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Wasserknappheit GFM

Das Wasserknappheit Gap Filling Module berechnet den Wasserknappheits-Fußabdruck von Lebensmittelprodukten, indem es produktspezifische Wasserverbrauchsdaten mit regionalen Wasserstressindizes kombiniert. Dieser Ansatz berücksichtigt, dass Wasserverbrauch in wasserknappen Regionen eine größere Umweltauswirkung hat als derselbe Verbrauch in wasserreichen Regionen.

Kurzreferenz​

EigenschaftBeschreibung
Läuft aufModeledActivityNode mit FoodProductFlowNode-Eltern, der einen Produktnamen enthält
AbhängigkeitenOriginGapFillingWorker
SchlüsseleingabeProdukttyp (FoodEx2-Begriff), Herkunftsland
AusgabeWasserknappheitsverbrauchsfluss in Kubikmeter
AuslöserProdukt gematcht zu einem Wasserknappheits-Fußabdruck-Identifikator

Wann es läuft​

Das Modul wird ausgelöst, wenn:

  1. Ein ModeledActivityNode einen übergeordneten FoodProductFlowNode mit einem Produktnamen hat
  2. Das Produkt einem Wasserknappheits-Fußabdruck-Identifikator im Glossar zugeordnet ist
  3. Das Modul auf dem Blatt-Brightway-Knoten geplant ist (am Ursprung)

Schlüsselausgabe​

Das Modul fügt einen Wasserknappheitsverbrauchsfluss zum Berechnungsgraph hinzu:

  • Wasserknappheitsverbrauch: Gemessen in Kubikmeter (m3) pro Kilogramm Produkt
  • Verbunden mit einem ElementaryResourceEmissionNode für Auswirkungsberechnung

Wissenschaftliche Methodik​

Das Wasserknappheitsmodell verwendet Wasserstressindex (WSI)-Faktoren von Scherer und Pfister (2016). Diese Methodik bezieht explizit regionalen Wasserstress als Gewichtungsfaktor für Süßwasserverbrauch ein und liefert ein umweltrelevanteres Maß als reines Wasservolumen.

Wasserstressindex-Ansatz​

Der Wasserknappheits-Fußabdruck wird mit folgender Formel berechnet:

Knappes Wasser [L/kg] = Blauwasser-Verbrauch [L/kg] * Wasserstressindex [dimensionslos]

Wobei:

  • Blauwasser-Verbrauch: Die während der Produktion verbrauchte Menge an Oberflächen- und Grundwasser
  • Wasserstressindex: Ein regionaler Faktor, der Wasserknappheit repräsentiert (Skala 0 bis 1)

Regionaler Wasserstress​

Wasserstress hängt ab von:

  • Der verbrauchten Wassermenge in einer Region im Vergleich zum natürlich verfügbaren Wasser aus Niederschlag
  • Korrekturen für Wasser, das in das Einzugsgebiet zurückgeführt wird (z.B. nach Kühlung in der Stromerzeugung)

Die Datenbank enthält differenzierte Wasserknappheitsfaktoren für 162 Länder, was genaue regionale Bewertungen ermöglicht.

Berechnungsfluss​

Produktmenge [g] -> Umrechnung in [kg] -> WSI-Faktor [L knappes Wasser/kg] -> Knappes Wasser [L]

Die Berechnung wird auf der untersten Graph-Ebene durchgeführt und zum Hauptprodukt aggregiert.

Implementierungsdetails​

Datenquelle​

Wasserknappheitsfaktoren sind in EDB_water_expected_wsi_per_kg_country_excel_corrected.xlsx gespeichert, die enthält:

  • Produktidentifikatoren (WS_ID)
  • Länderspezifische WSI-Faktoren für 162 Länder
  • Medianwerte für Fallback-Berechnungen

Matching-Logik​

Produkte werden Wasserknappheitsdaten zugeordnet durch:

  1. FoodEx2-Begriffe aus dem Produktnamen
  2. Glossarlinks, die Begriffskombinationen auf Wasserknappheits-Identifikatoren abbilden
water_scarcity_term_uid = self.gfm_factory.linked_water_scarcity_terms.get(
    frozenset([term.uid for term in parent_flow_product_name_terms])
)

Ländercode-Behandlung​

Das Modul behandelt Ländercodes wie folgt:

  1. Abrufen der flow_location-Eigenschaft vom Produkt oder übergeordneten Knoten
  2. Umrechnung von 3-Buchstaben- in 2-Buchstaben-ISO-Codes mit iso_3166_map_3_to_2_letter
  3. Nachschlagen des länderspezifischen WSI-Faktors

Fallback-Verhalten​

SzenarioVerhalten
Keine Herkunft gefundenVerwendet Median aller verfügbaren Länder
Mehrere Herkünfte gefundenVerwendet Median aller verfügbaren Länder
Herkunft nicht in WSI-TabelleVerwendet Median für dieses Produkt über alle Länder
Produkt nicht in WSI-TabelleWasserknappheit auf null gesetzt
Produkt hat keine WSI-IDWasserknappheit auf null gesetzt

Transport-Ausschluss​

Das Modul überspringt transportbezogene Flüsse zur Vermeidung von Doppelzählung:

if product_name_term.sub_class_of == self.gfm_factory.root_transport_term.uid:
    transport_term = True
if transport_term:
    continue

Behandlung getrockneter Produkte​

Für Zutaten, die in frische und getrocknete Versionen unterteilt werden (über das Wasserverlust-GFM):

  • Wasserknappheit wird für die frische Zutatenmenge berechnet
  • Wasserknappheit wird auch für die Frischzutatenmenge berechnet, die der getrockneten Version entspricht
  • Dies berücksichtigt korrekt die größere Menge an Frischprodukt, die zur Herstellung getrockneter Versionen benötigt wird

Graph-Modifikationen​

Das Modul führt folgende Graph-Modifikationen durch:

Schritt 1: Originale Kante entfernen​

remove_edge_mutation = RemoveEdgeMutation(
    from_node_uid=parent_flow.uid,
    to_node_uid=self.node.uid,
)

Schritt 2: Wasserverbrauchs-Aktivität erstellen​

water_consumption_activity = FoodProcessingActivityNode.model_construct(
    uid=UuidStr(uuid4()),
    production_amount=self.node.production_amount.duplicate(),
)

Schritt 3: Flussverbindungen wiederherstellen​

Das Modul erstellt einen neuen Lebensmittelflussknoten zwischen der Wasserverbrauchsaktivität und dem ursprünglichen Brightway-Knoten.

