Erneuerbare erhöhen Widerstandsfähigkeit gegen Dürre

Umstellung auf Sonne und Wind reduziert Grundwassernutzung

Wissenschaftler aus den USA (Princeton), Österreich (IIASA), den Niederlanden und Großbritannien haben untersucht, inwieweit nachhaltige Entwicklung der Wasserressourcen, der Ernährung und der Energiesicherheit zusammenhängen – ihre Ergebnisse haben sie in der Zeitschrift Nature Communications publiziert. Überall entstehende Solar- und Windparks haben neben der Senkung der CO2-Emissionen einen weiteren wichtigen Effekt: mehr Wasser im Boden zu halten. Die neue Studie gehört zu den ersten, die zeigt, dass Solar- und Windenergie nicht nur die Widerstandsfähigkeit gegen Dürren erhöhen, sondern auch zur Nachhaltigkeit des Grundwassers beitragen. Solarify dokumentiert Abstract, (ausschnittweise) Einleitung und Ergebnisse desOpen Access-Artikels.

Abstract

Die Wasserknappheit stellt eine enorme Herausforderung für eine nachhaltige Entwicklung der Wasserressourcen, der Ernährung und der Energiesicherheit dar, da diese Sektoren oft im Wettbewerb stehen, insbesondere in Zeiten von Dürren. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert sowohl einen Ausgleich zwischen den Sektoren als auch die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Dürreauswirkungen. Ein unterschätzter Faktor bei der Bewältigung des Zusammenhangs zwischen Wasser und Nahrungsmittelenergie (WFE) ist der gestiegene Wert der Solar- und Windenergie (SWE). Hier entwickeln wir einen Trade-off-Frontier-Rahmen, um den Wasser-Nachhaltigkeitswert von SWE anhand einer Fallstudie in Kalifornien zu quantifizieren. Wir identifizieren Entwicklungspfade, die den wirtschaftlichen Wert von Wasser im Wettbewerb um Energie- und Nahrungsmittelproduktion optimieren und gleichzeitig eine nachhaltige Nutzung des Grundwassers sicherstellen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die SWE-Penetration langfristig ein positives Feedback für den WFE-Nexus schafft: SWE erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Dürren und kommt der Nachhaltigkeit des Grundwassers zugute, und die Aufrechterhaltung des Grundwassers auf einem nachhaltigen Niveau erhöht wiederum den Mehrwert von SWE für die Energie- und Nahrungsmittelproduktion.

Einführung

Als zentrales Element der Verbindung von Wasser und Nahrungsenergie (WFE) ist eine effektive Bewirtschaftung der Wasserressourcen, insbesondere für regulierte Flusseinzugsgebiete, von entscheidender Bedeutung, um den gesellschaftlichen Bedürfnissen gerecht zu werden, einschließlich der Bewässerungsversorgung für die Nahrungsmittelproduktion und der Freisetzung von Speicherwasser für die Wasserkraftnutzung. Allerdings werden die derzeitigen Wassermanagementstrategien oft unabhängig für jeden Sektor durchgeführt, was zu einem Wettbewerb um die Wasserressourcen führt. Dies dürfte durch das Potenzial für eine zunehmende Schwere der Dürre unter dem Klimawandel und die wachsende Nachfrage nach begrenzten Wasserressourcen noch verstärkt werden. So konkurrieren weltweit 54% der Wasserkraftwerke mit der Bewässerungswassernutzung, und dieser Wettbewerb zwischen Nahrungsmittelproduktion und Wasserkrafterzeugung nimmt zu, da weltweit mehrere Hot Spots identifiziert wurden. Der Wettbewerb findet in der Regel zwischen vor- und nachgelagerten Quellen statt. So neigen beispielsweise stromaufwärts gelegene Wasserkraftwerke dazu, mehr Wasser zu speichern, um die hydraulische Förderhöhe zur Stromerzeugung auch während der Trockenzeit zu erhöhen und zu erhalten. Im Gegensatz dazu benötigen nachgeschaltete Anwender Wasser, das aus vorgelagerten Speichern freigesetzt wird, um Pflanzen mit einem anderen Zeitpunkt (z.B. während der Vegetationsperiode) zu bewässern. In einigen Fällen belastet ein Mangel an verfügbarem Oberflächenwasser das Grundwasser, das auch als Puffer zur Linderung von Dürren dient, was angesichts des langsamen Prozesses der Grundwasserneubildung in die Grundwasserleiter zu einer Verringerung des Grundwassers führt. Unterdessen könnten eine erhöhte Wasserknappheit und zeitliche Verschiebungen des Streamflow den WFE-Nexus weiter belasten und die Konflikte oder Kompromisse zwischen Bewässerung und Wasserkraft verschärfen. So können beispielsweise traditionelle Regeln für den Betrieb von Stauseen ohne Berücksichtigung der Nichtstationarität19 des Hydroklimas aufgrund des saisonalen Ungleichgewichts zwischen Wasserangebot und -nachfrage nicht mehr effizient genug sein, um die Kompromisse zu bewältigen.

