Verbesserte Grundwasserneubildung und Wasserqualität durch Solarparks (AQUASOL)
Projektträger
Technische Universität München (TUM) Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement80333 München
Telefon: +49 89 289 23916
Zielsetzung
Der Bau von Projekten für erneuerbare Energien nimmt als Reaktion auf die Nachfrage nach erneuerbarem Strom zu (IEA, 2020). Häufig wird dadurch auch die Landschaft deutlich verändert (Pasqualetti & Stremke, 2018). Insbesondere der Bau von Solarparks, die durch die Anordnung von Photovoltaikmodulen entstehen (Armstrong et al., 2016), erfordert angesichts ihrer geringen Energiedichte pro Flächeneinheit große Flächenausdehnungen (Smil, 2016). In Deutschland erzeugten Photovoltaikanlagen 50 TWh und deckten 9,3% des Bruttostromverbrauchs und 10,5% der Nettostromerzeugung im Jahr 2020 ab (Burger, 2021; Wirth, 2021). Obwohl der große Flächenbedarf von Solarparks eine Herausforderung darstellt, gibt es auch positive Synergieeffekte.
Durch das Vorhandensein und die Verteilung von Photovoltaik-Modulen und die damit verbundene geänderte Bodenbedeckung ändert sich die Verteilung von Niederschlag, Verdunstung, Temperatur und Strahlung an der Bodenoberfläche (Armstrong et al., 2014). Auch das Abflussvolumen und der Spitzenabfluss können sich je nach Bodenbeschaffenheit und -eigenschaften erheblich verändern (Cook & McCuen, 2013). Einige Studien haben gezeigt, dass zu den hydrologischen Auswirkungen von Solarparks auch die Veränderung des Oberflächenabflusses und der Bodenerosion gehört (Lambert et al., 2021). Die Installation von Solarparks erzeugt daher nicht nur Energie, sondern kann auch bei günstiger Anordnung der Module die Grundwasserneubildung erhöhen, die Grundwasserqualität und weitere Ökosystemleistungen verbessern (z. B. die Bodenerosion verringern, einen geschützten Lebensraum für Tiere und Pflanzen bieten und den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden verhindern). Mikroklimamessungen haben gezeigt, dass Solarenergiesysteme dazu beitragen, die tatsächliche Evapotranspiration durch ihren Schattenwurf zu verringern (Marrou et al., 2013) und durch ihre extensive Bewirtschaftung die Pflanzenvielfalt erhöhen und dadurch einen höheren Kohlenstoffeintrag in den Boden ermöglichen (Armstrong et al., 2016). Aktuelle Studien haben auch einige wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung mehrerer Ökosystemleistungen (z. B. Nahrungsmittel- und Energieversorgung, Bestäubung, Kohlenstoffspeicherung sowie Bildungs- und Erholungsnutzen) durch nachhaltige Solarenergiesysteme aufgrund von Landaktivitäten und Biomasseumwandlungsprozessen hervorgebracht (Hanes et al., 2018; Randle-Boggis et al., 2020; Semeraro et al., 2018).
In diesem Projekt entwickeln wir einen konzeptionellen Rahmen und eine Software, um die hydrologischen Auswirkungen und die wasserbezogenen Ökosystemleistungen im Zusammenhang mit dem Bau von Solarparks zu ermitteln und zu quantifizieren. Das Hauptziel des Projekts ist die Programmierung einer Software zur Unterstützung der Planung und Verwaltung von Solarparks, um die Grundwasserneubildung, die Wasserqualität und andere ökohydrologische Bedingungen (z. B. Bereitstellung von Nahrung und Wasser, Reduktion von Oberflächenwasserabfluss, Lebensraum für Tiere und Pflanzen verbessern, Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden verhindern) zu optimieren. Das Projekt umfasst den Aufbau eines konzeptionellen Rahmens zur Bewertung und Quantifizierung spezifischer Ökosystemleistungen von Solarparkprojekten durch die Verknüpfung der Auswirkungen der Infrastruktur mit ökologischen und hydrologischen Daten. Die Ziele dieses Projekts werden durch die Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Hydrologie und Flussgebietsmanagement der TU München mit der Firma MaxSolar GmbH während der Planung und des Baus eines ihrer Solarparkprojekte in Darstadt (Bayern) erreicht. Der Solarpark in Darstadt wird als Pilotstudie dienen, um die Software zu entwickeln, zu testen und einzusetzen.
