Inhaltszusammenfassung:
Steigende Bedarfe an Wasser, Energie und Nahrungsmitteln in Verbindung mit
Bevölkerungswachstum und Klimawandel bedrohen das menschliche Wohlergehen und
intensivieren die Überbeanspruchung natürlicher Ressourcen. Der Wasser-EnergieNahrungsmittel Nexus (WEF-Nexus) hat sich als integrierter Ansatz herauskristallisiert,
um zur Effizienzsteigerungen in diesen Sektoren, zur Verringerung der
Ressourcenbelastung und zur Unterstützung einer nachhaltigen Entwicklung
beizutragen.
Obgleich viele Studien und Projekte an den Schnittstellen von Wasser, Energie und
Nahrungsmitteln durchgeführt wurden, besteht weiterhin ein wissenschaftlicher
Diskurs darüber, was den WEF-Nexus genau ausmacht. Diese Dissertation soll durch
theoretische und angewandte Untersuchungen einen Beitrag zu dieser Debatte leisten.
Die Dissertation befasst sich zunächst mit der kontrollierten Grundwasseranreicherung
(Managed Aquifer Recharge, MAR) in Costa Rica. Eine auf einem
Geoinformationssystem (GIS) basierte Multi-Kriterien-Analyse zeigt, dass mehr als 30%
des Landes für die Anwendung der MAR-Versickerungsmethode gut oder sehr gut
geeignet sind. MAR kann u.a. eine vielversprechende und vielseitige Technologie sein,
um den Grundwasserspiegel wiederherzustellen, Grundwasserleiter als Wasserpuffer
zwischen Zeiten von Dargebot und Bedarf zu nutzen oder die Wasserqualität zu
verbessern. Durch die Diskussion der Anwendbarkeit von MAR am Lake Arenal und im
Paacume-Projekt – in beiden Fällen treten große Herausforderungen an der Schnittstelle
von Wasser, Energie und Nahrung auf – wird die Notwendigkeit eines WEF-Nexus Ansatz
aufgezeigt.
Um zu verstehen, was das Konzept des WEF-Nexus ausmacht, bietet die Dissertation
konzeptionelle Analysen zum WEF-Nexus auf der Grundlage einer systematischen
Literaturrecherche von 73 konzeptionellen wissenschaftlichen Artikeln aus den letzten
zwei Jahrzehnten. Die Analyse zeigt, dass der WEF-Nexus auf bereits bestehenden
integrierten Ansätzen aufbaut, jedoch mit dem Ziel, von der Integration in den Sektoren
zu einer sektorübergreifenden Integration überzugehen sowie die Politikkohärenz zu
verbessern. Die Ergebnisse bestätigen zudem, dass es weiterhin keine allgemein
anerkannte Definition des WEF-Nexus gibt. Zudem bietet die Dissertation einen
Überblick über 32 verschiedene Nexus Konzepte, etwa ein Dutzend Hauptmerkmale des
WEF-Nexus und bis zu 21 verschiedene Aspekte, die im WEF-Nexus integriert werden
könnten. Beispiele für Merkmale sind Interdisziplinarität, Transdisziplinarität oder die
Ermöglichung der Beteiligung und Einbeziehung von Interessengruppen. Zu den neuen Merkmalen eines WEF-Nexus gehören ferner die Entwicklung von Nexus-Indikatoren,
die Einbeziehung der politischen und sozialen Dimension sowie ein Fokus auf
Innovation.
Um den WEF-Nexus anzuwenden, ist ein detailliertes Verständnis der vielen
individuellen Verflechtungen zwischen den Bereichen Wasser, Energie und Ernährung
erforderlich. Eine solche detaillierte Analyse wird in der Dissertation durch
Berechnungen an der Schnittstelle von Wasser und Elektrizität mit unterjähriger
Auflösung während der hochdynamischen COVID-19-Pandemie geliefert. Während der
Lockdown-Maßnahmen in Europa war der Wasserfußabdruck der thermischen
Stromerzeugung im Vergleich zum gleichen Zeitraum vorangegangener Jahre um 21%
abgesenkt. Grund dafür sind drei Faktoren: eine mittelfristige Veränderung im Strommix
in den Jahren vor der Pandemie hin zu einer weniger wasserintensiven Stromerzeugung
sowie – während der Lockdowns – eine kurzfristige Veränderung hin zu einer weniger
wasserintensiven Stromerzeugung und ein Rückgang der Stromproduktion im
Allgemeinen. Die Analyse zeigt außerdem die Veränderungen im Handel von virtuellem
Wasser in fünf europäischen Ländern durch die Verschiebung von Elektrizitätsimporten
und -exporten.
