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Energieforschungsplan EVUPLAN, Methodenentwicklung für ein Monitoring zur Witterungsbereinigung der EE- Stromerzeugung

Das Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (EEG) sieht unter §98 ein jährliches Monitoring zur Zielerreichung der festgelegten Ziele vor. Zu diesem Zwecke wird betrachtet, ob in dem jeweils vorangegangenen Kalenderjahr der Richtwert für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nach § 4a erreicht worden ist, und es wird die Ausbaugeschwindigkeit insbesondere unter Berücksichtigung der tatsächlichen Wetterbedingungen in dem vorangegangenen Kalenderjahr bewertet. Um dies überprüfen zu können, ist neben der Evaluation der umgesetzten Maßnahmen unter anderem auch eine nähere Untersuchung der witterungsbedingten Unsicherheiten der Strombereitstellung durch fluktuierende Quellen erforderlich. Dafür soll eine jährliche Quantifizierung der Witterungseffekte auf die EE-Stromerzeugung erfolgen. Durch Unterstützung des Projektes soll eine geeignete Methode zur Witterungsbereinigung von erneuerbarer Erzeugung (Windenergie (onshore), Windenergie (offshore), Photovoltaik (PV) und Wasserkraft) entwickelt werden. Das Vorhaben legt hierfür die energiemeteorologischen Grundlagen. Dabei soll ein besonderes Augenmerk auf die Nutzung öffentlich verfügbarer Daten gelegt und die Fortschreibbarkeit der Methodik durch das Umweltbundesamt ermöglicht werden. Das Vorhaben soll eine systematische Beschreibung der Witterungseffekte beinhalten. In dem Zusammenhang sollen auch mittel- bis langfristige Effekte des Klimawandels auf die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen diskutiert werden.

Entwicklung und Offshore-Test eines neuartigen Pumpspeichersystems, Teilvorhaben: Auslegung der Unterwassermotor-Pumpturbine und Erforschung im Offshore Test

Im Teilvorhaben wird eine Unterwassermotorpumpenturbine für den beschriebenen Anwendungsfall entwickelt und hinsichtlich des speziellen Einsatzes als Turbine optimiert. Aufgrund der Spezialanwendung im Off-Shore Bereich sind mit numerischen und experimentellen Untersuchungen die in der Fachliteratur für den Standarteinsatz definierten Auslegungsmethoden zu validieren und ggf. anzupassen. Konkret sind Kavitation, große Druckunterschiede und eventuell daraus resultierende transienten Vorgänge genau zu beachten. Zur Optimierung des Designs muss die Geometrie und Anordnung der strömungsmechanischen Bauteile der Pumpturbine an den Anwendungsfall angepasst werden.

Offshore Power Electronics

Our task is the analysis of fault mechanisms and design measures to increase reliability and ruggedness of high power converters for future large offshore wind parks.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Globale Relevanz von Gashydrat-gefüllten Rissen für Hangstabilität

Submarine Hangrutschungen stellen ein bedeutendes Risiko für Offshore-Infrastrukturen und Küstengebiete dar, da sie zum Beispiel gefährliche Tsunamis auslösen können, wie der Storegga Slide vor der Küste Norwegens. Neben anderen Präkonditionierung für Hangrutschungen, wie steile Hangneigung oder Überdruck in den Porenräumen der Sedimente verursach im Zusammenhang mit Eiszeiten, wurde die Auflösung von Gashydraten in vielen Studien diskutiert. Die weltweite räumliche Überscheidungen von submarinen Hangrutschungen und Gashydratvorkommen hat zu der Hypothese geführt, dass die Auflösung von Gashydraten in Zeiten von Meeresspiegelsenkung oder Erderwärmung eine Hangrutschung auslösen kann. Dieser Prozess entfernt die zementierenden Gasyhdrate aus den Porenräumen und das frei werdende Gas verursacht zusätzlichen Überdruck . Obwohl Studien mithilfe von numerischen Modellierungen gezeigt haben, dass diese Hypothese realistisch ist, konnte die Forschung keine geologischen oder geophysikalischen Beweise dafür finden, dass dieser Prozess wirklich eine Hangrutschung ausgelöst hat. Außerdem zeigen verschiedene Studien, dass viele submarine Hangrutschungen retrogressiv sind und auf dem mittleren bis unteren Kontinentalhang ausgelöst werden. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass andere Prozesse die Rutschungen auslösen. Davon abgesehen gibt es keinen Zweifel, dass Gashydrate die geotechnischen Eigenschaften von Sedimenten stark beeinflussen. Daher ist es wichtig ihren Einfluss auf die Hangstabilität weiter zu untersuchen und neue Hypothesen zu testen. Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel dieses Antrags ist es, (1) die globale Relevanz von Gashydratgefüllten Rissen für Hangstabilität zu ergründen und (2) den Einfluss von Scherfestigkeitsvariationen auf Störungsverläufe und Stressmerkmale, wie z.B. Bohrlochausbrüche, zu verstehen. Bis jetzt war es nicht möglich gewesen, den Zusammenhang zwischen Gashydraten und Hangstabilität herzustellen, da ein umfangreicher Datensatz aus geotechnischen, geologischen und geophysikalischen Daten aus einem Gebiet mit Gashydrate verursachten Rutschungen nicht verfügbar war. Die IODP Expedition 372 hat dies geändert. Uns stehen jetzt Logging-While-Drilling Daten und Sedimentkerne von dieser Expedition zur Verfügung, genauso wie ein hochauflösender 3D Seismik Datensatz, der mit dem GEOMAR P-Cable System im Jahre 2014 aufgezeichnet wurde. Diese Daten im Zusammenhang mit einer Scherzelle für Gashydrathaltige Sedimente auf dem neusten Stand der Technik am GEOMAR, die es erlaubt die Deformation der Probe live mit einem 4D X-ray CT zu beobachten, wird es uns ermöglichen, einen Entscheidenden Schritt vorwärts in der Gashydrat- und Hangstabilitätsforschung zu machen.

