Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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This doctoral research is located in the branch of sustainability sciences that has the realisation of sustainable development as its core subject of research. The most broadly accepted notion of sustainable development is that which evolves along the resolutions, declarations, and reports from international processes in the framework of the United Nations (UN). The consensual outputs from such processes feature global-generalised and context-free perspectives. However, implementation requires action at diverse and context-rich local levels as well. Moreover, while in such UN processes national states are the only contractual parties, it is increasingly recognised that other ("nonstate") actors are crucial to sustainability. The research presented here places the attention on bottom-up initiatives that are advancing innovative ways to tackle universal access to clean energy and to strengthen small-scale family farmers. This means, the focus is on bottom-up initiatives advancing local implementation of global sustainability targets, more precisely, targets that make part of the Sustainable Development Goals two and seven (SDG 2 and SDG7). The research asks how such bottom-up initiatives can contribute to the diffusion of sustainability innovations, thereby also contributing to social change.
Digitalization is a transformation process which has already affected many parts of industry and society and is expected to yet increase its transformative speed and impact. In the energy sector, many digital applications have already been implemented. However, a more drastic change is expected during the next decades. Good understanding of which digital applications are possible and what are the associated benefits as well as risks from the different perspectives of the impacted stakeholders is of high importance. On the one hand, it is the basis for a broad societal and political discussion about general targets and guidelines of digitalization. On the other hand, it is an important piece of information for companies in order to develop and sustainably implement digital applications. This article provides a structured overview of potential digital applications in the German energy (electricity) sector, including the associated benefits and the impacted stakeholders on the basis of a literature review. Furthermore, as an outlook, a methodology to holistically analyze digital applications is suggested. The intended purpose of the suggested methodology is to provide a complexity-reduced fact base as input for societal and political discussions and for the development of new digital products, services, or business models. While the methodology is outlined in this article, in a follow-up article the application of the methodology will be presented and the use of the approach reflected.
Als Direct Air Capture (DAC) werden Technologien zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre bezeichnet. Diese könnten zunehmend zum Einsatz kommen, um CO2 für Power-to-X-Prozesse (PtX) oder zur Erzielung "negativer Emissionen" bereitzustellen. Die Ergebnisse einer multidimensionalen Bewertung im Rahmen der BMWi-Studie "Technologien für die Energiewende" (et 09/2018) zeigen, dass noch große Unsicherheiten bestehen und die Entwicklung überwiegend an Deutschland vorbeigeht.
Diese Studie untersucht Notwendigkeiten und Möglichkeiten, Wasserstoff und Strom zu nutzen, um den Verkehrssektor in Deutschland perspektivisch zu dekarbonisieren. Basis der Untersuchung ist das Dekarbonisierungsszenario des Wuppertal Instituts von 2017, welches den Verkehrssektor Deutschlands unter der Maßgabe dekarbonisiert, dass Deutschland einen adäquaten Beitrag dazu leistet, den Klimawandel auf 1,5 °C mittlere Temperaturerhöhung gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter zu begrenzen.
Das Dekarbonisierungsszenario nimmt eine ambitionierte Verkehrswende an, um dieses Politikziel zu erreichen. Es zeichnet sich durch eine besonders effiziente Mobilität aus, indem es umfangreiche Vermeidungs- und Verlagerungsmaßnahmen vorsieht und dadurch der Energieverbrauch besonders gering bleiben kann. Dennoch werden selbst in diesem Klimaschutzszenario signifikante Mengen erneuerbaren Stroms für den Verkehrssektor benötigt.
Es findet eine möglichst "direkte Elektrifizierung" statt, also ein Strombezug von batterie-elektrischen Pkw aus dem Netz, sowie über Oberleitungen für die Schiene und für große Lkw auf Bundesautobahnen. Es ist aber auch eine "indirekte Elektrifizierung" nötig, indem aus erneuerbarem Strom unter der Hinnahme von Wirkungsgradverlusten Wasserstoff (H2) und als Folgeprodukt auch synthetische Kraftstoffe hergestellt werden. Diese strombasierten Produkte werden im Dekarbonisierungsszenario für große Pkw und Lkw verwendet.
Die vorliegende Studie berechnet zusätzlich den H2- bzw. PtX-Bedarf des internationalen Flug- und Seeverkehrs. Sie bestimmt außerdem das Lastprofil für eine ungesteuerte Ladung von Elektro-Pkw im Zieljahr. Die Berechnungen verdeutlichen, dass die Dekarbonisierung des Verkehrssektors in Zukunft sehr viel stärker mit dem Stromsystem wechselwirkt. Für Klimaschutz im Verkehr bedarf es neben einer drastischen Energieverbrauchssenkung und einem beschleunigten Ausbau erneuerbarer Energien auch die Infrastruktur für Strom und strombasierte Produkte.
Das Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) verlangt mit Bezug auf das Abfallvermeidungsprogramm (AVP) die Benennung zweckmäßiger Maßstäbe für Abfallvermeidungsmaßnahmen (AVM), anhand derer die Fortschritte bei der Entkopplung der mit der Abfallerzeugung verbundenen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt vom Wirtschaftswachstum erfasst werden können. Das AVP benennt mögliche Indikatoren, allerdings ist unklar, inwieweit diese das Entstehen von Abfällen darstellen oder die Effekte von AVM abbilden können. Mögliche Bewertungsmaßstäbe für die Messung des Abfallvermeidungserfolges wurden analysiert, auf ihre Eignung geprüft und ein Set an Indikatoren erarbeitet, um eine kontinuierliche Messung des Erfolges von AVM zu ermöglichen.
Diesen Technologien wird für das Energiesystem, bei einem zunehmenden Ausbau der fluktuierenden regenerativen Leitenergieträger Wind und Sonneneinstrahlung als zentrale Flexibilitätsoption sowie zur Dekarbonisierung der Industrie - Bereitstellung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen -, eine Schlüsselrolle zukommen. Wie die bisherigen Erfahrungen mit anderen Energieinfrastrukturen, z. B. Freileitungen oder Windkraftanlagen, zeigen, stellt eine breite gesellschaftliche Akzeptanz einen wesentlichen Erfolgsfaktor für die großflächige Diffusion und Transformation dar. Entsprechend ist die gesellschaftliche Einbettung auch bei der Planung von PtX-Strategien frühzeitig zu beachten.
