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CO2-reduzierter Beton durch Upcycling von Reststoffen aus der Betonaufbereitung und CCU, Teilvorhaben: Techno-ökonomische und ökologische Bewertung und Systemanalyse

In diesem Teilvorhaben sollen die neuentwickelten technischen Prozesse aus AP1 bis AP4 techno-ökonomisch und ökologisch bewertet werden. Mit einer Systemanalyse werden die neuen Verwertungsoptionen für Feinstbetonbrechsand (FBBS), Feinbetonbrechsand (FBS) und karbonatisierte RC-Gesteinskörnungen begleitend sowohl aus einer betriebs- als auch aus volkswirtschaftlicher Perspektive analysiert und bewertet. Dabei wird der Beitrag zu übergeordneten Nachhaltigkeitszielen, wie einer über den Lebenszyklus aus Herstellung, Nutzung und Recycling verbesserten CO2-Bilanz und Energieeffizienz, einem reduzierten Rohstoffverbrauch oder Schadstoffgehalt ermittelt. Erforderliche Daten werden im Rahmen des Projektes gesammelt und in diesem Teilprojekt im Rahmen von techno-ökonomischen Analysen (TEA) und Ökobilanzen (LCA) ausgewertet. Neu ist dabei, dass es keine derartigen Analysen bisher gibt und daher jeweils neue TEA und LCA modelliert und erstellt werden müssen. Zudem wird ermittelt, wie hoch das regionale Aufkommen von erforderlichen Sekundärrohstoffen ist, und wie Zusammensetzung und Sortierungsmöglichkeiten aussehen. Basierend auf dem geschätzten, regionalen Aufkommen wird eine Standort- und Kapazitätsplanung durchgeführt, die aufzeigt, wie ein optimales Recyclingnetzwerk in Deutschland für RC-Belitklinker und RC-Zement aussehen würde. Dies ist wichtig für strategische Entscheidungen der an der Wertschöpfungskette beteiligten Unternehmen. Abschließend werden derzeitige Rahmenbedingungen untersucht und Empfehlung zu ressourcenschonenden politischen Handlungsoptionen zur Systemänderung bzw. verstärkten Kreislaufführung gegeben. Ohne dieses Teilvorhaben könnten die neu entwickelten Technologien und Rezepturen für RC²-Beton mit rezykliertem Zuschlag und rezykliertem Zement nicht hinsichtlich ihres Abschneidens bei ökologischen und ökonomische Kriterien bewertet werden. Zudem könnten keine Systemaussagen und Handlungsempfehlungen getroffen werden.

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.

Flächendeckende Erfassung von Diversitätskriterien zur ökologischen Bewertung von Waldgebieten unter Nutzung räumlicher Informationstechnologien und Fernerkundungsdaten

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches eine quantitative Erfassung von Diversitätskriterien auf großer Fläche erlaubt. Die Erhaltung der Wälder und ihr Schutz vor Überbenutzung sind von globaler Bedeutung. Auf der Rio-Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung 1992 war dies ein wichtiger Themenbereich (s. auch 1993 sog. Helsinki-Prozess ). 1994 wurden in Genf sechs Kriterien und 27 Indikatoren politisch verbindlich beschlossen. Erhaltung, Schutz und angemessene Verbesserung der biologischen Diversität in Forstökosystemen stellt eines dieser Kriterien dar. Eine Operationalisierung dieses Indikators ist in unterschiedlicher Form möglich. In vorliegender Arbeit sollen Informationen aus 2-D und 3-D Fernerkundungsdaten (inklusive flugzeuggetragener Daten, wie Luftbild oder Laserscannerdaten) abgeleitet werden. Die Informationen aus Fernerkundungsdaten sollen im Rahmen eines GIS um Karteninformationen und terrestrische Daten ergänzt werden. Aus der flächendeckend vorliegenden 2-D und 3-D Information werden Maßzahlen und Indizes berechnet, die Nachbarschaftsbeziehungen, räumliche Muster und Vielfalt innerhalb und zwischen den ökologischen Bezugseinheiten (alpha und beta-Diversität) sowie des Gesamtlandschaftsausschnittes (gamma-Diversität) quantitativ beschreiben. Die hergeleiteten Diversitätswerte und Diversitätindizes sollen dabei in Bezug zur terrestrischen Ansprache gesetzt werden. Die Nutzbarkeit des entwickelten Modells für die Bewertung von Lebensräumen soll schließlich anhand einer sehr gut untersuchten Zielart überprüft werden. Es ist zu erwarten, dass mit Nutzung der genannten Informationstechnologien eine mehr quantitative Erfassung der Diversitätskriterien, bei höherer Effizienz möglich sein wird. Die Bewertung von Lebensräumen kann damit transparenter und besser nachvollziehbar werden. Des weiteren erlaubt das methodische Vorgehen eine flächige Charakterisierung von Lebensräumen, wie sie für system-analytische Ansätze und die Modellierung von räumlichen und zeitlichen Prozessen notwendig.

Tensoren für die Systemanalyse von umrichterdominierten Stromnetzen, Teilvorhaben: Modellierung und Stabilitätsanalyse von umrichterdominierten Stromnetzen mittels multilinearer Modelle

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.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes

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.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes, Teilvorhaben: Qualitätsorientierte Steuerung von Brunnengalerien

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.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes, Teilvorhaben: Praktische Anwendung der erarbeiteten Optimierungsansätze

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.

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 C08: Politikinstrumente zur Förderung nachhaltiger Landnutzung

Dieses Projekt untersucht verschiedene Politikmaßnahmen und deren Einfluss auf individuelle Umweltpräferenzen und nachhaltige Landnutzungsentscheidungen. Zum einen verwenden wir ökonomische Feldexperimente um verschiedene monetäre Anreizsysteme hinsichtlich ihrer Umwelt- und ökonomischen Verteilungseffekte zu untersuchen. Zum anderen evaluieren wir die Auswirkungen von Umweltbildungsmaßnahmen auf Umweltpräferenzen und Landnutzungsentscheidungen mit Hilfe von randomisierten kontrollierten Versuchen. Ein wichtiger Schwerpunkt liegt dabei auf der Messung von Umweltpräferenzen und der Bewertung von ökologischen Dienstleistungen.

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