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Development of a modelling system for prediction and regulation of livestock waste pollution in the humid tropics

Introduction: In Malaysia, excessive nutrients from livestock waste management systems are currently released to the environment. Particularly, large amounts of manure from intensive pig production areas are being excreted daily and are not being fully utilised. Alternatively, the excess manure can be applied as an organic fertiliser source in neighbouring cropping systems on the small landholdings of the pig farms to improve soil fertility so that its nutrients will be available for crop uptake instead of being discharged into water streams. Thus, there is a need for better tools to analyse the present situation, to evaluate and monitor alternative livestock production systems and manure management scenarios, and to support farmers in the proper management of manure and fertiliser application. Such tools are essential to quantify, and assess nutrient fluxes, manure quality and content, manure storage and application rate to the land as well as its environmental effects. Several computer models of animal waste management systems to assist producers and authorities are now available. However, it is felt that more development is needed to adopt such models to the humid tropics and conditions of Malaysia and other developing countries in the region. Objectives: The aim is to develop a novel model to evaluate nutrient emission scenarios and the impact of livestock waste at the landscape or regional level in humid tropics. The study will link and improve existing models to evaluate emission of N to the atmosphere, and leaching of nutrients to groundwater and surface water. The simulation outputs of the models will be integrated with a GIS spatial analysis to model the distribution of nutrient emission, leaching and appropriate manure application on neighbouring crop lands and as an information and decision support tool for the relevant users.

Anforderungen an die Überprüfung und den Nachweis der Sicherheit bei der längerfristigen Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente und verglaster hochradioaktiver Abfälle

Abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken und hochradioaktive Abfälle aus der Wiederaufarbeitung müssen bis zu ihrer Endlagerung in zentralen oder dezentralen Zwischenlagern sicher gelagert werden. Da sich die Zeiträume bis zur Verfügbarkeit und Annahmebereitschaft eines Endlagers in Jahrzehnten bemessen, sind über solche Zeiträume Langzeit- und Alterungseffekte mit denkbaren sicherheitsrelevanten Auswirkungen nicht auszuschließen. In dem Projekt für das BMU ist das Öko-Institut von der GRS damit beauftragt, entsprechende Effekte zu identifizieren, die Anforderungen an Überwachungsprogramme für Zwischenlager zusammenzustellen und Empfehlungen für die Weiterentwicklung des deutschen Regelwerks abzuleiten.

Modellierung der Sorption von Radionukliden an organophilen Tonmineralen

Als Füllmaterial oder als Bestandteil technischer Barrieren in Endlagern von chemisch-toxischen oder radioaktiven Abfällen werden bestimmte Tonminerale verwendet bzw. in den Designstudien vorgeschlagen. Dabei sind vor allem drei Eigenschaften dieser Tone ausschlaggebend: Die geringe Wasserleitfähigkeit, das Quellvermögen bei Wasserzutritt und das Rückhaltevermögen für Kationen. Das wünschenswerte Rückhaltevermögen auch für Anionen fehlt bei naturbelassenen Tonen, kann aber durch Behandlung erzeugt werden, bei der die Zwischenschicht-Kationen der Tone durch bestimmte organische Kationen ersetzt werden. Dadurch entstehen sogenannte organophile Tone, die so eingestellt werden können, daß sie beide Ionenarten sorbieren können. Die entscheidenden Mechanismen dieser Sorptionsprozesse an organophilen Tonmineralen und die sich dabei ergebenden Strukturen des Tonminerals sind noch nicht vollständig bekannt. Ihre umfassende Kenntnis ist jedoch wichtig für die gezielte Optimierung ihrer Sorptionseigenschaften und ihrer Eignung zum Einsatz unter Endlagerungsbedingungen. Das Optimierungspotential liegt in der chemischen Struktur, Größe und Ladungsverteilung des organischen Kations sowie in der Wahl des Tonminerals. Zur Erlangung bisher fehlender Detailkenntnisse und zur Unterstützung der Optimierung soll daher in diesem Forschungsvorhaben eine Computersimulation des Organo-Ton-Systems auf der Basis der bisher gesammelten experimentellen Informationen entwickelt werden. Mit diesem Modell soll die Konsistenz des bisherigen Verständnisses der beteiligten Phänomene überprüft, geeignete Fragestellungen an das Experiment entwickelt und Optimierungsschritte durch Simulation ausgewählt werden.

Umsetzung internationaler Regelwerke bei der Zwischenlagerung

Die Western European Nuclear Regulator Association (WENRA), bei der Deutschland Mitglied ist, hat vereinbart, gemeinsame Sicherheitsstandards für die Lagerung radioaktiver Abfälle einzuführen und deren Einhaltung zu überprüfen. In diesem Projekt für das Bundesumweltministerium begleitet das Öko-Institut die Arbeiten zum Self-Assessment der regulatorischen Rahmenbedingungen und der Lageranlagen. Schwerpunkte der Arbeiten sind Abgleiche der WENRA-Regeln mit dem Regelwerk der IAEA und Zuarbeiten bei der Einschätzung der Regelwerkskonformität bei Anlagen für die Lagerung von schwach- und mittelradioaktiven Abfällen (LAW/MAW-Lager).

