Zugl.: Hannover, Univ., Diss.

Zugl.: Kiel, University, Diss., 2009.

Zugl.: Potsdam, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Potsdam, Univ., Diss., 2008.

Das American Concrete Institute (ACI) definiert Hochleistungsbeton (High performance concrete, HPC) als einen Beton, der spezielle Leistungs- und Gleichförmigkeitsanforderungen erfüllt. Die Anforderungen schließen vereinfachtes Ausbringen, verbesserte Frühfestigkeiten und mechanische Langzeiteigenschaften, Härte, Volumenstabilität und Belastbarkeit unter besonderen Umweltbedingungen ein. Diesen Anforderungen kann für gewöhnlich nicht mit klassischen Rohstoffen, normalen Misch- und Abbindeprozeduren entsprochen werden. Daher wurde in dieser Studie in Übereinstimmung mit der Literatur die Einfachheit des Ausbringens beziehungsweise die Selbstverdichtung als Kriterium für Hochleistungseigenschaften genommen. Während einer bautechnischen Begutachtung eines brandgeschädigten Gebäudes in Lahore deutete sich an, dass die Schäden zum größten Teil durch mangelhafte Kenntnis der Materialeigenschaften und mangelhafte Verarbeitung verursacht wurden. Dies war unter anderem Anlass für die Durchführung der vorliegenden Untersuchungen. Die Arbeiten über Hochleistungsbetone begannen mit der Auswahl von alternativen Rohstoffen (secondary raw materials, SRM) entsprechend den Ergebnissen des Literaturstudiums. Die Verwendung von Reisasche (Rice husk ash, RHA) in selbstverdichtenden Betonen (Self compacting concrete, SCC) ist eine neue Idee, die bislang nicht veröffentlicht wurde. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen mit Mikrosilika (Silica fume, SF), amorpher und kristalliner Reisasche (RHA bzw. RHAP) durchgeführt. In vielen Entwicklungsländern ist Mikrosilika guter Qualität auf absehbare Zeit kaum zu vernünftigen Preisen verfügbar, während Reisasche in reisanbauenden Ländern wie Pakistan hochverfügbar ist. Bei entsprechenden Ergebnissen soll mit dieser Studie die Verwendung von RHA alternativ zu SF in SCC empfohlen werden. Das Literaturstudium zeigte ferner, dass die Verwendung von Flugasche in Kombination mit anderen puzzolanischen Materialien wie Mikrosilika in Deutschland nicht üblich ist, während dies in Skandinavien erfolgreich getan wird. Deshalb ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Rolle binärer und ternärer Binder in SCC. Als SRM wurden Kalksteinmehl, Flugasche, Mikrosilika sowie RHA (aus USA) und RHAP (aus Pakistan) ausgewählt. Die Studie beschäftigt sich mit Fließverhalten, Festigkeit, Mikrostruktur und Volumenstabilität (gemessen als frühes Schwinden) von SCC. Die durch binäre und ternäre Binder bewirkte Erhöhung der Gesamtfestigkeit soll möglichst einfach berechnet werden können. Die ist von großem Wert für Bauingenieure, da sie üblicherweise nur an der Gesamtfestigkeit des zementären Systems und nicht an den Festigkeitsanteilen chemischer oder physischer Komponenten interessiert sind. Es wird vorgeschlagen, das vergleichsweise inerte Material für andere puzzolanische Binder und deren Kombinationen als Ausgangspunkt zur einfachen Quantifizierung der Festigkeit zu nehmen. Es ist in der Praxis nicht üblich, die frühe Gesamtschwindung mit deren einzelnen Teilprozessen zu beschreiben. Deshalb wurde die Volumenstabilität als lineare Gesamtschwindung ermittelt. Die Arbeiten begannen mit selbstverdichtenden Pasten (High performance self compacting pastes, HP SCP), die zu selbstverdichtenden Mörteln (High performance self compacting mortars, HP SCM) und selbstverdichtenden Betonen (High performance self compacting concretes, HP SCC) weiterentwickelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten können als anwendungsfreundlicher angesehen werden, als Ergebnisse von Arbeiten durchgeführt ausschließlich an SCC. Darüber hinaus wurden ausgehend von Laborergebnissen einige Versuche an einem Beton-Mischwerk und anschließend während des Einbringens in einen Versuchsstollen des Lehrbergwerks durchgeführt. Zur Abschätzung von Wasserbedarf, Fließverhalten und Festigkeit von HP SCC werden verschiedene einfache Methoden und Konzepte vorgeschlagen. Die Erfindung von Verflüssigern in Deutschland und Japan Anfang der 80er Jahre ermöglichte zusammen mit geeigneten Zuschlägen das Erreichen hoher Festigkeiten und Dauerhaftigkeiten. Es wird eine Methode zur indirekten Berechnung des Wasserbedarfs für jeden Zuschlag, der in geeigneten Mengen mit Zement gemischt wird. Weiterhin schlägt der Autor die Messung der T 25 cm Fließzeit für HP SCM/SCP-Systeme (das Verhältnis zwischen T 25 cm Ausbreitmaß und dem Kegelbodendurchmesser) in Analogie zur Ermittlung des 50cm-Ausbreitmaßes mittels Abrams-Kegel bei SCC vor. Dies wäre ein brauchbarer indirekter Indikator der rheologischen Eigenschaften von SCC-Systemen. Der Durchmesser des Abramskegels ist 20 cm und das besprochene Verhältnis ist 2,5. Ausgehend von den Ergebnissen lässt sich feststellen, dass sicher amorphe RHA als Ersatz für SF in SCC genommen werden kann. Dies gilt selbst bei RHA mittlerer puzzolanischer Aktivität, wie sie von Kraftwerken mit Reistrohfeuerung erhältlich ist. Die Verbesserung von Leistung und Dauerhaftigkeit konnte sowohl für binäre als auch für ternäre Binder in SCC-Systemen festgestellt werden. Für gute Dauerhaftigkeit wie auch aus ökonomischen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Menge des zuzumischenden Wassers in etwa dem Wasserbedarf entspricht.

