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The trace gases CO2 and CH4 pertain to the most relevant greenhouse gases and are important exchange fluxes of the global carbon (C) cycle. Their atmospheric quantity increased significantly as a result of the intensification of anthropogenic activities, such as especially land-use and land-use change, since the mid of the 18th century. To mitigate global climate change and ensure food security, land-use systems need to be developed, which favor reduced trace gas emissions and a sustainable soil carbon management. This requires the accurate and precise quantification of the influence of land-use and land-use change on CO2 and CH4 emissions. A common method to determine the trace gas dynamics and C sink or source function of a particular ecosystem is the closed chamber method. This method is often used assuming that accuracy and precision are high enough to determine differences in C gas emissions for e.g., treatment comparisons or different ecosystem components.
However, the broad range of different chamber designs, related operational procedures and data-processing strategies which are described in the scientific literature contribute to the overall uncertainty of closed chamber-based emission estimates. Hence, the outcomes of meta-analyses are limited, since these methodical differences hamper the comparability between studies. Thus, a standardization of closed chamber data acquisition and processing is much-needed.
Within this thesis, a set of case studies were performed to: (I) develop standardized routines for an unbiased data acquisition and processing, with the aim of providing traceable, reproducible and comparable closed chamber based C emission estimates; (II) validate those routines by comparing C emissions derived using closed chambers with independent C emission estimates; and (III) reveal processes driving the spatio-temporal dynamics of C emissions by developing (data processing based) flux separation approaches.
The case studies showed: (I) the importance to test chamber designs under field conditions for an appropriate sealing integrity and to ensure an unbiased flux measurement. Compared to the sealing integrity, the use of a pressure vent and fan was of minor importance, affecting mainly measurement precision; (II) that the developed standardized data processing routines proved to be a powerful and flexible tool to estimate C gas emissions and that this tool can be successfully applied on a broad range of flux data sets from very different ecosystem; (III) that automatic chamber measurements display temporal dynamics of CO2 and CH4 fluxes very well and most importantly, that they accurately detect small-scale spatial differences in the development of soil C when validated against repeated soil inventories; and (IV) that a simple algorithm to separate CH4 fluxes into ebullition and diffusion improves the identification of environmental drivers, which allows for an accurate gap-filling of measured CH4 fluxes.
Overall, the proposed standardized data acquisition and processing routines strongly improved the detection accuracy and precision of source/sink patterns of gaseous C emissions. Hence, future studies, which consider the recommended improvements, will deliver valuable new data and insights to broaden our understanding of spatio-temporal C gas dynamics, their particular environmental drivers and underlying processes.
Der Europäische Automobilsektor : Besteuerung, Marktliberalisierung und Beitrag zur CO₂-Reduktion
(2013)
