Refine
Year of Publication
- 2016 (71) (remove)
Document Type
- Peer-Reviewed Article (19)
- Report (15)
- Conference Object (12)
- Contribution to Periodical (11)
- Part of a Book (8)
- Working Paper (4)
- Book (1)
- Doctoral Thesis (1)
Division
- Zukünftige Energie- und Industriesysteme (71) (remove)
Staatliche Regulierung ist verpönt. Häufig läuft es dann auf den Appell hinaus: Jeder einzelne Bürger habe es selbst in der Hand. Doch die Alltagsroutinen sind in der Regel mächtiger als das Umweltbewusstsein. Beim Marmor für das Badezimmer spielen Amortisationszeiten keine Rolle. Die solare Warmwasseranlage ist dagegen oftmals "zu teuer". Gesetzliche Standards hingegen verselbstständigen Energieeffizienz und den Ausbau erneuerbarer Energien. Sie machen "Öko zur Routine". Dieser Artikel beschreibt die Notwendigkeit für das Schaffen neuer Routinen und zeigt wie dies durch Standards, Limits und faire Umsetzungsbedingungen sowie attraktive Alternativangebote zum gegenwärtigen, häufig nicht nachhaltigen Verhalten auch möglich ist.
Wärmewende im Quartier
(2016)
Im Rahmen der Energiewende haben sich erneuerbare Energien zur Stromerzeugung in Deutschland bereits etabliert. Um jedoch das volle Potenzial der Reduktion von fossilen Energien und Treibhausgasen (THG) auszuschöpfen, muss aus der Energiewende auch eine Wärmewende werden. Der Energieeinsatz für die Wärmebereitstellung der Industrie betrug im Jahr 2012 etwa 535 TWh (22 % des Endenergiebedarfs Deutschlands), hauptsächlich bereitgestellt durch Erdgas (48 %) und Steinkohle (17 %) 1. Damit wurden für die Wärmebereitstellung im Industriesektor rund 159 Mio. t CO2-äq emittiert, was 17 % der THG-Emissionen Deutschlands entspricht.
Aufgrund der Vielseitigkeit der einzelnen Branchen und Wärmeanwendungen im Industriesektor kann dieser Beitrag nur beispielhaft einzelne Komponenten für eine Wärmewende aufzeigen, die auch wiederum die Aktivitäten der einzelnen Autoren widerspiegeln. Ausgehend von einer nationalen Betrachtung und expliziten Modellierungsergebnissen für die energieintensive Industrie in NRW, werden einzelne Potenziale und Aktivitäten im Bereich der Wärmebereitstellung, -speicherung und -integration behandelt.
Die Transformationsprozesse hin zu einer nachhaltigen Entwicklung sind komplex.
Wie kann Wissenschaft dazu beitragen, dass neue Lösungen und Ideen in der Praxis zu Veränderung führen? Dieser Frage gehen die Autorinnen und Autoren am Beispiel der Gebäudeenergiewende nach. Eine transformative Forschung, die den neutralen Beobachterposten verlässt, braucht entsprechende Konzepte und Methoden: Wie kann Wissen aus unterschiedlichen Disziplinen und aus der Praxis integriert werden, um komplexe Sachverhalte und Zusammenhänge zu erklären und zu verstehen? Welche Rolle spielen komplexe (agentenbasierte) Modelle und Experimente dabei? Wie sieht der Methodenmix einer transformativen Wissenschaft aus, die Akteure bei Transformationsprozessen aktiv unterstützt? Illustriert werden diese Fragen am Beispiel des vom BMBF geförderten Forschungsprojektes "EnerTransRuhr".
Die Transformation des Energieversorgungssystems zu einer dekarbonisierten Energiebereitstellung bedingt ein koordiniertes Zusammenspiel der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr. Dabei ist die Kopplung des Stromsektors mit dem Wärmesektor eine der entscheidenden Maßnahmen bei der Transformation. Die Aufnahme von Wind- und Sonnenenergie in das Netz kann durch genaue Einspeiseprognosen optimiert werden, die Kopplung zum Wärmesektor mittels Wärmepumpen und Power-to-Heat (Heizstab) ermöglicht die weitere Flexibilisierung der Nachfrageseite. Diese Interaktion wird durch intelligente Lösungen der Systemtechnik für das Energie- und Netzmanagement ermöglicht. Die Entwicklung von entsprechenden Anreizsystemen, Marktmechanismen und Geschäftsmodellen ist ebenfalls erforderlich, um diese Kopplung auch wirtschaftlich erfolgreich zu gestalten. Der Beitrag stellt das im Forschungsvorhaben "Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr" erstellte 80-Prozent-Szenario für das Jahr 2050 vor und zeigt anhand von Beispielen zukünftige Anforderungen und Entwicklungen zu dieser Thematik auf.
Die Energiewende erfordert eine neue Energiekultur von Politik, Wissenschaft und Gesellschaft. Der Umstieg auf erneuerbare oder regenerative Energien folgt bislang aber vor allem technologischen und ökonomischen Prämissen. Aus nachhaltiger und vorsorgender Perspektive fehlt die Sorge um und für die Regenerationsfähigkeit der Lebensgrundlagen - auch für zukünftige Generationen. Aufgabe von Politik wäre es, Menschen zu einem regenerativen Umgang mit Energie zu befähigen.
