Hybride Ökobilanz- und Modellierungsansätze : der Fall der Meerwasserentsalzung in Australien

A steadily growing part of the world population is confronted with water shortages and drought. Population growth, economic development and climate change are the drivers of this development. Australia has been severely affected by this trend since the beginning of the millennium, which is why the country is looking for paths to become less dependent on precipitation. Seawater desalination is particularly promising for coastal regions, as the process basically provides an inexhaustible source of freshwater. The technology enables water production in response to demand, thus providing security of supply and ensuring the prosperity of a society. Nevertheless, it is the last resort in the battle against water scarcity. The considerable energy consumption, the associated high costs and carbon emissions, and the impact on marine biology are the main obstacles. The use of renewable energy could offer significant benefits to seawater desalination, but the integration of both technologies is still evolving. This thesis has quantified the coupling potentials of seawater desalination and renewable energies and developed a methodological framework to this end. For this purpose, input-output-based hybrid life cycle assessment models were developed, and a load-shifting model was modified. The studies carried out in the process are presented in chapters 2 to 4. Chapter 2 focuses on the carbon footprint of seawater desalination plants constructed in Australia at the beginning of the 2000s. Both the construction and the operation and maintenance of the plants were considered. The study examines the 20 largest reverse osmosis plants against the background of using the regionally predominant conventional electricity mix. The plants represent 95% of Australia’s seawater desalination capacity. We estimate the total emissions for 2015 at 1193 kt CO2e. Chapter 3 shows the synergy effects of seawater desalination plants and a 100% renewable electricity grid using a load- shifting model. The electricity demand of fictitious desalination plants was modelled to cover the missing water in the Murray-Darling basin. Finally, in chapter 4 the results of this study were used to compare the social, environmental and economic sustainability of the desalination plants in the fictitious 100% renewable energy grid with the sustainability in the use of conventional electricity. Using renewable energies would result in 90% less greenhouse gas emissions and 20% less water consumption. However, gross value added would be reduced by 10%.Ein immer größer werdender Teil der Weltbevölkerung ist mit Wassermangel und Trockenheit konfrontiert. Das Bevölkerungswachstum, die ökonomische Entwicklung und der Klimawandel sind die Treiber dieser Entwicklung. Australien ist von dieser Entwicklung seit Anfang des Jahrtausends immer wieder stark betroffen, weshalb das Land nach Wegen sucht, um unabhängiger von Niederschlag zu werden. Meerwasserentsalzung ist insbesondere für küstennahe Regionen vielversprechend, da das Verfahren im Grunde eine unerschöpfliche Quelle für die Frischwasserbereitstellung erschließt. Die Technologie ermöglicht eine auf die Nachfrage ausgerichtete Produktion von Wasser, bietet somit Versorgungssicherheit und gewährleistet dadurch den Wohlstand einer Gesellschaft. Dennoch ist sie die letzte Wahl im Kampf gegen Wasserknappheit. Der beträchtliche Energieverbrauch, die damit verbundenen hohen Kosten und CO2-Emissionen sowie die Auswirkungen auf die Meeresbiologie sind die größten Hürden. Die Nutzung erneuerbarer Energien könnte der Meerwasserentsalzung deutliche Vorteile bieten, jedoch steht die Integration beider Technologien noch am Anfang. Die vorliegende Arbeit hat die Kopplungspotenziale von Meerwasserentsalzung und erneuerbaren Energien quantifiziert und hierfür einen methodischen Rahmen erarbeitet. Hierfür wurden input-output-basierte hybride life cycle assessment-Modelle entwickelt und ein load-shifting-Modell modifiziert. Die dabei verfassten Studien sind in den Kapiteln 2 bis 4 dargestellt. In Kapitel 2 steht der CO2-Fußabdruck der in Australien zu Beginn der 2000er Jahre errichteten Meerwasserentsalzungsanlagen im Fokus. Hierbei wurden sowohl der Bau als auch der Betrieb und die Wartung der Anlagen berücksichtigt. Die Studie untersucht die 20 größten Umkehrosmose-Anlagen vor dem Hintergrund der Nutzung des regional vorherrschenden konventionellen Strommixes. Die Anlagen entsprechen 95% der australischen Meerwasserentsalzungskapazität. Wir beziffern die Gesamtemissionen für 2015 auf 1193 kt CO2e. Kapitel 3 zeigt mit Hilfe eines load-shifting-Modells die Synergieeffekte von Meerwasserentsalzungsanlagen und einem 100% erneuerbaren Energienetz auf. Es wurde die Stromnachfrage fiktiver Meerwasserentsalzungsanlagen modelliert, die das fehlende Wasser im Murray-Darling basin deckt. In Kapitel 4 wurden schließlich die Ergebnisse dieser Studie genutzt, um die soziale, ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Meerwasserentsalzungsanlagen im fiktiven Netz aus 100% erneuerbarer Energien mit der Nachhaltigkeit bei der Nutzung konventioneller Elektrizität zu vergleichen. Durch erneuerbare Energien würden 90% weniger Treibhausgase emittiert und 20% weniger Wasser verbraucht. Allerdings würde auch die Bruttowertschöpfung um 10% reduziert