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Anwendungsorientierte Sensordatenfusion für die In-Situ Rotorblatt-Strukturüberwachung, Teilvorhaben: Entwicklung der Radarsensorik

Mit dem 2019 ins Leben gerufenen europäischen Green Deal und den damit verbundenen nationalen Programmen wurde ein Maßnahmenpaket beschlossen, welches einen Transformationsprozess der europäischen Wirtschaft mit dem Ziel eines nachhaltigen und integrativen Wachstums vorsieht. In diesem Zusammenhang kommt der Energiegewinnung aus Windkraft eine herausragende Bedeutung zu. In Deutschland schlägt sich dies im Koalitionsvertrag der Bundesregierung nieder, in dem ambitionierte Ziele für den Ausbau der Windenergie sowohl onshore als auch offshore verfolgt werden. Um dem hohen Kostendruck in der elektrischen Energieerzeugung zu begegnen, wurden in der Windenergie in den letzten Jahren bereits große Erfolge erzielt und die Energieentstehungskosten konnten signifikant gesenkt werden. Bei Fortschreiten dieses Wegs kommt den Rotorblättern eine Schlüsselrolle zu, da sie die Windenergie in mechanisch nutzbare Energie überführen, mit rund 20% direkt zu den Anlagenkosten beitragen und die mechanischen Anlagenlasten signifikant beeinflussen. Für die optimierte Betriebsführung der Windenergieanlagen (WEA) sind jedoch neuartige Ansätze des 'Structural Health Monitorings (SHM)' erforderlich. Insbesondere bei der anwendungsorientierten Entwicklung solcher Systeme gibt es hohen Entwicklungsbedarf! IMST beteiligt sich am Verbundprojekt mit seinem Know-how im Bereich der Radarelektronik. Gemeinsam mit dem Partner TUHH wird ein bestehender Sensorknoten mit 60 GHz Radartechnik erweitert. Dazu gab es bereits Voruntersuchungen der Partner TUHH und GUF auf deren Basis der Radarsensor entwickelt wird. Die neue Antenne soll einen breiteren Beam ermöglichen, um mehr Fläche des Rotorblatts abzudecken. Ziel ist es, mit 4 Sensorknoten ein Rotorblatt zu erfassen. IMST entwickelt neben der Radarelektronik eine passende Antenne und ein Gehäuse, in dem alle elektrischen Komponenten des Sensorknotens eingebaut werden. Für einen Feldversuch in 3 WEAs wird IMST 44 Sensorknoten mit Radar aufbauen.

Geflügelte Geister der Ozeane: die globale räumliche Ökologie und Schutz der kleinsten und schwer erfassbaren Seevögel der Welt, der Sturmschwalben (Hydrobatidae & Oceanitidae), im Mittelmeer und im Nordostatlantik

