Universität Stuttgart
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Item Open Access Understanding the limitations of Sentinel-3 inland altimetry through validation over the Rhine River(2022) Schneider, Nicholas M.Satellite altimetry is developing into one of the most powerful measurement techniques for long-term water body monitoring thanks to its high spatial resolution and its increasing level of precision. Although the principle of satellite altimetry is very straightforward, the retrieval of correct water levels remains rather difficult due to various factors. Waveform retracking is an approach to optimize the initially determined range between the satellite and the water body on Earth by exploiting the information within the power-signal of the returned radar pulse to the altimeter. Several so-called retrackers have been designed to this end, yet remain one of the most open study areas in satellite altimetry due to their crucial role they play in water level retrieval. Moreover, geophysical properties of the stratified atmosphere and the target on Earth have an effect on the travel time of the transmitted radar pulse and can amount to severalmeters in range. In this study we provide an overall analysis of the performances of the retrackers dedicated to the Sentinel-3 mission and the applied geophysical corrections. For this matter, we focus on nine different locations within the Rhine River basin where locally gauged data is available to validate the Sentinel-3 level-2 products. Furthermore, we present a reverse retracking approach in the sense that we use the given in-situ data to determine the offset to each altimetry-derived measurement of every epoch. Under the assumption that these offsets are legitimate, they can be seen as an a-posteriori correction which we project onto the range and thus on a waveform level. Further analyses consist in the investigation of the relationship these a-posteriori corrections have to the waveform properties of the same epoch. Later, the question whether the a-posteriori corrections to the initial retracking gates are appropriate for the retrieval of correct water levels, drives us to assign a probability to each and every bin of the waveform. Following this idea, we design stochastic-based retrackers which determine the retracking gate for water level retrieval from the bin with the highest probability assigned to it. To distribute the probabilities across all bins of the waveform, we consider three empirical approaches that take both the waveform itself and its first derivative into account: Addition, multiplication and maximum of both signals. For all three of the new retrackers, we generate the water level timeseries over the aforementioned sites and validate them against in-situ data and the retrackers dedicated to the Sentinel-3 mission.Item Open Access Charakterisierung umweltneutraler, natürlicher eisenhaltiger Sauerstoffträger für Chemical-Looping-Combustion (CLC)-Kraftwerke(2018) Schopf, Alexander; Massonne, Hans-Joachim (Prof. Dr.)Chemical Looping Combustion (CLC) ist eine großtechnische Verbrennungstechnologie zur Stromerzeugung mittels Wirbelschichtreaktoren unter Verwendung von Feststoffen anstelle von Luft als Sauerstoffträger. CLC zählt zu den CO2-Sequestrierungsverfahren für Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS). Das Rauchgas besteht hauptsächlich aus Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid, die Produktion von Stickoxiden wird prozessbedingt vermieden, der Wirkungsgradverlust liegt bei theoretisch 2 bis 3 %. Das bislang als Sauerstoffträger für CLC verwendete Mineral Ilmenit ist im Vergleich mit anderen Erzen relativ selten. Synthetisch hergestellte Sauerstoffträger sind dagegen teurer und daher unwirtschaftlich. Ziel der Arbeit war die Identifikation umweltneutraler natürlicher Sauerstoffträger für CLC-Kraftwerke die sowohl gut verfügbar sind als auch wirtschaftliche Alternativen darstellen. Für die Untersuchungen wurden die Gütekriterien der Effektivität für CLC und Kraftwerkseignung zu Grunde gelegt: gute Abriebfestigkeit, hohe Reaktivität mit Brenngasen bei 900 °C, insbesondere Methan, hohe Sauerstofftransportkapazität mit ca. 10 % Masseverlust bei der Reduktion, hohe Reaktivität mit Luftsauerstoff bei der Oxidation und eine Temperaturstabilität von mindestens 1000 °C unter oxidierenden Bedingungen. Weiteres Forschungsziel war die Aufklärung der ablaufenden Prozesse der Reduktions- bzw. Oxidations-Reaktionen bei den einzelnen Sauerstoffträgern unter simulierten Kraftwerksbedingungen. Mit der Entwicklung eines systematischen, für alle Sauerstoffträger anwendbaren, Untersuchungsgangs wurde eine fundamentale Methode zur Visualisierung der inhärenten chemischen Reaktionen bei wiederholender sukzessiver Reduktion und Oxidation geschaffen. Die experimentelle Versuchsabfolge gliederte sich in vier Teile: Vorbereitung und mineralogische Untersuchung zur Beschreibung des Ausgangsmaterials, Vorstudie zur Überprüfung der Temperaturstabilität von 1000 °C in der Thermowaage (TGA), Hauptstudie mit Simulation von CLC in der TGA und eine Vergleichsstudie unter Kraftwerksbedingungen im Versuchskraftwerk des Instituts für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart zur Korrelation der Ergebnisse der Hauptstudie. Unter ihrer Anwendung wurden die hier einbezogenen Proben charakterisiert, wobei sich sieben von 12 Proben der Hauptstudie (aufgrund der formulierten Anforderungskriterien) als Sauerstoffträger besonders geeignet erwiesen: Magnetiterz, Maphopha (RSA), Magnetiterz, Thạch Khê (SGA), Roter Glaskopf, Toulkine (IMI), MIOX ME400, Waldenstein (KMI), Hämatiterz, Norwegen (DH), Bändereisenerz, Bogalatladi (RSA) und Ilmeniterz, Capel (IFK). Bei sehr lang gewählten Reduktionszeiten mit Brenngas entstanden zudem Varietäten des Kohlenstoffs, wie bspw. amorpher Kohlenstoff, Graphit und Graphen, als Abscheidung aus der Gasphase auf den Sauerstoffträgeroberflächen. Dies gibt Anlass zu weiteren Forschungen.Item Open Access Bayesian inversion and model selection of heterogeneities in geostatistical subsurface modeling(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Reuschen, Sebastian; Nowak, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access The role of retardation, attachment and detachment processes during microbial coal-bed methane production after organic amendment(2020) Emmert, Simon; Davis, Katherine; Gerlach, Robin; Class, HolgerMicrobially enhanced coal-bed methane could allow for a more sustainable method of harvesting methane from un-mineable coaldbeds. The model presented here is based on a previously validated batch model; however, this model system is based on upflow reactor columns compared to previous experiments and now includes flow, transport and reactions of amendment as well as intermediate products. The model implements filtration and retardation effects, biofilm decay, and attachment and detachment processes of microbial cells due to shear stress. The model provides additional insights into processes that cannot be easily observed in experiments. This study improves the understanding of complex and strongly interacting processes involved in microbially enhanced coal-bed methane production and provides a powerful tool able to model the entire process of enhancing methane production and transport during microbial stimulation.Item Open Access Advanced experimental methods for investigating flow-biofilm-sediment interactions(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Koca, Kaan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Investigations on functional relationships between cohesive sediment erosion and sediment characteristics(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Beckers, Felix; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Large-scale high head pico hydropower potential assessment(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Schröder, Hans Christoph; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Due to a lack of site-related information, Pico hydropower (PHP) has hardly been a projectable resource so far. This is particularly true for large area PHP potential information that could open a perspective to increase the size of development projects by aggregating individual PHP installations. The present work is extending the capabilities of GIS based hydropower potential assessment into the PHP domain through a GIS based PHP potential assessment procedure that facilitates the discrimination of areas without high head PHP potential against areas with PHP potential and against areas with so called “favorable PHP potential”. The basic unit of the spatial output is determined by the underlying PHP potential definition of this work: a standardized PHP installation and the required hydraulic source, together called standard unit, are located on an area of one square kilometer. The gradation of the output is a consequence of the verification techniques. Several large area PHP potential field assessment methods, based on contemplative analysis techniques, are developed in this work. Field assessments were conducted in Yunnan Province/China, Costa Rica, Ecuador and Sri Lanka. The aim for all field assessments is to get a comprehensive view on the PHP potential distribution of the entire country/province. Application of the GIS based PHP potential assessment procedure is aimed at the global tropical and subtropical regions.Item Open Access Porosity and permeability alterations in processes of biomineralization in porous media - microfluidic investigations and their interpretation(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Weinhardt, Felix; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing)Motivation: Biomineralization refers to microbially induced processes resulting in mineral formations. In addition to complex biomineral structures frequently formed by marine organisms, like corals or mussels, microbial activities may also indirectly induce