Der Klimawandel verschärft die Probleme der Verfügbarkeit von Trinkwasserressourcen, die bereits für 80% der Weltbevölkerung bedroht sind. Es ist von daher wichtig, Systeme sorgfältig zu konzipieren, die Wasser mit hoher Zuverlässigkeit, langfristiger Nachhaltigkeit und niedrigere Kosten bereitstellen können. Außerdem erzeugt die Energiewende in der nahen Zukunft stark schwankende Strompreise was sich auf die Gestaltung, den Betrieb und die Kosten von Wasserversorgungssystemen auswirken wird. In der Literatur sind erste koordinierte Planungsansätze für Wasser- und Energiesysteme aufgetaucht. Diese jedoch begrenzen sich hauptsächlich auf die Bewertung einzelner Wasseranlagen. Das Verständnis komplexerer (z.B. aus mehreren Quellen bestehender) Wassersysteme, die langfristige Investitionsplanung von gekoppelten Wasser-Energie-Systemen und die langfristige Nachhaltigkeit unter dem Einfluss des Klimawandels sind entscheidende Aspekte, die mehr Forschung erfordern. Unser übergreifendes Ziel ist die Verbesserung des Planungsprozesses der Infrastruktur und des Betriebs von Wasserversorgungssystemen, wobei der Schwerpunkt auf der Wasserentnahme und -produktion aus verschiedenen Quellen liegt. Diese Methoden zur Entscheidungsfindung werden auf die Ressourcenknappheit, die Klimaunsicherheit und die fortschreitende Energiewende zugeschnitten und gleichzeitig die Komplexität von Wassersystemen mit mehreren Quellen berücksichtigen. Unser Vorhaben ist in drei Arbeitspakete strukturiert. Im ersten werden wir Methoden zur Planung des kurzfristigen (Wochen) Betriebs komplexer Systeme der lokalen Wasserversorgung vorantreiben. Dafür werden wir neuartige multikriterielle Optimierungsmodelle (Wasserqualität, Kosten) für Wasserversorgungssysteme mit mehreren Quellen entwickeln, die in intelligente Energiemärkte eingebunden sind. Maschinelles Lernen zur Vorhersage des Wasserbedarfs und der Stromkosten für die Wasserproduktion wird in dieses Optimierungsproblem eingebettet. Im zweiten Arbeitspaket werden wir Optimierungsmodelle für eine koordinierte Investitionsplanung für die Infrastruktur von Wasser-Energie-Systemen entwickeln. Diese werden so konzipiert sein, dass sie gegen Dürren unterschiedlicher Intensität und Dauer abgesichert sind, wie die Megadürren, die vielen Ländern in jüngster Zeit widerfahren sind. Im dritten Arbeitspaket werden wir unsere Methoden erweitern, um mit tiefen (d.h. schwer quantifizierbaren) Unsicherheiten umzugehen, die das langfristige (Jahrzehnte) Wassermanagement prägen. Unsere dazu entwickelten Methoden werden sich auf adaptive Investitionsstrategien konzentrieren. Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung werden Konzepte und Methoden für ein nachhaltiges und kosteneffizientes Wassermanagement sein, einschließlich der Betriebs- und Infrastrukturplanung. Die Weiterentwicklung dieser Planungsmethoden wird dazu beitragen, die Wasserversorgungssysteme auf den Klimawandel und auf die Gefährdung der Versorgungssicherheit vorzubereiten.
