Erdwärmesondenfelder kombinieren viele einzelne Sonden zur oft umfassenden Versorgung und Speicherung von Wärme und Kälte. Kritisch ist die generell nur ungenügende Überwachung des Betriebs dieser Felder, insbesondere aufgrund der Unsicherheiten in der Beschreibung des Untergrunds und der Entwicklung der tatsächlichen Energielasten. Im Projekt RECOIN wird ein neuartiges Regelungssystem geschaffen, das den bisher weitestgehend unkontrollierten Betrieb solcher Felder überwacht, gezielt Einzelsonden regelt und im Sinne einer optimalen Gesamt-Systemeffizienz anpasst. Die wichtigste Entwicklung des Projekts ist ein flexibles Modellierungs-, Prognose- und Kontrollverfahren, das zur prädikativen Regelung in ein neues Kontrollsystem integriert wird. Im internationalen Konsortium liegt der Forschungsschwerpunkt der deutschen Partner auf der Entwicklung des Regelungsverfahrens, der theoretischen und praktischen Validierung der Modell- und Kontrollwerkzeuge, sowie des Gesamtsystems, das in drei detailliert überwachten Feldstandorten als Prototyp zum Einsatz kommt. In internationaler Zusammenarbeit mit den Partnern aus der Schweiz und Schweden wird die Basis zum flexiblen praktischen Einsatz und zu einer internationalen Verwertung geschaffen. Das Teilprojekt integriert das Prognosewerkzeug in eine Echtzeitsteuerung der Lasten von einzelnen Sonden im Feld.
Erdwärmesondenfelder kombinieren viele einzelne Sonden zur oft umfassenden Versorgung und Speicherung von Wärme und Kälte. Kritisch ist die generell nur ungenügende Überwachung des Betriebs dieser Felder, insbesondere aufgrund der Unsicherheiten in der Beschreibung des Untergrunds und der Entwicklung der tatsächlichen Energielasten. Im Projekt RECOIN wird ein neuartiges Regelungssystem geschaffen, das den bisher weitestgehend unkontrollierten Betrieb solcher Felder überwacht, gezielt Einzelsonden regelt und im Sinne einer optimalen Gesamt-Systemeffizienz anpasst. Die wichtigste Entwicklung des Projekts ist ein flexibles Modellierungs-, Prognose- und Kontrollverfahren, das zur prädikativen Regelung in ein neues Kontrollsystem integriert wird. Im internationalen Konsortium liegt der Forschungsschwerpunkt der deutschen Partner auf der Entwicklung des Regelungsverfahrens, der theoretischen und praktischen Validierung der Modell- und Kontrollwerkzeuge, sowie des Gesamtsystems, das in drei detailliert überwachten Feldstandorten als Prototyp zum Einsatz kommt. In internationaler Zusammenarbeit mit den Partnern aus der Schweiz und Schweden wird die Basis zum flexiblen praktischen Einsatz und zu einer internationalen Verwertung geschaffen. Das Teilprojekt integriert das Prognosewerkzeug in eine Echtzeitsteuerung der Lasten von einzelnen Sonden im Feld.
Veranlassung
Die Fördermaßnahme LURCH lässt sich in drei übergeordnete Themenfelder untergliedern. Dazu gehören:
- Quantitative Herausforderungen, in Bezug auf ein integriertes Systemverständnis der Grundwasserleiter unter Einbeziehung aller beeinflussenden natürlichen Schnittstellen (Oberflächengewässer, Grundwasserneubildung, saline Wässer, etc.) und aller Akteure und Funktionen (Trinkwasserversorgung, Land- und Forstwirtschaft, Industrie, Wärme- oder Kältespeicher, Ökosystemfunktionen)
- Qualitative Herausforderungen, z. B. stofflich (Nitrat, aktuelle Schadstoffe, Spurenstoffe, Krankheitserreger, künftige regulatorische Qualitätsparameter), analytisch (z. B. Non-Target Analytik, Indikatoren), technologisch (z. B. In-situ Behandlung, Überwachung)
- Herausforderungen der nachhaltigen Bewirtschaftung, multidimensionale und integrierte Bewirtschaftungsstrategien (z. B. Grundwasseranreicherung), wirtschaftliche Anforderungen (z. B. Investitions-/Betriebskosten) und Digitalisierungsmaßnahmen
Das Augenmerk der Fördermaßnahme liegt auf der Unterstützung der erfolgreichen Entwicklung, Demonstration und Umsetzung von anwendungsorientierten Lösungen, die in interdisziplinären Verbundprojekten wie KIMoDIs erarbeitet werden.
Um die verfügbaren Grundwasserressourcen optimal und nachhaltig zu nutzen, entwickelt das Projekt ein Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystem zur gekoppelten Vorhersage und Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung, das auf Methoden der KI basiert. Die Ergebnisse werden in einem nutzerspezifischen Entscheidungshilfe-Tool zusammengeführt, welches mittels verschiedener Klima- und Nutzungsszenarien standortspezifisch eine intelligente Planung von Gegenmaßnahmen ermöglichen soll.
Ziele
Ziele des Gesamtprojekts:
- Entwicklung eines auf KI basierenden Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystems zur kurz- (saisonal), mittel- (1 bis 10 Jahre) und langfristigen (bis 2100) Vorhersage von Grundwasserständen und -versalzung.
