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Wind energy is expected to become the largest source of electricity generation in Europe's future energy mix. As a consequence, future electricity generation will be exposed to an increasing degree to weather and climate. With planning and operational lifetimes of wind energy infrastructure reaching climate time scales, adaptation to changing climate conditions is of relevance to support secure and sustainable energy supply. Premise for success of wind energy projects is the ability to service financial obligations over the project lifetime. Though, revenues(viaelectricity generation) are exposed to changing climate conditions affecting the wind resource, operating conditions or hazardous events interfering with the wind energy infrastructure. For the first time, a procedure is presented to assess such climate change impacts specifically for wind energy financing. At first, a generalised financing chain for wind energy is prepared to (qualitatively) trace the exposure of individual cost elements to physical climate change. In this regard, the revenue through wind power production is identified as the essential component within wind energy financing being exposed to changing climate conditions. This implies the wind resource to be of crucial interest for an assessment of climate change impacts on the financing of wind energy. Therefore, secondly, a novel high-resolution experimental modelling framework with the non-hydrostatic extension of the regional climate model REMO is set up to generate physically consistent climate and climate change information of the wind resource across wind turbine operating altitudes. With this setup, enhanced simulated intra-annual and inter-annual variability across the lower planetary boundary layer is achieved, being beneficial for wind energy applications, compared to state-of-the-art regional climate model configurations. In addition, surrogate climate change experiments with this setup disclose vertical wind speed changes in the lower planetary boundary layer to be indirectly affected by temperature changes through thermodynamically-induced atmospheric stability alterations. Moreover, air density changes are identified to occasionally exceed the net impact of wind energy density changes originating from changes in wind speed. This supports the consideration of air density information (in addition to wind speed) for wind energy yiel assumptions. Thirdly, the generated climate and climate change information of the wind resource are transferred to a simplified but fully-fledged financial model to assess the financial risk of wind energy project financing with respect to changing climate conditions. Sensitivity experiments for an imaginary offshore wind farm located in the German Bight reveal the long-term profitability of wind energy project financing not to be substantially affected by changing wind resource conditions, but incidents with insufficient servicing of financial obligations experience changes exceeding -10% to 14%. The integration of wind energy-specific climate and climate change information into existing financial risk assessment procedures would illustrate a valuable contribution to enable climate change adaptation for wind energy.
In response to the challenges of the energy transition, the German electricity network is subjected to a process of substantial transformation. Considering the long latency periods and lifetimes of electricity grid infrastructure projects, it is more cost-efficient to combine this need for transformation with the need to adapt the grid to future climate conditions. This study proposes the spatially varying risk of electricity grid outages as a guiding principle to determine optimal levels of security of electricity supply. Therefore, not only projections of future changes in the likelihood of impacts on the grid infrastructure were analyzed, but also the monetary consequences of an interruption. Since the windthrow of trees was identified a major source for atmospherically induced grid outages, a windthrow index was developed, to regionally assess the climatic conditions for windthrow. Further, a concept referred to as Value of Lost Grid was proposed to quantify the impacts related to interruptions of the distribution grid. In combination, the two approaches enabled to identify grid entities, which are of comparably high economic value and subjected to a comparably high likelihood of windthrow under future climate conditions. These are primarily located in the mid-range mountain areas of North-Rhine Westphalia, Baden-Württemberg and Bavaria. In comparison to other areas of less risk, the higher risk in these areas should be reflected in comparably more resilient network structures, such as buried lines instead of overheadlines, or more comprehensive efforts to prevent grid interruptions, such as structural reinforcements of pylons or improved vegetation management along the power lines. In addition, the outcomes provide the basis for a selection of regions which should be subjected to a more regionally focused analysis inquiring spatial differences (with respect to the identified coincidence of high windthrow likelihoods and high economic importance of the grid) among individual power lines or sections of a distribution network.
