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Der vorliegende Abschlussbericht präsentiert die Ergebnisse des BMBF-geförderten Verbundprojektes "E-LANE: E-Learning in der Lehrerfortbildung: Angebote, Nutzung und Erträge", das gemeinsam durch die Universität Potsdam (Prof. Dr. Dirk Richter) und der Leuphana Universität Lüneburg (Prof. Dr. Marc Kleinknecht) durchgeführt wurde. Ziel des Projektes war die Untersuchung des Angebotes von digitalen bzw. digital-gestützten Fortbildungen für Lehrkräfte in den Bundesländern Berlin, Brandenburg und Schleswig-Holstein. Im Rahmen von vier Teilstudien wurden Datenbankanalysen der Fortbildungsangebote in den jeweiligen Ländern sowie schriftliche Befragungen mit Fortbildner*innen sowie Teilnehmer*innen von Online-Fortbildungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine Online-Fortbildung für Lehrkräfte zum Thema Feedback eigens konzipiert und durchgeführt.
Climate change is one of the greatest challenges to humanity in this century, and most noticeable consequences are expected to be impacts on the water cycle – in particular the distribution and availability of water, which is fundamental for all life on Earth. In this context, it is essential to better understand where and when water is available and what processes influence variations in water storages. While estimates of the overall terrestrial water storage (TWS) variations are available from the GRACE satellites, these represent the vertically integrated signal over all water stored in ice, snow, soil moisture, groundwater and surface water bodies. Therefore, complementary observational data and hydrological models are still required to determine the partitioning of the measured signal among different water storages and to understand the underlying processes. However, the application of large-scale observational data is limited by their specific uncertainties and the incapacity to measure certain water fluxes and storages. Hydrological models, on the other hand, vary widely in their structure and process-representation, and rarely incorporate additional observational data to minimize uncertainties that arise from their simplified representation of the complex hydrologic cycle.
In this context, this thesis aims to contribute to improving the understanding of global water storage variability by combining simple hydrological models with a variety of complementary Earth observation-based data. To this end, a model-data integration approach is developed, in which the parameters of a parsimonious hydrological model are calibrated against several observational constraints, inducing GRACE TWS, simultaneously, while taking into account each data’s specific strengths and uncertainties. This approach is used to investigate 3 specific aspects that are relevant for modelling and understanding the composition of large-scale TWS variations.
The first study focusses on Northern latitudes, where snow and cold-region processes define the hydrological cycle. While the study confirms previous findings that seasonal dynamics of TWS are dominated by the cyclic accumulation and melt of snow, it reveals that inter-annual TWS variations on the contrary, are determined by variations in liquid water storages. Additionally, it is found to be important to consider the impact of compensatory effects of spatially heterogeneous hydrological variables when aggregating the contribution of different storage components over large areas. Hence, the determinants of TWS variations are scale-dependent and underlying driving mechanism cannot be simply transferred between spatial and temporal scales. These findings are supported by the second study for the global land areas beyond the Northern latitudes as well.
This second study further identifies the considerable impact of how vegetation is represented in hydrological models on the partitioning of TWS variations. Using spatio-temporal varying fields of Earth observation-based data to parameterize vegetation activity not only significantly improves model performance, but also reduces parameter equifinality and process uncertainties. Moreover, the representation of vegetation drastically changes the contribution of different water storages to overall TWS variability, emphasizing the key role of vegetation for water allocation, especially between sub-surface and delayed water storages. However, the study also identifies parameter equifinality regarding the decay of sub-surface and delayed water storages by either evapotranspiration or runoff, and thus emphasizes the need for further constraints hereof.
The third study focuses on the role of river water storage, in particular whether it is necessary to include computationally expensive river routing for model calibration and validation against the integrated GRACE TWS. The results suggest that river routing is not required for model calibration in such a global model-data integration approach, due to the larger influence other observational constraints, and the determinability of certain model parameters and associated processes are identified as issues of greater relevance. In contrast to model calibration, considering river water storage derived from routing schemes can already significantly improve modelled TWS compared to GRACE observations, and thus should be considered for model evaluation against GRACE data.
Beyond these specific findings that contribute to improved understanding and modelling of large-scale TWS variations, this thesis demonstrates the potential of combining simple modeling approaches with diverse Earth observational data to improve model simulations, overcome inconsistencies of different observational data sets, and identify areas that require further research. These findings encourage future efforts to take advantage of the increasing number of diverse global observational data.
Städte sind aufgrund ihrer Agglomeration von Bevölkerung, Sachwerten und Infrastrukturen in besonderem Maße von extremen Wetterereignissen wie Starkregen und Hitze betroffen. Zahlreiche Überflutungsereignisse infolge von Starkregen traten in den letzten Jahren in verschiedenen Regionen Deutschlands auf und führten nicht nur zu Schäden in zwei- bis dreistelliger Millionenhöhe, sondern auch zu Todesopfern. Und auch Hitzewellen, wie sie in den vergangenen Jahren vermehrt aufgetreten sind, bergen gesundheitliche Risiken, welche sich auch in verschiedenen Schätzungen zu Hitzetodesfällen wiederfinden.