Dieses Projekt bringt den Stand der Technik voran, indem es eine neuartige Software entwickelt, mit der die Auswirkungen der Infrastruktur von Solarparks quantitativ und in einem räumlichen Kontext analysiert werden können. Die Ergebnisse des Projekts quantifizieren die Wechselwirkungen, Synergien und Auswirkungen der verschiedenen Variablen, die in den Bereichen Land, Wasser, Nahrung und Energie beteiligt sind. Dadurch wird das Verständnis für das System verbessert. In der Praxis kann die Software in künftigen Solarparks eingesetzt werden, um den Standort des Projekts und die Verteilung der Photovoltaikzellen so zu wählen, dass die maximale Grundwasseranreicherung erzielt und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen verbessert werden können. In diesem Sinne könnte die Software eingesetzt werden, um die Auswirkungen von Solarparks in trockenen und von Wasserknappheit betroffenen Regionen zu bewerten, Projektkonfigurationen vorzuschlagen und verschiedene Bauszenarien zu testen. In bestehenden Solarparks kann die Software eingesetzt werden, um die tatsächlichen ökologischen und hydrologischen Auswirkungen des Projekts zu bewerten, die Erfassung von Feldinformationen und die Lage der Messpunkte zu verbessern,
Arbeitsschritte
Die Struktur des Projekts besteht aus zwei Arbeitspaketen (AP) und übergreifenden Verbreitungsaktivitäten (QP), wie in Abbildung 1 dargestellt.
AP1. Quantifizierung von Ökosystemdienstleistungen (TUM & MaxSolar)
Zur Berechnung des wasserbezogenen ÖSD müssen die folgenden Daten erhoben werden:
• Wasserstandszeitreihen zur Quantifizierung der Grundwasserneubildung.
• Probenahmekampagnen zur Quantifizierung von Veränderungen der Wasserqualitätsparameter (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, Ionenzusammensetzung, Nitrat).
• Die potenzielle Evapotranspiration und die effektive Niederschlagsmenge werden anhand von Daten berechnet, die von drei meteorologischen Stationen an verschiedenen Stellen des Solarparks gesammelt wurden.
• Messungen der Bodenfeuchte zur Quantifizierung der tatsächlichen Evapotranspiration in Abhängigkeit von der Jahreszeit, der Bodenbedeckung und dem Feuchtigkeitsgehalt.
• Sammlung und Verwaltung ökologischer und hydrologischer Daten in einer Datenbank, die für die Quantifizierung von Ökosystemleistungen genutzt werden soll.
• Identifizierung und Bewertung der Faktoren, die die Bereitstellung wasserbezogener Ökosystemleistungen und Funktionen sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität beeinflussen.
• Charakterisierung der Infrastruktur von Solarparks und Ableitung von sensitiven Auslegungsparametern für wasserbezogene Ökosystemleistungen.
• Definition von Ökosystemleistungen, Methodenentwicklung zur Bewertung von Ökosystemleistungen und die Erstellung eines multikriteriellen Bewertungskonzepts.
• Beschreibung der Auswirkung des Solarparks auf die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte, des Abflusses und der Infiltrationsprozesse im Feld.
• Vorhersage des direkten Abflusses und der Infiltration.
• Identifizierung, Quantifizierung und Interpretation der Gewinne und Verluste im Ökosystemleistungen unter Verwendung der Software und Vergleich mit den Beobachtungen vor Ort.
• Analyse und Erstellung mehrerer plausibler Szenarien, um das Spektrum potenzieller Bedingungen und Variablen zu untersuchen, die bei der Errichtung von Solarparks von hydrologischer Bedeutung sein können.
