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Urbanization and climate change are amongst the greatest challenges of the 21st century. In the "Low Carbon Future Cities" project (LCFC), three important problem dimensions are analysed: current and future GHG emissions and their mitigation (up to 2050); resource use and material flows; and vulnerability to climate change.
The industrial city of Wuxi has been the Chinese pilot city of the project. To establish the pathway for a low carbon future, it is crucial to understand the current situation and possible future developments. The paper presents the key results of the status quo analysis and the future scenario analysis carried out for Wuxi. Two scenarios are outlined. The Current Policy Scenario (CPS) shows the current most likely development in the area of energy demand and GHG emissions until 2050. Whereas the extra low carbon scenario (ELCS) assumes a significantly more ambitious implementation, it combines a market introduction of best available technologies with substantial behavioural change. All scenarios are composed of sub-scenarios for the selected key sectors.
Looking at the per capita emissions in Wuxi, the current levels are already high at around 12 tonnes CO2 per capita compared to Western European cities. Although Wuxi has developed a low carbon plan, the projected results under current policies (CPS) show that the total emissions would increase to 23.6 tonnes CO2 per capita by 2050. If the ELCS pathway was to be adopted, these CO2 emission levels could be reduced to 6.4 tonnes per capita by 2050.
Urban GHG emissions and resource flows : methods for understanding the complex functioning of cities
(2015)
This paper sums up the recent developments in concepts and methods being used to measure the impacts of cities on environmental sustainability. It differentiates between a dominant trend in research literature that concentrates on the accounting and allocation of greenhouse gas (GHG) emissions and energy use to cities, and a re-emergence of studies focusing on the direct and indirect urban material and resource flows. The availability of reliable data and standard protocols is greater in the GHG accounting field and continues to grow rapidly.
The role of gender concerns in the planning of small-scale energy projects in developing countries
(2015)
How can renewable energy sources be efficiently integrated into the North African electricity systems? By using techno-economic modeling methods, this book explores optimized electricity system expansion pathways until the year 2030 for the five North African countries - Morocco, Algeria, Tunisia, Libya and Egypt. The results indicate that renewable energy integration is actually a viable business case for the entire region, if wind and solar capacities are properly planned in conjunction with the conventional generation system and under consideration of the country-specific electricity supply-/demand patterns. Further aspects featured in this publication are the impact of renewable power on the transnational electricity transmission system and the question how decision making processes about renewable energy strategies can be improved in the North African context. The book is a contribution to the scientific literature about energy issues in the Middle East and North Africa (MENA), but also seeks to address political and industrial practitioners concerned with the development of the region's renewable energy future.
Technical summary
(2015)
The book shows that the implementation of a sustainable energy strategy in Iran provides the opportunity for further economic and social development. In this context, the aim of the book is to provide some of the analyses needed to rethink the country’s energy strategy and to grasp the chances. The authors hope to make a contribution to the emerging and rapidly growing discussion on better energy alternatives and the respective opportunities for investment, innovation and modernization. The work presented in the book should provide ideas for such opportunities and create a vision of how this could contribute towards developing a more sustainable, efficient and prosperous future energy system for Iran.
The book is based on long-term academic cooperation between Iranian researchers from several universities and the Iranian Energy Association and German researchers from the Wuppertal Institute, Büro Ö-quadrat and the University of Osnabrück. The book in hand is an important result of the collaboration. So its publication lends itself to taking stock of these twelve years of continued cooperation.
Suffizienz
(2015)
This study conducted by Wuppertal Institute and Germanwatch explores how the social pillar of sustainability at the local level could be met in Concentrated Solar Power (CSP) projects. For this purpose, the authors evaluate the livelihood dimension of CSP technology based on a case study conducted on the 160 MW pilot CSP plant Nooro I in Ouarzazate, Morocco.
Im Auftrag des Bundesforschungsministeriums hat das Wuppertal Institut eine Studie zur systemischen Betrachtung und Modellierung der Bioökonomie erstellt. Sie zeigt Wege auf, die komplexen sozio-ökonomischen Zusammenhänge und Umweltauswirkungen der Bioökonomie zu erfassen und soll als Grundlage für den Aufbau eines kontinuierlichen Monitorings dienen. Die Autor(inn)en erfassten Indikatoren und Modellierungsmethoden mit Bezug zur Bioökonomie und weisen auf bestehende Lücken hin: Diese finden sich vor allem bei der Erfassung neuer technologiegetriebener Sektoren, der systemischen Betrachtung eines nachhaltigen Konsums und bei der Modellierung der Zusammenhänge zwischen Innovationen, Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch (insbesondere die Landnutzung).
