Dieses Bild zeigt

Methoden in der Umwelttechnik

Umweltsimulationen sind komplex und erfordern ganzheitliche Ansätze, die Unsicherheiten, Risikopotential, Effizienz, Auswirkungen auf die Gesellschaft und vieles mehr berücksichtigen.

Umweltsysteme sind komplex und unsicher

Umweltsimulationen sind eine große und wichtige Herausforderung. Damit wir den Schaden an unserer Umwelt begrenzen können, müssen wir die Einflüsse, die unsere Gesellschaft auf die Umwelt hat, besser vorhersagen. In Umweltsystemen spielen

  • physikalische,
  • chemische
  • und biologische Prozesse

auf komplexe und dynamische Weise zusammen.

Die Materialeigenschaften solcher Systeme ändern sich von Punkt zu Punkt. Umweltdaten, besonders aus dem Erduntergrund, sind schwer zugänglich und teuer zu erheben. Deshalb sind Umweltsimulationen unsicher und erfordern Echtzeitkalibrierung und statistische Methoden. Auf diese Weise lässt sich dann eine Risikoanalyse durchführen, die als Grundlage für rationale Entscheidungen dienen kann.

Ein ganzheitlicher und interaktiver Ansatz

Unser Ansatz soll ganzheitlich, übertragbar und rechnerisch effizient sein. Hierfür vereinen wir

  • unsichere Simulationen,
  • Datenassimilation,
  • Optimierung,
  • Regelung,
  • und Risikoanalyse.

Zu unseren Errungenschaften auf diesem Gebiet zählt die Forschung zur Injektion von Kohlendioxid (CO2) in tiefe geologische Formationen. Dies wird zurzeit als Brückentechnologie zur Abmilderung des Treibhauseffektes empfohlen. Um Nutzen und Risiken dieser Technologie zu erforschen, müssen wir

  • mehrskalige, multi-physikalische Prozesse simulieren,
  • Unsicherheiten beziffern,
  • das System robust optimieren und regeln,
  • Ergebnisse grafisch aufbereiten
  • sowie an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft, Öffentlichkeit und Politik kommunizieren.

Hier erfahren Sie mehr über die fünf Key Ingredients, derer wir uns bedienen, um zu einer interaktiven Umwelttechnik zu gelangen.

+-

Eine komplexe Herausforderung
Abgasen, gefolgt von Injektion in den Untergrund (CCS), wurde als Brückentechnologie zur Verringerung des weltweiten CO2-Ausstoßes vorgeschlagen. Für die Injektion und Speicherung im Untergrund spielen komplexe, nichtlineare Prozesse eine Rolle:

  • instabile Mehrphasen-Strömung,
  • Phasenübergänge,
  • Lösung im Grundwasser,
  • Gesteinsverformung und Rissbildung,
  • Geochemie
  • und viele mehr

1_1

CCS verlangt hochentwickelte Simulationswerkzeuge
Um den komplexen, nicht-linearen Prozessen zu begegnen, entwickeln wir

  • effiziente und selbstadaptive Diskretisierungsansätze
  • sowie numerische Algorithmen für mehrskalige, multiphysikalische und komplexe Prozesse.

Unsere Simulationstechniken sind mit der neuen Architektur zukünftiger Hochleistungsrechner kompatibel und mit umfassenden Fehlerkontrollen für robuste Simulation ausgestattet.

Forschungsfelder B, D, F

Gefahren von blindem Perfektionsdrang

Häufig wiederholte Simulationen sind für Unsicherheits- und Risikoanalysen, Optimierungen und Regelung unabdingbar. Gängige Simulationstechniken fordern dafür einen zu hohen Rechenaufwand. Oft benötigen selbst einzelne Simulationsläufe bereits parallelisierte Hochleistungsrechnungen. Modellreduktion beschleunigt die

  • Optimierung,
  • Regelung
  • und Risikoanalysen.

Trotzdem werden die relevanten Eigenschaften der ursprünglichen Modelle bei nur geringen, kontrollierten Fehlern beibehalten.

1_1

 

In der Antwortfläche liegt die Lösung

Wir komprimieren das Systemverhalten komplexer Simulationen bei Parameterveränderungen zu einer eleganten Antwortfläche. Diese basiert auf der sogenannten verallgemeinerten polynomialen Chaos-Expansion. Statt wiederholter aufwändiger Simulationen können wir die Antwortfläche im Bruchteil von Sekunden auswerten.

 

Forschungsfelder C, D

 

 

Wie sicher sind Simulationen?
Um mögliche Nutzen und Risiken von CCS zu bewerten, sollten wir idealerweise all ihre möglichen Auswirkungen auf die Umwelt kennen. Unsichere Daten und damit Parameterwerte können jedoch Simulationsergebnisse um Faktoren von 10, 100 oder mehr verändern. Daher müssen wir Unsicherheiten und Risiken unbedingt verlässlich beziffern – je nach Fragestellung ist dies viel wichtiger als die Perfektion im Detail.

1_1

„Ich weiß, was ich nicht weiß“

Unsere reduzierten Modelle erlauben es uns, genaue und umfassende Methoden zur Handhabung von Unsicherheiten zu verwenden und für probabilistische Risikoanalysen einzusetzen. So können wir Ausmaße und Wahrscheinlichkeiten von

  • Nutzen,
  • Kosten
  • und Umweltschäden

abschätzen. An die Stelle von „ich weiß, dass ich nichts weiß“ tritt „ich weiß, was ich nicht weiß“. Dieses Wissen steht dann für rationale Entscheidungstechniken zur Verfügung.

Forschungsfelder C, D

High-Tech ist kein Garant für Sicherheit
CCS sollte so betrieben werden, dass Umweltrisiken unterhalb eines akzeptablen Niveaus bleiben. Zum Beispiel ließen sich Injektionsstrategien auslegen, dass Undichtigkeiten durch Rissbildung auf 99%igem Sicherheitsniveau verhindert werden. Die Höhe des Risikos ergibt sich aus dem Zusammenspiel von

  • regelbaren technischen Vorgängen
  • und unbekannten Eigenschaften des Systems.

1_1

Schlau gewählte Sicherheitspuffer
Um Risiken im Betrieb gering zu halten, wenden wir die robuste Optimierung an. Sie berücksichtigt Unsicherheit und die Wahrscheinlichkeit von Versagen. Wir nehmen Optimierungs- und Regelungsvariablen ganz einfach in die Antwortfläche mit auf. So können wir Systeme optimieren und zugleich garantieren, dass die bekannten Risiken unter dem akzeptablen Niveau bleiben. Unser optimiertes Monitoring hilft im Anschluss, Restrisiken zu beziffern und zu reduzieren.

 

Forschungsfelder C, G

Simulationen und Gesellschaft
Forschung an CCS ist eng verwoben mit gesellschaftlichen Aspekten:

  • Verbraucherverhalten und Bevölkerungswachstum,
  • technologische und ökologisch/ ökonomische Nebenbedingungen,
  • Nachhaltigkeit und Risikoakzeptanz,
  • Meinungsbildung bis hin zur Gesetzgebung.

Ohne zugeschnittene Visualisierungen und Kommunikationsstrategien sind Simulationsergebnisse in der Politik ein zweischneidiges Schwert. Sie können von gesellschaftlichen Akteuren missverstanden werden, was große Gefahren birgt.

1_1

Brücken schlagen zu Interessensgruppen und Entscheidungsträgern
Simulationen dürfen nicht als wahrheitsproduzierendes Medium verstanden werden. Entscheidungsträger laufen Gefahr, die Unsicherheiten in Simulationen zu unterschätzen und Simulationsergebnisse falsch zu interpretieren. Deswegen erforschen wir den Kommunikationsprozess mit Entscheidungsträgern.

Unsere Visualisierungsmethoden helfen dabei. Sie ermöglichen es, Umweltsimulationen inklusive Unsicherheiten visuell und intuitiv aufzubereiten sowie interaktiv zu erkunden.

 

Forschungsfelder E, G