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Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Hydroklimatische Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und möglicher Einfluss auf die frühe Migration moderner Menschen

Das tropische Südostafrika ist eine Region, die stark von hydroklimatischen Veränderungen im Zuge der globalen Erwärmung betroffen sein wird, wobei deren Ausprägung und sozio-ökonomische Konsequenzen allerdings noch weitestgehend unverstanden sind. In diesem Zusammenhang bietet die Untersuchung regionaler Veränderungen in Hydroklima und Vegetation während des letzten Interglazials, eines durch höhere Temperaturen als heute gekennzeichneten Zeitabschnitts, die Möglichkeit, wichtige Einblicke hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung in der Region zu gewinnen. Darüber hinaus umfasst das letzte Interglazial auch eine wichtige Phase in der Entwicklungsgeschichte des Menschen, die Migration der ersten modernen Menschen aus Afrika hinaus. Obwohl das letzte Interglazial also einen bedeutenden Zeitabschnitt für Südostafrika darstellt, sind die Kenntnisse über die Variabilität des regionalen Hydroklimas, die zugrundeliegenden Antriebsmechanismen und die Konsequenzen für die Migration des modernen Menschen noch weitestgehend unerforscht. Im Rahmen dieses Projekts sollen marine Sedimente von der IODP Site U1477 in der Straße von Mosambik untersucht werden, um Veränderungen des Hydroklimas und der Vegetation im tropischen Südostafrika während des Zeitraums zwischen ca. 150.000 und ca. 70.000 Jahren vor heute zu rekonstruieren. Dazu werden die Verhältnisse stabiler Wasserstoff- (delta D) und Kohlenstoffisotope (delta 13C) von langkettigen n-Alkanen (n-C27 bis n-C33) in den marinen Sedimenten gemessen. Diese n-Alkane sind Bestandteile der Blattwachse von Landpflanzen und werden über den nahen Sambesi in den Ozean eingetragen. Da das delta D-Verhältnis der n-Alkane hauptsächlich dem des regionalen Niederschlags entspricht, welches wiederum von der Niederschlagsmenge abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion hydroklimatischer Veränderungen im Einzugsgebiet des Sambesi in der Vergangenheit benutzt werden. Das delta 13C-Verhältnis wiederum erlaubt die Rekonstruktion von Veränderungen im Verhältnis von C3- (z.B. Bäume) und C4-Pflanzen (z.B. Gräser), da diese sich signifikant in ihrem delta 13C-Verhältnis unterscheiden. Darüber hinaus wird auch die Konzentration der zweifach- und dreifach ungesättigten Homologe des langkettigen Alkenons n-C37 in den Sedimenten analysiert. Diese organischen Verbindungen werden von Haptophyten, marinen Algen, gebildet und da ihr Verhältnis, auch als UK'37-Index bekannt, von der Oberflächentemperatur des Ozeans zur Zeit des Algenwachstums abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion von Veränderungen der Oberflächentemperatur im südwestlichen Indischen Ozeans in der Vergangenheit genutzt werden. Der Vergleich dieser Datensätze mit anderen regionalen und globalen Klimaarchiven wird neue Erkenntnisse bezüglich hydroklimatischer Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und ihrer Antriebsmechanismen als auch hinsichtlich ihres Einflusses auf die Migration der ersten modernen Menschen liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Bildung von Rhyolithen und Bedingungen in rhyolitischen Magmakammern der 'Snake River Plain' Provinz, USA.

