• Energy Research

In the future, Germany's land-use policies and the impacts of climate change on yields will affect the amount of biomass available for energy production. We used recent published data on biomass potentials in the federal states of Germany to assess the uncertainty caused by climate change effects in the potential supply of biomass available for energy production. In this study we selected three climate scenarios representing the maximum, mean and minimum temperature increase for Germany out of 21 CMIP5-projections driven by the Representative Concentration Pathways (RCP) 8.5 scenario. Each of the three selected projections was downscaled using the regional statistical climate model STARS. We analysed the yield changes of four biomass feedstock crops (forest, short-rotation coppices (SRC), cereal straw (winter wheat) and energy maize) for the period 2031–2060 in comparison to 1981–2010. The mean annual yield changes of energy wood from forest and short-rotation coppices were modelled using the process-based forest growth model 4C. The yield changes of winter wheat and energy maize from agricultural production were simulated with the statistical yield model IRMA. Germany's annual biomass potential of 1500 PJ varies between minus 5 % and plus 8 % depending on the climate scenario realisation. Assuming that 1500 PJ of biomass utilisation can be achieved, climate change effects of minus 75 (5 %) PJ or plus 120 (8 %) PJ do not impede overall bioenergy targets of 1287 PJ in 2020 and 1534 PJ in 2050. In five federal states the climate scenarios lead to decreasing yields of energy maize and winter wheat. Impacts of climate scenarios on forest yields are mainly positive and show both positive and negative effects on yields of SRC.

