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Systemanalyse und Visualisierung regionaler Auswirkungen

Ziel des Projektes ist die partizipative Entwicklung eines web-basierten Dashboards für die Wärmewende, mit dem die Auswirkungen verschiedener Transformationspfade für die Wärmewende flächenaufgelöst in nutzerfreundlicher Form dargestellt werden. Das Forschungsvorhaben unterstützt damit die Verbreitung von technischen, regulatorischen, organisatorischen und (sozio-)ökonomischen Entwicklungen im Bereich der Wärmewende, indem durch die Bereitstellung von Daten und Analysen die Auswirkungen der Entwicklungspfade für relevante Akteure der Wärmewende sichtbar gemacht werden. In engem Austausch mit Akteuren der Wärmewende wird ein Modellierungs- und Visualisierungsrahmen geschaffen, der die Auswirkungen auf die zentralen Infrastrukturen, die planerischen Notwendigkeiten sowie die sozio-ökonomischen Folgewirkungen regional und lokal differenziert betrachtet. In den Szenarien werden verschiedene Ausbaupfade der Technologien sowie verschiedene sozio-ökonomische und weitere Rahmenbedingungen betrachtet. Das Dashboard wird auf einer Webplattform mit interaktiven Karten und weiteren Grafiken zur Verfügung gestellt. Um eine breite Nutzung der Ergebnisse zu ermöglichen, werden die Szenarien sowie das Dashboard in enger Kooperation mit zentralen Akteuren der Wärmewende entwickelt. Die Zusammenarbeit erfolgt über einen Projektbeirat, in dem verschiedene Akteure vertreten sind. Die Hauptziele des Öko-Instituts sind: - Entwicklung einer interaktiven Webplattform, in der die Auswirkungen verschiedener Transformationspfade für die Wärmewende in Form von Grafiken und GIS-basierten Karten für ein breites Feld an Akteuren im Kontext der Wärmewende sichtbar gemacht werden. - Analyse und Aufbereitung von flächenaufgelösten Daten, die für die Wärmewende relevant sind. Die Daten werden als open data zur Verfügung gestellt. - Die quantitative und modellgestützte flächenaufgelöste Analyse der Entwicklung des Wärmesektors in Deutschland als Teil der Entwicklung des gesamten Energiesystems

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.

Submarine Kohlendioxyd (CO2) Austritte als natürliche Laboratorien zur Erforschung von Korallenriffen in Bezug auf die Ozeanversauerung

Durch die Aufnahme von anthropogenem CO2 ist eine Verringerung des ph Wertes im Ozean zu erwarten Dies könnte weitrechende Auswirkungen auf Korallenriffe haben und ist daher von großem wissenschaftlichen Interesse. Die Mehrzahl der bisher durchgeführten Studien zur Ozeanversauerung wurde anhand vereinfachter Systeme im Labor vorgenommen. Obwohl diese Studien wichtig und aufschlussreich waren, wiesen sie jedoch Einschränkungen auf, im Besonderen hinsichtlich natürlicher Veränderungen, Beobachtungsdauer, Altersverteilung, genetischer Vielfalt und Wechselbeziehungen zwischen einzelnen Korallenarten. Eine Möglichkeit diese Einschränkungen zu umgehen, ist die Untersuchung von Korallenriffen in der Umgebung von submarinen CO2-Austritten. Der erhöhte CO2 im Meerwasser dort sorgt für pH und Temperaturbedingungen wie sie als Folge der Ozeanversauerung bis zum Jahr 2100 vorausgesagt werden. Drei solche Korallenriffe in Papua Neu Guinea, Japan und den Nördlichen Marianen-Inseln wurden untersucht und interessanter Weise fiel die Auswirkung der Ozeanversauerung an jedem der Standorte unterschiedlich aus. Eine mögliche Erklärung für die beobachteten Unterschiede könnte sein, dass die Studien nicht alle Parameter berücksichtigten, die sich nachteilig auf die Gesundheit von Korallen auswirken. Im Allgemeinen werden submarine CO2-Austritte von submarinen Hydrothermalquellen mit Temperaturen bis zu 100 °C begleitet. Der hydrothermale Eintrag induziert steile Temperaturgradienten und erhöht die Konzentrationen von Schwermetallen in dem zu untersuchenden Gebiet. Diese zwei Effekte gilt es bei einer solchen Untersuchung zur Ozeanversauerung in Betracht zu ziehen. In diesem Sinne dient die geplante internationale Zusammenarbeit dem Ziel, ein Expertenteam aus der Aquatischen Chemie und der Korallenphysiologie zusammenzubringen, um detaillierte chemische und biologische Untersuchungen an Korallenriffen mit CO2-Austritten vorzunehmen, um die Auswirkungen der Ozeanversauerung besser zu verstehen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien), Teilprojekt B13: Einfluss von Landnutzungsintensität und Amelioration von Palmölplantagen durch Tropenbäume auf unter- und oberirdische Wirbellose in Sumatra (Indonesien)

