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  • Michael Handschuh

GEO:N - Geoforschung für Nachhaltigkeit

Digitale Geosysteme - Virtuelle Methoden und digitale Werkzeuge


Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Entwicklung digitaler Werkzeuge, mit denen belastbare Prognosen zu den Auswirkungen geotechnischer Eingriffe in den Untergrund möglich sind. Für die wissens- und datenbasierte Bewertungs- und Genehmigungsverfahren müssen künftig, effiziente digitale Werkzeuge für Planungen und Umweltverträglichkeitsuntersuchungen zur Verfügung stehen.

Gefördert werden Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, die in mindestens einem der drei folgenden Themenfeldern (TF) verortet sind. Methodische (I) und softwaretechnische (II) Entwicklungen sowie Demonstration in verschiedenen geowissenschaftlichen Anwendungen. Eine Verknüpfung der Themenfelder in den Vorhaben ist erwünscht.


Themenfeld I - Methodenentwicklung

Geosysteme zeichnen sich dadurch aus, dass die Teilprozesse sich auf unterschiedlichen Skalen in Raum und Zeit sowie auf unterschiedlichen semantischen Ebenen miteinander interagieren. Dabei geht es zum einen um die Weiterentwicklung von datengetriebenen und prozessbasierten Methoden für eine nahtlose Daten- und Modellintegration multiphysikalischer Prozessbeschreibungen auf verschiedenen Skalen. Zum anderen soll das Potential moderner Datenwissenschaften (Data Science), wie zum Beispiel neue Konzepte für intelligente, adaptive Modellkopplungen, maschinelles Lernen für effiziente Ersatzmodelle und Virtuelle Realitäten gezielt für eine neue Generation geowissenschaftlicher Modelle genutzt werden. Die Richtlinie nennt als Beispiele:

  • Datenbasierte Methoden: Datenassimilationsmethoden, die unterschiedliche Beobachtungen und Messreihen in Modelle unter Berücksichtigung der Mess - und Modellunsicherheit integrieren, sollen eingesetzt und weiterentwickelt werden. Das Ziel ist dabei, Modelle und deren Vorhersagen zu verbessern und Vorhersagenunsicherheiten zu reduzieren. Besonders die Darstellung von Modellfehlern und effizienter Ersatzmodelle sollen dabei auch Methoden des maschinellen Lernens verwendet werden.

  • Unsicherheitsanalyse: Optimierung und Entwicklung von effektiven Verfahren zur Evaluation von Ungewissheiten in Modellierungsresultaten und deren Abhängigkeit von zugrunde liegenden Eingangsdaten (Zum Beispiel Geometrien, Materialeigenschaften oder Randbedingungen), die in geowissenschaftlichen Fragestellungen oft nur bis zu einem gewissen Grad bekannt sind.

  • Multisemantische Modellkopplung: Die Kapselung von Partialmodellen, mittels eines Multi-Agenten-System (MAS) erlaubt die teilautomatisierte Detektion möglicher Kopplungen zwischen den Partialmodellen in unterschiedlicher Form (ergebnisgetrieben oder stochastisch) sowie die Implementierung einer zentralen Steuerung eines hochgradig verteilten virtuellen Simulationsraums als digitalem Zwillings.

  • Virtuelle und erweiterte Realitäten (VR/AR): Zur visuellen Daten- und Modellintegration sowie der Exploration von großen/hetrogenen Datenbeständen, der Darstellung von gekoppelten Prozessen in komplexen Geosystemen, sollen um eine Darstellung mittels Augmented Reality (AR) in situ ergänzt werden (interaktive Überlagerung von angemessenen und modellierten Daten):

Themenfeld 2 - Digitale Werkzeuge

Dieses Themenfeld widmet sich der Entwicklung und Einführung von digitalen Werkzeugen als informationstechnische Komponente für eine Beschleunigung der Digitalisierung in den Geowissenschaften. Es sollen Technologien für Systemlösungen entwickelt und bereitgestellt werden. Dazu gehören modulare Softwaresysteme, die eine nahtlose Verknüpfung der typischen Simulationsschritte in Workflows ermöglichen sowie das Konzept der digitalen Zwillinge im Sinne virtueller Labore für zukünftige Szenarien von Potenzialen und Grenzen geowissenschaftlicher Applikationen. Das Themenfeld der digitalen Werkzeuge soll die Brücke von der methodischen Entwicklung (TF1) zu den geowissenschaftlichen Anwendungen (TF3) schlagen - unter den Maßgaben einer universellen Nutzbarkeit, Kontinuität in der Softwareentwicklung und Rechendifferenz auf modernen Hardwarearchitekturen.

  • Composable Softwaretools: Modulare Softwarsysteme (zum Beispiel auf der Basis von Julia oder Python) sollen entwickelt werden. Diese neuartigen Werkzeuge sind mit speziellem Fokus auf universale Nutzbarkeit und numerische Effizienz zu entwickeln, zu testen und zu dokumentieren. Damit soll die Vergleichbarkeit und Verknüpfung von prozess- und datenbasierten Lösungsverfahren für geowissenschaftliche Applikationen veröffentlicht werden.

  • Arbeitsabläufe (Workflows): Für die nahtlose Verknüpfung von der Datenerhebung, der geeigneten Modellauswahl einschließlich der Parametrisierung, über eine daten- und/oder prozessbasierte Simulation bis hin zur Daten- und Modellanalyse müssen entsprechende Arbeitsabläufe implementiert werden.

  • Digitale Zwillinge: Mit den entwickelten Methoden und Werkzeugen sollen virtuelle Labore geschaffen werden, mit denen auf einer ausreichenden ständig zu erweiternden Datenbasis Varianten und zukünftige Szenarien für ausgewählte geowissenschaftliche Anwendungen erprobt werden können.

Themenfeld 3 - Geowissenschaftliche Anwendungen

In diesem Themenfeld sollen Methodik (TF 1) und die entwickelten Werkzeuge (TF 2) für ausgewählte geowissenschaftliche Fragestellungen Schwerpunktmäßig im Kontext der Energiewende angewendet werden. Dabei geht es prinzipiell um alle Bestandteile einer Wertschöpfungskette, wie die Erschließung und Nutzung von Georessourcen, den Transport und Energietransfer, die geologische Energie- und Massenspeicherung, untertätige Energieumwandlung und die Transformation von Bergbaufolgelandschaften. Anhand gezielt ausgewählter geowissenschaftlicher Anwendungen sollen die entwickelten Methoden und Werkzeuge, insbesondere auch im methodischen Austausch der Projektverbünde, validiert und demonstriert werden. Die möglichen Anwendungsfelder besitzen dabei komplementäre Anforderungen, um eine breite Entwicklung von Methodik und notwendigen digitalen Werkzeugen zu erreichen. Die Richtlinie nennt folgende Beispiele:

  • Geothermische Systeme: Zur ökologischen und ökonomischen nachhaltigen Nutzung geothermischer Systeme, insbesondere im urbanen Raum, sollen ganzheitliche Konzepte und Arbeitsabläufe für eine konsistente Zusammenführung umfangreicher (auch energetischer) und heterogener Daten unterschiedlicher Charakteristiken mit dynamischen Prognosemodellen und der Visualisierung entwickelt werden und auf Grundlage von Daten bestehender Demonstrationsstandorten validiert werden.

  • Berbaufolgelandschaften: Digitale Abbilder dieser oberflächennahen Geosysteme im Wandel sollen ganzheitliche Arbeitsabläufe unter Verwendung überwiegend heterogener Datenquellen, geokinematischer, geophysikalischer, geochemischer und geotechnischer Modelle sowie Ansätze zur zielgruppenspezifischen Visualisierung und Kommunikation demonstrieren und somit neue Möglichkeiten in der Überwachung , Sanierung und Nutzung eröffnen.

  • Energiespeicherung: Durch die Digitalisierung tiefer geologischer Speicherstrukturen sollen die Möglichkeiten und Kapazitäten zur Speicherung von Energie (zum Beispiel Druckluft, Wärme, Wasserstoff) weiter eruiert werden. Hierbei können digitale Zwillinge zum Einsatz kommen, um die wechselwirkenden Prozesse im Geosystem zu modellieren, zu validieren und im geologischen Kontext darzustellen.

Antragsberechtigt sind Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft, Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen. Ebenso Kommunen und Länder sowie Verbände und weitere gesellschaftliche Organisationen (wie zum Beispiel Stiftungen und Vereine). Eine Betriebsstätte oder Niederlassung in Deutschland wird verlangt.


Die Antragstellung durch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) wird ausdrücklich begrüßt - so die Richtlinie. KMU im Sinne der Richtlinie sind solche, die die Voraussetzungen der KMU-Definiton der EU erfüllen.


Art, Umfang und Höhe der Förderung. Eine mögliche Zuwendung, erfolgt im Rahmen einer Projektförderung, als nicht rückzahlbarer Zuschuss. Bemessungsgrundlage für Zuwendungen an die gewerbliche Wirtschaft und für Vorhaben von Forschungseinrichtungen , die in den Bereich der wirtschaftlichen Tätigkeit fallen, sind die zuwendungsfähigen projektbezogenen Kosten. Diese können unter Berücksichtigung der beihilferechtlichen Regelungen anteilig finanziert werden. Eine angemessene Eigenbeteiligung der entstehenden zuwendungsfähigen Kosten wird vorausgesetzt. Bei nicht wirtschaftlichen Forschungsvorhaben an Hochschulen wird zusätzlich zu den durch das BMBF finanzierten zuwendungsfähigen Ausgaben eine Projektpauschale in Höhe von 20 % gewährt.


Die zuwendungsfährigen Ausgaben/Kosten richten sich nach den "Richtlinien für Zuwendungsanträge auf Ausgabenbasis (AZA)" und/oder den "Richtlinien für Zuwendungsanträge auf Kostenbasis (AZK)" des BMBF. Die Vorgaben der AGVO sind zu berücksichtigen.


Antragsverfahren. Das Verfahren ist zweistufig angelegt. In einer ersten Verfahrensstufe sind dem Projektträger Jülich, Geschäftsbereich MGS bis spätestens 15. Februar 2023 entsprechende Projektskizzen einzureichen . Diese bilden die Grundlage, der Skizzenbewertung durch externe Sachverständige. Das BMBF entscheidet nach abschließender Prüfung, über die Förderung. Das Ergebnis wird schriftlich mitgeteilt. Die Vorlagefrist gilt nicht als Ausschlussfrist. Projektskizzen, die nach dem angegebenen Zeitpunkt eingehen, können aber möglicherweise nicht mehr berücksichtigt werden.



 

(Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Richtlinie des Fachprogramms Geoforschung für Nachhaltigkeit (GE:ON) zu Förderung von Projekten zum Thema Digitale Geosysteme: Virtuellle Methoden und digitale Werkzeuge für geowissenschaftliche Anwendungen, BAnz AT 28.11.2022 B 3).



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