Simulation und Steuerung gekoppelter Wasser- und Stromversorgungssysteme urbaner Ballungsräume

Produktbeschreibung

Kurzfassung

Mit wachsenden Bevölkerungszahlen in urbanen Ballungsräumen nimmt der Bedarf an begrenzten Ressourcen wie Wasser, Energie und Infrastrukturkapazitäten stetig zu. Dabei besteht die Gefahr, dass die Nachfrage das Angebot deutlich übersteigen kann. Es stellt sich die Frage, wie können begrenzte Ressourcen optimal bewirtschaftet werden, um die steigende Nachfrage zu decken und natürlichen Ressourcen zu schonen? Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieuren und Wissenschaftler im Bereich des integrierten Managements von Wasser- und Energieressourcen. In diesem Kontext stellt die Arbeit einen modellbasierten Ansatz vor, der die Beschreibung von Bedarfen, Kapazitäten und deren Verknüpfungen in sektoralen und transsektoralen Infrastrukturen und zugleich die Abbildung einzelner sektoraler Komponenten durch Prozessmodelle erlaubt. Der Ansatz wurde auf den Wasser- und Elektrizitätsinfrastrukturen der Stadt Lima (Peru) erprobt.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ………………………………………………….. 1
1.1 Zielsetzung………………………………………………… 4
1.2 Beiträge der Arbeit ………………………………………… 5
1.3 Aufbau der Arbeit…………………………………………… 7

2 Wasser- und Energiesektoren im Kontext von Megastädten …………… 8
2.1 Einführung…………………………………………………. 8
2.2 Wassersektor ………………………………………………. 8
2.3 Energiesektor …………………………………………….. 10
2.4 Interdependenzen zwischen dem Wasser- und Energiesektor ……….. 12
2.5 Studien über die Interdependenzen zwischen Wasser und Energie ….. 13
2.6 Ansätze zur integrierten Analyse von Wasser und Energie ……….. 21
2.7 Zusammenfassung …………………………………………… 28

3 Integrierte Modellierung transsektoraler Infrastrukturen ………… 30
3.1 Einführung ……………………………………………….. 30
3.2 Zielsetzung ………………………………………………. 30
3.3 Methodische Grundlagen ………………………………………32
3.3.1 Graphentheorie ………………………………………….. 32
3.3.2 Materialflussanalyse ………………………………………34
3.3.3 Dynamische Prozessmodelle ………………………………… 36
3.4 Modellierung von Quellen …………………………………… 37
3.5 Modellierung von Senken ……………………………………..42
3.6 Modellierung von Prozessen …………………………………..43
3.7 Ressourcenbewirtschaftung und -verteilung ……………………..46
3.7.1 Problemstellung …………………………………………..46
3.7.2 Bewirtschaftung nach Priorisierung…………………………..46
3.7.3 Gleichmäßige Bewirtschaftung ……………………………….48
3.7.4 Verteilung nach Priorisierung ………………………………48
3.7.5 Gleichmäßige Verteilung ……………………………………49
3.8 Beispiele für Prozessmodelle ……………………………….. 50
3.8.1 Prozessmodell für Endverbraucher ……………………………50
3.8.2 Kopplung von Prozess- mit Makromodellen ……………………..62
3.9 Generischer Ansatz zur Abflussregelung von Talsperrensystemen ……70
3.10 Zusammenfassung ……………………………………………74

4 Integrierte transsektorale Modellierung der Wasser- und Elektrizitätsinfrastruktur der Stadt Lima… 75
4.1 Einführung………………………………………………… 75
4.2 Die Trinkwasserver- und Abwasserentsorgungssituation ………….. 75
4.2.1 Wassergewinnung und Trinkwasserversorgung ……………………77
4.2.2 Trinkwasserverbrauch ………………………………………84
4.2.3 Wasserverbrauch von Landwirtschaft und Gewerbe im Einzugsgebiet des Rimac…..85
4.2.4 Abwasserentsorgung und Abwasserreinigung …………………….85
4.3 Stromerzeugung ……………………………………………..87
4.4 Anwendung des Ansatzes ………………………………………89
4.4.1 Übersicht ………………………………………………..89
4.4.2 Aufgabenstellung und Ziele …………………………………90
4.4.3 Exemplarisch gewählte Komponente, Prozesse, Volumen- und Stoffströme ………92
4.4.4 Datengrundlage, Annahmen, exemplarisch gewählte Maßnahmen und Bewertungskriterien ……….94
4.4.5 Modellierung von Endverbrauchern ……………………………97
4.4.6 Stromversorgung und Stromverbrauch …………………………103
4.4.7 Modellierung der häuslichen Abwasserströme auf Stadtbezirksebene….104
4.4.8 Modellierung der Abwasserströme der Nicht-Haushalte auf regionaler Ebene in Lima ……….108
4.4.9 Modellierung von Quellen: natürliche Ressourcen und Infrastrukturen .. 109 4.4.10 Bewirtschaftung und Verteilung von Wasser- und Energie-ressourcen auf Stadtbezirksebene in Lima …………………115
4.5 Diskussion der Ergebnisse …………………………………..117
4.5.1 Ist-Zustand (2007 – 2013) …………………………………117
4.5.2 Ergebnisse S1 ohne Maßnahmen (2014 – 2030) ………………….134
4.5.3 Ergebnisse S2 mit Maßnahmen (2014 – 2030) …………………..142
4.6 Zusammenfassung ……………………………………………151

5 Zusammenfassung und weiterführende Arbeiten …………………….154
5.1 Zusammenfassung und Beiträge der Arbeit ………………………154
5.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten …………………………157

6 Anhang ……………………………………………………..159
6.1 Anhang A ………………………………………………….159
6.2 Anhang B ………………………………………………….212
Literaturverzeichnis …………………………………………..216

Keywords: Ballungsräume, Dynamische, rozessmodelle, Energie, Integrierte Modellierung, Materialflussanalyse, Steuerung, Transsektoral, Wasser,