Analyse und Modellierung des Lebensmittel-Wasser-Energie-Nexus anhand von drei Modellregionen

Überblick + Fragestellung

Urbane Regionen stehen vor großen Herausforderungen bei der künftigen Versorgung mit Nahrungsmitteln, Wasser und Energie. Das Projekt IN-SOURCE greift den Food-Water-Energy (FWE)-Nexus in drei Fallstudien auf, um Beziehungen und Synergien zwischen den Ressourcen zu analysieren: dem Landkreis Ludwigsburg (DE), dem Stadtteil Gowanus/Brooklyn, New York City (USA) und der Stadt Wien (A). Das interdisziplinäre Team untersucht hierbei Szenarien für eine integrierte CO2-neutrale und nachhaltige Infrastruktur und entwickelt dazu einen städtischen Daten- und Modellierungsrahmen, der bei der Analyse von Food-Water-Energy-Systemen und Beziehungen entlang des Nexus helfen soll. Orientiert an den Anforderungen städtischer und regionaler Interessengruppen wird dazu ein gemeinsames 3D-Datenmodell für Städte und Regionen in Europa und den USA genutzt.

Vorgehensweise

An der HFT Stuttgart wurde in Vorgänger- und Parallelprojekten eine webbasierte 3D-Visualisierung des Landkreises Ludwigsburg erstellt, die ein digitales Landschaftsmodell und den gesamten Gebäudebestand umfasst. Dadurch können der Wärmebedarf und das Photovoltaikpotenzial für jedes einzelne Gebäude im Kreis visualisiert werden (39 Kommunen und rund 500.000 Einwohner). IN-SOURCE erweitert dieses 3D-Modell um Daten zu Biomasse, Nahrungsmitteln sowie Wasser/Abwasser. Dazu werden aus Detailanalysen Parameter für die Erweiterung des Datenmodells abgeleitet.

Um Modellierungen entlang des FWE-Nexus durchzuführen, wurden neue Workflows innerhalb der an der HFT Stuttgart entwickelten Simulationsplattform SimStadt erarbeitet. Derzeit sind in SimStadt bereits verschiedene Workflows definiert, wie z.B. Solarpotentialanalyse, PV-Potentialanalyse, oder Heiz-/Kühlbedarfsanalyse mit Sanierungsstrategie. In IN-SOURCE wurden insbesondere Workflows zur Biomasse- und Nahrungsmittelpotenzialsimulation und zur Simulation des städtischen Wasserbedarfs erweitert. Mit dem neuen Biomasse-Workflow kann bspw. das lokal verfügbare Energiepotenzial (in Kombination mit dem lokalen PV-Potenzial) dem modellierten Energiebedarf des Landkreises gegenübergestellt und Synergien zwischen Ernährung und Energie aufgezeigt werden. Schließlich wird auch das zur Erzeugung der Biomasse erforderliche Wasser einbezogen, um die Wechselwirkungen im Komplex Nahrungsmittel-Energie-Wasser zu ergründen. Simulationen von urbanem Wasserbedarf tragen dazu bei, die Auswirkungen der Nachfrage auf Entscheidungen auf der Potenzial-Seite besser zu verstehen.

Erzielte Ergebnisse

Das deutsche Teilprojekt greift den ambitionierten Klimaschutzplan des Landkreises Ludwigsburg auf, stellt Entscheidungshilfen bereit und macht Wechselwirkungen im FWE-Bereich transparent. Szenarien mit Zeithorizont bis 2050 sollen hierbei insbesondere Lösungen für die Verwirklichung einer maximalen erneuerbaren Versorgung unter Berücksichtigung von deren Wechselwirkungen auf die lokale Nahrungsmittelproduktion und den Wasserhaushalt des Landkreises aufzeigen.

FWE-Nexus auf regionaler Ebene
Ein weiterer Workflow zur Simulation des PV-Freiflächenpotenzials wurde entwickelt, um die Modellierung von Energiepotenzialen im ländlichen Raum zu komplementieren[1]. Hierbei werden verschiedene Landnutzungsbeschränkungsszenarien berücksichtigt, um die PV-Freiflächenpotenziale in hoher zeitlich-räumlicher Detailtiefe zu analysieren. Damit stehen die wichtigsten Workflows für eine umfassende FWE-Analyse auf regionaler Ebene zur Verfügung und es konnten Analysen durchgeführt werden, welche sowohl positive als auch negative Wechselwirkungen zwischen Freiflächen-PV, lokalen Bioenergie- und Nahrungsmittelpotenzialen sowie Wasserbedarfen und –angeboten zu quantifizieren, z. B. den Verlust von Biomassepotenzialen aufgrund von PV-Expansion und damit einhergehend verringertem Bewässerungsbedarf in der Landwirtschaft, um somit optimale Landnutzungsszenarien im Rahmen des FWE-Nexus zu entwickeln.