Zur Umsetzung eines systemischen Monitorings empfiehlt die Studie das folgende Vorgehen: Unter Zuhilfenahme des DPSIR-Konzeptes (Analyse von Wirkungsbeziehungen nach Driving forces, Pressures, States, Impacts und Responses) sollten Schlüsselindikatoren und Nachhaltigkeitsziele in einem Indikatoren-"Dashboard" zusammengeführt werden. Benötigt wird zudem ein Werkzeugkasten von Methoden, der vor allem integrierte Analyse- und Bewertungsmodelle sowie ein systemisch konzipiertes Metamodell umfasst.
Prospects for the integration of power markets and the expansion of renewable energy have recently triggered a number of publications dealing with transformation scenarios of the North African electricity systems. This paper compares five studies using economic electricity supply- and demand models to assess possible development pathways of the North African power systems from today until 2030 and 2050. The analysis shows that distinct modeling methodologies as well as different approaches to scenario design and parameter assumptions can strongly influence the studies' results, leading to very heterogenous projections of North Africa's power generation structures as well as the patterns of electricity exchange with other regions, like Europe. Common findings of the studies are that the surplus costs of capital-intensive renewable energy expansion in North Africa can in most cases be offset by avoided fuel costs and avoided investments in conventional power plants. All studies further agree that increased transnational cooperation, notably in terms of market integration and cross-border power exchanges, can bring about important economic advantages for the North African power sector. Renewable energy expansion could also drive electricity exports to Europe, but in integrated power market schemes, such exports only become viable with a very high share of renewable energy exceeding 60% of the North African power demand.
The German federal state of North Rhine-Westphalia (NRW) is home to one of the most important industrial regions in Europe, and is the first German state to have adopted its own Climate Protection Law (CPL). This paper describes the long-term (up to 2050) mitigation scenarios for NRW’s main energy-intensive industrial sub-sectors which served to support the implementation of the CPL. It also describes the process of scenario development, as these scenarios were developed through stakeholder participation. The scenarios considered three different pathways (best-available technologies, break-through technologies, and CO2 capture and storage). All pathways had optimistic assumptions on the rate of industrial growth and availability of low-carbon electricity. We find that a policy of "re-industrialisation" for NRW based on the current industrial structures (assumed here to represent an average growth of NRWs industrial gross value added (GVA) of 1.6% per year until 2030 and 0.6% per year from 2030 to 2050), would pose a significant challenge for the achievement of overall energy demand and German greenhouse gas (GHG) emission targets, in particular as remaining efficiency potentials in NRW are limited. In the best-available technology (BAT) scenario CO2 emission reductions of only 16% are achieved, whereas the low carbon (LC) and the carbon capture and storage (CCS) scenario achieve 50% and 79% reduction respectively. Our results indicate the importance of successful development and implementation of a decarbonised electricity supply and breakthrough technologies in industry - such as electrification, hydrogen-based processes for steel, alternative cements or CCS - if significant growth is to be achieved in combination with climate mitigation. They, however, also show that technological solutions alone, together with unmitigated growth in consumption of material goods, could be insufficient to meet GHG reduction targets in industry.
Societal transitions involve multiple actors, changes in institutions, values and technologies, and interactions across multiple sectors and scales. Given this complexity, this paper takes on the view that the societal transitions research field would benefit from the further maturation and broader uptake of modelling approaches. This paper shows how modelling can enhance the understanding of and support stakeholders to steer societal transitions. It discusses the benefits modelling provides for studying large societal systems and elaborates on different ways models can be used for transitions studies. Two model applications are presented in some detail to illustrate the benefits. Then, limitations of modelling societal transitions are discussed, which leads to an agenda for future activities: (1) better cooperation in the development of dynamic models, (2) stronger interaction with other transition scholars and stakeholders, and (3) use of additional modelling approaches that we think are relevant to and largely unexplored in transitions studies.