Um diesen Risiken zu begegnen und Schäden infolge von Wetterextremen zu reduzieren, entwickeln viele Kommunen bereits Strategien und Konzepte im Kontext der Klimaanpassung und/oder setzen Anpassungsmaßnahmen um. Neben der Entwicklung und Umsetzung eigener Ideen orientieren sich Städte dabei u. a. an Leitfäden und Beispielen aus der Literatur, Erfahrungen aus anderen Städten oder an Ergebnissen aus Forschungsprojekten. Dieser Lern- und Transferprozess, der eine Übertragung von Maßnahmen oder Instrumenten der Klimaanpassung von einem Ort auf einen anderen beinhaltet, ist bislang noch unzureichend erforscht und verstanden.
Der vorliegende Bericht untersucht deshalb ebendiesen Lern- und Transferprozess zwischen sowie innerhalb von Städten sowie das Transferpotenzial konkreter Wissenstransfer-Medien, Instrumente und Maßnahmen. Damit wird das Ziel verfolgt, ein besseres Verständnis dieser Prozesse zu entwickeln und einen Beitrag zur Verbesserung des Transfers von kommunalen Klimaanpassungsaktivitäten zu leisten. Der vorliegende Inhalt baut dabei auf einer vorangegangenen Analyse des Forschungsstands zum Transfer von Policies durch Haupt et al. (2021) auf und versucht, den bereits generierten Wissensstand auf der Ebene von Policies nun um die Ebene konkreter Instrumente und Maßnahmen zu ergänzen sowie durch empirische Befunde zu ausgewählten Maßnahmen zu untermauern. Die Wissens- und Datengrundlage dieses Berichts umfasst einen Mix aus verschiedenen (Online)-Befragungen und Interviews mit Vertreter:innen relevanter Akteursgruppen, vor allem Vertreter:innen von Stadtverwaltungen, sowie den Erfahrungswerten der drei ExTrass-Fallstudienstädte Potsdam, Remscheid und Würzburg.
Nach einer Einleitung beschäftigt sich Kapitel 2 mit übergeordneten Faktoren der Übertragbarkeit bzw. des Transfers. Kapitel 2.1 bietet hierbei eine Zusammenfassung zum aktuellen Wissensstand hinsichtlich des Transfers von Policies im Bereich der städtischen Klimapolitik gemäß Haupt et al. (2021). Hier werden zentrale Kriterien für einen erfolgreichen Transfer herausgearbeitet, um einen Anknüpfungspunkt für die folgenden Inhalte und empirischen Befunde auf der Ebene konkreter Instrumente und Maßnahmen zu bieten. Kapitel 2.2 schließt hieran an und präsentiert Erkenntnisse aus einer weitreichenden Kommunalbefragung. Hierbei wurde untersucht ob und welche Klimaanpassungsmaßnahmen in den Städten bereits umgesetzt werden, welche fördernden und hemmenden Aspekte es dabei gibt und welche Erfahrungen beim Transfer von Wissen und Ideen bereits vorliegen.
Kapitel 3 untersucht die Rolle verschiedener Medien des Wissenstransfers und widmet sich dabei beispielhaft Leitfäden zur Klimaanpassung und Maßnahmensteckbriefen. Kapitel 3.1 beantwortet dabei Fragen nach der Relevanz und Zugänglichkeit von Leitfäden, deren Stärken und Schwächen, sowie konkreten Anforderungen vonseiten befragter Personen. Außerdem werden acht ausgewählte Leitfäden vorgestellt und komprimiert auf ihre Transferpotenziale hin eingeschätzt. Kapitel 3.2 betrachtet Maßnahmensteckbriefe als Medien des Wissenstransfers und arbeitet zentrale Aspekte für einen praxisrelevanten inhaltlichen Aufbau heraus, um basierend darauf einen Muster-Maßnahmensteckbrief für Klimaanpassungsmaßnahmen zu entwickeln und vorzuschlagen.