Die Snake River Plain-Yellowstone Provinz (SRP) weist ein einzigartiges Vorkommen von bimodalem Magmatismus auf (Basalte-Rhyolithe). Die Intrusion von Basalten in der tiefen Kruste ist mit einem Recycling der kontinentalen Kruste verbunden, der zur Bildung von Rhyolithen geführt hat. Mehrere Modelle werden zurzeit für die Bildungsprozesse der Rhyolithe erwähnt (u.a., Fraktionierung von Basalten, Assimilation, Teilschmelzprozesse von Krustenmaterial). Die Modelle sind jedoch nicht experimentell getestet worden und bleiben qualitativ. In diesem Projekt soll untersucht werden, in wie fern Rhyolithe aus Teilschmelzprozessen von Krustenmaterial entstehen können. Hochdruckexperimente werden durchgeführt, um Teilschmelzprozesse in typischen Ausgangsgesteinen zu simulieren. Zwei Zusammensetzungs-Typen, die öfters als Quelle vorgeschlagen wurden, werden untersucht: hydrothermal alterierte Rhyolithe und basaltische Gesteine. Die geochemische Zusammensetzung (Hauptelemente und Spurenelemente) der experimentellen Schmelzen werden mit natürlichen Gläsern von ICDP Proben und von weiteren eruptiven Einheiten verglichen. Die Zusammensetzung der natürlichen Gläser wird weiterhin benutzt werden, um die Tiefe der Magma-Reservoire mit Hilfe eines neu kalibrierten Barometers zu bestimmen. Proben von einigen eruptiven Einheiten (u.a., aus Kimberley and Sugar City Bohrungen) werden ausgewählt um zu testen, ob einzelne Eruptionen aus mehreren Magma-Reservoiren gespeist werden. Die experimentelle Arbeit und die Untersuchung der natürlichen Proben (ICDP Bohrungen und SRP) werden hilfreich sein um die Entstehungsprozesse der Rhyolithe zu klären (Quelle, Bedingungen). Weiterhin wird die Arbeit einen wichtigen Beitrag leisten, um die Entwicklung der Tiefe und der Temperatur der rhyolitischen Magmakammer seit dem Beginn der vulkanischen Aktivität vor 16 Millionen Jahren nachzuvollziehen.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Rekonstruktion der atmosphärischen pCO2 Konzentration und der Palaeotemperaturen der höheren Breiten im Zeitraum spätes Perm bis frühe Trias

Sauerstoffisotopenanalysen and Conodontenapatit belegen eine dramatische Erwärmung der niedrigen Breiten von bis 10° C vom späten Perm in die frühe Trias. Diese während fast der gesamten Frühen Trias anhaltende klimatische Erwärmung kann als Folge der Förderung der Sibirischen Trapp Basalte und daran geknüpfter Prozesse und damit als Konsequenz einer dramatisch erhöhten atmosphärischen CO2 Konzentration gesehen werden. Der Temperaturanstieg, eine hohe atmosphärische CO2 Konzentration sowie weitverbreitete anoxische Bedingungen in den Weltozeanen (Deadly Trio) könnten zu dem Massensterben im späten Perm geführt und die verzögerte Erholung der Ökosysteme nach der Perm-Trias Krise bedingt haben. Allerdings gibt es für diesen kritischen Zeitraum in der Erdgeschichte derzeit keine Proxy-Rekords für die atmosphärische CO2 Konzentration und die Temperaturentwicklung in den mittleren bis höheren Paläobreiten. Das angestrebte Forschungsprojekt hat zum Ziel, die atmosphärische CO2 Konzentration sowie die Temperaturgeschichte in den mittleren bis höheren Breiten für den Zeitabschnitt des späten Perms bis frühe Mittlere Trias zu rekonstruieren. Kohlenstoffisotopenanalysen an karbonatischen Paläoböden sollen zur Rekonstruktion der atmosphärischen CO2 Konzentrationen genutzt werden. Die Temperaturgeschichte in den mittleren bis höheren Breiten soll mittels Sauerstoffisotopenanalysen an biogenem Apatit ermittelt werden. Die erarbeiteten pCO2 und Paläotemperaturrekords sollen mit paläobiologischen Diversitätsmustern der niedrigen und hohen Breiten verglichen werden, um den Einfluss von zwei Komponenten des Deadly Trios (Temperatur, pCO2) auf die Selektivität in der Faunenentwicklung (niedrige vs. hohe Breiten) beschreiben zu können.

Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft von Urbanen Wärmeinseln im Untergrund von China und Deutschland - Konsequenzen für die geothermische Nutzung

Städte haben ihre Wurzeln im Untergrund. Hier befinden sich die Fundamente von Gebäuden und ein wesentlicher Anteil der urbanen Infrastruktur. Zugleich dient der Untergrund als Wasserreservoir und als Quelle für erneuerbare Energie. Ein bisher wenig beachtetes Phänomen sind die sogenannten Urbanen Wärmeinseln im Untergrund (UWIU), die sich oft unbemerkt über Jahrzehnte ausbreiten. Sie reichen häufig über das gesamte Stadtgebiet, in dem erheblich höhere Boden- und Grundwassertemperaturen zu finden sind als in der ungestörten, ländlichen Umgebung. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und gerade die langfristige Entwicklung von UWIUs ist noch heute ungeklärt. Um Empfehlungen für eine möglichst proaktive Nutzung des städtischen Untergrunds in der Zukunft zu erstellen, gilt es, die treibenden Prozesse und Faktoren zu ergründen, die UWIUs in verschiedenen Städten verursachen. Das Kernthema dieses Projekts ist, erstmalig die thermischen Bedingungen unter zwei chinesischen und deutschen Städten, Nanjing und Köln, zu vergleichen. Die teilnehmenden Wissenschaftler haben weitreichende Erfahrung in der Erforschung von UWIUs in ihren Ländern und in Vorarbeiten bereits eine umfassende Datenbasis von Boden- und Grundwassertemperaturen gesammelt. Kernziel ist es, diese mit einem neuen gemeinsamen Messprogramm zu aktualisieren und aus der vergangenen und aktuellen Entwicklung der beobachteten UWIUs auf die zukünftige Temperaturentwicklung im Untergrund zu schließen. Dies wird erreicht durch ergänzende Laborversuche und umfassende numerische Simulationen, die insbesondere die zeitliche Entwicklung der Landnutzung berücksichtigen. Die Ergebnisse für die Städte in Deutschland und China werden verglichen und so individuell von gemeinsamen Charakteristiken unterschieden. Auf diese Weise werden allgemeingültige Zusammenhänge erschlossen, die sich auch auf weitere weniger erforschte Städte übertragen lassen und dort Prognosen zur zukünftigen UWIU-Entwicklung ermöglichen.

Abmilderung von Klima-basierten Risiken durch Verbesserung von Wetter Vorhersagen mit Hilfe von Copula basierten Methoden für die Nachbearbeitung von ensemble Vorhersagen

