H.Puta Umweltsystemtechnik - Einführung - tu-ilmenau.de · H.Puta Umweltsystemtechnik -...
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H.Puta
Umweltsystemtechnik - Einführung
Menschliche Gesellschaft
Natürliche Umwelt/Mitwelt
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de
r
Um
we
lt
Alle Maßnahmen sind:
Ökologisch, wissenschaftlich-technisch, wirtschaftlich und gesellschaftspolitisch zu
bewerten
Die Nutzung der Umwelt muss deren langfristige
Lebensfähigkeit gewährleisten (Nachhaltigkeit)
H. Puta
Umweltsystemtechnik
Um ein Moorflöz zu bilden, sind ca. 30 000 bis 40 000 Jahre erforderlich
Die jüngste Braunkohle ist 65 Millionen Jahre alt!!
Die erste Kohle und das erste Erdöl wurden ca. 1850 gefördert, Gas etwas
später.
Es gibt Schätzungen, dass bis ca. 2300 alle diese Ressourcen
aufgebraucht sind!
Energiewürfel (Bögel)
Durch Photovoltaik
ließen sich in Deutsch-
land in naher Zukunft bis
zu 30% des jährlichen
Energieverbrauches
decken.
Was ändert sich durch den Klimawandel ?
Wetter Witterung Klima
kurzfristig mittelfristig langfristig
Im Zeitraum von 1901 bis 2000
Temperaturerhöhung um ca. 1 C
In den nächsten 100 Jahren werden
Erhöhungen bis ca. 6 C erwartet!
Temperaturerhöhung
Was ändert sich durch den Klimawandel ?
Wetter Witterung Klima
kurzfristig mittelfristig langfristig
Anstieg der Niederschläge im Winter
Rückgang im Sommer
Winter 20% bis 30%
Sommer -3% bis -7.5%
Auswirkungen - für Thüringen
Winterhochwasser
Weniger Schnee
Trockener Sommer
Defizite während der Vegetationsperioden
hoher Verdunstungsgrad
instabile Wetterlagen
längere Trockenheit
das bedeutet
häufige Wetterwechsel
Hohe Temperaturen und weniger
Niederschläge in der Vegetationszeit
Wiederkehrintervalle für Hochwässer sind
nicht mehr gültig („Lieferung“ im Herbst und
Frühjahr)
Grundwasser66%
Quellwasser8%
Uferfiltrat/ang. Grundw.
13%
Fluss/See/Talsperre13%
Wassergewinnung Deutschland 2004Quelle: Statistische Ämter des Bundes und der Länder, 2006
Grundwasser49%
Quellwasser14%
Uferfiltrat/ang. Grundw.
1%
Fluss/See/Tal-sperre
36%
Wassergewinnung Thüringen 2004Quelle: Statistische Ämter des Bundes und der Länder, 2006
Zuflussprognosen bis 2050
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
J F M A M J J A S O N D
Mio. m³/Monat
Monate
Talsperre Ohra - Mittlerer monatlicher Zufluss
Gegenwart
2025: -7,3 %
2050: -11.0 %
Niederschlagsentwicklung für
Thüringen
Winter: Zunahme um 30% bis 50%
Frühling: Zunahme um ca. 3%
• Sommer: Abnahme um ca. 7.5%
• Herbst: Abnahme um ca. 9.7%
Thüringer Becken gehört zu den trockensten
Gebieten in Deutschland
Der Nutzen von Modellen
M
Modell eines realen SystemsEingänge Ausgänge
E und M bekannt: Vorhersage, z.B. Hochwasser…
E und A gemessen: Modell entwickeln, verbessern…
M und A bekannt: Planung und Bewirtschaftung von
Talsperren…
E A
Ein Beispiel
Fließgewässer
Stauseen
Stollen
Wasserscheide
Landnutzung
Wald
Grünland
Grünflächen
Ackerland
Siedlung
Landnutzung
NaturschutzGewässer
Wald
GrünlandFreizeitgrün
Staudenflur
AckerlandAckerland