Zugl.: Bonn, University, Diss., 2004.

Das American Concrete Institute (ACI) definiert Hochleistungsbeton (High performance concrete, HPC) als einen Beton, der spezielle Leistungs- und Gleichförmigkeitsanforderungen erfüllt. Die Anforderungen schließen vereinfachtes Ausbringen, verbesserte Frühfestigkeiten und mechanische Langzeiteigenschaften, Härte, Volumenstabilität und Belastbarkeit unter besonderen Umweltbedingungen ein. Diesen Anforderungen kann für gewöhnlich nicht mit klassischen Rohstoffen, normalen Misch- und Abbindeprozeduren entsprochen werden. Daher wurde in dieser Studie in Übereinstimmung mit der Literatur die Einfachheit des Ausbringens beziehungsweise die Selbstverdichtung als Kriterium für Hochleistungseigenschaften genommen. Während einer bautechnischen Begutachtung eines brandgeschädigten Gebäudes in Lahore deutete sich an, dass die Schäden zum größten Teil durch mangelhafte Kenntnis der Materialeigenschaften und mangelhafte Verarbeitung verursacht wurden. Dies war unter anderem Anlass für die Durchführung der vorliegenden Untersuchungen. Die Arbeiten über Hochleistungsbetone begannen mit der Auswahl von alternativen Rohstoffen (secondary raw materials, SRM) entsprechend den Ergebnissen des Literaturstudiums. Die Verwendung von Reisasche (Rice husk ash, RHA) in selbstverdichtenden Betonen (Self compacting concrete, SCC) ist eine neue Idee, die bislang nicht veröffentlicht wurde. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen mit Mikrosilika (Silica fume, SF), amorpher und kristalliner Reisasche (RHA bzw. RHAP) durchgeführt. In vielen Entwicklungsländern ist Mikrosilika guter Qualität auf absehbare Zeit kaum zu vernünftigen Preisen verfügbar, während Reisasche in reisanbauenden Ländern wie Pakistan hochverfügbar ist. Bei entsprechenden Ergebnissen soll mit dieser Studie die Verwendung von RHA alternativ zu SF in SCC empfohlen werden. Das Literaturstudium zeigte ferner, dass die Verwendung von Flugasche in Kombination mit anderen puzzolanischen Materialien wie Mikrosilika in Deutschland nicht üblich ist, während dies in Skandinavien erfolgreich getan wird. Deshalb ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Rolle binärer und ternärer Binder in SCC. Als SRM wurden Kalksteinmehl, Flugasche, Mikrosilika sowie RHA (aus USA) und RHAP (aus Pakistan) ausgewählt. Die Studie beschäftigt sich mit Fließverhalten, Festigkeit, Mikrostruktur und Volumenstabilität (gemessen als frühes Schwinden) von SCC. Die durch binäre und ternäre Binder bewirkte Erhöhung der Gesamtfestigkeit soll möglichst einfach berechnet werden können. Die ist von großem Wert für Bauingenieure, da sie üblicherweise nur an der Gesamtfestigkeit des zementären Systems und nicht an den Festigkeitsanteilen chemischer oder physischer Komponenten interessiert sind. Es wird vorgeschlagen, das vergleichsweise inerte Material für andere puzzolanische Binder und deren Kombinationen als Ausgangspunkt zur einfachen Quantifizierung der Festigkeit zu nehmen. Es ist in der Praxis nicht üblich, die frühe Gesamtschwindung mit deren einzelnen Teilprozessen zu beschreiben. Deshalb wurde die Volumenstabilität als lineare Gesamtschwindung ermittelt. Die Arbeiten begannen mit selbstverdichtenden Pasten (High performance self compacting pastes, HP SCP), die zu selbstverdichtenden Mörteln (High performance self compacting mortars, HP SCM) und selbstverdichtenden Betonen (High performance self compacting concretes, HP SCC) weiterentwickelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten können als anwendungsfreundlicher angesehen werden, als Ergebnisse von Arbeiten durchgeführt ausschließlich an SCC. Darüber hinaus wurden ausgehend von Laborergebnissen einige Versuche an einem Beton-Mischwerk und anschließend während des Einbringens in einen Versuchsstollen des Lehrbergwerks durchgeführt. Zur Abschätzung von Wasserbedarf, Fließverhalten und Festigkeit von HP SCC werden verschiedene einfache Methoden und Konzepte vorgeschlagen. Die Erfindung von Verflüssigern in Deutschland und Japan Anfang der 80er Jahre ermöglichte zusammen mit geeigneten Zuschlägen das Erreichen hoher Festigkeiten und Dauerhaftigkeiten. Es wird eine Methode zur indirekten Berechnung des Wasserbedarfs für jeden Zuschlag, der in geeigneten Mengen mit Zement gemischt wird. Weiterhin schlägt der Autor die Messung der T 25 cm Fließzeit für HP SCM/SCP-Systeme (das Verhältnis zwischen T 25 cm Ausbreitmaß und dem Kegelbodendurchmesser) in Analogie zur Ermittlung des 50cm-Ausbreitmaßes mittels Abrams-Kegel bei SCC vor. Dies wäre ein brauchbarer indirekter Indikator der rheologischen Eigenschaften von SCC-Systemen. Der Durchmesser des Abramskegels ist 20 cm und das besprochene Verhältnis ist 2,5. Ausgehend von den Ergebnissen lässt sich feststellen, dass sicher amorphe RHA als Ersatz für SF in SCC genommen werden kann. Dies gilt selbst bei RHA mittlerer puzzolanischer Aktivität, wie sie von Kraftwerken mit Reistrohfeuerung erhältlich ist. Die Verbesserung von Leistung und Dauerhaftigkeit konnte sowohl für binäre als auch für ternäre Binder in SCC-Systemen festgestellt werden. Für gute Dauerhaftigkeit wie auch aus ökonomischen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Menge des zuzumischenden Wassers in etwa dem Wasserbedarf entspricht.

