WaterGAP ist eine globale hydrologische Simulationssoftware zur Berechnung von Wasserflüssen und -speicherung auf allen Kontinenten der Erde. Sie wird verwendet, um Wasserverfügbarkeit und Wasserstress für Menschen und andere Biota weltweit zu bestimmen. In zahlreichen Studien wurde WaterGAP genutzt, um z.B. den Einfluss des Klimawandels auf Bewässerungsbedarf, ökologisch relevante Durchflusscharakteristika, Grundwasserneubildung und auf Wasserressourcen im Allgemeinen zu erforschen. Resultate aus diesen Studien sind in IPCC-Berichte eingegangen. WaterGAP nimmt unter den hydrologischen Modellen weltweit eine Führungsrolle ein. Allerdings wurde die Software über mehr als 20 Jahre von mehreren Doktoranden und Postdocs verändert und befindet noch sich immer in einem Prototypstadium. Die Software wurde nie grundlegend überarbeitet oder auf Grundlage einer sorgfältig geplanten Software-Architektur entwickelt. Es handelt sich eher um eine Ansammlung von Dateien mit jeweils fast 10.000 Code-Zeilen, ohne eine konsequente Modularisierung. Es ist es uns daher aktuell nicht möglich, die Software anderen Forschern zur Verfügung zu stellen, damit sie Ergebnisse replizieren und verstehen können oder die Software für eigene Forschung zu erweitern. Auch Modellveränderungen und Erweiterungen durch unsere beiden Gruppen sind herausfordernd und kosten Zeit. Gerade wegen der wichtigen Forschungsergebnisse bezüglich der Beurteilung und Projektion von globalen Wasserressourcen wäre eine Replikation der Ergebnisse durch Dritte unbedingt notwendig, was eine deutliche Verbesserung der Softwarequalität voraussetzt. Projektziel ist es. die Forschungssoftware in einer modernen Programmiersprache neu zuschreiben und ausführlich zu dokumentieren. Zudem soll die räumliche Auflösung flexibel anpassbar sein. Die resultierende Software soll testbar, wartbar, erweiterbar und durch Dritte nutzbar und erweiterbar sowie gründlich getestet sein. Die Neuentwicklung wird mit einem angepassten Scrum-Prozess durchgeführt und die Planung der Software Architektur wird auf Grundlage des IEEE 1016-2009 Dokuments erstellt. Mehrere Methoden werden genutzt um nachhaltig die Qualität der Software intern und externe zu steuern. Dieses Projekt wird anderen Forschern erlauben unser globales hydrologisches Modell selbst auszuführen, Ergebnisse zu replizieren oder die Einflüsse von Modifikationen in den Eingabedaten und Algorithmen zu untersuchen. Die Forschergemeinschaft kann so algorithmische Ansätze vergleichen, unserer Ergebnisse überprüfen und auch Fehler in unserer Software identifizieren. Um die Berichterstattung und Zusammenarbeit so einfach wie möglich zu gestalten setzen wir auf die etablierte Plattform github. Auch werden wir von automatisierten Tests und Benchmarkszenarien Gebrauch machen. Dies wird nicht nur dazu beitragen die Forschungssoftware WaterGAP effizienter zu nutzen und wissenschaftliche Ergebnisse robuster machen, sondern auch den wissenschaftlichen Fortschritt beschleunigen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens Timber Earth Slab (T.E.S.) schließen sich Branchenexperten aus der Industrie aus den Bereichen Holzbau und Lehmbau mit Professuren der TU München aus den Disziplinen Digitaler Fertigung, Holzbau und Baukonstruktion, Klimadesign und Architektur zusammen, um im mehrgeschossigen Holzbau einen grundlegenden Beitrag hin zum CO2-neutralen Bauen anzustoßen: T.E.S., eine industriell gefertigte Net-Zero Holz-Lehm-Decke. Geschossdecken sind eine zentrale Komponente für das Erreichen der CO2-Neutralität im mehrgeschossigen Holzbau mit sehr hohen Anforderungen an den Brandschutz, thermischer Masse und Schallschutz. T.E.S. kombiniert computergestütztes Design, robotisch gestützte Fertigung und Materialtechnologie, um eine neue innovative Lösung für die industrielle Fertigung eines ressourceneffizienten und funktionsintegrierten Deckensystems aus Holz und Lehm zu erforschen, das alle strukturellen und bautechnischen Anforderungen für den mehrgeschossigen Holzbau erfüllt, außerdem CO2-neutral hergestellt werden kann und vollständig rezyklierbar ist. Mithilfe der Materialtechnologie des ETH-Spinoffs Oxara, mit der Lehm mit geringem Wasseranteil fließfähig gemacht und vergossen werden kann, und robotischer Fertigungstechnologie, die die maßgeschneiderte Herstellung einer auf den Fließlehm abgestimmten feingliedrigen Holzkonstruktion ermöglicht, verspricht T.E.S. ein hybrides Deckensystem, welches die Stärken beider Materialien ideal kombinieren lässt: Durch die guten statischen Eigenschaften von Holz in Kombination mit den positiven Eigenschaften des Lehms hinsichtlich thermischer Masse, der Möglichkeiten zur thermischen Aktivierung, Brandschutz und Schallschutz können mit T.E.S. Nachhaltigkeit, Performativität und Kosteneffizienz in einer Deckenkonstruktion zusammengebracht werden.