Nitrate raw measurements at lander 1 in the German Baltic Sea

Coastal ecosystems are heterogeneous environments with high turnover rates of carbon and nutrients that influence the distribution of greenhouse gases (GHG). They also represent challenging environments for scientific investigations, requiring new technologies that go beyond discrete sampling. Here we present temporal high-resolution measurements of several physicochemical variables, including the partial pressures of CO2 and CH4, made in shallow waters at around 6 m water depth of the Baltic Sea using two autonomous lander systems. The two landers were deployed at the sediment-water interface (bottom lander) and about 400 m offshore near the German city Rostock with support from the buoy tender “Rosenort” operated by the Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, Stralsund (WSA Stralsund). These landers were equipped with six commercially available state-of-the-art sensors. Field data resolution ranged from 10 seconds to 60 minutes and was obtained for partial pressure of CO2 (Contros HydroC-CO2) and CH4 (Contros HydroC-CH4), temperature, salinity, depth (hydrostatic pressure), O2 (CTD-O2 with SBE-37SMP-ODO), the concentrations of phosphate (SBE HydroCycle PO4), nitrate (SBE SUNA V2), chlorophyll a and the turbidity (both with SBE-FLNTUSB ECO) as stationary measurements at two different locations in close proximity. The CTD and oxygen measurements provide exact water depth data for the respective lander locations. In the other data sets (e.g., CO2 measurements) rounded data is inserted instead of the exact depth data, which is 6 m for lander_1 and 5 m for lander_2. The deployment and recovery of the landers and thus the measurements took place between 04 September 2019 and 04 October 2019 and the sensors were operated under battery power and a centralized timestamp. Three events common to coasts were observed during the deployment, allowing tracking of (1) an advection of saline waters with a mineralization signal, (2) a storm event of about 4 days, and (3) a stagnation event. Sensor data and processed data are available in separate files.

Natural ocean alkalinization through erosion of glacial till and weathering at the seafloor: solid phase data from AL543

Climate change-driven deglaciation and erosion in high-latitude regions enhance the flux of terrigenous material to the coastal ocean. Newly exposed land surfaces left behind by retreating glaciers are covered by glacial till, which is rich in fine-grained minerals. Many of these minerals are undersaturated in seawater and thus prone to dissolution (i.e., seafloor weathering). Consequently, intensified erosion and mineral weathering may act as an additional CO₂ sink while supplying alkalinity to coastal waters. To evaluate this hypothesis, we carried out a sediment geochemical study in the southwestern Baltic Sea, where coastal erosion of glacial till is the dominant source of terrigenous material to offshore depocenters. We analyzed glacial till from coastal cliffs, sediments, and pore waters for major element composition using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy and an elemental analyzer. Water samples were further analyzed for dissolved redox species and dissolved silica by photometry and ion chromatography. These data were then used to quantify mineral dissolution and precipitation processes and to assess their net effect on inorganic carbon cycling.

Natural ocean alkalinization through erosion of glacial till and weathering at the seafloor: coastal cliff

Climate change-driven deglaciation and erosion in high-latitude regions enhance the flux of terrigenous material to the coastal ocean. Newly exposed land surfaces left behind by retreating glaciers are covered by glacial till, which is rich in fine-grained minerals. Many of these minerals are undersaturated in seawater and thus prone to dissolution (i.e., seafloor weathering). Consequently, intensified erosion and mineral weathering may act as an additional CO₂ sink while supplying alkalinity to coastal waters. To evaluate this hypothesis, we carried out a sediment geochemical study in the southwestern Baltic Sea, where coastal erosion of glacial till is the dominant source of terrigenous material to offshore depocenters. We analyzed glacial till from coastal cliffs, sediments, and pore waters for major element composition using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy and an elemental analyzer. Water samples were further analyzed for dissolved redox species and dissolved silica by photometry and ion chromatography. These data were then used to quantify mineral dissolution and precipitation processes and to assess their net effect on inorganic carbon cycling.