- Aufbau eines anwenderspezifischen Entscheidungs-Unterstützungssystems zur frühzeitigen Warnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung sowie den damit verbundenen Schäden.
- Zusammenführung aller erforderlichen Messdaten in einem intelligenten Datenmanagementsystem.
- Berücksichtigung verschiedener Nutzungsszenarien zur standortspezifischen, intelligenten Planung von Gegenmaßnahmen.
- Die methodische Entwicklung und Demonstration des Ansatzes erfolgt überregional im Land Brandenburg, unter großräumiger Betrachtung aller Aspekte wie den Entnahmen für Trinkwasserversorgung, Industrie und Landwirtschaft, zeitlich hochaufgelöstem Monitoring der Bewässerungslandwirtschaft sowie der Gefahr durch Tiefenversalzung infolge von Übernutzung.
- Der entwickelte Ansatz wird in der Folge übertragen und getestet 1. auf regionaler Ebene, für ein Einzugsgebiet der Harzwasserwerke in Niedersachsen mit Fokus auf problematische Auswirkungen niedriger Grundwasserstände, und 2. auf lokaler Ebene, am Beispiel der Insel Langeoog mit Betrachtung der touristisch bedingten starken Variabilität des saisonalen Wasserbedarfs bei zunehmender Trockenheit sowie Gefährdung der Trinkwasserversorgung durch Versalzung.
Die BfG leitet das Arbeitspaket 4 „KI-gestützte Wasserhaushaltsmodellierung“. Hierfür gelten folgende Ziele:
-- Bereitstellung von simulierten und vorhergesagten Wasserhaushaltsgrößen für die Pilotregion „Untere Havel“, speziell für den Havelnebenfluss Nuthe und die Wasserversorgung Potsdam EWP.
- Berechnung der flächendifferenzierten und zeitlich hochauflösenden Wochenmittel der Grundwasserneubildung (GWN) mittels klassischer Verfahren und KI-basierter Algorithmen.
- Prozess- bzw. Konzeptmodell und KI-basierte Ansätze zur Berechnung der Grundwasser-Oberflächengewässer-Interaktion.
- Kurz-, Mittel- und Langfristvorhersagen der GWN mit einem hybriden Modellsystem.
- Zur Unterstützung der Machine Learning (ML)-Modelle zur Berechnung der Grundwasserneubildung werden
Erdwärmesondenfelder kombinieren viele einzelne Sonden zur oft umfassenden Versorgung und Speicherung von Wärme und Kälte. Kritisch ist die generell nur ungenügende Überwachung des Betriebs dieser Felder, insbesondere aufgrund der Unsicherheiten in der Beschreibung des Untergrunds und der Entwicklung der tatsächlichen Energielasten. Im Projekt RECOIN wird ein neuartiges Regelungssystem geschaffen, das den bisher weitestgehend unkontrollierten Betrieb solcher Felder überwacht, gezielt Einzelsonden regelt und im Sinne einer optimalen Gesamt-Systemeffizienz anpasst. Die wichtigste Entwicklung des Projekts ist ein flexibles Modellierungs-, Prognose- und Kontrollverfahren, das zur prädikativen Regelung in ein neues Kontrollsystem integriert wird. Im internationalen Konsortium liegt der Forschungsschwerpunkt der deutschen Partner auf der Entwicklung des Regelungsverfahrens, der theoretischen und praktischen Validierung der Modell- und Kontrollwerkzeuge, sowie des Gesamtsystems, das in drei detailliert überwachten Feldstandorten als Prototyp zum Einsatz kommt. In internationaler Zusammenarbeit mit den Partnern aus der Schweiz und Schweden wird die Basis zum flexiblen praktischen Einsatz und zu einer internationalen Verwertung geschaffen.
Kompakte Energiespeicher für Strom, Wärme und Kälte sind erforderlich, wenn ein hoher Anteil des Energieumsatzes aus fluktuierenden regenerativen Energien gespeist werden soll. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Kältespeichers, der ähnlich wie eine Absorptionskältemaschine funktioniert. Er basiert auf einem geschlossenen Absorptionsprozess mit dem Stoffpaar Wasser/Lithiumbromid (LiBr) und der zyklischen Kristallisation und Wiederauflösung eines Teils der wässrigen LiBr-Lösung. Im Vergleich zu heute gängigen Eisspeichern ermöglicht der Prozess eine um ein Vielfaches höhere Energiespeicherdichte von ca. 250 kWh/m3, woraus sich ein besonders kompaktes Speichersystem ergibt. Bei einer Ladetemperatur von ca. 100°C und einer Rückkühltemperatur von ca. 35°C kann kaltes Wasser von ca. 6°C bereitgestellt werden. Einsatzbereiche für den Speicher können u.a. im industriellen Umfeld zu finden sein. Dort werden häufig aus diskontinuierlichen Prozessen stammende Abwärmeströme ungenutzt an die Umgebung abgegeben, weil zum Zeitpunkt ihres Auftretens kein geeigneter Verbraucher zur Verfügung steht. Derartige Abwärmeströme können zukünftig zum Beladen des Absorptionskältespeichers verwendet werden, um einen kontinuierlichen oder zeitlich versetzten Kühlbedarf ohne zusätzliche CO2-Emissionen zu decken.