Die Landwirtschaft ist heute der wichtigste Treiber der globalen Degradation von Ökosystemen. Es existiert jedoch wenig konkretes Wissen, wie Ökosysteme zu schützen sind und gleichzeitig die Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung gesichert werden kann. In dieser Dissertation untersuche ich Optimierungsmöglichkeiten im landwirtschaftlichen Wassermanagement. Ich quantifiziere praxisorientierte Verbesserungen der Regenwassernutzung und Optimierungen von Bewässerungssystemen, unter Einhaltung der „environmental flow requirements“ (EFRs). Um diese komplexen Interaktionen zu untersuchen, entwickle ich ein agro-hydrologisches Modell auf Basis detaillierter, mechanistischer Prozessabbildung weiter. Erstens, 39% der derzeitigen Wasserentnahmen für Bewässerung sind nicht nachhaltig und somit auf Kosten der Ökosysteme. Zweitens, solche lokalen Wasserentnahmegrenzen legen nahe, dass die globale Grenze für den menschlichen Wasserverbrauch deutlich niedriger liegt, als bisher angenommen (2800 vs 4000 km3yr-1). Drittens, die Implementierung von EFRs würde die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigen, mit >20% in stark bewässerten Gebieten. Verbesserte Nutzung des Niederschlagswassers und die Optimierung von Bewässerungssystemen, können die weltweite Nahrungsmittelproduktion allerdings um rund 40% nachhaltig steigern - ausreichend, um die Nahrungsmittellücke der wachsenden Weltbevölkerung bis 2050 zu halbieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die erste umfassende und systematische Einschätzung globaler Potentiale der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft aus der Wasserperspektive dar. Die in dieser Arbeit vorgebrachten innovativen und quantitativen Erkenntnisse legen nahe, dass das Potential der diskutierten Interventionen höhere politische Aufmerksamkeit erfahren sollte. Meine Ergebnisse können eine konkretere Diskussion zur Umsetzung der Sustainable Development Goals untermauern. / Agriculture is today''s most important driver of ecosystem degradation across scales. However, there is little evidence on how to attain the historic twin-challenge of maintaining environmental integrity while producing enough food for a growing world population. In this thesis, I assess opportunities in agricultural water management to reconcile future food needs with environmental limits to water use. I explore solution-oriented ways to improve rainfed and irrigation systems alike, while safeguarding environmental flows (EFRs). To study complex interactions quantitatively, I advanced a state-of-the-art global modeling framework based on detailed, mechanistic process representation. First, a systematic upscaling of EFRs to global coverage indicates that 39% of current freshwater withdrawals for irrigation are unsustainable and occur at the cost of ecosystems. Second, accounting for EFRs indicates that the planetary boundary for freshwater use might be notably lower (2800 vs. 4000 km3yr-1) than expected. Third, maintaining EFRs would significantly affect food production, cutting >20% of total kcal production across intensely irrigated areas. Fourth, improving irrigation systems in combination with optimizing the use of precipitation water, provides effective and accessible measures to compensate for adverse impacts from protecting EFRs and climate change. Such integrated interventions could sustainably intensify global food production (+40% kcal) to the degree sufficient to halve the global food gap by 2050. In conclusion, this thesis provides the first comprehensive and systematic assessment of hitherto largely unquantified water opportunities in sustainable intensification of agriculture. While requiring corroboration by finer-scale research, the innovative quantitative foundation provided in this thesis suggests that farm water management merits a rise in political attention, and it can inform a more comprehensive discussion of related SDG target interactions.