Bereits in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts sichern reichlich vorhandene natürliche Ressourcen des nordamerikanischen Kontinents die Existenz der ersten deutschen Emigranten verschiedenster religiöser Minderheiten. Die Gründungen von deutschen Siedlungen in Pennsylvania und North Carolina zeigen schon frühe Maßnahmen des Waldschutzes und einer ersten nachhaltigen Holznutzung, die sowohl auf einer Inventarisierung des Ressourcenpotenzials als auch auf einer entsprechenden Nutzungskontrolle basieren. Im 18. und 19. Jahrhundert wird dagegen die deutsche Auswanderung nicht nur durch landwirtschaftliche Missstände, sondern auch durch eine regional aufkommende 'Holznot' verstärkt, die Bauern, Handwerker und Arbeiter gleichermaßen betrifft. Seit der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts werden erste Eisen- und Glashüttenstandorte in Pennsylvania, New York State und anderen Staaten an den großen Seen gegründet, die zunächst stark an die Ressource Holz und Steinkohle gebunden sind und entsprechend negative Auswirkungen auf Wald und Umwelt zeigen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts sind aufgrund der großen Entwaldungen erste Anfänge einer nordamerikanischen Naturschutzbewegung zu erkennen. In der Folgezeit werden vermehrt Kahlflächen aufgeforstet und zu Ende des 19. Jahrhunderts erste forstliche Ausbildungsstätten von deutschen Forstwissenschaftlern gegründet. Ein intensiver deutsch-amerikanischer Fachaustausch findet bis Ende der 1930er Jahre statt. Erste Studien zeigen, dass eine retrospektive Forschung wertvolle Rückschlüsse auf die Entwicklung des deutsch-amerikanischen Wald- und Naturverständnisses ermöglicht eine in heutiger Zeit noch weitgehend unbeachtete, dafür aber umso wichtigere Komponente der Umweltwahrnehmung. Gleichzeitig ist die besondere Bedeutung eines nachhaltigen Ressourcenmanagement aufzuzeigen. Folgende wissenschaftliche Fragen lassen sich ableiten: - Sozial- und mentalitätsgeschichtlich: In welcher Form und in welchem Maße wirkten sich Erfahrungen erlebter Ressourcenknappheit der Auswanderer auf Reaktionen auf die sich im 19. Jahrhundert zunehmend verschlechternde Waldressourcenqualität in den USA aus ? - Umweltgeschichtlich: Ist bereits im 18. und 19. Jahrhundert eine dezidierte Umweltwahrnehmung im deutsch-amerikanischen Auswanderungsmilieu festzustellen ? - Forstgeschichtlich: Inwiefern trägt eine von außerhalb der Staatsgrenzen erfolgte kritische Betrachtung sowohl nordamerikanischer als auch deutscher Waldbewirtschaftung dazu bei, auf beiden Seiten forsthistorische Aussagen des 19. und 20. Jahrhunderts zu relativieren ? - Ressourcenpolitisch: Welche Ansatzpunkte liefert eine zeitnähere und räumlich verlagerte Untersuchung der Ressourcenproblematik in den USA, um die heutige Gesellschaft und Politik für einen nachhaltigen Umgang mit ihren Lebensressourcen zu sensibilisieren ?
Die ökonomische und ökologische Energiebereitstellung stellt eine zentrale gesellschaftliche Herausforderung dar. Diese wird durch die steigenden Umweltbelastungen bei gleichzeitig wachsendem weltweitem Energiebedarf und zunehmender Ressourcenverknappung bedingt. Für mobile Antriebe nimmt insbesondere die Verminderung des bei der motorischen Verbrennung entstehenden Treibhausgases CO2 sowie der Schadstoffemissionen ein wichtiges Ziel ein. Dies sind zum Beispiel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (uHC) und Ruß, die erheblich zur städtischen und regionalen Luftverschmutzung beitragen. Zur Realisierung von hohen Wirkungsgraden bei gleichzeitig niedrigen Schadstoffemissionen untersucht die FOR2401 die zukunftsträchtige Niedertemperaturverbrennung (NTV). Die NTV kann sowohl auf Ottomotoren (Gasoline Controlled Auto Ignition, GCAI) als auch auf Dieselmotoren (Premiexed Charge Compression Igniton) angewendet werden und zeichnet sich als ein Brennverfahren