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Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien), Teilprojekt B11: Biodiversitäts-Anreicherung in Ölpalmen-Plantagen: Pflanzliche Sukzession und Integration

Die Transformation von Regenwäldern zu Ölpalmen-Plantagen führt zu dramatischen Verlusten an biologischer Vielfalt und ökologischen Funktionen. Um Verbesserungsmöglichkeiten in einer Ölpalmen-Landschaft zu untersuchen, pflanzten wir Bauminseln zur Biodiversitäts-Anreicherung. Die Anpflanzungen umfassen vier Inselgrößen und sechs native Baumarten in verschiedenen Diversitätsstufen mit insgesamt 56 Experimentalflächen. Wir untersuchen (1) das Baumwachstum, (2) die pflanzliche Sukzession und (3) den Einfluss der umgebenden Landschaft. Darüber hinaus analysieren wir ökologische und ökonomische Zielkonflikte und integrieren interdisziplinäre Studien.

Energiesysteme

Modellierung und Analyse des österreichischen und des weltweiten Energiesystems.

Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Koordination und weltweites Energiesystemmodell TIAM

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Neben der Koordination des Projektes und der Zusammenarbeit mit dem TCP ETSAP ist das Ziel des IER TIAM hinsichtlich der Industrieprozesse zu erweitern um Aussagen über den weiteren Einsatz von Wasserstoff und Synfuels, sowie möglicher Pfadabhängigkeiten zu treffen. Die Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops, Veröffentlichungen und als open Data Verbreitung finden.

Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Industrielle Synfuelbezugskosten und Materialeffizienz

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Ziel des TUM-Teilprojektes ist es, die Energienachfrage der Aluminium-, Kupfer- und Chemie-Industrien weltweit räumlich aufgelöst sowie die Materialeffizienzsteigerungseffekte in der Fahrzeugindustrie zu ermitteln. Ferner sollen die Verfügbarkeit und Kosten der Synfuels, basierend auf die Standorte der EE-Anlagen sowie ermittelten Transportinfrastruktur bestimmt werden.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes, Teilvorhaben: Hydraulische Optimierung

In zahlreichen Forschungsprojekten wurden bereits Energieverbräuche und Energieeinsparpotentiale in den Bereichen Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung über separate Systemanalysen untersucht. Nur wenige Forschungsprojekte, wie z.B.das BMBF-geförderte ENERWA-Vorhaben, haben durch die gekoppelte Betrachtung der genannten Bereiche einen ganzheitlichen energetischen Betrachtungsansatz der wasserwirtschaftlichen Wertschöpfungskette erarbeitet. Aber auch diese Ansätze haben bei der energetischen Betrachtung die Wasserressource ausgegrenzt. Ein wichtiger Grund für das Fehlen solcher integrativer Betriebsstrategien ist, dass die Entwicklung innovativer Ansätze mit einem hohen Personalaufwand und finanziellen Risiko verbunden ist, welche im Betrieb durch die Wasserunternehmen nicht geleistet werden kann. Optimierungsmaßnahmen orientieren sich deshalb gemeinhin ausschließlich an den allgemein anerkannten Regeln der Technik und können nur selten darüber hinaus erprobt werden. Das vorliegende Vorhaben zielt daher darauf ab, diese Lücke bestehender Optimierungsansätze zu schließen, indem es intelligente, praxisorientierte Analysewerkzeuge zur integrierten qualitäts- und energieoptimierten Steuerung von Brunnengalerien für Anlagenbetreiber entwickelt. Hierbei kommen innovative Analysemethoden aus den Bereichen Big Data und KI zur Anwendung, um die bereits in der Praxis angewendete Methoden zur energetischen Optimierung von Pump- und Verteilungssystemen in der Wassergewinnung und die durch Grundwasserdargebot und -qualität vorgegebenen Limitierungen bzw. Optimierungspotentiale zu verbinden. Aufbauend auf den praktischen Erkenntnissen wird eine fachlich anerkannte Optimierungsmethodik, bestehend aus praxisorientierten Leitfäden und Tools, entwickelt, welche die wasserwirtschaftliche Nutzung von Einzelbrunnen und Brunnengalerien fokussiert und somit Wasserversorgungsunternehmen und Industriebetriebe mit eigener Wassergewinnung adressiert.

Emissionsarme und energieeffiziente Energiebereitstellung im urbanen Raum unter Nutzung neuester, intelligenter IKT-Strukturen, Teilvorhaben: Thermische Systemanalyse und Entwicklung der theoretischen Reglerstrukturen