Auf der Grundlage der Methodik dieser Analyse wurde die Datenverfügbarkeit
bewertet, um ein Instrument zu skizzieren, mit dem der Wasserfußabdruck und der
virtuelle Wasserhandel in Europa nahezu in Echtzeit überwacht werden könnte. Ein
solches Instrument könnte im Rahmen des WEF-Nexus eingesetzt werden, um das
Bewusstsein für den Wasserverbrauch bei der Stromerzeugung zu schärfen, private
Akteure zu incentivieren, ihren Wasserfußabdruck zu verringern, und Anreize auf dem
Strommarkt zu schaffen, um die Wasserintensität bei der Stromerzeugung z.B. durch
Preismechanismen zu reduzieren.
Durch diese Ergebnisse trägt die Dissertation zur konzeptionellen und praktischen
Weiterentwicklung des WEF-Nexus bei, um so die Herausforderungen an den
Schnittstellen von Wasser, Energie und Nahrung besser zu bewältigen und dadurch die
nachhaltige Entwicklung in Costa Rica, Europa und darüber hinaus zu unterstützen.
Abstract:
Rising demands for water, energy and food, in combinationwith population growth and
climate change, threaten human well-being and intensify overuse of natural resources.
The Water-Energy-Food Nexus(WEF-Nexus) has emerged as an integrated approach to
increase efficiency across these sectors, reduce said overuse and support sustainable
development.
While many studies and projects have been carried out considering the nexus between
water, food and energy, a scholarly debate is still ongoing on what the WEF-Nexus
exactly is. This dissertation aims to contribute to this debate through theoretical and
practical research.
The dissertation first considers Managed Aquifer Recharge (MAR) in Costa Rica. A multicriteria decision analysis using a Geographic Information System (GIS) shows that more
than 30% of the country is highly or very highly suitable for using the MAR-type
spreading method. MAR can be a promising and versatile water management
technology to restore groundwater levels, to use aquifers as water buffers between
supply and demand periods, improve water quality as well as provide additional
benefits. By discussing the applicability of MAR in the Lake Arenal and Paacume project
– both facing major challenges at the interface of water, energy and food – the need for
a WEF-Nexus approach is shown.
To understand what constitutes the WEF-Nexus, the dissertation offers conceptual
analyses based on a systematic literature review of 73 conceptual articles on the WEFNexusfrom the past two decades. The analyses show that the WEF-Nexusis building on
preexisting integrated approaches, yet with the goal of shifting from integration within
sectors to cross-sector integration and improving policy coherence. While the results
confirm that there is no widely agreed upon definition of the WEF-Nexus, the
dissertation presents an overview of 32 different Nexus Frameworks, roughly a dozen
main features of the WEF-Nexus and up to 21 different aspects that may be integrated
within the WEF-Nexus. Examples of features are interdisciplinarity, transdisciplinarity or
enabling the participation and inclusion of stakeholders. Emerging features of the WEFNexus include the development of WEF-Nexus indicators, the incorporation of the
political and social dimension, and a focus on innovation.
To apply the WEF-Nexus, a detailed understanding of the many individual biophysical
interlinkages between the domains of water, food and energy is required. One such
detailed analysis is provided in the dissertation through computations of waterelectricity interlinkages at the sub-annual scale in the highly dynamic period of the
Pieces to the Puzzle of the Water-Energy-Food Nexus
XIV
COVID-19 pandemic. During the lockdown measures in Europe, the water footprint of
thermal electricity generation was reduced by 21% compared to the same time of
previous years. This is due to three factors: a medium-term shift in the electricity mix in
the years before the pandemic towards less water-intensive electricity generation, and
— during the lockdowns — a short-term shift to less water-intensive generation and a
reduction in overall electricity generation. The results further show the changes in
virtual water trade among five European countries and how imports and exports shifted.
Based on the methodology of this analysis, data availability was assessed to outline a
tool to monitor Europe’s water footprint and virtual water trade in near real time. Such
a tool could be used in a WEF-Nexus Framework to increase awareness about water use
in electricity generation, incentivize private actors to decrease their water footprint and
create incentives in the electricity market to reduce water intensity in electricity
generation e.g., through pricing mechanisms.
Through these results, the dissertation advances the WEF-Nexus conceptually and
practically so that it can better tackle challenges at the interface of water, energy, and
food, thereby supporting sustainable development in Costa Rica, Europe, and beyond.
Virtual Water