Aufbau des Schockwellenlabors im Lehr- und Forschungsbergwerk 'Reiche Zeche' der TU Bergakademie Freiberg und die Entwicklung von dynamischen Höchstdrucksynthesemethoden

In dieser Arbeit werden folgende Arbeiten vorgestellt: ● Aufbau eines Schockwellenlabors für unterschiedliche Einsatzzwecke für eine Nettoexplosivmasse von bis zu 20 kg, bezogen auf NSH 711 (C4 nach MIL-Standard), ● Klärung der Ursachen des Probenverlustes bei Schockwellensyntheseexperimenten ab Überschreitung eines gewissen materialabhängigen Grenzdruckes unter Verwendung von in der Literatur vorgegebenen Standardmethoden sowie eine wissenschaftlich fundierte Prob-lembehebung auf der Basis empirischer Theorien, ● Berechnung der Zustandsgrößen Druck (p), Temperatur (T) sowie Zeit (t) unter den ge-wählten Versuchsbedingungen für unterschiedliche Problemstellungen und Materialien mit Kontrollmöglichkeiten sowie ● Gewährleistung des maximal möglichen Phasenumwandlungsgrades für die entsprechende Hochdruckphase. Insgesamt wurden im Verlauf der Entwicklungsarbeiten im Schockwellenlabor 122 Spren-gungen durchgeführt. Die Drücke betragen dabei zwischen 15 GPa und ca. 180 GPa. Es gelangen zahlreiche erfolgreiche Synthesen der Hochdruckphasen gamma-Si3N4 sowie rs-AlN mit Probenmengen von 0,2g bis zu 7,3g Hochdruckphase pro Versuch. Es wurden auf Basis der Rankine-Hugoniot-Zustandsgleichung drei empirische Grundprinzipien der Schockwellensynthese entwickelt, welche es nunmehr gestatten, die Schockwellenversuche reproduzierbar sowie gut kontrollierbar zu gestalten. Dies sind die „Vermeidung von Mach-Effekten“, die „Impedanzkorrektur der Probeneinheit“ sowie die „Kontrolle der adiabatischen Dekompression“. In mehr als 100 Experimenten, welche mit der impedanzkorrigierten Probeneinheit durchgeführt wurden, trat in keinem Fall Probenverlust auf, Gasdichtheit konnte teilweise hergestellt werden. Dies war unabhängig von dem erreichten Druck oberhalb des technisch bedingten Mindestdruckes von 15 GPa innerhalb der Probeneinheit möglich. Es wurden Versuche sowohl mit der Reflektionsmethode als auch mit der Impedanzmethode durchgeführt sowie für besondere Experimente dünne Metallplatten zwischen Flugplatte und Containeroberseite verwendet. In allen genannten Fällen sind die unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen in den Proben eindeutig verifizierbar. Weiterhin gelang es im Rahmen dieser Arbeit erstmals, sowohl Calciumcarbonat als auch Kaolinit (sogenannte fluidreiche Phasen) bis in den Druckbereich p> 100 GPa unter unterschiedlichen Temperaturen dynamisch zu belasten, ohne dass die empfindlichen Proben Ent-gasungs- bzw. Zerfallserscheinungen (Calcit) bzw. Aufschmelzungen (Kaolinit) aufwiesen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Schocktemperatur zu richten, um den Druckaufbau nicht durch eine zu starke Aufheizung der Probe zu reduzieren (sogenanntes Knudson-Problem). Jede zukünftige Erhöhung des Druckes macht gleichzeitig eine Reduzierung der relativen Schocktemperatur erforderlich. Diese experimentellen Erfolge sind lediglich in dem Falle möglich, wenn im Schockwellenlabor folgende