Das Projekt "Wovon wir reden, wenn wir von Unsicherheit reden - Eine Bewertung der Bayes'schen Statistik als Mittel zur hydrogeologischen Unsicherheitsanalyse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Geowissenschaften durchgeführt. Die Relevanz von Unsicherheitsanalysen in der Hydrogeology ist vergleichsweise groß aufgrund der Tatsache, dass Aquifereigenschaften oft sehr heterogen sind und meist nur wenige in-situ Daten zu deren Charakterisierung zu Verfügung stehen. Die Bayes'sche Statistik ist hervorragend geeignet, um solche Analysen durch zu führen. Verglichen mit klassicher, frequentistischer Statistik lassen sich Unsicherheiten deutlich einfacher modellieren, können Wahrscheinlichkeitsaussagen auch für Einzelfälle getroffen werden und Hintergrundwissen von ex-situ Messungen konsistent mittels der A-priori-Verteilung repräsentiert werden. In der Praxis werden allerdings sowohl Unsicherheitsanalyse wie auch Aquifercharakterisierung nur selten mit Bayes'schen Methoden durchgeführt. Der wahrscheinlich wichtigste Hinderungsgrund ist dabei die Schwierigkeit die A-priori-Verteilung zu bestimmen, welche die (Un)sicherheit bzgl. der Aquifereigenschaften ausdrückt bevor in-situ Daten berücksichtigt wurden. In diesem Projekt werde ich dieses Problem angehen, in dem ich (i) einen Arbeitsablauf zur Bestimmung der A-priori-Verteilung ausarbeite und (ii) den Einfluss solch einer Verteilung untersuche. Im ersten Teil werde ich Gebrauch machen von dem hierarchischem Bayes'schen Modell zur Bestimmung von A-priori-Verteilungen, welches in einer Zusammenarbeit zwischen der Arbeitsgruppe von Prof. Yoram Rubin und mir entwickelt wurde. Um dieses Modell mit einem umfangreichen und repräsentativen Datensatz zu versorgen, werde ich es mit einer etablierten Datenbank hydrogeologischer Messungen koppeln. Dadurch wird es möglich informative A-priori-Verteilungen zu bestimmen, welche das Hintergrundwissen von ex-situ Messungen repräsentieren. Im zweiten Teil werde ich den Einfluss dieser informativen A-priori-Verteilungen auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des resultierenden Datenwertes untersuchen. Dazu werde ich eine Reihe von klassischen Meß- und Interpretationsverfahren mit einem Bayes'schen Aquivalent vergleichen. Dabei wird vor allem die Frage des relativen Datenwertes im Mittelpunkt stehen. Relativ bezieht sich hierbei auf den Einfluss von in-situ Daten verglichen mit den ex-situ Daten, welche in der A-priori-Verteilung enthalten sind. Die Ergebnisse dieses Projektes werden demnach helfen einen konsistenten und reproduzierbaren Arbeitsablauf zur Ableitung hydrogeologischer A-priori-Verteilungen zu etablieren sowie deren Einfluss auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des relativen Datenwertes von in-situ Messungen zu bestimmen. Des Weiteren werden die Ergebnisse dazu dienen die Vorteile sowie mögliche Nachteile Bayes'scher Methoden für die hydrogeologische Unsicherheitsanalyse zu verstehen. Dadurch werden die Herausforderungen klar, die zu überwinden sind, um Bayes'sche Statistik zu einem allgemein genutztem Standard für hydrogeologische Unsicherheitsanalysen werden zu lassen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellgestützte netzübergreifende Analyse konvergierender Energieinfrastrukturen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung durchgeführt. Ziel des Verbundvorhabens ist es, die Rolle des Power-to-Gas (PtG) Konzeptes zu analysieren unter besonderer Berücksichtigung der Implikationen auf Strom- und Gasnetze. Die geplanten Arbeiten des gesamten Projekts umfassen zum einen die Analyse eines zukünftigen Speicherbedarfs, die Abschätzung von möglichen Überschussstrommengen und die kostenseitigen Auswirkungen eines Speichereinsatzes unter Berücksichtigung möglicher Alternativen zum PtG Konzept. Zum anderen werden strom- und gasnetzseitige Auswirkungen untersucht, die im Falle eines forcierten Einsatzes von PtG zu erwarten sind, wobei insbesondere standortspezifische Kriterien in den Blick genommen werden. Dies erfordert eine Analyse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Die Arbeiten des Teilprojekts umfasst u.a. die Erarbeitung eines Rahmendatensatzes (z.B. Energieträgerpreise, wirtschaftliche Entwicklung etc.), der von allen Projektpartnern genutzt werden soll. Dieser bildet auch die Grundlage für die volkswirtschaftliche Bewertung, die in Form von Szenarien und mit Hilfe eines Energiesystemmodells durchgeführt wird, das die Simulation des gesamten Energiesystems umfasst. Zu diesem Zweck wird das bestehende Energiesystemmodell erweitert, indem die Gasnetzinfrastruktur simuliert wird, was eine bessere Bewertung von Power to Gas Konzepten ermöglicht. Die geplanten Simulationen erfolgen in enger Abstimmung mit den modellgestützten Detailanalysen der Verbundprojektpartner.