aus, welches das Potential bietet, bereits innermotorisch die Emissionen deutlich zu reduzieren. Die Komplexität der Prozessführung ist einer der wesentlichen Gründe, welcher die technische Anwendung der NTV aktuell verhindert. Der Ablauf der NTV wird maßgeblich von lokalen thermodynamischen Zuständen und strömungsmechanischen Effekten bestimmt. Die Zeitskalen der hierbei auftretenden Abläufe sind kleiner als die des Verbrennungszyklus und können deshalb nicht mit einer dem Stand der Forschung entsprechenden zyklusbasierten Regelung beeinflusst werden. Um eine hinsichtlich Stabilität, Wirkungsgrad und Schadstoffemissionen verbesserte Prozessführung zu ermöglichen, werden im Rahmen der Forschergruppe Multiskalenregelungskonzepte untersucht, welche Neuland darstellen. Zur erfolgreichen Realisierung der Multiskalenregelung müssen grundlegende Forschungsfragen aus den Disziplinen Chemie, Verbrennungstechnik, Motorenforschung, Regelungstechnik und Numerik geklärt werden. Aus diesem Grund setzt die Forschergruppe auf einen stark vernetzten, interdisziplinären Ansatz. Innerhalb der FOR2401 soll ein detailliertes physikalisch-chemisches Prozessverständnis der NTV und der zugehörigen Beeinflussungsmöglichkeiten entwickelt werden, wodurch eine Beschreibung in Form von mathematischen Modellen ermöglicht wird. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden maßgeschneiderte regelungstechnische Methoden entwickelt, die auf Echtzeitoptimierung basieren und die Kontrolle auf einer kleineren als der aktuell möglichen Zeitskala erlauben. Die Forschung erfolgt im engen Schulterschluss zwischen Natur- und Ingenieurswissenschaftler/innen der Universität Bielefeld, der Universität Freiburg und der RWTH Aachen University.
In diesem Forschungsprojekt sollen zwei gegenläufige Aspekte der zukünftigen Entwicklungen auf den Energiemärkten untersucht werden: Energieknappheit momentan (Energiearmut charakteristisch für den Großteil der Weltbevölkerung) und vor allem in der Zukunft durch das einerseits rasante Bedarfswachstum (vor allem in China, Indien und anderen Schwellenländern) und andererseits der begrenzten Ressourcen an fossiler Energie. Globale Erwärmung und andere externe Effekte durch die Verwendung fossiler Energieträger. Daher sind aus umweltpolitischer Sicht eigentlich zu viele fossile Energieträger vorhanden. So unterschiedlich die beiden Probleme scheinen, deren Lösung ist durch einen gemeinsamen Nenner charakterisiert: ein relativ schneller Übergang zu alternativer und erneuerbarer Energie. In dieser Studie soll dieser Übergang aus unterschiedlichen Gesichtspunkten und auch mit interdisziplinären Ansätzen analysiert werden. Eine Fragestellung ist die; ob Preis- oder Mengeninstrumente (wie Zertifikate) geeigneter sind CO2-Emissionen zu reduzieren. Ein anderer Aspekt ist der der Gestaltung von Anreizen für die Bereitstellung von erneuerbarer Energie. Dabei sollen auch auf mögliche Skalenerträge berücksichtigt werden, wie sie auch im Vorschlag Desertic (Solarstrom aus der Sahara) implizit zum Ausdruck kommen. Dieses exemplarische Projekt unterstreicht auch noch andere wichtige Aspekte wie die einer geopolitischen Dimension und das Problem, dass sich Regierungen nicht binden können, die versprochenen Anreize zu streichen. Weitere Vorhaben sind die Analyse der Konkurrenz von Biotreibstoffen mit Lebensmitteln um landwirtschaftlich nutzbare Flächen und die strategische Wahl der russischen Erdölförderung (Angebotsdynamik, der russische 'Oil Peak, Konkurrenz mit Erdgas, Energieeffizienz und damit verbunden das Problem lokal niedriger Preise und der Übergang zu erneuerbarer Energie). Zur Analyse wird eine breite Palette von Methoden wie Gleichgewichtsmodelle, dynamische Optimierung und Spiele (deterministisch und stochastisch), Anreizmechanismen, Ansätze der Neuen Politischen Ökonomie, etc. zur Anwendung kommen.
Zielsetzung:
Im Zuge des Klimawandels, insbesondere durch einen steigenden Verdunstungsanspruch bei gleichzeitig stagnierenden Niederschlagsmengen, steigen die Anforderungen der Landwirtschaft an Wasserressourcen für die Feldberegnung. Diese stoßen aber regional auf Einschränkungen, da das nachhaltig verfügbare Bewässerungswasser begrenzt ist und konkurrierende Nutzungsansprüche bestehen. Dadurch können optimale Wassergehalte im Boden für das Pflanzenwachstum nicht durchgehend gewährleistet werden.
Aus diesem Grund sollte sich die mengenmäßige und zeitliche Verteilung der Bewässerungsgaben am zu erwartenden Ertragseffekt orientieren. Ziel ist es, ineffiziente Wassergaben, also solche ohne relevanten Mehrertrag oder ohne Beitrag zur Produktqualität, zu vermeiden. Ein enger Zusammenhang besteht zudem zwischen der Wasserversorgung, der Ertragsbildung und der Stickstoffnutzungseffizienz. Eine bedarfsgerechte Bewässerung steigert nicht nur die Effizienz der Stickstoffnutzung, sondern ermöglicht auch, das Wasserangebot bei der schlagbezogenen Abschätzung des Ertragspotenzials zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine gezieltere Düngung möglich, wodurch Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen vermieden werden können.
Zur Entscheidungsunterstützung im Bereich der Beregnungssteuerung werden derzeit verschiedene methodische Ansätze genutzt, darunter Messungen des Wasserzustands in Boden und Pflanze sowie wasserhaushaltsbasierte Berechnungen. Diese Verfahren sind jedoch in der Praxis oft zu aufwändig, insbesondere bei einer einzelschlagbasierten Anwendung.
Fernerkundliche Messverfahren bieten hier Vorteile, da sie leichter anwendbar sind, schlagbezogen repräsentativere Daten liefern und dadurch in der landwirtschaftlichen Beratungspraxis auf größere Akzeptanz stoßen können. Die bislang dominierenden Wasserhaushaltsberechnungen berücksichtigen allerdings keine Rückkopplungseffekte auf das Pflanzenwachstum und sind daher nicht in der Lage, mögliche Ertragswirkungen zu quantifizieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung gekoppelter Pflanzenwachstums- und Bodenwasserhaushaltsmodelle. Diese Modelle können Ertragseffekte in Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit besser abbilden, vorausgesetzt, es stehen hinreichend genaue Modelle zur Ertragsbildung der betreffenden Kulturen sowie präzise Felddaten für die Modellkalibrierung zur Verfügung.
Ziel des Vorhabens ist es, ein Entscheidungsunterstützungssystem zur Optimierung von Bewässerung und Stickstoffdüngung für die Kulturen Kartoffel und Winterweizen zu entwickeln und in die landwirtschaftliche Beratungsplattform ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion) zu integrieren. Für Winterweizen kann dabei teilweise schon auf bestehenden Ansätzen aufgebaut werden.
Auf Basis von Feldversuchen sollen Methoden und Modelle entwickelt oder weiterentwickelt werden, um, differenziert nach lokalem Boden- und Wetterregime, funktionale Zusammenhänge zwischen Bewässerungsmenge und -zeitpunkt sowie Ertragsbildung zu erfassen. Hieraus erfolgt dann die Entwicklung optimierter Düngungs- und Bewässerungsstrategien, wobei auch die Allokation knapper Ressourcen innerhalb der Fruchtfolge des Betriebs berücksichtigt wird. Nach der Implementierung soll das Entscheidungsunterstützungssystem in der Beratungspraxis etabliert und evaluiert werden.