Grenzbedingungen eingehalten werden: ● Die Schockgeschwindigkeit Us ist größer als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Stoffes. ● Die erzielten Drücke sind höher als das Hugoniot-Elastic-Limit des betreffenden Stoffes und somit im Bereich des plastischen Verhaltens. ● Die maximale Porosität k des Impedanzpulvers ist kleiner als die Mie-Grüneisen-Grenze des betreffenden Stoffes. ● Die maximalen Drücke sind geringer als der Bulk-Modulus des betreffenden Stoffes und die Schallgeschwindigkeit im dichten Medium ist größer als die Schockgeschwindigkeit (Bereich der so genannten „schwachen Schockwellen“). ● Es wird ein Impedanzpulver-Probe-Verhältnis von >9:1 verwendet. ● Weiterhin stellt für die Schockwellensyntheseexperimente unter Vermeidung der freien adiabatischen Dekompression die Schocktemperatur (die Temperatur im Bereich des konstanten Druckes) die ausschlaggebende Größe dar. Für die Berechnung wurde entschieden, die Software MatLab zu verwenden. Die Berechnungen folgen den Grundlagen der linearen Algebra. Für die Berechnung der Zustandsgleichung wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende vereinfachende Annahmen verifiziert: ● Unter den genannten Bedingungen gilt der lineare Zusammenhang zwischen Partikelge-schwindigkeit Up und Schockgeschwindigkeit Us. ● Unter den Bedingungen des Freiberger Schockwellenlabors sind die Unterschiede zwischen der gespiegelten Hugoniot und der release-adiabat-Kurve sehr gering, es kann an deren Stelle die gespiegelte Hugoniot verwendet werden. ● Die maximalen Drücke sind niedriger als der Schmelzpunkt auf der Hugoniot, sämtliche in dieser Arbeit dargestellten Berechnungen betreffen die beteiligten Stoffe im festen Zustand. Die impedanzkorrigierte Probeneinheit ist nicht zum Messen von Zustandsgleichungen geeignet, die Methoden „vollständige Probenrückgewinnung“ sowie „Messung der Zustands-gleichung“ schließen sich gegenseitig aus.:Motivation 1 1 Einführung 5 1.1 Das Hochdruckforschungszentrum (FHP) der Dr. Erich-Krüger-Stiftung 5 1.2 Möglichkeiten zur Erzeugung hoher dynamischer Drücke sowie zur Schockwel-lensynthese 24 1.3 Aufgaben des neuen Schockwellenlabors in Freiberg 31 2 Aufbau und Betrieb des neuen untertägigen Schockwellen- labors der TU Bergakademie Freiberg 35 2.1 Sprengarbeiten unter Bergrecht an einer Hochschule 35 2.2 Rechtliche Situation des Schockwellenlabors an der TU Bergakademie Freiberg 39 2.3 Lage und Dimensionierung des Schockwellenlabors 47 2.4 Ausrüstung des Labors 51 3. Physikalische Grundlagen 58 3.1 Verwendete Sprengstoffe 58 3.2 Detonation des Sprengstoffes und die Rankine-Hugoniot- Zustandsgleichung 60 3.2.1 Die Druck-Partikelgeschwindigkeits-Beziehung 64 3.2.2. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Volumina 66 3.2.3. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Inneren Energien 67 3.3 Plane-Wave-Generator (PWG) mit Flyer-Plate 69 3.3.1. Aktiver PWG 73 3.3.2. Passiver PWG 73 3.4 Beschleunigung der Flugplatte 74 3.5 Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 77 3.6 Mie-Grüneisen-EoS und die Berechnung der Schocktemperatur 82 3.7 Verdichtung poröser Materialien 89 3.8 Schockwellenreflektionen 94 3.8.1 Reguläre Reflektionen 95 3.8.1.1 Reflektion an einer freien Oberfläche sowie adiabatische Dekompression 95 3.8.1.2 Reflektion an einer Materialgrenze 99 3.8.2 Irreguläre Reflektionen (Mach-Effekte) 102 3.9 Impedanzmethode 103 3.10 Reflektionsmethode beziehungsweise „ramp compression“ 107 3.11 Phasenumwandlungen aus schockwellenphysikalischer Sicht 112 4. Detaillierter Aufbau der Versuchsanordnung sowie Funktion der Einzelbestandteile 115 4.1 Versuchsanordnung 115 4.2 Explosiveinheit mit PWG und Arbeitsladung 116 4.2.1 Plane-Wave-Generator 116 4.2.2 Arbeitsladung 120 4.2.3 Flugplatte 122 4.2.4 Schaumstoffeinlage 123 4.2.5 Distanzring 124 4.2.6 Beschleunigung der Flugplatte 124 4.3. Probeneinheit 127 4.3.1 Probencontainer 129 4.3.2 Cu-Folie 131 4.3.3 Metallpulver und Probe 132 4.3.4 Probenhalter 135 4.3.5 Probenstempel 135 4.3.6 Schraubenboden 136 4.3.7 Stahlronde 136 4.3.8 HARDOX‐Unterlage 137 5. Berechnung der Zustandsgleichungen für die Impedanzmethode mit Hilfe der Software MatLab 139 5.1 Randbedingungen 139 5.2 Tests der Möglichkeit der Verwendung der getroffenen Annahmen 142 5.2.1 Gültigkeit der linearen Up‐Us‐Relation anstelle quadratischer Gleichungen 141 5.2.2 Verwendung der gespiegelten Hugoniot anstelle der adiabatischen Entspannungskurve 144 5.3 Berechnung der Hugoniot-EoS für die Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 145 5.4 Berechnung der Kenngrößen „Druck“ und „Dichte“ für das Metallpulver mit Hilfe der Rankine‐Hugoniot‐EoS 152 5.5 Überprüfung der mit MatLab berechneten Zustandsgrößen 156 5.6 Berechnung der Kenngröße „Schocktemperatur“ für Kupferpulver im festen Zustand mit Hilfe der Mie‐Grüneisen‐EoS 158 5.7 Erstellen des X‐t‐Diagramms sowie Berechnung der Kenngröße „Schockdauer“ mit Hilfe linearer Gleichungssysteme 162 6. Empirisch methodische Weiterentwicklungen der Synthesemethoden 169 6.1 Vermeidung von Mach-Effekten 169 6.2 Impedanzkorrektur der Probeneinheit 173 6.2.1 Zerstörung des Probencontainers infolge ungünstiger Impedanzverhältnisse 173 6.2.2 Die Impedanzfunktion als zeit- und ortsaufgelöster Bestandteil der Hugoniot‐EoS 175 6.2.3 Konsequenzen der orts‐ und zeitabhängigen Impedanz- funktion für die Materialauswahl der Probeneinheit 180 6.3 Die Rolle der adiabatischen Dekompression unter Einbeziehung zusätzlicher Volumina. 183 7. Anwendungen 197 7.1 Untersuchungen des Microjettings 197 7.2 Reflektionsmethode mit Impedanzkorrigierter Probeneinheit und gekapseltem Reflektor 207 7.2.1 Versuchsaufbau 207 7.2.2 Testergebnisse 209 7.2.3 Berechnung der Druck‐ und Temperaturbedingungen für die Reflektionsmethode mit Hilfe der Software MatLab 211 7.2.3.1 Berechnung des p=f(Up)-Diagramms 211 7.2.3.2 Berechnung der Temperatur sowie der Geschwindigkeiten Up und Us 215 7.3 Halidbasierte Schockwellenbeanspruchung fluidreicher Phasen 222 7.4 Synthese von rs-AlN sowie -Si3N4 222 7.5 Upscaling der impedanzkorrigierten Probeneinheit mit vollständiger Probenrückgewinnung 223 7.5.1 Versuchsaufbau 223 7.5.2 Ergebnisse 225 8. Schlussfolgerungen 229 9. Danksagung 234 Literaturverzeichnis 23