Im Zuge der Energiewende steht die Industrie in NRW vor der substantiellen Herausforderung großer infrastruktureller Veränderungen. Dies bezieht sich auf den Energiebedarf, die Treibhausgasemissionen und den allgemeinen Ressourcenbedarf.
Hierzu ist ein Zusammenspiel der industriellen mit den öffentlichen Akteuren vonnöten. Dies umfasst neben politischer Unterstützung und dem Nutzen von Marktmechanismen ist auch Regulierung, um diese Transformation zu unterstützen und voranzubringen. Die Steuerbarkeit solcher Prozesse hängt jedoch auch stark davon ab, in welchem Umfang die entlang der oftmals komplexen Wertschöpfungsketten ablaufenden industriellen Prozesse innerhalb NRWs angesiedelt sind. Hierzu muss neben dem technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten einer solchen Veränderung der Grad der Geschlossenheit der entsprechenden Wertschöpfungsketten betrachtet werden.
Hierzu werden hier exemplarisch drei Wertschöpfungsketten betrachtet: Eisen- und Stahlproduktion, Chemie mit dem Fokus auf polymere Faserverbundwerkstoffe, und der Anlagenbau für die erneuerbare Energiewirtschaft. Diese wurden so ausgewählt, dass sie sowohl eine große strategische, wirtschaftliche bzw. seitens des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen quantitative Relevanz für die Energiewende speziell in NRW haben, als auch unterschiedliche Arten der äußeren Anbindung, der internationalen Konkurrenz und der internen Governancestruktur aufweisen.
Alle drei betrachteten Wertschöpfungsketten weisen eine ungenügende Geschlossenheit auf. Dies impliziert die Notwendigkeit einer Einbindung weiterer Regionen und höherer politischer Ebenen in den Transformationsprozess. NRW kann somit als eine Schlüsselregion verstanden werden, die zum Gelingen der Energiewende entscheidende Beiträge leisten kann - jedoch ist eine enge Kooperation mit weiteren deutschen Bundesländern wie auch den umgebenden Industrieregionen des europäischen Auslands notwendig.
Das BMUB bereitet eine Novellierung der energieökonomischen Gebäuderichtlinie (EnEV) in Deutschland vor, EnEG/EnEV und EEWärmeG sollen zusammengeführt werden. Hintergrund ist ein Auftrag aus der Europäischen Gebäuderichtlinie. Danach muss ab 2021 das (Fast-)Null-Energie-Gebäude der Standard (bei Neubauten) sein - für Gebäude der Öffentlichen Hand gilt das bereits ab 2019. Also muss definiert werden, was ein "Null-Energie-Gebäude" sein und was dabei "Energie" heißen soll. Gesetzt ist, dass "Energie" als "Primärenergie" verstanden werden soll. Die im Gebäude anfallende Energie muss dazu umgerechnet werden in ihr Äquivalent im System - dies hat der Primärenergiefaktor zu leisten. Es hört sich technisch und unpolitisch an, doch das täuscht. Entschieden wird nämlich über das Gebäudeideal in diesem Lande.
Weiterentwicklung der Primärenergiefaktoren im neuen Energiesparrecht für Gebäude : Endbericht
(2016)
Zentrale Anforderungsgröße der gegenwärtigen Energieeinsparverordnung (EnEV) ist der Primärenergiebedarf, der mit Hilfe von energieträgerspezifischen Primärenergiefaktoren (PEF) aus dem Endenergiebedarf bzw. Endenergieverbrauch errechnet wird. Der PEF ist jedoch in vielen Fällen kein geeignetes Maß zur Bestimmung der Treibhausgas-Emissionen eines Heizungssystems oder eines Endenergieträgers und übt somit in Bezug auf den Klimaschutz nur eine bedingte Lenkungswirkung aus. Des Weiteren verlieren sehr niedrige nicht-erneuerbare Primärenergiefaktoren (PEFne) ihre Steuerungswirkung hin zu energieeffizienten Gebäuden und vernachlässigen andere wichtige Aspekte wie z. B. die Ressourcenverfügbarkeit von Energieträgern.
Ein Forschungskonsortium aus ITG, ifeu und Wuppertal Institut hat daher ein Überblickspapier zur möglichen Weiterentwicklung der Primärenergiefaktoren unter Einbeziehung der Treibhausgas-Emissionen erstellt. Darin werden wesentliche Defizite der bisherigen Lösung aufgezeigt und mehrere Vorschläge für eine Weiterentwicklung unter Berücksichtigung der CO2-Äquivalent-Emissionen erarbeitet. Der Projektbericht baut auf der dem Diskussionspapier "Konsistenz und Aussagefähigkeit der Primärenergie-Faktoren für Endenergieträger im Rahmen der EnEV" des Wuppertal Instituts auf und macht mehrere alternative und konkrete Vorschläge, wie die darin identifizierten Probleme durch eine Anpassung des PEFs behoben werden können.
Im Ergebnis wird ein Vorschlag zur kurzfristigen Umsetzung favorisiert, bei dem der bisherige Indikator "Primärenergie" um den Indikator "Klimaschutz" ergänzt wird. Langfristig gilt es, weitere Nachhaltigkeitsindikatoren bei der Lebenszyklus-Bewertung in den Vorketten von Energieträgern, Heizungssystemen und Gebäuden zu berücksichtigen. Dazu sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich.