Hier argumentieren wir, dass die Kompromisse bei der Wasserallokation zwischen Wasserkrafterzeugung und Bewässerungsnutzung und ihrer zukünftigen Entwicklung durch die Berücksichtigung integrierter Managementinstrumente und die schnelle Zunahme kohlenstoffarmer Energieerzeugung wie Solar- und Windenergie (SWE) potenziell gelöst werden können. Angesichts der Tatsache, dass sich der Einsatz von SWE beschleunigt und insbesondere die Wasserkraft ersetzt, wenn sie mit Energiespeichern (z.B. Wärmespeichern, Batterien) kombiniert wird, werden Energiesysteme weniger abhängig von Wasserkraft und fossilen Brennstoffen, insbesondere in entwickelten Regionen. Somit kann Wasser, das für den Antrieb von Turbinen zur Wasserkrafterzeugung verwendet wird, für Bewässerungszwecke eingespart werden, um die Nahrungsmittelproduktion sicherzustellen, während gleichzeitig der Grundwasserverbrauch reduziert wird, wodurch die Nachhaltigkeit des Grundwassers insbesondere bei Trockenheit erhöht wird. Hier betonen wir den sozialen Wert von SWE für die ökologische Nachhaltigkeit, der in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und in der Politik durch eine Fallstudie in Kalifornien noch wenig verstanden wird. Zuerst untersuchen wir, wie Wasserknappheit wie auch SWE Entscheidungen über die optimale und nachhaltige Bereitstellung von Wasser für die Wasserkrafterzeugung und Nahrungsmittelproduktion beeinflussen. Anschließend schätzen wir den nicht erkannten und unterschätzten Wert von SWE über ihre Rolle im traditionellen Energiesektor hinaus und die Synergien zwischen SWE und Grundwasser, um die Widerstandsfähigkeit gegen Dürre und die ökologische Nachhaltigkeit zu verbessern. Unsere Analyse kann dazu beitragen, Wirkungspfade zu entwickeln und in die politische Unterstützung für positive praktische Veränderungen für eine nachhaltige Wasser- und Ernährungssicherheit zu integrieren.

Ergebnisse

Kalifornien erlebte kürzlich nach 2012 eine rekordverdächtige Dürre (siehe Foto re.), die sich erheblich auf die Nahrungsmittelproduktion, die reduzierte Wasserkrafterzeugung und schwerwiegende Umweltprobleme (z.B. Grundwasserverarmung, Waldbrände, Baumsterben, Landabsenkung) auswirkte. Als größter landwirtschaftlich produzierender Staat der USA verdiente Kalifornien ca. 47 Milliarden Dollar aus seinem Agrarsektor und trug 2015 auch während der Dürre zu 13% zum US-Gesamtwert bei. Die Aufrechterhaltung der Ernteerträge und die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Agrarsektors beruhten weitgehend auf der nicht nachhaltigen Überdüngung des Grundwassers, welche die Auswirkungen der Dürre wirksam kompensierte, aber zu einer starken Erschöpfung des Grundwassers beitrug (ca. 3.7 km3/year). Im Energiesektor führte die verminderte Verfügbarkeit von Oberflächenwasser in diesem trockensten Jahr der Dürre dazu, dass die inländische Wasserkraft auf 7% der gesamten Stromerzeugung zurückging und damit deutlich unter dem langjährigen Durchschnitt des Landes von rund 18% lag. Dieses Stromdefizit wurde durch die Stromerzeugung aus der schnell wachsenden Solar- und Windflotte sowie durch den verstärkten Einsatz von Erdgas und Strom aus nichtstaatlichen Quellen ausgeglichen. Darüber hinaus überstieg die Solar- und Windstromerzeugung 2012 in Kalifornien erstmals die Wasserkraft aufgrund der sinkenden Kosten für Windturbinen und Photovoltaik in Verbindung mit der Beliebtheit und Stringenz des Renewables Portfolio Standard (RPS), der einen bestimmten Anteil erneuerbarer Energien in der Energieerzeugung vorschreibt.

Die Durchdringung von SWE kompensiert nicht nur einen Teil der Rückgänge bei der Wasserkraft, sondern hat angesichts der untrennbaren Verbindungen zwischen Nahrung, Energie und Wasser auch Auswirkungen über den Energiesektor hinaus. Dieser Mehrwert kann durch die Berücksichtigung der Nachhaltigkeitskompromisse innerhalb des WFE-Nexus abgeleitet werden. Im Allgemeinen gibt es einen direkten Kompromiss zwischen der Erzeugung von Strom aus Wasserkraft und der Bewässerung von Nutzpflanzen bei der Aufteilung des Oberflächenwassers zwischen den beiden. Es gibt auch einen indirekten Kompromiss zwischen der Stromerzeugung aus Wasserkraft und der Grundwasserentnahme, da das Grundwasser die geringere Verfügbarkeit von Oberflächenwasser während einer Dürre ersetzen kann, die im Falle der jüngsten Dürre in Kalifornien dazu führte, dass der Pflanzenbau im Allgemeinen nicht beeinträchtigt wurde. Angesichts relativ niedriger Grundwasserneubildungsraten und zunehmender Dürregefahr verdeutlicht dieser indirekte Kompromiss mögliche Nachhaltigkeitsherausforderungen für das Grundwasser.

->Quellen: