Dr. Astrid Björnsen

This paper focuses on the critical role of integrative leadership in inter- and transdisciplinary (ITD) research programs. ITD programs have become one of academia's responses to address contemporary sustainability challenges. Fulfilling the promise of such programs is extraordinarily challenging for all involved participants, but especially for program leaders who have to ensure that the perspectives of the involved program participants become truly integrated and that final and useful synthesis outputs are created. We present six core leadership challenges and respective strategies to address them to advance integration within ITD programs. These challenges include (1) mastering complexity and ambiguity, (2) advancing decision-making with lateral leadership, (3) ensuring responsibility and accountability, (4) setting program boundaries, (5) selecting suitable projects, and (6) dealing with misconceptions. We derived these challenges and respective strategies from both leading and studying in-depth three ITD programs focusing on sustainability issues in Switzerland. With this paper, we intend to promote awareness about the range of leadership challenges in ITD programs and provide actionable knowledge, which can support in particular fellow and future leaders, but also funders and heads of research institutions in their efforts to realize the integrative potential of such programs.

Das Alpenland Schweiz galt lange als Wasserschloss Europas, ausgestattet mit grünen Landschaften, scheinbar unerschöpflichen Speichern und zuverlässigen Niederschlägen. Hitzerekorde, Dürreereignisse und Ernteausfälle waren Phänomene anderer Kontinente - bis zum legendären Hitzesommer. Was 2003 noch als klimatischer Ausreisser galt, hat sich seither in Europa und der Schweiz mehrere Male wiederholt. Extreme Sommertrockenheit, gepaart mit markantem Gletscherschwund und Schneearmut, beeinträchtigt nicht nur Schweizer Gewässer, sondern auch Wälder, die Landwirtschaft, die Energieversorgung und Industrien. Wie wirken sich klimabedingte Extremereignisse auf die Wasserverfügbarkeit aus? Wie geht der Trend weiter? Und welchen Beitrag leistet die Forschung, um gegen zukünftige Extremereignisse gewappnet zu sein?

Mehrjährige Forschungsarbeiten der WSL zu erneuerbaren Energien können Antworten liefern auf Fragen wie die folgenden: Wovon hängt die Akzeptanz von Anlagen für die Erzeugung erneuerbarer Energie ab und wie lässt sich die Akzeptanz steigern? Was vereinfacht die Planung solcher Anlagen und wie fördert der Einbezug der Bevölkerung ihren Ausbau? Was können Gemeinden tun? Welche Rahmenbedingungen auf nationaler und kantonaler Ebene sind förderlich? Insbesondere angesprochen von diesen Ergebnissen sind Energie- und Planungsbeauftragte von Gemeinden, Regionalverbänden, Kantonen und Bund, Energieund Umweltverbände, Ingenieur- und Planungsbüros sowie die interessierte Öffentlichkeit.

Les travaux de recherche que mène le WSL sur plusieurs années peuvent fournir des réponses à diverses questions, par exemple: de quoi dépend l'acceptation des installations d'énergie renouvelable et comment peutelle être améliorée? Quels sont les facteurs qui simplifient la planification de telles installations et comment la participation de la population favorise-t-elle leur déploiement? Que peuvent faire les communes? Quelles sont les conditions-cadres favorables aux niveaux national et cantonal? Ces résultats s'adressent en particulier aux responsables de l'énergie et de la planification dans les communes, aux associations régionales, aux cantons et à la Confédération, aux associations dans les domaines de l'énergie et de l’environnement, aux bureaux d'études ainsi qu’au public intéressé.
 