mineralization. A famous example is the formation of stromatolites, which result from biofilm activities that locally alter the chemical and physical properties of the environment in favor of carbonate precipitation. Recently, biomineralization gained attention as an engineering application. Especially with the background of global warming and the objective to reduce CO2 emissions, biomineralization offers an innovative and sustainable alternative to the usage of conventional Portland cement, whose production currently contributes significantly to global CO2 emissions. The most widely used method of biomineralization in engineering applications, is ureolytic calcium carbonate precipitation, which relies on the hydrolysis of urea and the subsequent precipitation of calcium carbonate. The hydrolysis of urea at moderate temperatures is relatively slow and therefore needs to be catalyzed by the enzyme urease to be practical for applications. Urease can be extracted from plants, for example from ground jack beans, and the process is consequently referred to as enzyme-induced calcium carbonate precipitation (ECIP). Another method is microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP), which uses ureolytic bacteria that produce the enzyme in situ. EICP and MICP applications allow for producing various construction materials, stabilizing soils, or creating hydraulic barriers in the subsurface. The latter can be used, for example, to remediate leakages at the top layer of gas storage reservoirs, or to contain contaminant plumes in aquifers. Especially when remediating leakages in the subsurface, the most crucial parameter to be controlled is its intrinsic permeability. A valuable tool for predicting and planning field applications is the use of numerical simulation at the scale of representative elementary volumes (REV). For that, the considered domain is subdivided into several REV’s, which do not resolve the pore space in detail, but represent it by averaged parameters, such as the porosity and permeability. The porosity describes the ratio of the pore space to the considered bulk volume, and the permeability quantifies the ease of fluid flow through a porous medium. A change in porosity generally also affects permeability. Therefore, for REV-scale simulations, constitutive relationships are utilized to describe permeability as a function of porosity. There are several porosity-permeability relationships in the literature, such as the Kozeny-Carman relationship, Verma-Pruess, or simple power-law relationships. These constitutive relationships can describe individual states but usually do not include the underlying processes. Different boundary conditions during biomineralization may influence the course of porosity-permeability relationships. However, these relationships have not yet been adequately addressed. Pore-scale simulations are, in principle, very well suited to investigate pore space changes and their effects on permeability systematically. However, these simulations also rely on simplifications and assumptions. Therefore, it is essential to conduct experimental studies to investigate the complex processes during calcium carbonate precipitation in detail at the pore scale. Recent studies have shown that microfluidic methods are particularly suitable for this purpose. However, previous microfluidic studies have not explicitly addressed the impact of biomineralization on hydraulic effects. Therefore, this work aims to identify relevant phenomena at the pore scale to conclude on the REV-scale parameters, porosity and permeability, and their relationship. Contributions: This work comprises three publications. First, a suitable microfluidic setup and workflow were developed in Weinhardt et al. [2021a] to study pore space changes and the associated hydraulic effects reliably. This paper illustrated the benefits and insights of combining optical microscopy and micro X-ray computed tomography (micro XRCT) with hydraulic measurements in microfluidic chips. The elaborated workflow allowed for quantitative analysis of the evolution of calcium carbonate precipitates in terms of their size, shape, and spatial distribution. At the same time, their influence on differential pressure could be observed as a measure of flow resistance. Consequently, porosity and permeability changes could be determined. Along with this paper, we published two data sets [Weinhardt et al., 2021b, Vahid Dastjerdi et al., 2021] and set the basis for two other publications. In the second publication [von Wolff et al., 2021], the simulation results of a pore-scale numerical model, developed by Lars von Wolff, were compared to the experimental data of the first paper [Weinhardt et al., 2021b]. We observed a good agreement between the experimental data and the model results. The numerical studies complemented the experimental observations in allowing for accurate analysis of crystal growth as a function of local velocity profiles. In