Wie kann man beim Wiederaufbau in den Katastrophengebieten an der Ahr und
verschiedenen Flüssen in Nordrhein-Westfahlen die Siedlungs- und
Infrastrukturen an künftige Starkregen und Hochwasser anpassen, um Schäden
und Opfer zu verringern? Dies untersucht ein Team unter der Leitung des
Raumplaners Prof. Jörn Birkmann von der Universität Stuttgart und des
Experten für Wasserwirtschaft Prof. Holger Schüttrumpf von der RWTH
Aachen. Das Projekt (voraussichtlicher Start November 2021) wird vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund fünf Millionen
Euro gefördert.

180 Tote, Schäden in Höhe von 30 Milliarden Euro: Das Hochwasser an der
Ahr und an verschiedenen Flüssen in Nordrhein-Westfalen im Juli 2021
gehört zu den größten Naturkatastrophen, die Deutschland nach dem zweiten
Weltkrieg getroffen haben, und in Folge des Klimawandels dürften solche
Extremereignisse noch zunehmen. Die Herausforderungen für die betroffenen
Regionen sind enorm, aber, so Bundesforschungsministerin Anja Karliczek:
„Der Wiederaufbau bietet die Chance, die Regionen zukunftsfähig und
klimaresilient zu gestalten – damit die Menschen dort wieder gut und
sicher leben können. Unser Ziel muss sein, dass die Regionen in Zukunft
widerstandsfähiger gegenüber Extremwetter und weiteren Folgen des
Klimawandels sind.“

Unterstützen soll diesen Prozess ein wissenschaftliches Projekt mit
Experten aus ganz Deutschland, das die Cluster „Räumliches
Risikomanagement und Anpassung“ (Sprecher Prof. Jörn Birkmann, Institut
für Raumordnung und Entwicklungsplanung der Universität Stuttgart, IREUS)
und „Hochwasser-Risiko-Analysen“ (Sprecher Prof. Holger Schüttrumpf, RWTH
Aachen) umfasst. Mit beteiligt sind u.a. auch Forschende der Universität
Potsdam, des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, des Helmholtz-Zentrums
für Umweltforschung UFZ, der TU Kaiserslautern, der Hochschule Koblenz
sowie weitere Praxispartner.

„Wir wollen zum Beispiel prüfen, wie man über die gesetzlich festgelegten
Überschwemmungszonen hinaus hochwasserangepasste Siedlungs- und
Infrastrukturen strategisch fördern kann. Dazu gehört die Frage, wie und
wo man Wassermassen ableiten kann, damit diese eben nicht zu zahlreichen
Opfern und massiven Schäden führen wie 2021“, erklärt Jörn Birkmann. Dies
könne unter anderem durch Notwasserwege oder die gezielte Ableitung von
Starkregen auf Sportplätze oder Freiflächen in Städten und Dörfern
geschehen. Zudem soll untersucht werden, welche Haushalte vom Fluss
wegziehen möchten und ob es in den jeweiligen Orten Wohnstandorte gibt,
die eine höhere Sicherheit gegenüber Extremereignissen bieten. Dabei geht
es nicht nur um die räumliche Exposition eines Standorts, sondern auch um
Fragen der Verwundbarkeit, erläutert Birkmann: „Einstöckige Schulgebäude
in direkter Nähe zu kleinen Flüssen zum Beispiel sind nicht hilfreich, da
Kinder – als besonders verwundbare Gruppe – im Fall der Fälle nicht in ein
höheres Stockwerk evakuiert werden können.“

Zahlreiche Sensorsysteme in der Nordsee erfassen Wind, Luftfeuchtigkeit,
Sonnenstunden und viele weitere Umweltparameter. Bei Ereignissen wie einer
plötzlich einsetzenden Sturmflut oder extremen Algenblüten, die das
Ökosystem Meer dramatisch beeinflussen können, soll Künstliche Intelligenz
(KI) künftig autonom und frühzeitig ungewöhnliche Veränderungen in
Sensordaten erkennen und geeignete Aktionen auslösen. Im Projekt ChESS
(Change Event based Sensor Sampling) entwickeln das Deutsche
Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Carl von
Ossietzky Universität Oldenburg und die Jade Hochschule Wilhelmshaven
Oldenburg Elsfleth gemeinsam ein entsprechendes neues KI-Verfahren.

Zu einem Kickoff des Projektes trafen sich jetzt Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler der drei beteiligten Forschungseinrichtungen aus Oldenburg
und Wilhelmshaven auf Spiekeroog. Die vorgelagerte Insel im
niedersächsischen Wattenmeer, das zum UNESCO-Weltnaturerbe zählt, stellt
einen Dreh- und Angelpunkt im Projekt ChESS dar. Zum einen liefern mobile
sowie fest installierte Sensorsysteme auf und um Spiekeroog zahlreiche
Umweltdaten für die Entwicklung der neuen KI-Methodik. Zum anderen soll
hier später ChESS in einer Fallstudie erprobt werden, bevor das Verfahren
weltweit auch in anderen Gewässern Schule machen soll.