Diffusion and advection with sorption of anions, cations and non-polar molecules in organo-clays at varying thermo-chemical conditions - validation by analytical methods and molecular simulation

The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.

Verbesserung des Standes der Sicherheitstechnik bei Anlagen zur Lagerung von (gefährlichen) Abfällen zur Vermeidung von Brandereignissen bzw. deren wirksamer Bekämpfung und Begrenzung von Auswirkungen

Unter bestimmten Voraussetzungen gelten auch Abfälle als gefährliche Stoffe im Sinne der 12. BImSchV(Störfallverordnung). Gleichzeitig können bei Bränden in Abfalllagern gefährliche Stoffe in Form von Brandgasen, Brandprodukten oder Löschwasser entstehen, wodurch diese Anlagen unter die Störfallverordnung fallen können. Das Treffen von dem Stand der Sicherheitstechnik entsprechenden Vorkehrungen zur Verhinderung und Maßnahmen zur Begrenzung der Auswirkung von Störfällen sind grundlegende Betreiberpflichten nach § 3 StörfallV. Ziel des Vorhabens ist es, ihre Umsetzung bei der Lagerung von Abfällen zu verbessern. Das geplante Vorhaben soll Anlagen zur Lagerung von (gefährlichen) Abfällen, die unter die 12. BImSchV fallen können, identifizieren, Brandereignisse und deren Ursachen in diesen Anlagen recherchieren und eine Übersicht über das vorhandene Regelwerk zu Anforderungen an die Lagerung von (gefährlichen) Abfällen darstellen. Insbesondere Anforderungen des vorbeugenden Brandschutzes zur Vermeidung der Entstehung von Bränden und der Umgang mit Löschwasser und den damit verbundenen Beeinträchtigungen bei fehlender Rückhaltung oder bei einer Entsorgung von Brandrückständen, sollen Projektinhalt sein. Daraus abgeleitet sollen Handlungsbedarfe aufgestellt und Vorschläge für die Verhinderung von Brandereignissen bzw. die wirksame Begrenzung von Auswirkungen erarbeitet werden. Das geplante Vorhaben soll dazu beitragen, dieses Thema fachlich und wissenschaftlich aufzubereiten. Die Ergebnisse sollen mit der Kommission für Anlagensicherheit, den zuständigen Länderbehörden (Immissionsschutz, Abfall, Brandschutz), den Verbänden der Betreiber, den Umweltverbänden und den Feuerwehrverbänden kommuniziert werden.

Kartierung des Anthropogenen Lagers III (KartAL III) - Etablierung eines Stoffstrommanagements unter Integration von Verwertungsketten zur qualitativen und quantitativen Steigerung des Recyclings von Metallen und mineralischen Baustoffen

Ein hochwertiges Recycling mit dem Ziel einer bestmöglichen Vermeidung des Downcyclings durch Qualitätsminderungen und Stoffdissipationen erfordert ein Denken im Systemzusammenhang. Die gesamte Verwertungskette vom Abfall- oder Reststoffaufkommen bis hin zum Wiedereinsatz eines gütegesicherten Sekundärmaterials muss betrachtet werden. Beteiligte Akteure entlang der Kette sind selten vertikal integriert und haben sehr unterschiedliche Interessenslagen und Anreizsysteme anhand derer sie ihre Entscheidungen treffen. Vielfach stehen einem optimierten Recycling weniger prinzipielle technischen Probleme entgegen, sondern organisatorische und informatorische Defizite. Im Vorhaben sollen für die folgenden drei stofflichen Systeme: Mineralische Bau- und Abbruchabfälle (Flachglas, Mineralische Dämmstoffe, Baustoffe auf Gipsbasis, Beton, Kalksandstein, Porenbeton, Ziegel, Fliesen und Keramik), Nichteisenmetalle (Zink, Kupfer, Blei, Aluminium, Magnesium) sowie Sondermetalle (Weitere Nichteisenmetalle inkl. Stahllegierungselemente) Dialogprozesse initiiert werden. Ziel ist es, für die jeweiligen Materialien die aus Produzentensicht gestellten Anforderungen an Sekundärmaterialien mit allen in der Verwertungskette beteiligten Akteuren gemeinsam zu diskutieren. Dabei wird es auch darum gehen, die sensitiven Wertschöpfungsstufen zu identifizieren. Bestehende technische, logistische, organisatorische und rechtliche Hemmnisse sollen erörtert und dabei insbesondere auf Modellprojekte und deren teils nicht realisierte Übertragbarkeit eingegangen werden. Als einheitliche Diskussionsgrundlage dient der Status Quo der Verwertung sowie Prognosen der Mengenströme, die im KartAL-II-Stoffflussmodell abgebildet werden sollen. Daraus können auch Fallkonstellationen abgeleitet werden, die insbesondere in den Dialogforen diskutiert werden sollten. Aus dem Vorhaben sollen Maßnahmen für eine natioanle Urban-Mining Strategie abgeleitet werden.