Numerische Simulationen zur Rückrechnung und Prognose von Setzungen und Gebirgsdeformation

Die stetige Weiterentwicklung von Mess- und Überwachungstechnik ermöglicht Setzungsprozesse und Gebirgsdeformationen mit zunehmender Genauigkeit in numerischen Modellen abzubilden. Mit Hilfe von Laserscans, durchgeführt sowohl vor als auch während der Bauarbeiten, können genauere numerische Modelle erstellt werden. Die baubegleitende Anpassung der Modellgeometrie ermöglicht zudem eine weitere Nachkalibrierung der Simulationen und erhöht damit die Zuverlässigkeit von Prognoseberechnungen. Die Simulationsergebnisse können fortlaufend mit den ursprünglichen Planungen abgeglichen und somit Ausbauplanungen angepasst und optimiert werden.The ongoing development of monitoring and surveillance technology enables us to reproduce subsidence and rock mass deformation in numerical models with increasing precision. Laserscans prior to and during the construction work increase the spatial accuracy of numerical models. Adjustments of the model geometry during the construction work allow a recalibration of models and increase the reliability of forecast simulations. Simulation results can be successively compared to construction plans and allow adjustments and optimizations of support designs

Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration - ein Beitrag zu Zero Defekt Materials: Abschlussbericht DFG Sonderforschungsbereich SFB 920

Die Sicherheit von Straßen-, Schienenfahrzeugen sowie von Flugzeugen erfordert hochbelastbare Bauteile aus Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium. Während des Herstellungsprozesses können Verunreinigungen in der Metallschmelze auftreten, die zu Defekten in Form von Einschlüssen führen. Die Reduzierung oder Entfernung dieser Einschlüsse ist schwierig oder manchmal sogar unmöglich. Der Sonderforschungsbereich 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ konzentrierte sich auf die Erforschung einer neuen Generation von Metallqualitäten – auch beim Recycling – durch Schmelzefiltration mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für höchstbeanspruchbare Komponenten in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Der SFB 920 wurde von 2011 bis 2023 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer 169148856 – SFB 920) und nach 12 Jahren intensiver Forschungsarbeit erfolgreich beendet. Der Abschlussbericht des SFB 920 fasst die wichtigsten Publikationen und ausgewählte Ergebnisse zusammen.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31The safety of road and railway vehicles as well as aircrafts requires highly stressable components made of steel, iron, aluminum and magnesium. During the production process, contaminations can occur in the metal melt, which lead to defects in the form of inclusions. Reducing or removing these inclusions is difficult or sometimes impossible. The Collaborative Research Center 920 “Multi-functional filters for metal melt filtration – a contribution towards zero defect materials” focussed on research into a new generation of metal qualities - also during recycling - via melt filtration with superior mechanical properties for use in high-demand construction materials and light-weight structures. The CRC 920 was funded by the German Research Foundation (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) from 2011 to 2023 at the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Project-ID 169148856 – SFB 920) and was successfully completed after 12 years of intensive research work. The final report of the CRC 920 presents the most important publications and selected results.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 3