"Reallabore" erleben als junges Format transformativer Nachhaltigkeitsforschung gegenwärtig eine beeindruckende Konjunktur. Die Dissertation arbeitet den Reallabor‐Ansatz aus Perspektive der transdisziplinären Forschung methodisch aus. Die Basis hierfür bildet die Erfahrung mit dem Auf‐ und Ausbau von einem der ersten Reallabore in Deutschland: Das langfristig ausgelegte "Quartier Zukunft - Labor Stadt" in Karlsruhe transformiert in Kooperation mit der Zivilgesellschaft ein Quartier modellhaft in einen nachhaltigeren Lebensraum. Es setzt dabei gleichermaßen auf Bildung, Forschung und Praxis. Die vorgelegten Artikel der kumulativen Dissertation bilden verschiedene Stadien der Entwicklung der Reallaborforschung und der methodologischen Reflexion ab. Die ersten beiden Texte entwickeln eine praxisnahe Definition und ordnen Reallabore ein in verwandte Diskurse. Die folgenden beiden Artikel stammen aus der beginnenden Stabilisierung des Reallabordiskurses. Der eine stellt Ziele und Designprinzipien für Reallabore als Rahmen transformativer und transdisziplinärer Forschung dar, der zweite greift aktuelle Diskussionen um Lernprozesse konzeptionell auf. Die letzten zwei Artikel fokussieren auf die Ebene der Projekte im Reallabor am Beispiel der Transformativen Projektseminare, einmal in analytischer Perspektive, einmal in methodisch‐didaktischer. Der Rahmentext abstrahiert die Ergebnisse der zuvor publizierten Artikel entlang dreier Forschungsfragen: Was ist neu am Reallabor‐Ansatz? Welches Potenzial hat ein Reallabor für transdisziplinäre Forschung? Und welche Rolle spielt Lernen im Reallabor? Die methodologische Reflexion führt zu einem Verständnis von Reallaboren als Format zwischen Urban Living Labs und Transition Labs, das sich gegenüber diesen insbesondere durch Langfristigkeit, Bildungsziele und eine klare Trennung zwischen Labor und Experimenten auszeichnet. Aus der kritischen Auseinandersetzung mit Reallaboren wird eine doppelte Bezugnahme auf Transdisziplinarität herausgearbeitet, einerseits als Infrastruktur für transdisziplinäre Projekte, andererseits als in sich transdisziplinäres Unterfangen. Ausgehend von dieser Unterscheidung wird ein Vorschlag gemacht, an welche experimentellen Methodologien jenseits der klassisch‐naturwissenschaftlichen die transdisziplinäre Forschung, die bislang kaum experimentell arbeitet, anknüpfen kann. Das Reallabor unterstützt solche Experimente durch einen Rahmen aus materieller Infrastruktur, durch Kompetenzen der Beteiligten, durch Wissensbestände und soziale Vernetzung. Die Vernetzung über Projektgrenzen hinweg, ein weiteres wesentliches Charakteristikum eines Reallabors, dient dazu, parallele Experimente zu vernetzen und iterative Lernzyklen zu unterstützen. Diese Aspekte werden verbunden zum "Apfelmodell" transdisziplinärer Forschung im Reallabor, in dem das Reallabor als doppeltes Bindeglied fungiert, einerseits zwischen internen und externen Lernzyklen, und andererseits zwischen wissenschaftlichen, bildungsorientierten und praktischen. Durch die Interpretation der Abläufe im Reallabor als Lernprozesse wird ein Anschluss an Bildungsprozesse auf unterschiedlichen Skalen möglich. Neben Lernprozessen im Reallabor als Lernumgebung lässt sich das Reallabor als lernende Institution und als Kristallisationspunkt gesellschaftlicher Lernprozesse verstehen. Das Apfelmodell kann gleichermaßen im Kontext theoretischer Fragen im Transdisziplinaritätsdiskurs herangezogen werden als auch praktischen Zwecken dienen, insbesondere in der Planung von Reallaboren, in der quervernetzten Konzeption von Projekten darin, in der Evaluation und in der Kommunikation.