Der Automobilsektor ist derzeit einer der wichtigsten Industriezweige in Europa. Ca. 2,2 Millionen Mitarbeiter sind direkt, weitere 9,8 Millionen indirekt darin beschäftigt (sechs Prozent aller Beschäftigten in Europa) und erwirtschaften mit einem Umsatz von ca. € 780 Milliarden im Jahr einen bedeutenden Teil des europäischen Bruttoinlandprodukts (BIP). Auch aus Sicht der Konsumenten ist das Auto für 80 % der Europäischen Haushalte, die ein Auto besitzen, aus dem täglichen Leben nicht mehr weg zu denken. Die europäischen Staaten beziehen ca. € 380 Milliarden ihrer Steuereinnahmen aus der Automobilindustrie. Damit haben sowohl Staaten, Konsumenten als auch die Automobilindustrie ein gewichtiges Interesse am Florieren der Branche. Die Schattenseite der Automobilindustrie sind die CO2-Emissionen, die mit 20 % (der Anteil lag 1970 bei 12 %) aller CO2-Emissionen in Europa einen wesentlichen Teil zum Klimawandel beitragen, Tendenz steigend. So haben im Lauf der vergangenen Jahre mehr und mehr Staaten ihre Besteuerung der Pkw explizit oder implizit nach Umweltstandards ausgerichtet. Damit soll das Autofahren verteuert oder eingeschränkt und / oder die Nutzung von schadstoffarmen Pkw gefördert werden. Neben den Klimaschutz verfolgt die Europäische Union (EU) das Ziel, einen einheitlichen europäischen Binnenmarkt zu schaffen. Durch den Mangel an verbindlichen EU-Richtlinien im Bezug auf Abgaben, haben die Gesetze, Steuern und Abgaben auf einzelstaatlicher und regionaler Ebene ein kaum mehr zu überschauendes Maß angenommen, da Im Rahmen des Subsidiaritätsprinzips die Mitgliedsländer weiterhin ihr Steuersystem überwiegend autonom gestalten, sofern dies im Einklang mit bestimmten europaweiten Vorgaben steht. Dies führt zu einem sehr heterogenen Steuersystem, das gerade im Bereich des Verkehrs bedeutende Markteffekte (z. B. höhere Zulassungszahlen für Diesel betriebene Pkw oder kürzere Haltedauern) nach sich zieht. Europaweit einheitlich sind lediglich Regelungen zu Wettbewerbsbeschränkungen. Es lassen sich nach wie vor viele Beispiele für Marktverzerrungen und die Heterogenität der Steuersysteme in Europa finden: Marktverzerrungen und Wettbewerbsbeschränkungen zeigen sich bei Fahrzeugpreisen, die in Europa stark variieren. Beispielsweise kosten in Dänemark Pkw bis zu 37 % weniger als in Deutschland. Diese Arbeit untersucht und vergleicht die Abgaben auf den Erwerb, den Besitz und die Nutzung von Pkw in den EU-Ländern sowie Norwegen und der Schweiz sowohl systematisch als auch quantitativ. Zur quantitativen Analyse wurde eine Datenbank mit den zur Steuerberechnung notwendigen Informationen erstellt. Darunter sind beispielswiese: Steuersätze und –tarife, Fahrzeugdaten, Kraftstoffpreise, Instandhaltungskosten, Versicherungsbeitrage, Wechselkurse und der durchschnittliche Wertverlust der Fahrzeuge. Darauf und auf bestimmten Annahmen basierend wurden die absoluten Abgaben für repräsentative Fahrzeuge in den verschiedenen Ländern berechnet. Besonderes Augenmerk gilt der CO2-orientierten Besteuerung, die in 17 Ländern (zumindest teilweise) eingeführt wurde. Diese Arbeit betrachtet auch andere, d. h. nicht fiskalische Maßnahmen der Europäischen Union zur CO2-Reduzierung, vergleicht diese mit alternativen Instrumenten, und analysiert die Wirkung unterschiedlicher Besteuerung auf den Pkw-Binnenmarkt, z. B. den Einfluss von Abgaben auf die europäischen Automobilpreise und damit auf Arbitrageeffekte. Es zeigt sich, dass die Besteuerung in Europa sowohl in der Abgabenhöhe als auch konzeptionell in der Vielzahl der Bemessungsgrundlagen und Steuertarife sehr heterogen ist und maßgeblich zu den sehr unterschiedlichen Gesamtkosten der Pkw-Nutzung beiträgt. Die relative Abgabenlast ist in einkommensstarken Ländern Westeuropas nicht hoch genug, um den Kraftstoffverbrauch spürbar zu reduzieren. Aus dem gleichen Grund ist von der CO2-orientierten Novellierung der deutschen Kfz-Steuer kein ausreichender Kaufanreiz zugunsten effizienterer Fahrzeuge zu erwarten. Die in der Vergangenheit von der Europäischen Union eingeführten Instrumente zur Reduzierung von CO2-Emissionen aus dem Straßenverkehr führten nicht zu den erwünschten Emissionsverringerungen. Die jüngste Maßnahme der Europäischen Union, den Automobilherstellern Emissionsgrenzen vorzuschreiben, ist weder effektiv noch effizient. Im letzten Jahrzehnt haben sich die Automobilpreise in Europa zwar etwas angeglichen. Dies liegt weniger an einer Angleichung in der Besteuerung als an der schrittweisen Liberalisierung des europäischen Automobilmarktes und den Novellierungen der Gruppenfreistellungsverordnung.