To reduce greenhouse gas emissions, countries need to transform their energy system by increasing the share of renewable energies. For years, the use of fossil fuels meant devoting little land area to energy provision. As renewables require much more space, the relationship between renewable energy and land area becomes highly relevant. In this context, land scarcity is an important challenge, especially for densely populated countries. The power density concept, describing the relationship between energy carrier and area used for its production in W/m², can aid decision-making for resources allocation. Bioenergy plays a key role in the energy transition due to its diverse applications. Here, we assess how much area it takes to generate, transport and process various biomass types for energy purposes. We differentiate between 10 biomass types, determining area requirement (m²) and energy input (kWh) for each process along the supply chain. Using the whole sustainable biomass available requires >0.1% of Switzerland's land area (31 km²). Particularly for waste biomass, the area required for energy is negligible. Power densities vary widely within and between biomass types. Taking the average between minimum and maximum, they are highest for coniferous protection forest against natural hazards 114 W/m² (22–267 W/m²) and green waste 96 W/m² (26-176 W/m²). All of these are lower than literature values for fossil fuels (>1000 W/m²). However, sustainable power densities including compensatory land for greenhouse gas emissions are higher for biomass (average 2.4 W/m², maximum 14.4 W/m²) than for fossil fuels (natural gas 0.9 W/m², coal 0.2 W/m²). Estimating land requirement and power density facilitates weighing up whether and to what degree different biomass types should be used for energy.

Aufgrund des Klimawandels werden Schneedecke und Gletschermasse abnehmen, Niederschläge sich mehr in den Winter verschieben, und es muss mit häufigeren Sommertrockenheiten gerechnet werden. Gleichzeitig wird erwartet, dass die Nachfrage nach Wasser, insbesondere durch die Landwirtschaft, in den Sommermonaten zunehmen wird. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie gross das Potenzial von Wasserspeichern zur Verminderung von Sommerwasserknappheit ist. In einem ersten Teilprojekt wurden für 307 mittelgrosse Einzugsgebiete der Schweiz die heutige und zukünftige Sommerwasserknappheit abgeschätzt und dem nutzbaren Speichervolumen natürlicher Seen und künstlicher Speicher gegenübergestellt. Dabei wurde aus Sicht der Wasserbilanz das lokale Potenzial von bestehenden Speichern zur Verminderung von Wasserknappheit als eher gering eingestuft. Auf regionaler Ebene (d.h., für grössere Einzugsgebiete) wurde jedoch aufgezeigt, dass ein Potenzial zur Verminderung der Wasserknappheit vorhanden ist. [...]

Due to climate change, snow cover and glacier mass will decrease, precipitation will shift more to the winter season, and more frequent summer droughts are to be expected. At the same time, the demand for water, especially for agriculture, is expected to increase in the summer months. In this context, the question arises how high the potential of water reservoirs is to reduce summer water shortages. In a first sub-project, the current and future summer water scarcity was estimated for 307 medium-sized catchments in Switzerland, and compared with the usable storage volume of natural lakes and artificial reservoirs. From a water balance perspective, the local potential of existing reservoirs to reduce water scarcity was found to be rather low. However, at the regional level (i.e. for larger catchments), it was shown that there indeed is a potential capacity to reduce water scarcity. [...]

The transition towards a reliable, sustainable, low-carbon energy system is a major challenge of the 21st century. Due to the lower energy density of many renewable energy sources, a future system is expected to be more decentralized, leading to significant changes at the regional scale. This study analyzes the feasibility of the energy transition in the Swiss canton of Aargau as an illustrative example and explores different strategies to satisfy the local demand for electricity, heat, and fuel by 2035. In particular, we assess the potential contribution of biomass. Four scenarios demonstrate what energy demand proportion could be covered by bioenergy if different priorities were given to the provision of heat, electricity, and fuel. The impact of improved conversion technologies is also considered. The results show that the sustainably available renewable energy sources in canton Aargau will probably not be sufficient to cover its forecasted energy demand in 2035, neither with present nor future biomass conversion technologies. At best, 74% of the energy demand could be met by renewables. Biomass can increase the degree of autarky by a maximum of 13%. Depending on the scenario, at least 26-43% (2500-5700 GWh) of total energy demand is lacking, particularly for mobility purposes.

