Die Erforschung der Land-Atmosphären-Rückkopplung für heterogene Landoberflächen benötigt die Erfassung biophysikalisch bedeutsamer Wärme- und Impulsbilanzen nahe der Unterlage, die das Projekt motivieren. Dieser Energie- und Massenaustausch ist eine essenzielle Komponente in der Prozesskette der Rückkopplungen. Trotz beachtlicher Fortschritte im Verständnis und Quantifizierung der Auswirkungen einfacher Heterogenitätssprünge bei orthogonaler und paralleler Anströmung besteht eine Wissenslücke für die am häufigsten auftretenden Queranströmungen. Weder der Prozess selbst, noch die Auswirkungen der Queranströmung auf den turbulenten Transport sind momentan verstanden oder quantifiziert. Das Zentralziel ist, diese Queranströmungen zu detektieren und ein konzeptionelles Verständnis durch Messungen über den landwirtschaftlichen LAFO-Flächen zu erlangen. Die Zentralhypothese ist, dass Queranströmung zu einer Zone systematisch erhöhten turbulenten Austausches innerhalb einer Übergangsgrenzschicht führt, in der die Land-Oberflächen-Rückkopplung verstärkt ist. Die Forschung wird durch 4 Unterhypothesen und -ziele geleitet. Mithilfe der hochauflösenden (Sekunden und Dezimeter) Fiber-Optic Distributed Sensing (FODS) Technik erfolgen räumlich kontinuierliche Messungen der Lufttemperatur in der Bodenschicht und im Pflanzenbestand, sowie der turbulenten Windgeschwindigkeit und Turbulenter Kinetischer Energie über Hunderte Meter hinweg. FODS misst ebenfalls (10er-Sekunden, Dezimeter) Bodentemperaturen und -feuchtigkeit nahe der Oberfläche, sowie die solare Lichtverteilung kombiniert mit Netzwerken klassischer Punktsensoren über der Winterweizen- und Maisparzelle von LAFO. Unter der Leitung von P5 baut das LAFI-Team die FODS-Glasfaserharfen auf und P1 betreibt sie. Das wissenschaftliche Programm besteht aus 4 eng verzahnten Arbeitspaketen (WP): WP1 führt eine Post-field Kalibration mithilfe unserer eigens entwickelten Kalibriersoftware durch. WP2 erforscht die in den Raum-Zeit-Daten enthaltenen Strukturen und Flüsse abhängig vom Anströmwinkel. Ergänzt durch die verbesserte Energiebilanz (P6), die fernerkundlichen Daten zur Landoberfläche (P2) und Verdunstung (P4) wird die Zentralhypothese überprüft. Die Lidarmessungen aus P1 schaffen einzigartige Beobachtungssynergien. In WP3 werden die Erkenntnisse u.a. mit der Hilfe von Deep Learning zu einem konzeptionellem Gesamtrahmen zusammengefügt. Für die zweite Phase sehen wir Erweiterungen hin zu anderen Landoberflächenheterogenitäten, der Kohlenstoffbilanz und messtechnische Weiterentwicklungen des FODS vor. Dieses Projekt befasst sich mit den zentralen LAFI-Zielen O1 bis O3, OS und OE im Falle eines klimatischen Extremums. Zusätzlich zu den oben genannten projektübergreifenden Kooperationen stehen wir im engen Austausch mit P11 wegen der Licht- und Temperaturvertikalprofile.
<p>Alle Wirtschaftsbereiche zusammen verbrauchen fast drei Viertel der in Deutschland benötigten Primärenergie. Der Anteil des verarbeitenden Gewerbes am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche lag 2022 bei rund 46 Prozent. Der Energiebedarf dieses Gewerbes blieb im Zeitraum 2010 bis 2022 etwa konstant, der spezifische Energieverbrauch pro Tonne Stahl, Glas oder Chemikalien ging aber zurück.</p><p>Der Energiebedarf Deutschlands</p><p>Der gesamte Primärenergiebedarf Deutschlands betrug im Jahr 2022 nach dem Inländerkonzept rund 11.854 Petajoule (PJ). Dabei wird der Verbrauch inländischer Wirtschaftseinheiten in der übrigen Welt in die Berechnung des Gesamtverbrauchs einbezogen, während der Verbrauch gebietsfremder Einheiten im Inland unberücksichtigt bleibt. Die privaten Haushalte in Deutschland verbrauchten rund 30 % der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>. Die Wirtschaft mit ihren vielen Produktionsbereichen benötigte die übrigen 70 %. Zu diesen Bereichen zählen das Herstellen von Waren, das Versorgen mit Energie und der Warentransport. All diese Produktionsbereiche verbrauchten im Jahr 2022 zusammen mehr als 8.170 PJ Primärenergie (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch 2022 (Inländerkonzept)“).</p><p>Zur Begriffsklärung: Mit der Präposition „primär“ betonen Fachleute, dass der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergiegewinnung-importe">“Primär“-Energiebedarf</a> sowohl den realen Energiebedarf bei Energieverbrauchern erfasst als auch die Energieverluste, die bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie entstehen. Und diese Verluste sind hoch: Mehr als ein Drittel aller Primärenergie geht bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie verloren <a href="https://www.destatis.de/GPStatistik/receive/DEMonografie_monografie_00003790">(Statistisches Bundesamt 2006)</a>.</p><p>Der Energiebedarf des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Firmen, die Waren herstellen, werden als „verarbeitendes Gewerbe“ bezeichnet. Sie hatten von allen Produktionsbereichen im Jahr 2022 mit circa 3.768 PJ den größten Primärenergiebedarf. Das ist ein Anteil von rund 46 % am Energieverbrauch aller Produktionsbereiche. Der nächstgrößte Energieverbraucher war die Energieversorgung mit 1.594 PJ (oder 19,5 % Anteil am <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>), gefolgt vom Verkehr mit 1.121 PJ (oder 13,7 % Anteil am Primärenergieverbrauch) (siehe Abb. „Anteil wirtschaftlicher Aktivitäten am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche 2022“).</p><p>Primärenergienutzung des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Primärenergienutzung innerhalb des verarbeitenden Gewerbes verteilt sich auf verschiedene Produktionssektoren (siehe Abb. „Anteile der Sektoren am <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a> des verarbeitenden Gewerbes 2022“). Ein wichtiger Sektor ist dabei die Chemieindustrie. Sie benötigte im Jahr 2022 mit rund 1.592 PJ von allen Sektoren am meisten <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a> zur Herstellung ihrer Erzeugnisse. Das ist ein Anteil von 42,3 % am Energieverbrauch im <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=verarbeitenden_Gewerbe#alphabar">verarbeitenden Gewerbe</a>. Weitere wichtige Energienutzer sind die Metallindustrie mit einem Anteil von 14,7 % sowie die Hersteller von Glas, Glaswaren, Keramik, verarbeiteten Steinen und Erden mit 7,3 % am Energieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe.</p><p>Die Energie wird Unternehmen dabei als elektrischer Strom, als Wärme (etwa als Dampf oder Thermoöl) sowie direkt in Form von Brennstoffen (wie Erdgas, Kohle oder <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Biomasse#alphabar">Biomasse</a>) zur Verfügung gestellt.</p><p>Gleichbleibender Primärenergieverbrauch</p><p>Seit dem Jahr 2010 blieb der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a> in fast allen Produktionssektoren relativ konstant (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“).</p><p>Gesunkene und gestiegene Primärenergieintensität </p><p>Die Primärenergieintensität beschreibt, wie viel <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a> bezogen auf die erzielte Bruttowertschöpfung eines Produktionsbereichs oder Wirtschaftszweigs verbraucht wird. Die Entwicklung dieser Energieintensität über mehrere Jahre kann einen Hinweis darauf geben, ob in einem Wirtschaftszweig energieeffizient gearbeitet wird.</p><p>Die Primärenergieintensität einzelner Wirtschaftszweige entwickelte sich im Zeitraum 2010 bis 2021 unterschiedlich (siehe Abb. „Primärenergieintensität ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“):</p><p>Begrenzte Aussagekraft der Primärenergieintensität</p><p>Schwankende Preise für Rohstoffe und Produkte sowie andere äußere Wirtschaftsfaktoren oder ggf. auch die Auswirkungen der weltweiten Corona-Pandemie beeinflussen zwar die Bruttowertschöpfung, nicht aber die Energieeffizienz eines Prozesses. Die Primärenergieintensität eignet sich daher nur eingeschränkt, um die Entwicklung der Energieeffizienz in den jeweiligen Herstellungsprozessen zu beschreiben. Dies ist unter anderem deutlich bei den Kokerei- und Mineralölerzeugnissen zu sehen.</p>
Feuer- und Spritzverzinkung
In diesem Vorhaben sollen die Korrosionsschutzwirkung, die physikalischen Eigenschaften und die ökotoxikologische Wirkung von Metallisierungen, vor allem von Verzinkungen, im Stahlwasserbau untersucht werden.
Aufgabenstellung und Ziel
Der Korrosionsschutz von Stahlwasserbauwerken erfolgt in der Regel durch organische Beschichtungen, teilweise in Kombination mit kathodischem Korrosionsschutz. Metallische Überzüge, wie beispielsweise Verzinkungen, können ebenfalls für den schweren Korrosionsschutz eingesetzt werden (Nürnberger 1995). Im Stahlwasserbau in Deutschland sind diese jedoch unüblich, vor allem wegen Vorbehalten bezüglich einer geringen Nutzungsdauer durch Auflösung im Kontakt mit dem Gewässer.
In diesem Projekt sollen die physikalischen Eigenschaften und die ökotoxikologische Wirkung von Metallisierungen, vor allem von Verzinkungen, im Stahlwasserbau untersucht werden. Bestehende Erfahrungen aus dem Wasserbau in Deutschland und anderen Ländern sollen evaluiert und durch eigene Untersuchungen ergänzt werden. Im Ergebnis sollen die Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzen von Metallisierungen im Stahlwasserbau beschrieben werden. Dabei sollen auch Auswirkungen des gegebenenfalls aufgelösten Metalls auf das Gewässer betrachtet werden.
Der konkrete Fokus liegt dabei auf den Themen:
- Bewertung der Auswirkungen metallischer Überzüge auf Stahlplatten sowohl im Labor als auch in der Natur;
- Auswertung der vorhandenen Erfahrungen aus dem Wasserbau in Deutschland und anderen Ländern;
- Beschreiben von Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der Spritz- und Feuerverzinkung im Stahlwasserbau.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Verzinkungen werden als mögliche Alternative zu den üblichen Korrosionsschutzbeschichtungen diskutiert. Mit dem Ergebnis dieser Untersuchung kann eine fundiertere Entscheidung über den konkreten Anwendungsfall getroffen werden.
Untersuchungsmethoden
Zunächst werden in Zusammenarbeit mit dem Chemielabor der BAW die Metallplatten, die für die Feuer- und Spritzverzinkung verwendet werden, zu Informationszwecken mithilfe der optischen Emissionsspektrometrie auf ihren Si-Gehalt hin untersucht. Anschließend werden die Platten und Bleche in einer Verzinkerei spritz- und feuerverzinkt. Die Feuerverzinkung wird nach DIN EN ISO 1461 (Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken) - Anforderungen und Prüfungen) durchgeführt. Die Spritzverzinkung wird nach DIN EN ISO 2063-1 (Thermisches Spritzen - Zink, Aluminium und deren Legierungen) durchgeführt. Danach werden Leistungstests vorgenommen, um die Eigenschaften der Feuer- und Spritzverzinkung gemäß den folgenden Normen zu untersuchen und zu analysieren.
Die Naturauslagerung wird an zwei Standorten, in Trier und Kiel, stattfinden.
Die ökotoxikologischen Auswirkungen werden auf theoretische Weise mit einer systematischen Literaturrecherche auf der Grundlage der RBS-Roadmap von Carlos Conforto et al. (2011) und des Wissensaustauschs mit der BfG analysiert. Folgende Untersuchungsmethoden sind geplant:
- Austausch mit Betreibern von Anlagen mit Metallisierung, national und international, gegebenenfalls mit Begutachtung vor Ort;
- Physikalische Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit in Labor und Naturversuch;
- Ökotoxikologische Bewertung (in Zusammenarbeit mit der BfG) durch Literaturrecherche.