Low molecular weight organic acids (LMWOAs) are important nutrients for microbes. However, most LMWOAs do not exist freely in the environment but are bound to macromolecular organic matter, e.g. kerogen, lignite and coal. During burial and geological maturation of sedimentary macromolecular organic matter biological and abiological processes promote the liberation of LMWOAs into the surrounding sediment. Through this process, microbes in sedimentary subsurface environments are supplied with essential nutrients. To estimate the feedstock potential of buried macromolecular organic matter to many environments it is important to determine the amount of LMWOAs that are bound to such a matrix. However, high-pressure and high temperature are a key feature of deep subsurface environments, and these physical parameters have a profound influence on chemical reaction kinetics. Therefore it is essential for the estimation of the feedstock potential to generate high-pressure and high temperature for the liberation of LMWOAs to recreate true in-situ conditions. This work presents a newly developed, inexpensive incubation system for biological and geological samples. It allows the application of high-pressure and high temperature as well as a subsampling of the liquid phase without loss of pressure, thereby not disturbing the on-going processes. When simulating the liberation of LMWOAs from sedimentary organic matter, the newly developed incubation system produces more realistic results than other extraction systems like Soxhlet. The extraction products remain in the extraction medium throughout the extraction, influencing the chemical conditions of the extraction medium. Sub-bituminous coal samples from New Zealand as well as lignite samples from Germany were extracted at elevated temperature (90˚C) and pressure (5 MPa). The main LMWOAs released from these low rank coals were formate, acetate and oxalate. Extraction efficiency was increased by two to four times for formate, acetate and oxalate in comparison to existing extraction methods without pressurisation and with demineralised water. This shows the importance of pressure for the simulation of true in-situ conditions and suggests that the amount of bioavailable LMWOAs is higher than previously thought. With the increase in carbon capture and storage (CCS) and the enhanced recovery of oil and gas (EOR/EGR), more and more CO2 becomes injected into the underground. However, the effects of elevated concentrations of carbon dioxide on sedimentary organic matter are rarely investigated. As the incuabtion system allows the manipulation of the composition and partial pressure of dissolved gasses, the effect of highly gas-enriched (CO2, CO2/SO2, CO2/NO2; to simulate flue gas conditions) waters on the extraction yield of LMWOAs from macromolecular organic matter was evaluated. For sub-bituminous coal the concentrations of all LMWAOs decreased upon the addition of gas, irrespective of its composition, whereas for lignite formate always and acetate mostly increased, while oxalate decreased. This suggests an positive effect on the nutrient supply for the subsurface microbiota of lignite layers, as formate and acetate are the most common LMWOAs used for microbial metabolism. In terrestrial mud volcanoes (TMVs), sedimentary material is rapidly ascending from great depth to the surface. Therefore LMWOAs that were produced from buried macromolecular organic matter at depth are also brought up to the surface, and fuel heterotrophic microbial ecosystems at the surface. TMVs represent geochemically and microbiologically diverse habitats, which are supplied with organic substrates and electron acceptors from deep-seated hydrocarbon-generating systems and intersected shallow aquifers, respectively. The main electron donor in TMVs in Azerbaijan is sulphate, and microbial sulphate reduction leads to the production of a wide range of reduced sulphur species that are key players in several biological processes. In our study we estimated the effect of LMWOAs on the sulphur metabolising activity of microorganims in TMVs from Azerbaijan. The addition of a mixture of volatile fatty acids containing acetate and other LMWOAs showed significant positive response to the sulphate reduction rate (SRR) of samples of several mud volcanoes. Further investigations on the temperature dependency of the SRR and the characterisation of thermophilic sulphate-reducing bacteria (SRB) showed a connection between the deep hot subsurface and the surface.