particular, we observed that crystal aggregates tend to grow toward the upstream side, where the supply of reaction products is higher than on the downstream side. Crystal growth during biomineralization under continuous inflow is thus strongly dependent on the locally varying velocities in a porous medium. In the third publication [Weinhardt et al., 2022a], we conducted further microfluidic experiments based on the experimental setup and workflow of the first contribution and published another data set [Weinhardt et al., 2022b]. We used microfluidic cells with a different, more realistic pore structure and investigated the influence of different injection strategies. We found that the development of preferential flow paths during EICP application may depend on the given boundary conditions. Constant inflow rates can lead to the development of preferential flow paths and keep them open. Gradually reduced inflow rates can mitigate this effect. In addition, we concluded that the coexistence of multiple calcium carbonate polymorphs and their transformations could influence the temporal evolution of porosity-permeability relationships.Item Open Access Data mining in GRACE monthly solutions(2019) Javaid, Muhammad Athar; Keller, Wolfgang (Prof. Dr. sc. techn.)Item Open Access Wasserinfiltration in die ungesättigte Zone eines makroporösen Hanges und deren Einfluss auf die Hangstabilität(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2016) Germer, Kai; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Hangrutschungen stellen in besiedelten Regionen eine große Gefahr dar, weil nicht selten direkt bewohnte Bereiche betroffen sind. Aber auch die Rutschungsauswirkungen auf die Infrastruktur wie Verkehrswege und Versorgungseinrichtungen können der Gesellschaft Schaden zufügen. Zum einen ergibt sich im Zusammenhang mit Hangrutschungen und allgemein Massenbewegungen das Betätigungsfeld der direkten Stabilisierung und Verhinderung von Rutschungen durch beispielsweise Tiefdrainagen und aufwendige ingenieursbauliche Maßnahmen. Zum anderen, und das ist Gegenstand dieser Arbeit, ergibt sich das Tätigkeitsfeld der grundlagenorientierten Forschung, um die Prozesse, die zu Hangrutschungen führen, besser verstehen zu können. Mit dem Heumöser Hang in Österreich (Vorarlberg), einem sich sehr langsam bewegenden Großhang (Kriechhang), liegt ein Untersuchungsobjekt vor, an dem vielfältige hydrologische Prozesse stattfinden, die schon über mehrere Jahre hinweg untersucht wurden. Die Untersuchungen resultierten in der Hypothese, dass sich am Heumöser Hang entwickelnder Makroporenfluss zu schnellen hydraulischen Veränderungen im Innern des Hangkörpers führe. Die hydraulischen Veränderungen zeigen sich insbesondere in starken Porenwasserdruckanstiegen (unter anderem in einem gespannten Grundwasserleiter), die teilweise in der Tiefe des Hanges zu Auftriebskräften führen, die den Hang destabilisieren, so dass dieser sich schubweise insgesamt etwa ein bis zwei Dezimeter im Jahr talwärts bewegt. Zum Erarbeiten des Prozessverständnisses bezüglich des Zusammenhanges zwischen Infiltration und Hangstabilität wurden große Bodenproben vom Hang im Labor untersucht und Experimente an zwei technischen Modellen durchgeführt. Mit der vorgestellten Vorgehensweise und der Separierung der Untersuchungen und Experimente konnten für den Heumöser Hang relevante hydrologische und mechanische Teilaspekte erarbeitet werden, die verknüpft die Hangbewegungshypothese in weiten Teilen bestätigen können. Insbesondere bestätigten die Messungen an den originären Bodenproben vom Heumöser Hang, dass der Makroporenfluss so dominant sein kann, dass potentiell schneller Porenwasserdruckanstieg in der Tiefe erzeugt werden kann. Dennoch kann ein Makroporenfluss generell insbesondere bei trockenen Matrixbedingungen vermindert werden. Die Verminderung des Makroporenflusses wurde anhand von Experimenten mit Sand gezeigt. Der Prozess des Wassertransfers von Makropore zu umgebender Matrix ist im Sand sehr deutlich zu sehen. Darüber hinaus konnten bei Bodensäulen- und Bodenprobenexperimenten viele methodische Herangehensweisen getestet und verglichen werden. Weil im Vorfeld der Untersuchungen schon abgeschätzt wurde, dass nur mit größeren Proben eine für den Standort bessere Repräsentativität der Ergebnisse erhalten werden kann, wurde besonders viel Wert auf die Methodik der Großprobennahme gelegt. So ist in der vorgestellten Arbeit ein neuartiger Ansatz zur Großprobennahme entwickelt worden, bei dem die Proben ungestört frei gelegt wurden und mit Haushaltsfolie, Montageschaum und Außenmodulen eingehüllt wurden. Nur die Großprobennahme garantierte ein Mindestmaß an Erfassung von Heterogenitäten und Bodenstrukturen im Dezimeterbereich, wie z.B. Makroporen und Risse. Auch die laboratorischen Versuchsaufbauten zur Anwendung der Multi-Step-Outflow- und Evaporationsmethode an den Großproben wurden einmalig größenangepasst entwickelt.
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