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Ein Modell für den naturnahen Wasserhaushalt

Seit 1999 müssen Stadtplaner die urbane Wasserbewirtschaftung möglichst naturnah und umweltfreundlich gestalten. Für eine solche nachhaltige Wasserwirtschaft fehlten teilweise aber noch die Grundlagen. Bislang war es noch kaum erforscht, wie Regenwasser auf verschiedenen Siedlungsflächenverhalten versickert oder verdunstet, und wie sich diese Faktoren auf das städtische Mikroklima auswirken. Im Projekt des Lehrstuhls für Hydrologie der Universität Freiburg entstand deshalb ein Modell, das diese Faktoren für verschiedene Bebauungsarten analysierte und mit unbesiedelten Flächen im Umland verglich. Dafür kartierten die Wissenschaftler das Stadtgebiet von Freiburg und teilten es in verschiedene Oberflächenarten ein, z. B. Pflaster oder Asphalt, Häuser oder städtische Grünflächen ein. Auf verschiedenen Referenzflächen wurde über drei Jahre hinweg gemessen und festgehalten, wie dort Regenwasser verdunstet oder versickert, sich auf Stadtklima und Grundwasser auswirkt und wie effizient das Kanalsystem und bestehende Versickerungsmaßnahmen sind. Der Vergleich mit einer unbebauten Naturfläche im Umland erlaubt Rückschlüsse darauf, wie naturnah der Freiburger Wasserkreislauf ist. In Zusammenarbeit mit dem Eigenbetrieb Wasserwirtschaft der Stadt Freiburg und dem Ingenieurbüro Ernst & Co entstand so ein Instrument, das es zukünftig erlaubt, für einzelne Gebiete oder eine Stadt genaue Vorhersagen zu treffen. Eine Fallstudie in Landwasser ergänzte das Projekt. Aus diesen Erkenntnissen entwickelten die Forscher ein Model, das es auch anderen Städten erlaubt, ihre Wasserwirtschaft künftig nachhaltiger zu gestalten.

Wesentliche Erkenntnisse:

  • Die entwickelten Simulationswerkzeuge erlauben die zeitliche Dynamik des Wasserhaushaltes für die natürlichen, teilversiegelten und versiegelten Flächen, sowie für die dezentralen und zentralen Maßnahmen zur Versickerung von Niederschlag detailliert zu betrachten und in Ihrer Wirkung auf den gesamten Wasserhaushalt des Siedlungsraumes zu bewerten.
  • Anhand des vorliegenden Modells lässt sich der Einfluss von Regenwasserbewirtschaftungsmaßnahmen auf den Wasserhaushalt innerhalb von Siedlungsräumen nun zusätzlich auch in seiner Abweichung vom Wasserhaushalt naturnaher Referenzflächen quantifizieren und bewertet werden. Das Modell ist in allen Siedlungen anwendbar.
  • Die Verfügbarkeit von Wasser in Städten für die Verdunstung kann gezielt zur Verringerung der Erwärmung städtischer Innenräume durch den Klimawandel beitragen. Dazu ist jedoch die genaue Berechnung des Wasserhaushaltes aller Oberflächentypen, sowie zentraler und dezentraler Maßnahmen zur Regenversickerung notwendig.

Projektdaten

Projektnummer 2015-08
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Universität Freiburg, Lehrstuhl Hydrologie - Fakultät für Umwelt und natürliche Ressourcen
Laufzeit Mai 2015 bis Juli 2019
Zuschuss 247.969

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Unterstützung der Hydrolyse durch aerobe Produktion von Enzymen unter Verwendung von Gärresten in einer Biogasanlage
Offenburg

Enzymvorstufe verbessert Biogasproduktion

Bei Energiepflanzen der zweiten Generation nutzt man zunehmend nicht nur Teile sondern die gesamte Pflanze. Dies bedeutet jedoch auch, dass zunehmend cellulosehaltige Substrate in die Biogasanlagen gelangen. Cellulose ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und besteht aus Kohlenhydraten, welche die Mikroorganismen nur schlecht oder schwer abbauen können. Die Forschung konzentriert sich deshalb darauf, diese Kohlenhydrate durch Hydrolyse – d.h. eine chemische Spaltung mit Wasser - besser zu zersetzen. Dafür kann man das Substrat beispielsweise mechanisch besser zerkleinern oder Druck und Temperatur in den Gärbehältern verändern. Die Hochschule Offenburg verfolgt einen dritten Weg: Sie setzt hydrolytisch wirkende Enzyme ein – ein Ansatz, der andernorts bereits erfolgreich erprobt wurde. Anstatt ständig neue Enzyme zuzusetzen, zielte man in Offenburg darauf, sie im Gärprozess selbst fortlaufend herzustellen. Dazu trennten die Forscher einen Nebenfermenter ab und füllten ihn mit einem Kultivierungsmedium aus einem Teil Gärrest sowie einem cellulosehaltigem Teilstrom. Der mineralstoffreiche Gärrest versorgt die enzymproduzierenden Pilze und Bakterien mit Nährstoffen, die Cellulose sorgt für die notwendige Stärke. Die Wärme aus dem Hauptfermenter sichert die notwendige Temperatur. Das nun enzymhaltige Gemisch fließt dann später wieder dem Hauptfermenter zu. Ziel des Projektes war es, Pilze und Bakterien zu identifizieren, die thermophil wachsen und besonders gut die gewünschten Enzyme produzieren. Anschließend entwickelten die Forscher Analyseparameter und optimieren die Zusammensetzung von Substrat und Kultivierungsmedium. Nach der Wirtschaftlichkeitsberechnung entwickelten sie dann ein Model um die Fermentationsstufe mit Enzymeinsatz vom Labor auf größere Anlagen zu übertragen. Das Offenburger Model bietet mehrere Vorteile für viele ähnliche Biogasanlagen in Deutschland: Die Ausbeute an Biogas steigt während gleichzeitig bisher ungenutzte cellulosehaltige Substrate zum Einsatz kommen können. Durch die Enzyme verbleibt das Substrat außerdem kürzer im Hauptfermenter. Weil der Gärrest als Kultivierungsmedium dient, können die Anlagenbesitzer außerdem ihre Lager verkleinern.

TeWaB, Wirkungsgradsteigerung eines BHKW mittels Thermoelektrischem Wärmetauscher
Freiburg

Thermoelektrische Generatoren im Hochtemperaturbereich für BHKW

Wie wirtschaftlich ein BHKW ist, hängt wesentlich von dessen elektrischem Wirkungsgrad ab. Wärmetauscher mit thermoelektrischen Generatoren können aus dem heißen Abgas des BHKWs zusätzlich Strom gewinnen und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärmeströme zwischen einer warmen und einer kalten Seite in elektrische Energie um. Sie sind robust, weitgehend wartungsfrei und langlebig, jedoch eigneten sich herkömmliche Generatoren nur für Temperaturen bis 200 °C. So bleibt die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom ungenutzt. Das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik (IPM) hat in den vergangenen Jahren erstmals Module entwickelt, die sich für Temperaturen bis 550 °C eignen. Zusammen mit der Firma Schleif Automation, spezialisiert auf den innovativen Anlagenbau, entwickelt das IPM einen thermoelektrischen Generator, der parallel zum vorhandenen Wärmetauscher die BHKW-Abwärme nutzt. Hierdurch kann neben der reinen Brauchwassererwärmung zusätzlich mit Hilfe des Wärmetauschers elektrischer Strom generiert werden. Das Projektteam simuliert zunächst das Verhalten des thermoelektrischen Wärmetauschers bei Betrieb im Abgasstrom eines BHKWs, um eine möglichst hohe Ausbeute an elektrischer Leistung zu erzielen. Danach wird ein eigens optimierter thermoelektrischer Wärmetauscher hergestellt und in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW eingesetzt. Die anfallenden Daten integrieren die Forscher in die BHKW-Steuerungssoftware, um einen reibungslosen und effektiven Betrieb zu garantieren. Nach dieser Testphase kommt der Wärmetauscher in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW zum Einsatz. Die Forscher rechnen damit, dass ihr System den elektrischen Wirkungsgrad der BHKW um etwa 3 % steigert. In Zukunft könnten solche thermoelektrische Generatoren nicht nur in BHKWs, sondern auch in Fahrzeugen Verwendung finden und so dazu beitragen Treibstoff und CO2 einzusparen.

Energiewirtschaftliche- und lokale Systembetrachtung der Eigenstromnutzung von PV-Anlagen
Freiburg

Einspeisung oder Eigenstrom aus Photovoltaikanlagen

In den vergangenen Jahrzehnten ist die Anzahl der Solaranlagen in Deutschland stetig gestiegen. Wegen der attraktiven Vergütung speisten die Besitzer den Strom bisher überwiegend ins öffentliche Netz ein. In Zukunft jedoch sinken die Einspeisevergütungen, so dass sie dem Strompreis aus dem Netz entsprechen – die so genannte Netzparität – oder sogar darunter liegen. Das macht es einerseits attraktiver, den Strom selbst zu nutzen, andererseits müssen die Betreiber dafür jedoch in Stromspeicher investieren. Anhand des Freiburger Verteilnetzes untersuchte das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) und badenova, wie sich die sogenannte Netzparität auf Netz und Nutzerverhalten auswirkt. Mit Hilfe des geografischen Informationssystems (GIS) der badenova analysierten die Wissenschaftler, welche Anlagen wann und wo wie viel Strom herstellen und ab wann es für die Nutzer wirtschaftlich ist, den Strom selbst zu nutzen. Anschließend erstellten sie verschiedene Szenarien, die die Chancen und Risiken für Nutzer und Netzbetreiber abwägen und prognostizieren, wie sich diese auf Strompreis und Umwelt auswirken. Mit Hilfe dieser Daten entwickeln die Projektpartner eine Informationskampagne für Anlagenbesitzer. Das Projekt hilft Netzbetreibern und Anlagenbesitzern sich auf einen dezentraleren Strommarkt einzurichten. Darstellung dreier wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt Bei kleinskaligen Projekten – von der Erzeugerseite oder von der Verbraucherseite her kleinskalig – ist es aus ökonomischer Sicht schwierig, sich als zusätzlicher Akteur (≠ Verbraucher) zu involvieren, sofern nur unmittelbare wirtschaftliche Gründe für den Endnutzer eine Rolle spielen und eine hohe Verzinsungserwartung vorliegt. Bei großen Verbrauchergruppen (vergleichbar mit >30 Wohneinheiten) und entsprechend größeren Erzeugeranlagen kann eine wirtschaftliches Geschäftsmodell für alle beteiligten Akteursgruppen jedoch erreicht werden. Batteriesysteme sollten im Kontext der Steigerung des Eigenverbrauchs und des Autarkiegrades nicht zu groß dimensioniert werden. Es herrschen Vorbehalte bei Gewerbe- und Industriekunden hinsichtlich des Einsparens durch „Eigenverbrauch“ aufgrund höherer Komplexität des Geschäftsmodells und regulatorisch gefühlter Unsicherheit; „altes“ Modell „Einspeisevergütung pro kWh“ psychologisch gesehen deutlich überzeugender. Stromabsatz an Verbraucher wird durch erste „2kWh-Batteriekapazität“ noch einmal signifikant reduziert im Bezug zu Verbraucher mit PV-Anlage und keinem Batteriesystem. Dies gilt für alle untersuchten Verbrauchergruppen. Werden Abweichungen zum SLP – verursacht durch ein PV-Batteriesystem – mit Ausgleichsenergiepreisen bewertet, so ergeben sich signifikante „Kosten“ pro Haushalt. PV-bereinigte SLPs sind gut geeignet diese angesetzten „Kosten“ wieder zu senken. Die zentralen Ergebnisse des Projekts finden Sie im Abschlussprojekt.