Ausgangspunkt der Arbeit ist das Leitbild nachhaltiger Verkehrsentwicklung. Voraussetzung für die Umsetzung dieses qualitativen Leitbilds ist seine Operationalisierung, eine Aufgabe, die sich auf Grund des Prozesscharakters des Begriffs nachhaltiger Entwicklung als schwierig erweist. Eine Beschreibung dieses Begriffs durch konkrete, messbare Indikatoren ist aber notwendig, will man den Status quo sowie durchgeführte Maßnahmen anhand dieses Ziels bewerten. Die vorliegende Arbeit versucht, den Widerspruch zwischen dem Prozesscharakter nachhaltiger Entwicklung und der Notwendigkeit, diese durch konkrete Indikatoren zu beschreiben, für den Verkehrsbereich einer Lösung näher zu bringen. Folgende zentrale Fragen ergeben sich für die Arbeit: Wie kann das Leitbild nachhaltiger Verkehrsentwicklung konkretisiert und dabei gleichzeitig dem Prozesscharakter des Nachhaltigkeitsbegriffs Rechnung getragen werden? Welche Empfehlungen lassen sich für Maßnahmen zur Förderung nachhaltiger Verkehrsentwicklung ableiten? Zur Beantwortung der Fragen wird zunächst der Begriff nachhaltiger Entwicklung für die Arbeit abgegrenzt. Als Ergebnis dieses Arbeitsschritts wird der Begriff der Bedürfnisse in den Mittelpunkt der weiteren Arbeit gestellt: Nachhaltige Entwicklung wird als eine an den Bedürfnissen der Menschen orientierte Entwicklung betrachtet. Auf Basis einer bedürfnistheoretischen Diskussion werden anschließend die folgenden Aufgabenbereiche erarbeitet: Sozialer Aufgabenbereich: Auf Grund der Widersprüchlichkeit und Wandelbarkeit menschlicher Bedürfnisse ist die Befriedigung sämtlicher Bedürfnisse der Menschen als Ziel von Maßnahmen im Verkehrsbereich ungeeignet. Basis einer nachhaltigen Verkehrsentwicklung und Ziel des sozialen Aufgabenbereichs ist daher ein staatliches Angebot einer verkehrlichen Grundversorgung, durch welches die Befriedigung grundlegender Bedürfnisse gewährleistet wird. Dieses Angebot wird über Mindeststandards beschrieben und durch anwendungsspezifische Planungen ergänzt. Allokationsbereich: Der Markt ist ein geeignetes Instrument zur Realisierung aller über die im sozialen Aufgabenbereich festzulegende Grundversorgung hinausgehenden Mobilitätswünsche. Er ermittelt und befriedigt Bedürfnisse gut, allerdings mit Einschränkungen, welche durch den sozialen Aufgabenbereich sowie den Ressourcenbereich zu kompensieren sind. Das Ziel dieses Aufgabenbereichs besteht im Abbau von Marktunvollkommenheiten. Ressourcenbereich: Aus der mangelnden Berücksichtigung von Verteilungsfragen durch den Marktmechanismus ergeben sich verteilungspolitische Aufgabenbereiche nachhaltiger Verkehrsentwicklung: Soziale Fragen werden durch den sozialen Aufgabenbereich abgedeckt. Gegenstand des Ressourcenbereichs ist die Regelung der Verteilung natürlicher Ressourcen als Anfangsausstattung für den Prozess zur Erstellung der Verkehrsleistungen. Die erarbeiteten Aufgabenbereiche werden zu einem Entwicklungskorridor zusammengeführt: Die untere Begrenzung wird durch die im Rahmen des sozialen Aufgabenbereichs zu gewährleistende verkehrliche Grundversorgung gebildet. Diese sollte nicht unterschritten werden. Im Rahmen des Ressourcenbereichs zu formulierende Tragfähigkeitsgrenzen bilden die obere Begrenzung des Korridors und sollten nicht überschritten werden. Die Regeln für alle Aktivitäten innerhalb der Grenzen werden durch den Allokationsbereich vorgegeben, dessen Ziel die Gewährleistung funktionsfähiger Marktmechanismen ist. Im Anschluss an die Erarbeitung des Entwicklungskorridors werden Optionen zu dessen Konkretisierung aufgezeigt. Werden Teile der erarbeiteten Optionen mit Hilfe einer gesellschaftlichen Diskussion ausgewählt, so ist damit für einzelne konkrete Anwendungsfälle eine abschließende Beschreibung des Ziels nachhaltiger Verkehrsentwicklung möglich. Abschließend werden im Rahmen einer beispielhaften Analyse des Status quo für den Freistaat Sachsen verkehrliche CO2-Emissionen sowie externe Kosten von Verkehr quantifiziert.

