Dissertationen

Be­ra­tung und Be­treu­ung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Be­ra­tung und Be­treu­ung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Moving toward sustainability entails optimizing energy consumption through improving efficiency and maximizing the percentage of renewable energy use for human activities. Urban planning can play an important role in this favor. Although, the importance of transportation system and land-use distribution with a focus on the impact of transportation sector on the energy use have been vigorously studied, the association between urban form and residential energy use is still ambivalent; Thus, this proposed research aims to study the urban form variables which have significant impacts on residential energy use and explore how they are related in Tehran and Dortmund as case studies. Therefore, this research randomly samples individual households in these two cities based on Cochran sample size formula and explores the impact of urban form variables through individual households as well as their neighborhoods.

The structure model would be hierarchical, with households nested within their neighborhoods, cities and states. In other words, indicators hierarchically related to each other which must be considered by the model; therefore, Multilevel Modeling (MLM) is selected as the computational method. Although the term Residential Energy Demand refers to lighting, appliances, cooling, heating and other subsectors, the highest demand belongs to the energy used for the purposes of cooling and heating. Therefore, this proposed research will focus mainly on cooling and heating energy consumption. Some urban form variables are expected to have reversal behavior in this regard. Thus, another contribution of this research would be following the trade-off between these variables and the energy use in the sample cities with a consideration of their climatic, geographical and cultural features.

Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Die Bauindustrie gilt als einer der ressourcenintensivsten Wirtschaftssektoren und verursacht einen großen Teil der globalen Treibhausgasemissionen. Zudem ist die Bauindustrie, insbesondere durch den Abriss von Gebäuden und Straßen einer der größten Abfallverursacher. Mineralische Bau- und Abbruchabfälle machen mehr als die Hälfte des gesamt entstehenden Abfallstroms in Deutschland aus. Der anfallende Bauschutt und Straßenaufbruch kann als sogenannte Recycling-Baustoffe wiederverwertet werden. Der größte Anteil verfällt dabei jedoch auf die Nutzung in Downcyclingprozessen. Durch das Bevölkerungswachstum und die Urbanisierung werden die Bautätigkeiten in den nächsten Jahren weltweit weiter zunehmen, wodurch auch der Rohstoffbedarf steigen wird. Daher stellt sich die Frage, wie eine effektivere Bewirtschaftung mineralischer Bau- und Abbruchabfälle umgesetzt werden kann.

Partner: Westnetz GmbH

Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Die Treibhausgas-Reduzierungsziele der Europäischen Union bedingen weitreichende Transformationen innerhalb des gesamten Energiesystems. Vor Allem bei industriellen Prozessen ist die Verwendung von Wasserstoff eine vielversprechende Option zur Dekarbonisierung. Die Planung zum initialen Aufbau einer solchen regionalen Wasserstoffinfrastruktur stellt aufgrund des Einflusses verschiedener dynamischer Faktoren (zukünftiger Energiebedarf, Klimafolgen, uvm.) in Verbindung mit einem wenig flexiblem und kostenintensiven Leitungssystem eine große Herausforderung dar und ist mit Hilfe heutiger Werkzeuge der Netzplanung nicht möglich. Zur Lösung der dargelegten Herausforderung wird im Rahmen der Promotion aufgezeigt, wie eine regionale Wasserstoffinfrastruktur bestehend aus Erzeugungsanlagen, Leitungsnetzen und unterschiedlichen Bezugsanlagen unter Berücksichtigung der Anforderungen an eine nachhaltige Raumentwicklung aufgebaut werden kann. Dies wird in Form einer Modellierung der Wasserstoffinfrastruktur in der Region Sauerland unter Berücksichtigung von räumlichen Eignungs- und Widerstandsanalysen geschehen. Dabei werden ebenfalls Punkte zur Versorgungssicherheit von Energieinfrastruktur mit dem Begriff der Nachhaltigkeit in der Raumplanung verknüpft, um so das interdisziplinäre Nachhaltigkeitsverständnis weiterzuentwickeln. Aufbauend auf den Ergebnissen von Szenariobetrachtungen und der daraus abgeleiteten Wasserstoffinfrastrukturplanung für die Region, werden allgemeine Leitlinien für die Netzplanung formuliert, die zukünftig den Aufbau nachhaltiger Energieinfrastruktur unterstützen

Partner: eew Energy from Waste GmbH, Helmstadt
Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Gemäß den Klimaschutzplänen des Bundesumweltministeriums zur Decarbonisierung der Sektoren Wärme, Strom und Kraftstoff können Abfallverbrennungsanlagen einen wichtigen Beitrag durch die Herstellung von weitgehend klimaneutraler Elektrizität und Wärme leisten. Trotz moderner Regel-, Automatisierungs- und Messtechnik ist der effiziente und optimale Betrieb einer Abfallverbrennungsanlage unter Einhaltung der Anforderungen wie Verbrennungstemperaturen, Verweilzeiten und Emissionsgrenzwerte gemäß 17. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchV) aufgrund der Inhomogenität der Abfallzusammensetzung immer noch eine verfahrenstechnische Herausforderung. In dieser Forschungsarbeit wird ein KI-Modell einer Abfallverbrennungsanlage auf Basis moderner KI-Algorithmen wie Maschinelles Lernen und Neuronale Netze entwickelt, welches die Prozesse einer Abfallverbrennungsanlage lernt und neue Zusammenhänge zwischen den Zielgrößen Verbrennung, Verschmutzung, Durchsatz, Emissionen und Wirkungsgrad liefert. Anschließend werden die wissenschaftlich validierten Erkenntnisse mit Hilfe eines eigen entwickelten Standardverfahrens in den konventionellen regelungs- und steuerungstechnischen Prozess der Anlage integriert, um eine Vektoroptimierung zu lösen. Das KI-Modell wird mit Hilfe der Programmiersprache Python entwickelt. Durch die Art der Überwachung der Daten kann Maschinelles Lernen in vier große Bereiche eingeteilt werden: Überwachtes Lernen, unüberwachtes Lernen, halbüberwachtes Lernen und Reinforcement Learning. Die oben genannten Lernarten werden im Zusammenhang mit dem Forschungsziel unter­sucht. Dabei werden die Stärken und Schwächen einzelner Algorithmen nach bestimmten Qualitätskriterien erarbeitet, sodass das validierte KI-Modell eine Kombination aus allen KI-Algorithmen darstellt.

Partner:  HP Enterprises / Circular Economy Research
Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Partner: Kaiser Ingenieure 
Beratung und Betreuung: Dr. Matthias Kaiser und Prof. Dr. Martin Faulstich

Urbane Sturzfluten stellen heute ein zunehmendes Problem dar. Zwei wesentliche Entwicklungen sind dabei für die Zunahme der Problematik maßgeblich. Auf der einen Seite gibt es seit einigen Jahren eine Zunahme von Starkregenereignissen und Überflutungen. Auf der anderen Seite lebt bereits heute mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten – wobei hier für die Zukunft ein starkes Wachstum zu erwarten ist. Geht dieses Wachstum mit einer Zunahme des Wohlstandes einher, konzentrieren sich neben der Bevölkerung auch materielle Werte immer stärker auf engere Räume. Durch dieses wachsende Schadenspotential wächst auch die Schwere der Folgen einer Überflutung. Zieht man in Betracht, dass 90 Prozent des Zuwachses an städtischer Bevölkerung bis 2050 in Asien und Afrika stattfinden werden, ist davon auszugehen, dass vor allem in diesen Regionen die urbane Starkregenvorsorge massiv an Bedeutung gewinnen wird.

Somit ist davon auszugehen, dass auch Starkregengefahrenkarten zukünftig massiv an Bedeutung gewinnen werden. Durch die zu erwartende Zunahme der Nachfrage nach Starkregengefahrenkarten dürfte auch der Ruf nach neuen Methoden zur Erstellung der Starkregengefahren schnell laut werden, da gängige Methoden eine Reihe an Schwachpunkten aufweisen. Diese bestehen in der Regel in einem sehr hohen Rechenaufwand sowie erforderlicher technischer Fachkenntnis und dem hohen manuellen Aufwand um Fehler aus dem Modell zu entfernen. Diese Ressourcen sind oft im kommunalen Umfeld nicht vorhanden. Spezialisierte Firmen stehen indes vor der Herausforderung, trotz eines hohen Preis- und Wettbewerbsdrucks noch eine ausreichende hohe Qualität zu liefern. Dies ist besonders vor dem Hintergrund des hohen manuellen Arbeitsaufwandes, den die hydrologische Korrektur gängiger Modelle erfordert, kritisch.

Vor diesem Hintergrund und unter Berücksichtigung der technischen Entwicklungen der letzten Jahre, drängen sich einige neue Ansätze auf. Schlagworte in diesem Kontext sind Big Data, Open Data, Künstliche Intelligenzen, Deep Learning, Neuronale Netze, Machine Learning, usw.

Schon heute erledigen künstliche Intelligenzen (KI), meist auf Basis künstlicher neuronaler Netze (KNN), eine Reihe von Aufgaben. Sprach- und Bilderkennung sind hierfür gängige Beispiele. Gerade im Bereich der Bilderkennung hat die Thematik in der jüngeren Vergangenheit auch Einzug in den Bereich der Geoinformationssysteme gefunden. Das Ziel der Dissertation besteht in der Untersuchung dieser Technologien im Kontext der Erstellung von Starkregengefahrenkarten sowie der Untersuchung der Implementierung in die planerische Praxis.

Partner: Umweltbundesamt
Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich
Titel: "Materielle Grenzen der Kreislaufwirtschaft – Status und Perspektiven der Kreislaufwirtschaft unter Charakterisierung, Modellierung und Bewertung des Materialhaushalts mit besonderer Würdigung von Bestandsdynamiken im anthropogenen Lager Deutschlands"

Die Kreislaufwirtschaft wird in politischen Programmen zunehmend als konsistenter Lösungsentwurf einer nachhaltigen, ressourcenschonenden Wirtschaftsweise angesehen. Als zentrales Paradigma der Kreislaufwirtschaft gilt der Erhalt von Wert und Funktion von Gütern, Produkten und Materialien im Wirtschaftsraum. Demzufolge müsste sich ein idealtypisches rohstoffnutzendes System im Steady-State weitgehend aus sich selbst heraus mit Sekundärrohstoffen versorgen und nahezu in Gänze auf Primärrohstoffe verzichten können. Reale Systeme wie Volkswirtschaften zeichnen sich allerdings durch eine komplexe, dynamische Materialverflechtung mit Verlusten und veritablen Rohstoffverbräuchen aus. Das Recycling unterliegt technologischen und wirtschaftlichen Schranken. Darüber hinaus erfahren diese Systeme nicht nur Sättigungseffekte, sondern auch erhebliche Wachstums- und Schrumpfungsdynamiken im anthropogenen Lager. Es herrscht ein großer zeitlicher Versatz zwischen Inverkehrbringen und Entsorgung relevanter Gütergruppen. Wo liegen vor diesem Hintergrund realistische materielle Zielkorridore in einer Kreislaufwirtschaft und wo die Grenzen? Welche Materialien lassen sich überhaupt in Kreisläufen bewirtschaften und mit welchen Indikatoren lässt sich die Entwicklung von Materiallebenszyklen verlässlich beschreiben? In welchem Umfang wird die Versorgung mit Primärrohstoffen erforderlich bleiben? Der Doktorand widmet sich diesen zentralen Fragen und untersucht dabei, welcher Grad der Zirkularität für verschiedene Materialien unter derzeitigen und zukünftig zu erwartenden technischen Rahmenbedingungen möglich sein wird.

Partner: Berlin Institut für Bevölkerung und Entwicklung, Berlin; Daimler Benz Stiftung
Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Die zentrale Herausforderung für die früh entwickelten Industriestaaten wird in den nächsten Jahrzehnten sein, ihre Gesellschaften und ihr Wirtschaftssystem auf einen nachhaltigen Pfad lenken. Die Hoffnung, dass technischer Fortschritt mit effizienteren Herstellungsverfahren zu weniger Umwelteinflüssen führt, hat sich bislang nicht erfüllt – trotz teilweiser Entkopplung von Rohstoffverbrauch und Wirtschaftswachstum. Eine Einheit BIP kann zwar heute mit weniger Umwelt- und Naturverbrauch generiert werden als zu früheren Zeiten, aber das Wirtschaftswachstum der vergangenen Jahre hat absolut betrachtet zur mehr Rohstoffkonsum und Umweltschäden geführt. Doch in den Industrieländern zeichnet sich unabhängig von diesem Trend seit einigen Jahrzehnten eine Wachstumsverlangsamung ab. Einige Länder wie Japan erleben konjunkturbereinigt nahezu ein Nullwachstum. Eine Erklärung für diese Entwicklung liefert die Theorie der säkularen Stagnation. Sie macht strukturelle und unumkehrbare Gründe wie den demografischen Wandel und abnehmende Produktivitätsfortschritte für ein schwindendes Wirtschaftswachstum verantwortlich. Sollte die Theorie der säkularen Stagnation zutreffen, werden immer mehr früh entwickelte Staaten ein rückläufiges oder gar kein wirtschaftliches Wachstum mehr erleben. Somit stellt sich die Frage, ob die Gleichung „mehr Wirtschaftswachstum = mehr Umweltschäden“ auch mit umgekehrten Vorzeichen funktioniert. Hier zeigt sich noch ein erheblicher Forschungsbedarf. Das Promotionsvorhaben „Säkulare Stagnation und ihre ökologischen Folgen“ widmet sich daher denn folgenden Fragen: Welche ökologischen Folgen hätte ein dauerhaftes Ende des Wirtschaftswachstums in den früh entwickelten Ländern? Kann eine säkulare Stagnation die Industrieländer ihren Klimazielen näherbringen und wenn ja, wie groß wäre die ökologische Dividende, die sich daraus schöpfen ließe?

Beratung und Betreuung: Prof. Dr. Martin Faulstich

Das Raumplanungssystem in Deutschland orientiert sich an den drei Ebenen: Bund, Land und Region. Die Bundesraumordnung stellt nach §1 ROG basierend auf Leitbildern und Grundsätzen die rechtliche Grundlage für die Landesplanung dar. Die Landesplanung konkretisiert diese Vorgaben, bevor die Regionalplanung diese an die regionalen Parameter anpasst. Übergeordnet dazu steht die europäische Ebene, die Leitlinien verbindlich vorgibt. Die deutsche Raumplanung verfügt über eine Vielzahl von Planungsinstrumenten, die bereits seit mehreren Jahren genutzt werden, eine Evaluation der Wirksamkeit der regionalen Raumplanung nach Beendigung des Prozesses erfolgt jedoch selten.

Daher stellt sich die Frage, inwieweit bundesweite Strategien für Erneuerbare Energien über die verschiedenen Planungsebenen diffundieren und sich in räumlichen Entwicklungen niederschlagen. Bestandteil dieser Untersuchung ist die Identifikation von Vorhaben und Regionen, die als Best- und Worst-Practice-Beispiele in der Umsetzung der Bundes- und Landesstrategien sowie von Erneuerbare-Energie-Projekte und im Netzausbau gelten. Diese Informationen werden für die Formulierung eines Maßnahmenkatalogs für regionale Planungsgemeinschaften mit Beispielen erfolgreicher Implementierung der Bundesziele genutzt.