Polen weist eine kleinteilige Agrarstruktur auf – ein in den Augen der polnischen Agrarpolitik unerwünschtes Phänomen. Entsprechend misst sie der Veränderung der kleinteiligen Agrarstruktur Polens zu größeren Einheiten hin eine hohe Priorität bei. Vor dem Hintergrund vielfältiger sozial-ökologischer Krisenphänomene, die oftmals mit einer intensiven, industriellen und großskaligen Landwirtschaft verbunden sind, stellt sich jedoch die Frage, ob solche Bestrebungen im Hinblick auf Nachhaltigkeit, der sich die polnische Agrarpolitik und die Politik für die Entwicklung ländlicher Räume ebenfalls verpflichtet, zielführend sind. Um dieser Frage nachzugehen, wurde für die vorliegende Dissertation in zwei landwirtschaftlich besonders kleinteilig strukturierten Regionen Polens (Wojewodschaft Lubelskie und Wojewodschaft Podkarpackie) eine empirische Studie unter Betreibern von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben durchgeführt. Ziel der Studie war es zu untersuchen, welche Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen sich in kleinen landwirtschaftlichen Betrieben finden und ob diese Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen den vielfältigen landwirtschaftsbezogenen sozial-ökologischen Krisenphänomenen entgegenwirken können. Den theoretischen Hintergrund der Arbeit bilden die Nachhaltigkeitsdebatte, das Konzept der gesellschaftlichen Naturverhältnisse der Sozialen Ökologie sowie wachstumskritische Positionen (insbesondere die Ansätze von Suffizienz und Subsistenz). Die Ergebnisse der empirischen Studie zeigen, dass die Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen von Betreibern von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben sehr vielfältig sind. Die befragten Landwirte verfolgen in ihren Betrieben unterschiedliche ökonomische Modelle. Doch trotz dieser unterschiedlichen Modelle, die die befragten Landwirte in ihren Betrieben verfolgen, liegen ihrem Handeln gleichermaßen der Wunsch nach Existenzsicherung und der Wunsch nach Autonomie als wesentliche Motivation zugrunde. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der empirischen Studie einige der Herausforderungen für Betreiberinnen und Betreiber von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben auf, die aus den gegenwärtigen institutionellen und politisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Landwirtschaft resultieren. Ebenso zeigen die Ergebnisse, dass die Wirtschaftsweisen, die in den untersuchten kleinen Betrieben vorgefunden wurden, nur bedingt zu einer nachhaltigen Entwicklung ländlicher Räume beitragen können. Die Ergebnisse zeigen insbesondere die Dringlichkeit auf, die gegenwärtigen politisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Landwirtschaft zu ändern und naturerhaltende Wirtschaftsweisen auch finanziell attraktiv zu machen, wenn diese einen Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung ländlicher Räume leisten sollen.
The energy sector is regarded as one of the decisive subsystems influencing the future of sustainable development. Consequently, there is a need for a comprehensive transformation of energy generation, conversion and use. The importance of building capacities for energy policy development in developing countries is bound up with the need to formulate global strategies to meet the challenges that humanity face, especially to achieve the targets manifested in the Agenda 2030 and Paris Agreement. The aim of this research is to better understand how to empower marginalised key societal actors, co-produce alternative discourses about energy futures and articulate those discourses to influence policy change within a context of illiberal democracies in Latin America. The research concerns the design, function and effectiveness of scientifically grounded participatory process, which has been justified theoretically and tested empirically. The process presupposes theoretical perspectives relating to theory, method and empirical application. The first draws on theories of sustainability transition and transformation, including transition management. The second draws on ideas taken from the knowledge co-production and transdisciplinary sustainability research. The empirical application, concerns the implementation of a Transdisciplinary Transition Management Arena (TTMA) and its effectiveness, measured by potential for the co-production of knowledge and for stimulating collective action. As result of the process, a conceptual model of the energy system, long-term visions and transformation strategies were developed. The TTMA processes demonstrated that cross-sectoral and inter-institutional, combined efforts, can help actors visualize possible, future alternatives for sustainable energy development and how to realize such alternatives. The structures provided were helpful for the emergence and empowerment of new sustainable-energy-transition coalitions in both Ecuador and Peru. Chapter 1 describes the general context in which this scientific project is developed and presents a synthesis of the processes and its main outcomes. The research results are described in detail in the scientific papers presented in chapters 2, 3 and 4.