Verbesserte Grundwasserneubildung und Wasserqualität durch Solarparks (AQUASOL)
Projektdurchführung
Technische Universität München (TUM)
Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement
80333 München
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). Obwohl der große Flächenbedarf von Solarparks eine Herausforderung darstellt, gibt es auch positive Synergieeffekte. 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 zu optimieren. Das Projekt umfasst den Aufbau eines konzeptionellen Rahmens zur Bewertung und Quantifizierung spezifischer Ökosystemleistungen von Solarparkprojekten . 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 Bundorf (Nordbayern) erreicht.
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. Die Benutzer werden in der Lage sein, deskriptive geografische Informationen anzuwenden, um die Auswirkungen der Solarparkinfrastruktur in einem räumlichen Kontext zu verstehen. Wasserversorger, Behörden, Naturschutzbehörden/-verbände und Solarenergieunternehmen sind Endnutzer der Software.
Arbeitsschritte
Die Struktur des Projekts besteht aus zwei Arbeitspaketen (AP)
AP1. Quantifizierung von Ökosystemdienstleistungen (TUM & MaxSolar)
• 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.
• 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.
AP2. Entwicklung von Software (TUM)
• 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
• 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
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).
• 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).
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.
Öffentlichkeitsarbeit
Das Projekt umfasst die Verbreitung der Ergebnisse an die verschiedenen Interessengruppen in der Industrie, den Regierungsbehörden, der Bildungseinrichtungen und Nichtregierungsorganisationen.
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 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 in Bundorf (Bayern) umgesetzt wird. Der Solarpark ist mit einer Fläche von mehr 125 Hektar einer der größten Solarparks Deutschlands, 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.