In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.

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The assembly of nanostructures into “multi”-dimensional materials is one of the main topics occurring in nanoscience today. It is now possible to produce high quality nanostructures reproducibly but for their further application larger structures that are easier to handle are required. Nevertheless during their assembly their nanometer size and accompanying properties must be maintained. This challenge was addressed in this work. Lead chalcogenides have been chosen as an example system because they are expected to offer great opportunities as thermoelectric materials. Three different ways to achieve assemblies of lead chalcogenide nanostructures were used and the resulting structures characterized with respect to their potential application as thermoelectric material. The first means by which a “multi”-dimensional assembly of lead chalcogenide quantum dots can be produced is the formation of porous structures such as aerogels and xerogels. A procedure, where the addition of an initiator such as oxidizers or incident radiation is unnecessary, is introduced and the formation process studied by absorption spectroscopy. The time-consuming aggregation step could be significantly reduced by employing a slightly elevated temperature during gelation that does not lead to any observable differences within the resulting gel structures. After either supercritical or subcritical drying, highly porous monolithic gel structures can be achieved. During the gel formation the size and the shape of the particles changed and they were directly linked together. Nevertheless the resulting porous structures remain crystalline and size dependent effects of the optical properties could be shown. Gels produced from a mixture of PbS and PbSe QDs show a homogenous distribution of both materials but it is not clear to what extent they form an alloy. Although the particles are directly linked together the resulting porous structures possess a very high resistivity and so it was not possible to characterize the semiconductor aerogels with regard to their thermoelectric properties. To achieve an enhanced conductivity porous structures containing PbS and Au nanoparticles have been produced. As has been seen for the pure semiconductor gels the size of the PbS quantum dots has increased and elongated particles were formed. In contrast to the PbS QDs the Au nanoparticles did not change their size and shape and are unevenly distributed within the PbS network. Through the use of the gold nanoparticles the conductivity could be increased and although the conductivity is still quite small, it was possible to determine Seebeck coefficients near room temperature for a mixed semiconductor-metal gel. The second means by which QD solids could be formed was by the compaction of the QD building blocks into a material that is still nanostructured. Therefore the synthesis of PbS was optimized to achieve sufficient amounts of PbS quantum dots. The ligands used in the synthesis of the QDs unfortunately act as an insulating layer resulting in QD solids with resistivities as high as 2 Gigaohm. For this reason different surface modification strategies were introduced to minimize the interparticle distance and to increase the coupling between the QDs so as to increase the conductivity of the resulting quantum dot solids. One very promising method was the exchange of the initial ligands by shorter ones that can be destroyed at lower temperatures. By such heat treatments the resistivity could be decreased by up to six orders of magnitude. For the pressing of the quantum dots two different compaction methods (SPS and hydraulic pressing) were compared. While the grain growth within the SPS pressed samples is significantly higher the same densification can be achieved by a cold hydraulic pressing as well as by SPS. The densification could be further increased through the use of preheated PbS QDs due to the destruction of the ligands. Samples which had been surface modified with MPA and subsequently thermally treated show the best results with respect to their thermopower and resistivities. Nevertheless the conductivity of the QD solids is still too high for them to be used as efficient thermoelectric materials. The final assembly method does not involve QDs but instead with one dimensional nanowires. Therefore a synthesis was developed that enables the formation of PbS nanowires of different diameters and one that is easy up-scalable. By the use of a less reactive sulfur precursor and an additional surfactant the formation of nuclei is significantly retarded and within an annealing time of two hours nanowires can be formed presumably by an oriented attachment mechanism. Single crystalline nanowires with a diameter of 65-105 nm could be achieved with the longest axes of the nanowires being parallel to [100]. The resulting nanowires were used as building blocks for film formation on glass substrates by an easily implemented method that requires no special equipment. To characterize the films with a view to their possible application as a thermoelectric material, surface modifications of the films were performed to improve the charge transfer in the films and the Seebeck coefficients of the resulting films measured. Therefore the previous approach of using MPA was applied and a subsequent thermal treatment demonstrated very promising results. In addition an crosslinking ligand was used for surface treatment that leads to similar results as was observed for the thermally treated MPA approach. Both approaches lead to an order of magnitude decrease in the resistivity and due to the fewer grain boundaries present in the films composed of nanowires as compared to the QD assemblies the conductivity is significantly higher. The Seebeck coefficient measurements show that the thermal treatment only slightly affects the Seebeck coefficients. Therefore a significantly higher power factor could be achieved for the nanowire films than for the QD solids.

This dissertation investigates the effect of electromagnetic braking and gas injection on the fluid flow in a continuous casting slab mold numerically and makes verifications on basis of a small Liquid Metal Model for Continuous Casting of steel (mini-LIMMCAST). Numerical calculations were performed by means of the software package CFX with an implemented RANS-SST turbulence model. The non-isotropic nature of the MHD turbulence was taken into account by specific modifications of the turbulence model. The numerical results were validated by flow measurements at the mini-LIMMCAST facility. Numerical simulations disclose the damping effect on the flow closely depending on the wall conductance ratio. In addition, specific modifications of the turbulence model play a crucial role in reconstructing the peculiar phenomenon of an excitation of nonsteady, nonisotropic, large-scale flow perturbations caused by the application of the DC magnetic field.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2004.

Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Die Erkundung und Charakterisierung der unterirdischen Einzugsgebiete gehören zu den zentralen Aufgabengebieten der hydrogeologischen Praxis. Die Erfassung und Ausnutzung von Schwankungen in den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Grundwässer bildet dabei einen Grundpfeiler zahlreicher Studien. Ausgelöst werden diese Variationen u.a. durch den Zustrom von Niederschlagswässern in die Grundwassersysteme. Dies kann sowohl infolge des natürlichen Versickerungsprozesses geschehen oder aber technischen Ursprungs sein (z.B. künstliche Grundwasseranreicherung). Niederschlagswässer unterscheiden sich - als Endprodukt des natürlichen meteorologi-schen Destillationsprozesses - bezüglich ihrer Salinität (Mineralgehalt) und ihrer Isotopie zumeist deutlich von natürlichen Grund- und Oberflächenwässern. Die meisten Monitoring- und Erkundungskonzepte, welche derartige Unterschiede ausnutzen, beinhalten daher oft eine Kombination mehrerer Analyseverfahren, wie z.B. die Identifizierung des isotopischen Fingerabdruckes mittels Stabilisotopenanalytik sowie die Bestimmung der Salinität über z.B. Konduktometrie oder Ionenanalysen. Niederschlagswässer, Grundwässer sowie das poröse Medium selbst sind jedoch Materialien natürlichen Ursprungs und daher physikochemisch betrachtet eher komplexe Systemkomponenten. Ein perfekt konservatives Migrationsverhalten ohne Beeinflussungen ist daher nicht zu erwarten; ebenso wenig ist davon auszugehen, dass die messtechnische Erfassung stets einwandfrei verläuft. Vor diesem Hintergrund setzt sich diese Dissertationsschrift kritisch mit dem Einfluss von Messunsicherheiten und Signalmodifikationen auf die Qualität der Nachverfolgung dieser Wässer auseinander. Hierfür wird das Niederschlagswasser als de-facto künstlicher Grundwassertracer behandelt und bezüglich der Anforderungen an diese Tracer-Gruppe bewertet. In mehreren Experimenten und Modellsimulationen auf Labor- und Feldskala wird zudem gezeigt, welche speziellen Anforderungen bei der Nutzung von Regenwässern und Schneeschmelzen als Tracer bestehen. Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen zum einen, dass die technischen Limitationen der Stabilisotopenanalytik bei der Auswertung von Versuchen mit natürlichen Niederschlags-wässern zwingend zu berücksichtigen sind, da sich die begrenzten isotopischen Unterschiede i.d.R. nur um wenige Vielfache vom Hintergrundrauschen der Messung unterscheiden. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Eineindeutigkeit der invers ermittelten Parameter. Des Weiteren ist zu beachten, dass die stabilen Isotope, obwohl durch ein nahezu inertes Verhalten geprägt, dennoch physikalisch bedingten Transferprozessen unterliegen, welche wiederum von Experimentalbedingungen wie z.B. der Temperatur beeinflusst werden. Außerdem wird offenbart, dass die Migration der sehr gering mineralisierten und chemisch folglich untersättigten Wässer im porösen Medium von chemischen Umwandlungsprozessen (u.a. Mineralreaktionen, Ionenaustausch) z.T. erheblicher Intensität begleitet wird. Diese Reaktionen führen u.a. zur Modifikation des Proxy-Parameters ‚elektrische Leitfähigkeit‘.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen / The exploration and characterization of subsurface catchments is one of the central tasks in hydrogeology. Here, exploiting detected fluctuations in the chemical-physical properties of the groundwater is a cornerstone of numerous studies. These variations are triggered, among others, by precipitation waters flowing into the groundwater systems. This can happen either due to the natural infiltration process or as a result of technical applications (e.g., as part of artificial groundwater recharge). Being the end product of the natural meteorologically induced distillation process, typical precipitation waters differ from natural groundwater and surface waters in terms of their mineral content (salinity) and their isotopic signatures. Therefore, most monitoring and exploration concepts, which exploit such differences, employ a combination of several analytical methods, such as the identification of the isotopic fingerprint by stable isotope analysis and salinity determination by, e.g., conductometry or ion analysis. However, precipitation waters, groundwaters as well as the porous medium itself are materials of natural origin and, therefore, are physicochemically rather complex system components. Hence, an unmodified and perfectly conservative migration behaviour is not to be expected; it is equally unlikely that the analytical detection procedure always runs smoothly. In this context, this doctoral dissertation gives a critical assessment on the influence of analytical uncertainties and signal modifications on the overall quality of the water tracing. For this purpose, precipitation water is treated as de-facto artificial groundwater tracer and evaluated according to the requirements defined for this tracer group. Furthermore, experiments and model simulations were carried out on the laboratory and on the field scale to assess which special requirements must be complied when rain waters or snowmelt waters are used as tracers. The investigations show on the one hand, that technical limitations of stable isotope analysis must be considered in the evaluation of tests with natural precipitation waters, as the limited isotopic differences typically differ only a fewfold from the background noise of the measurement device. This has a significant impact on the quality of the inversely determined parameters. Furthermore, it is highlighted that the stable isotopes, although showing an almost inert migration behaviour, are still subject to physically induced transfer processes. These transfer processes, in turn, depend on various experimental conditions such as temperature. Finally, it was found that the migration of the low mineralized waters in the po-rous medium is accompanied by a suite of chemical reactions (e.g. mineral reactions, ion exchange), which in turn lead to a modification of the proxy parameter 'electrical conductivity'.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen