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Entwicklung einer selbstopt. Regelung zum effizienten und netzdienlichen Betrieb von (regenerativen) Energiesystemen unter Verwendung von maschinellem Lernen, Teilvorhaben: Entwicklung der Prognose- und Regelungsalgorithmen

Abweichend von konventionellen Standardverfahren zur Regelung von Wärmeerzeuger sollen in dem Projekt eine Vielzahl von internen und externen Eingangsgrößen zur Regelung verwendet werden. Hierbei handelt es sich unter anderem um Wetterdaten, Strompreise, Stromerzeugung und Korrelationsgrößen für die Belegung. In die Entscheidungsfindung zur Regelung fließen nicht nur aktuelle Zustandsgrößen ein, sondern auch zukünftige Werte. Es erfolgt somit eine prädiktive und vorausschauende Regelung anstelle einer reaktiven Standardregelung. Für solch eine Optimierungsaufgabe mit einer Vielzahl an Eingangsgrößen und einem längeren Betrachtungshorizont eigenen sich Methoden des maschinellen Lernens wie z.B. dem Reinforcement Learning. Der Vorteil dieser Methode ist eine bedarfsgenaue und wirtschaftliche Wärmebereitstellung. Mit Hilfe von Simulationsmodellen kann eine Vielzahl von Szenarien nachgebildet und als Trainingsdaten verwendet werden. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Optimierung von sektorübergreifenden Energiesystemen zu automatisieren und mit Hilfe von maschinellem Lernen und Metadaten die Anlagenparameter kontinuierlich anzupassen. Durch Transfer Learning können Messdaten anderer Gebäude als Trainingsdaten verwendet werden. Der Heizenergiebedarf wird mit Hilfe von neuronalen Netzen prognostiziert. Die entwickelten Prognose- und Regelungsmodelle werden in Kombination mit der Kommunikationsschnittstelle bei mehreren Gebäuden angewendet. Hierdurch sollen Generalisierungsmöglichkeiten gefunden werden, durch die das Trainieren bei neuen Gebäuden schneller erfolgen kann. Das Alleinstellungsmerkmal der Projektidee ist die Symbiose der Algorithmenentwicklung und ihre unmittelbare Validierung im Praxiskontext. Das Hermann-Rietschel-Institut hat als Arbeitsschwerpunkt die Entwicklung des Heizlastprognosemodells und dem Regelungsalgorithmus für die Wärmeerzeuger.

Von Biodiversität zu Ökosystemfunktionen; Möglichkeiten für die Integration des Meeresbodens in MPA Management, Vorhaben: Benthische Ökosystem Modellierung für ein nachhaltiges Management im Weddellmeer (Antarktis)

Analyse von Bietstrategien und deren Einfluss auf den Strompreis im EU-Binnenmarkt, Teilvorhaben: Analyse von historischen Bietstrategien, Implementierung via P'n'P-Agenten in das Strommarktmodell PowerACE und Analyse für zukünftige Szenarien

Die Stromerzeuger bieten an der Strombörse einen Erzeugungspreis an, der die variablen Kosten des Kraftwerksbetriebs widerspiegelt. Anhand dieser Grenzkosten wird nach dem Merit-Order Prinzip schließlich der Strompreis ermittelt. Es ist jedoch zu hinterfragen, ob das Bieten nach Grenzkosten heute wie auch in einem zukünftig deutlich heterogener aufgestellten Kraftwerksportfolio, das an der Börse Handel treibt, weiterhin Bestand hat. So verändert die aktuelle Situation an den Energiemärkten durch die unvorhergesehenen starken Preisanstiege der Rohstoffe das gewohnte Handelsbild, denn bei einem gleichgebliebenen Kraftwerkspark sind die Beschaffungskosten bspw. für Gaskraftwerke überproportional gestiegen. Auch der europaweite Ausbau der erneuerbaren Energien kann Einfluss auf das Bietverhalten der Marktteilnehmer haben. Da die Grenzkosten der erneuerbaren Energien Anlagen nahezu null sind, kann deren zunehmender Handel an den Märkten zu großen Differenzen zwischen den Grenzkosten der bietenden Kraftwerke führen. Gleichzeitig können besonders die zu erwartenden Volatilitäten bei der Erzeugung aus erneuerbaren Energien zu sehr geringen Strompreisen führen und damit Refinanzierungen erschweren. Zusätzlich verbindet die europäische Marktkopplung unterschiedliche Erzeugungsparks miteinander und verändert damit ebenfalls die bestehenden Märkte und deren Handelseigenschaften. So kann es finanziell attraktiv erscheinen, einen Aufschlag auf die Grenzkosten oder eine strategisch platzierte Stromnachfrage zu nutzen. Im Rahmen des Vorhabens sollen daher die an der EPEX SPOT vorhandenen Gebotsdaten in den Preiskurven auf strategische Muster hin analysiert werden. Gefundene Strategien werden in einem zweiten Schritt in die Zukunft getestet. Dazu wird deren Einfluss auf den Strompreis und Investitionen in flexible Erzeugungstechnologien in Deutschland unter Berücksichtigung der in Zukunft stark unterschiedlichen nationalen Stromerzeugungssysteme in Europa untersucht.

Klimawandel und Wärmebelastung der Zukunft 2008 (Umweltatlas)

Verteilung und Ausmaß der Tage mit Wärmebelastung für drei die Zeiträume 1971-2000, 2021-2050, 2071-2100, Raumbezug Raster 25 m*25 m, Bearbeitungsstand März 2010.

Landnutzungsszenarien bis 2045 für die Klimawirkungs- und Vulnerabilitätsanalyse (Applikation)

Grundlage für die hier dargestellten Karten sind die drei sozioökonomische Szenarien der Gesellschaft für wirtschaftliche Strukturforschung (GWS). Mittels des ökonomischen Modells PANTA RHEI Regio wurde auf Kreisebene die Siedlungs- und Verkehrsflächenentwicklung bis 2045 berechnet. Die hier dargestellten Karten sind mit Hilfe des Land Use Scanner (LUS) durch das Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung, Bonn (BBSR) berechnet worden. Der Land Use Scanner basiert auf einem Optimierungsmodell, das die mit PANTA RHEI Regio berechneten Landnutzungsveränderungen auf Kreisebene auf einem 100×100 m Raster nach bestmöglicher Eignung verteilt. Die Ergebnisse des LUS liefern für alle drei sozioökonomischen Szenarien nach qualitativer Experteneinschätzung plausible Veränderungen der Landnutzung.

Kommunales Informationssystem Holzbau - Modell zur Quantifizierung und Darstellung von Treibhausgas-Einsparpotenzialen durch stoffliche Holzverwendung in Kommunen, Teilvorhaben 2: Softwaretechnische Umsetzung

Die Bundesregierung hat hohe Ziele für den Klimaschutz bis 2045 beschlossen. Der Gebäudebestand verursacht etwa 30% aller Treibhausgase und soll daher bis 2045 klimaneutral werden. Aufgrund der langjährigen Nutzungsdauer der Gebäude stellen sich Effekte nur langsam ein und deshalb müssen Anpassungen ab sofort in die Planungsprozesse eingespeist werden. Die Umsetzung von Klimaschutzstrategien und Klimaschutzmaßnahmen auf kommunaler Ebene im Gebäudebestand muss zukünftig in enger Abstimmung mit den Zielen der kommunalen Bauleitplanung erfolgen. Dies stellt die Kommunen vor große Herausforderungen. Das hier dargestellte Klimaschutzprojekt 'Kommunales Informationssystem Holzbau (Holzbau-KIS)' hat als Ziel, das Potenzial einer stofflichen Nutzung von Holzprodukten im Bauwesen als zusätzliche Klimaschutzmaßnahme für Kommunen darzustellen und praktisch handhabbar zu machen. In verschiedenen Szenarien werden realisierbare Potenziale für THG-Einsparungen durch Bauen und Sanieren mit Holz projiziert. Bereits existierende Ansätze für Neubau und Sanierung sollen um weitere Szenarien ergänzt und auf ausgewählte Nichtwohngebäude ausgeweitet werden. Die Ergebnisse zeigen sowohl die Kohlenstoffspeicherung im Holzwerkstoff als auch das Substitutionspotenzial durch den Ersatz von Bauteilen in mineralischer Bauweise durch Holzkonstruktionen. Das Holzbau-KIS soll ein praxisnahes, webbasiertes Planungs- und Kommunikationstool werden, das es den Kommunen in Selbstverwaltung ermöglicht, die THG-Einsparungen durch den Einsatz von Holz als Baumaterial in kommunale Klimaschutzkonzepte zu integrieren. Das Teilvorhaben von Disy befasst sich mit der benutzungsfreundlichen, effizienten und sicheren Implementierung der Softwarelösung und realisiert die drei kommunalen Pilotanwendungen aus softwaretechnischer Sicht. Außerdem soll die Erstellung eines Transferkonzepts zur Übertragung auf weitere Kommunen aus Sicht der Softwaretechnik begleitet werden.