Bei den globalen Veränderungen und deren Mitigation durch Umstellung auf erneuerbare Energiequellen (z. B. Offshore-Wind- und Solarparks) müssen nachteilige Auswirkungen auf die Lebensräume im Meer besser erkannt und vermieden werden. So hat die internationale Fischereipolitik in letzter Zeit der marinen Aquakultur Vorrang eingeräumt, um die globale Nahrungsmittel- und Ernährungssicherheit vieler Staaten zu gewährleisten, ohne deren tatsächliche Auswirkungen auf die Meeresumwelt zu kennen. Das Verständnis der räumlichen Ökologie freilebender Tiere, einschließlich ihrer Verbreitung, Bewegungen und Wanderungen, ihrer Phänologie und ihrer Ernährung, führt zu einer besseren Bewirtschaftung und Erhaltung. So können beispielsweise Bemühungen zur Erhaltung wandernder Populationen, die sich ausschließlich auf Brutgebiete konzentrieren, diese Populationen nicht vor Bedrohungen entlang der Wanderrouten oder in Nicht-Brutgebieten schützen. Tierbewegungen und Wanderungen sind auch deshalb wichtig, weil sie das Verhalten, die Lebensweise und sogar die Anatomie vieler Arten beeinflussen. Darüber hinaus kann sich das Wander- und Ernährungsverhalten innerhalb und zwischen den Arten und Populationen unterscheiden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die auf jeder dieser Ebenen genutzten Routen und Nichtbrutgebiete zu ermitteln, zumal sie auch mit unterschiedlichen Bedrohungen verbunden sein können. Darüber hinaus kann die Untersuchung verschiedener Populationen auch dazu beitragen, zu verstehen, ob die räumliche Ökologie der Art durch genetischen und/oder Umweltvariablen bestimmt wird. Eine Möglichkeit, die Bewegungen und die Verteilung außerhalb der Fortpflanzungszeit bei wandernden Arten zu bestimmen, und zwar neuerdings auch bei den kleinsten Arten, ist der Einsatz von Geolokatoren auf Lichtniveau. Darüber hinaus können feinräumige Bewegungen mit dem kleinsten GPS-Gerät von nur 0,95 g verfolgt werden. Sturmschwalben (Familien Hydrobatidae und Oceanitidae) sind die kleinsten Seevögel und für die Forscher normalerweise nur zugänglich, wenn sie während der Brutzeit in den Kolonien an Land sind. Daher ist es besonders schwierig, sie außerhalb dieses Zeitraums zu untersuchen, wenn sie sich irgendwo auf dem Meer aufhalten und während dieser Zeit wandern und normalerweise ihr Gefieder mausern. Von den meisten Arten ist bekannt, dass sie sich während der Brutzeit bevorzugt von Ichthyoplankton und Zooplankton ernähren, und oft wird diese Beute zusammen mit einem relevanten Anteil an Mikroplastik verzehrt. Obwohl die Interaktion von Sturmschwalben mit anthropogenen Offshore-Aktivitäten teilweise untersucht wurde, zielt der vorliegende Vorschlag darauf ab, wichtige Erkenntnisse über die globale räumliche Ökologie dieser wenig erforschten Taxa zu sammeln und dazu beizutragen, Wissenslücken in Bezug auf die biologische Vielfalt der Meere und die anthropogenen Einflüsse auf sie entlang der europäischen Meere zu bewerten.

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.

Material- und Reparaturinnovationen für Offshore Leading Edge Protection Systeme

Eine der häufigsten Gründe für Ertragsverluste und für Reparaturen an Rotorblättern (RB) von Windenergieanlagen (WEA) sind die Degradation und die Beschädigung von Beschichtungen. Insbesondere werden im Betrieb von offshore Anlagen häufiger und signifikantere Schäden beobachtet als an onshore Standorten. Ursachen werden u.a. in den höheren Blattspitzengeschwindigkeiten, der höheren Anzahl an Volllaststunden und den anspruchsvolleren Witterungsbedingungen gesehen. Innerhalb des MARiLEP Vorhabens werden Ursachen für verstärkte Erosionserscheinungen an offshore Anlagen untersucht, Materialinnovationen entwickelt und Verfahren zur effizienten Vorortreparatur von offshore Anlagen erprobt. Mit klassischen Beschichtungssystemen auf Polymerbasis und mit zusätzlichen Selbstheilungseigenschaften, polymeren Halbzeugen und metallischen Schutzsystemen werden drei unterschiedliche Technologien verfolgt. Dabei wird ein besonderer Fokus auf der Erosionsbeständigkeit nach Bewitterung und einer hohen Reparaturfähigkeit gelegt, da heute verfügbare Systeme oft nur unter idealen Bedingungen gute Erosionsbeständigkeiten zeigen. Innerhalb des Verbundvorhabens MARiLEP arbeiten international anerkannte Partner aus dem Anlagenbetrieb, der Materialentwicklung und der Forschung eng zusammen um technische Lösungen für die Offshore Windindustrie zu entwickeln.