Grundsätzlich ist für die nachhaltige Nutzung einer Lagerstätte die Kenntnis der Geologie von signifikanter Bedeutung. Unter Einbeziehung und Aufbereitung vielfältiger Eingangsdaten wurde erstmals eine komplexe geologische Interpretation des Werra-Kaligebietes vorgelegt, die sowohl das Suprasalinar und Salinar als auch das Subsalinar umfasst. Mit Hilfe eines eigens zu diesem Zweck erstellten 3D-Strukturmodells wurden Untersuchungen zu Auswirkungen struktureller und geologischer Merkmale auf wesentliche Eigenschaften der Lagerstätte durchgeführt. So erfolgte u. a. die Analyse der Verteilung der Wertstoffgehalte der sich im Abbau befindlichen Kaliflöze im Hinblick auf das 3D-Strukturmodell. Auch wurden die Häufigkeit, die räumliche Verteilung und die Größe von Gasereignissen im Kontext zur geologischen Entwicklung des Werra-Kaligebietes untersucht. Die vorgelegte Dissertation stellt einen Beitrag zur Erforschung der Beckenentwicklung dar und ermöglicht eine Übertragung gewonnener Erkenntnisse auf zukünftige Abbaubereiche der Lagerstätte.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Präzisierung der Aufgabenstellung 3 Wissenschaftlicher Kenntnisstand zum Werra-Kaligebiet 3.1 Geographische und topographische Situation 3.2 Regionalgeologischer Rahmen 3.2.1 Paläogeographie 3.2.2 Tektonische Einordnung und Entwicklung 3.2.3 Strukturinventar von Subsalinar, Salinar und Suprasalinar im Werra- Kaligebiet 3.2.3.1 Tektonische Erscheinungsformen im Subsalinar 3.2.3.2 Tektonische Erscheinungsformen im Salinar 3.2.3.3 Tektonische Erscheinungsformen im Suprasalinar 3.3 Stratigraphische Gliederung 3.3.1 Präzechstein 3.3.2 Zechstein 3.3.3 Postzechstein 4 Eingangsdaten und methodische Vorgehensweise 4.1 Arbeitsvorbereitung und Datenaufbereitung 4.1.1 Digitales Geländemodell 4.1.2 Geologische Karten 4.1.3 Bohrungsdaten aus Tagesbohrungen 4.1.4 Grubenrissliche Unterlagen 4.1.4.1 Bohrungsdaten aus Untertagebohrungen 4.1.4.2 Fazies- und Strukturdaten 4.1.4.3 Vulkanitvorkommen 4.1.4.4 Gasereignisse 4.1.4.5 Wertstoffgehalte 4.1.5 Georadardaten 4.1.6 Seismikdaten 4.1.7 Geomagnetik 4.1.8 Gravimetrie 4.2 Eingangsdaten und Geomodellierung 4.2.1 Definition Modellraum und stratigraphische Tabelle 4.2.2 Eingangsdaten und Erstellung Störungen 4.2.3 Eingangsdaten und Erstellung der Horizonte 5 Ergebnisse 5.1 Ergebnis der geologischen Modellierung 5.2 Güte des 3D-Strukturmodells 5.3 Auswertung des 3D-Strukturmodells 5.3.1 Isobathenpläne ausgewählter stratigraphischer Horizonte 5.3.2 Isopachenpläne ausgewählter stratigraphischer Abschnitte 5.3.3 Geologische Profile 5.3.4 Fazieskarten und Störungszonen 5.3.5 Ergebnisse zu Wertstoffgehalten 5.3.6 Ergebnisse zu Gasereignissen und Vulkanitvorkommen 5.3.6.1 Häufigkeit der Gasereignisse 5.3.6.2 Größe der Gas-Salz-Ausbrüche 5.3.6.3 Beziehungen der Häufigkeit von Gasereignissen, der Größe von Gas-Salz- Ausbrüchen, der Fazies und der Eigenschaften der Vulkanite 6 Diskussion der Ergebnisse 6.1 Ableitung zur Senkungsentwicklung des Arbeitsgebietes 6.2 Differenzierte geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes unter Berücksichtigung einzelner Strukturelemente 6.2.1 Beginn des Zechstein 6.2.2 Verlauf Zechstein 6.2.3 Trias 6.2.4 Jura und Kreide 6.2.5 Tertiär 6.3 Fazielle Ausbildung der Kaliflöze in Bezug zu der geologischen Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.4 Wertstoffverteilung der Kaliflöze im Hinblick auf die geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.5 Gasimprägnationen 6.6 Auswirkungen und Übertragbarkeit der Ergebnisse 7 Zusammenfassung 8 Fazit und Ausblick