Numerical simulation of geomembranes at large deformations

This thesis documents the development of a simulation strategy to model the behavior of geomembranes at large deformations using the explicit finite difference code FLAC3D. The geomembrane is represented by special shell elements and interfaces at both sides of the geomembrane duplicating the interaction with the overlying and underlying materials. Chapter 1 provides an introduction to geotextiles and geomembranes, and their use in geotechnical engineering. Special attention is paid to pull-out tests because of their importance to describe the behavior at large deformations. Chapter 2 describes the proposed ‘liner’ model concept to simulate the interaction of a geomembrane with the over- and underlying material. Furthermore, this chapter documents in detail the simulation of uniaxial pull-out tests for validation of the proposed ‘liner’ model concept and compares it with the FLAC3D built-in geogrid element. To clarify more clearly the potential failure (crack propagation and rupture process) of the geomembrane, the ‘liner’ model under biaxial loading was investigated in Chapter 3. Chapter 4 documents a detailed parameter study with a special focus on the stiffness and frictional behavior of the ‘liner’ element using a simplified waste dump. In chapter 5 a new constitutive model (“Femesalz”) is proposed to describe the visco-elasto-plastic behavior of crushed salt and waste rock salt, respectively. The “Femesalz” constitutive model together with the ‘liner’ model is applied to simulate the behavior of a rock salt waste dump (2.5-dimensional) to validate both, the new constitutive model “Femesalz” as well as the ‘liner’ model. Chapter 6 documents the use of the ‘liner’ element and the “Femesalz” constitutive model to simulate salt dump models in 2D and 3D on different terrain types (mountain, valley, plain) for a time of 100 years to generate large deformations. Chapter 7 contains the main conclusions and recommendations.:ABSTRACT AND STRUCTURE OF THESIS 2 ACKNOWLEDGMENTS 4 CONTENTS 5 LIST OF TABLES 7 LIST OF FIGURES 10 NOMENCLATURE 16 CHAPTER 1: INTRODUCTION AND STATE-OF-THE-ART 22 1.1 Geosynthetic for geoengineering projects (overview) 22 1.2 Pull-out tests (overview) 29 CHAPTER 2: “LINER” CONCEPT AND NUMERICAL SIMULATIONS OF UNIAXIAL PULL-OUT TESTS 39 2.1 Introduction 39 2.2 Numerical calculations 39 2.2.1 General considerations 39 2.2.2 Concept of the 'liner' element 40 2.2.3 'Geogrid' versus 'liner' element 41 2.2.4 Verification of ‘liner’ element 42 2.2.5 Conclusions 58 CHAPTER 3: BIAXIAL LOADING OF “LINER” MODEL 61 3.1 Introduction 61 3.2 Model set-up 61 3.3 Results of biaxial pull-out test simulation 63 3.4 Summary and Conclusions 71 CHAPTER 4: PARAMETER STUDY OF EMBEDDED GEOMEMBRANE 74 4.1 Introduction 74 4.2 Model set-up 74 4.3 Results 77 4.3.1 Influence of interface stiffness 80 4.3.2 Influence of interface friction 87 4.4 Conclusions 93 CHAPTER 5: CONSTITUTIVE MODEL FOR SALT DUMP 95 5.1 Introduction 95 5.1.1 Overview of constitutive models for rock salt 97 5.1.2 Overview of constitutive models for crushed salt 104 5.2 ‘Femesalz’ constitutive model for crushed salt 106 5.2.1 Introduction 106 5.2.2 Compaction test 111 5.2.3 Triaxial test and realistic waste dump simulation 114 5.2.4 Numerical salt dump simulations 115 5.3 Summary 122 CHAPTER 6: SIMULATIONS CONSIDERING TOPOGRAPHY OF UNDERLYING MATERIAL 123 6.1 Introduction 123 6.2 Model set-up 123 6.3 Model parameters and calculation sequence 131 6.4 Calculation results 132 6.5 Discussion of results and conclusions 139 CHAPTER 7: CONCLUSIONS 141 REFERENCE 14

Phasefield modeling of ternary fluid-structure interaction problems

Interactions between three immiscible phases, including incompressible viscoelastic structures and fluids, form standard constellations for countless scenarios in natural science. The complexity of many such scenarios has motivated various research efforts in scientific computing. This work presents novel numerical approaches for two specific of these ternary fluid-structure interaction constellations. The potential of these approaches is demonstrated by diverse applications. First, a phase field model is developed describing the interaction between a fluid and a viscoelastic solid. For this purpose, a Navier-Stokes-Cahn-Hilliard system is considered together with a hyperelastic neo-Hookean model. Based on this, an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is implemented to simulate the indentation of the solid material in the context of atomic force microscopy, capable of predicting physical parameters. Next, the second approach is developed to describe the interaction between a two-phase fluid and a viscoelastic solid, where fluid and solid are defined on separate domains but aligned at the interface between them. The previously introduced phase field model is used to represent the fluid and an ALE method is used for the motion of the grid, where the fluid-solid interface moves with flow velocity. A unified system is solved in all subdomains, which includes both the balance of mass and momentum and the balance of forces at the fluid-solid interface. Simulations of static and dynamic soft wetting are subsequently presented, in particular a contact line moving over a substrate with oscillating stick-slip behavior. This work combines the advantages of phase field and ALE methods for meaningful simulations and emphasizes validity and numerical stability in all approaches

Speicherung von Wasserstoff im Untergrund – Geologisches Potential in Deutschland

Zur Erreichung der Klimaschutzziele und Dekarbonisierung der Energieerzeugung und Industrie wird in Deutschland und Europa der Ausbau erneuerbaren Energien (v.a. Solar- und Windenergie, Geothermie) vorangetrieben. Die daraus resultierende fluktuierende Stromerzeugung, meist nicht mit dem Strombedarf überlappend, kann in Zukunft nicht mehr durch fossile Energieträger ausgeglichen werden, sondern muss gespeichert werden. Wasserstoff als chemischer Energieträger bietet dazu eine gute Option im Gigawatt- bis Terawattstundenbereich. Als großskalige Speicheroption für Wasserstoff bieten sich Salzkavernen an, die schon jahrzehntelang erprobt und Stand der Technik sind. Die bestehenden Kavernen in Deutschland reichen dabei nicht für die prognostizierten Speicherbedarfe aus, Deutschland verfügt aber über ein großes geologisches Potential, neue Kavernen im Untergrund anzulegen.To achieve the climate change objectives and decarbonisation of power generation and industry, Germany and Europe are expanding their renewable energies (esp., solar, wind and geothermal energy) vastly. The resulting fluctuation power generation, usually not equalling the current demands, cannot be balanced by fossil fuels in the future and has to be stored instead. Hydrogen as a chemical energy carrier is a good option for the gigawatt- to terawatt-hour range. Salt caverns offer a large-scale storage option for hydrogen that have been used for decades and are state of the art. The existing caverns in Germany are not sufficient for the forecasted storage needs. However, Germany has a large potential for the underground construction of new caverns

Investigation of mining subsidence prediction under tectonic influences

This dissertation addresses the challenge of predicting human-induced subsidence in tectonic settings. The study focuses on the non-symmetric and shape-defying nature of subsidence troughs in tectonic regions, which deviates from conventional symmetric models. The aim of the dissertation is to improve the accuracy of subsidence prediction by incorporating horizontal stress effects into empirical methods. Through a combination of numerical investigations and empirical modelling, the research reveals stress-induced patterns in subsidence profiles. The developed model, based on various concepts, successfully incorporates asymmetry and shape deviation, resulting in significantly improved prediction accuracy. Application of the model to a real subsidence case in a salt cavern shows a 30% improvement in prediction (based on mean squared error comparison with classical solution). This new solution covers subsidence profile patterns not previously considered by empirical models.:Inhalt 1 Introduction 2 State of the art 2.1 Subsidence prediction methods 2.1.1 Empirical subsidence prediction method overview 2.1.2 Numerical methods for subsidence prediction 2.2 Subsidence monitoring methods 2.2.1 Observation methods 2.2.2 Interplay and evolution of techniques 2.3 Subsidence anomalies 2.4 In-situ-stress field 2.5 Subsidence prediction methods for anomalies 2.6 Conclusions 3 Goals and objectives 4 Foundations 4.1 Empirical subsidence prediction methods 4.1.1 Convergence 4.1.2 Transmission coefficient 4.1.2 Influence factor 4.2 Numerical models for subsidence case 4.2.1 Grid size for subsidence case 4.2.2 Boundary conditions 4.2.3 Constitutive models 4.3 Validation 4.3.1 Observation methods 4.3.2 Parameter estimation 4.3.3 Global parameter estimation 4.3.4 Local parameter estimation 4.3.5 Quality measures for result valuation and validation 5 Methodology 6 Numerical investigation 6.1 Preliminary investigation 6.1.1 Method 6.1.2 Choice of constitutive model 6.1.3 Model and input data 6.1.4 Preliminary investigation results 6.2 Design of the main experiment: non-uniform stress distribution 6.2.1 Constitutive model and input data 6.2.2 Model simplification 6.2.3 Output data 6.3 Contribution of asymmetrical stress distribution 6.3.1 Discussion of the basic distribution form 6.3.2 Discussion of maximum subsidence 6.3.3 Discussion of assymetry 6.3.4 Discussion of influence angle 6.4 Conclusions 7 Adaptation of an empirical model to the discovered features 7.1 Subsidence asymmetry 7.2 Subsidence shape flexibility 7.3 Unifying solution 7.4 Conclusion and outlook 8 Application to a full scale 8.1 General information for a salt cavern storage field 8.2 Estimation of the observed subsidence surface as reference 8.3 Model implementation 8.3.1 Parameter estimation results 8.4 Statistical validation of models 8.5 Conclusions 9 Conclusion 9.1 Limitations 9.2 Outlook References Appendi