Kapitel 4 beschäftigt sich mit sehr konkreten kommunalen Erfahrungen rund um den Transfer von sieben ausgewählten Instrumenten und Maßnahmen und bietet zahlreiche empirische Befunde aus den Kommunen, basierend auf der Kommunalbefragung, verschiedenen Interviews und den Erfahrungen aus der Projektarbeit. Die folgenden sieben Instrumente und Maßnahmen wurden ausgewählt, um eine große Breite städtischer Klimaanpassungsaktivitäten zu betrachten: 1) Klimafunktionskarten (Stadtklimakarten), 2) Starkregengefahrenkarten, 3) Checklisten zur Klimaanpassung in der Bauleitplanung, 4) Verbot von Schottergärten in Bebauungsplänen, 5) Fassadenbegrünungen, 6) klimaangepasste Gestaltung von Grün- und Freiflächen sowie 7) Handlungsempfehlungen für Betreuungseinrichtungen zum Umgang mit Hitze und Starkregen. Für jede dieser Klimaanpassungsaktivitäten wird auf Ebene der Kommunen Ziel, Verbreitung und Erscheinungsformen, Umsetzung anhand konkreter Beispiele, fördernde und hemmende Faktoren sowievorliegende Erfahrungen zu und Hinweisen auf Transfer dargestellt.
Kapitel 5 schließt den vorliegenden Bericht ab, indem zentrale Transfer-Barrieren aus den gewonnenen Erkenntnissen aufgegriffen und entsprechende Empfehlungen an verschiedene Ebenen der Politik ausgesprochen werden. Diese Empfehlungen zur Verbesserung des Transfers von klimaanpassungsrelevanten Instrumenten, Strategien und Maßnahmen umfassen 1) die Verbesserung des Austauschs zwischen verschiedenen Städten, 2) die Verbesserung der Zugänglichkeit von Wissen und Erfahrungen, 3) die Schaffung von Vernetzungsstrukturen innerhalb von Städten sowie 4) bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Autor:innen des vorliegenden Berichts hoffen, durch die vielfältigen Untersuchungsaspekte einen Beitrag zum besseren Verständnis der Lern- und Transferprozesse und zur Verbesserung des Transfers kommunaler Klimaanpassungsaktivitäten zu leisten.
Die vorliegende kumulative Promotionsarbeit beschäftigt sich mit leistungsstarken Schülerinnen und Schülern, die seit 2015 in der deutschen Bildungspolitik, zum Beispiel im Rahmen von Förderprogrammen wieder mehr Raum einnehmen, nachdem in Folge des „PISA-Schocks“ im Jahr 2000 zunächst der Fokus stärker auf den Risikogruppen lag. Während leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler in der öffentlichen Wahrnehmung häufig mit „(Hoch-)Begabten“ identifiziert werden, geht die Arbeit über die traditionelle Begabungsforschung, die eine generelle Intelligenz als Grundlage für Leistungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern begreift und beforscht, hinaus. Stattdessen lässt sich eher in den Bereich der Talentforschung einordnen, die den Fokus weg von allgemeinen Begabungen auf spezifische Prädiktoren und Outcomes im individuellen Entwicklungsverlauf legt. Der Fokus der Arbeit liegt daher nicht auf Intelligenz als Potenzial, sondern auf der aktuellen schulischen Leistung, die als Ergebnis und Ausgangspunkt von Entwicklungsprozessen in einer Leistungsdomäne doppelte Bedeutung erhält.
Die Arbeit erkennt die Vielgestaltigkeit des Leistungsbegriffs an und ist bestrebt, neue Anlässe zu schaffen, über den Leistungsbegriff und seine Operationalisierung in der Forschung zu diskutieren. Hierfür wird im ersten Teil ein systematisches Review zur Operationalisierung von Leistungsstärke durchgeführt (Artikel I). Es werden Faktoren herausgearbeitet, auf welchen sich die Operationalisierungen unterscheiden können. Weiterhin wird ein Überblick gegeben, wie Studien zu Leistungsstarken sich seit dem Jahr 2000 auf diesen Dimensionen verorten lassen. Es zeigt sich, dass eindeutige Konventionen zur Definition schulischer Leistungsstärke noch nicht existieren, woraus folgt, dass Ergebnisse aus Studien, die sich mit leistungsstarken Schülerinnen und Schülern beschäftigen, nur bedingt miteinander vergleichbar sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird im Rahmen zwei weiterer Artikel, welche sich mit der Leistungsentwicklung (Artikel II) und der sozialen Einbindung (Artikel III) von leistungsstarken Schülerinnen und Schülern befassen, darauf aufbauend der Ansatz verfolgt, die Variabilität von Ergebnissen über verschiedene Operationalisierungen von Leistungsstärke deutlich zu machen. Damit wird unter anderem auch die künftige Vergleichbarkeit mit anderen Studien erleichtert. Genutzt wird dabei das Konzept der Multiversumsanalyse (Steegen et al., 2016), bei welcher viele parallele Spezifikationen, die zugleich sinnvolle Alternativen für die Operationalisierung darstellen, nebeneinandergestellt und in ihrem Effekt verglichen werden (Jansen et al., 2021). Die Multiversumsanalyse knüpft konzeptuell an das bereits vor längerem entwickelte Forschungsprogramm des kritischen Multiplismus an (Patry, 2013; Shadish, 1986, 1993), erhält aber als spezifische Methode aktuell im Rahmen der Replizierbarkeitskrise in der Psychologie eine besondere Bedeutung. Dabei stützt sich die vorliegende Arbeit auf die Sekundäranalyse großangelegter Schulleistungsstudien, welche den Vorteil besitzen, dass eine große Zahl an Datenpunkten (Variablen und Personen) zur Verfügung steht, um Effekte unterschiedlicher Operationalisierungen zu vergleichen.
