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Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress, Teilvorhaben: Verifizierung des Toolkits EFECT

Die tiefe Geothermie in Deutschland hat das Potential ein entscheidender Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele zu sein - insbesondere bei der Wärmewende. Hierzu müssen jedoch die Risiken bezüglich der notwendigen Tiefbohrungen, Fündigkeit und Produktion weiter reduziert werden. Dabei ist die mechanische Integrität des Untergrundes entscheidend, beeinflusst sie doch maßgeblich die Reservoirqualität, die Bohrlochstabilität und das Auftreten induzierter Seismizität. Die mechanische Integrität des Untergrundes ergibt sich neben den geomechanischen Gesteinseigenschaften aus der Differenz zwischen minimalen Hauptspannungsmagnitude und dem Porendruck, der minimalen Effektivspannung. Das vorgeschlagene Projekt soll dazu beitragen, die Risiken und Gestehungskosten tiefengeothermischer Projekte in Deutschland zu verringern, indem erstmals Porendruck und somit minimale Effektivspannungen im Rahmen der World Stress Map zur Verfügung gestellt werden. Speziell für die Bohrplanung sind Porendruck und minimale Effektivspannung von zentraler Bedeutung, da sie das optimale Spülungsgewicht, die Rohrabsetzteufen und die Bohrlochstabilität definieren. In einem weiteren Schritt soll daher die neue Datenbank genutzt werden, um ein Bohrrisikomanagement-Toolkit zu entwickeln. Das Toolkit soll es ermöglichen unter Eingabe des Bohrstandorts und Bohrpfads automatisiert eine Vorhersage der minimalen Effektivspannung und Bohrlochstabilität zur Verfügung zu stellen. Das Toolkit wird von einem Industriepartner hinsichtlich seiner Eignung sowie der Sensitivitäten an realen Daten validiert und bzgl. seiner Handhabbarkeit optimiert. Die Verfügbarkeit einer Datenbank zu Porendruck und Effektivspannungen sowie die Bereitstellung eines Toolkits, das eine qualitativ hochwertige und standardisierte Vorhersage dieser Parameter erlaubt, wäre weltweit einzigartig und verschafft der Tiefen Geothermie in Deutschland sowohl sozioökonomische als auch sicherheitsrelevante Vorteile.

Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress

Die tiefe Geothermie in Deutschland hat das Potential ein entscheidender Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele zu sein - insbesondere bei der Wärmewende. Hierzu müssen jedoch die Risiken bezüglich der notwendigen Tiefbohrungen, Fündigkeit und Produktion weiter reduziert werden. Dabei ist die mechanische Integrität des Untergrundes entscheidend, beeinflusst sie doch maßgeblich die Reservoirqualität, die Bohrlochstabilität und das Auftreten induzierter Seismizität. Die mechanische Integrität des Untergrundes ergibt sich neben den geomechanischen Gesteinseigenschaften aus der Differenz zwischen minimalen Hauptspannungsmagnitude und dem Porendruck, der minimalen Effektivspannung. Das vorgeschlagene Projekt soll dazu beitragen, die Risiken und Gestehungskosten tiefengeothermischer Projekte in Deutschland zu verringern, indem erstmals Porendruck und somit minimale Effektivspannungen im Rahmen der World Stress Map zur Verfügung gestellt werden. Speziell für die Bohrplanung sind Porendruck und minimale Effektivspannung von zentraler Bedeutung, da sie das optimale Spülungsgewicht, die Rohrabsetzteufen und die Bohrlochstabilität definieren. In einem weiteren Schritt soll daher die neue Datenbank genutzt werden, um ein Bohrrisikomanagement-Toolkit zu entwickeln. Das Toolkit soll es ermöglichen unter Eingabe des Bohrstandorts und Bohrpfads automatisiert eine Vorhersage der minimalen Effektivspannung und Bohrlochstabilität zur Verfügung zu stellen. Das Toolkit wird von einem Industriepartner hinsichtlich seiner Eignung sowie der Sensitivitäten an realen Daten validiert und bzgl. seiner Handhabbarkeit optimiert. Die Verfügbarkeit einer Datenbank zu Porendruck und Effektivspannungen sowie die Bereitstellung eines Toolkits, dass eine qualitativ hochwertige und standardisierte Vorhersage dieser Parameter erlaubt, wäre weltweit einzigartig und verschafft der Tiefen Geothermie in Deutschland sowohl sozioökonomische als auch sicherheitsrelevante Vorteile.