I present an experimental study on the formation and dissociation characteristics of carbon dioxide (CO2) gas hydrates using Raman spectroscopy. The CO2 hydrates were formed from aqueous salt solutions with salinities ranging from 0-11 wt-%, and the salts used were sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), magnesium chloride (MgCl2) and calcium chloride (CaCl2). The experiments were conducted in a high-pressure vessel, in which the aqueous solution was pressurized with liquid CO2 to 6 MPa. First, I investigated how the addition of salts to a CO2-hydrate forming system inhibits the hydrate formation thermodynamically. For this purpose, the molar enthalpy of reaction between strongly and weakly hydrogen bonded water molecules was determined. I observed a decrease in the molar reaction enthalpy of up to 30 % for the highest salt concentration investigated. In addition, the influence of the salts on the solubility of CO2 in water was studied, which was reduced up to 40 %. The results showed that both properties could be well correlated with the effective mole fraction of salt in solution. Furthermore, the decrease in molar reaction enthalpy could be directly correlated with the equilibrium temperature of gas hydrates. This showed that the shift in equilibrium temperature induced by thermodynamic inhibitors was a direct result from the weakened hydrogen bonded network in the water-rich liquid phase before the onset of gas hydrate formation. Additionally, the growth mechanisms of CO2 hydrates were investigated by determining the amount of solid hydrate formed and the respective reaction constant. The reaction constant was not affected by the addition of salts, whereas the maximum amount of solid hydrate formed also showed a good correlation with the effective mole fraction. This finding leads to the assumption that salt does not affect the intrinsic growth mechanisms of hydrate formation, but that the weakened hydrogen bonded network leads to a decrease in the conversion of liquid water to hydrate and more water molecules stay in a liquid in the form of inclusions between the hydrate cages. Lastly, I analyzed the ratio of CO2 and water and the development of hydrogen bonds after the complete dissociation of hydrate. I observed a supersaturation of CO2 in the water-rich phase and found evidence that the excess CO2 exists as dispersed micro- or nanoscale liquid droplets in the liquid water-rich phase. The development of hydrogen bonds in the liquid water-rich phase was the same as before the hydrate formation. These results could be a possible explanation for the memory effect originating from residual nano- and mircodroplets. With this study, I aim to provide a better understanding of the mode of action of thermodynamic inhibitors and to contribute further insights to the controversially debated phenomenon of the memory effect.