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Modellentwicklung, Verifizierung und Validierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Magdeburg-Stendal, Fachbereich Wasser, Umwelt, Bau und Sicherheit durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines validierten, numerischen Pyrolysemodelles welches die Grundlage für die Modellierung des Reaktionsverlaufes für alle gebräuchlichen Dämmstoffe aus NaWaRo bilden soll. Um das Modell für eine möglichst große Bandbreite an Baustoffen zu erstellen, werden zunächst einige repräsentative Baustoffe untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei zunächst auf Holz, Holzfasern und Zellulose. Im späteren Verlauf wird die Übertragbarkeit auf weitere NaWaRo-Dämmstoffe wie Hanf, Flachs, Jute und Kork überprüft, deren Schwelprozesse physiko-chemisch ähnlich sind. Zunächst werden die notwendigen Eingangsparameter anhand verschiedener Methoden der physikalischen Chemie bestimmt. Im nächsten Schritt werden labormaßstäbliche Versuche in unterschiedlichen Geometrien durchgeführt und mittels inverser Modellierung mit den Simulationsergebnissen verglichen. Dabei werden insbesondere die Wärme- und Stoffströme in Zusammenhang mit den Faktoren für eine Auslösung und Fortentwicklung der Schwelprozesse betrachtet. Abschließend sollen mehrere Versuchsreihen in größerem Maßstab zur Validierung und Überprüfung der Anwendbarkeit in der Praxis dienen. Die entwickelten physikalischen Zusammenhänge der Schwelprozesse können als Ausgangspunkt für allgemeine Rechenverfahren der nationalen bzw. europäischen Brandschutznormen dienen. Zukünftige Prüfanforderungen an nawaRo-Dämmstoffe, die mit Brandversuchen einhergehen, können somit im Vorfeld potenziell reduziert oder sogar durch das Modell substituiert werden. Durch das zu entwickelnde Modell ist es bei einem gleichbleibenden Sicherheitsstandard möglich, die Zeitdauer der Realbrandversuche, welche zum Teil mehrere Tage beträgt, um einen Großteil zu reduzieren. Die Ergebnisse werden dabei anwenderorientiert aufbereitet und herstellerübergreifend verwendbar gemacht, sodass Markthürden zur Anwendung von Dämmstoffen aus nawaRo unter Beibehaltung des Schutzzielniveaus weiter reduziert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Analyse thermischer Materialparameter und numerische Berechnung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Magdeburg, Institut für Apparate und Umweltechnik durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines validierten, numerischen Pyrolysemodelles welches die Grundlage für die Modellierung des Reaktionsverlaufes für alle gebräuchlichen Dämmstoffe aus nawaRo bilden soll. Um das Modell für eine möglichst große Bandbreite an Baustoffen zu erstellen, werden zunächst einige repräsentative Baustoffe untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei zunächst auf Holz, Holzfasern und Zellulose. Im späteren Verlauf wird die Übertragbarkeit auf weitere NaWaRo-Dämmstoffe wie Hanf, Flachs, Jute und Kork überprüft, deren Schwelprozesse physiko-chemisch ähnlich sind. Zunächst werden die notwendigen Eingangsparameter anhand verschiedener Methoden der physikalischen Chemie bestimmt. Im nächsten Schritt werden labormaßstäbliche Versuche in unterschiedlichen Geometrien durchgeführt und mittels inverser Modellierung mit den Simulationsergebnissen verglichen. Dabei werden insbesondere die Wärme- und Stoffströme in Zusammenhang mit den Faktoren für eine Auslösung und Fortentwicklung der Schwelprozesse betrachtet. Abschließend sollen mehrere Versuchsreihen in größerem Maßstab zur Validierung und Überprüfung der Anwendbarkeit in der Praxis dienen. Die entwickelten physikalischen Zusammenhänge der Schwelprozesse können als Ausgangspunkt für allgemeine Rechenverfahren der nationalen bzw. europäischen Brandschutznormen dienen. Zukünftige Prüfanforderungen an nawaRo-Dämmstoffe, die mit Brandversuchen einhergehen, können somit im Vorfeld potenziell reduziert oder sogar durch das Modell substituiert werden. Durch das zu entwickelnde Modell ist es bei einem gleichbleibenden Sicherheitsstandard möglich, die Zeitdauer der Realbrandversuche, welche zum Teil mehrere Tage beträgt, um einen Großteil zu reduzieren. Die Ergebnisse werden dabei anwenderorientiert aufbereitet und herstellerübergreifend verwendbar gemacht, sodass Markthürden zur Anwendung von Dämmstoffen aus nawaRo unter Beibehaltung des Schutzzielniveaus weiter reduziert werden.
Das Projekt "Auswertung eruptionsdynamischer Daten des Mt. Erebus, Antarktis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Zentrum für Meeres- und Klimaforschung, Institut für Geophysik durchgeführt. Die Quantifizierung vulkanischer Eruptionsdynamik ist immer noch eine der großen Herausforderungen der geophysikalischen Vulkanologie. Quantitative in situ Daten werden benötigt, um existierende Modelle für den präerutiven Magmentransport zu verifizieren und um neue Modell hierfür zu entwickeln. In situ Daten können aber nur mit einem gut ausgebauten vulkanologischen Monitoringsystem, welches sich an einem regelmäßig eruptierenden offenen Schlotsystem befindet, aufgezeichnet werden. Systeme dieser Art sind auf der Erde relativ selten und die beste Lokation ist wahrscheinlich Mt. Erebus in der Antarktis, da hier bereits ein gut ausgebautes Monitoringsystem existiert. Im Rahmen dieses Antrags werden wir die notwendige Infrastruktur entwickeln, um während des antarktischen Sommers 2003/2004 ein Doppler Radargerät am Kraterrand des Mt. Erebus zu betreiben. Das Radar soll alle strombolianischen Eruptionen während einer 4 wöchigen Messkampagne aufzeichnen. Mit Hilfe der Daten sollen die zeitliche Entwicklung der Eruptionsgeschwindigkeit untersucht und die während einer Eruption ausgestoßene Magmenmenge abgeschätzt werden. Wichtig ist weiterhin die Korrelation unserer Daten mit den vom Mount Erebus Volcano Observatory (MEVO) aufgezeichneten seismischen, akustischen, geodätischen und thermischen Signalen. Insbesondere ist ein Vergleich mit den akustischen Daten und Videoaufzeichnungen von Interesse, wodurch wir hoffen, die immer noch heftig diskutierte Frage des Überdrucks in Gasgroßblasen direkt vor der Eruption zu beantworten.
Das Projekt "Vorhaben: Turbulenzauflösende Simulationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Meteorologie und Klimatologie durchgeführt. Im arktischen Meereis befinden sich stets eisfreie Rinnen, welche einige 100km lang sein können und in ihrer Breite einige 10m bis über 10km. Eisrinnen sind wie offene Fenster, durch welche große Wärmemengen vom Ozean in die Atmosphäre gelangen. Sie spielen daher eine wichtige Rolle im arktischen (und auch antarktischen) Klimasystem im Wechselspiel zwischen Atmosphäre und Ozean. Allerdings sind die komplexen Austauschprozesse noch nicht verstanden und daher deren Berücksichtigung in Klimamodellen noch mit großen Unsicherheiten behaftet. So haben einige experimentelle als auch numerische Studien gezeigt, dass der Wärmeaustausch keineswegs linear mit der Fläche der Rinnen skaliert. Nicht nur die Breite der Rinnen spielt eine Rolle, sondern z.B. auch die Windgeschwindigkeit, Anströmrichtung und Schichtungsstabilität der Atmosphäre. Da thermische Effekte über die Rinne wiederum die meteorologischen Parameter in der Umgebung der Rinne beeinflussen, gibt es hier komplexe Wechselwirkungen. Zum Verständnis dieser und letztlich zur Entwicklung verbesserter Parametrisierungen von Eisrinneneffekten in Klimamodellen, werden in diesem Vorhaben hochaufgelöste turbulenzauflösende Simulationen der arktischen Grenzschicht in der Umgebung von Eisrinnen durchgeführt. Bei diesen Prozessstudien bilden die gemessenen MOSAiC-Daten eine wichtige Grundlage zur Initialisierung der Simulationen sowie zur Verifikation. Der Vorteil turbulenzauflösender Simulationen ist, dass die wesentlichen Prozesse explizit aufgelöst werden und daher weitestgehend unabhängig von gewissen Modellannahmen (Parametrisierungen) sind. Diesen Vorteil erkauft man sich allerdings durch einen sehr hohen Rechenzeitaufwand, da das Problem sehr hoch aufgelöst werden mit - teils mit einer Gitterweite von 10cm. Des weiteren wird in diesem Vorhaben auch eine Vergleichsstudie zwischen einem regionalen Klimamodell und dem verwendeten turbulenzauflösenden Modell durchgeführt.
Das Projekt "Weiterentwicklung der Simulationsmodelle für die späte Störfallphase zur Unterstützung der Verbesserung von Severe Accident-Strategien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Kernenergetik und Energiesysteme durchgeführt. Das Vorhaben adressiert innerhalb des im 'Projektförderprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie zur Sicherheitsforschung für kerntechnische Anlagen 2021-2025' benannten Forschungsgebiets 'Reaktorsicherheitsforschung (A)' den 'FuE-Bereich A2: Nachweisverfahren zur Beherrschung von Transienten, Stör- und Unfällen' und schägt hierfür direkte technische Beiträge u.a. zu 'Analysen zur Spätphase bei schweren Störfällen (z.B. Kühlungsstrategie, externe Maßnahmen, Spaltproduktfreisetzung)' sowie zu mehreren weiteren dort aufgeführten Themen vor. Die Lehren, die aus früheren Unfällen gezogen wurden, sollten vor allem dazu genutzt werden, bestehende Accident-Management-Strategien zu aktualisieren. Hierzu ist es notwendig, dass auch die in den Sicherheitsanalysen verwendeten Simulationswerkzeuge laufend verbessert und validiert werden, so dass sie auch zur Untersuchung der Wirksamkeit und der Verbesserung von Accident-Management-Strategien eingesetzt werden können. Hierbei ist eine weitgehend mechanistische 'Best-Estimate'-Beschreibung der Vorgänge in einem kontinuierlichen Ereignisablauf auch bei auslegungsüberschreitenden Störfällen mit Kernschmelzen anzustreben. In Vorgängervorhaben wurden Simulationsmodelle zur späten Störfallphase zum Simulationswerkzeug COCOMO-3D (Corium Coolability Model) zusammengeführt, das eine realistische Simulation der Prozesse während der späten Phase des Kernschmelzens im RDB sowie im Sicherheitsbehälter auf einer einheitlichen Modellbasis ermöglicht.Teile der Modelle aus COCOMO-3D sind auch Bestandteil des Codessystems AC2. Übergeordnetes Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist es, diese Spätphasenmodelle weiter zu entwickeln und ihre praktische Einsatzfähigkeit insbesondere für Untersuchungen zu Möglichkeiten einer Kühlung und damit der Stabilisierung von Kernschmelze sowohl im RDB als auch im Sicherheitsbehälter zu verbessern.
