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Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt: Konstruktion lebender Aktoren aus fädigen Cyanobakterien

In diesem Projekt schlagen wir eine experimentelle und theoretische Zusammenarbeit vor, um lebende Aktuatoren aus gleitenden, fädigen Cyanobakterien zu entwickeln. Diese phototrophen Organismen spielen sowohl aktuell als auch historisch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, da sie beispielsweise den atmosphärischen Sauerstoff und große Teile unserer fossilen Brennstoffe erzeugten. Filamente bestehen aus vielen linear verketteten Zellen. Sie haben einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, können aber bis zu einigen Millimetern lang werden. In Kontakt mit festen Oberflächen oder anderen Fäden gleiten sie entlang ihrer Kontur und reagieren auf Lichtgradienten durch Richtungsumkehr. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt. In natürlichen Lebensräumen führt diese Bewegung zur Aggregation in dichte Kolonien, die sich je nach Umgebungsbedingungen zusammenziehen oder wieder zerstreuen können, was eine kollektive Akklimatisierung ermöglicht. Wir werden diese Eigenschaften nutzen, um anpassungsfähige lebende Aktuatoren zu entwickeln, d. h. ein Material, das durch Stimulation mit Licht seine Form verändern kann. Die Bakterien werden in eine Matrix eingebettet, typischerweise ein gel- oder faserbasiertes Material mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Strukturen, die im Projekt entwickelt werden. Indem wir die Bakterien mit Hilfe von Lichtmustern steuern und ausrichten, wollen wir ein aktives Netzwerk im Gerüst aufbauen, das sich bei Stimulation zusammenziehen kann. Die Kräfte aus dem aktiven Netzwerk werden entweder durch Adhäsion oder mechanische Verzahnung zwischen aktiven und passiven Komponenten übertragen. Durch die Abstimmung der gegenseitigen Ausrichtung von aktiven und passiven Netzen und ihrer Anisotropie wollen wir eine Kontrolle der Deformation erreichen. Auf langen Zeitskalen wird das Material adaptiv sein, da langfristige einwirkende Lichtmuster eine topologische Neuordnung des aktiven Netzes bewirken, so dass zwischen verschiedenen Aktuationsmodi gewechselt werden kann. Die Entwicklung von Manipulationsstrategien, die in der Lage sind, mechanische Arbeit zu extrahieren, erfordert Kenntniss der raum-zeitlichen Organisation der Krafterzeugung einzelner Filamente und ihrer Ensembles, welche bisher nicht verfügbar ist und in diesem Projekt gewonnen werden soll. Im Gegensatz zu den meisten bisher untersuchten lebenden Aktuatoren basiert unser System auf langen, flexiblen und beweglichen polymeren Bestandteilen, die äußerst robust und von Natur aus durch Licht stimulierbar sind: Die Fasernatur der lebenden Bestandteile ermöglicht es, stark verflochtene Netzwerke zu schaffen, die in einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen bestehen können. Ihre Beweglichkeit und Reaktionsfähigkeit ermöglicht es, das Netzwerk selbst zu aktivieren, ohne dass die lebenden Bestandteile aufwendig modifiziert werden müssen.

