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The fact that digitalization comes along with a lot of negative effects onto the environment is slightly known in the case of energy consumption by hardware, especially regarding mobile devices, having a limited battery life. However, awareness of environmental issues of software, being the driver of hardware, is mainly missing, even if the research field addressing corresponding issues is growing. Thus, the doctoral thesis at hand addresses the question How to draw (a) developers and (b) usersattention to environmental issues of software? By presenting (a) a calculation method of the carbon footprint of software projects and (b) a concept for an eco-label for software products, evaluated by a user survey, the doctoral thesis provides two strategies how to draw the attention to environmental issues of software. Summarizing, this thesis can act as a basis for further research in bridging from science to society in the context of environmental issues of software. Its findings can be seen as starting points for practical implementations of methods and tools supporting a more environmentally friendly way of developing software and informing about environmental issues of software usage. In order to get the implementation of the research results of the thesis going, it highlights practical implications for diverse groups of stakeholders - researchers, certifiers, public administration and professional purchasers, and environmental associations - that have been identified as being important for the practical implementation of the presented concepts and, thus, represent the target group of the doctoral thesis.
In this dissertation, a multi-proxy study, which included palaeoecological, lithological, geochemical and geochronological methods, was carried out to investigate climatic and environmental changes and their interaction during the Quaternary in formerly glaciated and non-glaciated areas. The information obtained will be used to provide a better understanding of the regional stratigraphic framework and to establish broader regional terrestrial correlations within the global marine isotope stage (MIS) framework. This study was conducted on two key drillings, the Garding-2 research drill core in the German North Sea coastal area of Schleswig-Holstein and the GBY#2 archaeological core at the Gesher Benot Ya'aqov (GBY) site, in the Upper Jordan Valley in Israel. The results of this study are presented in three papers. Papers I and II focus on the study of the Garding-2 core, while the multi-proxy study of the GBY#2 core is presented in Paper III. The results of a variety of analyses conducted on the 240 m long Garding-2 sequence show interglacial-glacial cycles that are mainly controlled by variations in temperature. This sequence is composed of mainly fluvial-shallow marine sediments intercalated by muddy-peaty deposits. Based on the palynological and lithological findings, the Pliocene-Pleistocene transition was observed at 182.87 m. It is overlain by Praetiglian and the subsequent sediments of the Waalian and Bavelian Complexes. The boundary of either the second or third Cromerian Interglacial with younger sediments, which still belong to MIS 19, is marked by the last occurrence of Tsuga at 119.50 m and the development of mixed-deciduous forests. The palynologically equivalent sediments of the Bilshausen Interglacial were found below two Elsterian till layers, at 89.00 m-82.00 m. These sediments showed high and increased percentages of Pinus and Picea and scattered occurrences of Abies and Carpinus, which are similar to the features of the beginning of the Bilshausen or Rhume interglacial. An unconformity occurred at 80.29 m, at the bottom of late Holsteinian deposits, characterised by the occurrences of Fagus and Pterocarya, with low percentages of Abies and Carpinus and the absence of Buxus. These deposits are succeeded by sediments of the Fuhne cold period that shows higher percentages of NAP and occurrences of Ericales, Helianthemum and Selaginella selaginoides, which are unconformably overlain by Drenthian till at 73.00 m-71.00 m. A single peaty sample at 69.25 m with Pinus-Picea-Abies assemblage is correlated with the late Eemian Interglacial. This deposit is overlain by Weichselian glaciofluvial sediments. Middle-late Holocene sediments occurred from 20 m upwards, following a hiatus, which was caused by the Early Holocene transgression. A subsequent thin layer of marine Atlantic sediments is unconformably overlain by marine-tidal flat deposits up to 11.00 m. The first occurrence of Fagus (at 15.97 m) and Carpinus (at 15.03 m), which was optically stimulated luminescence (OSL)-dated to 3130 +/- 260 BP (at 16.22 m, Zhang et al., 2014), gives evidence for a Subboreal age for these