Die Gesamtprojektleitung von ChESS übernimmt Professor Dr. Oliver
Zielinski, Hochschullehrer für Marine Sensorsysteme an der Universität
Oldenburg sowie Leiter des Forschungsbereiches Marine Perception am DFKI.
„Wenn wir die Ozeane schützen und die Ressourcen nachhaltig nutzen wollen,
brauchen wir ein faktenbasiertes und agiles Management“, sagt der
Meeresforscher und Sensorik-Experte. Ziel von ChESS ist es, Teile des
naturwissenschaftlichen Forschungsprozesses durch den Einsatz von KI zu
automatisieren. Mit jeweils unterschiedlichen Schwerpunkten treiben die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DFKI, Universität und
Hochschule die angestrebte Digitalisierung in den Naturwissenschaften
voran.

In einem ersten Schritt konzipieren und bewerten Forschende des DFKI-
Labors Niedersachsen in Oldenburg geeignete Algorithmen. Der Datenraum, in
dem unzählige Messwerte ineinanderfließen, sei riesig, so Dr. Frederic
Stahl, der ChESS im DFKI verantwortet: „Mit Künstlicher Intelligenz können
wir hoch-dimensionale Sensordaten schneller und effizienter erfassen und
zu neuen Erkenntnissen gelangen, wie diese zusammenhängen und welche
Veränderungen im Meer sie bewirken.“  Bei einer Sturmflut zum Beispiel
soll die KI künftig Systemveränderungen in Echtzeit automatisch erkennen
und im Moment des Geschehens Aktionen auslösen. Eine solche Aktion könnte
sein, dass Autosampler getriggert werden, in kürzeren Intervallen häufiger
Wasserproben zu nehmen.

Parallel zu der Programmierung entsprechender Algorithmen arbeitet die
Jade Hochschule unter der Leitung von Professor Dr. Lars Nolle daran,
geeignete Softwarearchitekturen zu entwickeln und zu evaluieren. „Damit
die von uns entwickelte Methodik im Anschluss von möglichst vielen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern genutzt werden kann, muss das
System harten Anforderungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit und des
Datendurchsatzes genügen“, erläutert Nolle und fügt an: „Auch muss das
System über offene Schnittstellen verfügen und skalierbar sein.“

Ist die Methodik fertig, soll sie im nächsten Schritt anhand einer
Fallstudie am Küstenobservatorium Spiekeroog getestet werden, das vom
Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität
Oldenburg betrieben wird. Das Observatorium umfasst mehrere Messstationen
auf und rund um die Insel. Dazu gehört ein Messpfahl im Seegatt westlich
von Spiekeroog, der kontinuierlich ozeanographische, meteorologische und
biochemische Daten aufzeichnet. Die Grundwasserbeobachtung im Norden der
Insel ist ebenso Bestandteil des Observatoriums wie zwölf künstliche
Inseln im Rückseitenwatt von Spiekeroog, wo die Entwicklung der
Lebensvielfalt untersucht wird. Beim Nationalpark-Haus Wittbülten befinden
sich die im Rahmen des Observatoriums genutzten Labor- und
Ausbildungsräume sowie ein Messcontainer. Für das Projekt ChESS wird die
Universität Oldenburg die nötigen Umweltdaten zur Verfügung stellen und
das KI-Verfahren später auch hinsichtlich seiner Effektivität bewerten.

Im Anschluss an das auf drei Jahre bis 2024 angelegte Projekt wollen die
ChESS-Verantwortlichen von DFKI, Universität und Hochschule ihre
entwickelten KI-Methoden und Frameworks über offene Softwareplattformen
und Publikationen anderen Forschenden zur Verfügung stellen. So können die
in dem Projekt gewonnenen Systeme weltweit angewandt werden, um
naturwissenschaftliche Forschungsprozesse zu automatisieren. ChESS wird
vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur aus dem
„Niedersächsischen Vorab“ der VolkswagenStiftung mit rund 700.000 Euro
gefördert.

Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie
(HIF) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben bei STENA-
Recycling im rheinland-pfälzischen Baumholder einen Großversuch mit 100
Kühl-/Gefriergeräten durchgeführt. Die Haushaltgeräte wurden dabei einzeln
durch die Wiederverwertungsanlage begleitet, um ihre Recyclingfähigkeit im
Sinne der Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe zu erfassen. Ziel ist zu
zeigen, dass für eine hohe Rückgewinnungsquote der einzelnen Bestandteile
und Materialien bereits eine konstruktive Gestaltung der Haushaltsgeräte
nötig ist. Das BMBF fördert den Versuch im industriellen Maßstab über das
Projekt „Circular by Design“.