Schritt 4: Wasserknappheitsfluss hinzufügen​

scarce_water_consumption_flow = FlowNode.model_construct(
    uid=UuidStr(uuid4()),
    product_name=NamesProp.unvalidated_construct(
        terms=[
            GlossaryTermProp.unvalidated_construct(
                term_uid=self.gfm_factory.scarce_water_consumption_term.uid
            )
        ]
    ),
    amount_in_original_source_unit=QuantityProp.unvalidated_construct(
        # Negatives Vorzeichen zeigt Verbrauch an
        value=-production_amount_in_kg * scarce_water_consumption_m3_per_kg,
        unit_term_uid=self.gfm_factory.cubic_meter_term.uid,
        for_reference=ReferenceAmountEnum.amount_for_activity_production_amount,
    ),
)

Schritt 5: Mit Elementarressourcenknoten verbinden​

Der Wasserknappheitsfluss wird mit einem gemeinsam genutzten ElementaryResourceEmissionNode für die Auswirkungsbewertung verbunden.

Berechnungsbeispiel​

Szenario: 500g Tomaten aus Spanien

Schritt 1: In Kilogramm umrechnen​

500g = 0,5 kg

Schritt 2: WSI-Faktor nachschlagen​

Aus der Wasserknappheitsdatenbank für Tomaten in Spanien:

WSI-Faktor = 142,3 L knappes Wasser/kg

Schritt 3: Knappes Wasser berechnen​

Knappes Wasser = 0,5 kg * 142,3 L/kg = 71,15 L knappes Wasser

Schritt 4: In Kubikmeter umrechnen​

71,15 L = 0,07115 m3 knappes Wasser

Vergleich nach Herkunft​

Dieselben Tomaten aus verschiedenen Herkünften hätten unterschiedliche Auswirkungen:

HerkunftWSI-Faktor (L/kg)Knappes Wasser (L) für 500g
Spanien142,371,15
Niederlande12,86,40
Marokko285,6142,80
Italien98,449,20

Dies demonstriert, warum herkunftsspezifische Wasserstressfaktoren für genaue Umweltbewertungen entscheidend sind.

Bekannte Einschränkungen​

Datenabdeckung​

  • 162 abgedeckte Länder: Die meisten großen lebensmittelproduzierenden Länder sind enthalten
  • Fehlende Länder: Einige Länder haben möglicherweise keine WSI-Daten; Medianwerte werden als Fallback verwendet
  • Produktabdeckung: Nicht alle Lebensmittelprodukte haben zugewiesene Wasserknappheits-IDs

Vererbungseinschränkungen​

Die aktuelle Implementierung unterstützt keine Vererbung von Wasserknappheits-IDs zwischen verwandten Produkten:

  • Im Legacy-System konnten Produkte WSI-IDs von verknüpften Produkten erben
  • In der aktuellen Implementierung erhalten Produkte ohne direkte WSI-ID null Wasserknappheit
  • Dies kann zu Unterschätzung bei einigen Produkten führen (z.B. Spezialmehle, die von allgemeinem Mehl erben könnten)

Datenauflösung​

  • Nur Länderebenen-Auflösung (keine subnationale Differenzierung)
  • Berücksichtigt keine saisonalen Variationen im Wasserstress
  • Verwendet erwartete (Durchschnitts-) Werte statt tatsächlicher jahresspezifischer Daten

Median-Fallback​

Wenn Medianwerte verwendet werden (unbekannte Herkunft, fehlende Länderdaten), wird keine Warnung in der Ausgabe angezeigt. Dies ist ein bekanntes Verhalten, das in Wissenschaftsprüfungen dokumentiert ist.

Datenquellen​

Primärquelle​

Scherer, L., & Pfister, S. (2016). Global water footprint assessment of hydropower. Renewable Energy, 99, 711-720.

Die Wasserknappheitsdaten kombinieren:

  • Blauwasser-Verbrauch aus Lebenszyklusanalyse-Datenbanken
  • Wasserstressindex-Werte basierend auf Einzugsgebiet-Wasserverfügbarkeit

Datenbankstruktur​

Wasserknappheitsfaktoren werden in der Eaternity-Datenbank (EDB) gespeichert mit:

  • water-scarcity-footprint-id: Verknüpft Produkte mit WSI-Dateneinträgen
  • Länderspezifische Werte: Für jede Produkt-Land-Kombination gespeichert
  • Medianwerte: Vorberechnet für Fallback-Szenarien

Referenzen​

  1. Scherer, L., & Pfister, S. (2016). Global water footprint assessment of hydropower. Renewable Energy, 99, 711-720.

  2. Pfister, S., Koehler, A., & Hellweg, S. (2009). Assessing the environmental impacts of freshwater consumption in LCA. Environmental Science and Technology, 43(11), 4098-4104.

  3. Eaternity-Datenbank (EDB). Water Scarcity Footprint Data. Interne Dokumentation.