deposits. Sandy sediments of the early Subatlantic, which were deposited between 11.00 m and the top of the Garding-2 sequence, indicate that local salt marshes, dunes and tidal flat vegetation expanded during this period. Due to regional features and the peculiarities of the local coastal environment, the expansions of Fagus and Carpinus, which are characteristic for the Subboreal-Subatlantic transition at about 2700 BP in northern Germany, are not clearly reflected in the Garding-2 pollen diagram. In the Mediterranean area, a 50 m long core of GBY#2, was drilled at the Acheulian site of Gesher Benot Ya'akov. The GBY#2 core provides a long Early-Middle Pleistocene geological, environmental and climatological record, which also enriches the knowledge of hominin-habitat relationships documented at the margins of the Hula Palaeo-lake. The sediment sequence of GBY#2 is under- and overlain by two basalt flows that are 40Ar/39Ar dated: two samples at the bottom of the core dated to 1195 +/- 67 ka (at 48.30 m) and 1137 +/- 69 ka (at 45.30 m), and another one at the top dated to 659 +/- 85 ka (at 14.90 m). With the additional chronological identification of the Matuyama Brunhes Boundary (MBB) and the correlation with the GBY excavation sites, the sedimentary sequence of GBY#2 provides the climatic history during the late part of the mid-Pleistocene transition (MPT, 1.2 Ma-0.5 Ma). Multi-proxy analyses including those of pollen and non-pollen palynomorphs, macro botanical remains, molluscs, ostracods, fish, amphibians and micromammals provide evidence for lake and lake-margin environments during MIS 20 and MIS 19. During MIS 20, relatively cool semi-moist conditions were followed by a pronounced dry phase. During the subsequent MIS 19, warm and moist interglacial conditions were characterised by Quercus-Pistacia woodlands in this area. The depositional environment changed from an open water lake during MIS 20 to a lake margin environment in MIS 19. This finding is at odds with changing climate conditions from relatively dry to moist. This discrepancy could be explained by the prograding pattern of the lake shore due to the infilling of the basin, which resulted in shallower water. Climatic changes during the Late Tertiary and the Quaternary in the high latitude regions in northwest Europe and during the Early-Middle Pleistocene in the mid latitude regions of the Middle East follow the patterns of global climatic changes, which are mainly controlled by orbital obliquity (+/-41 ka cycle) during the Early Pleistocene and by orbital eccentricity (+/-100 ka cycle) during the MPT (1.2 Ma-0.5 Ma) and the younger periods of the Quaternary. The results of this study also provide reliable evidence for long distance correlation of stratigraphic and climatic events of the Quaternary, which extends knowledge of regional and global impact of climatic fluctuations on the environment.
Biozide Wirkstoffe sind Chemikalien, die zum Schutz der menschlichen oder tierischen Gesundheit oder zum Schutz von Materialien vor Schädlingen eingesetzt werden. Monitoringergebnisse lassen vermuten, dass diese Wirkstoffe auch häufig im Innenraum von Haushalten eingesetzt werden und von dort vor allem über Abwasserleitungen und Kläranlagen in die Umwelt gelangen, wenn sie in Kläranlagen nicht eliminiert werden. Die Produkte, aus denen die Wirkstoffe aus Haushalten in das Abwasser gelangen, sind bislang jedoch nicht identifiziert worden. Aus diesem Grund konnten die daraus resultierenden Umweltbelastungen nicht eingeschätzt und keine entsprechenden Emissionsminderungsmaßnahmen umgesetzt werden. In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, in welchen Haushaltsprodukten biozide Wirkstoffe eingesetzt werden und in das Abwasser gelangen. Zudem sollte erforscht werden, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie mit ihnen umgehen. Ziel war es, die Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in Haushalten zu identifizieren, von denen die höchsten Umweltbelastungen zu erwarten sind, und geeignete Emissionsminderungsmaßnahmen abzuleiten. Um die Anwendung biozider Wirkstoffe in Haushalten zu untersuchen, wurde zunächst durch eine Befragung in Haushalten eines dörflichen Wohngebietes ermittelt, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie die damit verbundenen Risiken im Vergleich zu anderen Haushaltsprodukten einschätzen. Zudem wurde für jeden der teilnehmenden Haushalte ein Inventar der vorhandenen Produkte erstellt. Dabei wurden neben den Biozidprodukten auch Wasch- und Reinigungsmittel und Körperpflegeprodukte untersucht. Ähnliche Erhebungen fanden zusätzlich in Haushalten in urbanen Gebieten statt. Die aufgrund der inventarisierten Produkte zu erwartenden Stoffe wurden im Laufe eines Jahres durch ein speziell abgestimmtes Monitoringprogramm im