Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-10112
Authors: Fenrich, Eva Katrin
Title: Entwicklung eines ökologisch-ökonomischen Vernetzungsmodells für Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher
Issue Date: 2018
Publisher: Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.seiten: xviii, 159, 12
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;257
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/10129
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-101294
http://dx.doi.org/10.18419/opus-10112
ISBN: 978-3-942036-61-0
Abstract: Die Bereitstellung von Frischwasser für die Bewässerung, Trink- und Brauchwasser sowie umweltfreundlich produzierter elektrischer Energie ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Entwicklung einer Region oder eines Landes. Viele unterschiedliche Nutzungsansprüche auf begrenzte Ressourcen sind zu beachten und abzuwägen. Die vernetzten Versorgungsrisiken im Nexus „Wasser, Energie, Nahrung“ sind gleichermaßen eine große Herausforderung für Politik und Ingenieure. Wasserkraft stellt eine saubere, CO2-neutrale, regenerative Energiequelle dar. Jedoch sind aufgrund der Veränderung des Abflussregimes und der Querverbauung der Gewässer große Auswirkungen auf die lokale Ökologie zu erwarten. Diese Auswirkungen auf die lokale oder auch globale Flussökologie bedingen, dass bei der Planung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern auf ein komplexes System an Einflüssen eingegangen werden muss. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Nutzungsarten einerseits und der Fluss- und Auenökologie andererseits müssen in ihrer Gesamtheit erfasst werden. Aufgrund der langen Lebensdauer der Anlagen ist es notwendig sehr eingehend die Auswirkungen eines Projekts in allen Bau- und Betriebsphasen zu untersuchen, da es sich hierbei nicht um kurzfristige Eingriffe, von denen sich das natürliche Gewässer wieder erholen kann, handelt. Ebenso ist es bei Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern, wie bei allen großen Infrastrukturmaßnahmen wichtig, dass Entscheidungsträger die Möglichkeit bekommen, übersichtlich Einblicke in die Wirkungszusammenhänge zu gewinnen und Projektvarianten zu vergleichen. Dies ist insbesondere auch dann relevant, wenn verschiedene Interessengruppen oder Projektpartner eine Einigung über die Weiterverfolgung bestimmter Projektvarianten erzielen sollen. Ausgehend von der vorgestellten Problematik wird eine ganzheitliche qualitative und quantitative Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern sowohl für die Planung als auch für den Betrieb vorgestellt. Hierzu wurde ein Bilanzierungsmodell entwickelt, das auf Grundlage Leontief'scher Input-Output-Analyse als Entscheidungsunterstützung für Projektentscheidungen beim Neubau und der Erneuerung von Anlagen dienen kann. Die Input-Output-Analyse, ein Verfahren der empirischen Wirtschaftsforschung, das für volkswirtschaftliche Analysen eingesetzt wird, ist ein geeignetes Werkzeug, um Verflechtungen zwischen verschiedenen Aspekten eines Systems zu beschreiben. Durch die Möglichkeit, Stoff- und Wirtschaftsströme in unterschiedlichen Einheiten miteinander zu verknüpfen, eignet sich die Input-Output-Analyse sehr gut zur Modellierung komplexer vernetzter Strukturen. Zunächst wurden qualitative Modelle für die jeweiligen Anlagentypen aufgestellt und anschließend an die Bedingungen des betrachteten Projekts angepasst. Hierzu wurden die Systemgrenzen festgelegt und bestimmt, welche Nutzungsarten zum aktuellen Betrachtungszeitraum relevant sind. Mit Hilfe von Input-Output-Graphen werden die Gesamtsysteme anschaulich dargestellt. Traditionell stehen die Knoten des Graphen für die Sektoren einer Volkswirtschaft und die Kanten