Satellitengestützte Echtzeitüberwachung und Risikoabschätzung des Waldzustandes, Teilvorhaben 1: Bodengestütztes Monitoring

Neue Ansätze in digitalem Wald-Monitoring, Aufbereitung und der digitalen Bereitstellung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Daten zu Wuchsleistung, Stress, und Waldschäden sind dringend erforderlich, um die Auswirkungen mehrerer und kombinierter Stressfaktoren auf das Funktionieren von Waldökosystemen und den damit verbundenen Ökosystemleistungen besser und auch schneller beurteilen zu können. Das Verbundvorhaben WALD-Puls setzt sich aus zwei integrierten Teilvorhaben zusammen. Ziel des ersten Teilvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines Wald-Monitoring Systems, das in Nahe-Echtzeit und räumlich verteilt boden- als auch satellitengestützte Daten sammelt und verknüpft, um dadurch die Risikoabschätzung zu verbessern und langfristige Projektionen zu unterstützen - von der Wurzel bis zur Krone - vom Einzelbaum zum Bestand - vom Bestand zum Waldökosystem. Ziel des zweiten Teilvorhabens ist den bereits bestehenden Waldzustandsmonitor (WZM) bzgl. der räumlichen Auflösung und der zeitlichen Latenz zu verbessern, zusätzliche Produkte einschließlich Frühwarnindikatoren bereitzustellen um darauf basierend ein deutschlandweites, digitales Waldzustandsmonitoring aufzubauen. Beide TVs sollen durch ein integratives Arbeitspaket schließlich miteinander verknüpft werden, um durch iterative Optimierung maximale Synergien zu erzielen. Den traditionellen Blick von unten in die Baumkronen wird in WALD-Puls um den informierten Blick von oben erweitert. Echtzeitdaten des Baumwachstums werden mit Satellitendaten verschnitten, ermöglichen eine flächenhafte, hochaufgelöste Risikobewertung und werden direkt über eine Web-Plattform und ein gekoppeltes, automatisiertes Frühwarnsystem (z.B. SMS) Waldbewirtschafter*innen und anderen Interessent*innen zur Verfügung gestellt.

Zuckerrübe der Zukunft: Modell- und datenbasierte Ertragsszenarien für eine klimaangepasste Selektion in der Züchtung, Teilprojekt B

Das Projekt soll untersuchen, welche Ertragsszenarien aus der gegenwärtigen Bandbreite an Klimaszenarien folgen und welche pflanzenzüchterischen Anpassungsmaßnahmen, beispielsweise eine angepasste Standortwahl oder die Integration von indirekten Selektionsmerkmalen, geeignet sind, negativen Entwicklungen entgegenzuwirken. Dies dient direkt der Entscheidungsfindung in der Zuckerrübenzüchtung, um hier besser auf zukünftige Klimaänderungen reagieren zu können. Methodisch wird dabei auf einer bisher kaum eingesetzten Kombination von Phänotypisierungstechnik im Feldversuch, modellgestützter Analyse und Interpretation der Phänotypisierungsdaten sowie Szenarienrechnungen unter Einbeziehung von relevanten Klimaszenarien gesetzt. State-of-the-art Ensembles regionaler Klimamodelle werden zur Evaluierung der Effekte des Klimawandels eingesetzt. Der räumliche Fokus des Projektes liegt auf den für Deutschland relevanten Anbau- und Zuchtgebieten in Mitteleuropa. Es wird ausschließlich der heutige und zukünftige mit dem Klimawandel assoziierte abiotische Stress betrachtet.