Schrumpfungsprozesse und die dadurch möglichen Veränderungen der städtischen Siedlungsstrukturen können als Potenzial gesehen werden, das Leitbild der Verkehrsvermeidung umzusetzen und auf diese Weise zum Klimaschutz beizutragen. Empirisch ist erwiesen, dass Einwohner kompakter Städte mit hoher Dichte und gemischter Nutzung verhältnismäßig kurze Wege bzw. Wegeketten zurücklegen und hier der Anteil des Umweltverbundes verhältnismäßig hoch ist. Allerdings sind empirische Analysen über Klimaschutzeffekte von Verkehrsvermeidung weniger eindeutig: Welche Klimaschutzpotenziale entfalten unterschiedliche siedlungsstrukturelle Entwicklungen in schrumpfenden Städten? Diese Frage wird am Fall der Stadt Wuppertal untersucht.
Auch der Verkehr muss zukünftig seine Beiträge zur klimapolitisch gebotenen Dekarbonisierung von Wirtschaft und Gesellschaft leisten. Dabei rücken insbesondere Segmente in den Fokus der Aufmerksamkeit, die sich durch ein besonders stark ausgeprägtes Wachstum auszeichnen. Dies trifft insbesondere für den Versandhandel und den Paketversand zu. Eine klimapolitisch bedeutsame Frage ist hierbei, wie sich das Wachstum des Versandhandels in einer Einkaufsverkehr und Güterverkehr integrierenden Gesamtbilanz auf die verkehrlich bedingten Emissionen von Klimagasen auswirkt. Welche Faktoren begünstigen eher höhere und welche geringere Emissionen? Wie wirken aktuelle Trends? Wie lassen sich diese Faktoren in einer Weise steuern, dass hieraus Beiträge zur Dekarbonisierung erwachsen können? Welche Akteure sind dabei jeweils besonders relevant?
Die vorliegende explorative Studie versucht auf einige dieser Fragen Antworten zu geben. Für die Beantwortung der genannten Fragen geht es zunächst darum, die Treiber des Wachstums im Versandhandel hinsichtlich ihrer Bedeutung zutreffend einzuschätzen. Untersucht wird dazu deskriptiv die Entwicklungsdynamik von Versandhandel und Paketversand. Zudem werden die hauptsächlichen Determinanten der Klimawirkungen von Versandhandel und Einkauf im stationären Einzelhandel identifiziert.
Contrary to "static" pathways that are defined once for all, this article deals with the need for policy makers to adopt a dynamic adaptive policy pathway for managing decarbonization over the period of implementation. When choosing a pathway as the most desirable option, it is important to keep in mind that each decarbonization option relies on the implementation of specific policies and instruments. Given structural, effectiveness, and timing uncertainties specific to each policy option, they may fail in delivering the expected outcomes in time. The possibility of diverging from an initial decarbonization trajectory to another one without incurring excessive costs should therefore be a strategic element in the design of an appropriate decarbonization strategy. The article relies on initial experiences in France and Germany on decarbonization planning and implementation to define elements for managing dynamic adjustment issues. Such an adaptive pathway strategy should combine long-lived incentives, like a pre-announced escalating carbon price, to form consistent expectations, as well as adaptive policies to improve overall robustness and resilience. We sketch key elements of a monitoring process based on an ex ante definition of leading indicators that should be assessed regularly and combined with signposts and trigger values at the subsector level.
In der vorliegenden Arbeit sind die verfügbaren Potenziale an Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in Deutschland mit den ökologischen und ökonomischen Kenndaten (THG-Emissionsfaktoren und Gas-Gestehungskosten) sowohl statisch für das Bezugsjahr 2010 als auch im mittel- bis langfristigen Ausblick untersucht worden (Teilmodell I). Zudem ist ein Abgleich der verschiedenen Einsatzbereiche von Biomethan erfolgt, um vor dem Hintergrund des sich ebenfalls dynamisch entwickelnden Energiesystems zu ermitteln, durch welchen der Nutzungspfade (KWK, Strom, Wärme, Kraftstoff, Ersatz von Erdgas) sich der höchstmögliche Beitrag zum Klimaschutz durch die maximale Einsparung von Treibhausgasen (THG) erzielen lässt (Teilmodell II). Teilmodell 1: Die Produktion von Biogas und Biomethan sollte generell immer nach dem jeweils besten Stand der Technik betrieben werden, um THG-Emissionen etwa durch offene Gärrestlager, zu hohe diffuse Methanemissionen aus dem Fermenter oder Methanverluste bei der Aufbereitung zu vermeiden. Der Anbau der Substrate sollte zudem in regional angepassten Fruchtfolgen erfolgen. Nach dem Stand der Technik (Bezugsjahr 2010) kann Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in großmaßstäblichen, industriell geführten Anlagen mit einem THG-Emissionsfaktor von durchschnittlich rund 84 g CO2Äq/kWh Methan erzeugt werden, wenn Substrate aus regional angepassten Fruchtfolgen verwendet werden. Dieser Wert liegt um rund 20 % höher, als es bei Einsatz von ausschließlich Mais als gängigstem Substrat mit den geringsten THG-Emissionen der Fall wäre. Im Gegensatz zu einer "Monokultur Mais" ist die Erzeugung von Biogassubstraten in regional angepassten Fruchtfolgen aber nicht mit zusätzlichen