK. A higher utilization percentage of the plant shows a lower LCOE in the investment calculation. The storage simulation indicates that a seasonal storage is needed for this type of facility because of that the spot price fluctuations are not big enough on a daily, weekly or monthly basis. The sensitivity analysis made on the investment calculation and operational strategy also shows that there is no profitability in the P2P cases where parameters regarding investment cost, efficiency and electricity price were set optimistically. The Power-to-Gas case on the other hand shows potential for profitability, all because of lower total investment costs and higher efficiency. All cases except the case with steam methane reforming shows reductions in greenhouse gas emissions when integrated in the regional energy system.   The conclusion that can be drawn from the results in the case study is that, in spite of good technological prerequisites and a positive effect on local greenhouse gas emissions, a P2P-application with hydrogen storage cannot be made profitable in a Swedish context in the near future. However, a Power-to-Gas case shows potential for profitability because of its lesser investment cost and that the system efficiency is higher.

Ziel dieser Arbeit war es die Spitze-Probe-Wechselwirkung polymerer Materialien tiefenaufgelöst zu bestimmen. Dazu wurde die tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie an polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen angewendet. Die gepfropften Polymere wurden gezielt während der Messung Chloroformdampf ausgesetzt. Dies bewirkte ein selektives Quellen und ein Erweichen der Polystyrolhülle. Damit war es möglich die eingebetteten Graphenoxidlagen tiefenaufgelöst abzubilden. Kapillare und repulsive Kräfte konnten in den Tiefenprofilen unterschieden werden. Durch die akkurate Höhenmessung der polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen konnte der Quellgrad bestimmt werden. Der Quellgrad und die Dicke der Polystyrolhülle lassen Rückschlüsse auf die Kettenkonformation zu. Ein Ergebnis ist, dass die Polystyrolketten bürstenförmig an die Graphenoxidlage gepfropft sind. Die Bestimmung der wahren Oberfläche in der Anwesenheit starker kapillarer Kräfte ist bei weichen polymeren Materialien herausfordernd. Die beste Näherung ist der Beginn der attraktiven Wechselwirkungen. Als Modellsystem eines flüssigen, nanoskaligen Objektes dienten in Chlorofomdampf gequollene Polystyroltropfen. Die Spitze-Probe-Wechselwirkung wurde mit verschiedenen kraftspektroskopischen Methoden charakterisiert. Eine Methode wurde entwickelt, um aus Kraft-Abstands-Kurven dreidimensionale Tiefenprofile der Spitze-Probe-Wechselwirkung zu rekonstruieren. Diese Profile geben Aufschluss über die transiente Deformation des Tropfens. Weiterhin wurde die intrinsische Relaxationszeit der gequollenen Polystyroltropfen mit einem step-strain-Experiment bestimmt. Diese Zeitkonstante ist im Bereich von 7–43 ms und erklärt die Unterschiede in der Wechselwirkung zwischen dynamischen und statischen Kraft-Spektroskopie-Kurven.