Bereits heute kann Wasserknappheit in der Schweiz lokal und saisonal auftreten. Aufgrund des Klimawandels wird das Risiko von ausgedehnten Trockenperioden weiter zunehmen. Dieser Umstand veranlasste den Bund, die Mehrzwecknutzung von Wasserkraftreservoiren als Handlungsfeld der Schweizer Klimaanpassungsstrategie zu identifizieren. Diese Studie inventarisierte in diesem Zusammenhang die Mehrzwecknutzungen der zehn grössten Kraftwerksgruppen im Kanton Graubünden und untersuchte die Herausforderungen und Lösungsansätze der Mehrzwecknutzung. Als Datengrundlage dienten Experteninterviews, die zum überraschenden Ergebnis führten, dass die meisten Wasserkraftanlagen neben der Energieversorgung bereits zahlreiche andere Nutzungen unterstützen, was auf eine hohe Kooperationsbereitschaft der Kraftwerksbetreiber schliessen lässt. Ebenfalls liess sich die Empfehlung ableiten, dass bei der Planung neuer Speicher und bei der Neukonzessionierungbestehender Speicher mögliche zukünftige Nutzungen mitberücksichtigt werden sollten.

Erneuerbar, zuverlässig und am liebsten einheimisch soll sie sein: Die zukünftige Energieversorgung der Schweiz. Kaum jemand mag bestreiten, dass die verstärkte Nutzung erneuerbarer Ressourcen wie Wasser, Biomasse, Wind und Sonne eine gute Sache ist – nicht zuletzt auch fürs Klima. Doch auch neue Technologien oder Ressourcennutzungen, die auf den ersten Blick sinnvoll, innovativ, grün und gut erscheinen, haben Nebenwirkungen.

Im Kontext des Klimawandels und der bereits aufgetretenen Sommertrockenheiten in der Schweiz wird in dieser Studie untersucht, in welchem Umfang Wasserspeicher, wie natürliche Seen, Speicherseen und andere künstliche Wasserreservoire Wasserknappheit vermindern können. Dazu wurde für 307 mittelgrosse Einzugsgebiete für heutige und zukünftige Bedingungen die Differenz zwischen dem Wasserdargebot und der Nachfrage abgeschätzt. Damit konnten Gebiete mit temporärer Wasserknappheit identifiziert werden, für welche diese schliesslich dem nutzbaren Volumen der Wasserspeicher gegenübergestellt wurde.
Die Resultate zeigen, dass Wasserknappheit vor allem im Sommer auftreten kann, sowohl heute wie auch in Zukunft. Vorwiegend ist das Mittelland betroffen, doch auch in alpinen Regionen ist unter extremen Bedingungen mit Wasserknappheit zu rechnen. Natürliche Seen und Speicherseen können bei lokalen Engpässen nur bedingt Abhilfe leisten, da gemäss den bestehenden Reglementen nur ein kleiner Teil der Speicherkapazität natürlicher Seen, rund 3.5 %, tatsächlich nutzbar ist. Zudem befinden sich Speicherseen oft nicht dort, wo Wasserknappheit zu erwarten ist. Sollen Speicherseen zukünftig vermehrt zur Verminderung von Wasserknappheit beitragen, ist daher zwingend eine regionale Betrachtung notwendig. Diese sollte neben einer optimierten Mehrfachnutzung der Ressourcen ebenfalls Anpassungen auf der Nachfrageseite berücksichtigen.

In Alpine regions, future changes in glacier and snow cover are expected to change runoff regimes towards higher winter but lower summer discharge. The low summer discharge will coincide with the highest water demand for irrigation, and local and regional water shortages are expected to become more likely. One possible measure to adapt to these changes can be the extension of current uses of artificial reservoirs and natural lakes to the provision of water for the alleviation of water shortage. This study assesses the potential of reservoirs and natural lakes for the alleviation of water shortages in a nationwide analysis in Switzerland. To do so, we estimated water supply and demand under current and future conditions both under normal and extreme runoff regimes for 307 catchments. Water demand was assessed for various categories including drinking water, industrial use, artificial snow production, agriculture, ecological flow requirements, and hydropower production. The aggregated supply and demand estimates were used to derive water surplus/ shortage estimates. These were then compared to the storage capacity of reservoirs and natural lakes within a catchment to determine the potential for alleviating summer water scarcity. Our results show that water shortage is expected mainly in the lowland region north of the Alps, and less in the Alps. In this lowland region, the potential of natural lakes for alleviating water scarcity is high. This potential is lower in the Alps where it is expected to increase or decrease under future conditions depending on the region of interest. Catchments with a high storage capacity can potentially contribute to the alleviation of water shortage downstream. We conclude that a spatial mismatch between water scarcity and storage availability exists since water stored in reservoirs on the southern side of the Alps is often not available for the use on the northern side.