Böden sind Quelle und Senke für klimarelevante Spurengase (CO2, CH4 und N2O). Die freigesetzten Mengen sind mit denen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe vergleichbar und können diese übersteigen, sodass Böden das Klima beeinflussen. Die wichtigsten Einflussgrößen der Bodenentgasung sind Vegetation, Bodenbearbeitung, Bodenfeuchte und Bodentemperatur. In dieser Arbeit wurden CO2-Flüsse für Acker-, Grünland- und Waldböden in Sachsen ganzjährig erfasst und eine Regionalisierung für die Landesfläche durchgeführt. Die Methodik umfasste flächendeckende Kurzeitfeldmessungen, punktuelle Langzeitfeldmessungen sowie gezielte Laborversuche. Zur Realisierung wurden robuste, transportable und präzise Kammersysteme zur manuellen und automatisierten Messung der Bodenentgasung im Freiland und Labor entwickelt. Für die Berechnung der Ökosystematmung aus den Messwerten konnte eine empirische Formel erstellt werden. Aus den Analyseergebnissen wurde raumzeitlich strukturiertes Kartenmaterial für die Ökosystematmung im Freistaat Sachsen in den verschiedenen Ökosystemen erstellt.:1 Einleitung 2 Aktueller Wissensstand 2.1 Bedeutung der Thematik 2.2 Treibhausgasemissionen 2.3 Entstehung von Treibhausgasen im Boden 2.4 Einflussgrößen auf die Bodenentgasung 2.5 Messmethoden 2.6 Methodenvergleich 3 Entwicklung von Probenahmesystemen 3.1 Manuelles System 3.2 Automatisierte Systeme 3.3 Berechnungsmethode 4 Versuchsdurchführung 4.1 Auswahl der Messstandorte 4.2 Untersuchungsgebiet 4.3 Meteorologische Daten 4.4 Experimentalarbeiten 4.5 Hochrechnung der Punktmessungen auf die Fläche 4.6 Fehlerbetrachtung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Labormessungen in der Klimakammer 5.2 Freilandmessungen – landwirtschaftliche Flächen 2012 5.3 Dauermessung mit SEACH-FG in Hilbersdorf 5.4 Pilotmessungen auf teilversiegelten Flächen und Stadtböden 5.5 Empirische Formel zur Ermittlung der Ökosystematmung 5.6 Hochrechnung der Bodenentgasung für Sachsen 5.7 Ökosystematmung der Bodengroßlandschaften 5.8 Ökosystematmung verschiedener Höhenlagen 6 Entwurf eines Monitoringkonzepts für Sachsen 7 Ausblick 8 Zusammenfassung

This research has been performed in the framework of the Virtuhcon project, which intends to virtualize high temperature conversion processes. Coal gasification is one of these processes, which is nowadays considered as a promising technology for the chemical industry. This study is devoted to the coal char physical structure, which is one of the most important parameters influencing coal gasification reaction. First, this study presents the extensive literature review of the char physical structure role during its conversion. Collection of the char structural properties as well as their changes during char conversion are shown and discussed. Literature review is followed by the experimental investigations. Chars prepared from two brown coals (Lusatian and Rhenish) were gasified in a laboratory scale fluidized bed reactor in CO2 at temperatures of 800, 850, 900, and 950 °C and atmospheric pressure. Char samples were gasified completely as well as partially in order to evaluate the reaction kinetics and char structural changes during the reaction, respectively. Complete gasification curves were evaluated by different methods, including application of three gasification models (the Random Pore Model, the Volume Reaction Model, and the Shrinking Reaction Model), instantaneous reaction rate approach as well as the self-developed surface-related reaction rate approach. The results of different approaches were compared. This study also presents a comprehensive methodology to analyze coal char physical structure. The variety of measurement techniques (gas physical adsorption, mercury porosimetry, helium pycnometry, SEM, etc.) were applied to assess structural properties of the char, such as specific surface area, particle density, porosity, pore size and shape, structure morphology, etc. Problems associated with the choice of a proper measurement technique and the comparability of the data delivered by different techniques were discussed. The main objective of the study was to link char structural changes to the char gasification kinetics. The specific task of this thesis was to investigate pore size in relation to their availability for the reaction. As such, specific surface areas of pores of different sizes (from sub-micro to mesopores) were correlated to the instantaneous reaction rates. Both chars exhibit similar trends in their structural changes during gasification, although the absolute values differ, especially with respect to the pores of microscale. Furthermore, structural changes were caused not only by the reaction but also by the influence of the heat treatment, especially at the earlier stages of the reaction. The most reasonable correlation has been achieved between the instantaneous reaction rate and the specific surface area of mesopores. Sub-micro- and micropores did not govern the gasification reaction under given conditions. Finally, kinetic parameters derived from different evaluation methods were reapplied in order to test their ability to predict the experimental data. Each of the method has its advantages and disadvantages as used for the kinetic evaluation. The results of this study represent a substantive base of the experimentally derived data concerning physical structure and morphology of coal char. The findings can be used in numerical and simulation studies for development, validation, and improvement of the models which consider coal particle as a reactive porous solid.