Geschäftsmodelle

Öffentliche Hand als Betreiber Private Unternehmen als Betreiber Bürgerenergiegenossenschaften Die öffentliche Hand kann sich auf unterschiedliche Weise an der Wärmeversorgung für ein Gebiet beteiligen. Kommunen haben dabei die Wahl zwischen vielfältigen organisatorischen Strukturen und Rechtsformen. Welche davon für ein spezifisches Projekt in Frage kommen, hängt unter anderem von der Haushaltssituation und den personellen Kapazitäten der Kommune ab. Eine sehr ausführliche Studie über die Möglichkeiten der öffentlichen Hand, die Wärmeversorgung von Quartieren durch Nahwärmenetze mitzugestalten, hat die dena 2023 veröffentlicht. Kurzgefasst existieren folgende Möglichkeiten: Regiebetriebe – ohne eigene Rechtspersönlichkeit, eingebunden in eine Kommunalverwaltung, Steuerung durch politische Gremien der Kommune Eigenbetriebe – organisatorisch und wirtschaftlich selbstständige Form ohne eigene Rechtspersönlichkeit, begrenzte Unabhängigkeit von Verwaltungsstrukturen, aber unter politischer Steuerung Anstalten öffentlichen Rechts – selbstständige Kommunalunternehmen Kommunale Beteiligung an privatwirtschaftlichen Unternehmen Kommunale Beteiligung an Energiegenossenschaften Wird ein privatwirtschaftliches Unternehmen wieder ins Eigentum der öffentlichen Hand überführt, wird dies als Rekommunalisierung bezeichnet. Im Land Berlin wurde in 2024 die Rekommunalisierung des Fernwärmenetzes vollzogen (von Vattenfall Wärme Berlin GmbH zu jetzt BEW Berliner Energie und Wärme GmbH). Als öffentliches Unternehmen bieten die Berliner Stadtwerke Dienstleistungen zu allen Phasen von Nahwärmeprojekten in Quartieren an und agieren dabei auch als Wärmeliefercontractor (Buckower Felder, Haus der Statistik, Rollbergviertel). Auch für die öffentliche Beteiligung an Energiegenossenschaften gibt es bereits ein Beispiel: Das Bezirksamt Charlottenburg-Wilmersdorf ist beteiligt an der Genossenschaft Nahwärme West eG. Durchbruch für die Nahwärme – Genossenschaft kann durchstarten Des Weiteren agieren auf Wärmeliefercontracting spezialisierte Tochterunternehmen einiger städtischer Wohnungsbauunternehmen in Berlin als Wärmenetzbetreiber im Rahmen der Versorgung des eigenen Bestands und eigener Neubauprojekte. Privatwirtschaftliche Unternehmen (Energieversorgungsunternehmen, Energiedienstleister) können ebenfalls unterschiedliche Rollen bei der Umsetzung von Nahwärmenetzen übernehmen. In Zusammenarbeit mit der öffentlichen Hand sind öffentlich-private Partnerschaften (ÖPP, engl. “Public Private Partnership”) ein mögliches Modell. Diese kann auf Basis eines langfristigen Vertrags etabliert werden oder in Form der Gründung einer gemeinsamen Gesellschaft realisiert werden. Es kommen verschiedene Vertragsmodelle infrage – eine Übersicht dazu bietet die PPP-Projektdatenbank. PPP-Projektdatenbank Ein anderes häufiges Modell bei Nahwärmeprojekten ist das Contracting. Üblich ist das sogenannte Energieliefer-Contracting, das heißt, das Unternehmen (Contractor) investiert in die notwendige Infrastruktur, sorgt für Betrieb und Wartung und schließt mit den Wärmeabnehmern einen Vertrag über die Lieferung von Wärme ab. Wärmenetze können auch von den Bürgerinnen und Bürgern, die Wärme aus dem Netz beziehen, selbst betrieben werden. Dafür benötigen sie eine Rechtsform. Die sogenannten Bürgerenergiegenossenschaften (oft auch nur als Energiegenossenschaften bezeichnet) haben sich für diesen Zweck etabliert. Eine ausführliche Studie zu Geschäftsmodellen für Bürgerenergiegenossenschaften wurde vom Landesnetzwerk Bürgerenergiegenossenschaften Rheinland-Pfalz e. V. (LaNEG e.V.) und der Energieagentur Rheinland-Pfalz veröffentlicht. Die Studie kann hier heruntergeladen werden.

