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Urbaner Klimawandel: Szenarien von Systemereignissen

Im geplanten Forschungsprojekt sollen Szenarien von Systemereignissen im Rahmen des zu erwartenden urbanen Klimawandels unter anthropogen verstärktem Treibhauseffekt entwickelt werden. Die Szenarien stellen fundierte, lokal differenzierte und besonders anschauliche Informationen zu Systemereignissen in einem zukünftigen Klima bereit. Basis hierfür ist die realistische und kohärente Abschätzung relevanter Wetterereignisse und die Berücksichtigung der lokalspezifischen Vulnerabilität. Das Konzept soll anhand einer konkreten Fallstudie entwickelt und erprobt werden. Als Systemereignis werden Temperaturextreme, die für die thermische Belastung der städtischen Bevölkerung von Bedeutung sind, in der mitteleuropäischen Großstadt Augsburg, Bayern (Einwohner: 283544, Stand 31.12.2014, Amt für Statistik und Stadtforschung, Stadt Augsburg 2015) herangezogen. Dieses Untersuchungsgebiet eignet sich aufgrund der bereits verfügbaren stadtklimatologischen Datenbasis und der räumlichen Nähe in besonderer Weise. Aufbauend auf den Ergebnissen der Fallstudie wird eine übergreifende Bewertung des Konzeptes der Szenarien von Systemereignissen vorgenommen und eine umfassende Analyse hinsichtlich seiner Generalisierbarkeit bezüglich anderer klimatisch induzierter Systemereignisse (z. B. Starkregen, Trockenheit) und anderer Städte mit abweichenden makro- (klimazonalen) und mesoskaligen (topographische und stadtstrukturelle) Verhältnisse durchgeführt.

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

Schwerpunktprogramm (SPP) 2115: Synergie von Polarimetrischen Radarbeobachtungen und Atmosphärenmodellierung (PROM) - Verschmelzung von Radarpolarimetrie und numerischer Atmosphärenmodellierung für ein verbessertes Verständnis von Wolken- und Niederschlagsprozessen; Polarimetric Radar Observations meet Atmospheric Modelling (PROM) - Fusion of Radar Polarimetry and Numerical Atmospheric ..., Evaluierung und Verbesserung von konvektionszulassenden Simulationen des Lebenszyklus konvektiver Stürme mit Hilfe polarimetrischer Radardaten

Konvektive Stürme sind verantwortlich für Unwetter, wie z.B. großer Hagel, Sturzfluten und starke Windböen. Ein kritischer Faktor, der bestimmt, wie schädlich diese Ereignisse sind, ist die Wolkenmikrophysik innerhalb des konvektiven Systems. Die Prozesse der Wolkenmikrophysik tragen direkt zur Bildung von großem Hagel und Regen bei, verändern aber zusätzlich die Umgebung, in der sich die Konvektion durch latente Erwärmung und Abkühlung entwickelt. Diese Veränderungen in der Struktur des konvektiven Sturms wirken sich dann auch darauf aus, welche mikrophysikalischen Prozesse wo im Sturm aktiv sind . Über die Existenz dieser komplexen Wechselwirkungen wurde in zahlreichen Publikationen berichtet. Allerdings gibt es bisher keine Studien, die einen systematischen Ansatz zur Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Wolkenmikrophysik und konvektiver Dynamik verfolgen. In diesem Projekt werden wir eine systematische Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Prozessen der Wolkenmikrophysik, der Struktur konvektiver Systeme und dessen Lebenszyklus sowie der daraus resultierenden Unwetterlage durchführen. Modellsimulationen mit ICON (~1 km Auflösung) werden anhand der mikrophysikalischen Prozesse, der Sturmstruktur und des Lebenszyklus von Dual-Polarisations-Radardaten ausgewertet.Das Hauptziel dieses Projektes ist es, einen Rahmen für die Verbesserung der konvektionszulassenden Simulation von schweren konvektiven Wetterereignissen zu schaffen. Dies wird erreicht durch 1) Analyse der Prozesse der Wolkenmikrophysik, die für die Erzeugung von Niederschlägen, die zu einem Schadensereignis führen, am wichtigsten sind, 2) Evaluierung, wie gut der Lebenszyklus, die Sturmstruktur und die mikrophysikalischen Prozesse von konvektiven Stürmen, die von ICON simuliert werden, den polarimetrischen Radarbeobachtungen entsprechen. 3) Untersuchung der Empfindlichkeit der Sturmstruktur und des Lebenszyklus für die Darstellung mikrophysikalischer Prozesse.Daher wird das ICON-Modell modifiziert, um die mikrophysikalischen Prozessraten in 3D auszugeben. Mikrophysikalisches "Piggybacking" wird ebenfalls integriert, um rein mikrophysikalische Effekte von gekoppelten mikrophysikalisch-dynamischen Effekten zu trennen.Am Ende dieses Projektes werden wir in der Lage sein, die derzeitige Fähigkeit von ICON zusammenzufassen, konvektive Stürme und deren schädliche Niederschläge zu simulieren, zu identifizieren, welche Prozesse für die Erzeugung der schädlichen Niederschläge am wichtigsten sind, und Verbesserungen zu empfehlen, um aktuelle Mängel im Modellsystem zu beheben. Das Endergebnis wird nicht nur ein verbessertes Verständnis der realen und modellierten Konvektion sein, sondern auch spezifische Empfehlungen zur Verbesserung der Vorhersage von schädliche Niederschläge aus Konvektion geben.

Emissionsarme und energieeffiziente Energiebereitstellung im urbanen Raum unter Nutzung neuester, intelligenter IKT-Strukturen, Teilvorhaben: Systemanalyse / Messtechnische Untersuchungen im Combined Energy Lab 3.0

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 Dresden an der Systemanalyse arbeiten, welche sich besonders auf die Sekundärtechnologie, d.h. die Technologie im Gebäude bezieht. Des Weiteren werden messtechnische Untersuchungen des zu entwickelnden Prototyps im Combined Energy Lab 3.0 durchgeführt.'

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.

Systemanalyse und Visualisierung regionaler Auswirkungen, Teilvorhaben: Entwicklung und Anwendung neuartiger Methoden zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Transformationspfaden im Wärmesektor und dem Stromsystem

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.

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: 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.

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.

Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien), Teilprojekt B06: Taxonomische, funktionelle, phylogenetische und biogeographische Diversität vaskulärer Pflanzen in Regenwald-Transformationssystemen auf Sumatra (Indonesien)

Das Teilprojekt untersucht Auswirkungen von Landnutzung auf verschiedene Dimensionen der Pflanzendiversität auf unterschiedlichen räumlichen Skalen in vier dominierenden Landnutzungssystemen. In der ersten Phase wurde schwerpunktmäßig die Alpha- und Beta-Diversität von 32 Kernplots analysiert. In der nächsten Phase werden wir die Diversitätsstudien um funktionelle, phylogenetische und biogeographische Aspekte erweitern. Wir werden Vegetationsaufnahmen in den 12 neuen ufernahen Standorten durchführen und diese mit den gut entwässerten Plots vergleichen, um zu verstehen, wie sich edaphische Bedingungen auf Diversität auswirken. Einen weiteren Schwerpunkt werden Untersuchungen zu ökologisch-funktionellen Merkmalen sowie funktioneller Diversität und Zusammensetzung bilden.

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