Planung von integrierten Wasser-, Energie-, Nahrungs- und Umweltmodellen durch Open-Source-Software

In diesem Forschungsprojekt arbeitet das RLI daran, Hindernisse für die Nutzung integrierter Wasser-, Energie-, Nahrungs- und Umweltsystemmodellen (Water-Energy-Food-Environment, iWEFEs) mithilfe von Open-Source-Software zu überwinden.

Faktoren wie der Klimawandel oder die Ausbeutung natürlicher Ressourcen durch eine wachsende Weltbevölkerung bedrohen Ökosysteme. Als Folgen können Wassermangel, Nahrungsmittel- und Energiekrisen entstehen. Das gefährdet die Sicherheit von Menschen und die Stabilität politischer Systeme. Alle drei Sektoren stehen eng miteinander in Beziehung und beeinflussen sich wechselseitig. Deshalb wird hier von vernetzten Versorgungsproblemen oder -risiken gesprochen. Um auf diese Risiken zu reagieren, bieten integrierte Wasser-, Energie-, Nahrungs-, und Umweltsystemmodelle einen Ansatz, der zu einer nachhaltigeren Nutzung der Ressourcen führen kann.

Die Forscher in diesem Projekt entwickeln Software-Tools, die helfen, nachhaltige Infrastrukturlösungen besser zu planen und zu entwickeln. Die Tools werden in einer Open-Source-Toolbox zusammengestellt. Damit können zum Beispiel Kommunen, Nichtregierungsorganisationen oder andere Endnutzer*innen eigenständig iWEFEs planen und integrieren.

Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Umwelt-Nexus (WEFE)

Die natürlichen Ressourcen sind durch den so genannten Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Umwelt-Nexus (WEFE) miteinander verbunden. Wasser wird beispielsweise benötigt, um den Energiebedarf zu decken: für den Bergbau, die Bewässerung von Bioenergiepflanzen, die Wasserkraft oder die Kühlung von fossilen Kraftwerken. Umgekehrt wird Energie benötigt, um Wasser zu pumpen, aufzubereiten und zu verteilen. Im Bereich der Lebensmittelproduktion wird Wasser für die Bewässerung und Energie für die Ernte und Verarbeitung benötigt.

Open-Source-Software zur Überwindung von Hindernissen

Wenn iWEFEs eingesetzt werden, können Sektor übergreifende Synergien dazu beitragen, Ressourcen sparsamer einzusetzen und Zielkonflikte zu minimieren. Trotz ihres Potenzials werden iWEFEs bei der Infrastrukturentwicklung auf lokaler Ebene nur selten in die Praxis umgesetzt. Oft fehlt es an standortspezifischen Daten wie Bevölkerung oder Energieverbrauch und an offenen Tools zur Beschreibung, Modellierung und Planung integrierter Infrastruktursysteme. Darüber hinaus gibt es weitere Einschränkungen bei der Nutzung in Bezug auf die Finanzierung, die lokale WEFE-Nexus-Analyse oder die Transparenz des Entscheidungsprozesses.

Das Forschungsprojekt zielt daher darauf ab, diese Hindernisse mit Hilfe offener Software (Open Water, Energy, Food and Environment Modeling Framework – OWEFE) zu überwinden. Diese wird in einem wissenschaftlichen Prozess entwickelt und auf relevante Fallstudien angewendet.

Das WEFE-Systemdesign hilft den Endnutzer*innen

Forschende können die Software nutzen, um spezifische physiogeografische Daten, zum Beispiel zu Böden, Wasser oder Klima, und sozioökonomische Daten wie zur Bevölkerung, für jeden beliebigen Ort in der Testregion zu erfassen. Die Daten stammen von Public Domain Servern über Schnittstellen (APIs) und aus Smartphone-basierten Erhebungen. Es ist auch möglich, die lokalen Standortbedingungen, den Bedarf und die WEFE-Anschlüsse zu visualisieren. Die Ergebnisse des Tools werden in einem App/Webtool zusammengefasst und führen zu einem auf den Standort zugeschnittenen WEFE-Systemdesign. Dieser kann zum Beispiel von Kommunen, Nichtregierungsorganisationen oder anderen Nutzer*innen für Förderanträge, Genehmigungsverfahren, Bauplanentwicklung und die praktische Projektumsetzung genutzt werden.

Fallstudien

Der offene Modellierungsrahmen für integrierte Wasser-, Energie-, Nahrungsmittel- und Umweltsysteme (OWEFE), der auf dem Modellierungsframework oemof (Open Energy Modelling Framework) basiert, wurde bisher für die Simulation eines Abwasser-Biogassystems in Tibnine, Libanon, und eines Agrar-Photovoltaiksystems in Hegelbach, Deutschland, eingesetzt. Die resultierenden Wasser-, Energie- und Ernteerträge der OWEFE-Modelle lagen im Bereich eines konventionellen Modellierungsansatzes beziehungsweise von In-situ-Messungen.

Weitere Informationen zum Projekt auf GitHub.

• Konzeptualisierung eines offenen Wasser-, Energie-, Nahrungsmittel- und Umwelt-Modellierungsrahmens, der die
• Entwicklung einer offenen iWEFEs-Komponentendatenbank ermöglicht
• Erleichterung und Automatisierung der WEFE-Datenerfassung und -Analyse durch einen WEFE Site Analyst
• Entwicklung eines softwarebasierten Konfigurators für standortangepasste iWEFEs: iWEFEs Configurator
• Anwendung der Software auf Fallstudien