Siedlung
Siedlung
SiedlungNo Data
FließgewässerStauseen
Stollen.shp
Leichter Rückgang der jährlichen Zuflüsse
bis 2050
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Gegenwart 2025: -7,3 % 2050: -11.0 %
Mio. m³/Monat
Zeit
Ohra - Mittlerer jährlicher Zufluss
D…
D…
0,00
1,00
2,00
3,00
SBP (SUA) SBP (TU) SBP (TU 2025)
SBP (TU 2050)
Prozent
Ohra (R1) und Schmalwasser (R2) Niedrigwasserhäufigkeit
Geringer Anstieg von Niedrigwasser - Situationen
Versorgungssicherheit hoch
90,00
91,00
92,00
93,00
94,00
95,00
96,00
97,00
98,00
99,00
100,00
SBP (SUA) SBP (TU) SBP (TU 2025) SBP (TU 2050)
Prozent
Trinkwasser kann nur aus Rohwasser hoher Qualität
entstehen
Negative Einflüsse:
Landwirtschaft
Dünger, Herbicide…
Industrie
Bodenverschmutzung
Problem: Einzugsbereich von Flüssen und Talsperren
0
10
20
30
40
50
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Nit
rat
[mg
/l]
TS Ohra
Anfang Maximal Minimal Mittelwert Ende
Wenig
belastete
Talsperre
0
10
20
30
40
50
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Anfang Maximal Minimal Mittelwert Ende
TS Weida
Wasserqualität in Thüringer Talsperren
Erfurt
7.3 mg/l
Hoch
belastete
Talsperre
Beispiel einer Modellanwendung
Trinkwasserversorgung für Nordthüringenwährend der Sanierung der TS Ohra:Lastübernahme durch TS Schmalwasser
Entwicklung eines SystemmodellsZielstellung:
Minimierung der Defizite bei der Wasserversorgung nach Menge und Qualität
Fließgewässer
Stauseen
Stollen
Wasserscheide
Landnutzung
Wald
Grünland
Grünflächen
Ackerland
Siedlung
Landnutzung
NaturschutzGewässer
Wald
GrünlandFreizeitgrün
Staudenflur
AckerlandAckerland
Siedlung
Siedlung
SiedlungNo Data
FließgewässerStauseen
Stollen.shp
Stauvolumen der TS Schmalwasserwährend der Sanierung der TS Ohra:Modellnutzung mit Optimierung
Zuflüsse
ModellModell des Talsperrensystems
erwarteter
Füllstand
E A
Abgaben
Sanierung der Staumauer der Talsperre Ohra
im Zeitraum August 1997 bis Oktober 1998
…. berechnet
gemessen
Kleine Speicher haben eine große Dynamik
Blau: berechneter Füllstandsverlauf
Rot: gemessener FüllstandsverlaufBlau: berechneter Füllstandsverlauf
Rot: gemessener Füllstandsverlauf
Blau: berechneter Füllstandsverlauf
Rot: gemessener Füllstandsverlauf
…aus den heiligen indischen Schriften:
Denen die Brunnen bauen und Wasserwerke
errichten, wird ewige Seeligkeit im Paradies
zugesagt
Wer Wasserspeicher baut, sorgt für kommende
Generationen
Unser heutiges Wissen nutzen und
nicht das Klima beeinflussen, sondern weniger
Einfluss auf das Klimasystem nehmen!
Umweltsystemtechnik
H. Puta
TU Ilmenau
SystemKomplex von Elementen (Teilsystemen), die untereinander
in steter (starker) Wechselwirkung stehen und die
gegenüber anderen Komplexen als Ganzheiten anzusehen sind.
Was man als System ansieht, hängt stark vom Ziel der Betrachtung ab.
Beispiele:Teams einer Abteilung oder Abteilungen eines Unternehmens, Gesamtunternehmen
Baum und Wald; Wald, Waldwiese, Insekten
Belebtschlammbecken, Nachklärung; Kläranlage
Talsperre, Aufbereitungsanlage, Trinkwassernetz.
Wald, Waldwiese, Vögel, Insekten
• Die gesamte Biomassekapazität einer Region sei k
• Davon ist Wald x
• Und Waldwiese k-x
• Die Vögel z benötigen den Wald x für Nistplätze und ernähren sich
von Insekten y
• Insekten y benötigen den Wald x als Futterquelle, aber auch das
Grasland k-x für das Aufwachsen der Larven
Konsequenz:
Wird Wald zerstört, haben Vögel schlechtere Bedingungen, Insekten
aber bessere; Insekten nehmen Überhand und zerstören den restlichen
Wald!
(nach Bossel 1990)
H. Puta
Was ist ein System ?
Teilsystem1 Teilsystem 2
Teilsystem 3
Teilsystem 4
starke Kopplung
schwache Kopplung
H. Puta Simulation
System (Modell) M
Eingänge E
u(t), z(t)
Ausgänge A
y(t)
E und M bekannt: Vorhersage der Ausgänge A
E und A bekannt: Modellermittlung, Struktur, Zustandsschätzung
M und A bekannt: Ermittlung der (optimalen) Steuerung E
Mögliche Aufgaben bei bekanntem Modell:
interne Zustände, Parameter
H. Puta Wachstum
Was ist ein Modell ?
• das mathematische oder algorithmische Abbild eines realen Systems
• Ermitteln von Ursache – Wirkungsbeziehungen aus Beobachtungen bzw.
Naturgesetzen
z. B.: die Ab- oder Zunahme einer Population ist proportional zum vorhandenen
Bestand, ausgedrückt durch folgende Differenzialgleichung:
a*t
dx(t)a x(t)
dt
deren Lösung lautet :
x(t) x(0) eExponentielles Wachstum
a - Wachstumsparameter
H. Puta Wachstum
Logistisches Wachstumsmodell
erweiternd: die momentane Zuwachsrate soll proportional zum Bestand und dem
Sättigungsdefizit [G-x(t)] sein - mit dem häufig auf 1 normierten - Sättigungswert G und
dem Wachstumsparameter a:
gilt die sog. Verhulst Beziehung :
dx(t)a *x(t)*[1 x(t)]; x(0) 0 gegeben.
dt
Die Lösung lautet :
x(0)x(t)
(at)x(0) [1 x(0)]e
H. Puta Wachstum
Logistisches Wachstum als Rekursionsgleichung
Es soll gelten wie bei exponentiellem Wachstum für die Population P:
(1)
Die Wachstumsrate soll aber auch vom Wachstumszustand abhängen:
(2)
Dabei gilt W a: exponentielles Wachstum (P<<1)
W 0: Sättigungsverhalten (P 1)
(2) in (1) liefert die Rekursionsgleichung:
ateWachstumsrWnPWnP ;*1
arameterWachstumspanPGaW )(*
)(*1 nPGnPanP
H. Puta Modelle
Nichtlineare Differenzialgleichung: Räuber-Beute-Modell nach Lotka-Volterra:
)(*)(*)(*)(
)(*)(*)(*)(
tfthdtfcdt
tdf
tfthbthadt
tdh
Hierbei sind h(t) eine Population Hasen und f(t) eine Population Füchse,
die von den Hasen lebt.
b bewertet die Beutefangrate
d ist die Reproduktionsrate
Michaelis-Menten-KinetikGrundgleichung der Enzymkinetik
max
m
Sv v
K S
S Substratkonzentration
mK Halbsättigungskonstante
V Reaktionsgeschwindigkeit
maxv Maximale Reaktionsgeschwindigkeit
mS K Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit wird halbiert
Monod – KinetikZellwachstum in Abhängigkeit von der Substratkonzentration
max
S
S
K S
μ Wachstumsrate von Zellen
Maximale Wachstumsrate
S Substratkonzentration
max
SK Monod – Konstante , die Substratkonzentration, bei der dieWachstumsrate μ halbiert wird
Komplexmodell: Wald, Waldwiese, Vögel, Insekten
Die gesamte Biomassekapazität einer Region sei k
Folgender Zusammenhang wird betrachtet:
• Wald x
• Waldwiese k-x
• Vögel z benötigen den Wald x für Nistplätze und ernähren sich von
Insekten y
• Insekten y benötigen den Wald x als Futterquelle, aber auch das
Grasland k-x für das Aufwachsen der Larven
Konsequenz:
Wird Wald zerstört, haben Vögel schlechtere Bedingungen, Insekten
aber bessere; Insekten entwickeln sich extrem und zerstören den
restlichen Wald!
(nach Bossel 1990)
Wald x, Waldwiese k-x , Insekten y, Vögel z
Modellgleichungen
0
0
0
dx x xa x (1 ) h x f y ( ); x 20
dt k (x d)
dy y yb y (1 ) g z ( ); y 1e 4
dt m x (k x) y e
dz zc z (1 ); z 1e 4
dt (n x y)
Wald, Waldwiese, Insekten, Vögel
• a spez. Zuwachsrate Wald [1/Jahr]
• b spez. Reproduktionsrate, Insekten [1/Jahr]
• c spez. Reproduktionsrate, Vögel [1/Jahr]
• d Halbsättigungskonstante, Insekten [t/ha]
• e Halbsättigungskonstante, Vögel [t/ha]
• f max. Fraßrate, Insekten [1/Jahr]
• g max. Fraßrate, Vögel [1/Jahr]
• k Kapazitätsgrenze, Wald [t/ha]
• m Kapazitätsfaktor, Insekten [-]
• n Kapazitätsfaktor, Vögel [-]
• h Abholzrate [1/ Jahr]
• x Waldbiomasse [t/ha]
• y Insektenbiomasse [t/ ha]
• v Vogelbiomasse [t/ ha]
Wald, Waldwiese, Insekten, Vögel
• a spez. Zuwachsrate Wald [1/Jahr] 0.1
• b spez. Reproduktionsrate, Insekten [1/Jahr] 2
• c spez. Reproduktionsrate, Vögel [1/Jahr] 1
• d Halbsättigungskonstante, Insekten [t/ha] 1
• e Halbsättigungskonstante, Vögel [t/ha] 1e-3
• f max. Fraßrate, Insekten [1/Jahr] 365
• g max. Fraßrate, Vögel [1/Jahr] 30
• k Kapazitätsgrenze, Wald [t/ha] 100
• m Kapazitätsfaktor, Insekten [-] 1e-4
• n Kapazitätsfaktor, Vögel [-] 8e-3
• h Abholzrate [1/ Jahr; d.h. 5%) 0.05
• x Waldbiomasse [t/ha] bei t=0 20
• y Insektenbiomasse [t/ ha] bei t=0 1e-4
• v Vogelbiomasse [t/ ha] bei t=0 1e-4
• 0 et 0; t 10
Umweltsystemtechnik
H. Puta
TU Ilmenau
Dezentralisierung
Isolierte Betrachtung oft einfacher und genauer möglich.
Isolierte Betrachtungen gefährlich, wenn wesentliche
Wechselwirkungen unerkannt bleiben oer unterschätzt werden.
Systemtechnik
Technik der ganzheitlichen Behandlung eines komplexen
Systems zum Zwecke der
Analyse (Kennenlernen der Systemdynamik)
Modellierung (Simulation, Szenarien)
Führung, Lenkung, Steuerung (Systementwurf)
H. Puta
Umweltsystemtechnik
Ö k o s y s t e m e und N a c h h a l t i g k e i t
Das Weltall ist aus physikalischen Systemen
aufgebaut, Ökosysteme gehören dazu
Ökosysteme bestehen aus belebtem und
unbelebtem Teil (Lebensgemeinschaft und
Lebensraum)
Ökosysteme verbinden auf engem Raum Leben und
Umwelt zu einem Ganzen; sie sind
an Raum und Zeit gebunden;
Afrika – Europa, Mittelalter – heute - morgen
…
H. Puta
Umweltsystemtechnik
Ö k o s y s t e m e und N a c h h a l t i g k e i t
…
Spezifische Struktur und spezielle Wechsel-
Wirkungen charakterisieren ein konkretes Ökosystem
Alle Vorgänge im Ökosystem sind mit dem
Stoffwechsel der Lebewesen verknüpft
Die Lebewesen im Ökosystem können sich nur
entwickeln, wenn das Angebot an
Lebensraum alle existenziellen Ansprüche erfüllt.