Prospects of carbon capture and storage (CCS) in China's power sector : an integrated assessment
(2015)
Objective: The aim of the present article is to conduct an integrated assessment in order to explore whether CCS could be a viable technological option for significantly reducing future CO2 emissions in China. Methods: In this paper, an integrated approach covering five assessment dimensions is chosen. Each dimension is investigated using specific methods (graphical abstract). Results: The most crucial precondition that must be met is a reliable storage capacity assessment based on site-specific geological data. Our projection of different trends of coal-based power plant capacities up to 2050 ranges between 34 and 221 Gt of CO2 that may be captured from coal-fired power plants to be built by 2050. If very optimistic assumptions about the country’s CO2 storage potential are applied, 192 Gt of CO2 could theoretically be stored as a result of matching these sources with suitable sinks. If a cautious approach is taken, this figure falls to 29 Gt of CO2. In practice, this potential will decrease further with the impact of technical, legal, economic and social acceptance factors. Further constraints may be the delayed commercial availability of CCS in China; a significant barrier to achieving the economic viability of CCS due to a currently non-existing nation-wide CO2 pricing scheme that generates a sufficiently strong price signal; an expected life-cycle reduction rate of the power plant's greenhouse gas emissions of 59-60%; and an increase in most other negative environmental and social impacts. Conclusion and practice implications: Most experts expect a striking dominance of coal-fired power generation in the country's electricity sector, even if the recent trend towards a flattened deployment of coal capacity and reduced annual growth rates of coal-fired generation proves to be true in the future. In order to reduce fossil fuel-related CO2 emissions to a level that would be consistent with the long-term climate protection target of the international community to which China is increasingly committing itself, this option may require the introduction of CCS. However, a precondition for opting for CCS would be finding robust solutions to the constraints highlighted in this article. Furthermore, a comparison with other low-carbon technology options may be useful in drawing completely valid conclusions on the economic, ecological and social viability of CCS in a low-carbon policy environment. The assessment dimensions should be integrated into macro-economic optimisation models by combining qualitative with quantitative modelling, and the flexible operation of CCS power plants should be analysed in view of a possible role of CCS for balancing fluctuating renewable energies.
Die Transformation des deutschen Energiesystems in Richtung signifikanter Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen kann durch eine Abfolge verschiedener Phasen beschrieben werden. Phasenübergänge ergeben sich dabei aus strukturellen Erfordernissen im Gesamtsystem bei kontinuierlichem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiewandler, insbesondere Sonne und Wind. Die anstehende zweite Phase der Transformation ist durch eine umfassende Systemintegration volatiler erneuerbarer Energien insbesondere im Bereich der Strombereitstellung geprägt. Dies erfordert sowohl eine flexible komplementäre Erzeugung als auch die Aktivierung von Flexibilitätsoptionen auf der Verbrauchsseite.
Die Transformation des deutschen Energiesystems in Richtung signifikanter Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen kann durch eine Abfolge verschiedener Phasen beschrieben werden. Phasenübergänge ergeben sich dabei aus strukturellen Erfordernissen im Gesamtsystem bei kontinuierlichem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiewandler, insbesondere Sonne und Wind. Die anstehende zweite Phase ist durch eine umfassende Systemintegration volatiler erneuerbarer Energien insbesondere im Bereich der Strombereitstellung geprägt. Dies erfordert sowohl eine flexible komplementäre Erzeugung als auch die Aktivierung von Flexibilitätsoptionen auf der Verbrauchsseite.
Die Energiewende stellt einen ambitionierten und zugleich hochkomplexen Transformationsprozess dar. Der vorliegende Artikel stellt acht Thesen auf, die dabei helfen können, die Herausforderungen besser zu verstehen und Ansatzpunkte für zukünftiges Handeln zu identifizieren sowie Forschungsbedarf aufzuzeigen.
The Deep Decarbonization Pathways Project (DDPP) is a collaborative global initiative led by IDDRI and SDSN that aims to demonstrate how individual countries can transition to a low-carbon economy preferably consistent with the internationally agreed target of limiting the increase in global temperature to less than 2°C. Achieving this target will require a profound transformation of energy systems by mid-century, a "deep decarbonization". The project comprises 16 research teams composed of leading institutions from the world's largest GHG emitting countries: Australia, Brazil, Canada, China, France, Germany India, Indonesia, Italy, Japan, Mexico, Russia, South Africa, South Korea, United Kingdom, and United States. Each team is exploring what is required to achieve this transformation in their own country's economy while taking into account socio-economic conditions, development aspirations, infrastructure stocks, natural resource endowments, and other relevant factors.
The DDPP country study for Germany explores what is required to achieve deep decarbonization in Germany. It has been conducted by the Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy, with the support of Stiftung Mercator. The study discusses how the German government's target of reducing domestic GHG emissions by 80 to 95% by 2050 (versus 1990) can be reached.