The present work was written as a cumulative dissertation based on peer-reviewed papers and is completed by yet unpublished results. The overall objective was to get a deeper insight into the role of the advective fluxes of sensible heat and latent heat in relation to the energy balance and its imbalance at the earth’s surface (typically the sum of the turbulent fluxes sensible and latent heat does not match the available energy). Data from two advection experiments at four coniferous sites across Europe served as the basis for the analysis. One was the advection experiment MORE II which took place in Tharandt (Germany) and the other advection experiment ADVEX was conducted at three different sites (Ritten/Renon, Italy; Wetzstein, Germany; Norunda, Sweden). An inspection of the available energy (AE) that is redistributed to the atmosphere by the sensible heat flux (H) and latent heat flux (LE) showed that the uncertainty of the available energy itself cannot explain the lack of energy balance closure for these four sites. The mean absolute uncertainty of the available energy was largest during midday and ranged from 41 W m-2 to 52 W m-2 (approx. 12 % of AE). During nighttime, the mean absolute uncertainty was smaller (20 W m-2 – 30 W m-2) but the relative uncertainty was much larger as AE itself is small. Among the investigated storage terms the heat storage change of the biomass was most important. The energy balance closure was improved for all investigated sites when storage terms were included. In principle, storage terms should not be neglected in energy balance studies. An investigation of the budget of sensible heat, not only including the vertical advection and the horizontal advection but also the horizontal turbulent flux divergence, was undertaken for the coniferous site at Tharandt. Inclusion of these fluxes resulted in an enlarged mean daily amplitude and suggests an improvement of the energy balance closure, at least during nighttime. The commonly determined budget (vertical turbulent flux plus storage change) was reduced by about 30 % when advective fluxes were included. Results suggest that the horizontal turbulent flux divergence is of minor importance but further studies are needed for an overall evaluation. First results for the inclusion of the advective fluxes of both sensible heat and latent heat indicate that the lack of energy balance closure is partly reduced but the imbalance still exists. Advective fluxes of sensible heat were also compared to advective fluxes of CO2. It became apparent that the advective fluxes of sensible heat and CO2 are, on average, of opposite sign during nighttime and both share large scatter. Both budgets (sensible heat and CO2) were considerably changed (although differently for different sites) when advective fluxes were included. Results further suggest that advective fluxes of H can be taken as an indicator concerning the presence and sign of advection of CO2. This points towards a coincident non-turbulent transport of heat and CO2. However, all investigated advective fluxes are site-specific. They are characterised by a large uncertainty due to uncertainties in the mean vertical velocity (vertical advection) and in the horizontal differences in scalar magnitude (horizontal advection). Obviously, they are influenced by the limitations of the experimental set-up (spatial resolution) and the local characteristics of the individual measurements. An overall evaluation of advective fluxes with respect to their representativeness and magnitude requires further studies / Die vorliegende Arbeit wurde als kumulative Dissertation verfasst, die auf begutachteten Publikationen beruht. Sie wird um bisher nicht veröffentlichte Daten zur Advektion latenter Wärme ergänzt. Ziel war es, vor allem die Rolle der advektiven Flüsse von sensibler und latenter