negativen Folgen im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft verbunden. Die Erzeugung der Substrate ist der Teil der technischen Prozesskette Biomethan, der die meisten THG-Emissionen verursacht. Auf Basis einer eine Technologie-Lernkurve mit dem Lernfaktor FLCA wird abgeschätzt, dass sich der THG-Emissionsfaktor von Biomethan im Ausblick bis 2050 auf rund 40 % des Wertes von 2010 (2030: ca. 56 %) bzw. bis auf 34 g CO2Äq/kWh Methan (2030: 47 g CO2Äq/kWh Methan) reduziert. Ausgehend von einer Einspeisekapazität von 0,25 Mrd.m3 Methan/a in 2010 können in 2050 über 20 Mrd.m3 Methan/a eingespeist werden. Die Mengenziele der Gasnetz-Zugangsverordnung werden mit 2,2 Mrd.m3 Methan/a in 2020 und 6,2 Mrd.m3 Methan/a in 2030 allerdings zunächst verfehlt. Die erheblichen Steigerungen im Ausblick sind dabei unter anderem auf die angenommenen Ertragssteigerungen sowohl der konventionellen Landwirtschaft zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion als auch für Energiepflanzen zurückzuführen. Teilmodell 2: Bei der Erzeugung von Biomethan werden zunächst Treibhausgase freigesetzt. Durch den Ersatz von anderen, fossilen Energieträgern kann der Einsatz von Biomethan aber zum Klimaschutz durch THG-Vermeidung beitragen. Dies gilt in unterschiedlichem Maße, abhängig von den ersetzten Referenz-Technologien. Je höher die Emissionen, die durch das Referenzsystem verursacht werden, desto höher ist das Vermeidungspotenzial durch eine emissionsärmere Technik. Die Wahl des Bezugssystems beeinflussen insbesondere im Ausblick das Ergebnis und damit die Einsatzpriorität. Durch geschickte Wahl des Referenzsystems ist es möglich, das Ergebnis der Einsatzpriorität für Biomethan mindestens in seiner Eindeutigkeit zu beeinflussen. In der wissenschaftlichen Debatte ist daher besonderer Wert auf Transparenz der Annahmen zu legen. Das gilt insbesondere für das Zusammenspiel der Strom- und Wärme-Referenz. Der gezielte Einsatz von Biomethan in verschiedenen Sektoren unterscheidet sich deutlich positiv von dem reinen Ersatz von Erdgas als Energieträger. Das schlägt sich auch in den absoluten THG-Minderungen der Mengengerüste bis 2050 nieder: wird das zusätzliche Biomethan in KWK verstromt, können insgesamt rund 733 Mio. t CO2äq an Treibhausgasen über den Betrachtungszeitraum bis 2050 gespart werden, bei reinem Erdgasersatz sind es mit rund 600 Mio. t CO2äq etwa 20 % weniger. Mittelfristig (bis etwa 2030) hat bei konsistentem Ansatz der Einsatz von Biomethan in der KWK die höchste Priorität, da hier die höchsten THG-Minderungen erreicht werden können; an zweiter Stelle steht der Einsatz als Kraftstoff. Sowohl die reine Verstromung ohne Wärmenutzung als auch die reine Wärmenutzung erzielen THG-Vermeidungen in sehr ähnlicher Größenordnung wie der Ersatz des Energieträgers Erdgas durch Biomethan. Langfristig (ab 2030 bis 2050) ist die Einsatzpriorität von KWK und Kraftstoffnutzung vertauscht. Die ungekoppelte Wärmebereitstellung bleibt vor dem Ersatz von Erdgas als Energieträger; die ungekopplte Stromerzeugung ist die schlechteste Option zur THG-Minderung.
Die Wärmewende ist als Teil der Energiewende ein gesellschaftliches Großprojekt. Für eine erfolgreiche Umsetzung benötigt die Wärmewende im Vergleich zur Stromwende vielfältigere und differenziertere Handlungsmechanismen. Es geht dabei nicht nur um den Ersatz fossiler Energieträger im Bereich der Wärmeversorgung durch regenerative Quellen, sondern vielmehr um einen systemischen Ansatz, der zudem eine stringente Forcierung von Energieeffizienzmaßnahmen, eine optimierte Verzahnung von Strom- und Wärmesystemen sowie eine zielgruppenspezifische Adressierung und Sensibilisierung von Akteursgruppen (hier: Kommunen, Privathaushalte, Industrie, GHD) erforderlich macht.
Distributed cogeneration units are flexible and suited to providing balancing power, thereby contributing to the integration of renewable electricity. Against this background, we analysed the technical potential and ecological impact of CHP (combined heat and power) systems on the German minutes reserve market for 2010, 2020 and 2030. Typical CHP plants (from 1 to 2800 kWel) were evaluated in relation to typical buildings or supply cases in different sectors. The minutes reserve potential was determined by an optimisation model with a temporal resolution of 15 min. The results were scaled up to national level using a scenario analysis for the future development of CHP. Additionally, the extent to which three different flexibility measures (double plant size/fourfold storage volume/emergency cooler) increase the potential provision of balancing power was examined. Key findings demonstrate that distributed CHP could contribute significantly to the provision of minutes reserve in future decades. Flexibility options would further enhance the theoretical potential. The grid-orientated operating mode slightly increases CO2 emissions compared to the heat-orientated mode, but it is still preferable to the separate generation of heat and power. However, the impacts of a flexible mode depend greatly on the application and power-to-heat ratio of the individual CHP system.