In diesem Projekt werden (1) die Wirbellosen und Mikroorganismen in zwei unterschiedlichen Management Typen (2 Düngungslevel, 2 Typen des Jätens) in Palmölplantatgen untersucht, sowie (2) der Einfluss von Baumpflanzungen in Palmölplantagen auf ober- und unterirdische Tiergemeinschaften und Mikroorganismen. Die Wirbellosen werden mit allen verfügbaren Bestimmungsschlüsseln untersucht; mittels der Methode der Stabilen Isotope (15N/13C) und der Neutralfette (NLFAs) wird deren Nahrungsbiologie untersucht; und die Mikroorganismen werden mittels Analyse ihrer Phospholipide und ihrer Gesamtrespiration untersucht.

Forschergruppe (FOR) 2416: Space-Time Dynamics of Extreme Floods (SPATE), Research group (FOR) 2416: Space-Time Dynamics of Extreme Floods (SPATE)

River floods are extremely important to society because of their potential damage and fatalities. Floods are also very interesting research subjects because of the intriguing non-linear interactions and feedbacks involved, interesting issues of generalisation and the need for investigating them in an interdisciplinary way. Extreme floods are not very well understood to date but new, high resolution data and new concepts for quantifying interactions promise a major breakthrough of a body of research carried out in a coordinated way. The objective of this Research Unit is to understand in a coherent way the atmospheric, catchment and river system processes and their interactions leading to extreme river floods and how these evolve in space and time. An innovative and coherent concept has been adopted in order to maximise the potential of the cooperation between the research partners which consists of three layers of integration: research themes focusing on the science questions, subprojects revolving around specific research tasks, and a joint study object of extreme floods in Germany and Austria. Using scales as a binding element, the research plan is organised into the research themes of event processes, spatial (regional) variability, temporal (decadal) variability, and uncertainty and predictability. The members of the Research Unit have been selected to obtain a team of leading experts with expertise that is complementary in terms of processes, methods and regional knowledge. The cooperation and communication strategy will be implemented through themed cluster groups, combining several subprojects, regular meetings of the cluster groups, an annual project symposium and a private cloud facilitating data exchange on the joint study object. Equal opportunity policies will be adopted and female and early career scientists will be promoted in a major way. Overall, the outcomes of the Research Unit will constitute a step change in the understanding of the coupled system of flood processes in the atmosphere, catchments and rivers which will have major implications for a range of sciences and the society.

Sonderforschungsbereich Transregio 32 (SFB TRR): Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation; Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems: Monitoring, Modelling and Data Assimilation, Teilprojekt D02: Messung, Modellierung und Verständnis der raum-zeitlichen Strukturen des Landoberflächen-Atmosphärenaustausches

Das Projekt wird das hochaufgelöste Monitoring von Atmosphärenvariablen und Vegetationsparametern mittels kontinuierlicher bodengebundener Messungen und jährlichen Flugzeugkampagnen fortführen. Der ständig wachsende, mehrjährige Datensatz wird in Zusammenarbeit mit modellierenden Projekten (C4, D6) bzgl. Grenzschichtprozessen und im Zusammenhang mit der Oberfläche stehenden Mustern analysiert. Fluoreszenzbeobachtungen werden in das Community Land Model in TerrSysMP assimiliert, um zu testen, ob eine verbesserte Modellierung von CO2 Flüssen auch unter nicht-stationären Bedingungen möglich ist.