Wärme in Bezug auf die Energiebilanz und das Problem der Energiebilanzschließung an der Erdoberfläche näher zu untersuchen. Unter der Energiebilanzschließungslücke wird im Allgemeinen das Phänomen verstanden, dass die Summe der gemessenen turbulenten Flüsse von sensibler und latenter Wärme zumeist nicht der gemessenen verfügbaren Energie entspricht. Als Datengrundlage für die Arbeiten dienten hierzu die Datensätze von zwei Advektionsexperimenten, die an vier verschiedenen Nadelwaldstandorten in Europa stattfanden. Das erste dieser Advektionsexperimente MORE II fand an der Ankerstation Tharandt (Deutschland) statt und das zweite (ADVEX) wurde an drei verschiedenen Standorten durchgeführt (Ritten/Renon, Italien; Wetzstein, Deutschland; Norunda, Schweden). Eine Untersuchung der verfügbaren Energie (AE), die über den sensiblen Wärmestrom (H) und den latenten Wärmestrom (LE) wieder an die Atmosphäre abgegeben wird, zeigte, dass die in der Bestimmung der verfügbaren Energie liegende Unsicherheit das Problem der Energiebilanzschließungslücke nicht ausreichend erklärt. Die mittlere absolute Unsicherheit der verfügbaren Energie war dabei mittags am größten (41 W m-2 – 52 W m-2; ca. 12 % der verfügbaren Energie). Nachts war diese kleiner (20 W m-2 – 30 W m-2). Jedoch waren dann die relativen Unsicherheiten deutlich größer, da die verfügbare Energie nachts klein ist. Von den betrachteten Speichertermen der Energiebilanz erwies sich die Speicheränderung von Wärme in der Biomasse als am wichtigsten. Für die vier untersuchten Standorte verbesserte sich die Energiebilanzschließung, wenn die Speicherterme mit einbezogen wurden. Grundsätzlich sollten alle Speicherterme bei der Bestimmung der Energiebilanz mit beachtet werden. Für den Nadelwaldstandort Tharandt wurde die Bilanz der sensiblen Wärme unter Beachtung der advektiven Flüsse und der horizontalen turbulenten Flussdivergenz erstellt. Die Einbeziehung der advektiven Flüsse und der horizontalen turbulenten Flussdivergenz führte zu einer Vergrößerung der Amplitude im mittleren Tagesgang und deutet auf eine Verbesserung der Energiebilanzschließung zumindest nachts hin. Im herkömmlichen Sinne wird die Bilanz für Energie oder Massenflüsse als Summe aus vertikalem turbulenten Fluss und Speicheränderung bestimmt. Die Gesamtsumme dieser Bilanz wurde um 30 % reduziert, wenn die advektiven Flüsse mit einbezogen wurden. Hinsichtlich der horizontalen turbulenten Flussdivergenz kann man noch keine abschließende Einschätzung geben. Die vorliegenden Ergebnisse deuten einen vernachlässigbaren Anteil an der Gesamtbilanz für diesen Term an. Erste Ergebnisse für die Bestimmung der Energiebilanz von Nadelwäldern unter Beachtung der advektiven Flüsse von sensibler und latenter Wärme zeigen eine teilweise Reduzierung der Energiebilanzschließungslücke, jedoch keine vollständige Schließung der Energiebilanz. Weiterhin wurden die advektiven Flüsse sensibler Wärme mit denen von CO2 verglichen. Die Bilanzen für den CO2-Fluss als auch für den Fluss sensibler Wärme änderten sich deutlich unter Einbeziehung der advektiven Flüsse, wenn auch unterschiedlich für verschiedene Standorte. Besonders nachts sind die advektiven Flüsse von sensibler Wärme und CO2 im Mittel durch gegensätzliche Vorzeichen gekennzeichnet. Diese Beziehung eröffnet die Möglichkeit, advektive Flüsse von CO2 auf der Basis von advektiven Flüssen sensibler Wärme hinsichtlich ihres Vorhandenseins und ihrer Richtung abzuschätzen. Dies deutet auf einen gleichzeitigen nicht-turbulenten Transport von Wärme und CO2 hin. Generell ist festzustellen, dass alle untersuchten advektiven Flüsse spezifisch für den jeweiligen Standort und durch eine große Unsicherheit gekennzeichnet sind. Diese ergibt sich zum einen aus der mittleren vertikalen Geschwindigkeit (vertikale Advektion) und zum anderen aus den horizontalen Differenzen (horizontale Advektion) der jeweiligen skalaren Größen. Die betrachteten advektiven Flüsse werden offensichtlich durch Einschränkungen, die sich aus dem experimentellen Aufbau ergeben (z.B. begrenzte räumliche Auflösung), in ähnlicher Weise beeinflusst. Eine abschließende Beurteilung der advektiven Flüsse hinsichtlich ihres Anteils an der Gesamtbilanz und ihrer Repräsentativität erfordert weitere Studien.