Historical digital terrain model data of the Weser Estuary (HIWEST)

The Weser estuary at the German North Sea coast serves as a fairway to the harbours of Bremerhaven and Bremen. To ensure safe shipping and navigation, the navigation channel depths are nowadays intensively monitored, and have been so in the past. These are valuable data for consulting and research purposes, and enables investigations leading to a better understanding of hydrodynamics, salt intrusion and morphological processes in the estuary, in the present as well as the past. For recent years, thanks to modern monitoring techniques and digitalization, measuring data has been compiled to consistent digital terrain models of high quality and accuracy. For time periods before the 1990ies however, measurements were scarcer and the data are available only in form of printed bathymetrical and nautical charts. The objective of the project “Historical system states of the Weser estuary (HIWEST)” was to: • digitalize depths measurements starting from 1960, • georeference the data points and • process and compile them to digital terrain models that can be used for research and consulting. The project was led and financed by the Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW). It was supported by the Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH) and by the German Water and Shipping Administration (WSV) who provided printed charts and scanned data sets. The smile consulting GmbH was contracted to process the data and compile digital terrain models. One of the main challenges of the project was georeferencing. While georeferencing and projecting in the horizontal domain was comparatively straightforward, the transformation of depths below different chart datums to the Germans mean height reference system represented a challenge. This was accomplished by an algorithm considering spatial polygons provided by BSH and further meta information on the different levelling systems. The accuracy of the data sets differs depending on the quality of the original data. Since the 1990ies, powerful measurement methods such as airborne laser scanning (ALS) and multibeam echo-sounding has led to high resolutions and high data accuracy. In past surveys, the depths were measured in single-beam echo-soundings, often along individual cross sections, and there is no information between these soundings. As a result, the older terrain models are much smoother then the newer ones and contain less detailed information. More technical details can be found in the appendix of the technical report. The following digital terrain models (DTM, in the following the German abbreviation DGM is used) of the Lower and Outer Weser estuary were made available: • DGM 1966, marking the situation before deepening the Outer Weser to SKN-12 m</li> • DGM 1972, marking the situation before deepening the Lower Weser to SKN-9 m</li> • DGM 1981, marking the situation before extensive river works in the Lower Weser</li> • DGM 1996, marking the situation before deepening the Outer Weser to SKN-14 m</li> • DGM 2002, marking the situation after deepening the Outer Weser to SKN-14 m, reference digital terrain model. The years were chosen so they would represent consistent periods not affected by constructive engineering measures such as channel deepenings, and secondly based on optimal data availability. Each data set however consists not only of data from the respective year, but data had to be added from adjacent years. To close gaps, data from recent surveys were used. The data sets span the whole estuary from the North Sea to the tidal weir in the city of Bremen and are available as 1x1 m raster data sets. How to cite the HIWEST data: <strong style="color: red;"> The data set is only to be quoted together with the Technical Report.</strong> Report: Bundesanstalt für Wasserbau (2020): Historical digital terrain models of the Weser Estuary (HIWEST). Technical Report B3955.02.04.70168-6. Bundesanstalt für Wasserbau. https://henry.baw.de/handle/20.500.11970/107521 Data set: Bundesanstalt für Wasserbau (2020): Historical digital terrain model data of the Weser Estuary (HIWEST) [Data set]. Bundesanstalt für Wasserbau. https://doi.org/10.48437/02.2020.K2.5200.0001

Arctic PASSION - Polar Monthly Mean Ice Surface Temperature (AP-MMIST) for the time period 1982 to 2024

The Arctic PASSION Polar Monthly Mean IST data set (AP-MMIST) is a combined surface temperature product covering open ocean, marginal ice zone and closed sea ice areas, represented by Sea Surface Temperatures (SST), Marginal Ice Zone Temperatures (MIZT) and sea Ice Surface Temperatures (IST). Beside ocean and sea ice the data set also includes surface temperatures from the Greenland and Antarctic ice sheets. AP-MMIST has been jointly developed and produced by Arctic PASSION WP-1 and the Sea Ice Thematic Assembly Centre (Sea Ice TAC) under the Copernicus Climate Change Service (C3S - service contract: 2022/C3S2_312b_MOi_SC1). The AP-MMIST is a monthly averaged temperature product based on the C3S daily IST CDR and ICDR level 3 data. The daily mean C3S IST data set is a resampled and averaged daily mean IST product using Global Area Coverage - Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR) IST level 2 data as input. The level 2 and 3 CDR and ICDR data records are described in Algorithm Theoretical Baseline Document (Eastwood et al., 2023). The surface temperature retrieval algorithm used to produce the basic level 2 product is a traditional split window algorithm using two Thermal InfraRed (TIR) channels to compensate for atmosphere and angular emissivity dependency. This is described in the Algorithm Theoretical Baseline Document (Eastwood et al., 2023). The level 1 TIR input data set is the full data record from the AVHRR on-board NOAA satellite platforms since 1982, as well as AVHRR records on-board Metop satellites since 2006. The product output format is NetCDF with standard attributes, following CF convention to the degree possible. The monthly data are divided into 2 monthly files, one for each hemisphere, SH and NH.

