Urbane Regionen stehen vor gro?en Herausforderungen bei der künftigen Versorgung mit Nahrungsmitteln, Wasser und Energie. Das Projekt IN-SOURCE greift den Food-Water-Energy (FWE)-Nexus in drei Fallstudien auf, um Beziehungen und Synergien zwischen den Ressourcen zu analysieren: dem Landkreis Ludwigsburg (DE), dem Stadtteil Gowanus/Brooklyn, New York City (USA) und der Stadt Wien (A). Das interdisziplin?re Team untersucht hierbei Szenarien für eine integrierte CO₂-neutrale und nachhaltige Infrastruktur und entwickelt dazu einen st?dtischen Daten- und Modellierungsrahmen, der bei der Analyse von Food-Water-Energy-Systemen und Beziehungen entlang des Nexus helfen soll. Orientiert an den Anforderungen st?dtischer und regionaler Interessengruppen wird dazu ein gemeinsames 3D-Datenmodell für St?dte und Regionen in Europa und den USA genutzt.

An der HFT Stuttgart wurde in Vorg?nger- und Parallelprojekten eine webbasierte 3D-Visualisierung des Landkreises Ludwigsburg erstellt, die ein digitales Landschaftsmodell und den gesamten Geb?udebestand umfasst. Dadurch k?nnen der W?rmebedarf und das Photovoltaikpotenzial für jedes einzelne Geb?ude im Kreis visualisiert werden (39 Kommunen und rund 500.000 Einwohner). IN-SOURCE erweitert dieses 3D-Modell um Daten zu Biomasse, Nahrungsmitteln sowie Wasser/Abwasser. Dazu werden aus Detailanalysen Parameter für die Erweiterung des Datenmodells abgeleitet.

Um Modellierungen entlang des FWE-Nexus durchzuführen, wurden neue Workflows innerhalb der an der HFT Stuttgart entwickelten Simulationsplattform SimStadt erarbeitet. Derzeit sind in SimStadt bereits verschiedene Workflows definiert, wie z.B. Solarpotentialanalyse, PV-Potentialanalyse, oder Heiz-/Kühlbedarfsanalyse mit Sanierungsstrategie. In IN-SOURCE wurden insbesondere Workflows zur Biomasse- und Nahrungsmittelpotenzialsimulation und zur Simulation des st?dtischen Wasserbedarfs erweitert. Mit dem neuen Biomasse-Workflow kann bspw. das lokal verfügbare Energiepotenzial (in Kombination mit dem lokalen PV-Potenzial) dem modellierten Energiebedarf des Landkreises gegenübergestellt und Synergien zwischen Ern?hrung und Energie aufgezeigt werden. Schlie?lich wird auch das zur Erzeugung der Biomasse erforderliche Wasser einbezogen, um die Wechselwirkungen im Komplex Nahrungsmittel-Energie-Wasser zu ergründen. Simulationen von urbanem Wasserbedarf tragen dazu bei, die Auswirkungen der Nachfrage auf Entscheidungen auf der Potenzial-Seite besser zu verstehen.

Das deutsche Teilprojekt greift den ambitionierten Klimaschutzplan des Landkreises Ludwigsburg auf, stellt Entscheidungshilfen bereit und macht Wechselwirkungen im FWE-Bereich transparent. Szenarien mit Zeithorizont bis 2050 sollen hierbei insbesondere L?sungen für die Verwirklichung einer maximalen erneuerbaren Versorgung unter Berücksichtigung von deren Wechselwirkungen auf die lokale Nahrungsmittelproduktion und den Wasserhaushalt des Landkreises aufzeigen.

FWE-Nexus auf regionaler Ebene
Ein weiterer Workflow zur Simulation des PV-Freifl?chenpotenzials wurde entwickelt, um die Modellierung von Energiepotenzialen im l?ndlichen Raum zu komplementieren[1]. Hierbei werden verschiedene Landnutzungsbeschr?nkungsszenarien berücksichtigt, um die PV-Freifl?chenpotenziale in hoher zeitlich-r?umlicher Detailtiefe zu analysieren. Damit stehen die wichtigsten Workflows für eine umfassende FWE-Analyse auf regionaler Ebene zur Verfügung und es konnten Analysen durchgeführt werden, welche sowohl positive als auch negative Wechselwirkungen zwischen Freifl?chen-PV, lokalen Bioenergie- und Nahrungsmittelpotenzialen sowie Wasserbedarfen und –angeboten zu quantifizieren, z. B. den Verlust von Biomassepotenzialen aufgrund von PV-Expansion und damit einhergehend verringertem Bew?sserungsbedarf in der Landwirtschaft, um somit optimale Landnutzungsszenarien im Rahmen des FWE-Nexus zu entwickeln.

FWE in den St?dten
Die Kombination aus Gründ?chern und PV-Aufdachanlagen wurde als ein Hauptschwerpunkt des FWE-Nexus in St?dten n?her analysiert. Hierbei wurden Arbeiten (DOI: 10.48494/REALCORP2021.3030) durchgeführt, um die PV-Ertragssteigerung, den Effekt der Sturmwasserabschw?chung und die Heizungseinsparung von Geb?uden mit Gründ?chern und PV zu ermitteln.

?bertragbarkeit
Der Biomasse-Workflow ist das Aush?ngeschild der FWE-Analysen im Rahmen des Projekts. Die Biomassesimulation wurde vom Landkreis Ludwigsburg in anderen Projekten auf den Landkreis Dithmarschen (SH) sowie den Ilmkreis (TH) und – wieder im Rahmen von IN-SOURCE – auf die Stadt Wien ausgeweitet. Der Workflow interagiert mit der Landnutzungs?nderungssimulation des Projektpartners AIT über FWE ADE (FWE Application Domain Extension). FWE ADE wurde als gemeinsamer Datenrahmen für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Tools und Projektpartnern geschaffen (DOI: 10.48494/REALCORP2021.2050). Ein weiterer Transferfall ist die Insel La Réunion (Frankreich), wo das Biomassepotenzial aus Forst- und Landwirtschaft sowie von Siedlungsabf?llen zur Erreichung der Energieautonomie untersucht wurde (DOI: 10.1016/j.esd.2021.12.002).

Visualisierung
Neben oben erw?hnten aggregierten Ergebnissen wurde ein 3D-Viewer erstellt, um die Attribute einzelner Agrarfl?chen und Geb?ude am Beispiel des Landkreises Ludwigsburg zu veranschaulichen[2]. Biomasse- und Nahrungsmittelpotenzial und der Nahrungsmittel-, Wasser- und W?rmebedarf sowie das PV-Dachfl?chenpotenzial wurden hierbei dreidimensional und browserbasiert dargestellt.

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[1] In einem parallelen Forschungsprojekt findet die Entwicklung eines Wind-Onshore-Workflows statt.

[2]? transfer.hft-stuttgart.de/pages/in-source/lkrludwigsburg3d/

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