Die Knappheit heimischer Rohstoffe macht einen nachhaltigen Umgang mit
Ressourcen für Deutschland unabdingbar. Damit geht ein Umdenken in der
Nutzung von primären und sekundären Rohstoffen hin zum lebenszyklusweiten
Stoffstrommanagement einher. Im Jahr 2010 wurden beispielsweise nur 14
Prozent der in Deutschland eingesetzten Rohstoffe aus Schrotten gewonnen –
bei Recyclingkosten von über 50 Milliarden Euro. Für Stoffe wie Aluminium,
Stahl oder Kupfer, die sich in vielen Konsumgütern wie Elektrogeräten
wiederfinden, lag im Jahr 2016 der Anteil an Sekundärrohstoffen bei der
Gesamtproduktion in Deutschland gerade einmal bei 40 Prozent.

„Eine wesentliche Ursache dafür ist, dass beim Produktdesign und der
Herstellung von Produkten die Kreislauf- und Recyclingfähigkeit am
Lebenszyklusende der Geräte bisher kaum beachtet wird. Hier setzt das
Projekt ,Circular by Design‘ an: Am Beispiel von Kühl- und Gefriergeräten
– denn 99,9 Prozent aller Haushalte in Deutschland verfügen über ein
solches Gerät – wollen wir zeigen, welche Materialeffizienzpotentiale im
Hinblick auf die Rückgewinnung der enthaltenen Rohstoffe, sowohl bezüglich
des konstruktiven Produktdesigns als auch der Materialauswahl, vorhanden
sind“, erklärt HIF-Projektkoordinatorin Dr. Simone Raatz.

Unter Mitwirkung der Projektpartner Becker Elektrorecycling GmbH (BEC),
Entsorgungsdienste Kreis Mittelsachsen (EKM), Wuppertal-Institut für
Klima, Umwelt, Energie gGmbH sowie Folkwang Universität der Künste (FUdK)
erstellen die Wissenschaftler*innen einen Norm- und Designprozess für
einen Kühl-/Gefriergeräte-Prototypen. Dieses Gerät wird sowohl
hinsichtlich Energieeffizienz als auch in Bezug auf die
Ressourceneffizienz optimiert sein. Die dafür notwendige Datengrundlage
hat nun der großangelegte Test geschaffen.

„Für den Versuch haben wir 100 Kühl-/Gefriergroßgeräte unterschiedlichen
Alters ausgewählt. Die Altgeräte wurden zunächst charakterisiert,
anschließend wurden Wert- und Störstoffe für das Recycling, zum Beispiel
sichtbare Platinen, Kabel und Glasböden, Kühlmittel und Kompressoren
entnommen. Die entfrachteten Kühlgeräte wurden schließlich in der
mechanischen Anlage zerkleinert und separiert“, beschreibt Magdalena
Heibeck den Prozess, den die HIF-Forscherin für ihre Doktorarbeit betreut
hat, und fährt fort: „Alle gewonnenen Daten sowie die Produktqualität der
Recyclate werden wir nun bewerten und einen Zusammenhang zur konstruktiven
Gestaltung der Kühlgeräte herstellen. Daraus können wir Rückschlüsse für
das Produktdesign ziehen und Handlungsempfehlungen für die
Kühlgerätehersteller ableiten. Denn das hat der Versuch bereits gezeigt:
Jedes Kühl- oder Gefriergerät ist derzeit anders aufgebaut und muss
entsprechend anders für die Trockenlegung des Kühlkreislaufs und das
mechanische Recycling vorbereitet werden. Das bedeutet einen erheblichen
zeitlichen Aufwand und vor allem viel Muskelkraft.“

Ziel des Projekts ist ein Designkonzept, das auf die Kreislaufführung der
verwendeten Materialien in Konsumgütern abgestimmt ist. Denn fast 60
Prozent des Gewichts von Kühl-/Gefriergeräten entfallen auf Stahl, Kupfer
und Aluminium. Dazu kommen Kunststoffe mit einem Gewichtsanteil von etwa
35 Prozent. Das entspricht einem Materialwert an Sekundärrohstoffen von
rund 25 Millionen Euro pro Jahr, allein für die produzierte Gerätetonnage
eines Kühlgeräteherstellers. Einsparpotentiale ergeben sich damit durch
einen geringeren Materialeinsatz, die Substitution schlecht-
wiederverwertbarer Materialien wie Polyurethan (PU) Schaum oder
Kühlmittel, die Vereinfachung des mechanischen Recyclings der metallischen
Abfälle sowie eine Erhöhung des Anteils sekundärer Rohstoffe bei
Konsumgütern.

Das Projekt „Circular by Design“ wird im BMBF-Programm ReziProK
(Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe)
mit knapp 800.000 Euro gefördert. Link zum Projekt: https://innovative-
produktkreislaeufe.de/Projekte/Circular+by+Design+%28CbD%29.html