• Entwicklung von Vergleichsszenarien
AP2. Entwicklung von Software (TUM)
Im zweiten Arbeitspaket sind die folgenden Aktivitäten geplant:
• Entwurf und Prototyping der Software, einschließlich der Definition der technischen und funktionalen Anforderungen sowie der Validierung des Prototyps.
• Kodierung und Backend-Softwareentwicklung mit Python, einschließlich der Erstellung einer grafischen Benutzeroberfläche
• Kodierung und Frontend-Softwareentwicklung mit Python und Integration in eine GIS-Umgebung (z. B. QGIS oder ArcGIS)
• Validierung des Entwurfs, der Benutzeroberfläche und der Erfahrungen bei Rundtischgesprächen mit den Beteiligten, um die Mitgestaltung und Akzeptanz der Software zu verbessern
• Qualitätsbewertung und Fehlerbehebung
• Test in der Pilotstudie und Einsatz der App
• Anwendung von Werkzeugen in der konventionellen Modellierung und der Szenariomodellierung, um wasserbezogene ÖSD unter verschiedenen Bedingungen zu quantifizieren und sie mit einer gemeinsamen Basis zu vergleichen
• Entwicklung eines Benutzerhandbuchs und von Online-Material für Schulungskurse
QP. Verbreitung des Projekts (TUM und MaxSolar)
Im Rahmen des Projekts werden drei Verbreitungsebenen durchgeführt:
1. Sensibilisierung: Aufbau der Identität und Bekanntmachung des Projekts bei den Interessengruppen und der Gemeinschaft, einschließlich der Teilnehmer, die keine detaillierten Kenntnisse benötigen.
2. Verstehen: Bereitstellung von Informationen und Daten für ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden technischen Komponenten und des wissenschaftlichen Themas der Anwendung und seines Entwicklungsprozesses.
3. Aktion: Förderung der Übernahme durch Vermittlung der praktischen Fähigkeiten, des Wissens und des Verständnisses für seine Anwendung.
Ergebnisse
Wir entwickeln eine maßgeschneiderte Planungsstrategie zur hydrologischen und ökologischen Optimierung von Solarparks. Der Aufbau eines entsprechenden konzeptionellen Rahmens und der zu entwickelnden Software basiert auf einem Lösungskonzept, das in zwei Arbeitsbereiche aufgeteilt wird:
• Der erste Arbeitsbereich zielt darauf ab, die zugrunde liegende Physik und die Prozesse des Problems zu verstehen, die technischen Anforderungen der Software zu definieren und die Komponenten und die Struktur der Software zu entwerfen (Verstehen, Definition und Design). Diese Aktivitäten erfordern im Vorfeld viel Feldarbeit und Dokumentation. Außerdem müssen in diesen frühen Phasen interaktive Aktivitäten (z. B. Workshops, Interviews, Umfragen) durchgeführt werden, um die langfristigen Anforderungen der Beteiligten vollständig zu verstehen.
• Der zweite Arbeitsbereich zielt darauf ab, die Quellcodedateien in eine eigenständige Basissoftware zu verwandeln, den Code zu testen und zu debuggen, um Qualitätsinformationen über die Software zu erhalten, und die Software einzusetzen, um sie den Endnutzern zur Verfügung zu stellen (Erstellen, Testen, Bereitstellen). Diese Schritte können zwar nacheinander, aber auch mehrfach und parallel ausgeführt werden, um ein zufriedenstellendes Produkt zu erhalten.
Um wasserbezogene Ökosystemleistungen zu identifizieren und zu quantifizieren, die Software zu entwickeln und das Projekt zu verbreiten, teilen wir das Lösungskonzept in zwei Arbeitspakete (AP1. Quantifizierung von Ökosystemdienstleistungen und AP2. Entwicklung der Software) und Querschnittsaktivitäten (QP. Verbreitung des Projekts) auf. Abbildung 2 enthält eine grafische Beschreibung der Beziehung zwischen dem Lösungskonzept und dem Arbeitsplan.
Das Projekt umfasst zusätzlich spezifische Aktivitäten, um die Interessengruppen in einem frühen Stadium einzubinden, damit sie die Software mit ihren Ideen und Beiträgen entwickeln. Die Software wird in einem öffentlichen Repository zur Verfügung gestellt, so dass externe Nutzer sie finden und weiterentwickeln können, um die Quelldateien unter einer angemessenen Lizenzpolitik zu erhalten. Wir erwarten nicht nur, das Projekt zu verbreiten und zu kommunizieren, sondern auch die Beteiligung der Endnutzer zu erreichen und formelles und informelles Feedback für die Weiterentwicklung der Software für die Nachwelt zu erhalten. Die Beteiligung des Kooperationspartners ist sehr wichtig für die Verbreitung des Projekts. Die praktische Nutzung der Software durch das Unternehmen kann starke Kommunikationskanäle aufbauen und die Akzeptanz der Software fördern. MaxSolar GmbH kann auch andere Teilnehmer in der Branche motivieren, neue Module und zukünftige Komponenten rund um die Software zu entwickeln. Darüber hinaus ist es dank der koordinierten Arbeit zwischen der TUM und MaxSolar möglich, andere Solarprojekte des Unternehmens zu nutzen. Dies könnte genutzt werden, um die Software zu validieren und den Umfang des konzeptionellen Rahmens und die Fähigkeiten der Software zu erweitern.
Weiterhin ist beabsichtigt, die Projektidee auf die europäische Ebene auszuweiten und ein Interreg-Projekt zu beantragen, das sich mit der Kopplung von erneuerbarer Energieerzeugung und dem Schutz von Wasserressourcen befassen soll.
Öffentlichkeitsarbeit
Das Projekt umfasst die Verbreitung der Ergebnisse an die verschiedenen Interessengruppen in der Industrie, den Regierungsbehörden, der Bildungseinrichtungen und Nichtregierungsorganisationen. Die Strategie für die Verbreitung der Projektergebnisse wird bereits in der frühesten Phase des Projekts festgelegt und während der gesamten Laufzeit des Projekts als Querschnittspaket (QP) entwickelt. Es wird zunächst vorgeschlagen, dass Präsentationen und Treffen im Zusammenhang mit dem Projekt in den Räumlichkeiten der TUM stattfinden. Alternativ können die Sitzungen auch per Videokonferenz abgehalten werden. Weitere Einzelheiten in Bezug auf die spezifischen Teilnehmer und Interessengruppen werden während der Ausarbeitung der Verbreitungsstrategie festgelegt.
Die Strategie zur Verbreitung der Ergebnisse, Dienstleistungen und Erkenntnisse aus dem Projekt auf diesen verschiedenen Ebenen umfasst die folgenden Aktivitäten:
• Präsentation zum Projektstart
• Entwicklung eines Stakeholder-Panels unter Einbeziehung der Wasserversorger und auch der zuständigen Wasserbehörden
• Kommunikationsbeiträge auf der Website der Abteilung und Verteilung von Material (z. B. Newslettern) über die Mailingliste
• Wissenschaftliche Veröffentlichungen und Teilnahme an Konferenzen
• Software-Schulungsworkshop
• Projektabschlusspräsentation und Workshop mit Experten
Fazit
Das Hauptziel des Projektes AQUASOL ist die Entwicklung einer Software zur Unterstützung der Planung und Verwaltung von Solarparks, um die Grundwasserneubildung, die Wasserqualität und andere ökohydrologische Bedingungen (z. B. Bereitstellung von Nahrung und Wasser, Reduktion von Oberflächenwasserabfluss, Lebensraum für Tiere und Pflanzen verbessern, Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden verhindern) zu optimieren. Der Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement der Technischen Universität München (TUM) kann dieses ehrgeizige Ziel nur erreichen, indem er mit der Firma MaxSolar GmbH bei der Planung und dem Bau eines ihrer Solarparkprojekte zusammenarbeitet, das derzeit in Darstadt (Bayern) umgesetzt wird. Das Projekt befindet sich derzeit in der Bauleitplanung und der Solarpark wird Ende 2023 in Betrieb gehen. Dies bietet die Möglichkeit, auch Messungen vor und während des Baus durchzuführen und so Vergleichsdaten zu sammeln. Der Solarpark wird mit einer Fläche von mehr 70 Hektar einer der größten Solarparks Deutschlands sein, wodurch externe Einflüsse auf die Projektfläche minimiert werden. Das Projekt wird als Pilotvorhaben für die Erstellung, den Test und den Einsatz der Software dienen. Die allgemeinen Ziele des Projekts sind:
• Entwicklung einer Software zur Unterstützung der Planung und Verwaltung von Solarparks, um nicht nur die Energieerzeugung, sondern auch die Grundwasserneubildung, die Wasserqualität und andere ökohydrologischen Belange zu fördern.
• Identifizierung und Quantifizierung der wasserbezogenen Ökosystemleistungen im Zusammenhang mit dem Bau des Solarparks.
• Mitgestaltung und Verbreitung der Software unter allen relevanten Akteuren
• Überprüfung und Bekanntmachung der Anwendbarkeit der Software durch eine Pilotstudie.
Referenzen:
Armstrong, A., Ostle, N. J., & Whitaker, J. (2016). Solar park microclimate and vegetation management effects on grassland carbon cycling. Environmental Research Letters, 11(7), 074016. https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/7/074016
Armstrong, A., Waldron, S., Whitaker, J., & Ostle, N. J. (2014). Wind farm and solar park effects on plant-soil carbon cycling: Uncertain impacts of changes in ground-level microclimate. Global Change Biology, 20(6), 1699–1706. https://doi.org/10.1111/gcb.12437
Burger, B. (2021). Nettostromerzeugung in Deutschland 2020: Erneuerbare Energien erstmals über 50 Prozent - Fraunhofer ISE. Fraunhofer ISE. https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/news/2020/nettostromerzeugung-in-deutschland-2021-erneuerbare-energien-erstmals-ueber-50-prozent.html
Cook, L. M., & McCuen, R. H. (2013). Hydrologic Response of Solar Farms. Journal of Hydrologic Engineering, 18(5), 536–541. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000530
Hanes, R. J., Gopalakrishnan, V., & Bakshi, B. R. (2018). Including nature in the food-energy-water nexus can improve sustainability across multiple ecosystem services. Resources, Conservation and Recycling, 137, 214–228. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2018.06.003
IEA. (2020). Renewables 2020 Analysis and forecast to 2025. IEA.
Lambert, Q., Bischoff, A., Cueff, S., Cluchier, A., & Gros, R. (2021). Effects of solar park construction and solar panels on soil quality, microclimate, CO 2 effluxes, and vegetation under a Mediterranean climate. Land Degradation & Development, 32(18), 5190–5202. https://doi.org/10.1002/ldr.4101
Marrou, H., Dufour, L., & Wery, J. (2013). How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil–crop system? European Journal of Agronomy, 50, 38–51. https://doi.org/10.1016/j.eja.2013.05.004
Pasqualetti, M., & Stremke, S. (2018). Energy landscapes in a crowded world: A first typology of origins and expressions. Energy Research & Social Science, 36, 94–105. https://doi.org/10.1016/j.erss.2017.09.030
Randle-Boggis, R. J., White, P. C. L., Cruz, J., Parker, G., Montag, H., Scurlock, J. M. O., & Armstrong, A. (2020). Realising co-benefits for natural capital and ecosystem services from solar parks: A co-developed, evidence-based approach. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 125, 109775. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109775
Semeraro, T., Pomes, A., Del Giudice, C., Negro, D., & Aretano, R. (2018). Planning ground based utility scale solar energy as green infrastructure to enhance ecosystem services. Energy Policy, 117, 218–227. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2018.01.050
Smil, V. (2016). Power density: A key to understanding energy sources and uses (First MIT Press paperback edition). The MIT Press.
Wirth, H. (2021). Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland. Fraunhofer ISE. www.pv-fakten.de