Proceedings of the 14th International Conference on Hydroinformatics

Die Studie untersuchte das Konzept der Sektorkopplung anhand von drei konkreten Fallstudien, in denen die Bereitstellung von erneuerbaren „grünen“ Gasen wie Biomethan aus der Abwasser-/Abfallbehandlung oder Wasserstoff aus erneuerbarem Strom im Fokus stand. Mit diesen nachhaltigen gasförmigen Energieträgern können Sektoren wie Mobilität, Gebäude oder Industrie versorgt werden und so ihre Ziele beim Klimaschutz erreichen. Als Fallstudien wurden ein Klärwerk, eine Biogasanlage für Bioabfall sowie ein Gebäude mit Photovoltaikanlage ausgewählt. Für alle Fallstudien wurden verschiedene Szenarien für eine Sektorkopplung entwickelt, technisch ausgelegt und mit realen Betriebsdaten der Standorte für ein Referenzjahr in einem zeitlich hochaufgelösten Energiebilanzmodell abgebildet. Dabei wurden für alle notwendigen Aggregate Leistungsparameter und Auslegungen anhand von Herstellerangaben verwendet. Auf Basis der Ergebnisse der Energiebilanz wurden die Szenarien über eine Treibhausgasbilanz bewertet, um ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz im Vergleich zu einem Referenzszenario (Status quo) zu ermitteln. Für alle Szenarien wurde parallel eine Schätzung der Jahreskosten vorgenommen, die neben Investitionen und Betriebskosten auch die laufenden Energiekosten und -erlöse enthielt. Zur Festlegung der Kostenfaktoren und möglichen Erlöse wurden alle relevanten rechtlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt, sofern sie für den Betrachtungszeitraum absehbar sind.

Die Analyse der Fallstudien ergab, dass Sektorkopplung heute technisch möglich und auch ökologisch sinnvoll für den Klimaschutz ist. Durch den Ersatz fossiler Brennstoffe in den Zielsektoren kann eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erzielt werden, wenn die grünen Gase nicht mehr zur Stromversorgung, sondern primär für andere Bedarfe wie Mobilität oder Wärmeversorgung genutzt werden. Der stetig steigende Anteil an erneuerbaren Quellen bei der Stromversorgung (Wind, Solar) macht die Nutzung von grünen Gasen zur lokalen Stromerzeugung immer weniger effektiv für den Klimaschutz. Die Umwandlung von Strom in grüne Gase („power-to-gas“) lohnt sich dagegen für den Klimaschutz nur, wenn tatsächlich nur Strom aus erneuerbaren Quellen mit geringen THG-Emissionen genutzt wird. Sonst überwiegen die Nachteile der Energieverluste, die bei der Umwandlung auftreten.

Wirtschaftlich lohnt sich die Sektorkopplung momentan nur für Anlagen mit hohem Energieüberschuss (Biogasanlage) und bei hohen Erlösen für die grünen Gase, u.a. als Kraftstoff im Mobilitätssektor. Der hohe Strompreis und die noch relativ geringen Erlöse bei Netzeinspeisung von grünen Gasen machen das Konzept für Anlagen mit hohem Eigenstrombedarf wie Klärwerke (noch) nicht wirtschaftlich. Auch die Umwandlung von Strom in Gas („power-to-gas“) ist nur bei niedrigen Strompreisen und hohen Erlösen für Wasserstoff bzw. Biomethan wirtschaftlich attraktiv. Die aktuellen Regelungen im Energiemarkt begünstigen momentan hohe Strompreise durch Steuern und Abgaben, während der Gaspreis hauptsächlich durch Angebot und Nachfrage geregelt wird. Für die zukünftige Entwicklung der Sektorkopplung sind daher ökologisch sinnvolle und vor allem verlässliche Regelungen am Energiemarkt von großer Bedeutung, gerade wenn es um die Steuer- und Abgabenlast auf Energieträger oder die nachhaltige Zertifizierung der grünen Gase geht.

Die Sektorkopplung über die Nutzung von Biomethan oder grünem Wasserstoff aus Klärwerken und Biogasanlagen bietet somit ein Potential für den Klimaschutz der Stadt Berlin. Der mögliche Beitrag aus diesen Anlagen in Berlin ist jedoch im Verhältnis zum Endenergiebedarf der Stadt für Kraftstoff bzw. Erdgas gering (<1%). Selbst wenn alle Biogasanlagen in Brandenburg einbezogen werden, beträgt die Energiemenge des Biomethans nur etwa 13% des Erdgasbedarfs bzw. 28% des Kraftstoffbedarfs von Berlin. Dennoch wird eine Umsetzung der Sektorkopplung für die Standorte mit Biogasanfall zukünftig empfohlen, da zur Erreichung der ambitionierten Klimaschutzziele Berlins alle Beiträge wichtig sein werden.

Water utilities are challenged to reduce their water losses through detecting, localizing, and repairing leaks as quickly as possible in their aging distribution systems. In this work, we solve this challenging problem by detecting multiple leaks simultaneously in a water distribution network for the Battle of the Leak Detection and Isolation Methods. The performance of leak detection and localization depends on how well the system roughness and demand are calibrated. In addition, existing leaks affect the diagnosis performance unless they are identified and explicitly represented in the model. To circumvent this chicken-and-egg dilemma, we decompose the problem into multiple levels of decision-making (a hierarchical approach) where we iteratively improve the water distribution network model and so are able to solve the multileak diagnosis problem. First, a combination of time series and cluster analysis is used on smart meter data to build patterns for demand models. Second, point and interval estimates of pipe roughnesses are retrieved using least squares to calibrate the hydraulic model, utilizing the demand models from the first step. Finally, the calibrated primal model is transformed into a dual model that intrinsically combines sensor data and network hydraulics. This dual model automatically converts small pressure deviations caused by leaks into sharp and localized signals in the form of virtual leak flows. Analytical derivations of sensitivities with respect to these virtual leak flows are calculated and used to estimate the leakage impulse responses at candidate nodes. Subsequently, we use the dual network to (1)&nbsp;detect the start time of the leaks, and (2)&nbsp;compute the Pearson correlation of pressure residuals, which allows further localization of leaks. This novel dual modeling approach resulted in the highest true-positive rates for leak isolation among all participating teams in the competition.

https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29WR.1943-5452.0001515

Mit der Studie wurde das Ziel verfolgt, das Trinkwassersubstitutionspotenzial inkl. der damit einhergehenden Aufwendungen unter Berücksichtigung sozio-ökonomischer als auch ökologischer Aspekte der Stadt Frankfurt am Main bis zum Jahre 2050 aufzuzeigen und zu bewerten.

Global mean sea-level rise (SLR) has accelerated since 1900 from less than 2 mm yr−1 during most of the century to more than 3 mm yr−1 since 1993. Decision-makers in coastal countries, however, require information on SLR at the regional scale, where detection of an acceleration in SLR is difficult, because the long-term sea-level signal is obscured by large inter-annual variations with multi-year trends that are easily one order of magnitude larger than global mean values. Here, we developed a time series approach to determine whether regional SLR is accelerating based on tide gauge data. We applied the approach to eight 100-year records in the southern North Sea and detected, for the first time, a common breakpoint in the early 1990s. The mean SLR rate at the eight stations increases from 1.7 ± 0.3 mm yr−1 before the breakpoint to 2.7 ± 0.4 mm yr−1 after the breakpoint (95% confidence interval), which is unprecedented in the regional instrumental record. These findings are robust provided that the record starts before 1970 and ends after 2015. Our method may be applied to any coastal region with tidal records spanning at least 40 years, which means that vulnerable coastal communities still have time to accumulate the required time series as a basis for adaptation decisions in the second half of this century.