Verleihung des Sparkassen-Umwelt-Preises 2022

Der Sparkassen-Umwelt-Preis wurde am 27. Juli 2023 im Senatssaal des KIT im feierlichen Rahmen der Jahrestagung des KIT-Zentrums Klima und Umwelt verliehen.
Nach den Grußworten aus dem Präsidium durch Prof. Oliver Kraft und der Stadt Karlsruhe durch Bettina Lisbach sowie der Umweltstiftung der Sparkasse durch Michael Huber, erfolgten die Kurzvorträge der Preisträgerinnen und Preisträger und die Verleihung des Sparkassen-Umwelt-Preises 2022 (Moderation Prof. Olivier Eiff).

etwa 20 Menschen von hinten, im Hintergrund wird ein Vortrag mit Präsentation gehalten — Impression der Jahrestagung aus dem Senatssaal des KIT

Die Preisträgerinnen und Preisträger 2022 sind:

Masterarbeit: M.Sc. Alisa Schneider (Institut für Entwerfen und Bautechnik, KIT): Über die Umnutzung stillgelegter Kohlekraftwerke

Mit dem Kohleausstieg werden weltweit über 13.000 Kraftwerksblöcke ob- solet. Die Endlichkeit der Ressourcen bringt uns dazu, die Welt im Kreislauf zu denken. Architekturen sind riesige Rohstoffminen, Kraftwerke von hohem baukulturellen Wert. Um verbleibende Naturbestände zu sichern, ist die Weiterverwendung vorhandener Infrastrukturen zur Freiflächenschonung unumgänglich. Die Industrie der Zukunft ist nicht länger klimaschädlich, sondern resilient und nachhaltig. Angestrebt wird die ganzheitliche Vernetzung von Elektrizität, Wärme, Produktion, Nahrung und Wohnen inform einer klimapositiven Kraftwerkssiedlung.
Der Bausektor ist Verursacher von 40% der globalen Treibhausgasemissionen, und für fast 90% des Müllaufkommens verantwortlich. Zudem ist er intensiver Verbraucher mineralischer Ressourcen. Lebensräume müssen - auch durch die Klimakrise und geopolitische Konflikte - neu gedacht werden. Energie-/Verkehrs-/Bau-/und Agrarwende prägen unsere Zeit und müssen beschleunigt werden.
Klimasiedlung Kohleschleuder wird zu einem neuen Lebensraum, kombiniert mit der Funktion eines Kraftwerks, industrieller Produktion und resilienter Landwirtschaft. Durch diese Vernetzung ergänzen sich die verschiedenen Bereiche und profitieren optimal voneinander, ganz im Sinne einer funktionierenden Kreislaufwirtschaft. Die Renaturierung riesiger Naturflächen ist zentraler Aspekt, die zerstörten Räume sollen vorsichtig an die Natur zurückgegeben, und aktiv bei ihrer Heilung unterstützt werden. Es entsteht ein Ort für Mensch und Natur, für Industrie und Landwirtschaft, ein überregionaler Treffpunkt, eine Siedlung, in der Themen wie die Klimakrise und deren verschiedenste Akteur:innen sich austauschen und weiterbilden können. Sämtliche Versorgungsinfrastruktur - darunter Energiegewinnung, Nahrungsmittelanbau, Wohnraum, Gemeinschaftsbereiche, sowie natürliche Zonen - befindet sich vor Ort in der Siedlung.
Das Kraftwerk 4.0 versorgt mit Strom, Wärme, Nahrung, Wohnraum, Gemeinschaft, Natur, Produktivität und Kreativität; Damit verkörpert es die unserer Zeit angemessene intersektionelle Vernetzung, und soll als Pilotprojekt für den Umgang mit stillgelegten Großindustrieanlagen und Kraftwerken dienen.Auch dem wachsenden Wohnraummangel muss vorgebeugt werden, jedoch muss neu geschaffener Wohnraum nachhaltig und kreislaufgerecht konstruiert und gedacht werden.
Neuartige Wohneinheiten finden im ehemaligen Kesselhaus Platz, die alten Stahlgerüste dienen als Rahmen für flexible Holzbaueinheiten im Inneren mit einer gesamten Gebäudehöhe von etwa 45 Metern. Die bestehenden Treppenhäuser zur Kesselwartung sind noch vorhanden und werden als Erschließung und Fluchttreppen genutzt. Die umlaufende Beton-Ebenen um die Kesselgerüste werden zu nachbarschaftlich genutzten balkonartigen Vorzogen für die Wohneinheiten mit Aussichten über die umgebende Landschaft. Das Aufeinandertreffen der alten, technischen Industriearchitektur und dem neueartigen Holzbau wird zu einem spannenden Spiel; Schwere, mineralische Bauteile wie Stahlträger, Metalltreppen und Stahlbeton treffen auf warmes, organisches Holz und weiche Textilien und fusionieren zu einer modernen und doch ehrlichen Architektur. Die Wohneinheiten sind sehr flexibel auszugestalten, sie folgen einem klaren Raster. Dabei sind die Räume so angeordnet, dass die Wohneinheiten bei Bedarf größer oder kleiner ausgeführt werden können. Alle Einheiten sind barrierefrei ausformulierbar. Angestrebt wird eine hohe Nutzungsflexibilität für verschiedene Altersklassen und Bedarfe. Das Ziel ist, Räume zu schaffen, die durch Anpassbarkeit das Miteinander der Bewohnenden fördern. Die Erdgeschosszone ist durch Gemeinschaftsbereiche, Werkstätten, handwerkliche Kleinbetriebe und Gastronomie zoniert und gestaltet. Von hier besteht die direkte Verbindung zu den einzigartigen Kühltürmen des Komplexes, welche ebenfalls durch öffentliche Nutzungen bespielt werden. Sportanlagen finden auf den Dächern der Wohntürme statt, von denen aus über die Dörfer, die renaturierten Tagebaue, sowie zu anderen Kraftwerks-Siedlungen - darunter Neuenrath - blicken kann. Das Konzept der Klimasiedlung Kohleschleuder soll über Zeit von den Bewohnenden als Genossenschafts-ähnliches Konstrukt weiterentwickelt und verändert werden.

