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Tensoren für die Systemanalyse von umrichterdominierten Stromnetzen, Teilvorhaben: Multilineare Systemidentifikation für die Modellierung des Stromnetzes

Gemeinschaftserdsystemmodell

Die COSMOS-Initative hat die Bündelung von Modellentwicklungen an einer Stelle in einen Erdsystemforschungsrahmen zum Ziel, zur Entwicklung eines gemeinsamen Erdsystemmodell mit unterschiedlichsten Koppelungsvariationen. In Deutschland hat im Frühjahr 2003 das MPI-M die Initiative dazu ergriffen, und innerhalb von COSMOS den benötigten Rahmen mit den daran interessierten beteiligten Einrichtungen etabliert. Es tragen verschiedene europäische Institutionen zur COSMOS-Initiative bei, sei es durch direkte Zusammenarbeit, sei es durch Beteiligung in den Gremien (Steering Committee and Science Advisory Panel). COSMOS wird von den Erfahrungen in den unterschiedlichen nationalen, europäischen und internationalen Modelliergruppen profitieren und sowohl drängenden globalen als auch regionalen wissenschaftlichen Fragestellungen Rechnung tragen. COSMOS wird bereits in anderen europäischen Ländern, in den USA und Japan etablierten Initiativen vergleichbar sein und zudem zum 6. europäischen Rahmenprogramm beitragen, wie auch zu internationalen Initiativen, wie dem Weltklimaforschungsprogramm sowie dem Internationalen Geosphäre-Biosphäre-Programm. Ausgehend von einer 1. Version wird an der 2. Version in gemeinsamer Arbeit der innerhalb von COSMOS eingerichteten Arbeitsgruppen, in denen Mitglieder der unterschiedlichsten Institutionen vertreten sind, gearbeitet. Die jeweiligen neuentwickelten Modellversionen bzw. neu entwickelten Komponenten werden der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft nach Evaluation zur Verfügung gestellt. COSMOS wird nicht ausschließlich eine gebündelte Initiative mit tragender Rolle für Forschungszwecke sein, sondern in den kommenden Jahren auch zunehmende Bedeutung für Wettervorhersageinstitutionen erlangen. Die Gesamtkosten tragen die beteiligten Einrichtungen. http:'www.cosmos.enes.org'.

Resiliente Energieinfrastrukturplanung für Industriewende, E-Fuels und Netzausbau, Teilvorhaben: Netzplanung unter unsicherem Industriewandel in Deutschland

Projekt Schadstoffbeherrschung in der Umwelt (PSU)

Projektorganisation fuer die Planung, Durchfuehrung und Koordination aller Umweltaktivitaeten des Kernforschungszentrums Karlsruhe auf den Gebieten Biologie, Kommunale Abfallwirtschaft, Wasser und Boden, Klimaforschung, Schadstoffverhalten in der Atmosphaere, Systemanalyse und Umweltanalytik, emissionsmindernde Verfahren. Die Projektleitung ist Anlaufstelle fuer alle das Projekt betreffenden organisatorischen Fragen und vertritt dessen Belange nach aussen. Die einzelnen Vorhaben des Projektes sind bei den durchfuehrenden Instituten und Abteilungen des Kernforschungszentrums Karlsruhe beschrieben.

Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien)

In vielen tropischen Gebieten werden Regenwälder gerodet, um Holz und andere Waldprodukte zu gewinnen und Nahrungs-, Futter-, Faser- und Energiepflanzen anzubauen. Häufig wird angenommen, dass beim Roden natürlicher Wälder alle Funktionen und Leistungen des Waldes verloren gehen. Allerdings ist eine vollständige Konservierung in vielen Situationen nicht realistisch und aus ökologischer Sicht möglicherweise auch nicht erforderlich. Überraschenderweise wurden die Determinanten der Abholzung tropischer Regenwälder und die Rolle der daraus entstehenden agrarischen Nutzungssysteme für den Erhalt von Biodiversität und anderen ökologischen und sozioökonomischen Funktionen im Detail bisher nur wenig wissenschaftlich erforscht. Der Sonderforschungsbereich 990 (SFB 990 / EFForTS) verfolgt das Ziel, wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse darüber bereitzustellen, wie auf der Landschaftsskala die ökologischen Funktionen tropischer Regenwälder und landwirtschaftlicher Nutzungssysteme erhalten und verbessert werden können, bei gleichzeitiger Steigerung der menschlichen Wohlfahrt. Ebenso verfolgt der SFB die Frage, wie landwirtschaftliche Nutzung und Naturschutz besser integriert werden können. Die Forschung wird in einer der größten Tieflandregenwaldregionen Südostasiens durchgeführt, der Provinz Jambi in Sumatra, Indonesien. Gummi- und Ölpalmenplantagen gehören zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Nutzungssystemen in Jambi. Innerhalb der Provinz wurden zwei Landschaften und 36 Kernflächen für umfassende Analysen ausgewählt, die unterschiedliche Nutzungssysteme und Regenwaldreferenzflächen umfassen. In einer der Landschaften wurden zum Vergleich Flussufer- und nicht-Flussuferbereiche identifiziert. Zudem werden in zwei Experimenten in Ölpalmplantagen der Einfluss von Anreicherungskulturen sowie von unterschiedlichen Dünger- und Pestizidintensitäten erforscht. Bei den Analysen wird eine Vielzahl relevanter Aspekte untersucht und verglichen, z.B. ober- und unterirdische Biodiversität, Bodenfruchtbarkeit, Wasser- und Nährstoffflüsse, Treibhausgasemissionen, sowie wirtschaftliche, soziale, kulturelle und politische Dimensionen der Landnutzungsänderung. Besonderes Augenmerk liegt auf der Analyse von Synergien und Konflikten zwischen den unterschiedlichen ökologischen und sozioökonomischen Funktionen, deren detaillierte Kenntnis eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger Agrarsysteme ist. Der SFB wird in enger Kooperation zwischen der Universität Göttingen und verschiedenen Partnerinstitutionen in Indonesien durchgeführt. Dieses Programm zur Erforschung von Transformationsprozessen in tropischen Tieflandregenwäldern ist mit Blick auf die sehr breite interdisziplinäre Ausrichtung und die Landschaftsperspektive international einzigartig.

