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The overall aim of this PhD-thesis is to develop empirical probabilistic frameworks that help to quantify the impacts of temporal and spatial scale dependencies and model uncertainties of climate projections regarding precipitation-dependent parameters. The thesis is structured in four journal articles. Article one is the first study that analyzed climate projections from the spatially highly resolved regional climate model (RCM) ensemble EURO-CORDEX. Additionally, the significance and the robustness of the projected changes are analyzed, and improvements related to the higher horizontal resolution of the new data set are discussed. A major finding is, that RCM simulations provide higher daily precipitation intensities, which are missing in the global climate model (GCM) simulations, and that they show a significantly different climate change of daily precipitation intensities with a smoother shift from low towards high intensities. The second article elaborates on impacts of temporal and spatial aggregation on extreme precipitation intensities. By combining radar data with cloud observations, the different temporal and spatial scaling behavior of stratiform and convective type precipitation events can be analyzed for the first time. The separation between convective and stratiform type events also allows to quantify the contribution of convective events to the extremes. Further, it is shown that temporal averaging has similar effects on the precipitation distribution as spatial averaging. Associated pairs of temporal and spatial resolutions that show comparable intensity distributions are identified. Using precipitation data from radar observations, a gauge station network and a spatially highly resolved regional climate model, the third paper optimizes the process that finds associated temporal and spatial scales (see second article). This information is used to develop a method that adjusts point measurements to the temporal and spatial scale of a previously defined model grid. The study shows that this procedure can be used to improve bias-adjustment methods in areas with a low gauge station density. It is known that the EURO-CORDEX ensemble overestimates precipitation and shows a common cold bias in the Alpine region. The fourth article evaluates how these biases are changing the temperature distribution and the temperature dependency of precipitation-frequencies. These biases are a source of uncertainty that is not captured by the robustness tests performed in the first article. A probabilistic-decomposition-framework is developed to quantify the impact of these biases on precipitation-frequency changes and to investigate causes for the ensemble spread.
Seit den frühen 1990er Jahren wird transdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung in Form von problemorientierten Forschungs- und Lernprojekten konzeptioniert und praktisch umgesetzt, an denen außeruniversitäre Akteur_innen beteiligt sind. Diese Forschungsarbeit verfolgt drei Ziele: Erstens, die Konzeptualisierung der Begriffe Kultur, Multi-, Inter- und Transkulturalität in der Literatur zur transdisziplinären Nachhaltigkeitsforschung zu untersuchen. Zweitens, die Konzeptionierung und Umsetzung von transdisziplinären Forschungs- und Lernprojekten in Hinblick auf kulturelles Differenzieren zu analysieren. Drittens, konzeptionelle Beiträge zur Gestaltung von transdisziplinären Forschungs- und Lernprojekten zu entwickeln. Methodisch wird auf Literaturanalysen und eine qualitative Untersuchung zweier transdisziplinärer Lernforschungsprojekte zurückgegriffen. Unter dem Begriff Forschungs- und Lernprojekt werden in dieser Forschungsarbeit sowohl Forschungsprojekte als auch Lehr-Lernforschungsprojekte gefasst. Zentrale Ergebnisse der Forschungsarbeit sind die Folgenden: Erstens wird der Kulturbegriff in der transdisziplinären Nachhaltigkeitsforschung zwar vielfältig verwendet, als Forschungsthema, Hintergrund von Beteiligten, Kooperationsweise, Projektkontext, in Hinblick auf Interkulturalität oder