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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.

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

Biokybernetiktheoretisch de- und induktive Erforschung von Methoden und Moeglichkeiten von ueberwiegend oekologischer Landbewirtschaftung

Praktische oekosystem-kompatible Landbewirtschaftungsmethoden inner- und ausserhalb Europas sollen einer bio- und oekokybernetiktheoretischen Erklaerung zugefuehrt werden.

Sonderforschungsbereich Transregio 32 (SFB TRR): Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation; Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems: Monitoring, Modelling and Data Assimilation, Teilprojekt B04: 3D integrative Modellierung und Upscaling der Wurzelwasseraufnahme

Die 7 m langen Rhizotron-Röhren an zwei Standorten in Selhausen werden für quasi nicht-invasives Monitoring auf der Plot-Ebene von Wurzelwachstum und Bodenprozessen mittels Minirhizotron-Kameras, GPR Antennen und einem NMR Slim-line Tool genutzt. Die mathematische Beschreibung kleinskaliger Heterogenität, die durch die einzelnen Wurzeln hervorgerufen werden, wird auf der Plot-Ebene durch effektive Parameter und Beziehungen zwischen Bodenwasserverfügbarkeit, Wurzelwasseraufnahme und dem Zustand des Pflanzenbestandes landwirtschaftlicher Nutzpflanzen ersetzt. Diese werden im Landoberflächenmodell CLM implementiert.

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.'

Saisonale Kaeltespeicherung im Erdreich

Zielsetzung: Bereits 1987 wurde in einem Firmengebaeude in Wetzlar erstmals der Erdsondenteil einer erdgekoppelten Waermepumpe als Kaeltespeicher benutzt und direkt zur Kuehlung eines Konferenzraumes im Sommer herangezogen. Nunmehr sollen durch weitere Untersuchungen die Einsatzfaehigkeit und Auslegungskriterien fuer derartige energiesparende Raumkuehlungsanlagen festgestellt werden. Arbeiten und bisherige Ergebnisse: In zwei Gebaeuden (Technorama, Duesseldorf, und Betriebsgebaeude Geotherm, Linden) wird eine Raumkuehlung mit Kaeltespeicherung im Erdreich betrieben. Dabei ist in Linden nur die direkte Kaelterueckgewinnung vorgesehen, waehrend in Duesseldorf zur Deckung des Spitzenbedarfs reversible Waermepumpen zugeschaltet werden koennen. Beide Anlagen haben im Sommer 1991 voll zufriedenstellend gearbeitet. Studien fuer den Einsatz in anderen Gebaeuden liegen vor; fuer die Auslegungsrechnung wurden PC-Programme der Universitaet Lund, Schweden, eingesetzt. In einem eigenen Projekt wurde ein Bericht zum Stand der Technik erstellt.

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

Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Koordination und weltweites Energiesystemmodell TIAM

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Neben der Koordination des Projektes und der Zusammenarbeit mit dem TCP ETSAP ist das Ziel des IER TIAM hinsichtlich der Industrieprozesse zu erweitern um Aussagen über den weiteren Einsatz von Wasserstoff und Synfuels, sowie möglicher Pfadabhängigkeiten zu treffen. Die Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops, Veröffentlichungen und als open Data Verbreitung finden.

Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Neben der Koordination des Projektes und der Zusammenarbeit mit dem TCP ETSAP ist das Ziel des IER TIAM hinsichtlich der Industrieprozesse zu erweitern um Aussagen über den weiteren Einsatz von Wasserstoff und Synfuels, sowie möglicher Pfadabhängigkeiten zu treffen. Die Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops, Veröffentlichungen und als open Data Verbreitung finden.

Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Industrielle Synfuelbezugskosten und Materialeffizienz

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Ziel des TUM-Teilprojektes ist es, die Energienachfrage der Aluminium-, Kupfer- und Chemie-Industrien weltweit räumlich aufgelöst sowie die Materialeffizienzsteigerungseffekte in der Fahrzeugindustrie zu ermitteln. Ferner sollen die Verfügbarkeit und Kosten der Synfuels, basierend auf die Standorte der EE-Anlagen sowie ermittelten Transportinfrastruktur bestimmt werden.

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