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

Entstehung, Umwandlung und Erhaltung historischer Kulturlandschaft in Deutschland und Japan

Ziele des Projekts sind es, die Ausformung und den Wandel der historischen Kulturlandschaft in verschiedenen Räumen vergleichend zu rekonstruieren, zu interpretieren und dabei noch erkennbaren Einflüsse menschlicher Landnutzungen zu dokumentieren und soziokulturelle Einflüsse auf Entwicklung der Kulturlandschaft zu erfassen. Ziele des Projekts sind es, im ersten Schritt die Ausformung und den Wandel der historischen Kulturlandschaft in verschiedenen Räumen des Schwarzwaldes sowie im Mittelgebirgsraum Japans vergleichend zu rekonstruieren, zu interpretieren und dabei (noch) erkennbare Einflüsse menschlicher Landnutzungen im Gelände als kulturelles Erbe zu dokumentieren. Durch dieses Projekt soll ein Beitrag zur Erhaltung der Kulturlandschaft und ihrer Elemente geleistet werden. Im zweiten Schritt wird eine Untersuchung der soziokulturellen Bedürfnisse der Bevölkerung und der interessierten Stakeholder in der Kulturlandschaft durchgeführt. Diese beiden Schritte sollen zusammengeführt werden, so dass ausgehend von der gewachsenen Kulturlandschaft Szenarien für die zukünftige Entwicklung der Kulturlandschaft in den Untersuchungsgebieten entwickelt werden können. Als Untersuchungsgebiete der Arbeit werden drei Orte ausgewählt; zwei im Schwarzwald und einer in Japan, zum einen im Schwarzwald das Terrain der Gemeinde Fröhnd im Wiesental (Südschwarzwald) und das Gebiet des Stadtteils Yach im Elztal (mittlerer Schwarzwald), zum anderen das Gebiet der Gemarkung Isarigami der Gemeinde Kami-cho in der Hyogo-Präfektur (Japan). Methodisch sollen diese Zielsetzungen durch eine historisch orientierte Landschaftsanalyse auf der Basis von Geländeaufnahmen mit Unterstützung von historischen Karten und schriftlichen Quellen und durch eine Untersuchung sozio-kultureller Aspekte mit Hilfe von Methoden der empirischen Sozialforschung erreicht werden. Für die Datenverarbeitung der Landschafts-, Literatur- sowie der sozio-kulturellen Analyse wird auf geographische Informationsinstrumente (GIS) zurückgegriffen. Darüber hinaus werden im Rahmen der Dokumentation graphische Darstellungen historisch bedeutsamer Kulturlandschaftselemente (z.B. Weidbuchen, Steinmauer, Terrassen usw.) angefertigt.

Klimaforschungsplan KLIFOPLAN, Potentiale für eine weitergehende Elektrifizierung (PowEr)

Aus Gründen der Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Treibhausgas-Minderung zeichnet sich ab, dass die Verkehrsarten möglichst elektrifiziert werden sollten. Sofern das nicht möglich ist, muss der Endenergiebedarf durch andere Kraftstoffe gedeckt werden, die langfristig treibhausgasneutral her- und bereitgestellt werden müssen. Batterien wurden in den letzten Jahren deutlich leistungsfähiger (gravimetrische und volumetrische Energiedichte) und werden auch absehbar noch besser und günstiger. Zukünftig sollten dadurch weitere Verkehrsmodi batterieelektrisch betrieben werden können und andere noch umfassender als bisher. Dies ermöglicht geringere Bedarfe an anderen Endenergieträgern und einen geringeren Energiebedarf. Im Vorhaben sollen die jetzigen und insbesondere zukünftigen Möglichkeiten der Batterie-Technik in Anwendungen des Verkehrs detailliert untersucht werden. Die verkehrsträgerseitigen Anforderungen der jeweiligen charakteristischen Segmente der Verkehrsarten (z.B. Fähren, Binnenschiffe, Zweiräder, Linienbusse) an die Energieversorgung müssen dazu detailliert aufgeschlüsselt werden, um diese anschließend ggf. wieder clustern zu können. Welche Arten von Energiespeichern werden dafür benötigt bzw. jetzt schon entwickelt, welche Kostenentwicklungen sind zu erwarten? Batterietechnisch sind alle Ansätze zu identifizieren, die in den nächsten 2 bis 3 Dekaden aus heutiger Sicht relevant werden könnten. Die Beurteilung erstreckt sich auch auf die Risiken der Technik und die Kritikalität von Rohstoffen. Für die auch zukünftig nicht realistisch elektrifizierbaren Verkehrsträger wäre zu untersuchen, welche Energieträger (PtG-H2, PtG-Methan, PtL) und Antriebe dann, unter Berücksichtigung der Energieeffizienz, Ressourcen und THG-Minderung, als geeignete Alternative erscheinen. Diese Arbeiten sind die Grundlage für eine Abschätzung des zukünftigen Endenergie- und Primärenergiebedarfs im Verkehr, was in drei Szenarien ermittelt werden soll.

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.

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