Passive Lagerbeckenkühlung durch Wärmerohre - Experimente, Verbesserung und Validierung numerischer Modelle

Die Wärmeabfuhr aus Lagerbecken von Brennelementen kann mit Hilfe von Wärmerohren von einer aktiven auf eine passive Kühlung umgestellt werden. Zur Bewertung der Machbarkeit dieser Umstellung fehlen jedoch zum einen numerische Simulationsmodelle, zum anderen Validierungsdaten von Wärmerohren mit anwendungsbezogenen Rohrlängen (mehr als 10 m). Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Validierung von Rechenprogrammen zur Auslegung und Begutachtung der passiven Nachwärmeabfuhr aus Brennelementlagerbecken und Nasslagern mit Wärmerohren. Hierzu werden die Reaktorsicherheitscodes RELAP und ATHLET anhand von in diesem Vorhabenrahmen am IKE Universität Stuttgart durchzuführenden Experimenten modelltechnisch erweitert und validiert, sodass diese die passive, wärmerohrgestützte Abfuhr der Nachwärme aus Lagerbecken simulieren können. Das Vorhaben, das in Kooperation mit der GRS durchgeführt wird, ist in vier Arbeitspakete (AP) aufgeteilt: Im AP1 werden vom IKE Spezifikationen eines generisches Nasslagers für Brennelemente erstellt. Im AP2 werden am IKE auf Basis der o.g. Spezifikationen Wärmerohrexperimente durchgeführt. Es werden max. 50 Wärmerohre gebaut, die in einem Laborversuchsstand getestet werden. Bei den stationären und instationären Experimenten werden Druck, Temperatur und Wärmeleistung gemessen, weiterhin die Leistungsgrenzen für Wärmerohre experimentell ermittelt. Da die Wärmeabfuhr auf der Luftseite die gesamte, aus dem Lagerbecken abgeführte Wärme limitiert, wird ein 'Dachversuchsstand' errichtet und ausgesuchte Wärmerohre in diesem Versuchsstand über 1 Jahr lang getestet. Die Daten werden den Codeentwicklern zur Validierung zur Verfügung gestellt. Im AP3 wird vom IKE ein parametrisches Wärmerohrmodell für RELAP entwickelt und die Implementierung überprüft. Es ist beabsichtigt, die Arbeiten im AP1 und 3 im Rahmen eines Unterauftrags bearbeiten zu lassen. Die IKE-Arbeiten werden in AP4 dokumentiert.

Passive Lagerbeckenkühlung durch Wärmerohre - Verbesserung und Validierung numerischer Modelle

Optimierung der Methanausbeute in landwirtschaftlichen Biogasanlagen (Opti-Methan)

Ziel des Vorhabens ist die Anwendung eines Berechnungsmodells auf Praxisbiogasanlagen, um in der Prozesskette Fermenter - Nachgärer - Gärrestlager Zusammenhänge zwischen Verweilzeit in den beheizten Prozessstufen und Lagerzeit im Gärrestlager aufzuzeigen. Hierfür werden in Praxisuntersuchungen Basisdaten für ein Modell gewonnen, das die Zusammenhänge zwischen dem im Gärsubstrat vorhandenen Methanpotenzial, der im Fermenter gebildeten Methanmenge, der im Fermenter nicht umgesetzten Methanmenge im Gärrest sowie der bei der Lagerung tatsächlich freigesetzten Methanmenge in Abhängigkeit der Prozessparameter beschreibt. Die Ergebnisse stellen eine neue Berechnungsgrundlage dar, um die Prozessführung bestehender Anlagen zu optimieren oder eine Effizienzsteigerung durch optimale Auslegung neu errichteter Anlagen zu erreichen. Schwerpunkte des Vorhabens sind: (1) die Ermittlung von praxisrelevanten Basisdaten zur Methanproduktion in der Prozesskette Fermenter - Nachgärer - Gärrestlager, (2) die Bewertung der Methanpotenziale praxisrelevanter Gärsubstratmischungen mit Wirtschaftsdüngern, (3) die Bewertung von tatsächlichen Methanemissionen bei der offenen Gärrestlagerung, (4) die Erstellung eines allgemein gültigen Bemessungstools als Beitrag für das Repowering von Biogasanlagen. Für das Vorhaben ist eine Laufzeit von 2 Jahren geplant. Dabei erfolgt die Auswahl der Praxisbiogasanlagen (AP1), das Monitoring, die Erprobung und die Datenauswertung (AP2) im Zeitraum von 20 Monaten. Begleitend dazu werden Methan- und Gärrestpotenziale in Batch-Gärtests im Labor ermittelt (AP4, AP5). Zeitgleich erfolgen zudem eine Validierung der Praxisdaten und ergänzende Untersuchungen zu Substratmischungen mit hohem Wirtschaftsdüngeranteil in kontinuierlichen Laborversuchen über 12 Monate (AP3). Für die Erstellung eines Bemessungstools zur Auslegung von Rührfermentern und gasdicht ausgeführten Gärrestlagern (AP6) sowie die Anfertigung von Berichten und Publikationen werden 5 Monate eingeplant.

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