Life cycle assessment of feedstock recycling processes

This study examines the ecological impact of exemplary processes for the feedstock recycling of waste fractions. It is shown that the material process efficiency of gasification and pyrolysis has a low impact on the greenhouse gas balance in the short term, but that high product yields are necessary in the long term to avoid an increasing climate impact. In a systemic context, different process routes of syngas and pyrolysis oil utilization are compared, and their efficiency and quantitative potential for greenhouse gas reduction compared to electricity-based alternatives of process direct heating of conventional processes and electrolysis-based process chains are classified. It is shown that direct utilization options with few process steps are ecologically more efficient. Feedstock recycling shows a similar reduction potential to direct heating, while the use of electrolysis-based process chains is inefficient but necessary to achieve systemic climate neutrality.:1. Introduction and outline 1 2. Life cycle assessment methodology 5 2.1. Previous LCA investigation on feedstock recycling 7 2.2. Assessment scope 9 2.3. Attributional vs. consequential LCI modelling 11 2.4. Inventory modelling consistency 12 2.5. Prospective technology assessment 13 2.6. Conclusions for the applied methodology 14 3. Process description and modelling 16 3.1. Feedstock recycling technologies 18 3.1.1. Gasification 18 3.1.2. Syngas conditioning and purification 23 3.1.3. Pyrolysis 29 3.1.4. Pyrolysis oil hydroprocessing 32 3.2. Chemical production technologies 34 3.2.1. Steam cracking 35 3.2.2. Catalytic reforming 37 3.2.3. Olefin and BTX recovery 38 3.2.4. Conventional syngas production 41 3.2.5. Methanol and methanol-based synthesis 43 3.2.6. Ammonia synthesis 48 3.3. Electric power integration options 49 3.4. Conventional waste treatment processes 53 3.4.1. Mechanical biological treatment and material recovery 54 3.4.2. Waste incineration 57 3.5. Utility processes and process chain balancing 59 3.6. Electricity and heat supply modelling 65 4. Individual assessment of feedstock recycling processes 68 4.1. Goal and scope definition 68 4.2. Life cycle inventory 68 4.3. Impact assessment 72 4.4. Interpretation 80 5. System-based assessment of feedstock recycling processes 82 5.1. Goal and scope definition 82 5.2. Life cycle inventory 86 5.2.1. Utility, background system inventory and system integration 88 5.2.2. Assessment scenario definition and parameter variation 90 5.3. Impact assessment 93 5.3.1. Framework Status Quo (FSQ) 93 5.3.2. Framework Energy Integration (FEI) 99 5.4. Interpretation 106 6. Summary and conclusion 109 6.1. Results 110 6.2. Recommendations and outlook 111 References 113 Supplementary Material 13