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Entwicklung des Vorlandes als Ergebnis der sich ändernden hydraulidschen Bedingungen zu untersuchen. Die Untersuchung beschäftigt sich mit der Entwicklung des Vorlandes, da dieses Gebiet stark abhängig von Wasserstandsänderungen ist. Diese werden möglicherweise durch Klimawandel verstärkt und können folglich die zahlreichen Funktionen des Vorlandes beinträchtigen. Diese Problematik erfordert die Durchführung einer Untersuchung, die zunächst die durch die Variationen der Wasserstände betroffenen physikalischen Prozesse im Fluss und in den Flussauen analysiert und anschließend eine Methodologie für die Analyse der zukünftigen Entwicklung des Vorlandes herleitet. Beispielhaft wurde ein Bereich an der unteren Mittelelbe in Niedersachsen, Norddeutschland für die Untersuchung ausgewählt. Zu diesem Zweck befasst sich die Untersuchung im ersten Teil mit der aktuellen Diskussion über den Klimawandel und mit den bestehenden Schwierigkeiten, zu einer belastbaren zukünftigen Prognose des Ausmaßes der klimatischen Veränderungen zu gelangen. Anschließend konzentriert sich die Untersuchung auf die Interaktionen zwischen Abflüssen, Vegetation und Sedimenten, die die Flussmorphodynamik bedingen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der mathematischen Modelle, die eine Analyse des zukünftigen Verhaltens des Vorlandes ermöglichen. Mithilfe dieser Untersuchung werden die Vorteile der eindimensionalen Modellierung für die Prognose der Entwicklung dieses Gebiets deutlich. Die Untersuchung im ersten Teil der Dissertation führt zur Erkenntnis, dass sich das Verhalten des Vorlandes aus der Interaktion zwischen Fluss- und Flussauenmorphologie und der Auenvegetation ergibt. Diese Interaktionen bestimmen letztlich die zukünftigen Wasserstände und somit die hydraulischen Bedingungen für diese Zone. Für die Analyse des zukünftigen Verhaltens des Vorlandes unter Einfluss des Klimawandels wird eine Methodologie vorgeschlagen, die als Dynamische Interaktion von Modellen bezeichnet wird. Der Einfluss des Klimawandels wird durch die Variation von Abflüssen im Flussmodell, im Sedimenttransport- und Bodenwasserbewegungsmodell sowie bei der Analyse von Veränderungen der Vegetation berücksichtigt. Dazu werden die durch regionale Klimamodelle prognostizierten zukünftigen Niederschläge in die Berechnung der zukünftigen Abflüsse durch eine in dieser Dissertation entwickelten Modifikation des stochastischen Modells AutoRegressive-Moving-Average (ARMA) eingeschlossen. Die ausgearbeiteten Entwicklungsprognosen der verschiedenen Modelle werden miteinander verknüpft, um zukünftige Wasserstände und Überflutungen und damit die neuen hydraulischen Bedingungen für das Vorland zu prognostizieren. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die vorgeschlagene Methodologie der Dynamischen Interaktion von Modellen in einem Fallbeispiel angewandt. Dafür wurden zwei Messstationen an der Elbe zwischen Elbe-km 511 und 515 installiert, die auch im Rahmen des Projekts KLIMZUG-NORD verwendet wurden. Diese Messstationen ermöglichten innerhalb von 2 Jahren die Erhebung von mehr als 300.000 Felddaten. Diese Informationen erlauben es, die Entwicklung des Vorlandes (2021-2050) in einer regulierten Flussstrecke der Elbe (Mittelelbe) zu prognostizieren. Dazu werden zunächst die bedeutenden Charakteristika des Untersuchungsgebiets dargestellt und nachfolgend Material und Methoden erläutert, die für die Analyse der Entwicklung des Vorlandes im Untersuchungsgebiet erforderlich sind. Die Flussmorphologie wird für den Zeitraum 2001-2100 modelliert, da eine Tendenz bei möglichen Variationen in einem kurzen Zeitraum nur schwer wahrgenommen werden kann. Die jeweiligen Modelle werden u.a. mithilfe erhobener Felddaten, Daten aus der Literatur, Klimadaten aus den Stationen des Deutschen Wetterdiensts (DWD), projizierten Daten des regionalen Klimamodells REMO, Daten des hydrologischen ATLAS von Deutschland, Abflussdaten des Pegels Neu Darchau (Elbe-km 536,4), Geschiebe-Schwebstoffdaten des Wasser- und Schifffahrtsamts (WSA) und der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Wassertemperaturdaten der Arbeitsgemeinschaft für die Reinhaltung der Elbe (ARGE-ELBE) und das Digitale Geländemodell (DGM) kalibriert. Die durch das stochastische Modell ARMA/Variation erhaltenen Berechnungen der zukünftigen Abflüsse, die die Prognose der regionalen Klimamodelle berücksichtigen, werden mit den durch die BfG-Modelle erhaltenen Ergebnissen verglichen, um die Problematik der Vielfalt von klimatischen Prognosen anzugehen. Schließlich werden in dieser Dissertation die Anwendung und Bedeutung der vorgeschlagenen Methodologie für die Analyse der Entwicklung des Vorlandes anderer Flüsse und Regionen außerhalb Mitteleuropas behandelt.