Inhaltlich greifen Artikel II und III Themen auf, die in der wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Diskussion zu Leistungsstarken und ihrer Wahrnehmung in der Öffentlichkeit immer wieder aufscheinen: In Artikel II wird zunächst die Frage gestellt, ob Leistungsstarke bereits im aktuellen Regelunterricht einen kumulativen Vorteil gegenüber ihren weniger leistungsstarken Mitschülerinnen und Mitschülern haben (Matthäus-Effekt). Die Ergebnisse zeigen, dass an Gymnasien keineswegs von sich vergrößernden Unterschieden gesprochen werden kann. Im Gegenteil, es verringerte sich im Laufe der Sekundarstufe der Abstand zwischen den Gruppen, indem die Lernraten bei leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern höher waren. Artikel III hingegen betrifft die soziale Wahrnehmung von leistungsstarken Schülerinnen und Schülern. Auch hier hält sich in der öffentlichen Diskussion die Annahme, dass höhere Leistungen mit Nachteilen in der sozialen Integration einhergehen könnten, was sich auch in Studien widerspiegelt, die sich mit Geschlechterstereotypen Jugendlicher in Bezug auf Schulleistung beschäftigen. In Artikel III wird unter anderem erneut das Potenzial der Multiversumsanalyse genutzt, um die Variation des Zusammenhangs über Operationalisierungen von Leistungsstärke zu beschreiben. Es zeigt sich unter unterschiedlichen Operationalisierungen von Leistungsstärke und über verschiedene Facetten sozialer Integration hinweg, dass die Zusammenhänge zwischen Leistung und sozialer Integration insgesamt leicht positiv ausfallen. Annahmen, die auf differenzielle Effekte für Jungen und Mädchen oder für unterschiedliche Fächer abzielen, finden in diesen Analysen keine Bestätigung.
Die Dissertation zeigt, dass der Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Operationalisierung von Leistungsstärke — eingesetzt im Rahmen eines kritischen Multiplismus — das Verständnis von Phänomenen vertiefen kann und auch das Potenzial hat, Theorieentwicklung voranzubringen.
The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue.
The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles.
First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions.
In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone.
Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir.
For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing.
A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles.
In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment.
Generated-X LMS (GXLMS)
(2021)
The quality of the reference signal is essential for the adaptation process of an LMS or one of its derivatives. The reference signal affects the stability, the convergence rate and the maximum achievable attenuation. Since the error signal and the control signal are available as numerical values in the algorithm for the LMS, the reference signal can be calculated from both signals. The error signal is the interference between the control signal and the reference signal. This interference of the control signal and the reference signal can be noted mathematically as a simple addition. It is therefore possible to deduce the reference signal from a known error signal and control signal. This approach is the basis of the generated-x LMS (GxLMS) developed by us. It calculates the reference signal itself without having to rely on an externally supplied reference signal. The advantages of the GxLMS are primarily in fields where the reference signal is difficult or impossible to detect. For example, the detection of the reference signal can be problematic due to design reasons or measurement technology. For example, flow noise could have a negative effect on an acoustic detection of the reference signal. However, the calculation of the reference signal in the GxLMS represents a further feedback signal path, which affects the stability of the algorithm as a whole. Based on the theoretical principles mathematically sufficient convergence conditions can be formulated taking into account the delays existing in the signal paths. The experimental testing took place on an acoustic duct with monofrequency disturb signals. Since the use of an efficient design of experiments (DoE) could be excluded, the measurement was designed as parameter variation (one factor at time) and therefore very time-consuming. The theoretical background of the GxLMS as well as the results from the experiments are presented.
Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden).
I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1).
An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broad-band seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding.
To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3).
Sustainable urban growth
(2022)
This dissertation explores the determinants for sustainable and socially optimalgrowth in a city. Two general equilibrium models establish the base for this evaluation, each adding its puzzle piece to the urban sustainability discourse and examining the role of non-market-based and market-based policies for balanced growth and welfare improvements in different theory settings. Sustainable urban growth either calls for policy actions or a green energy transition. Further, R&D market failures can pose severe challenges to the sustainability of urban growth and the social optimality of decentralized allocation decisions. Still, a careful (holistic) combination of policy instruments can achieve sustainable growth and even be first best.
Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled?
In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1).
In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2).
In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3).
The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on far-field stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydro-mechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges.