ALBERT

Description: Wo stehen wir eigentlich in der Debatte um Suffizienz und Wohlstand nach dem Angriffskrieg Russlands gegen die Ukraine? Darauf versucht Wolfgang Sachs eine Antwort zugeben. In seinem zweiteiligen Essay plädiert er für eine Ökonomie des "Genug" als Gegenmittel zur Herrschaft des "Immermehr" und legt seine Überlegungen zu den Themen Suffizienz und Wohlstand dar.  Eingangs vermisst er die Energiepolitik zwischen Krieg und Anthropozän um dann zu der Schlussfolgerung zu gelangen, dass auch die erneuerbaren Energien nicht unendlich seien. Der expansiven Moderne könne man nur durch Suffizienz beikommen, und zwar nicht nur durch persönliche Genügsamkeit, sondern gerade durch Suffizienz in Technik, Geografie und der Menge von Produkten. Das veranschaulicht er an zahlreichen Beispielen aus den Bereichen Verkehr, Strukturentwicklung, Kreislaufwirtschaft und aus der Landwirtschaft. Als Abschluss bricht er eine Lanze für den Liberalismus, aber nicht nur für die individuelle Freiheit, vielmehr auch für die "Gleichfreiheit", die Freiheit aller Erdenbürger*innen. Das sei das heimliche Programm der Suffizienz.

Description: Wo stehen wir eigentlich in der Debatte um Suffizienz und Wohlstand nach dem Angriffskrieg Russlands gegen die Ukraine? Darauf versucht Wolfgang Sachs eine Antwort zugeben. In seinem zweiteiligen Essay plädiert er für eine Ökonomie des "Genug" als Gegenmittel zur Herrschaft des "Immermehr" und legt seine Überlegungen zu den Themen Suffizienz und Wohlstand dar.  Eingangs vermisst er die Energiepolitik zwischen Krieg und Anthropozän um dann zu der Schlussfolgerung zu gelangen, dass auch die erneuerbaren Energien nicht unendlich seien. Der expansiven Moderne könne man nur durch Suffizienz beikommen, und zwar nicht nur durch persönliche Genügsamkeit, sondern gerade durch Suffizienz in Technik, Geografie und der Menge von Produkten. Das veranschaulicht er an zahlreichen Beispielen aus den Bereichen Verkehr, Strukturentwicklung, Kreislaufwirtschaft und aus der Landwirtschaft. Als Abschluss bricht er eine Lanze für den Liberalismus, aber nicht nur für die individuelle Freiheit, vielmehr auch für die "Gleichfreiheit", die Freiheit aller Erdenbürger*innen. Das sei das heimliche Programm der Suffizienz.

Description: Die Stärkung der Digitalisierung im Nachhaltigkeitsmanagement und das Schaffen einer einheitlichen sowie konsistenten Datenbasis können Unternehmen maßgeblich unterstützen, steigenden Nachhaltigkeitsanforderungen zu entsprechen und die Transparenz zur Nachhaltigkeit des Wirtschaftens zu gewährleisten. Dieser Beitrag stellt Anforderungen und einen serviceorientierten Ansatz zur Entwicklung einer Plattform für datengestütztes Nachhaltigkeitsmanagement in produzierenden Unternehmen vor.

Description: Bundesweit gibt es über 32.000 allgemeinbildende Schulen - mit riesigen Klimaschutzpotenzialen. Das Projekt Schools4Future befähigt Kinder und Jugendliche darin, selbst daraus einen klimaneutralen Lernort zu machen. Interesse und Einsparmöglichkeiten sind riesig.

Description: Als die 15-jährige Greta Thunberg an einem Freitag im August 2018 vor dem schwedischen Parlamentsgebäude in Stockholm ihren einsamen Klimastreik begann, ahnte niemand, dass sie in den Folgejahren unter anderem auf zwei Weltklimakonferenzen und vor der UN-Vollversammlung als Repräsentantin der größten Jugendbewegung der Welt - Fridays for Future - vielbeachtete Reden halten würde. Das, was Greta Thunberg auf der Weltbühne der Politik gelungen ist, sollte auch klimaschutzengagierten Schülerinnen in der Kommunalpolitik ermöglicht werden. Sie sollten von Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträgern gehört und ernst genommen werden. Um ihren Forderungen für klimafreundliche Schulen auch gegenüber Kommunalpolitikerinnen und Kommunalpolitikern mehr Nachdruck verleihen zu können, müssen sie aber auch gestärkt und qualifiziert werden. So die Kernanliegen des Projekts Schools4Future, welches vom Wuppertal Institut sowie dem Büro Ö-quadrat aus Freiburg durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wird.

Description: Die aktuellen Berichte des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) und des International Resource Panel zeigen erneut die Dringlichkeit einer umfassenden sozial-ökologischen Transformation auf. Das bedeutet, dass die Umsetzung der "Agenda 2030", welche im Jahr 2015 durch die Vereinten Nationen beschlossen wurde, als ein international geltendes Maßnahmenprogramm zur Umsetzung einer nachhaltigen Entwicklung gesetzt und ihr ein zentraler politischer Stellenwert zugeordnet werden muss. Das SDG 12 "Nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster sicherstellen" setzt die besondere Rolle nachhaltiger Produktions- und Konsummuster als Ausgangspunkt für eine Klima- und Ressourcenwende und Generationen- sowie soziale Gerechtigkeit. Der Zukunftsimpuls formuliert zehn Botschaften zur Umsetzung von SDG 12 "Nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster sicherstellen" als Ausgangspunkt einer großen Transformation. Es beleuchtet kurz und knapp vielfältige Handlungsvoraussetzungen als auch Akteurinnen und Akteure, die relevant für die Verwirklichung einer nachhaltigen Zukunft sind. Der Zukunftsimpuls thematisiert unter anderem die Vorbildfunktion des Staates, die Chancen, die sich auf kommunaler Ebene bieten und die internationale Perspektive, welche sich durch globale Kooperationen und stetigen Wissens- und Erfahrungsaustausch auszeichnen sollte. Ein weiterer Fokus liegt auf nachhaltiger Produktion und nachhaltigem Konsum. Dies lässt sich durch die Stärkung des Nachhaltigkeitsbewusstseins und der -kompetenz sowie der Schaffung von ausreichend Gelegenheiten erreichen, damit einer dynamisch wachsenden Gruppe nachhaltiges Produzieren und nachhaltiger Konsum ermöglicht wird. Ziel ist daher die Bildung eines politischen und gesetzlichen Rahmens, welcher nachhaltige Lebensstile als auch nachhaltige Produktions- und Dienstleistungssysteme begünstigt, fördert und als Daseinsvorsorge sieht. Um die Entwicklung und Fortschritte zu sichern, bedarf es neuer Indikatoren und regelmäßiger Monitorings, die Handlungslücken in Realzeit aufdecken und das Schließen der Lücken ermöglichen. Die Umsetzung des SDG 12 benötigt einen Rahmen, der von Politik, Wirtschaft und Gesellschaft getragen wird.

Description: Die global gesehen größte Gesundheitsbedrohung des 21. Jahrhunderts ist der Klimawandel. Krankenhäuser müssen sich zwangsläufig vermehrt mit den Folgen des Klimawandels auseinandersetzen, wenn neue Krankheitserreger aus fernen Ländern auftreten oder wenn ältere Menschen, chronisch Kranke, Kinder oder anderweitig besonders betroffene Menschen an heißen Tagen mit bislang unerreichten Hitzerekorden dehydrieren mit der Folge von Herzkreislaufproblemen. Eine Untersuchung des Robert Koch-Instituts kommt zu dem Ergebnis, dass allein in den drei Sommern zwischen 2018 und 2020 in Deutschland über 19.000 Menschen aufgrund der Hitze gestorben sind. Der Gesundheitssektor trägt aber auch wesentlich zur Klimakrise bei, indem er selbst für einen erheblichen Teil der klimaschädlichen Emissionen verantwortlich ist. Dieser Wuppertal Report zeigt einen Weg, wie Krankenhäuser perspektivisch Teil der Lösung der derzeit größten Transformationsherausforderung werden können. Dabei sind Krankenhäuser ein Mikrokosmos der Gesellschaft. In ihnen spiegelt sich förmlich alles, was das Leben einer Gesellschaft hinsichtlich der Herausforderung des Klimaschutzes ausmacht: Strom- und Wärmeversorgung, Mobilität, Ernährung, Ressourcenverbrauch und Abfall. Der vorliegende Wuppertal Report macht deutlich, dass Krankenhäuser als Reallabore des bevorstehenden Transformationsprozesses, hin zu einer klimagerechten und ressourcenleichten Gesellschaft verstanden werden können. Das für die Krankenhausgesellschaft Nordrhein-Westfalen e. V. (KGNW) entwickelte Zielbild Klimaneutrales Krankenhaus gibt Krankenhäusern umsetzungsorientierte Hinweise darauf, wie sie sich auf den Weg zur Klimaneutralität begeben können: Es identifiziert klimaschutzrelevante Handlungsfelder im Betrieb. Es verdeutlicht, wie die KGNW die Krankenhäuser in NRW auf ihrem Weg in Richtung Klimaneutralität unterstützen kann. Es motiviert, Klimaschutz als wichtiges Unternehmensziel aktiv anzugehen.

Description: Innerhalb des Projekts "Digitalisierung gestalten - Transformation zur Nachhaltigkeit ermöglichen" werden die besonderen Transformationspotenziale der Digitalisierung herausgearbeitet und für Deutschland am Beispiel der ausgewählten Handlungsfelder Mobilität, Circular Economy sowie Landwirtschaft und Ernährung diskutiert. Dieser Bericht adressiert das Handlungsfeld einer klimaschonenden und ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft, die Circular Economy. Bisher wird Kreislaufwirtschaft dabei vor allem mit Fokus auf Recycling und Wiederverwertung von Materialien diskutiert. Das greift jedoch zu kurz - es muss um die Skalierung von neuen, ressourcenschonenden Geschäftsmodellen und der umfassenden Transformation von Wertschöpfungsketten und Industriestrukturen gehen. Die Analyse zeigt: richtig eingesetzt ist Digitalisierung unverzichtbar für diesen Wandel. Der vorliegende Bericht möchte Anstöße für diesen Weg liefern und neue Impulse für eine klima- und ressourcenschonende Industrietransformation in Deutschland setzen. Der Bericht verarbeitet dabei Ergebnisse eines interdisziplinären Workshops zum Thema "Die digital-ökologische Industrietransformation gestalten - Geschäftsmodelle und politische Rahmenbedingungen für Klima- und Ressourcenschutz" mit Expertinnen und Experten aus Forschung, Zivilgesellschaft, Behörden und Privatunternehmen.

Description: Das Wirtschafts- und Strukturprogramm für das Rheinische Zukunftsrevier enthält eine Reihe von Zielen, die demonstrieren sollen, wie der European Green Deal modellhaft im Rheinischen Revier bis 2038 umgesetzt werden kann. Das Konzept der "Ressourcenwende" stellt dabei einen Lösungsweg für die erfolgreiche Umsetzung dieser Transformation dar. Das Wuppertal Institut hat vor diesem Hintergrund gemeinsam mit der Prognos AG die vorliegende Studie zu einer regionalen Ressourcenwende im Rheinischen Revier erarbeitet. Das Rheinische Revier ist geprägt durch die Gewinnung, Verstromung und Veredelung von Braunkohle. Darüber hinaus haben sich hier - aufgrund der Nähe zu bedeutenden europäischen Transportwegen und einer zentralen Lage zu wichtigen Märkten in Europa - viele weitere Branchen angesiedelt, wie etwa die Metall-, Chemie- und Aluminiumbranche. Im Hinblick auf den von der Bundesregierung und Nordrhein-Westfalen (NRW) beschlossenen Braunkohleausstieg 2030 und den European Green Deal wird die Notwendigkeit eines Wandels der energie- und ressourcenintensiven Industrien hin zu einer treibhausgasneutralen und ressourcenleichten Wirtschaft im Rheinischen Revier mehr als deutlich. Welchen Fußabdruck hinterlässt das Rheinische Revier, welche innovativen Ressourcenstrategien sollte die Region verfolgen und wie kann dies gemessen werden? Zu dieser Fragestellung haben die Forschenden ein methodisches Konzept einer regionalen Ressourcenwende für das Rheinischen Revier erarbeitet. Die Ressourcenwende selbst begrenzt sich dabei nicht nur auf Primärrohstoffe, sondern nimmt auch die Aspekte wie Bodennutzung bzw. Flächenverbrauch und Biodiversität bzw. Ökosystemleistungen in den Blick und setzt diese in den Kontext eines regionalen Kreislaufwirtschaftssystems.

Description: Der Verkehrssektor verursacht rund 20 Prozent der Treibhausgas-Emissionen in Deutschland und ist damit unverzichtbar, um die nationalen Klimaschutzziele zu erreichen. Doch in keinem anderen Sektor liegen Wunsch und Wirklichkeit auf dem Weg zur Klimaneutralität noch so weit auseinander wie im Verkehrssektor. Die vorliegende Studie zeigt daher neue Wege für den Einstieg in eine klimaschonende und nachhaltige Verkehrswende in Deutschland. Sie liefert Handlungsoptionen für die Umsetzung der Ziele des Koalitionsvertrags zum Ausbau ambitionierter, digitaler Mobilitätslösungen. Die Forschenden formulieren acht Thesen, wie sich das Potenzial der Digitalisierung für eine nachhaltige Mobilität nutzen lässt und welche politische Flankierung und Unterstützung dafür erforderlich sind. Entscheidend sei demnach die finanziellen und regulatorischen Leitplanken so auszugestalten, dass sie einerseits den schnellen Ausbau des digitalisierten Umweltverbunds vorantreiben und andererseits zu einer schrittweisen Eingrenzung des Pkw-Verkehrs führen.

Description: Ziel des Projektes war es, eine ressourceneffiziente Kreislauschließung in der Kunststoffwirtschaft durch verschiedene digitale Software und Sensorlösungen zu ermöglichen. Das Projekt war in folgende Arbeitspakete gegliedert: Arbeitspaket 1: Bestimmung der Ist-Situation. Arbeitspaket 2.1: Entwicklung innovativer Prozessmesstechnik. Arbeitspaket 2.2: F&E zu einer digitalen Applikation. Arbeitspaket 2.3: Konzeption eines Wertschöpfungsnetzwerkes. Arbeitspaket 3.1: Erprobung und Optimierung. Arbeitspaket 3.1: Nachhaltigkeitsbewertung. Arbeitspaket 4: Aktivierung und Dissemination der Ergebnisse. Arbeitspaket 5: Kommunikation. Arbeitspaket 6: Projektmanagement. Die Projekt-Ergebnisse werden im vorliegenden Abschlussbericht, gegliedert in diese Arbeitspakete, vorgestellt.

Description: A growing number of transformative research practices that redefine the role of science in engaging with local - mostly urban - transformation processes have emerged in recent decades. However, while education is considered a key driver for sustainability transformations, higher education has been slow to develop and implement dedicated, appropriate and effective transformative education programmes and learning modules. In this paper, we present a framework of design principles for transformative learning modules in higher education. These principles are derived from two growing discourses: higher education sustainability learning, and transdisciplinary and transformative research - both of which are centrally anchored in the field of sustainable development and sustainability science. The principles presented provide guidance for course leaders in higher education to create learning modules aimed at enabling students to become engaged in transdisciplinary and transformative research that fosters sustainability transitions in local and urban contexts. We use the Transformative Innovation Lab (TIL) - a learning course developed and tested at two German universities - as an example of how the design principles can be applied. The module, which runs over two semesters, supports Masters students in their process of developing real-world laboratories and exploring urban sustainability transitions through collaborative experimentation with local practice partners. We discuss the factors that enable and limit the implementation of transformative learning modules and outline aspects of the novel roles adopted by lecturers in transformative teaching environments. Moreover, we highlight the need for both institutional change and transformative teaching formats that go beyond transformative research as key for driving universities to take responsibility for collaboratively fostering sustainability transitions in their local contexts.

Description: Vor dem Hintergrund der zunehmenden Auswirkungen der Klimakrise und der durch den Angriffskriegs Russlands gegen die Ukraine entstandenen Energie- und Rohstoffversorgungsprobleme ist die Bundesregierung zu einem schnellen und zielführenden Handeln gezwungen. Neben der Herstellung von Versorgungssicherheit müssen die durch stark steigende Energie- und Lebensmittelpreise entstehenden sozialen Härten abgefedert werden. Um diese Aufgabe bestmöglich zu bewältigen, bedarf es eines politischen Instruments, das notwendige Veränderungen der Lebens- und Wirtschaftsweise ermöglicht und soziale Belastungen in den Krisen auffängt. Mit Blick auf diese Problemstellung werden in diesem Wuppertal Report bereits vorhandene politische Instrumente, deren Mittel nicht zweckgebunden verwendet werden müssen, einer SWOT-Analyse unterzogen und erste Ideen für ein sogenanntes Transformationsgeld vorgestellt, das die Mehrdimensionalität der derzeitigen Problemlage berücksichtigt. Das Transformationsgeld ist als zweckungebundene staatliche Transferleistung konzipiert, um die Freiheit der Konsument*innen nicht einzuschränken und Preiseffekte nicht zu nivellieren. Die Höhe der Transferleistung hängt von der ökonomischen Situation des Haushalts ab und soll nicht nur eine Kompensation der Mehrkosten darstellen, sondern gesellschaftliche Teilhabe ermöglichen. Abseits des Transformationsgelds liefert die Kurzstudie auch eine Einschätzung der Autor*innen, was aus ihrer Sicht kurzfristig gegen die bestehenden Probleme getan werden sollte.

Description: Das Zusammenspiel von aufstrebenden Technologiefeldern eröffnet neue Potenziale für die Nachhaltigkeitstransformation. Gleichzeitig erzeugt es komplexe Umweltbelastungen, die bisher kaum sichtbar und noch weniger gestaltbar sind. Für eine nachhaltige Digitalisierung brauchen wir jetzt ein Verständnis für die ökologischen Wechselwirkungen des zukünftigen Digitalsystems. Am Beispiel der Machine Economy und der ihr zugrunde liegenden Technologien Internet of Things, Künstliche Intelligenz und Distributed Ledger Technologie bzw. Blockchain machen wir in diesem Forschungsbericht Umweltwirkungen transparent und Ansatzpunkte greifbar - damit Digitalisierung ganzheitlich ökologisch gestaltbar wird.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das erste Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung zur Analyse der Pflanzenvitalität in Naturschutzgebieten. Mithilfe von Sentinel-2 Daten und dem Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) analysieren wir die (vitalitäts-bezogenen) Auswirkungen eines Dürreereignisses auf unterschiedliche terrestrische Naturschutzgebiete.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das zweite Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung für die Analyse eines 5-jährlichen Hochwasserereignisses am Rhein. Mithilfe von Sentinel-2 Daten, dem Normalised Difference Water Index (NDWI) und Landnutzungsinformationen ermitteln wir Überschwemmungsflächen und identifizieren die betroffenen Landnutzungsarten.

Description: Seit mehreren Jahrzehnten weisen die Grund- und Seewasserstände vielerorts in Nordostdeutsch-land einen negativen Trend auf, wofür die Ursachen bis heute nicht eindeutig geklärt sind. Ohne ein umfassendes System- und Prozessverständnis können die möglichen negativen Konsequenzen für die Ressource Grundwasser nicht ausreichend erfasst werden. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Grundwasserfließsystem sowie den Wasserhaushalt des von sinkenden Wasserständen betrof-fenen Gebietes um den Großen Fürstenseer See (Mecklenburg-Vorpommern) zu erforschen. Die Untersuchung des Jungmoränengebietes stellt aufgrund der Heterogenität des Untergrundes in Kom-bination mit nur wenigen direkten Aufschlüssen eine sehr komplexe Aufgabe dar, weshalb ein Multi-methodenansatz unter Einbeziehung hochaufgelöster, raumerfassender geoelektrischer Messungen in die zumeist nur punktuell durchführbaren hydrogeologischen Verfahren gewählt wird. Das betrachtete Gebiet besteht aus der Pommerschen Hauptendmoräne im Norden sowie dem ihr vorgelagerten Sander. In den das Gebiet durchziehenden weichselglazialen Schmelzwasserrinnen entwickelten sich grundwasserdominierte Seen. Der Fokus liegt auf den miteinander verbundenen Seen Großer Fürstenseer See und Hinnensee sowie dem unbedeckten Grundwasserleiter des Sanders. Dessen Basis bildet weichselglazialer, in den Rinnen nicht flächenhaft verbreiteter Geschiebemergel. Zur Untersuchung der geologischen Strukturen und hydraulischen Eigenschaften wurden im Bereich des Sanders 17 Bohrungen abgeteuft und zu Grundwassermessstellen ausgebaut. Die dabei gewonnen Proben dienten der Analyse der Korngrößenverteilungen, hydraulischen Durchlässigkeiten und Porositäten. Der Sander besitzt einen sehr heterogenen Aufbau aus vorrangig Mittelsanden mit entsprechend variablen, zumeist guten hydraulischen Durchlässigkeiten und verhältnismäßig niedri-gen Porositäten. Es ergaben sich tendenzielle Abhängigkeiten der Porosität von Gleichförmigkeit und Korngrößenverteilung sowie der hydraulischen Durchlässigkeit von der Korngrößenverteilung. Die räumliche Erkundung der Untergrundstrukturen erfolgte mittels hochaufgelöster 2D-geoelektrischer Widerstandsmessungen, die die Obergrenze des ersten Grundwassergeringleiters, hydraulische Fenster sowie fließrelevante gering durchlässige Strukturen erfassten. Eine Begrenzung erfährt die Methode im Betrachtungsgebiet durch ungünstige Deckschichtverhältnisse und das begrenzte Auflösungsvermögen bei größeren Tiefen. Die Messung von Grund- und Seewasserständen diente der Erfassung ihrer Entwicklung sowie der aus der räumlichen Verteilung abgeleiteten allgemeinen Fließsituation. Ihre Dynamik sowie die Korrelation ausgewählter Zeitreihen enthalten Hinweise auf die Grundwasserneubildungssituation und auf bevorzugte hydraulische Verbindungen. Detailliertere Erkenntnisse zur Grundwasserherkunft und zu präferenziellen Fließwegen lassen sich mittels hydrochemischer Methoden gewinnen. Dazu erfolgten regelmäßige Untersuchungen der physiko-chemischen Parameter, der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 sowie einmalig der Ioneninhalte der Grund- und Seewässer. Die Analyse der zeitlich und räumlich erhobenen Daten demonstriert, dass vor allem die stabilen Isotope, speziell auch bei Seewasserinfiltrationen, der Identifizierung des Grundwasserursprungs dienen. Besonders die elektrischen Leitfähigkeiten sowie unter geeigneten Randbedingungen auch die Kombination mit weiteren physiko-chemischen Parametern unterstützen die Herkunftsbestimmung. Die elektrischen Leitfähigkeiten und Wasserstandsentwicklungen enthalten zudem Hinweise auf lokale Reduktionen der Grundwasser-neubildungsrate. Anhand der Ioneninhalte des Grundwassers wurden anthropogene Einflüsse ermittelt. Die für das Verständnis des lokalen Fließ- und Neubildungsgeschehens notwendigen Strukturinformationen liefern die geoelektrischen Messungen. Aus den spezifischen elektrischen Widerständen wurden zudem effektive elektrische Leitfähigkeiten als Maß für relative Versickerungsgeschwindigkeiten der ungesättigten Zone abgeleitet, welche potenziell zur flächenhaften Bestimmung von Grundwasserneubildungsraten genutzt werden können. Während die Aussagekraft der einzelnen Methoden begrenzt ist, trägt ihre Kombination und integrierte Auswertung, insbesondere mit den geoelektrischen Messungen, maßgeblich zum Verständnis des Grundwasserfließsystems und Wasserhaushalts bei. Aus den erfassten Strukturen und Eigenschaften wurde ein detailliertes Konzeptmodell als Basis weiterer Untersuchungen, wie Grundwassermodellierungen, erstellt.

Description: For several decades, groundwater and lake water levels have been showing a negative trend in many places in north-eastern Germany. The causes for this decline are still not clearly understood. Without a comprehensive understanding of systems and processes, their possible negative consequences for groundwater as a resource cannot be adequately assessed. Therefore, the aim of the present study is to investigate the groundwater flow system as well as the water balance of the area around Lake Großer Fürstenseer See (Mecklenburg-West Pomerania), which is affected by decreasing water levels. The investigation of the young moraine area is a very complex task due to the heterogeneity of the subsurface in combination with only a few direct outcrops. This is why a multi-method approach was chosen. It included high-resolution, spatial geoelectrical measurements in the hydrogeological procedures, which can mostly only be carried out at specific points. The study area consists of the Pomeranian main terminal moraine and the outwash plain. Groundwater-dominated lakes developed in the glacial meltwater channels running through the area. The focus is on the interconnected lakes Großer Fürstenseer See and Hinnensee and the unconfined aquifer of the outwash plain. The base of this aquifer is formed by glacial till, which is not widespread in the meltwater channels. To investigate the geological structures and hydraulic properties, 17 boreholes were drilled into the outwash plain and used as groundwater monitoring wells. Samples obtained were analysed for grain size distributions, hydraulic permeabilities and porosities. The outwash plain has a very heterogeneous structure of predominantly medium sands with corresponding variable, mostly good hydraulic permeabilities and relatively low porosities. There was a tendency for porosity to be dependent on uniformity and grain size distribution, and for hydraulic permeability to be dependent on grain size distribution. The spatial exploration of the subsurface structures, using high-resolution 2D geoelectric resistivity measurements, recorded the upper limit of the first aquitard, hydraulic windows and flow-relevant low-permeability structures. This method was hampered in the study area by unfavourable overburden conditions and limited resolution capacity at greater depths. The measurement of groundwater and lake water levels served to record their temporal variation as well as the general flow situation derived from their spatial distribution. Their dynamics as well as the correlation of selected time series contained indications of the groundwater recharge situation and preferred hydraulic connections. More detailed findings on the origin of groundwater and preferential flow paths can be obtained using hydrochemical methods. For this purpose, regular investigations of the physico-chemical parameters, the stable isotopes deuterium and oxygen-18 as well as the ionic content of groundwater and lake water were carried out. The analysis of the temporally and spatially collected data demonstrates that especially the stable isotopes, particularly in the case of lakewater infiltrations, serve to identify the groundwater origin. Especially the electrical conductivities and, under suitable boundary conditions, the combination with other physico-chemical parameters support the determination of origin. The electrical conductivities and water level trends also show indications of local reductions in the groundwater recharge rate. Anthropogenic influences were determined based on the ion contents of the groundwater. The geoelectric measurements provide the structural information necessary for understanding the local flow and recharge processes. In addition, the effective electrical conductivities were derived from the electrical resistivities as a measure of the relative seepage velocity in the unsaturated zone. The effective electrical conductivities can potentially be used for the areal determination of groundwater recharge rates. While the informative values of the individual methods are limited, their combination and integrated evaluation, especially with the geoelectric measurements, contributed significantly to the understanding of the groundwater flow system and water balance. From the recorded structures and properties, a detailed conceptual model was created as a basis for further investigations, such as groundwater modelling.

Description: Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming.

Description: Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten.

Description: Die Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland erfordert eine kritische Diskussion über die Abschätzung der Hoch- wassergefährdung, Aktualisierung von Hochwassergefahrenkarten und Kommunikation von extremen Hochwasserszenarien. In der vor- liegenden Arbeit wurde die Extremwertstatistik für die jährlichen maximalen Spitzenabflüsse am Pegel Altenahr im Ahrtal mit und ohne Berücksichtigung historischer Hochwasser berechnet und verglichen. Die Schätzung der Wiederkehrperiode für das aktuelle Hoch- wasser mittels Generalisierter Extremwertverteilung (GEV) unter Berücksichtigung historischer Hochwasser schwankt zwischen etwa 2.600 und über 58.700 Jahren (90%-Konfidenzintervall) mit einem Median bei etwa 8.600 Jahren, wogegen die Schätzung, die nur auf der systematisch gemessenen Abflusszeitreihe von 74 Jahren basiert, theoretisch eine Wiederkehrperiode von über 100 Millionen Jahren ergeben würde. Die Berücksichtigung der historischen Hochwasser führt zu einer dramatischen Änderung der Hochwasserquan- tile, die für eine Gefahrenkartierung zugrunde gelegt werden. Die Anpassung der GEV an die Zeitreihe mit historischen Hochwassern zeigt dennoch, dass das GEV-Modell möglicherweise die Grundgesamtheit der Hochwasser im Ahrtal nicht adäquat abbilden kann. Es könnte sich im vorliegenden Fall um eine gemischte Stichprobe handeln, in der die extremen Hochwasser im Vergleich zu kleineren Ereignissen durch besondere Prozesse hervorgerufen werden. Somit könnten die Wahrscheinlichkeiten von extremen Hochwassern deutlich größer sein, als aus dem GEV-Modell hervorgeht. Hier sollte in Zukunft die Anwendung einer prozessbasierten Mischverteilung untersucht werden. Der Vergleich von amtlichen Gefahrenkarten zu Extremhochwassern (HQextrem) im Ahrtal mit den Überflutungsflächen vom Juli 2021 zeigt eine deutliche Diskrepanz in den betroffenen Gebieten und die Notwendigkeit, die Grundlagen zur Erstellung der Extremszena- rien zu überdenken. Die hydrodynamisch-numerischen Simulationen von 1.000-jährlichen Hochwassern (HQ1000) unter Berücksich- tigung historischer Ereignisse und des größten historischen Hochwassers 1804 können die Gefährdung des Juli-Hochwassers 2021 deutlich besser widerspiegeln, wenngleich auch diese beiden Szenarien die Überflutungsflächen unterschätzen. Besondere Effekte wie die Verklausung von Brücken und die geomorphologischen Änderungen im Flussschlauch führten zu noch größeren Überflutungs- flächen im Juli 2021, als die Simulationsergebnisse zeigten. Basierend auf dieser Analyse wird eine einheitliche Festlegung von HQextrem bei Hochwassergefahrenkartierungen in Deutschland vorgeschlagen, die sich an höheren Hochwasserquantilen im Bereich von HQ1000 orientiert. Zusätzlich sollen simulationsbasierte Rekonstruktionen von den größten verlässlich dokumentierten historischen Hoch- wassern und/oder synthetische Worst-Case-Szenarien in den Hochwassergefahrenkarten gesondert dargestellt werden. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, um die potenziell betroffene Bevölkerung und das Katastrophenmanagement vor Überraschungen durch sehr seltene und extreme Hochwasser in Zukunft besser zu schützen.