Abwasser des dörflichen Wohngebietes in Tages- und Stundenmischproben untersucht. Alle Proben wurden nach der Probenahme aufgearbeitet und mittels Flüssigchromatographie gekoppelt mit einem Triple-Quad-Massenspektrometer analysiert. Dabei wurden die Konzentrationen von 14 Wirkstoffen gemessen: 1,2-Benzisothiazol-3(2H)-on (BIT), C12-Benzalkoniumchlorid, Carbendazim, 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on (CMIT), Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), N,NDiethyl-meta-toluamid (DEET), Diuron, Icaridin, 2-Octyl-2H-isothiazol-3-on (OIT), Piperonylbutoxid (PBO), Triclosan, Tebuconazol, Terbutryn und Tetramethrin. Vielen Befragten war nicht bewusst, dass sie Biozidprodukte nutzen. Der Begriff "Biozid" war oft nicht bekannt und wurde inhaltlich häufig falsch verstanden. Die Auswertungen der inventarisierten Produkte und der darin enthaltenen bioziden Wirkstoffe zeigten, dass ein Großteil der Wirkstoffe nicht aus Biozidprodukten in das Abwasser gelangt, sondern aus Körperpflegeprodukten und Wasch- und Reinigungsmitteln. Insgesamt 64 % der Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in den inventarisierten Produkten wurden nicht unter der Umweltrisikobewertung der Verordnung (EU) 528/2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten berücksichtigt, was zu einer erheblichen Unterschätzung der Umweltrisiken führt. Die Ergebnisse der Abwasseruntersuchungen deuten ebenfalls darauf hin, dass biozide Wirkstoffe aus Wasch- und Reinigungsmitteln, Körperpflegeprodukten und Biozidprodukten gleichermaßen in das Abwasser eingetragen werden. Die Messergebnisse können gut mit den Produktinventaren in Verbindung gebracht werden. Einige Wirkstoffe scheinen maßgeblich durch Biozidprodukte eingetragen zu werden. Auch Konservierungsmittel wurden regelmäßig nachgewiesen. Für Triclosan hingegen ist gemäß den Inventaren Zahnpasta vermutlich die Produktgruppe, die in dem untersuchten Wohngebiet maßgeblich für den Eintrag ins Abwasser verantwortlich ist. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, welche Produkte im Haushalt eine wichtige Quelle für biozide Wirkstoffe im Abwasser sind. Sie müssen mit einbezogen werden, wenn Emissionen an der Quelle reduziert werden sollen. Es sollten Maßnahmen ergriffen werden, die über die Produktzulassung von Biozidprodukten hinausgehen, um die Emissionen so gering wie möglich zu halten. Diese Maßnahmen sollten sich nicht darauf beschränken, die Bevölkerung über Biozidprodukte aufzuklären und zu sensibilisieren. Stattdessen sollten Maßnahmen früher in der Wertschöpfungskette ansetzen, wie zum Beispiel beim Design der Wirkstoffe oder der Formulierung der Produkte, um so Einträge biozider Wirkstoffe in die Umwelt zu verringern.
Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher erleichtern Wärmesystemen durch eine saisonale Lastverschiebung die Erschließung und Integration von erneuerbaren Wärmequellen. Ein mittleres Temperaturniveau von >50 Grad Celsius ermöglicht zumeist eine direkte Entladung ohne einen anschließenden Temperaturhub über eine Wärmepumpe. Aufgrund der thermischen Trägheit von ATES-Systemen ist die Berücksichtigung von Lastfalländerungen durch jährlich variierende Lastprofile besonders in der Einschwingphase sinnvoll. Da es bis zu 20 Jahre dauern kann, bis der Aquifer einen quasistationären Zustand erreicht, konnte in Langzeitstudien ein großer Einfluss von unterschiedlichen Lastprofilen auf energetische und finanzielle Simulationsergebnisse nachgewiesen werden. Zur Verbesserung der Investitionsplanung wurde ein Verfahren entwickelt, das sowohl die Prognosefähigkeit als auch die Prognosegenauigkeit von Energiesystem- und Wirtschaftlichkeitsanalysen erhöht, indem über einen wahrscheinlichkeitsbasierten Ansatz (Monte-Carlo-Temperaturschätzung) Normalverteilungsfunktionen für gewünschte Auswertungsgrößen (z.B. Kapitalwert) abgeleitet werden können. Aus 2000 Simulationsjahren wurde über konzeptspezifische Verteilungsfunktionen der wahrscheinlichste Eintrittsfall abgeleitet und zu einem repräsentativen Szenario aggregiert. Das aggregierte Szenario mündet in ein konzeptspezifisches Gleichungssystem, das mit den Freiheitsgraden Energiepreise, Kalkulationszinssatz und Förderanteil gelöst wird. Im Gegensatz zu der etablierten Methode, die Wirtschaftlichkeitsberechnung im Anschluss an eine energetische Systemsimulation anzuhängen, wurde in dieser Arbeit ein holistisches Modell in TRNSYS entwickelt, das für jeden Simulationszeitschritt simultan Energie- und Zahlungsströme berechnet. In dem Modell konnten Verbesserungen in der Prognosegenauigkeit um den Faktor 20 nachgewiesen werden. Mit dem neuen Verfahren kann die Frage der Wirtschaftlichkeit nicht nur mit ja oder nein beantwortet werden, sondern zusätzlich mit der jeweiligen Eintrittswahrscheinlichkeit belegt werden.