Los escenarios se han convertido en una herramienta clave para apoyar la investigación de sostenibilidad sobre el cambio regional y global. En este estudio evaluamos cuatro evaluaciones de escenarios regionales: primero, para explorar una serie de desafíos de investigación relacionados con la ciencia de la sostenibilidad y, segundo, para contribuir a la investigación de sostenibilidad en los estudios de casos específicos. Los cuatro estudios de casos utilizaron enfoques de escenarios comúnmente aplicados que son (i) un enfoque de historia y simulación con participación de las partes interesadas en la cuenca hidrográfica de Oum Zessar, Túnez, (ii) una exploración participativa de escenarios en la región de Rwenzori, Uganda, (iii) un estudio de prepolíticas basado en modelos en el Delta Interior del Níger, Malí, y (iv) un análisis de escenarios basado en modelos de acoplamiento en la cuenca alta de Thukela, Sudáfrica. Las evaluaciones de escenarios se evalúan frente a un conjunto de desafíos conocidos en la ciencia de la sostenibilidad, con cada desafío representado por dos indicadores, complementados por una encuesta realizada sobre la percepción de las evaluaciones de escenarios dentro de las regiones de estudio de caso. Los resultados muestran que todos los tipos de evaluaciones de escenarios abordan muchos desafíos de sostenibilidad, pero que los más complejos basados en la historia y la simulación y el acoplamiento de modelos son: el más completo. El estudio destaca la necesidad de investigar los cambios abruptos del sistema, así como los factores gubernamentales y políticos como fuentes importantes de incertidumbre. Para un análisis en profundidad de estos problemas, se sugiere el uso de enfoques cualitativos y una participación activa de las partes interesadas locales. Se recomienda estudiar los umbrales ecológicos a escala regional para apoyar la investigación sobre la sostenibilidad regional. La evaluación de los procesos y resultados de los escenarios por parte de los investigadores locales indica que las evaluaciones de escenarios más transparentes son las más útiles. Las evaluaciones de escenarios centradas, directas e iterativas pueden ser muy relevantes al aportar información a los problemas de sostenibilidad seleccionados. Les scénarios sont devenus un outil clé pour soutenir la recherche sur la durabilité des changements régionaux et mondiaux. Dans cette étude, nous évaluons quatre évaluations de scénarios régionaux : premièrement, explorer un certain nombre de défis de recherche liés à la science de la durabilité et, deuxièmement, contribuer à la recherche sur la durabilité dans les études de cas spécifiques. Les quatre études de cas ont utilisé des approches de scénarios couramment appliquées qui sont (i) une approche d'histoire et de simulation avec la participation des parties prenantes dans le bassin versant d'Oum Zessar, en Tunisie, (ii) une exploration participative de scénarios dans la région de Rwenzori, en Ouganda, (iii) une étude pré-politique basée sur des modèles dans le delta intérieur du Niger, au Mali, et (iv) une analyse de scénarios basée sur le couplage de modèles dans le bassin supérieur de Thukela, en Afrique du Sud. Les évaluations de scénarios sont évaluées par rapport à un ensemble de défis connus en science de la durabilité, chaque défi étant représenté par deux indicateurs, complétés par une enquête réalisée sur la perception des évaluations de scénarios dans les régions d'étude de cas. Les résultats montrent que tous les types d'évaluations de scénarios répondent à de nombreux défis de durabilité, mais que les plus complexes basés sur l'histoire et la simulation et le couplage de modèles sont la plus complète. L'étude souligne la nécessité d'enquêter sur les changements brusques du système ainsi que sur les facteurs gouvernementaux et politiques en tant que sources importantes d'incertitude. Pour une analyse approfondie de ces questions, l'utilisation d'approches qualitatives et un engagement actif des parties prenantes locales sont suggérés. L'étude des seuils écologiques à l'échelle régionale est recommandée pour soutenir la recherche sur la durabilité régionale. L'évaluation des processus et des résultats des scénarios par les chercheurs locaux indique que les évaluations de scénarios les plus transparentes sont les plus utiles. Des évaluations de scénarios ciblées, simples, mais itératives peuvent être très pertinentes en fournissant des informations à des problèmes de durabilité sélectionnés. Scenarios have become a key tool for supporting sustainability research on regional and global change.In this study we evaluate four regional scenario assessments: first, to explore a number of research challenges related to sustainability science and, second, to contribute to sustainability research in the specific case studies.The four case studies used commonly applied scenario approaches that are (i) a story and simulation approach with stakeholder participation in the Oum Zessar watershed, Tunisia, (ii) a participatory scenario exploration in the Rwenzori region, Uganda, (iii) a model-based prepolicy study in the Inner Niger Delta, Mali, and (iv) a model coupling-based scenario analysis in upper Thukela basin, South Africa.The scenario assessments are evaluated against a set of known challenges in sustainability science, with each challenge represented by two indicators, complemented by a survey carried out on the perception of the scenario assessments within the case study regions.The results show that all types of scenario assessments address many sustainability challenges, but that the more complex ones based on story and simulation and model coupling are the most comprehensive.The study highlights the need to investigate abrupt system changes as well as governmental and political factors as important sources of uncertainty.For an in-depth analysis of these issues, the use of qualitative approaches and an active engagement of local stakeholders are suggested.Studying ecological thresholds for the regional scale is recommended to support research on regional sustainability.The evaluation of the scenario processes and outcomes by local researchers indicates the most transparent scenario assessments as the most useful.Focused, straightforward, yet iterative scenario assessments can be very relevant by contributing information to selected sustainability problems. أصبحت السيناريوهات أداة رئيسية لدعم أبحاث الاستدامة حول التغيير الإقليمي والعالمي. في هذه الدراسة، نقوم بتقييم أربعة تقييمات للسيناريوهات الإقليمية: أولاً، لاستكشاف عدد من تحديات البحث المتعلقة بعلوم الاستدامة، وثانياً، للمساهمة في أبحاث الاستدامة في دراسات الحالة المحددة. استخدمت دراسات الحالة الأربع مناهج السيناريوهات المطبقة بشكل شائع والتي هي (1) نهج القصة والمحاكاة بمشاركة أصحاب المصلحة في مستجمعات مياه أم زسار، تونس، (2) استكشاف سيناريو تشاركي في منطقة روينزوري، أوغندا، (3) دراسة سياسة مسبقة قائمة على نموذج في دلتا النيجر الداخلية، مالي، و (4) تحليل سيناريو قائم على نموذج الاقتران في حوض ثوكيلا العلوي، جنوب أفريقيا. يتم تقييم تقييمات السيناريو مقابل مجموعة من التحديات المعروفة في علم الاستدامة، مع تمثيل كل تحدٍ بمؤشرين، يكملهما مسح تم إجراؤه على تصور تقييمات السيناريو داخل مناطق دراسة الحالة. تظهر النتائج أن جميع أنواع تقييمات السيناريو تعالج العديد من تحديات الاستدامة، ولكن التحديات الأكثر تعقيدًا القائمة على القصة والمحاكاة واقتران النموذج هي الأكثر شمولاً. تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى التحقيق في التغييرات المفاجئة في النظام وكذلك العوامل الحكومية والسياسية كمصادر مهمة لعدم اليقين. للحصول على تحليل متعمق لهذه القضايا، يُقترح استخدام النهج النوعية والمشاركة النشطة لأصحاب المصلحة المحليين. يوصى بدراسة العتبات البيئية على المستوى الإقليمي لدعم البحوث المتعلقة بالاستدامة الإقليمية. يشير تقييم عمليات ونتائج السيناريو من قبل الباحثين المحليين إلى أن تقييمات السيناريو الأكثر شفافية هي الأكثر فائدة. يمكن أن تكون تقييمات السيناريو المركزة والمباشرة والمتكررة ذات صلة كبيرة من خلال المساهمة بالمعلومات في مشاكل الاستدامة المختارة.

Representation of land-use and hydrologic interactions in respective models has traditionally been problematic. The use of static land-use in most hydrologic models or that of the use of simple hydrologic proxies in land-use change models call for more integrated approaches. The objective of this study is to assess whether dynamic feedback between land-use change and hydrology can (1) improve model performances, and/or (2) produce a more realistic quantification of ecosystem services. To test this, we coupled a land-use change model and a hydrologic mode. First, the land-use change and the hydrologic models were separately developed and calibrated. Then, the two models were dynamically coupled to exchange data at yearly time-steps. The approach is applied to a catchment in South Africa. Performance of coupled models when compared to the uncoupled models were marginal, but the coupled models excelled at the quantification of catchment ecosystem services more robustly.