Sustainable energy systems
(2016)
Durch den zu erwartenden Rückgang der Braunkohleverstromung in Deutschland wird der Strukturwandel in der Lausitz weiter beschleunigt werden. Die Energiewende erfordert also eine konsistente strukturpolitische Flankierung, für diejenigen Regionen, die bisher ökonomisch stark vom Braunkohlebergbau (inklusive Vorketten und Folgeindustrien) abhänging sind. Vor diesem Hintergrund hat die Brandenburger Landtagsfraktion von Bündnis 90 / Die Grünen das Wuppertal Institut beauftragt, erste Empfehlungen für strategische Ansätze einer präventiven Strukturpolitik in der Lausitz zu entwickeln. Die Kurzstudie nimmt besonders in den Blick, welche Erkenntnisse sich aus den Erfahrungen mit dem Strukturwandel in Nordrhein-Westfalen und insbesondere dem Rheinischen Revier für die Gestaltung des Strukturwandels in der Lausitz ableiten lassen.
Rather than examining aggregate emissions trends, this study delves deep into the dynamics affecting each sector of the EU energy system. It examines the structural changes taking place in power production, transport, buildings and industry, and benchmarks these with the changes required to reach the 2030 and 2050 targets. In so doing it aims to influence both the ambition and direction of future policy decisions, both at Member State and EU level.
In order to assess the adequacy of the EU and its Member States policies with the 2030 and 2050 decarbonisation objectives, this study goes beyond the aggregate GHG emissions or energy use figures and analyse the underlying drivers of emission changes, following a sectoral approach (power generation, buildings, industry, and transport). Historical trends of emission drivers are compared with the required long-term deep decarbonisation pathways, which provide sectoral "benchmarks" or "corridors" against which to analyse the rate and direction of historical change for each Member State and the EU in aggregate. This approach allows the identification of the necessary structural changes in the energy system and policy interventions to reach deep decarbonisation, and therefore the comparison with the current policy programs at European and Member State level.
In this paper a new method for the evaluation and comparison of potential future electricity systems is presented. The German electricity system in the year 2050 is used as an example. Based on a comprehensive scenario analysis defining a corridor for possible shares of fluctuating renewable energy sources (FRES) residual loads are calculated in a unified manner. The share of electricity from PV and wind power plants in Germany in the year 2050 is in a range of 42-122% and the load demand has a bandwidth of around 460-750 TWh. The residual loads are input for an algorithm that defines a supplementary mix of technologies providing flexibility to the system. The overall system layout guarantees the balance of generation and demand at all times. Due to the fact that the same method for residual load calculation and mixture of technologies is applied for all scenarios, a good comparability is guaranteed and we are able to identify key characteristics for future developments. The unique feature of the new algorithms presented here is the very fast calculation for a year-long simulation with hourly or shorter time steps taking into account the state of charge or availability of all storage and flexibility technologies. This allows an analysis of many different scenarios on a macro-economic level, variation of input parameters can easily be done, and extensive sensitivity analysis is possible. Furthermore different shares of FRES, CO2-emission targets, interest rates or social acceptance of certain technologies can be included. The capabilities of the method are demonstrated by an analysis of potential German power system layouts with a base scenario of 90% CO2-reduction target compared to 1990 and by the identification of different options for a power sector with a high degree of decarbonisation. The approach also aims at a very high level of transparency both regarding the algorithms and regarding the input parameters of the different technologies taken into account. Therefore this paper also gives a comprehensive and complete overview on the technology parameters used. The forecast on all technologies for the year 2050 regarding technical and economic parameters was made in a comprehensive consultation process with more than 100 experts representing academia and industry working on all different technologies. An extensive analysis of options for the design of potential German energy supply systems in 2050 based on the presented methodology will be published in a follow-up paper.
Auf dem Weg vom Energierohstoff zum Endnutzer entstehen Energieverluste durch Transport, Aufbereitung und Umwandlung, die dazu führen, dass der Primärenergieträger, also der Energierohstoff, nur mit einem bestimmten Nutzungsgrad in einen Endenergieträger (vom Endkunden eingekauften Energieträger für die Nutzung im Gebäude) umgewandelt wird. Der Kehrwert dieses Nutzungsgrades heißt "Primärenergiefaktor". Je größer der Primärenergiefaktor, desto größer die Verluste der Bereitstellung.
Energy intensive industries are one of the fields in which strong increases of energy efficiency and deep decarbonisation strategies are particularly challenging. Although European energy intensive industries have already achieved significant energy and greenhouse gas reductions in the past, much remains to be done to make a significant contribution to achieving European as well as national climate mitigation targets of greenhouse gas emission reductions by -80% or more (compared to the baseline of 1990). North Rhine-Westphalia (NRW) is a European hotspot for coping with this challenge, accommodating more than 10% of the energy intensive industries of the EU28. It is also the first German state to have adopted its own Climate Law, enacting state-wide CO2 emission reductions by 80% until 2050 compared to 1990. The state government initiated the project "Platform Climate Protection and Industry North-Rhine Westphalia" to identify and develop the necessary far-reaching low carbon innovation strategies for energy intensive industries. Heart of the project was a dialogue process, which involved a broad spectrum of stakeholders from steel, chemical, aluminium, cement, glass and paper producing industries. Besides enhancing and broadening the knowledge on high efficiency and low-carbon technologies within industries, the aim was to explore possible pathways and preconditions for the application of these technologies in energy intensive industries as well as to strengthen the motivation of companies for initiatives and investments in technologies with lower CO2 emissions. The results of the dialogue shall provide a basis for a possible low-carbon industry roadmap NRW and may also serve as an example for other industrialized regions in the EU and globally. The paper sketches the structured dialogue process with the stakeholders from companies as well as industrial associations and presents the learnings regarding the engagement of energy intensive industries into ambitious climate policies on a regional level. These include existing limitations as well as chances in the respective sectors on the state level, regarding their economic and technical structures as well as their innovation systems. The findings are based on more than a dozen stakeholder workshops with industry companies and more than 150 individual representatives of NRW's energy intensive industries as well as on background research in the initial phase of the project.