Einleitung: Klauenerkrankungen und Lahmheiten stellen ein großes ökonomisches sowie tierschutzrelevantes Problem in der modernen Milchviehhaltung dar. Diese werden wesentlich durch die Haltung auf harten Böden wie Beton oder Gussasphalt begünstigt. Daher werden in Rinderställen vermehrt Gummi-Laufflächenbeläge eingebaut, welche die mechanischen Belastungen und somit potentielle Schädigungen der Klauen reduzieren sollen. Die Einwirkung von Kräften in Abhängigkeit unterschiedlicher Böden auf die Klauenfußungsfläche kann mittels Druckmessung untersucht werden. Um dabei den direkten kinetischen Einfluss des Bodens auf die Fußungsfläche ermitteln zu können, sind dünne Sensorfolien nötig. Ziele der Untersuchung: Ziel der Arbeit war es, zunächst ein Ex-vivo-Belastungsmodell für isolierte Rindergliedmaßen zu etablieren, um mit einem folienbasierten Druckmesssystem den direkten kinetischen Einfluss verschiedener Untergründe auf die Fußungsfläche der Klauen zu ermitteln. Anschließend sollte dieses Messsystem erstmals unter lebenden Rindern angewendet werden. Tiere, Material und Methoden: Insgesamt wurden drei Versuche durchgeführt, in denen die kinetischen Einflüsse von Betonboden sowie mindestens einem Gummiboden der Firma Gummiwerk KRAIBURG Elastik GmbH & Co. KG anhand folgender Parameter untersucht wurden: Kraftverteilung, Belastungsfläche sowie durchschnittlicher und maximaler Druck. Die Datenerfassung erfolgte mit dem Hoof™System (Tekscan®). Zunächst wurde ein Ex-vivo-Versuch mit einem speziell für diese Messung angefertigten Belastungsgerät durchgeführt. Damit wurden zwölf linke isolierte distale Hintergliedmaßen auf Betonboden sowie drei Laufgang-Gummimatten (KARERA P, KURA P und profiKURA P) belastet. Außerdem wurde in diesem Versuch neben den oben aufgeführten Parametern zusätzlich die Kraft- und Druckverteilung innerhalb definierter Bereiche unter der Klaue analysiert. Diese Versuchsanordnung wurde anschließend in einen statischen In-vivo-Versuch mit elf auf Beton und KURA P Gummiboden stehenden, adulten Milchkühen überführt. Außerdem wurden die Sensorfolien in einem zweiten In-vivo-Versuch unter den Klauen der linken Hintergliedmaße von zehn adulten Milchkühen angebracht und die kinetischen Einflüsse von Beton und KURA P Gummiboden im Stand und beim Laufen ermittelt. Die statistischen Vergleiche zwischen den Böden wurden gepaart für die Klauen bzw. Kühe sowie zwischen den Versuchen mittels Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test mit anschließender Post-Hoc-Korrektur nach Bonferroni-Holm berechnet. Für alle Resultate mit einer Wahrscheinlichkeit von p < 0,05 wurde eine statistische Signifikanz angenommen. Zusätzlich wurden im Laufen die Kraft-Zeit-Kurven einzeln für die laterale und mediale Klaue aufgezeichnet. Ergebnisse: In allen Versuchen sowie auf allen untersuchten Böden lastete die Kraft signifikant mehr auf den lateralen als auf den medialen Klauen. Die belastete Fläche war auf allen Gummiböden signifikant größer als auf Betonboden. Dadurch zeigten sich auf allen Gummiböden signifikant geringere Druckbelastungen als auf Betonboden: Der durchschnittliche Druck fiel im Ex-vivo-Versuch auf allen untersuchten Gummiböden im Mittel 34 - 44 % geringer aus als auf Betonboden (44,69 ± 5,39 N/cm²), während die Durchschnittsdruckwerte in den In-vivo-Versuchen auf KURA P-Gummiboden im Mittel um 16 - 21 % geringer waren als auf Beton (statisch: 32,05 ± 4,56 N/cm² bis 35,74 ± 7,66 N/cm², dynamisch: 46,60 ± 13,94 N/cm² bis 55,60 ± 9,78 N/cm²). Der auf die Klauen wirkende Maximaldruck war im Ex-vivo-Versuch auf den getesteten Gummiböden im Mittel 33 - 45 % geringer als auf Beton (130,31 ± 23,29 N/cm²) und in den In-vivo-Versuchen auf KURA P-Gummiboden im Mittel 28 - 32 % geringer als auf dem Betonboden (statisch: 92,12 ± 8,83 N/cm² bis 104,79 ± 20,40 N/cm², dynamisch: 158,47 ± 37,66 N/cm²). Die Kraft-Zeit-Kurven des dynamischen In-vivo-Versuchs zeigten weitgehend biphasische Verläufe mit lokalen Maxima bei 29 % und 79 % der Stützphase. Es traten jedoch interindividuell sowie jeweils zwischen lateralen und medialen Klauen deutliche Unterschiede im Kurvenverlauf auf. Schlussfolgerungen: Das Hoof™System konnte erfolgreich bei Rindern eingesetzt werden. Mit dem Belastungsgerät konnten standardisierte Messwiederholungen auf verschiedenen Untergründen durchgeführt werden. Künftig können damit weitere Untergründe sowie neue Klauenpflegetechniken zunächst ex vivo evaluiert werden, bevor sie an lebenden Rindern Anwendung finden. In allen Versuchen war auf Gummiboden eine mechanische Entlastung der Klauenfußungsfläche zu verzeichnen, was die Vermutung nahelegt, dass diese Böden einen Beitrag zur nachhaltigen Verbesserung der Klauengesundheit in der konventionellen Milchviehhaltung leisten können. / Introduction: Claw lesions and lameness are amongst the major problems in modern dairy husbandry. They are mainly caused by keeping the cows on hard, unyielding floors like concrete or mastic asphalt. Therefore preventively, an increasing number of farmers install rubber floorings in the walking alleys to minimize the mechanical stress to the sole and consequently reduce damage of the claws. The kinetic effect of different flooring types to the sole can be analyzed by means of pressure measurement. In order to detect the direct kinetic impact of the tested flooring, thin sensor foils capturing the interactions between claw and floor are required. Aims of the study: In the present study, an ex vivo load applicator was to be developed in order to use a foil-based pressure measurement system to determine the direct kinetic effect of different flooring types on the claws’ soles. Furthermore, this system was to be applied to live dairy cows for the first time. Materials and Methods: Three trials were conducted in which the kinetic effects of concrete and at least one rubber flooring (Gummiwerk KRAIBURG Elastik GmbH & Co. KG) were analyzed considering the following parameters: force balance, contact area, mean pressure and maximum pressure. Data acquisition was performed with the Tekscan® Hoof™System. Initially, an ex vivo trial was carried out with a purpose-built load applicator. Using this method, twelve left isolated distal hind limbs were loaded on concrete and three rubber floorings (KARERA P, KURA P and profiKURA P). Beside the parameters mentioned above, force and pressure distribution were analyzed within the separate areas of the claw’s sole. Afterwards, this test setting was transposed into a static in vivo trial with eleven adult dairy cows standing on concrete and KURA P rubber mats, respectively. Subsequently, the sensor foils were attached under the left hind limbs of ten adult dairy cows and the kinetic impacts of concrete and KURA P rubber flooring were determined during standing and walking. Statistical analysis was conducted using the Wilcoxon signed-rank test in combination with Holm-Bonferroni post hoc correction. Differences were considered to be significant at p < 0.05. In addition to the parameters mentioned above, force-time-curves of the walking cows were captured separately for the lateral and medial claw. Results: In all trials and on all tested floorings load was distributed unevenly between the claws at the expense of the lateral claw. The contact area was larger on all rubber floorings than on concrete. Therefore, the mean and maximum pressure loads were lower on all rubber floorings compared to concrete: In the ex vivo trial the mean pressure was, on average, 34 - 44 % lower on all rubber floorings than on concrete (44.69 ± 5.39 N/cm²), while in the in vivo measures the mean pressure was, on average, 16 - 21 % lower on KURA P rubber flooring compared to concrete (static: between 32.05 ± 4.56 N/cm² and 35.74 ± 7.66 N/cm², dynamic: between 46.60 ± 13.94 N/cm² and 55.60 ± 9.78 N/cm²). The maximum pressure loads in the ex vivo measures were, on average, 33 - 45 % lower on the tested rubber floorings than on concrete (130.31 ± 23.29 N/cm²) and in the in vivo trials, on average, 28 - 32 % lower on KURA P rubber flooring compared to concrete (static: between 92.12 ± 8.83 N/cm² and 104.79 ± 20.40 N/cm², dynamic: 158.47 ± 37.66 N/cm²). The force-time-curves of the dynamic in vivo study essentially showed biphasic curve progression with local peaks at 29 and 79 % of the stance phase. However, considerable differences in the curve progression between individuals as well as between the respective lateral and medial claw were found. Conclusions: The Hoof™System was applied successfully in dairy cattle claws for the first time. With the load applicator standardized repeated measurements on different floorings were conducted. In the future, more flooring systems as well as novel claw trimming methods can be evaluated using this setup before they are applied on live cattle. In all trials, a mechanical relief for the sole on the rubber floorings was determined. This leads to the conclusion that these floorings may contribute to a sustainable improvement of claw health in conventional dairy husbandry.