Die Konzentrationen der Treibhausgase (THG) Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) haben ein Niveau erreicht, welches mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit seit 800.000 Jahren nicht vorgekommen ist (Stocker et al. 2013).

To meet the global hydrocarbon energy demand, it is imperative either to enhance the production from existing fields by applying innovative engineering solutions or discovering new field /resource areas. Both of these options are investigated by petroleum engineers intensively to tackle the challenges of meeting the ever-increasing demand. Meeting the energy demand as, like any other developing country, Jordan is facing a formidable challenge and requires exploration for conventional and unconventional hydrocarbon resources. As Jordan has a long exploration history for conventional reservoirs, Unconventional resource exploration and production seems to be the way to find new energy sources. Different exploration wells were drilled to evaluate the hydrocarbon potential. This research work is focusing on an experimental investigation to evaluate Jordanian hydrocarbon potential as well as to provide recommendations for future exploration activities in shale resources. The Evaluations were performed through comprehensive laboratory experiments that include measurements of Total Organic Content, Grain density, Pore Size Distribution, Specific Surface Area (BET), Mineralogy, Thermogravimetry Analysis, and Rock-Eval pyrolysis. The petrophysical properties (TOC, grain density, pore size distribution) of Jordanian shale (nine different wells) are investigated. The TOC and grain density are in an inversely proportional relationship. The TOC results show a gradual increment with the depth. All the samples have higher porosity dominated by macro pores. Fourteen (14) samples were selected primarily based on TOC (above 1.5%) for further analysis. The specific surface area results show a proportional relationship with the TOC content. Considering the petrophysical properties and mineralogy, these Jordanian shales broadly can be considered as high porosity clay and mudstone type of shale. Thermogravimetry analysis (TG/DTG) results indicate quantitative information related to organic and inorganic matter. Detection of thermos-reactive minerals, especially clay, carbonate, muscovite, pyrite is possible due to the combination of TG/DTG/DSC. The samples are examined under three different procedures which includes different heating programs. The oxidizing and inert atmospheric conditions (procedure i & ii) have the same heating program whereas procedure iii (inert atmospheric condition) has a heating program similar to the Rock-Eval pyrolysis program. The results of these samples show the complex nature of shale as well as organic matter by reacting in different stages (two or, three stages). Depending of the maturity of organic matter, the reaction occurring temperature range varies. Maximum oxidization reaction peaks happen between 479°C to 502°C. The maximum pyrolysis reaction peaks between 498°C to 521°C. Compared with complex heating (procedure iii) and rock Eval pyrolysis, S2 results indicate a high amount of inorganic compounds. Considering TGA reaction peaks and rock Eval pyrolysis results, these Jordanian shales indicate immature with low hydrocarbon generation potential. The Jordanian shale samples are analyzed by using Rock-Eval pyrolysis. Analysis