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Der Spreadsheet Energy System Model Generator (SESMG) ist ein Werkzeug zur Modellierung und Optimierung von (urbanen) Energiesystemen. Der SESMG hat eine browserbasierte grafische Benutzeroberfläche, eine tabellenbasierte Dateneingabe und eine ausführliche Dokumentation, was einen einfachen Einstieg ermöglicht. Zudem erfordern die Installation und Anwendung keine Programmierkenntnisse. Im SESMG sind verschiedene Modellierungsmethoden implementiert, wie z. B. die Anwendung des Multi-Energie-System-Ansatzes, die multikriteriale Optimierung, modellbasierte Methoden zur Reduktion des Rechenaufwands sowie die automatisierte Erstellung von räumlich hoch aufgelösten Energiesystemmodellen. Somit können urbane Energiesysteme mithilfe des SESMGs mit vergleichsweise geringem Aufwand, aber unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern und Randbedingungen, modelliert und optimiert werden.
Das Spektrum technischer Filter zur Niederschlagswasserbehandlung reicht von kompakten Anlagen im dezentralen Maßstab bis zu zentralen Anlagen mit mehreren Hektar angeschlossener Fläche. Die hier vorgestellten zentralen Systeme werden im Aufstromverfahren durchflossen. Der Zufluss wird dabei durch Sedimentation oder eine Sedimentation-Lamellen-Kombination vorbehandelt. Das Spektrum der eingesetzten Filtersubstrate ermöglicht den Rückhalt feiner Partikel (AFS63) bis hin zu gelösten Stoffen. Die Rückhaltewirkung von technischen Filtern kann sehr hoch sein, allerdings muss der Kompromiss zwischen Wirkung und Wartung gefunden werden. Die Überwachung der Systeme ist durch Bilanzierung der Füllstände vergleichsweise einfach. Erste Ansätze für eine Bemessung der Systeme werden vorgestellt.
Durch ihre multifunktionale Wirkung leisten Baumrigolen einen wichtigen Beitrag zur Klimafolgenanpassung. Baumrigolen kombinieren die Bewässerung von Stadtgrün mit dem Rückhalt und der Versickerung von Oberflächenabflüssen. Vor allem die Sys-teme mit Speicherelementen können zur Reduktion des Überflutungsrisikos beitragen. Den Baum selbst zeichnet bereits seine gestalterische Wirkung im urbanen Raum aus. Zusätzlich beeinflussen Bäume durch Beschattung und Verdunstung das Stadtklima positiv. Ergebnisse der Untersuchungen von Rigolensystemen im Nottul-ner Gemeindebereich belegen den positiven Effekt im wasserwirtschaftlichen Kontext. Durch Simulationsrechnungen und Messdaten wurden die versickerten und verduns-teten mit den abgeleiteten Abflussanteilen verglichen. Bislang zählen allerdings die Bedürfnisse von Bäumen nicht zu Fragestellungen, die bei der Bemessung wasser-wirtschaftlicher Systeme im Fokus stehen. Hier besteht noch erheblicher Klärungsbedarf.
Traditionelle, lineare Energiesysteme werden zunehmend zu vernetzten, regenerativen Energiesystemen transformiert. Mit dem auf dem „Open Energy Modelling Framework” (oemof) basierenden „Spreadsheet Energy System Model Generator” (SESMG) wurde ein Tool entwickelt, welches die Komplexität und Wechselwirkungen moderner Energiesysteme auf urbaner Ebene automatisiert abbildet. Zur Erstellung individueller Energiesystemmodelle sind ausschließlich quartiersspezifische Parameter notwendig, technische und wirtschaftliche Parameter sind standardmäßig hinterlegt. Mit Hilfe von Algorithmen werden Energieversorgungsszenarien identifiziert, welche individuell definierte Zielgrößen (z. B. monetäre Kosten oder Treibhausgasemissionen) minimieren. Durch die implementierten Methoden zur Modellvereinfachungen können auch mit begrenzten Rechenressourcen (insb. Rechenzeit und Arbeitsspeicherbedarf) große Systeme modelliert und optimiert werden. Die Zielszenarien werden als Diagramme und für die Weiterverarbeitung mit Geoinformationssystemen aufbereitet, sodass die Ergebnisse analysiert, plausibilisiert und präsentiert werden können.
Local and regional energy systems are becoming increasingly entangled. Therefore, models for optimizing these energy systems are becoming more and more complex and the required computing resources (run-time and random access memory usage) are increasing rapidly. The computational requirements can basically be reduced solver-based (mathematical optimization of the solving process) or model-based (simplification of the real-world problem in the model). This paper deals with identifying how the required computational requirements for solving optimization models of multi-energy systems with high spatial resolution change with increasing model complexity and which model-based approaches enable to reduce the requirements with the lowest possible model deviations. A total of 12 temporal model reductions (reduction of the number of modeled time steps), nine techno-spatial model reductions (reduction of possible solutions), and five combined reduction schemes were theoretically analyzed and practically applied to a test case. The improvement in reducing the usage of computational resources and the impact on the quality of the results were quantified by comparing the results with a non-simplified reference case. The results show, that the run-time to solve a model increases quadratically and memory usage increases linearly with increasing model complexity. The application of various model adaption methods have enabled a reduction of the run-time by over 99% and the memory usage by up to 88%. At the same time, however, some of the methods led to significant deviations of the model results. Other methods require a profound prior knowledge and understanding of the investigated energy systems to be applied. In order to reduce the run-time and memory requirements for investment optimization, while maintaining good quality results, we recommend the application of (1) a pre-model that is used to (1a) perform technological pre-selection and (1b) define reasonable technological boundaries, (2) spatial sub-modeling along network nodes, and 3) temporal simplification by only modeling every nth day (temporal slicing), where at least 20% of the original time steps are modeled. Further simplifications such as spatial clustering or larger temporal simplification can further reduce the computational effort, but also result in significant model deviations.
Klimawandel: Hitzewellen und Starkregen. Krameramtsversammlung (KAPTAN), am 7. Januar 2023 in Beckum
(2023)
Baumrigolen und (Stadt-)Bäume zeichnen sich durch eine multifunktionale Wirkung aus. Bäume prägen das Stadtbild, spenden Schatten und kühlen durch Verdunstung. Der Rigolenkörper speichert Wasser, dass unmittelbar in den Untergrund eingetragen und teilweise auch zur Baumbewässerung verfügbar ist. Darüber hinaus kann die Rigole einen Beitrag zur Überflutungsvorsorge leisten.
A novel approach for ventilation systems is a periodically varying supply air flow rate, the so-called unsteady mode of operation. So far, useful effects of this unsteady operating mode have been observed, but the effect mechanisms are still unknown. In this manuscript, simulations using the recently proposed k-ω-ζ - f model implemented in a sensitized RANS computational framework for a cuboid room with swirl diffusers are compared and validated with PIV measurements.
Grüning H. (2022) Hochwasser und urbane Sturzfluten. Vortrag beim Rotary-Club Beckum, am 03.01.2022
(2022)
Energiespeicher stehen heute als einer, wenn nicht als der kritische Baustein eines zukünftig möglichst klimaneutralen Energiesystems im Fokus der Diskussion. Die Diskussion bzgl. der Vor- u. Nachteile von netzgekoppelten Energiespeichern ist bisher sehr vielschichtig, die daraus resultierende Bewertung von Anwendungen und Technologien häufig schwer vergleichbar. Der „Wert“ wird hierbei sowohl ökonomisch (als „Erträge“) als auch ökologisch (als „Vorteile“ wie beispielsweise CO2-Minderung) sowie systemisch diskutiert. Ziel dieses VDI-Statusreports ist es, das Wissen – bezüglich des „Werts“, aber auch bezüglich der ökologischen Auswirkungen – aus vorhandenen Studien so aufzubereiten und zusammenzufassen, dass auch Nicht-Fachleute (Politik, Öffentlichkeit, Journalismus) objektive Fakten für die Diskussion erhalten.
Techno-Economic Assessment of Solid-Liquid Biogas Treatment Plants for the Agro-Industrial Sector
(2022)
Das gescheiterte Liebesleben von Fischen. Münsters Wissenschaftsfestival Schlauraum Grund:Wasser.
(2022)
(1) The use of renewable energy for power and heat supply is one of the strategies to reduce greenhouse gas emissions. As only 14% of German households are supplied with renewable energy, a shift is necessary. This shift should be realized with the lowest possible environmental impact. This paper assesses the environmental impacts of changes in energy generation and distribution, by integrating the life cycle assessment (LCA) method into energy system models (ESM). (2) The integrated LCA is applied to a case study of the German neighborhood of Herne, (i) to optimize the energy supply, considering different technologies, and (ii) to determine the environmental impacts of the base case (status quo), a cost-optimized scenario, and a CO2-optimized scenario. (3) The use of gas boilers in the base case is substituted with CHPs, surface water heat pumps and PV-systems in the CO2-optimized scenario, and five ground-coupled heat pumps and PV-systems for the cost-optimized scenario. This technology shift led to a reduction in greenhouse gas emissions of almost 40% in the cost-optimized, and more than 50% in the CO2-optimized, scenario. However, technology shifts, e.g., due to oversized battery storage, risk higher impacts in other categories, such as terrestrial eco toxicity, by around 22%. Thus, it can be recommended to use smaller battery storage systems. (4) By combining ESM and LCA, additional environmental impacts beyond GHG emissions can be quantified, and therefore trade-offs between environmental impacts can be identified. Furthermore, only applying ESM leads to an underestimation of greenhouse gas emissions of around 10%. However, combining ESM and LCA required significant effort and is not yet possible using an integrated software.
The development of compact treatment devices with high removal efficiencies and low space requirements is a key objective of urban stormwater
treatment. Thus, many devices utilize a combination of sedimentation and upward flow filtration in a single system. This study, for the
first time, evaluates the flow field inside a combined filter-lamella separator via computational fluid dynamics. Herein, three objectives
are investigated: (i) the flow field for different structural configurations, (ii) the distribution of particulate matter along the filter bed and
(iii) the dynamic clogging in discrete filter zones, which is addressed by a clogging model derived from literature data. The results indicate
that a direct combination of a filtration stage with a lamella separator promotes a uniform flow distribution. The distribution of particulate
matter along the filter bed varies with configuration and particle size. Clogging, induced by particles in the spectrum ,63 μm, creates
gradients of hydraulic conductivity along the filter bed. After treating about half of Germany’s annual runoff-efficient precipitation at a rainfall
intensity of 5 L/(s·ha), the filtration rates increase in the front of the filter bed by þ10%. Thus, long-term operating behavior is sensitive to
efficient filter utilization in compact treatment devices.
Klimawandel – Zeichen der Endzeit? Jugendwochenende der Neuapostolischen Kirche Westdeutschland.
(2022)
Anpassung an den Klimawandel - Maßnahmen im urbanen Raum. Bürgerworkshop der Stadt Steinfurt.
(2022)