Increasingly, researchers are expected to work in collaborative interdisciplinary teams to tackle more complex and interrelated problems. However, the prospect of collaborating with others, from different disciplines, exerts countervailing forces on researchers. There is the lure of transcending the limitations of one's own knowledge, methods and conventions, belonging to diverse intellectual communities and tackling, together, ambitious research topics. On the other hand, there is the risk that collaborating across disciplinary boundaries will be taxing, confounding at times, with no guarantee of success. This thesis is about collaborative interdisciplinary research from the perspective of a formative accompanying researcher. The author accompanied an interdisciplinary research team in the field of sustainability over three years for the duration of a collaborative project. Formative accompanying research (FAR) is an approach to "research into research" that learns about, with and for a collaborative interdisciplinary team. The author found - through immersion in the literature, her own daily experiences of collaborating, and her observations – that interdisciplinary collaboration is very difficult. It requires a basic understanding and appreciation of other disciplines and methods, as well as the skills to integrate research inquiries and findings across diverse epistemologies. It also requires awareness that collaborative interdisciplinary research is more than an intellectual task of knowledge creation. Other factors matter, such as interpersonal relationships, power differentials, different research tempos and a sense of belonging. And these factors have an impact on processes and outcomes of collaborative knowledge creation. Knowing this implies a willingness to keep learning and to tolerate discomfort so as to cultivate deeper levels of collaborative capacity. The author discovered that in these deeper levels lie skills for staying with inevitable tensions, for talking and listening to generate new understanding together, and for applying a researcher's frank curiosity to oneself too. A formative accompanying researcher, who is part of the team she is researching, has to navigate delicate terrain. In this thesis, the author develops a FAR methodology that takes seriously the questions of positionality and relationality, and reflects on the experiences of putting these into practice. A FAR practice involves remaining in dynamic movement between observing and participating, between exercising curiosity and care, and between the researchers' own sense of impartiality and investment in relation to the issues at hand. There is merit in furthering the methodology and practice of FAR on its own terms. This includes attending to the skills required by a formative accompanying researcher to remain oriented within the concentric circles of research, relationship and loyalty that make up a collaborative team. There is also the question of how FAR, and other forms of research into research, can help to advance collaborative interdisciplinary research. The author argues for creating the conditions in research teams that would enable treating collaboration as a capacity to develop, and that would facilitate team members' receptivity to learning with FAR. Furthermore, she explores dilemmas of intervening as a formative accompanying researcher and of sustaining dynamic positionality over the long-term.
Fostering sustainable urban mobility at neighborhood-based mobility stations with cargo bikes
(2019)
Climate change and atmospheric deposition of nitrogen affect biodiversity patterns and functions of forest ecosystems worldwide. Many studies have quantified tree growth responses to single global change drivers, but less is known about the interaction effects of these drivers at the plant and ecosystem level. In the present study, the authors conducted a full-factorial greenhouse experiment to analyse single and combined effects of nitrogen fertilization (N treatment) and drought (D treatment) on 16 morphological and chemical response variables of one-year-old Fagus sylvatica seedlings originating from eight different seed families from the Cantabrian Mountains (NW Spain). Drought exerted the strongest effect on response variables, reflected by decreasing biomass production. However, D and N treatments interacted for some of the response variables, indicating that N fertilization has the potential to strengthen the negative effects of drought (with both antagonistic and amplifying interactions). For example, combined effects of N and D treatments caused a sevenfold increase of necrotic leaf biomass. The authors hypothesize that increasing drought sensitivity was mainly attributable to a significant reduction of the root biomass in combined N and D treatments, limiting the plants' capability to satisfy their water demands. Significant seed family effects and interactions of seed family with N and D treatments across response variables suggest a high within-population genetic variability. In conclusion, the findings indicated a high drought sensitivity of Cantabrian beech populations, but also interaction effects of N and D on growth responses of beech seedlings.