results are used to interpret petroleum potential in rocks. The most important information includes organic matter types (also connected with the depositional settings), organic matter thermal maturity, and the remaining hydrocarbon generation potential in the current form. The organic geochemical analysis results indicate mostly poor to no source rock potential except JF2-760 samples. The hydrogen index (HI) and oxygen index (OI) result suggests that type iii kerogen and type iii/ iv kerogen are most likely from terrestrial and varied settings origin. The low hydrogen, as well as, low S2 value indicate very little hydrocarbon generation potential. Similarly, The Tmax and PI data indicate immature to early mature source rock status and low conversion scenario. Furthermore, the supercritical CO2 is injected into the samples, which is similar to gas flooding experiments to understand the recovery process. Hydrocarbon recovery or, CO2-shale interaction is determined by comparing three different properties (TOC, SSA, and TGA) pre-and-post supercritical CO2 injection. Supercritical CO2 injection in immature shale shows very limited property changes (TOC, SSA, and TGA) to the samples. However, in presence of hydrocarbon the pre-and post-injection property changes TOC, TGA, and SSA (BET) are noticeable enough to conclude HC recovery. Although in the case of immature shale with no hydrocarbon potential the kerogen or bitumen extraction has not been detected, which can be significant in the case of greenhouse gas storage, especially CCUS. This could reduce the risk of Organic Matter (OM) migration possibility in case immature shale formation is present in a suitable geological location.

Zur Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur CO2-Hydierung im Dreiphasensystem erfolgten in dieser Arbeit Untersuchungen zur Optimierung des Katalysatorsystems, zum Screening nach neuen geeigneten Lösungsmitteln und zum Einfluss der Prozessführung. Durch Variieren des Trägersystems und der Präparationsmethode ergaben sich sieben Kupferkatalysatoren, welche sich in ihren Eigenschaften und ihrer katalytischen Aktivität unterschieden. Zudem gelang die Immobilisierung von Kupferkatalysatoren auf Aluminiumoxid und auf Glas. Es wurde eine kontinuierliche Anlage mit Rieselbettreaktor entwickelt und in Betrieb genommen, welche die Durchführung der CO2-Hydrierung in Gasphase und im Dreiphasensystem bei bis zu 90 bar ermöglicht. Im Batchversuch zeigte sich der Einfluss der Lösungsmittel auf die Effizienz des Katalysators. Vielversprechende Lösungsmittel wurden dann zur Methanolsynthese im kontinuierlichen Prozess eingesetzt, um den Einfluss der Prozessbedingungen zu untersuchen.

Diese Dissertation befasst sich mit quantenchemischen Untersuchungen der CO2-Insertion in Si-N-Bindungen von Aminosilanen und der Zuverlässigkeit quantenchemischer Berechnungsmethoden. Es wurden verschiedene Verbindungsklassen, wie Piperazinderivate, Di- und Monoethanolaminderivate, einfache und spirozyklische Aminosilane verwendet. Zunächst wurde ein Benchmarking der verwendeten Berechnungsmethoden durchgeführt, um die für diese Forschung am besten geeigneten Methoden herauszufinden. Quantenchemische Berechnungen wurden genutzt, um die Reaktionen und die möglichen Prozesse aus der Sicht der Thermodynamik zu bewerten. Desweiteren wurde der Mechanismus der CO2-Insertion untersucht. Zu diesem Zweck wurden Geometrieoptimierungen der Übergangszustände durchgeführt, wobei die Aminosilan-CO2-Komplexe mit unterschiedlichem C-N-Abstand berücksichtigt wurden, um den Weg der Reaktanten zum Übergangszustand zu finden. Zusätzlich wurden NBO-Berechnungen durchgeführt, um den Reaktionsmechanismus zu entschlüsseln. Die berechneten IR- und NMR-Spektren wurden mit gemessenen Spektren verglichen und ihre Zuverlässigkeit wurde in der Arbeit bewertet.