Das Projekt "Helmholtz-Kolleg: Energieszenarien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik, Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung durchgeführt. Im Rahmen der Energiewende sowie einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung stützen sich politische als auch energiewirtschaftliche Entscheidungen zumeist auf Verfahren der Systemmodellierung und der Szenarienanalyse. Diese resultieren aufgrund methodisch bedingter Unsicherheiten, unterschiedlicher Modellzielgrößen und -Annahmen sowie dem Abbildungsgrad der verwendeten Modelle oftmals in einer Vielzahl von Szenarien mit zum Teil konträren Aussagen. Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Notwendigkeit einer gesamtheitlichen (i.e. sozio-technischen) Betrachtung von Energieszenarien. Das interdisziplinäre Forschungsteam der Projektpartner KIT, Fraunhofer, Universität Stuttgart und dem DLR ermöglicht es, das zukünftige Energieversorgungssystem unter den verschiedenen Blickwinkeln der techno-ökonomischen Entwicklung, Bevölkerungsakzeptanz und Partizipation, sowie der Marktentwicklung und -Integration zu beleuchten. Innerhalb des Helmholtz-Kollegs 'Energieszenarien' untersucht die Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung des Instituts für Technische Thermodynamik am DLR Stuttgart insbesondere die Integration von Stromspeichertechnologien in das energiewirtschaftliche Gesamtsystem. Mit Hilfe eines kostenoptimierenden Modells werden dabei neben Abschätzungen zum zukünftigen Speicherbedarf unter verschiedenen Rahmenbedingungen, wie etwa dem Netzausbau, Strombedarf oder verschiedenen Erzeugungsportfolios, auch neue Speichertechnologien? und Innovationen unter systemanalytischen Gesichtspunkten bewertet und modelltechnisch abgebildet. Das Helmholtz-Kolleg 'Energieszenarien' fördert über 6 Jahre im Zeitraum von 2012-2018 bis zu 24 Doktoranden aus den Bereichen der Ingenieur?, Wirtschafts?, Sozial? und Geisteswissenschaften. Dabei werden in den zwei Förderzeiträumen (2012-2015, 2015-2018) jeweils sechs Stipendien vergeben. Die Stipendiaten werden die gesamte Förderungsdauer durch ein umfangreiches Curriculum begleitet.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Gewinnung aus flüssigen Destillations- und Extraktionsrückständen (Wasserdampf-Hydrolate, Destillationsmittel, Extraktionsmittel)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Julius Kühn-Institut, Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für Ökologische Chemie, Pflanzenanalytik und Vorratsschutz durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die wirtschaftliche und ressourceneffiziente Gewinnung pflanzlicher Wertkomponenten, die bislang in den Nebenströmen bei der Herstellung von ätherischen Ölen mittels Wasserdampfdestillation/Hydrodestillation als Abfallprodukte auftreten. Hierbei verbleiben jedoch sehr häufig gering wasserlösliche Komponenten wie z.B. Thymol und Carvacrol im sogenannten Hydrolat zurück, das dann in der Regel verworfen wird. Ebenso verbleiben die Destillationslösungen, in denen das pflanzliche Material mit Wasserdampf durchströmt wird, oftmals ungenutzt als Abfall und dieser muss unter Kosten entsorgt werden. Konkretes Ziel des Teilvorhabens 2 ist es daher, alle flüssigen Restphasen aus dem Prozess der Wasserdampf- bzw. Hydrodestillation bei der Gewinnung ätherischer Öle auf verbleibende pflanzliche Wertstoffe hin zu untersuchen und geeignete Isolationsmethoden zu entwickeln, diese Wertstoffe selektiv und in hoher Ausbeute zu erhalten. Dazu sollen ebenfalls Einflüsse auf Qualität und Quantität der erhaltenen Komponenten durch Variation der Betriebsparameter untersucht werden, um betriebswirtschaftliche Aspekte besser abschätzen zu können. Diese Prozesse sollen an ausgewählten Pflanzen, -teilen mit modellhaften Inhaltstoffen exemplarisch untersucht werden und ein Modell zur Abstraktion auf Flüssigphasen bei Verwendung anderer Pflanzensysteme entwickelt werden. Anschließende upscaling-Experimente sollen helfen, diese Prozesse für ein industrielles Umfeld zu bewerten.
Das Projekt "ViPro - Entwicklung virtueller Produktionssysteme in der Batteriezellfertigung zur prozessübergreifenden Produktionssteuerung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung durchgeführt. Das Fraunhofer IPA arbeitet in seinem Teilvorhaben am Gesamtziel des Aufbaus eines virtuellen Produktionssystems (VPS) und Erschließung standortübergreifender Datenpools entlang der Prozesskette einer Batteriezellfertigung. Es werden standardisierte semantische Beschreibungen der Modelle erarbeitet und auf dieser Basis der Formierungsprozess als Teil des virtuellen Produktionssystems modelliert. Zur Vernetzung der verschiedenen virtuellen und realen Maschinen und Steuerungen werden einheitliche Schnittstellen und Kommunikationsmöglichkeiten aufgebaut. Daneben soll die Plattform des VPSs aufgebaut und bereitgestellt werden.
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