Dissertation: Dr.-Ing. Katrin Trautwein (Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, KIT): „Adaptives Wasserfördersystem im Hybridbetrieb mit einem konventionellen Wasserkraftwerk – Beispiel in einer Gebirgsregion im Norden Vietnams“

Die Grundversorgung mit Energie und Wasser ist die Existenzgrundlage des Menschen und fast immer untrennbar verbunden. Während in Industrieländern hochentwickelte Technologien und die für eine nachhaltige Wasserwirtschaft notwendigen wirtschaftlichen Ressourcen zur Verfügung stehen, sind die Voraussetzungen in Entwicklungs- und Schwellenländern oftmals katastrophal und existenzbedrohend. Neben den tlws. extremen klimatische und naturräumliche Herausforderungen bestehen in vielen Regionen gravierende energetische und technologische Hürden in Bezug auf den Einsatz von Wassertechnologien aber auch strukturell bedingte administrative Defizite zur Gewährleistung eines nachhaltigen Betriebs wasserwirtschaftlicher Anlagen. Viele Konzepte scheitern in Wassermangelgebieten mittel- und langfristig am finanziellen Bedarf für Wartung und Betrieb von z.B. Pumpsystemen sowie dem Fehlen eines beständigen Wissenstransfers zur nachhaltigen Nutzung der Wasserförder- und Verteilkonzepte.

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzept kann u.a. dafür eingesetzt werden, die bestehende Infrastruktur konventioneller Wasserkraftwerke um ein flexibles bedarfsangepasstes Wasserförderkonzept zu erweitern. So stehen in tropischen und subtropischen Klimazonen viele Wasserkraftwerke während der Trockenzeit aufgrund geringer Abflussmengen nahezu still. Die Restwassermengen können jedoch die Antriebsenergie für die Wasserförderung mithilfe eines Bypasses generieren. Als mechanische Antriebsaggregate für Förderpumpen kommen hierbei invers betriebene Pumpen als Turbinen (PAT) zum Einsatz. Gerade für Schwellenländer stellen PATs aufgrund ihrer Robustheit und einfachen Wartung eine gute Alternative zur teuren und technisch komplexen Turbinentechnik dar. Zur Auslegung eines solchen PAT-gestützten Fördermoduls für Hochdruckbedingungen sowie die hydraulische und betriebliche Anbindung an bestehende Wasserkraftwerke konnten im Rahmen des KaWaTech-Vorhabens innovative Lösungen gefunden werden. Hierbei wurde eine Pilotanlage in der vietnamesischen Provinz Ha Giang realisiert, welche seither die Wasserversorgung von mehreren tausend Menschen sicherstellt. Die praxisorientierten Erfahrungswerte dienen dabei weltweit als Initial für die Umsetzung ähnlicher Vorhaben in Bedarfsregionen mit vergleichbaren Randbedingungen.

Dissertation: Dr. Andreas Wunsch (Institut für Angewandte Geowissenschaften, KIT): Leveraging Artificial Neural Networks for Modeling Hydrogeological Time Series