Natural ocean alkalinization through erosion of glacial till and weathering at the seafloor: porewater data from AL543

Climate change-driven deglaciation and erosion in high-latitude regions enhance the flux of terrigenous material to the coastal ocean. Newly exposed land surfaces left behind by retreating glaciers are covered by glacial till, which is rich in fine-grained minerals. Many of these minerals are undersaturated in seawater and thus prone to dissolution (i.e., seafloor weathering). Consequently, intensified erosion and mineral weathering may act as an additional CO₂ sink while supplying alkalinity to coastal waters. To evaluate this hypothesis, we carried out a sediment geochemical study in the southwestern Baltic Sea, where coastal erosion of glacial till is the dominant source of terrigenous material to offshore depocenters. We analyzed glacial till from coastal cliffs, sediments, and pore waters for major element composition using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy and an elemental analyzer. Water samples were further analyzed for dissolved redox species and dissolved silica by photometry and ion chromatography. These data were then used to quantify mineral dissolution and precipitation processes and to assess their net effect on inorganic carbon cycling.

Microbial community composition and bacterioplankton at time series station Helgoland Roads, North Sea

A process of global importance in carbon cycling is the remineralization of algae biomass by heterotrophic bacteria, most notably during massive marine algae blooms. Such blooms can trigger secondary blooms of planktonic bacteria that consist of swift successions of distinct bacterial clades, most prominently members of the Flavobacteriia, Gammaproteobacteria and the alphaproteobacterial Roseobacter clade. This study explores such successions during spring phytoplankton blooms in the southern North Sea (German Bight) for four consecutive years. The surface water samples were taken at Helgoland Island about 40 km offshore in the southeastern North Sea in the German Bight at the station 'Kabeltonne' (54° 11.3' N, 7° 54.0' E) between the main island and the minor island, Düne (German for 'dune') using small research vessels (http://www.awi.de/en/expedition/ships/more-ships.html). Water depths at this site fluctuate from 6 to 10 m over the tidal cycle. Samples were processed as described previously (Teeling et al., 2012; doi:10.7554/eLife.11888.001) in the laboratory of the Biological Station Helgoland within less than two hours after sampling. Assessment of absolute cell numbers and bacterioplankton community composition was carried out as described previously (Thiele et al., 2011; doi:10.1016/B978-0-444-53199-5.00056-7). To obtain total cell numbers, DNA of formaldehyde fixed cells filtered on 0.2 mm pore sized filters was stained with 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI). Fluorescently labeled cells were subsequently counted on filter sections using an epifluores-cence microscope. Likewise, bacterioplankton community composition was assessed by catalyzedreporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH) of formaldehyde fixed cells on 0.2 mm pore sized filters.

Optimierung der Produktivität bei der Herstellung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen durch die Implementierung des Laserstrahlschweißens im Vakuum, Teilvorhaben: Prozessentwicklung und mechanisch-technologische Eigenschaften der LaVa-Schweißverbindungen

Die Energiewende ist die forderndste Aufgabe der Bundesregierung für die nächsten Jahrzehnte. Um bis 2050 klimaneutral zu werden, muss der Anteil der erneuerbaren Energien weiter ausgebaut werden. Wichtige Bestandteil dieser Strategie sind hochleistungsfähige Offshore Windenergieanlagen (OWEA). Die verfügbaren Produktionskapazitäten sind allerdings mit den bereits geplanten OWEA-Projekten voll ausgelastet. Da die maximale Produktivität konventioneller Schweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen erreicht ist, kann eine nennenswerte Produktivitätssteigerung nur durch echte Innovationen wie der Substitution der konventionellen Verfahren durch Hochleistungsverfahren wie dem Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) erreicht werden. Die Implementierung der LaVa-Technologie verspricht einen signifikanten Produktivitätsgewinn und großen Wettbewerbsvorteil. Da bisher noch keine industrielle Anwendung im Dickblechbereich für das Laserstrahlschweißen im Vakuum existiert, muss innerhalb des Projektes eine neuartige Schweißanlage für das Fügen von Dickblech zur Herstellung von Monopiles konzipiert und umgesetzt werden. Den größten Umfang nimmt dabei die Qualifizierung des Verfahrens ein, da im Offshore Bereich sehr hohe Anforderungen an die Schweißnähte gestellt werden. Dazu gehört unter anderem das Erreichen sehr hoher Zähigkeitswerte der Schweißverbindungen. Im Dickblechbereich kommt es aufgrund der Fertigungstoleranzen zu großen Spalten zwischen den zu verschweißenden Blechen. Das gemeinsame Teilziel der Bauteilhandhabung sowie der Schweißtechnik ist demnach die Optimierung der Vorrichtungen und Verfahren im Hinblick auf die Kantenvorbereitung, Blechpositionierung sowie Spaltüberbrückbarkeit des Schweißprozesses, um anforderungskonforme und defektfreie Schweißverbindungen zu erzeugen. Das weitere Ziel der Nachweis der strukturellen Integrität der geschweißten Einzelrohrschüsse. Der Projektabschluss wird mit der Fertigung von Demonstratoren im Realmaßstab erreicht.

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