Zuckerrübe der Zukunft: Modell- und datenbasierte Ertragsszenarien für eine klimaangepasste Selektion in der Züchtung, Teilprojekt C

Das Projekt soll untersuchen, welche Ertragsszenarien aus der gegenwärtigen Bandbreite an Klimaszenarien folgen und welche pflanzenzüchterischen Anpassungsmaßnahmen, beispielsweise eine angepasste Standortwahl oder die Integration von indirekten Selektionsmerkmalen, geeignet sind, negativen Entwicklungen entgegenzuwirken. Dies dient direkt der Entscheidungsfindung in der Zuckerrübenzüchtung, um hier besser auf zukünftige Klimaänderungen reagieren zu können. Methodisch wird dabei auf einer bisher kaum eingesetzten Kombination von Phänotypisierungstechnik im Feldversuch, modellgestützter Analyse und Interpretation der Phänotypisierungsdaten sowie Szenarienrechnungen unter Einbeziehung von relevanten Klimaszenarien gesetzt. State-of-the-art Ensembles regionaler Klimamodelle werden zur Evaluierung der Effekte des Klimawandels eingesetzt. Der räumliche Fokus des Projektes liegt auf den für Deutschland relevanten Anbau- und Zuchtgebieten in Mitteleuropa. Es wird ausschließlich der heutige und zukünftige mit dem Klimawandel assoziierte abiotische Stress betrachtet.

Mykotoxin-Boden-Interaktionen: Die Rolle des Bodens bei der Biosynthese, der Sorption, dem Abbau und der biologischen Wirkung von Mykotoxinen

Mykotoxine sind toxische Stoffwechselprodukte, die von Schimmelpilzen in verschiedenen Umweltmatrices, auch im Boden, produziert werden. Obwohl Mykotoxine reguliert sind und Strategien zur Vermeidung, Reduktion und Minderung entwickelt wurden und kontinuierlich angewendet werden, kommen Mykotoxine immer noch in Lebensmitteln vor, so dass der Mensch täglich gegenüber Mykotoxine exponiert ist. Deoxynivalenol (DON) ist ein Fusarium-Mykotoxin, das in Lebensmitteln weit verbreitet ist und auch in Biomonitoring-Studien häufig beobachtet wird. Die Biosynthese von DON in verschiedenen Matrices wird durch Umwelt- und chemische Faktoren bestimmt. Es wurde postuliert, dass die DON-Produktion die Folge einer stressvermittelten Reaktion ist, um die Anpassung von Fusaria an ungünstigen Bedingungen zu unterstutzen. Bisher ist bekannt, dass der Boden ist das Haupthabitat des Fusarieninokulum ist und dass DON und ähnliche Moleküle in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen worden sind. Ein Zusammenhang zwischen den Bodeneigenschaften und der Mykotoxinproduktion in situ ist jedoch noch nicht bekannt, obwohl es derzeit Hinweise darauf gibt, dass das Vorkommen von DON im Boden eine Reaktion auf ungünstige Bedingungen für das Wachstum von Fusarien darstellt, z. B. durch die Wirkung von Fungiziden. Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist, dass die in landwirtschaftlich genutzten Böden beobachteten Konzentrationen keine Informationen über die Entstehung und die Bedingungen für die Mykotoxinproduktion sowie über zusätzliche Prozesse, die die Restkonzentrationen beeinflussen können, liefern. In diesem Zusammenhang wurde auch noch nicht untersucht, ob die beobachteten Konzentrationen eine biologische Auswirkung auf Böden haben können. Um den Beitrag des Bodens zu den Mykotoxin-Vorkommen, -Restkonzentrationen und -Effekte zu verstehen, ist ein tieferes Verständnis der Mykotoxin-Boden-Interaktion erforderlich. Dies beinhaltet die Untersuchung von 1) Faktoren, die die Mykotoxin-Biosynthese fördern, z. B. Szenarien in der intensiven Landwirtschaft, 2) die Bestimmung von Rückstandskonzentrationen nach Prozessen der Biotransformation und Mobilität. Schließlich 3) DON hemmt das Wachstum von ausgewählten Bakterien und Pilzen, was eine biologische Reaktion des Mikrobioms (Abundanz, Struktur und Funktionen) vermuten lässt. Das Ziel dieses Antrags ist es, das Verständnis über Mykotoxin-Boden Interaktionen zu vertiefen, auf den Ebenen der Biosynthese in Abhängigkeit von Stressoren, des Verbleibs, d.h. der Sorption und Biotransformation, und der Auswirkungen auf Bodenmikroorganismen. Dieses Wissen wird dazu beitragen, die Faktoren, die die Produktion im Boden auslösen, und die Prozesse, die die effektiven Konzentrationen steuern, aufzuklären, und ist für weitere Präventionsstrategien, die den Boden bei der Einschätzung von Mykotoxinrisiken in der Zeit vor der Ernte berücksichtigen, unerlässlich.

Einfluss der Mykorrhizosphäre von Bäumen auf die Bodenentwicklung und Erosionsverminderung von Uran-Bergbaufolgelandschaften

Sonderforschungsbereich (SFB) 1537: Skalenübergreifende Quantifizierung von Ökosystemprozessen in ihrer räumlich-zeitlichen Dynamik mittels smarter autonomer Sensornetzwerke, Teilprojekt A03: Blattküvetten-Laserspektrometer-System zur Analyse der Photosynthese, ihrer 13C-Isotopen-diskriminierung, und Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC)

A3.1 Räumliche und zeitliche Auflösung der 13CO2- und VOC-Flüsse im BlattWir erfassen die räumliche und zeitliche Dynamik des Gaswechsels in Blättern innerhalb Baumkronen und Baumarten in einem Mischbestand. Durch die Messung der natürliche 13C-Isotopen Diskrimination können Anpassungen der Wassernutzungseffizienz und Umwelteinflüsse auf die Photosynthese entschlüsselt werden. Blattemissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) sind weitere Indikatoren für biotische und abiotische Stresse, so dass Hot Spots und Hot Moments in Echtzeit erfasst werden können. A3.2 Entwicklung von miniaturisierten Blattküvetten und kompakten Laser-spektroskopen für 13CO2-IsotopeWir entwickeln Mikro-Gasküvetten, welche in großer Zahl eingesetzt werden sollen, um die 3D-Variabilität der 13CO2-Isotope innerhalb des Kronendachs zu überwachen. Sie sind mit einem integrierten Öffnungs- und Schließ-mechanismus ausgestattet und werden mit mehreren kleinen, kostengünstigen Kohlenstoffisotopen-Laserspektroskopen verbunden, die auch die H2O-Flüsse in den Blättern messen werden. Da die Laserspektroskope nicht in ähnlichem Maße miniaturisiert werden können wie die Blattküvetten, werden sie an einer zentralen Stelle platziert und durch Schläuche verbunden.

Der Mensch und sein Organismus als Integralbestandteil ihrer natuerlichen oder veraenderten Umgebung; Gesamtkreislauf

Darstellung der genauen Gefaess-Gewebs-Relationen zum Gesamtkreislauf des lebenden Menschen bei den krebs- und uebrigen gut- und boesartigen endogenen Erkrankungen.

Smartkompensator für die kritische Infrastruktur, Teilvorhaben: Auswahl der Sensortechnik und Implementierung der Sensorik

Das Energieversorgungsnetz in Deutschland wird heterogener und komplexer. Die Projektierung vieler kleinerer, verteilter Kraftwerksanlagen zur Energiegewinnung sowie die Integration bestehender Systemkomponenten stellen neue Herausforderungen an die Anlagen sowie deren Teilkomponenten dar. Insbesondere das An- und Herunterfahren einer Gasturbine bewirkt thermischen und mechanischen Stress. Um Systemausfälle zu vermeiden, müssen die verwendeten Kraftwerkskomponenten optimiert werden. Kompensatoren sind kritische Anlagenkomponenten, die Bewegungen aufnehmen, sodass Schäden am System verhindert werden und die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems gewährleistet bleibt. Im Rahmen einer prädiktiven Instandhaltung (Predictive Maintenance) sollte es möglich werden, den Zustand von Kompensatoren im laufenden Betrieb und in Echtzeit zu überwachen und bevorstehende Wartungseingriffe zu prognostizieren. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Neuentwicklung eines Kompensators dessen Betriebszustand sensorisch erfasst und überwacht wird. Dafür wird ein experimentelles System zur Datenerfassung und -weiterleitung gebaut, das unter realen Bedingungen in einem Versuchskraftwerk in Deutschland getestet wird. Innerhalb des SMART-KIT Projektes wird damit ein neuartiges Bauteil für kritische Infrastrukturen getestet, das zu erhöhter Zuverlässigkeit an thermischen Kraftwerken beitragen kann und damit einen kostenintensiven Ausfall des Gesamtsystems verhindert.

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