Politische Theorie fragt seit je her nach der Legitimation von Herrschaft. Dabei stellt sich immer wieder das Problem des Odysseus im Kampf mit Polyphem: Der griechische Sagenheld konnte dem einfältigen Riesen nur entkommen - und damit Herrschaft dingfest machen und ihr zugleich entgehen -, indem er sich "Niemand" nannte. Bis heute wird die überwiegende Mehrheit aller Menschen auf der Erde irgendwie beherrscht. Die ausbeutenden Institutionen und Repräsentanten können noch am ehesten namhaft gemacht werden, ungleich wichtiger aber sind jene riesigen Organisationen und Apparate, deren Funktionen sie unterworfen sind: die weltumspannende kapitalistische Ökonomie und ihre transnationalen, miteinander verflochtenen Konzerne. Selbst wer nominell frei ist und angeblich die Menschenrechte genießt, ist ohnmächtig. Auch die "Mächtigen" der Erde sind Unterworfene, sie können genau das nicht tun, was sie von Amts und Behauptung wegen tun müssten. Macht ist dann gerade nicht Gestalten-Können im Sinne Hannah Arendts, sie wird zur "Niemands-Herrschaft". Mit dieser Veröffentlichung greift Wolf-Dieter Narr ein Publikationsvorhaben wieder auf, das bereits vor einem Vierteljahrhundert begonnen, seinerzeit jedoch nicht abgeschlossen wurde. Mit Uta von Winterfelds "Auftauchhilfe" wird dieser grundlegende Text nunmehr zugänglich gemacht und für die heutigen Fragestellungen in der Konfrontation mit Niemands-Herrschaft aktualisiert.
Im Auftrag der Stadt Kempten (Allgäu) untersuchte das Wuppertal Institut auf Basis vorliegender Baupläne, inwieweit zentrale Elemente für die Entwicklung des nachhaltigen und CO2-optimierten Neubauquartiers "Halde-Nord" berücksichtigt wurden. Inhaltlich wurden die Entwürfe entlang folgender Aspekte diskutiert: 1. Nachhaltige Energieversorgung / 2. Gebäudeeffizienzstandards / 3. Energieeffizientes Handeln und Suffizienz / 4. Baumaterialien, Graue Energie und Ressourcen / 5. Klimaresilienz und Verbesserung des Mikroklimas / 6. Siedlungsstruktur und städtebauliche Aspekte von Verkehrsanbindung und Mobilität / 7. Soziale Aspekte.
Nach einer langen Phase der Stabilität ist die Stromwirtschaft in den vergangenen 15 Jahren stark in Bewegung geraten. Mit der Liberalisierung stand zunächst der Wechsel von Gebietsmonopolen hin zu wettbewerblich organisierten Erzeuger- und Verbrauchermärkten an. Derzeit findet ein ganz ähnlicher Umbruch statt, der vom Übergang von konventioneller hin zu erneuerbarer Stromerzeugung gekennzeichnet ist. Aber sind die Paradigmen der einzelnen Phasen miteinander vereinbar und hat jede für sich noch immer ihre Daseinsberechtigung, oder ist hier eine Modifizierung notwendig? Das Strommarktdesign der Zukunft kann nicht auf einem leeren Blatt entworfen, sondern es müssen bestehende Strukturen berücksichtigt werden. Gleichzeitig ist die Frage zu beantworten, ob die Wahl zwischen regulatorischen oder marktbasierten Ansätzen sich auch anhand der mit ihnen möglichen Präzision der Steuerung unterscheidet.
Nach einer langen Phase der Stabilität ist die Stromwirtschaft in den vergangenen 15 Jahren stark in Bewegung geraten. Zunächst stand der Wechsel von staatlich überwachten und regulierten Gebietsmonopolen hin zu liberalisierten Erzeuger- und Verbrauchermärkten an. Im Moment befinden wir uns in einem ähnlichen Umbruch, weg von konventioneller hin zu erneuerbarer Energieerzeugung.
Im vorliegenden Beitrag soll der Leitfrage nachgegangen werden, ob die Paradigmen der einzelnen Phasen miteinander vereinbar sind, welche noch immer ihre Daseinsberechtigung haben und welche modifiziert werden sollten.
Energy systems with high shares of renewable electricity are feasible, but require balancing measures such as storage, grid exchange or demand-side management to maintain system stability. The demand for these balancing options cannot be assessed separately since they influence each other. Therefore, a model was developed to analyze these mutual dependencies by optimizing a concerted use of balancing technologies. This model is presented here. It covers the European electricity system in hourly resolution. Since this leads to a large optimization problem, several options for reducing system complexity are presented. The application of the model is illustrated with a case study outlining the effects of pumped hydro storage and controlled charging of electric vehicles in central Europe.
Lessons for model use in transition research : a survey and comparison with other research areas
(2015)
The use of models to study the dynamics of transitions is challenging because of several aspects of transitions, notably complexity, multi-domain and multi-level interactions. These challenges are shared by other research areas that extensively make use of models. In this article we survey experiences and methodological approaches developed in the research areas of social-ecological modeling, integrated assessment, and environmental modeling, and derive lessons to be learnt for model use in transition studies. In order to account for specific challenges associated with different kinds of model applications we classify models according to their uses: for understanding transitions, for providing case-specific policy advice, and for facilitating stakeholder processes. The assessment reveals promising research directions for transition modeling, such as model-to-model analysis, pattern-oriented modeling, advanced sensitivity analysis, development of a shared conceptual framework, and use of modeling protocols.
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) adressiert die Energieeffizienz sowohl der Gebäudehülle als auch der Anlagentechnik - die Anlagen ihrerseits werden mit Energieträgern betrieben, die mittels Primärenergiefaktoren (PEF) untereinander vergleichbar gemacht werden. Im Rahmen der EnEV müssen bestimmte Grenzwerte bei den Bauteilen und / oder beim Primärenergiebedarf des Gesamtgebäudes eingehalten werden. Da die Primärenergiefaktoren einen entscheidenden Einfluss auf die Größe des zu berechnenden Jahres-Primärenergiebedarfs haben, hat ihre Festlegung Auswirkung auf die Wahl von Heizungstechnologien und deren Energieträger bzw. auf das Binnenverhältnis von Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bei Gebäudehülle und Anlagentechnik. Vor diesem Hintergrund werden in der Studie die Definition und Bedeutung der Primärenergiefaktoren sowie ihre Steuerungswirkung in Richtung Klimaschutzziele (CO2) und weiterer Ziele untersucht. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass insbesondere aus den folgenden beiden Gründen eine Neujustierung beim PEF im Rahmen der EnEV erforderlich scheint:
1) Der Primärenergiefaktor ist in vielen Fällen kein geeignetes Maß zur Bestimmung der Treibhausgasemissionen eines Heizungssystems oder eines Endenergieträgers und hat damit in Bezug auf den Klimaschutz nur eine bedingte Lenkungswirkung.
2) Primärenergiefaktoren (PEFne), die Null betragen (Beispiel Fernwärme), nahe Null liegen (Beispiel Holz) oder perspektivisch gegen Null laufen (Beispiel Strom), verlieren ihre Steuerungswirkung für die Energieeffizienz von Gebäuden. Auch wenn dadurch die formalen Ansprüche an die Bilanzierung von Gebäuden erfüllt werden, werden doch andere wichtige Aspekte wie z. B. die Ressourcenverfügbarkeit und Importabhängigkeit von Energieträgern oder andere mit der Primärenergiebereitstellung verbundene Effekte vernachlässigt.
In dem Diskussionspapier werden daher erste Ansätze skizziert, wie der PEF in der EnEV methodisch sinnvollerweise weiterentwickelt werden könnte bzw. ob ggf. weitere oder andere Indikatoren zur Charakterisierung der ökologischen Performance von Gebäuden herangezogen werden sollten.
Die Landesregierung in NRW hat am 14.4.2015 den in einem aufwändigen Stakeholderprozess erstellten Klimaschutzplan vorgestellt. Eines der Ziele war, die Klimaschutzpolitik als langfristige Strukturpolitik zu implementieren und entsprechende Prozesse in die Breite der Gesellschaft zu tragen. Weitere Bundesländer und der Bund selbst haben inzwischen ähnliche Prozesse eingeleitet. In zahlreichen anderen Ländern gibt es Beschlüsse, die in diese Richtung gehen. Eine Übersicht über den Prozess der Planerstellung in NRW und über den Stand der Diskussion in Deutschland verdeutlicht, wie Klimaschutzpläne durch partizipatorische Elemente in der Erstellungsphase mehr Akzeptanz erfahren können.
This article presents an integrated assessment conducted in order to explore whether carbon capture and storage (CCS) could be a viable technological option for significantly reducing future CO2 emissions in South Africa. The methodological approach covers a commercial availability analysis, an analysis of the long-term usable CO2 storage potential (based on storage capacity assessment, energy scenario analysis and source-sink matching), an economic and ecological assessment and a stakeholder analysis. The findings show, that a reliable storage capacity assessment is needed, since only rough figures concerning the effective capacity currently exist. Further constraints on the fast deployment of CCS may be the delayed commercial availability of CCS, significant barriers to increasing the economic viability of CCS, an expected net maximum reduction rate of the power plant's greenhouse gas emissions of 67%-72%, an increase in other environmental and social impacts, and low public awareness of CCS. One precondition for opting for CCS would be to find robust solutions to these constraints, taking into account that CCS could potentially conflict with other important policy objectives, such as affordable electricity rates to give the whole population access to electricity.