The climate impact of the iron and steel industry can be mitigated through increased energy efficiency, emission efficiency, material efficiency, and product use efficiency resulting in reduced product demand. For achieving ambitious greenhouse gas (GHG) mitigation targets in this sector all measures could become necessary. The current paper focuses on one of those four key measures: emission efficiency via innovative primary steelmaking technologies. After analysing their techno-economical potential until 2100 in part A of this publication, the current research broadens the evaluation scope for the crucial year 2050, based on a Multicriteria-Analysis (MCA). 12 criteria from five different categories ("technology", "society and politics", "economy", "safety and vulnerability" and "ecology") are used to assess the same four future steelmaking technologies in a systematic and holistic way in Germany, as one possible location. The technologies in focus are the blast furnace route (BF-BOF), blast furnace with carbon capture and storage (BF-CCS), hydrogen direct reduction (H-DR), and iron ore electrolysis (EW). These four technologies have been selected, as explained in part A of this paper, because they are the most commonly discussed technological options under discussion by policymakers and the iron and steel industry. The results of the current work should provide decision makers in industry and government with a long-term guidance on technological choices.
In 2050 the MCA shows significantly higher preference scores for the two innovative routes H-DR and EW compared to the blast furnace based routes. The main reasons being higher scores in the economical and environmental criteria. BF-CCS shows its greatest weakness in the social acceptance and the safety and vulnerability criteria. BF-BOF has the lowest economy and ecology score of all assessed routes, which is due to the projected high cost for carbon dioxide emission and increasing prices for fossil fuels. A first indicative trend assessment from today towards 2050 shows that H-DR is the preferred MCA option from today on.
Three exemplary weighting distributions (representing the perspectives of the steel industry, environmental organisations and the government), used to simulate different stakeholder angle of view, don't have a strong influence on the overall evaluation of the steelmaking routes. The results remain very similar, with the highest scores for the innovative routes (H-DR and EW). This leads to the conclusion that EW and in particular H-DR can be identified as the preferred future steelmaking technology across different perspectives.
Specific innovation efforts and dedicated programs are necessary to minimize the time until marketability and to share the development burden. The similarity of the MCA results from different perspectives indicates a great opportunity to reach a political consensus and to work together towards a common future goal. Regarding the pressing time horizon a concentrated engagement for one (or few) technological choices would be highly recommended.
Im März 2016 endete der Beteiligungsprozess zum Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung mit der Übergabe der Ergebnisse an Umweltministerin Hendricks. Die Vorschläge wurden bei Bürgerkonferenzen in fünf Städten sowie in einem Online-Dialog, an dem sich rund 500 Bürgerinnen und Bürger beteiligt hatten, entwickelt und diskutiert. Parallel dazu hatten Bundesländer, Kommunen und Verbände in Fachforen getagt und dabei rund 400 Vorschläge eingebracht. Daraus entstand ein Maßnahmenkatalog mit Vorschlägen, die wissenschaftlich auf ihre Klimawirkung und Kosten und Nutzen untersucht wurden. Das Wuppertal Institut war gemeinsam mit der Ifeu GmbH mit der wissenschaftlichen Begleitung des Beteiligungsprozesses der Bundesländer, Kommunen und Verbänden beauftragt.
Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Fragestellung, welche Faktoren und Bedingungen die Anpassungskapazität von Kommunen in Deutschland maßgeblich beeinflussen. Dazu wurden im Projekt empirische Befragungen mit kleineren und mittleren Kommunen wie auch eine Fachworkshopreihe mit insgesamt elf Kommunen durchgeführt. Vor diesem Hintergrund erarbeitete das Projekt Vorschläge und Unterstützungsangebote zum systematischen Aufbau von Kapazitäten zur Anpassung an den Klimawandel auf lokaler Ebene. Insbesondere die Stärkung institutioneller Faktoren, die die Fähigkeit einer Kommune beeinflussen, sich organisatorisch, prozedural und fachlich-strategisch auf neue Herausforderungen wie den Folgewirkungen des Klimawandels adäquat einzustellen, erweisen sich hier als ein wichtiger Baustein für Unterstützungsansätze.
Heat integration and industrial symbiosis have been identified as key strategies to foster energy efficient and low carbon manufacturing industries (see e.g. contribution of Working Group III in IPCC's 5th assessment report). As energy efficiency potentials through horizontal and vertical integration are highly specific by site and technology they are often not explicitly reflected in national energy strategies and GHG emission scenarios. One of the reasons is that the energy models used to formulate such macro-level scenarios lack either the necessary high technical or the spatial micro-level resolution or both. Due to this lack of adequate tools the assumed huge existing potentials for energy efficiency in the energy intensive industry cannot be appropriately appreciated by national or EU level policies. Due to this background our paper describes a recent approach for a combined micro-macro energy model for selected manufacturing industries. It combines national level technical scenario modelling with a micro-modelling approach analogous to total site analysis (TSA), a methodology used by companies to analyse energy integration potentials on the level of production sites. Current spatial structures are reproduced with capacity, technical and energy efficiency data on the level of single facilities (e.g. blast furnaces) using ETS data and other sources. Based on this, both, the investments in specific technologies and in production sites are modelled and the evolvement of future structures of (interconnected) industry sites are explored in scenarios under different conditions and with different objectives (microeconomic vs. energy efficiency optimization). We further present a preliminary scenario that explores the relevance of these potentials and developments for the German steel industry.
In Germany, doubling today's insulation rate of about 1% is an important element for reaching the government's target of reducing the demand for energy in the housing sector by 80% by 2050. A survey among 275 private homeowners was conducted to better understand their insulation activity. The results were incorporated into an agent-based model, which was applied to evaluate new policy options. The results of the survey show that policies should focus on homeowners' wall insulation activity. Homeowners' decision-making processes regarding insulation are largely unaffected by their financial resources, which raises the question of the usefulness of financial incentives. In contrast, non-economic factors were found to have a statistically significant influence: in the year following a house ownership change, a comparatively large number of insulation projects are carried out. The probability of insulating walls can be predicted from knowing the homeowner's age, attitude towards insulation, and the structural condition of the walls. The simulations indicate that information instruments lead to a comparatively small increase in the wall insulation rate, while obligating new homeowners to insulate the walls within the first year after moving in has the potential to increase the total insulation rate by up to 40%.
The increasing rate of renewable energies poses new challenges for industries: the amount of wind and solar energy is by far more subject to fluctuations than that of fossil based energy. Large production facilities from the aluminium, cement, steel or paper industry, however, depend on a highly secure energy supply. To which amount is a limitation of fluctuations possible? This was the key question of the project "Flexibilisation of Industries Enables Sustainable Energy systems", which was realised by the Wuppertal Institute in cooperation with the polymers company Covestro last year. In the final report, authors around project co-ordinator Karin Arnold not only show which technological and economic parameters have been considered, but also present possible business models to promote "flexibility products".
Facing the uncertainty of CO2 storage capacity in China by developing different storage scenarios
(2016)
China is very active in the research and development of CO2 capture and storage technologies (CCS). However, existing estimates for CO2 storage capacity are very uncertain. This uncertainty is due to limited geological knowledge, a lack of large-scale research on CO2 injection, and different assessment approaches and parameter settings. Hence storage scenarios represent a method that can be used by policy makers to demonstrate the range of possible storage capacity developments, to help interpret uncertain results and to identify the limitations of existing assessments. In this paper, three storage scenarios are developed for China by evaluating China-wide studies supplemented with more detailed site- and basin-specific assessments. It is estimated that the greatest storage potential can be found in deep saline aquifers. Oil and gas fields may also be used. Coal seams are only included in the highest storage scenario. In total, the scenarios presented demonstrate that China has an effective storage capacity of between 65 and 1551 Gt of CO2. Furthermore, the authors emphasise a need for action to harmonise storage capacity assessment approaches due to the uncertainties involved in the capacity assessments analysed in this study.
Insulating existing buildings offers great potential for reducing greenhouse gas emissions and meeting Germany's climate protection targets. Previous research suggests that, since homeowners' decision-making processes are inadequately understood as yet, today's incentives aiming at increasing insulation activity lead to unsatisfactory results. We developed an agent-based model to foster the understanding of homeowners' decision-making processes regarding insulation and to explore how situational factors, such as the structural condition of houses and social interaction, influence their insulation activity. Simulation experiments allow us furthermore to study the influence of socio-spatial structures such as residential segregation and population density on the diffusion of renovation behavior among homeowners. Based on the insights gained, we derive recommendations for designing innovative policy instruments. We conclude that the success of particular policy instruments aiming at increasing homeowners' insulation activity in a specific region depends on the socio-spatial structure at hand, and that reducing financial constraints only has a relatively low potential for increasing Germany's insulation rate. Policy instruments should also target the fact that specific renovation occasions are used to undertake additional insulation activities, e.g. by incentivizing lenders and craftsmen to advise homeowners to have insulation installed.
Das übergeordnete Ziel des Forschungs-Projektes RESTORE 2050 (Regenerative Stromversorgung & Speicherbedarf in 2050; Förderkennzeichen 03SF0439) war es, wissenschaftlich belastbare Handlungsempfehlungen für die Transformation des deutschen Stromsystems im europäischen Kontext zu geben. Dafür wurden auf Basis der zukünftig prognostizierten Entwicklung von Stromangebot und -nachfrage innerhalb des ENTSO-E Netzverbundes für den Zeithorizont des Jahres 2050 sowie mittels örtlich und zeitlich hoch aufgelöster meteorologischer Zeitreihen die Themenkomplexe (1) Nationale Ausbaustrategien für erneuerbare Energien, (2) Übertragungsnetzausbau und (3) Alternativmaßnahmen wie Lastmanagement, (4) Bedeutung des EE-Stromaustauschs mit Drittstaaten und (5) die Rolle von Stromspeichern auf Übertragungsnetzebene analysiert. Die aus den Untersuchungsergebnissen abgeleitenden Handlungsempfehlungen stellen wichtige Beiträge für die weitere Integration von erneuerbaren Energien dar und geben Hinweise für den Aufbau einer leistungsfähigen europäischen Infrastruktur.