Sustainability transitions research proposes fundamental changes of societal systems' organisation to overcome persistent societal challenges, such as climate change or biodiversity loss, and allowing systems to become more sustainable. This thesis adresses an underlying tension in sustainability transitions research: between transitions as an open-ended process of fundamental change and the normative direction of this change: sustainability. In doing so, three themes are in the focus of the research: individual agency, normativity and transdisciplinary collaboration. Thereby, the thesis aims to strengthen process-oriented and potentially transformative approaches to sustainability transition research, in contrast to primarily descriptive-analitical approaches. Transition management as a recent and salient example of transdisciplinary transition research is chosen to provide research framework and application context. Based on conceptual-theoretic, empirical case study and reflexive work, three main results are contributed: First, a psychologically enriched understanding of individual and sustainability related agency in conceptual and empirical understandings of transition management is developed. This builds on two perspectives: a psychologically enriched capability approach as well as the analysis of social effects (social learning, empowerment and social capital development) of transition management to capture sustainability oriented agency increases. As second main result, normative considerations, namely sustainability, are included into transition management on conceptual and empirical levels. Therein, substantive, procedural and intentional aspects of sustainability are combined: Substantive aspects are covered by proposing capabilities, behavioral freedoms to live a valuable life, as normative yardsticks to measure developments. Procedural aspects include a detailed understanding of facilitating a learning journey towards making sustainability meaningful in the local transition management cases and setting up experiments for its realiziation. Intentional aspects are addressed by linking social effects of transition management to awareness, motivations and feelings of responsibility towards sustainability. As a third main result, the transdisciplinary collaboration in transition management of creating an arena as an interactive learning space is conceptualized and explored, as well as the roles of the researchers therein. Key issues of this learning space, the community arena, are drawn out and ideal-type roles and activities of researchers in addressing these issues are proposed and empirically analysed. As synthesis of thesis results, ten principles of sustainability transition management are proposed.
Die Agenda 2030 der Vereinten Nationen und diverse daraus abgeleitete Nachhaltigkeitsstrategien setzen einen zeitlich fest definierten Rahmen bis in das Jahr 2030. Für die Umsetzung dieser Strategien sind zwei Aspekte entscheidend - ein fundiertes inhaltliches Verständnis von politischer Strategie und ein darauf aufbauendes praxistaugliches Instrument, das den politischen Strategen bei einer erfolgreichen Umsetzung und Implementierung einer Strategie unterstützt. Diese Arbeit möchte zu beiden Aspekten einen Beitrag leisten. Zum einen wird aus der Zusammenführung von Theorie und Praxis die Natur des inhaltlichen politischen Strategiebegriffs erforscht. Zum anderen wird darauf aufbauend ein praxis- und erfahrungsorientiertes Anwendungsmodell entwickelt, das typische potentielle Herausforderungen und entsprechende potentielle Handlungsoptionen je Strategieabschnitt benennt. Durch die Subsumierung von Erfahrungswissen unterstützt das Modell dabei vor allem das praktische Urteilsvermögen des politischen Strategen bei der Erreichung politikstrategischer Ziele. Um zu dem praxisrelevanten Anwendungsmodell zu gelangen ist es notwendig, sich zuvor Klarheit über die besonderen Anforderungen und Herausforderungen des speziellen politischen Strategiebegriffs zu verschaffen. Die politische Umwelt mit ihren spezifischen Mechanismen unterscheidet sich fundamental von den bisher bekannten Strategiefeldern Militär und Betriebswirtschaft. Da eine Strategie immer die konkrete Umweltsituation und die individuellen Situationsmerkmale berücksichtigen muss, ist - wie diese Arbeit zeigt - eine simple Übertragung strategischer Allgemeinplätze aus Militär und Ökonomie von vornherein zum Scheitern verurteilt.
Die heutige industrielle Landwirtschaft birgt vielfältige Probleme wie die Degradierung der Böden, den Verlust von Biodiversität, Nitrate im Grundwasser sowie die hohe Abhängigkeit von fossilen Energieträgern. Einen möglichen Lösungsansatz bietet das Konzept der regenerativen Landwirtschaft, welches weltweit zunehmend Beachtung findet. Deren Ziel ist es, Agrarökosysteme und insbesondere die Böden kontinuierlich zu verbessern, indem durch bestimmte landwirtschaftliche Methoden und ganzheitliches Management unter anderem gestörte Nährstoff-, Wasser- und Kohlenstoff- Kreisläufe wieder geschlossen werden. Die Verwendung von Pflanzenkohle als Bodenhilfsstoff könnte ein mögliches Werkzeug der regenerativen Landwirtschaft sein, da Forschungen gezeigt haben, dass Pflanzenkohle durch ihre spezifischen Eigenschaften in der Lage ist, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens langfristig zu beeinflussen und dadurch zum Bodenaufbau beizutragen. Es handelt sich jedoch um eine vergleichsweise neue Methode, die in Deutschland bislang wenig praktiziert wird, und es gibt einige Kritik an der Produktion und Verwendung von Pflanzenkohle. Das Ziel der Arbeit ist es daher herauszufinden, ob und auf welche Weise die Verwendung von Pflanzenkohle im Ackerbau ein Bestandteil einer regenerativen Landwirtschaft in Deutschland sein kann. Hierfür wurden auf Grundlage der vorhandenen Literatur einige Thesen aufgestellt. Für die empirische Erhebung von Praxiswissen wurden leitfadengestützte Experteninterviews mit je einem Vertreter der Anbauweisen biologisch-dynamisch, organisch-biologisch und der Permakultur geführt. Die Ergebnisse wurden ergänzt durch ein Interview mit einer Expertin aus dem Bereich der Pflanzenkohleproduktion, um technische Details zu konkretisieren. Im Ergebnis wird unter anderem deutlich, dass der Pflanzenkohleeinsatz für jede Fläche gründlich überlegt werden muss. Allgemein sollte Pflanzenkohle nur in kleinen, dezentralen landwirtschaftlichen Systemen eingesetzt werden und Teil einer Abfall-Management-Strategie sein. Es müssen sowohl das Ziel der Anwendung, als auch die Eigenschaften der eingesetzten Kohle bekannt sein und ein Einsatz sollte nur in einem System erfolgen, welches bereits regenerativ bewirtschaftet wird.
The emission of anthropogenic trace substances into the aquatic environment continuously poses challenges to water suppliers. The contamination of raw waters with organic trace substances requires complex water treatment processes to secure drinking water quality. The routine monitoring of these raw waters as well as the behavior and fate of organic trace substances during different treatment processes is of great interest to recognize and counter potential dangers at an early stage. Non-target screening using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) allows the detection of thousands of compounds within a single run and covers known as well as unknown substances. Compared to the established analytical techniques, this is a decisive advantage for the monitoring of raw and process waters during water treatment. While the analytical technique LC-HRMS has undergone significant developments in recent years, the algorithms for data processing reveal clear weaknesses. This dissertation therefore deals with reliable processing strategies for LC-HRMS data. The first part of this work seeks to highlight the problematics of false positive and false negative findings. Based on repeated measurements, various strategies of data processing were assessed with regard to the repeatability of the results. To ensure that real peaks were barely or not removed by the filtering procedure, samples were spiked with isotope-labeled standards. The results emphasize that the processing of sample triplicates results in sufficient repeatability and that the signal fluctuation across the triplicates emerged as a powerful filtering criteria. The number of false positives and false negatives could be significantly reduced by the developed strategies which consequently improve the validity of the data. The second part of this thesis addresses the development of processing strategies particularly aimed at assessing water treatment processes. The detected signals were tracked across the treatment process and classified based on their fold changes. A more reliable signal classification was achieved by implementing a recursive integration approach. Special integration algorithms allow a reliable signal classification even though the signal to be compared was below the intensity threshold. Different combinations of replicates of process influents and effluents were processed for evaluating the repeatability. The good repeatability was indicated by the results of both the plausibility checks and the ozonation process (ozonation of pretreated river water) and thus points to high reliability. The applicability of the developed strategies to real world applications is demonstrated in the last part of this work. Besides the prioritization of the generated results, the main focus was the identification of recognized compounds. The developed strategies clearly improve the validity of the underlying data. The combination of LC-HRMS analysis with reliable processing strategies opens up multiple possibilities for a more comprehensive monitoring of water resources and for the assessment of water treatment processes. The processing strategies and validation concepts may be easily transferred to other research fields.