Zuverlässige und genaue Wettervorhersagen spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis sowie die Begrenzung von Risiken, die sich aus dem Klimawandel ergeben, ebenso sind sie entscheidend für die Vorhersage von Output aus erneuerbaren Energiequellen. Heutzutage wird Wettervorhersage über numerische Wettermodelle betrieben. Das Ergebnis eines Modell-Laufes ist eine einzelne deterministische Vorhersage für zukünftige Wetterereignisse. Um die Unsicherheit in so einer Vorhersage quantifizieren zu können, ist es gängige Praxis geworden, ein Ensemble von numerischen Vorhersagen zu verwenden. Dieses Ensemble wird erzeugt, indem man das Wettermodell mehrfach laufen lässt, und jeder Lauf mit jeweils modifizierten Anfangsbedingungen und/oder Modellformulierungen gestartet wird. Das daraus resultierende Vorhersage Ensemble ist aber typischerweise ungenügend kalibriert und benötigt deshalb statistische Nachbearbeitung. Es wurden bislang bereits verschiedene statistische Modelle zur Nachbearbeitung solcher Ensemble Vorhersagen entwickelt, welche auf unterschiedliche Anforderungen z.B. der betrachteten Wetter Variablen zugeschnitten sind. Insbesondere wird es immer wichtiger diese Modelle dahingehend zu erweitern, dass sie räumliche und zeitliche Abhängigkeiten sowie Abhängigkeiten zwischen Wetter Variablen explizit berücksichtigen. Dieses Projekt hat zum Ziel neue Arten von statistischen Modellen zur Nachbearbeitung zu entwickeln, welche auf vine copula basieren. Diese erlauben sehr flexible und Datenbasierte Modellierung aller Arten von multivariater Abhängigkeiten. Konkretes Ziel ist die Entwicklung von vine copula basierten Modellen, die speziell auf verschiedene Wetter Variablen zugeschnitten sind, wie z.B. Temperatur, Windgeschwindigkeit, Niederschlag, Bewölkung und Sonneneinstrahlung. Die vine copula basierte Quantilregression wird dabei auch angepasst, um Wetter Variablen die mit erneuerbaren Energien in Zusammenhang stehen gleichzeitig nachzubearbeiten und in Vorhersagen der entsprechenden gewonnene Nutzleistung zu transformieren. Im nächsten Schritt sollen diese Modelle auf die multivariate Situation erweitert werden, indem sie Abhängigkeiten in der Zeit, im Raum und zwischen Wetter Variablen direkt modellieren, und nach Möglichkeit sogar alle diese Arten von Abhängigkeiten simultan erfassen. Die hier entwickelten Modelle sollen im Statistik Progammpaket R implementiert, und in einer Studie zur Vorhersage-Qualität und Kalibration mit Standard-Modellen vergleichen werden.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Optimale Netzregelung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Weiterentwicklung und Erprobung eines Hochtemperaturwärmespeichers mit innovativer Füllkörpertechnologie und Luft als Wärmeträger in der Keramikindustrie, Teilvorhaben: Entwicklung des Filterspeichermaterials, Implementierung und Analyse der Eigenschaften in einem Demonstrator

Im Projekt LuftBlock soll die Hochtemperatur-Wärmespeicherlösung der Firma Kraftblock weiterentwickelt und bei hohen Temperaturen mit gasförmigem Wärmeträger bei der Firma Comet in industriellem Maßstab demonstriert werden. Damit wird einerseits die Rückgewinnung einer großen Menge gespeicherter Wärme für einen Batch-Prozess, und andererseits gleichzeitig die damit verbundene Möglichkeit der kosteneffizienten Teilelektrifizierung eines Gasheizprozesses in der Anwendung realisiert. Herausforderungen, die dabei im Projekt adressiert werden, sind: - Direkte Nutzung der Abluft aus industriellen Prozessen, die u.U. mit Stäuben oder Kondensaten beaufschlagt ist - Verständnis der plastischen Verformung der Speicherwände in Schüttgutspeichern durch zyklische thermische Belastung. Ableitung von Auslegungsregeln zur Vermeidung von Materialversagen bei gleichzeitigen Materialeinsparungen - Optimale Integration in den bestehenden Prozess im Bezug auf Auslegung/Dimensionierung der einzelnen Komponenten und Betriebsführung des Speichers Ziel des geplanten Vorhabens ist es daher, Hindernisse zu überwinden, die bisher eine breite kommerzielle Einführung von Schüttgutspeichern verhindert haben oder kostentreibende Konstruktionslösungen und Überdimensionierungen erforderlich machten.

Akustische Strukturüberwachung von Druckbehältern und Wärmetauschern der chemischen Industrie bei erhöhten Temperaturen, Teilvorhaben: Entwicklung und Charakterisierung hochtemperaturfähiger Wandler

Integration des 'Geothermal-Hub'-Konzepts in das Wärmeversorgungssystem eines Forschungscampus, Teilvorhaben: Gebäudebestandsanalyse und geothermische Potentiale

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