A key factor to energy-efficiency of heating in buildings is the behavior of households, in particular how they ventilate rooms. Energy demand can be reduced by behavioral change; devices can support this by giving feedback to consumers on their behavior. One such feedback device, called the "CO2 meter", shows indoor air-quality in the colors of a traffic light to motivate so called "shock ventilation", which is energy-efficient ventilation behavior. The following effects of the "CO2 meter" are analyzed: (1) the effect of the device on ventilation behavior within households, (2) the diffusion of "CO2 meter" to other households, and (3) the diffusion of changed behavior to households that do not adopt a "CO2 meter". An agent-based model of these processes for the city of Bottrop (Germany) was developed using a variety of data sources. The model shows that the "CO2 meter" would increase adoption of energy-efficient ventilation by c. 12% and reduce heating demand by c. 1% within 15 years. Technology diffusion was found to explain at least c. 54% of the estimated energy savings; behavior diffusion explains up to 46%. These findings indicate that the "CO2 meter" is an interesting low-cost solution to increase the energy-efficiency in residential heating.
Eine nachhaltige Entwicklung der Städte, die sowohl den sozialen, ökologischen als auch den ökonomischen Ansprüche der Bewohner/-innen gerecht wird, ist offen für die Diskussion unterschiedlicher Konzepte und Strategien zur Bewältigung der großen Veränderungsprozesse in den nächsten Jahrzehnten. In Wuppertal treten Herausforderungen wie demographischer Wandel, wirtschaftliche und finanzielle Schwierigkeiten sowie Klimawandel schon heute gemeinsam auf. Der Handlungsdruck bietet die Chance, als "early adopter" neue Lösungswege zu gehen und bei erfolgreicher Umsetzung als Vorbild für andere Kommunen zu dienen.
Im vorliegenden Papier wird die Nachhaltigkeitsstrategie Energiesuffizienz unter Anwendung verschiedener Konzepte des Transition-Ansatzes analysiert und anhand der Befragung von Expert(inn)en sowie lokalen Stakeholdern in der schrumpfenden Stadt Wuppertal untersucht. Die Analyse in Wuppertal zeigt unter anderem, dass sich die kommunale Ebene als Ansatzpunkt für die Untersuchung von Suffizienz im Bereich Personenverkehr und Raumwärmenachfrage von Haushalten eignet.
Energy systems across the globe are going through a radical transformation as a result of technological and institutional changes, depletion of fossil fuel resources, and climate change. At the local level, increasing distributed energy resources requires that the centralized energy systems be re-organized. In this paper, the concept of Integrated community energy systems (ICESs) is presented as a modern development to re-organize local energy systems to integrate distributed energy resources and engage local communities. Local energy systems such as ICESs not only ensure self-provision of energy but also provide essential system services to the larger energy system. In this regard, a comparison of different energy system integration option is provided. We review the current energy trends and the associated technological, socio-economic, environmental and institutional issues shaping the development of ICESs. These systems can be applied to both developed and developing countries, however, their objectives, business models as well as composition differs. ICESs can be accepted by different actors such as local governments, communities, energy suppliers and system operators as an effective means to achieve sustainability and thereby will have significant roles in future energy systems.
De-industrialization, climate and demographic changes are only a few key words that indicate the challenge of urban development in many industrialized countries for the coming decades. A fundamental transformation of infrastructure and the built environment is expected to adjust to future needs. Numerous concepts of integrating efficiency and renewable energy sources into urban planning were elaborated in recent years. Energy sufficiency in the meaning of voluntary demand reduction of energy intensive goods and services is the third and mostly forgotten pillar of sustainable development. However, organizational and spatial measures are needed to support behavior modification. This paper presents results of a transdisciplinary research design with local stakeholders and scientific experts to develop an understanding of what energy sufficiency might contribute to sustainable urban development. Based on the Multi-Level-Perspective of the transition research approach, it analyzes how stakeholders and experts define energy sufficiency structures for the shrinking district of Vohwinkel (Germany). The paper also shows a compilation and evaluation of measures which facilitate energy sufficient behavior in the fields of space heating and passenger transport on a local level. The methodological concept comprises expert interviews, thought experiments with stakeholders to develop a vision of an "energy sufficient Vohwinkel 2050" as well as a stakeholder workshop to discuss the results. A shrinking population is seen as a chance to actively adapt the built environment to foster energy sufficiency.
Understanding the diversifying role of civil society in Europe's sustainability pathway is a valid proposition both scientifically and socially. Civil society organisations already play a significant role in the reality of cities, what remains to be explored is the question: what is the role of civil society in the future sustainability of European cities? We first examine the novelty of new forms of civil society organization based on a thorough review of recent case studies of civil society initiatives for sustainable transitions across a diversity of European projects and an extensive literature review. We conceptualize a series of roles that civil society plays and the tensions they entail. We argue that, civil society initiatives can pioneer new social relations and practices therefore be an integral part of urban transformations and can fill the void left by a retreating welfare state, thereby safeguarding and servicing social needs but also backing up such a rolling back of the welfare state. It can act as a hidden innovator - contributing to sustainability but remaining disconnected from the wider society. Assuming each of these roles can have unintended effects, such as being proliferated by political agendas, which endanger its role and social mission, and can be peeled off to serve political agendas resulting in its disempowerment and over-exposure. We conclude with a series of implications for future research on the roles of civil society in urban sustainability transitions.