Forschergruppe (FOR) 5903: Nachhaltige Rurbanität - Ressourcen, Gesellschaft und Regulierungssysteme

Die menschliche Gesellschaft zeichnet sich durch komplexe soziale Organisationsformen aus, die im Laufe der Zeit weltweit vielfältige Siedlungsmuster hervorgebracht haben. Stadtgrenzen markieren eine willkürliche Trennung zwischen einem (urbanen) Innenraum unter starker menschlicher Kontrolle und einem (ruralen) Äußeren, das stärker natürlichen, biophysikalischen Prozessen ausgesetzt ist. Tatsächlich sind aber beide Räume seit jeher eng miteinander verknüpft, und werden mit immer intensiverer Nutzung natürlicher Ressourcen zunehmend durch rural-urbane Transformationsprozesse geprägt. Im Anthropozän haben Urbanisierung und die damit verbundenen sozialen und ökologischen Veränderungen globale Dimensionen erreicht. 'Rurales' und 'Urbanes' gehen dabei auf verschiedenen Skalenebenen immer wieder neue Beziehungen ein und werden zu einer sich oft selbst organisierenden Einheit von großer wissenschaftlicher, gesellschaftlicher und politischer Bedeutung. Der vorliegende Antrag zur Einrichtung der Forschungsgruppe 'Nachhaltige Rurbanität' befasst sich mit diesem Phänomen und begreift es als einen sich ständig neu erfindenden Zustand des Seins und Werdens. Geleitet von drei übergeordneten Hypothesen nutzen die 10 natur- und sozialwissenschaftlichen Projekte Fallstudien in rurbanen Ballungsgebieten Indiens, Westafrikas und Marokkos, um Wirkmechanismen, Folgen und Steuerungsprozesse von Rurbanität beispielhaft zu untersuchen. Ein interdisziplinärer, sozial-ökologischer Forschungsansatz erlaubt die Schaffung von Synergien zwischen den Fachkulturen und verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen, unter Einbeziehung von Perspektiven des Globalen Südens. Dieser gemeinsame Rahmen ist Voraussetzung dafür, kontextuelle empirische Forschung mit theoriegeleiteten analytischen Vergleichen zu verbinden, sowie innovative Methoden für die Systemanalyse und die Synthese der Ergebnisse zu nutzen. Dadurch lassen sich rural-urbane Transformation und das daraus abgeleitete Phänomen der Rurbanität in seiner skalen- und regionsübergreifenden Komplexität verstehen und dessen zentrale Implikationen für eine nachhaltige Landnutzungs- und Gesellschaftsentwicklung bewerten.

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.

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.

Projektierung, Vorkalkulation und Optimierung von Abwasseranlagen in Chemiebetrieben

Entwicklung allgemeingueltiger systematischer Richtlinien fuer die Projektierung, Kostenermittlung und technisch-wirtschaftliche Optimierung der Abwasseranlagen in Chemiebetrieben.

Saisonale Kaeltespeicherung im Erdreich

Zielsetzung: Bereits 1987 wurde in einem Firmengebaeude in Wetzlar erstmals der Erdsondenteil einer erdgekoppelten Waermepumpe als Kaeltespeicher benutzt und direkt zur Kuehlung eines Konferenzraumes im Sommer herangezogen. Nunmehr sollen durch weitere Untersuchungen die Einsatzfaehigkeit und Auslegungskriterien fuer derartige energiesparende Raumkuehlungsanlagen festgestellt werden. Arbeiten und bisherige Ergebnisse: In zwei Gebaeuden (Technorama, Duesseldorf, und Betriebsgebaeude Geotherm, Linden) wird eine Raumkuehlung mit Kaeltespeicherung im Erdreich betrieben. Dabei ist in Linden nur die direkte Kaelterueckgewinnung vorgesehen, waehrend in Duesseldorf zur Deckung des Spitzenbedarfs reversible Waermepumpen zugeschaltet werden koennen. Beide Anlagen haben im Sommer 1991 voll zufriedenstellend gearbeitet. Studien fuer den Einsatz in anderen Gebaeuden liegen vor; fuer die Auslegungsrechnung wurden PC-Programme der Universitaet Lund, Schweden, eingesetzt. In einem eigenen Projekt wurde ein Bericht zum Stand der Technik erstellt.

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