Besonders im städtischen Kontext stellen hydraulische Netze zur Wärme- und Kälteversorgung eine erprobte Technologie dar, da sie mit zentralen energetischen Wandlungseinheiten ausgestattet sind. Die Einbindung von regenerativen Quellen in diese zentralen Systeme ist erstrebenswert, jedoch technisch schwierig. Zwar gibt es eine ganze Reihe von Feldtests, die z.B. solarthermische Erzeugungseinheiten einzubinden versuchen, jedoch treten hier neue limitierende Elemente auf, welche den gemeinsamen Betrieb beeinflussen. Auch bei PV-Systemen existieren Hemmnisse, obwohl im urbanen Raum Dach- und theoretisch auch Fassadenflächen zur Verfügung stehen. PV-Systeme im urbanen Raum werden für eine ganzheitliche Betrachtung derzeit kaum mit Fernwärmesystemen in Bezug gesetzt, was zu einer starken Belastung des örtlichen Niederspannungsnetzes führt. Ziel muss es daher sein, Anlagentechnik sowie digitale Lösungen zu entwickeln, welche es ermöglichen, ein lokales Energiemanagementsystem zu realisieren und somit zur energetischen Versorgung der Liegenschaft mehr regenerative Energie in einem multienergetischen System zu integrieren. Ein digitalisierter Ein- und Ausspeisepunkt löst dieses Problem und ermöglicht prädiktiv den Wärme- und Kältebedarf in der Liegenschaft vorauszubestimmen. Zielorientiert muss der Ein- und Ausspeisepunkt so gestaltet sein, dass er möglichst eine Verknüpfung der Energiemanagementsysteme des Gebäudes und des übergeordneten regionalen hydraulischen Netzbetreibers aufweist. Weiterhin muss es möglich sein, verschiedene dezentrale Systeme anzubinden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird die TU Berlin an einer thermischen Systemanalyse arbeiten die sich besonders auf die Sekundärtechnologie, d.h. die Technologie im Gebäude bezieht. Zusätzlich werden die theoretischen Grundlagen eines Systemreglers erarbeitet.

Erprobung neuer Ortungsverfahren und Systeme fuer den Kuestenbereich

Im Hinblick auf die Erneuerung der Funkortungssysteme im Bereich der deutschen Nordseekueste und der Deutschen Bucht sind die auf dem internationalen Markt angebotenen Systeme und Verfahren zu ermitteln und Loesungsmoeglichkeiten vorzuschlagen. Die Benutzer dieser Ortungsketten (WSV, Forschungsstellen, Bundesmarine, Laender) stellen an neue Ortungsverfahren erhoehte Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit und der Ueberdeckungsbereiche vor allem im kuestennahen Gebiet.

Automation biologischer Klaeranlagen

Mit dem Instrumentarium der Systemanalyse werden die Moeglichkeiten zur Automation des Belebtschlammverfahrens untersucht. Es werden mathematische Modelle fuer das Belebungsbecken und das Nachklaerbecken entwickelt und an Messwerten geeicht. Auf der Basis dieser Modelle werden Strategien zur automatischen Steuerung berechnet und auf der Klaeranlage Donaueschingen erprobt.

Divergente Bedingungen bei der Modellierung des Hintergrund-Fehlers in der globalen atmosphärischen Datenassimilation

Bei der Datenassimilation für die numerische Wettervorhersage (NWP) wird die Kurzfristvorhersage (genannt als Hintergrund) durch die neuesten Beobachtungen korrigiert, um erste Bedingungen (Analyse) für die nächste Vorhersage zu schaffen. In diesem Prozess müssen die räumlichen Eigenschaften der Vorhersagefehler modelliert werden, damit sich die Auswirkungen der Beobachtungen physikalisch optimal ausbreiten. Die Reduzierung von Vorhersagefehlern auf synoptischen Skalen in mittleren Breiten, wo die Divergenz eine Größenordnung kleiner ist als die relative Vorticity, wurde erfolgreich mit Hilfe der quasi-geostrophischen Theorie modelliert. Auf diese Weise können Temperaturbeobachtungen Hintergrundfehler im Windfeld korrigieren und umgekehrt. Die Analyseunsicherheiten und kurzfristigen Vorhersagefehler in globalen NWP-Systemen sind jedoch in den Tropen am größten, wo die Divergenz mit der Vorticity vergleichbar oder sogar größer ist. Tropische Analyseunsicherheiten können einen dominierenden Einfluss auf die Genauigkeit der mittel- und weiträumigen Vorhersage in den mittleren Breiten haben. Es wird hier argumentiert, dass die Verringerung der Analyseunsicherheiten in den Tropen ein entscheidender Schritt ist, der erforderlich ist, um das Spektrum nützlicher Vorhersagen in globalen NWP-Modellen zu erweitern. Ziel dieses Projekts ist es, eine neue Randbedingung für die Hintergrundfehlermodelle bei der Datenassimilation zu entwickeln, die Divergenz-dominierte Beziehungen zwischen den tropischen Temperatur- und Windvariablen über viele Skalen hinweg berücksichtigen. Die vorgeschlagene Randbedingung verwendet die Masse-Wind-Beziehungen, die tropische Schwerewellen beschreiben. Es hat sich gezeigt, dass diese Randbedingung viel versprechend für die Verbesserung tropischer Analysen ist. Dieses Projekt wird diese Ideen auf die globale Atmosphäre ausdehnen, indem es 1) einen neuen Datenassimilierungsrahmen entwickelt, der die tropischen und mittleren Breiten Aspekte der atmosphärischen Dynamik miteinander verbindet, 2) die strömungsabhängigen Hintergrundfehlerinformationen aus den Ensemble-Vorhersagen verwendet und 3) das Potential verbesserter tropischer Analysen auf Extratropen abschätzt.

Der Einfluss von Strömung auf Methanproduktion und -oxidation in aquatischen Sedimenten.

Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.

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