Sonderforschungsbereich Transregio 32 (SFB TRR): Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation; Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems: Monitoring, Modelling and Data Assimilation, Teilprojekt D06: Multiskalige Mustersimulation und Konvektionsparametrisierung über heterogenen Landoberflächen

Wir studieren Konvektions- und konvektive Wolkenmuster, um zu verstehen, wie Landoberflächenheterogenität auf solche Muster wirkt, und wie diese parametriert werden können. Das Large-Eddy Atmosphäre-Landoberflächen Modell (LES-ALM) wird weiterentwickelt und für die Simulation von Oberflächen unterschiedlicher Heterogenitätsskalen verwendet. Die Fähigkeit des Modells, konvektive Wolken als Reaktion auf Landoberflächenprozesse wiederzugeben, wird gegen Messungen getestet. Ein Schema für Wolkenmusterparametrisierung wird entwickelt und in einem Wetter-Vorhersagemodell für ausgewählte Regionen getestet.

CO2-reduzierter Beton durch Upcycling von Reststoffen aus der Betonaufbereitung und CCU, Teilvorhaben: Herstellung von Recyclingklinker mit Carbon Capture und Karbonatisierungshärtung von RC-Zuschlag im Druckautoklaven

Ziel des Vorhabens ist es, einen stark CO2-reduzierten, hochwertigen und ressourceneffizienten Betonkreislauf für Altbeton zu entwickeln. Dazu wird ein Belit - basierter Portlandzementklinker (RC-Belit-PZK) mit niedrigem CO2-Fußabdruck aus Betonbrechsand und weiteren kalkhaltigen primären oder sekundären Komponenten hergestellt. Freigesetztes CO2 kann abgetrennt und zur technischen Karbonatisierung von mechanisch aufbereitetem Betonbrechsand als Substitut in Zement genutzt werden. Mit dem Ziel weiteres CO2 zu binden und die betontechnischen Eigenschaften grober RC-Gesteinskörnung zu verbessern, wird eine neue Karbonatisierungstechnik im Druckreaktor entwickelt. Aus RC-Belit-PZK, Portlandzementklinker (PZK) und technisch karbonatisierten aufgemahlenen Brechsanden werden RC-Zemente mit stark reduziertem CO2-Fußabdruck formuliert. Um den erneuten Einsatz in der Produktion zu ermöglichen, werden Rezepturen für RC-Beton mit Normal- und / oder RC-Gesteinskörnung entwickelt, die auf angepassten Fließmitteln und Beschleunigersystemen basieren. Zum Projektabschluss werden Werkversuche durchgeführt, die den hochwertigen Betonkreislauf demonstrieren. Eine CO2-Reduktion um mindestens 40% für RC2-Beton im Vergleich zum Stand der Technik wird angestrebt. Die Prozesse werden aus techno-ökonomischer und ökologischer Sicht bewertet (prozessbasierte Ökobilanz/LCA). Im Rahmen der Systemanalyse werden verschiedene Anlagengrößen und Standorte über den gesamten Lebenszyklus mit dem Stand der Technik verglichen. Zusätzlich werden regulatorische Randbedingungen untersucht (z.B. Recycling-Baustoffverordnung, DIN-EN 197-1, Rechtliche Einordnung einer Anlage zur Klinkerherstellung), um Hindernisse in der Umsetzung zentraler bzw. dezentraler Konzepte zu identifizieren und konkrete Handlungsempfehlungen zur Kreislaufführung zu erarbeiten.

Nachhaltigkeitsoptimiertes Life Cycle Assessment technologisch hochkomplexer Produkte am Beispiel Automobilbeleuchtung, Teilprojekt: Recycling-Konzepte und Materialzyklen, Second-Life Szenarien, Digitaler grüner Zwilling

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.

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