Nachbewilligung zur Dritten Phase des Projektes: Entwicklung eines zweistufigen biologischen Verfahrens zur Reinigung von Deponiesickerwasser und industriellen Abwässern mit komplexen Stoffgemischen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Ziel der letzten Projektphase war es, mit einer Langzeit-Praxiserprobung das zweistufige biologische Verfahren zur Deponiesickerwasserreinigung als Stand der Technik zu etablieren und zu bilanzieren. Nach der Inbetriebnahme des Technikums am Deponiestandort Schöneiche ging es in der zwölfmonatigen Laufzeit des Projektes AZ 14996/04 in den Langzeitversuchen um die Validierung der Laborergebnisse im technischen Maßstab, die verfahrenstechnische Optimierung der Anlage und um eine damit verbundene mögliche Kostenreduzierung des Systems. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Nach dem ersten Technikums-Probebetrieb wurde eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen durchgeführt: - der Umbau des Rohsickerwasserzulaufs, - die Verwendung von Soda statt Bicarbonat für die Ammoniumoxidation in Reaktor 2, - der Einsatz von Membrandosierpumpen mit integrierten Rückschlagventilen für die Zugabe von Soda und Essigsäure, - der Einbau von zusätzlichen Polyurethan-Festbetten zur Vergrößerung der Oberfläche für die Besiedlung mit Mikroorganismen, - die Einstellung des Sollwerts für Reaktor 4 auf einen pH-Wert von 6,5, - ein Update der SPS-Steuerung der Nanofiltration zur freien Programmierung der Spülzyklen, - der Einbau eines Absperrhahns vor den Nanofiltrations-Vorfilter - und die Trennung des Nanofiltrationsablaufs vom Reaktoren-Sammelablauf zur Behälterleerung. Es wurde sowohl Rohsickerwasser der MEAB-Deponie Schöneiche als auch Sickerwasserkonzentrat der Deponie Vorketzin behandelt. Fazit: Wegen der durchgeführten Optimierungsmaßnahmen ist es prinzipiell gelungen, das Schöneicher Rohsickerwasser gemäß Anhang 51 der Abwasserverordnung aufzureinigen. In Vorketzin wurde die organische Belastung über 70% und Stickstoff über 80% reduziert. Nach Rückgang der Calciumfracht sollte es zukünftig möglich sein, mit der Zweistufen-Biologie das Sickerwasserkonzentrat ausreichend zu reinigen, da organische Belastung und Stickstoffgehalt geringer als im Schöneicher Rohsickerwasser sind. Um das Verfahren als Stand der Technik, vor allem für die Behandlung von Sickerwasserkonzentraten, zu etablieren, müssten die Laborvorgaben mit den Erfahrungen des Technikumsbetriebs kombiniert und in einer weiteren Versuchsreihe unter optimierten Bedingungen verifiziert 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.

Segmentierte elliptische Ermüdungsprüfung für zukünftige Rotorblätter, Teilvorhaben: Bewertung der Ermüdungsprüfung am Rotorblatt

Reservoir-modelling and parametrization of a potential reservoir structure (Pilot area B) in the German North Sea

As part of the CDRmare joint project GEOSTOR (https://geostor.cdrmare.de/), the BGR created detailed static geological 3D models for two potential CO2 storage structures in the Middle Buntsandstein in the Exclusive Economic Zone (EEZ) of the German North Sea and supplemented them with petrophysical parameters (e.g. porosities, permeabilities). The 3D geological model (Pilot area B; ~560 km2) is located in the north-western part of the German North Sea sector, the so-called “Entenschnabel”, an approximately 150 kilometer long and 30 kilometer wide area between the offshore sectors of the Netherlands, Denmark and Great Britain (pilot region B). The model in the Ducks Beak is based on several high-resolution 3D seismic data and geophysical/geological information from four exploration wells. It includes 20 generalized faults and the following 16 horizon surfaces: 1) Sea Floor, 2) Mid Miocene Unconformity, 3) Base Tertiary, 4) Base Upper Cretaceous, 5) Base Lower Cretaceous, 6) Base Upper Jurassic, 7) Base Lower Jurassic, 8) Base Muschelkalk, 9) Base Röt, 10) Base Solling Formation, 11) Base Detfurth Formation, 12) Base Volpriehausen Wechselfolge, 13) Base Volpriehausen Formation, 14) Base Triassic, 15) Base Zechstein, 16) Top Basement. The reservoir formed by sandstones of the Middle Buntsandstein is located within the Mads Graben, which is bounded to the west by the extensive Mads Fault (normal fault). Marine mudstones of the Upper Jurassic and Lower Cretaceous serve as the main seal formations. Petrophysical analyses of all considered well data were conducted and reservoir properties (including porosity and permeability) were calculated to determine the static reservoir capacity for these potential CO2 storage structures. The model parameterized and can be used for further dynamic simulations of storage capacity, geo-risk, and infrastructure analyses, in order to develop a comprehensive feasibility study for potential CO2 storage within the project framework. The 3D models were created by the BGR between 2021 and 2024. SKUA-GOCAD was used as the modeling software. We would like to thank AspenTech for providing licenses for their SSE software package as part of the Academic Program (https://www.aspentech.com/en/academic-program).

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.