EQWIN-P soll das Preis-Leistungs-Verhältnis von energieeffizienten Gebäuden verbessern, indem der Automatisierungsgrad der Verarbeitung von Gebäudehülldaten erhöht wird. Das Problem heutzutage ist zum einen, dass Gebäudehülldaten zwar innerhalb einer Softwareanwendung verarbeitet werden, aber zwischen verschiedenen Anwendungen in der Regel nicht kompatibel sind und manuell oder in gebrochenen digitalen Ketten übertragen werden müssen. Dies umfasst zahlreiche proprietäre Formate, die in Teilen auch nur in bestimmten Wissenskontexten interpretierbar sind. Des Weiteren erhalten viele hochkomplexe Messdaten erst durch Algorithmen einen planerischen Mehrwert, so dass es dringend erforderlich ist, relevante Methoden zur Bewertung von Gebäudehüllen dem breiten Markt möglichst einheitlich bereit zu stellen. Fraunhofer konzipiert und implementiert in EQWIN-P gemeinsam mit den Partnern eine Plattform, so dass am Ende des Projektes unter anderem hygrothermische Daten und 'Methoden als Service' für optische Daten online nutzbar sind. Fraunhofer entwickelt dafür auch Demonstratoren für praktische Anwendungsszenarien, z.B. zu Energieberatung, sommerlichem Wärmeschutz, Tageslichtnutzung, Hygrothermik. Fraunhofer stimmt die Arbeiten international über Beteiligung inkl. Leitung eines IEA-Projektes ab. Statt vielen manuellen Schritten können Planende durch das Vorhaben zukünftig einfacher und umfassender aktuelle und hochwertige Gebäudehülldaten nutzen. Anstelle ihre Produktdaten in vielen verschiedenen Formaten anzubieten und die Inhalte kostenintensiv aktuell zu halten, können Komponenten- und Softwarehersteller eine einheitliche Form des Datenaustauschs für zahlreiche Daten und Methodenbibliotheken verwenden, die von verschiedenen Anwendungen genutzt werden. Dies ermöglicht bessere Produktdifferenzierungen am Markt. Energieeffiziente, nachhaltige Gebäude können damit effizienter und preiswerter als bislang geplant werden.
Ziel des Teilvorhabens ist es, die sich aktuell im Rollout befindliche SMGW-Infrastruktur als digitale und hochsichere Kommunikationsplattform in die zu entwickelnde Architektur eines übergreifenden, Gaia-X-konformen Datenraums für die deutsche Energiewirtschaft zu integrieren. Als eine der zentralen Energiedatenquellen sollen die über SMGW bereitgestellten Smart Meter Daten so bspw. zur Optimierung von Bestandsprozessen wie dem Bilanzkreismanagement oder auch als Basis für neue Geschäftsmodelle und berechtigte Akteure gleichermaßen niederschwellig wie auch unter Wahrung von Datenschutzbelangen zugänglich gemacht werden. Der souveräne Austausch dieser Daten über einen Energiedatenraum führt zu einer Beschleunigung und Komplexitätsreduktion energiewirtschaftlicher Prozesse und trägt einen entscheidenden Teil zu einer umfassenden Sektorenkopplung des Energiebereichs bei. Als Konsequenz verspricht die Integration der SMGW-Infrastruktur in einen Energiedatenraum durch die damit verbundenen Mehrwerte für bspw. Netzbetreiber oder auch Energieserviceanbieter eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Infrastruktur sowie die Öffnung für neue Geschäftsmodelle und Marktbereiche.
Die Architektur des Wurzelsystems von Mais hat sich während der Domestizierung und Verbesserung durch eine Kombination aus landwirtschaftlicher Selektion und Umweltanpassungen rund um den Globus erheblich verändert. Das Mikrobiom, das die Rhizosphäre um die Pflanzenwurzeln herum besiedelt, spielt eine wichtige Rolle bei der Förderung der Stresstoleranz von Pflanzen. In der ersten Förderperiode dieses Projekts haben wir nachgewiesen, dass die Anzahl der Seminalwurzeln während der Domestizierung von Mais zugenommen hat, gefolgt von einem Rückgang bei lokal angepassten Sorten in Regionen mit begrenzter Wasserverfügbarkeit. Umwelt-, genetische und genomische Analysen ergaben frühere Signaturen der Domestizierung und Anpassung von Maiswurzeln und zeigten das genetische Potenzial zur Verbesserung der Trockentoleranz künftiger Nutzpflanzen auf. In der zweiten Förderperiode verfolgen wir zwei übergeordnete Ziele. Erstens soll ein tieferes Verständnis der genetischen und molekularen Grundlagen der systemischen Modulation der Wurzelmorphologie und -anatomie durch Seminalwurzeln gewonnen werden, um eine bessere Anpassung an die begrenzte Wasserverfügbarkeit zu erreichen. Zu diesem Zweck werden wir die komplexe Pflanzenreaktion auf Trockenstress und die mit diesen Merkmalen assoziierten Gene identifizieren, die an der Architektur des Wurzelsystems als Reaktion auf Trockenheit beteiligt sind. Zweitens wollen wir die genetische Rolle des Wirts bei der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des von den Wurzelmerkmalen abhängigen nützlichen Mikrobioms der Rhizosphäre verstehen, um die Widerstandsfähigkeit von Mais gegen Trockenheit zu verbessern. In diesem Zusammenhang werden wir systematisch untersuchen, wie sich die genetische Variation des Wirts und die Genregulation auf die Zusammensetzung des Mikrobioms der Rhizosphäre und auf die Produktivität von Mais und die Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit auswirkt. Schließlich werden wir repräsentative Schlüsselgene und Schlüsselmikroben durch reverse Genetik und synthetische mikrobielle Gemeinschaften funktionell validieren. Diese Ergebnisse werden den Weg für eine verbesserte Pflanzenzüchtung und die Nutzung mikrobieller Ressourcen ebnen, um die künftige Nahrungsmittelproduktion und eine effiziente Ressourcennutzung in der Landwirtschaft zu sichern.
Das Forschungsvorhaben untersucht auf der einen Seite die Auswirkungen der Wassereinspritzung auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters. Die Wassereinspritzung in Axialverdichtern von Gasturbinen ist eine gängige Praxis, um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu verbessern. Um dieses Potenzial auch in Radialverdichtern zu nutzen, sind weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Flüssigkeitseinspritzung notwendig. Die Radialverdichter werden hauptsächlich in der Prozessindustrie eingesetzt. Ziel dieses Projektes ist es die Berechnung und Einflüsse der Wassereinspritzung auf das Betriebskennfeld eines Radialverdichters zu untersuchen. Im Projekt (FKZ: 03EE5035B) wurde ein Radialverdichter mit Wassereinspritzung aufgebaut und Kennfelder mit und ohne Wassereinspritzung vermessen. Unklar ist das Potenzial der Wassereinspritzung, welches durch den Ort der Verdunstung bestimmt wird, welches hier adressiert werden soll. Im zweiten Thema wird die Abdichtung der Wellenenden, die verhindert, dass das Prozessfluid aus der Maschine in die Atmosphäre entweicht. Die Forschung an berührungslosen Gleitringdichtungen mit Trockengasschmierung DGS (Dry Gas Seals), wird aufgrund des geringen und kontrollierbaren Leckagestroms, des berührungslosen Betriebs und der Eignung für die Hochdruckumgebung, als Dichtungslösung eingesetzt. Im Projekt (FKZ: 03EE5041H) wurden die Prognosemodelle zur Berechnung des Dichtspaltes entwickelt und in ein digitales Zwillingsmodell implementiert. Die gesamte Architektur des digitalen Zwillings basierend auf einer Open Source IoT-Plattform. Im neuen Projekt wird das Gesamtkonzept auf eine reale Maschine übertragen. Die messbaren und nicht messbaren Prozessgrößen der realen Anlage und ihre logischen Zusammenhänge werden mit Hilfe von maschinellem Lernen und physikbasierten Modellen analysiert. Die Ergebnisse werden zur Leistungsoptimierung von Radialverdichtern in der Prozessindustrie genutzt.
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