H.Puta

Umweltsystemtechnik - Einführung

Menschliche Gesellschaft

Natürliche Umwelt/Mitwelt

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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.

Joghurt Herstellung

Schoko - Pudding

Klimawandel und Wasserresourcen –

relevant auch für Thüringen ?

Der Wasserkreislauf seit Jahrmillionen

Was ändert sich durch den Klimawandel ?

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)

Jährliche globale Wassernutzung

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

Nitrat und

Phosphor

Algenwachstum

Sauerstoffmangel

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

Versorgungssystem Nord - Thüringen

Stauvolumen der TS Schmalwasserwährend der Sanierung der TS Ohra:Modellnutzung mit Optimierung

Zuflüsse

ModellModell des Talsperrensystems

erwarteter

Füllstand

E A

Abgaben

Modellgestützte Vorhersage des Stauinhaltes

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 Modellarten

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

Michaelis-Menten-Enzymkinetik

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

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Umweltsystemtechnik

Umweltsystemtechnik

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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)

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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

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Umweltsystemtechnik

H. Puta

Umweltsystemtechnik- Beeinflussung/Steuerung von

Umweltsystemen

H. Puta

Umweltsystemtechnik

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