Eine Forschungsdaten-Policy für die TUBAF

Am 28. November 2023 hat der Senat der TU Bergakademie Freiberg eine institutionelle Forschungsdaten-Policy verabschiedet. Aus diesem Anlass widmen wir die erste Ausgabe des Open-Science-Snacks im neuen Jahr (2024) diesem Thema

Stakeholdermanagement aus Sicht des Markscheiders – Außenpolitik eines Bergbaubetriebes

Am Beispiel des Kavernenfeldes Epe, das mit seinen aktuell 76 Erdgaskavernen einen Anteil von 15% an den gesamtdeutschen Untergrundgasspeichern hat, soll gezeigt werden, wie das Markscheidewesen helfen kann, die „licence to operate“ bestehender Betriebe zu erhalten und den Genehmigungsprozess von Neuprojekten zu unterstützen. Bergbau ist nahezu immer mit Bodenbewegungen verbunden, der Betrieb von Salzkavernen zur Solegewinnung und Untergrundspeicherung macht hier keine Ausnahme. Naturgemäß ist das Interesse an den Auswirkungen der bereits eingetretenen sowie den noch zu erwartenden Bewegungen groß, sowohl bei Anwohnern wie auch den betroffenen Kommunen. In Epe helfen bei der Beantwortung dieser Fragestellungen die Erfahrungen aus 50 Jahren markscheiderischen Messungen an der Oberfläche (v.a. Nivellement, zunehmend auch GNSS/GPS und Radarinterferometrie) und im Untergrund (Hohlraumvermessungen der Kavernen). Neben den standortspezifischen Gegebenheiten wie Teufe und Salzgeologie ist bei Kavernen die Bedeutung der jeweiligen Nutzung entscheidend für das Senkungsgeschehen. Dabei liegt die größte Herausforderung in der mittel- bis langfristigen Antizipation des zukünftigen Kavernenbetriebs, da die Liberalisierung des Energiemarktes Mitte der 2000er Jahre zu einer sich mehr an betriebswirtschaftlichen Vorgaben orientierenden Fahrweise der Gasspeicher führte. Seitdem variiert die jährliche Konvergenz (Hohlraumverlust) der Gaskavernen stark, mit in der Folge ebenso veränderlichen Senkungsbeträgen an der Oberfläche. Die Annahme wahrscheinlicher Szenarien zum zukünftigen Betriebsgeschehen erlaubt trotz alledem verlässliche Senkungsprognosen, basierend auf dem etablierten analytischen Berechnungsmodell nach Sroka/Schober. Informationen zu verschiedenen Messmethoden (neben den markscheiderischen sind hier z.B. Beobachtungen des Grundwasserspiegels zu nennen), ihrer Ergebnisse und deren Bewertung sowie die Präsentation der Senkungsprognosen erfolgten in Epe bei mehreren Öffentlichkeitsterminen in den vergangenen Jahren. Essentiell war dabei der Rückgriff auf markscheiderisches Wissen, um die Informationen korrekt und verständlich zu transportieren. Bei mittlerweile fast 1 m Senkung im Kavernenfeld Epe und sich neu anbahnenden Nutzungskonzepten wie Wasserstoff- und Druckluftspeicherung ist eine erfolgreiche Kommunikation elementar, um ein gegenseitiges Vertrauen und Verständnis für unternehmerische Ziele einerseits sowie den Sorgen der Bevölkerung andererseits zu entwickeln. Im Folgenden soll das Senkungs- und Umweltmonitoring im Kavernenfeld Epe im Detail vorgestellt werden, ergänzt um die Erfahrungen in der Vermittlung dieser Ergebnisse