Den letzten Sommer verkündete MeteoSchweiz einen neuen Wärmerekord: die April- bis Juli-Periode war die wärmste seit Messbeginn im Jahr 1864. Begleitet wurde die Wärme von unterdurchschnittlichen Niederschlagsmengen, was in weiten Teilen der Schweiz zu Waldbrandgefahr, niedrigen Wasserständen und hohen Wassertemperaturen führte.

Wasserspeicher werden seit jeher für verschiedene Zwecke genutzt. Dies gilt auch für Stauseen, welche primär der Erzeugung von Strom dienen. Als Folge des Klimawandels erwartet man zukünftig eine erhöhte Nachfrage nach Bewässerungs- und Trinkwasser. Welchen Beitrag können vorhandene Wasserspeicher hierzu leisten und welche Herausforderungen sind mit einer Mehrzwecknutzung verbunden? Eine aktuelle Studie der Eidg. Forschungsanstalt WSL zeigt, dass bestehende und neue Wasserspeicher zur Bewältigung von Sommer-Trockenheit beitragen könnten. Dies erfordert jedoch eine langfristige Planung und geeignete Partizipationsprozesse mit betroffenen Akteuren zur Koordination der teilweise konkurrierenden Wassernutzungen. Da dies langjährige Prozesse sind, sollten bereits heute potentielle Standorte ermittelt und Aushandlungsprozesse aufgegleist werden.

Water reservoirs have always been used for various purposes. This also applies to hydropower reservoirs, which are primarily destined to generate electricity. As a result of climate change, an increased demand for irrigation and drinking water is expected in the future. How can existing water reservoirs contribute to mitigation of water shortages and which challenges are associated with a multi-purpose use of reservoirs? A current study of the Swiss Federal Research Institute WSL shows that existing and new reservoirs could provide added value in coping with summer drought. However, this requires long-term planning and appropriate participation processes with the actors concerned to ensure regulation and coordination of the partially competing water uses. Since these are long-lasting processes, a national potential analysis should be conducted with priority sites for new reservoirs and negotiation processes initiated.

Ukraine is traditionally deeply dependent on fossil and nuclear energy. However, in response to global climate and energy policies, a major shift towards renewable energy (RE) is presently underway. Apart from ample wind and solar capacities, the country has abundant bioenergy resources, mainly from agriculture and forestry. Particularly in the densely-forested Ukrainian Carpathians, wood is the most prominent bioenergy source used to meet the heat demands of households and public buildings. However, despite increasing forest area and timber volume in this region during the last 50 years, affordable bioenergy from forests remains scarce in many areas. At the same time, local communities suffer from energy scarcity, energy insecurity and high energy costs.
In an effort to understand how better use might be made of Ukraine's bioenergy resource, addressing sustainability goals as well as the needs of local communities, this study assesses the significance and future potential of wood energy for regional economies and households from an environmental, economic and social perspective. The study employs a mixed-method approach combining literature review, a Best Practice contest and semi-structured interviews with forestry sector stakeholders in rural areas of Transcarpathia and Lviv. Several reasons were identified for the scarcity of affordable bioenergy, including the export-oriented wood processing industry, the lack of forest road networks and machinery, the short-term character of national forest strategies in relation to bioenergy, and other institutional settings that limit access to forest resources. Illegal logging, corruption, and lacks of transparency in timber markets add further difficulties. To address these problems and to meet the challenges defined by international climate agreements, two key innovative instruments were identified; 1) certification schemes for forest products and; 2) community-driven bioenergy initiatives (e.g. local cooperatives.). These approaches, ideally embedded in a local energy strategy developed by the communities themselves, have the potential to transform energy and benefit communities and the local economy.