Diese Arbeit ist die erste systematische Analyse des globalen Bewässerungsbedarfs für die Bioenergieproduktion des 21. Jahrhundert. In der aktuellen Literatur finden sich diesbezüglich Prognosen von 128,4–9000 km3 yr−1. Die Zahlen hängen stark von den gewählten Parametern und Annahmen sowie den angewandten Methoden und Modellen ab. In systematischen Simulationen für die wichtigsten Parameter mit dem globalen Vegetationsmodell LPJmL, ergeben sich zwei mögliche Pfade um die Erwärmung auf 1.5°C zu begrenzen. Entweder müssten hocheffiziente Bioenergiesysteme entwickelt werden oder es müsste eine unbegrenzte Plantagenfläche bewässert werden dürfen, ohne dabei den Wasserbedarf der Ökosysteme zu berücksichtigen. Letzteres führt zu einem Interessenkonflikt, bei dem die Biomasseproduktion zur Klimarettung auf der einen Seite und der Schutz von Ökosystemen auf der anderen Seite stehen. Ein weiteres Dilemma wird sichtbar, wenn man den Wasserstress, der sich aus der zusätzlichen Bewässerung ergäbe, mit dem in einer durch ungebremsten Klimawandel um 3°C erwärmten Welt ohne Bioenergie vergleicht: In beiden Szenarien könnte (im Vergleich zu heute) der Wasserstress bis zum Ende des 21. Jahrhunderts stark steigen. Tatsächlich ergäbe sich im Bioenergie-Szenario aber sogar potenziell mehr Wasserstress als im Klimawandel-Szenario. Nachhaltiges Wassermanagement als Kombination aus Wasserentnahmebeschränkungen gemäß den Anforderungen von Flussökosystemen und verbessertem Wassermanagement auf agrarischen Nutzflächen hätte das Potenzial, diesen zusätzlichen Wasserstress zu begrenzen, wäre jedoch auf globaler Ebene schwierig zu etablieren. Diese Arbeit bestätigt, dass Bioenergieplantagen neben den Negativemissionen, die sie liefern sollen, auch zu unerwünschten Nebenwirkungen in anderen Dimensionen des Erdsystems führen könnten. / This thesis provides a first systematic assessment of 21st century global irrigation water demands for bioenergy production, for which the current body of literature projects a range of 128.4–9000 km3 yr−1. The numbers strongly depend on the parameters and assumptions chosen as well as methodologies and models applied. Systematic simulations for the identified key parameters in the dynamic global vegetation model LPJmL yield that even with optimal bioenergy plantation locations, 1.5°C can only be reached in scenarios with highly efficient bioenergy systems or strong irrigation expansion without withdrawal limitations. As a result of the large irrigation requirements, a conflict of interest arises between producing sufficient biomass and protecting environmental flows. A further dilemma is delineated by a comparison of the water stress resulting from the additional irrigation needed to limit climate change and the water stress in a 3°C warmer world without bioenergy. In both scenarios, the global area and the number of people experiencing water stress would increase severely by the end of the 21st century. The bioenergy scenario shows even higher water stress than the case of unmitigated climate change. Sustainable water management, as a combination of water withdrawal restrictions according to environmental flow requirements and improved on-field water management, has the potential to limit this additional water stress. But it would be a challenge to establish such strategies on a global scale. This work confirms that in order to provide large amounts of negative emissions, BECCS might lead to undesired deterioration of our environment and impacts for humanity. It further highlights the dilemma of rising water stress regardless whether climate change or climate change mitigation via irrigated bioenergy become a reality.