Leitwerte nachhaltiger Systementwicklung
Zur Entfaltungsfähigkeit (nachhaltigen Entwicklung) eines (Öko-)Systems
müssen folgende Aspekte (Leitwerte) erfüllt sein (Bossel,1990):
Existenz und Reproduktion
Das Überleben eines offenen Systems hängt davon ab, wie es
mit seiner Umwelt Stoffe, Energie und Information
austauschen kann
Handlungsfreiheit
Das System muß die Möglichkeit haben, bedrohliche Zustände
zu vermeiden
Sicherheit
Die Überlebensfähigkeit eines Systems ist nur dann gegeben,
wenn seine Umwelt ebenfalls nur über endliche Möglichkeiten
seiner Bedrohung verfügt
Leitwerte nachhaltiger Systementwicklung
Wirksamkeit
Die Bemühungen, seine Existenz durch Interaktionen mit seiner
Umwelt zu sichern, müssen in angemessener Zeit zu
angemessenen Erträgen führen
Wandlungsfähigkeit
Ein System muß in der Lage sein, sich durch Veränderung von
Struktur und/oder Verhaltensweise (Selbstorganisation) einer
sich ändernden Umwelt anzupassen
Verantwortung
Rücksichtnahme auf die Entfaltungsfähigkeit anderer (heutiger,
entfernter und künftiger) Systeme, die von den eigenen
Handlungen betroffen sind; dies ist das Wesen der
Menschlichkeit.
Leitwertstern nach Bossel
Existenz
Handlungsfreiheit
Wandlungsfähigkeit
Verantwortung/ Solidarität
Wirksamkeit
Sicherheit
H. Puta
Beispiel 1– Solare Energieversorgung
Dimensionierung und optimales Management des Wärmeversorgungssystems
Ziel:
Kollektor-Teststand
Entwurf einer Steuerung/Regelung zur optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden regenerativen Energieressourcen für die Wärmeversorgung von Wohngebäuden Sicherung der Wirtschaftlichkeit des Wärmeversorgungssystems unter Einhaltung ökologischer Kriterien
Erstellung von physikalisch-mathematischen Modellen (Kollektor, Wärmepumpe, Wärmespeicher, Abluftwärmetauscher, PV-Modul, Wechselrichter, Gebäude)
Integrierte Regelung
Speicher
Wärmepumpe
Abluftwärme-tauscher
Kollek-tor
Konventionelle
Nachheizung
PV-Modul
Wechselrichter
NutzervorgabenWetter
Last- u. Wetterprognosen
Integrierte Regelung eines Wärmeversorgungssystems auf der Basis regenerativer Energien
Last
Beispiel 2- Mittellandkanal
Optimised Watermanagement of the Mittelland-Channel and the Elbe-Side-
Channel
Ensure safety for the ships by water level control,
Minimisation of energy cost, online simulation and
prediction of critical situations
Schleuse Sülfeld (Quelle:
Informationen 1994 der WSD Mitte)
Computing of control decisions in dependency of
actual states and of forecasts of external influences
(losses of water, wind) by solving of large nonlinear
optimisation problems under real time conditions
Model
based
predictive
control
:
Münster
Minden
Magdeburg
Lüneburg
211 km
122 km
88 km
44 km
MLK-Westhaltung
50.30 m ü. NN
ESK mittlere Haltung
42.00 m ü. NN
MLK-Osthaltung 56.00
m ü. NN
MLK/ESK-
Scheitelhaltung
65.00 m ü. NN