Für die Lösung globaler Herausforderungen im Bereich der Wasserressourcen, ist die Entwicklung neuer, effizienter und leicht übertragbarer Modellierungsansätze von entscheidender Bedeutung. Hierfür bieten sich vor allem künstliche neuronale Netze (KNN) an, die als Verfahren des maschinellen Lernens selbstständig relevante Zusammenhänge aus größeren Datensätzen lernen und nutzen können. Anhand von vier Studien demonstriert die vorliegende Arbeit die Anwendung von KNNs zur Modellierung und Vorhersage von hydrogeologischen Zeitreihen.
Mittels Clusteranalysen können räumliche und zeitliche Muster der Grundwasserdynamik erkannt werden. Dies ist wichtig um Aquifere zu charakterisieren, Einflussfaktoren zu identifizieren und Bewirtschaftungspläne zu entwickeln. Aus diesen Gründen wird in der ersten Studie ein Clustering Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich in heterogenen Datensätzen von Grundwasserganglinien solche mit ähnlicher Dynamik gruppieren lassen. Das Verfahren kann hierbei auch Zeitreihen mit variabler Datenqualität verarbeiten und seine Anwendung wird anhand von Daten aus dem Oberrheingraben in Deutschland und Frankreich erfolgreich demonstriert. Eine Analyse der Ergebnisse zeigt, dass sich Einflussfaktoren räumlich und zeitlich komplex überlagern und eine Trennung häufig nicht möglich ist, sich einige Cluster dennoch eindeutig auf spezifische Faktoren (z.B. Oberflächengewässer) zurückzuführen lassen.
In der zweiten Studie folgt ein Vergleich verschiedener KNN Modelle zur Grundwasserstandsvorhersage. Untersucht werden hierbei Nonlinear Autoregressive Models with Exogenous Inputs (NARX), Long Short-Term Memory Networks (LSTM) und Convolutional Neural Networks (CNN). Als Eingangsdaten dienen flächendeckend verfügbare meteorologische Größen, wodurch eine breite Übertragbarkeit der Methodik gewährleistet ist. Anhand von Grundwasserdaten aus dem Oberrheingraben zeigt sich, dass alle Modelltypen grundsätzlich gute Prognoseeigenschaften aufweisen, CNNs für die praktische Anwendbarkeit aber das größte Potenzial aufweisen. Sie erreichen eine hohe Vorhersagegüte, zeigen eine gute Vorhersagestabilität, sind flexibel implementierbar und weisen zudem eine vielfach höhere Berechnungsgeschwindigkeit auf als beide rekurrenten Alternativen.
Die nachfolgende Studie untersucht die Entwicklung der Grundwasserstände in Deutschland im Kontext des Klimawandels. Hierfür werden auf Basis von CNNs und anhand von Temperatur und Niederschlag aus drei Klimaszenarien (RCP2.6, 4.5 und 8.5) die zukünftigen Grundwasserstände an 118 ausgewählten Messstellen in Deutschland modelliert und der direkte Einfluss des zukünftigen Klimas abgeschätzt. Wichtige sekundäre Faktoren wie anthropogene Einflüsse, werden jedoch nicht in die Simulationen miteinbezogen. Unter RCP8.5 (pessimistisches Szenario) sind flächenhaft und ausgeprägt fallende Grundwasserstände zu erwarten, mit einem räumlichen Muster von stärkeren Abnahmen vor allem in Nordund Ostdeutschland. Ebenfalls abnehmende Trends zeigen die Ergebnisse für die optimistischeren Szenarien RCP2.6 und RCP4.5, jedoch mit vergleichsweise wenig signifikanten Veränderungen. Hier wird der positive Einfluss der verminderten Treibhausgasemissionen deutlich, jedoch werden auch noch für das optimistischste Szenario RCP2.6 in einigen Projektionen deutschlandweit abnehmende Grundwasserstände festgestellt.
Abschließend stehen Karstquellschüttungen im Fokus der Arbeit. Zur Modellierung werden zum einen die bereits vorhandenen (1D) CNN Ansätze herangezogen, zum anderen wird ein ebenfalls auf CNNs basierender 2D-Ansatz entwickelt, der die direkte Verarbeitung von flächenhaften Rasterdaten als Inputs erlaubt. Hierdurch lässt sich das häufige Problem fehlender Wetterstationsdaten als Eingabedaten im Einzugsgebiet lösen. Beide Ansätze zeigen in allen drei Testgebieten in Österreich, Slowenien und Frankreich sehr gute Ergebnisse und übertreffen teils sogar die Ergebnisse bereits existierender Modelle. Der 1D und 2D Ansatz erreichen dabei meist eine ähnliche Vorhersagegüte und keiner ist systematisch überlegen. Im Detail zeigt sich jedoch, dass die räumliche und zeitliche Vollständigkeit der Eingabedaten einen deutlichen Vorteil des flächenhaften Ansatzes darstellt. Weiterhin zeigt eine Sensitivitätsanalyse das Potenzial des 2D Ansatzes für die Lokalisierung von Quelleinzugsgebieten und demonstriert dass KNNs physikalische plausible Zusammenhänge lernen können.

Überreichung der GRACE-Zertifikate an die Absolventinnen und Absolventen der Graduiertenschule durch Prof. Hinz

Nach der Überreichung der GRACE Zertifikate an die Absolventinnen und Absolventen der Graduiertenschule und Grußworten des wissenschaftlichen Sprechers des Zentrum Prof. Hilgers, hielt Prof. Schilling vom KIT-AGW den Festvortrag zum Thema: Energie und Wärmewende – schaffen wir das?