Entsprechend der Zielstellung wurden zunächst verschiedene Varianten der Kompostierung von Holzsubstanz getestet, um eine optimale Technologie, die auch für Entwicklungsländer realisierbar ist, herauszufinden. Hierzu sind in Pflanztöpfe Holzspäne (Woodchips) von zwei verschieden Holzarten (Laub- und Nadelholz) gefüllt und mit verschiedenen natürlichen Stickstoffquellen gemischt worden. Diese Ansätze wurden regelmäßig mit Kompostwasser appliziert. Nach vier Wochen sind zwei verschiedene Wurmarten (Dendrobaena veneta und Eisenia fetida) hinzugegeben worden. Die Feuchthaltung erfolgte ab diesem Zeitpunkt durch Frischwasser. Die qualitativ beste Versuchsvariante ist im nächsten Schritt mit weiteren natürlichen Stickstoffquellen, die in Entwicklungsländern zur Verfügung gestellt werden könnten, getestet worden. Von allen Kompostvarianten sind im Labor eine Vielzahl von bodenphysikalischen (z.B. Dichte, Wasserhaltekapazität) und bodenchemischen Zustandsgrößen (z.B. Elektrische Leitfähigkeit, Totalgehalte biophiler Elemente, Bodenreaktion, organische Substanzgehalte, Kationenaustauschkapazität) bestimmt worden. Die Wiederum qualitativ beste Mischung ist in einer weiteren Versuchsreihe in verschiedenen Mengenverhältnissen mit tertiärerem Abraumsand des Braunkohlebergbaus gemischt worden. In diese Versuchsmischungen wurde die Grasmischung RSM 7.2.1 eingesät und regelmäßig bewässert sowie die Wuchshöhe gemessen. Nach 42 Tagen wurden das Gras geerntet und die biometrischen Parameter, die Nährstoffgehalte (pflanzenverfügbare Fraktionen), die Bodenreaktion, die effektive bzw. potentielle Kationenaustauschkapazität sowie die Pufferkapazitäten der Mischsubstrate bestimmt. Die nächsten Versuchsvarianten sind als Feldversuche in der Niederlausitz durchgeführt worden. Für ihre Realisierung wurde als weiterer Zuschlagsstoff Arkadolith® zugemischt. Die Plotflächen sind sowohl auf Abraumsanden des Tertiärs als auch Quartärs angelegt worden. In jeweils eine Subvariante ist RSM 7.2.1, in die andere eine autochthone Grasmischung eingesät worden. Diese Experimente wurden nach 6 Monaten beendet, die Bestimmung aller Parameter erfolgte in gleicher Weise wie bei den Gewächshausversuchen. Auf Basis aller Versuchsreihen konnten die besten Kompostqualitäten und ihre optimalen Herstellungsvarianten ermittelt werden. Eine weitere Aufgabe war es zu untersuchen, wie im Vergleich zur Verbrennung von Holzmasse die CO2-Emission in die Atmosphäre durch Holzkompostierung verringert werden kann. Hierzu wurde während der verschiedenen Kompostierungsvarianten die CO2-Freisetzung gemessen. Im Vergleich dazu ist jeweils die gleiche Masse an Holzsubstanz verbrannt worden. Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu der thermischen Verwertung von Holsubstanz die CO2-Emission bis zu 50 % verringert werden kann. Dem Boden kann darüber hinaus energiereiche organische Substanz zugeführt werden, die eine Entwicklung der Bodenorganismen ermöglicht. Ein weiteres Experiment zielte darauf ab, die Stabilität der Holzkomposte zu bestimmen. Darüber hinaus sollte untersucht werden, ob durch die Zufuhr von pyrogenem Kohlenstoff eine Vergrößerung der Stabilität zu erreichen ist. Diese Untersuchungen wurden mit Hilfe der Thermogravimetrie vorgenommen. Alle wichtigen Kompostierungsvarianten sind sowohl mit verschiedenen Zusatzmengen als auch ohne Zusatz von pyrogenem Kohlenstoff vermessen worden. Als Vergleichssubstanz diente der Oberboden eines Niedermoorgleys, der naturgemäß einen relativ hohen Anteil an organischer Substanz aufweist. Die Ergebnisse zeigten, dass im Bereich niedriger Temperaturen die Wasserbindung im Naturboden fester ist. In der Fraktion der oxidierbaren organischen Substanz, im mittleren Temperaturbereich gemessen, ist die natürliche Bodensubstanz ebenfalls stabiler, was auf eine intensivere Bindung zwischen den organischen und anorganischen Bestandteilen, also auf stabilere organisch-mineralische Komplexe, schlussfolgern lässt. Im Bereich höherer Temperaturen (T> 550° C) waren im Naturboden keine nennenswerten organischen Bestandteile mehr nachweisbar. Hingegen wiesen die Kompostvarianten einen hohen Anteil stabiler Fraktionen, vor allem aromatische Verbindungen, auf. Diese Aussagen erscheinen vor allem für die praktische Anwendung der Holzkomposte in Hinblick auf ihre Langzeitwirkung bedeutsam. Der Zusatz von pyrogenem Kohlenstoff zeigte keine zusätzliche Stabilisierungswirkung.