Nachhaltige Biomasseproduktion im Meer: Machbarkeitsstudie zur offshore-Kultur von Makroalgen für eine landseitige Verwertung

Zielsetzung und Anlass: Die Eutrophierung stellt eine der größten ökologischen Bedrohungen der Ostsee dar, was sich aktuell in einer riesigen Todeszone (Sauerstoffmangel) am Meeresboden der tiefen Becken wiederspiegelt. Deshalb soll in dieser Machbarkeitsstudie eine nachhaltige marine Biomasse-Produktion des Blasentangs (Fucus vesiculosus) in Freilandversuchen in der Ostsee durchgeführt werden, um mit Hilfe dieser Makroalge eine Abreicherung von überschüssigen Nährstoffen herbeizuführen. In mehreren Schritten werden wir untersuchen inwiefern eine Hochskalierung vom Labor- zum offshore-Maßstab möglich und wie groß das Potenzial von großflächigen offshore-Freilandkulturen von Makroalgen ist. Weiterhin untersuchen wir ob die Biomasse umweltschonend produziert und als Wertstoff (Kosmetik), organischer Dünger, und/oder Biogas-Rohstoff (Energieträger) genutzt werden kann. Das Gesamtziel des Vorhabens in diesem Konsortium ist somit die Beurteilung der Chancen und Möglichkeiten von großflächigen Makroalgen-Freilandkulturen hinsichtlich: I. Schaffung eines regional möglichst geschlossenen Nährstoffkreislaufs zur Reduzierung der Nährstoffanreicherung in der südwestlichen Ostsee, II. Produktion von nachhaltigen Rohstoffen ohne dünge-, pflanzenschutz- und wasser-intensiven Landverbrauch, sowie III. Prüfung zusätzlicher Ertragsmöglichkeiten für Fischer und Einsparmöglichkeiten für Landwirte. Das vielfältige Potenzial der Ökosystemdienstleistungen von Blasentang-Freilandkulturen wird somit erstmalig experimentell in der Ostsee untersucht, und trägt zu den UN Nachhaltigkeitszielen bei. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und regionalen Stakeholdern (Fischer, Windparkbetreiber, Landwirte, Anlagenbetreiber für Biogas) durchgeführt. Arbeitsschritte und Methoden: Während der Projektdauer von drei Jahren bearbeiten wir vier Schwerpunkte: I. Kultivierung, II. Biomassecharakterisierung, III. Ernte und IV. Nutzung des Blasentangs. I. die bereits etablierte Nachzucht von Blasentang auf für die Freilandkultur geeignete Substrate wird optimiert. Danach wird die gut funktionierende Algenkultivierung vom Labor- und Mesokosmen-Maßstab zu mittleren Feldkulturen in der Eckernförder Bucht ( Prototyp einer Offshore-Kultur) heraufskaliert. Während all der Stufen der Hochskalierung werden die Effekte auf die Umwelt (abiotisch: Nährstoffgehalte, Sauerstoffkonzentration, pH; biotisch: Biodiversität organismisch und per eDNA) detailliert untersucht. Weiterhin soll die Zusammenarbeit mit Fischern und Windanlagenbetreibern als auch Genehmigungsbehörden (BSH, LLUR etc.) als Stakeholdern in Anspruch genommen werden, zu denen bereits intensive Kontakte bestehen. II. Die erzeugte Blasentasng-Biomasse wird ökophysiologisch und biochemisch charakterisiert, um bspw. Überlebensgrenzen, optimale Erntezeitpunkte und vielversprechende Wertstoffe zu identifizieren. III. Die Erntemethodik und Erstbehandlung an Land muss sorgfältig untersucht werden. Hier ist zum einen die Expertise von Fischern gefragt, die zumindest partiell von Fischfang auf die Wartung der Algenkulturen und die Algenernte umsteigen wollen. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung der Biomasse an Land. Eine energieaufwändige Trocknung soll als Vorbehandlung vermieden werden. IV. Aus den biochemischen Analysen unter II. lassen sich bereits interessante Wertstoffe (Naturstoffe) z.B. für die kosmetische Industrie ableiten. Ansonsten ist die einfachste und bereits bewährte Nutzungsmöglichkeit das Einarbeiten der Algenbiomasse nach vorheriger Extraktion von Wertstoffen als Ersatz für mineralische Kunstdünger. Vor einer großflächigen und langfristigen Nutzung der Algenbiomasse als natürlicher Mineraldüngerersatz muss deren Belastung mit Schadstoffen, z.B. Schwermetallen, geprüft werden. (Text gekürzt)

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