FWE in den Städten
Die Kombination aus Gründächern und PV-Aufdachanlagen wurde als ein Hauptschwerpunkt des FWE-Nexus in Städten näher analysiert. Hierbei wurden Arbeiten (DOI: 10.48494/REALCORP2021.3030) durchgeführt, um die PV-Ertragssteigerung, den Effekt der Sturmwasserabschwächung und die Heizungseinsparung von Gebäuden mit Gründächern und PV zu ermitteln.

Übertragbarkeit
Der Biomasse-Workflow ist das Aushängeschild der FWE-Analysen im Rahmen des Projekts. Die Biomassesimulation wurde vom Landkreis Ludwigsburg in anderen Projekten auf den Landkreis Dithmarschen (SH) sowie den Ilmkreis (TH) und – wieder im Rahmen von IN-SOURCE – auf die Stadt Wien ausgeweitet. Der Workflow interagiert mit der Landnutzungsänderungssimulation des Projektpartners AIT über FWE ADE (FWE Application Domain Extension). FWE ADE wurde als gemeinsamer Datenrahmen für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Tools und Projektpartnern geschaffen (DOI: 10.48494/REALCORP2021.2050). Ein weiterer Transferfall ist die Insel La Réunion (Frankreich), wo das Biomassepotenzial aus Forst- und Landwirtschaft sowie von Siedlungsabfällen zur Erreichung der Energieautonomie untersucht wurde (DOI: 10.1016/j.esd.2021.12.002).

Visualisierung
Neben oben erwähnten aggregierten Ergebnissen wurde ein 3D-Viewer erstellt, um die Attribute einzelner Agrarflächen und Gebäude am Beispiel des Landkreises Ludwigsburg zu veranschaulichen[2]. Biomasse- und Nahrungsmittelpotenzial und der Nahrungsmittel-, Wasser- und Wärmebedarf sowie das PV-Dachflächenpotenzial wurden hierbei dreidimensional und browserbasiert dargestellt.

 

[1] In einem parallelen Forschungsprojekt findet die Entwicklung eines Wind-Onshore-Workflows statt.

[2]

  transfer.hft-stuttgart.de/pages/in-source/lkrludwigsburg3d/

 

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LeitungProf. Dr. Volker Coors
Partner (extern)City University of New York (CUNY), New York Institute of Technology (NYIT), AIT - Austrian Institute of Technology GmbH - Center for Energy, Universität für Bodenkultur Wien, Landkreis Ludwigsburg, AH Consult Stuttgart
Website

https://sites.google.com/nyit.edu/insource-fwe/projects 

HFT Transferportalhttps://transfer.hft-stuttgart.de/pages/in-source/in-source/home/ 
Projekt E-Mailadresseursula.pietzsch@hft-stuttgart.de
FördergeberBundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (deutsches Teilprojekt)
AusschreibungJPI Urban Europe/Sustainable Urbanisation Global Initiative (SUGI) Food-Water-Energy Nexus
Laufzeit01.06.2018 – 30.09.2021

 

Team

Name und Position Bereich E-Mail und Telefon Raum
Professor, Wissenschaftlicher Direktor des IAF Studienbereich Informatik und Vermessung +49 711 8926 2708 7/030
Professor Zentrum für Nachhaltige Energietechnik Senatsbeauftragter für Nachhaltigkeit +49 711 8926 2371 7/028
Akademischer Mitarbeiter, Doktorand Zentrum für nachhaltige Energietechnik (zafh.net) und Innovative university – M4_LAB +49 711 8926 2939 7/006
Akademischer Mitarbeiter (GeoInformatics) Photogrammetry und GeoInformatics +49 711 8926 2320 2/344
Akademische Mitarbeiterin Zentrum für Nachhaltige Energietechnik (zafh.net) / Projektmanagement +49 711 8926 2888 7/106