als Wissenskultur, allerdings kaum ausdifferenziert und konkretisiert. Zweitens besteht auf der Ebene der Konzeptionierung von transdisziplinären Forschungs- und Lernprojekten: 1) ein starkes Übergewicht von Integration und Konsens gegenüber einer Auseinandersetzung mit Differenz, 2) eine implizite Vorauswahl von Beteiligten durch bestimmte Begrifflichkeiten und methodologische Ansätze und 3) eine Reproduktion von Machtverhältnissen durch (dichotome) Symmetrie- und Ausgleichsvorstellungen. Drittens zeigt sich auf der Ebene der Umsetzung von Lernforschungsprojekten: 1) eine starke Prozessorientierung der Projekte, 2) ein Spannungsfeld zwischen einer Öffnung und Steuerung in Hinblick auf den Projektverlauf und 3) vielfältige Differenzaushandlungen in Interaktionen (wie Zeitlichkeit, Verantwortung, Erfahrung, Relevanz). Die Ergebnisse zeigen, dass politische Implikationen der Forschung und zentrale Ungleichheitskategorien der Kultur- und Sozialwissenschaften (u.a. race, class, gender, body) kaum thematisiert werden. Vorschläge zur Gestaltung transdisziplinärer Forschungs- und Lernprojekte werden in Hinblick auf ein Verständnis von Forschungsdesigns als Prozesse, einem Erkunden von Differenzierungen und Forscher_innen-Positionen und der Bedeutung eines Verlernens entwickelt. Die folgenden Vorschläge zur Gestaltung von transdisziplinären Forschungs- und Lernprojekten werden aus den Ergebnissen entwickelt: Kulturkonzepte sollten nicht als voneinander getrennt, sondern als miteinander verschränkt betrachtet werden. Generell sollten Kulturkonzepte stärker definiert werden. So können durch offene Kulturkonzepte problematische Implikationen (Stereotypen, Rassismus, Kulturalisierung) vorgebeugt werden, die Zielen transdisziplinärer Forschung entgegenstehen. In Hinblick auf die Arten und Weisen kulturellen Differenzierens sollte bewusster mit Differenzierungen umgegangen werden (Wer differenziert wen wie?). Dies schließt ein, eine Sensibilität gegenüber kulturellem Differenzieren zu entwickeln und Differenzierungen in Forschungsprozessen zu erkunden. Kulturelles Differenzieren entfaltet ein wichtiges epistemologisches und transformatives Potential in der transdisziplinären Forschung, um Selbstverständlichkeiten zu reflektieren und Gemeinsamkeiten zu entdecken.
Nowadays, our (western-world) society is characterized by digitalization. This is realized by information and communication technologies, consuming a huge amount of energy. The fact that digitalization comes along with a lot of negative effects onto the environment is slightly known in the case of energy consumption by hardware, especially regarding mobile devices, having a limited battery life. However, awareness of environmental issues of software, being the driver of hardware, is mainly missing, even if the research field addressing corresponding issues is growing. Thus, the doctoral thesis at hand addresses the question How to draw (a) developers and (b) usersattention to environmental issues of software? By presenting (a) a calculation method of the carbon footprint of software projects and (b) a concept for an eco-label for software products, evaluated by a user survey, the doctoral thesis provides two strategies how to draw the attention to environmental issues of software. Summarizing, this thesis can act as a basis for further research in bridging from science to society in the context of environmental issues of software. Its findings can be seen as starting points for practical implementations of methods and tools supporting a more environmentally friendly way of developing software and informing about environmental issues of software usage. In order to get the implementation of the research results of the thesis going, it highlights practical implications for diverse groups of stakeholders - researchers, certifiers, public administration and professional purchasers, and environmental associations - that have been identified as being important for the practical implementation of the presented concepts and, thus, represent the target group of the doctoral thesis.
The German energy system is under transformation. The so-called Energiewende (in English, Energy turn) relies, among other things, on renewable energies for building a more sustainable energy system. Regions (Landkreise) are one relevant level where different administrative bodies make decisions and plans both for the implementation and for the use of renewable energies. However, in order to realize the goals of the Energiewende, developments in the wider society are necessary. This is why, scientific research can and should foster such developments with more research on the social aspects of energy-related topics. The present work contributes to the understanding of transition processes towards a sustainable use of regional renewable energy by focusing on the role of contextual conditions, practical experiences, and temporal dynamics in the implementation and use of renewable energy in German regions. In this way, this work wants to contribute fostering the development of regional energy transition strategies for the realization of the Energiewende. The conceptual background for this piece of transformation research lies in three bodies of literature dealing respectively with transitions of socio-technical systems, transformations of socioecological systems, and time ecology. From a critical engagement with this literature, three main results have emerged. First, an evidence-based, spatially distinct analysis of contextual conditions for the use of renewable energy in all German regions has resulted in the identification of nine types of regions, so-called energy context types. Second, empirical research on practices in regional settings learned from the knowhow of actors from regional administration has shown that political and economic conditions are crucial as well as that process management, exchange, and learning are helpful for renewable energy implementation. Third, conceptual work about a deeper understanding of the temporal dimensions of transformation processes has made it possible to point out a three-step approach to include temporal dynamics into sustainability transformations management - the time-in-transformations-approach. The literature suggests that regions need to be treated individually; but developing an energy transition strategy for each region individually would be extremely resource intensive. Overall, my work outlines a compromise for a more efficient approach towards regional energy transition strategies which still considers the individuality of regions. As a result, I suggest to develop generic regional energy transition strategies that are adapted to each of the nine energy context types of German regions, that include the experiences of practitioners, and that consider temporal dynamics of transformation processes. Transdisciplinary research is a promising approach to meet many of the challenges for the realization of the Energiewende. A transdisciplinary steering board on the national level could create generic regional energy transition strategies that guide the energy transition and give clear goals and orientation for the realization of policies on the lower levels. On the regional level, these strategies would need to be adapted with regard to each region´s situation. Relying on the results of my research, I conclude that this could also be informed through transdisciplinary processes.
Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher erleichtern Wärmesystemen durch eine saisonale Lastverschiebung die Erschließung und Integration von erneuerbaren Wärmequellen. Ein mittleres Temperaturniveau von > 50 Grad Celsius ermöglicht zumeist eine direkte Entladung ohne einen anschließenden Temperaturhub über eine Wärmepumpe. Aufgrund der thermischen Trägheit von ATES-Systemen ist die Berücksichtigung von Lastfalländerungen durch jährlich variierende Lastprofile besonders in der Einschwingphase sinnvoll. Da es bis zu 20 Jahre dauern kann, bis der Aquifer einen quasistationären Zustand erreicht, konnte in Langzeitstudien ein großer Einfluss von unterschiedlichen Lastprofilen auf energetische und finanzielle Simulationsergebnisse nachgewiesen werden. Zur Verbesserung der Investitionsplanung wurde ein Verfahren entwickelt, das sowohl die Prognosefähigkeit als auch die Prognosegenauigkeit von Energiesystem- und Wirtschaftlichkeitsanalysen erhöht, indem über einen wahrscheinlichkeitsbasierten Ansatz (Monte-Carlo-Temperaturschätzung) Normalverteilungsfunktionen für gewünschte Auswertungsgrößen (z.B. Kapitalwert) abgeleitet werden können. Aus 2000 Simulationsjahren wurde über konzeptspezifische Verteilungsfunktionen der wahrscheinlichste Eintrittsfall abgeleitet und zu einem repräsentativen Szenario aggregiert. Das aggregierte Szenario mündet in ein konzeptspezifisches Gleichungssystem, das mit den Freiheitsgraden Energiepreise, Kalkulationszinssatz und Förderanteil gelöst wird. Im Gegensatz zu der etablierten Methode, die Wirtschaftlichkeitsberechnung im Anschluss an eine energetische Systemsimulation anzuhängen, wurde in dieser Arbeit ein holistisches Modell in TRNSYS entwickelt, das für jeden Simulationszeitschritt simultan Energie- und Zahlungsströme berechnet. In dem Modell konnten Verbesserungen in der Prognosegenauigkeit um den Faktor 20 nachgewiesen werden. Mit dem neuen Verfahren kann die Frage der Wirtschaftlichkeit nicht nur mit ja oder nein beantwortet werden, sondern zusätzlich mit der jeweiligen Eintrittswahrscheinlichkeit belegt werden.