Laut Prognosen wird sich der Wasserhaushalt der Schweiz bis Ende des 21. Jahrhunderts aufgrund des klimatischen sowie sozioökonomischen Wandels stark verändern. Als Folge davon ist mit einem vermehrten Auftreten von lokalen und saisonalen Wasserengpässen zu rechnen. Solche Engpässe könnten durch die Zwischenspeicherung von Wasser in künstlichen Speicherseen, welche in der Schweiz schon jetzt zahlreich vorhanden sind, überbrückt werden. Heute werden diese vor allem für die Produktion von Wasserkraft genutzt. In Zukunft könnten weitere Funktionen hinzukommen: Nebst der Nutzung des Reservoirwassers für die Sicherstellung der Wasserversorgung, können Speicherseen auch eine Schutzfunktion wahrnehmen oder für gesellschaftliche oder ökologische Zwecke genutzt werden. Eine Ausweitung der Palette der Nutzungen kann sich positiv auf die regionale Resilienz auswirken. Es gilt aber abzuklären, durch welche Faktoren die Mehrzwecknutzung beschränkt oder verunmöglicht wird und wo sie durchaus eine Option darstellt. Dies auch vor dem Hintergrund der vielen Konzessionen, die in den nächsten Jahrzehnten ablaufen werden. Dieser Umstand eröffnet die Möglichkeit, zukünftige Nutzungsoptionen bei der Neukonzessionierung zu berücksichtigen.

Für die Erreichung ihrer Klima- und Energieziele haben die Alpenländer einen klaren Standortvorteil: Neben dem überdurchschnittlich hohen Potenzial für Wind- und Sonnenenergie profitiert das Wasserschloss Europas von der flexiblen, CO₂-armen Stromproduktion durch Wasserkraft. Zukünftig werden die Wasserspeicher noch weitere Funktionen übernehmen und eine zentrale Rolle spielen, wenn es darum geht, einen flexiblen Ausgleich für die stark schwankende Stromproduktion aus Wind und Sonne zu liefern. Ebenso wichtig ist die umfangreiche Speichermöglichkeit zur Überbrückung tageszeitlicher und saisonaler Engpässe. Damit erneuerbare Energieträger überhaupt genutzt und in das Energiesystem integriert werden können, bedarf es grosskalibriger Speichertechnologien, die derzeit nur in Form von Pumpspeicherwerken (PSW) vorliegen. Trotz dem offensichtlichen Bedarf ist die Diskussion rund um den Ausbau der Wasserkraft, insbesondere auch der PSW, sehr kontrovers. Anhand zweier Alpenländer, der Schweiz und Österreich, diskutiert dieser Beitrag die Wasserkraftnutzung und Energiespeicherung mithilfe eines Systemansatzes, analysiert vorhandene Bewertungssysteme und schält die Aspekte heraus, die in einem neuen Instrument für die Nachhaltigkeitsbewertung für PSW integriert werden müssen. Zukünftige Instrumente sollen des Weiteren als Grundlage dienen, um mit unterschiedlichen Interessengruppen ins Gespräch zu kommen und damit die gesellschaftliche Akzeptanz zu erhöhen.

The European Alps are well positioned to contribute significantly to the energy transition. In addition to sites with above-average potential for wind and solar power, the “water towers” of Europe provide flexible, low-carbon power generation as well as energy storage. In the future, hydropower systems are expected to become more than mere electricity generators, serving a key role as flexible complements to intermittent power generators and as providers of large-scale seasonal and daily energy storage. Energy transition on national and European scales can be facilitated by expanding the capacity of pumped storage hydropower (PSHP) plants. Yet the extension of hydropower production, in particular PSHP, remains controversial, primarily due to environmental concerns. Focusing on 2 Alpine countries, Austria and Switzerland, this paper provides a system view of hydropower production and energy storage in the Alps. It discusses advantages and drawbacks of various assessment tools and identifies gaps and needs for the integrated assessment of PSHP plants. It concludes that instruments that evaluate the impacts and sustainability of PSHP projects need to be developed, elaborated, and applied in a participatory manner, in order to promote public dialogue, increase social acceptance, and, ideally, encourage energy consumers to become advocates of a sustainable energy future.