Anwendbarkeit von Contracting-Modellen für privatwirtschaftliche Unternehmen zur Wassereinsparung in Hessen

Optimierung von Waermeerzeugungsanlagen

Im Rahmen des Projektes wurde die Struktur der Waermegestehungskosten, des Primaerenergiebedarfs und der Treibhausgasemissionen, bewertet im CO2-Massstab fuer Waermeerzeugungsanlagen, wie sie fuer Contractingloesungen typisch sind untersucht und Optimierungsmoeglichkeiten dargestellt.

Ressourceneinsparung durch oeko-effiziente Dienstleistungen

Ziel: Wissenschaftliche Erforschung von oeko-effizienten Dienstleistungen. Fragestellung: Lassen sich Produkte durch Dienstleistungen 'ersetzen'? - d.h.: fuehrt Dienstleistungsverkauf statt Produktverkauf zu hoeherer Oeko-Effizienz? Zwischenergebnisse: - Eigentumsrechte beeinflussen erheblich die Oeko-Effizienz, - Fallstudien zu Chemie-Dienstleistungen, Least-Cost-Planning (LCP) und Servicekonzepten.

Evaluierung der stromwirtschaftlichen Auswirkungen des Energiedienstleistungsprogramms der FEW für die Haushaltskunden

Urban Heat Island (UHI) intensity modelling, Jan. 2020

The raster dataset of urban heat island modelling shows the fine-scale (100m pixel size) temperature differences (in degrees Celsius °C) across 100 European cities, depending on the land use, soil sealing, anthropogenic heat flux, vegetation index and climatic variables such as wind speed and incoming solar radiation. In the framework of the Copernicus European Health contract for the Copernicus Climate Change Service (C3S), VITO provided 100m resolution hourly temperature data (2008-2017) for 100 European cities, based on simulations with the urban climate model UrbClim (De Ridder et al., 2015). As the cities vary in size, so do the model domains. They have been defined with the intention to have a more or less constant ratio of urban vs. non-urban pixels (as defined in the CORINE land use map), with a maximum of 400 by 400 pixels (due to computational restraints). From this data set, the average urban heat island intensity is mapped for the summer season (JJA), which is the standard way of working in the scientific literature (e.g. Dosio, 2016). The UHI is calculated by subtracting the rural (non-water) spatial P10 temperature value from the average temperature map. The 100 European cities for the urban simulations were selected based on user requirements within the health community.

Urban Heat Island (UHI) intensity (90th percentile), Jan. 2020

This vector dataset shows the Urban Heat Island (UHI) intensity (in degrees Celsius °C) for 100 European cities, based on their elevation above sea level, land use, soil sealing, vegetation index and anthropogenic heat flux. The Urban Heat Island intensity exacerbates high temperatures in cities and thus may pose additional risks to human thermal comfort and health. The UHI intensity is represented by spatial P90 (90th percentile) urban heat island intensity of a given city ("P90" field in the dataset). This indicator is calculated by subtracting the rural (non-water) spatial P10 (10th percentile) temperature value from the average, height-corrected (to exclude terrain effects), air temperature map. This indicator represents the specific exposure of single cities and due to the height correction will be comparable across Europe. The dataset has been created by VITO within the Copernicus Health contract for C3S and is based on UrbClim model (De Ridder et al. 2015). The 100 European cities for the urban simulations were selected based on user requirements within the health community.

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