stellen die jeweiligen Verflechtungen dar. Produkte eines Sektors einer Volkswirtschaft werden zur Produktion von Gütern und Dienstleitungen anderer Sektoren benötigt. Die Richtung der jeweiligen Kante des Graphen stellt eine Lieferbeziehung dar. Bei der Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern werden an Stelle von Sektoren einzelne Aspekte innerhalb des Projektes, wie beispielsweise die Trinkwassergewinnung oder die Erzeugung elektrischer Energie, sowie als Primärinputs natürliche Ressourcen betrachtet. Die Input-Output-Graphen können anschließend teilweise mit Hilfe graphentheoretischer Überlegungen vereinfacht werden. Beispielsweise können Teilgraphen zusammengefasst oder zirkuläre Abhängigkeiten aufgedeckt werden. Von besonderem Interesse sind häufig die indirekten Lieferbeziehungen zwischen Sektoren, die zunächst nicht direkt ersichtlich sind, im Input-Output-Modell aufgrund der Darstellung als Systemgraph jedoch deutlich erkennbar werden. Ein wichtiger Grund, qualitative Modelle zu erstellen, kann unter anderem auch sein, verschiedene Projekte oder Projektvarianten zunächst aufgrund ihrer Struktur zu vergleichen, oder um schon vorhandene Projekte unterschiedlicher Größe als Grundlage für die Datenbeschaffung neu geplanter Projekte zu nutzen. Dieses qualitative Modell wird jeweils für eine bestimmte Anlagengröße und Nutzungsart quantifiziert und anschließend werden iterativ Nutzungs-Szenarien evaluiert. Bei Bedarf kann als abschließende Untersuchung das so entwickelte Input-Output-Modell als Grundlage einer linearen Optimierung verwendet werden. Quantitative Gesamtmodelle und lineare Optimierungsmodelle sind jeweils stark abhängig von den betrachteten Projektvarianten. Durch eine vernetzte Formulierung ökonomischer und ökologischer Fragestellungen wird eine quantitative Bewertung der gegenseitigen Beeinflussung ermittelt. Anhand von Fallstudien wurde die Anwendbarkeit der zuvor erarbeiteten Methodik auf verschiedene Anlagentypen und -größen verifiziert und das Modell weiterentwickelt. Um die grundsätzliche Anwendbarkeit der Input-Output-Analyse auf Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher zu untersuchen, wurde zunächst ein sehr einfaches schwach vernetztes System eines Ausleitungskraftwerks an der Drau in Österreich untersucht. Hierbei wurde vor allem auf die Vernetzung von Wasserdargebot, energetischer Nutzung und Flussökologie eingegangen. Die Integration von Bewässerung und Landnutzungsparametern in einem Input-Output-Modell wurde anhand eines Bewässerungssystems in Venezuela untersucht. Hierbei werden vor allem auch sozioökonomische Aspekte mit integriert. In einer weiteren Fallstudie wurde ein Ausleitungskraftwerk an der unteren Argen mit gleichzeitiger Wasserentnahme zur Bewässerung untersucht. Als sehr stark vernetztes System wird das Kandadji-Projekt am Niger, ein typisches Mehrzweckspeicher-Projekt mit Bewässerung, Wasserkraft und Trinkwassergewinnung, betrachtet. Schließlich wird, um die Bandbreite der Anwendbarkeit des entwickelten Modells darzustellen, eine Fallstudie für ein Gezeitenkraftwerk zusammen mit einer Landnutzungs-Wassergütemodellierung im Küstenbereich erstellt. Die verschiedenen Fallstudien geben einen Überblick über die Bandbreite der Anwendungsbereiche des hier entwickelten Modells. Deutlich zu erkennen ist, dass qualitative Modelle und auch quantifizierte Teilmodelle jeweils übertragbar auf andere Projekte und Projektvarianten sein können. Damit wurde Ingenieuren und Entscheidungsträgern ein wertvolles Werkzeug in die Hand gegeben, um die Auswirkungen von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern in allen Planungs- und Betriebsphasen zu bewerten.
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