Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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)
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.
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.
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.
Will climate change stay below the 2 degree target in the 21st century on the basis of the COP 21 results? Looking into challenges and opportunities, this paper answers: To stay below the global 2dt is neither a real choice for the world society nor for businesses and civil societies in specific countries. It is a global guideline, scientifically developed for global negotiations, which should be broken down to national interests and actors. Key questions concerning the energy sector from the perspective of national interests are how to create and sustain a momentum for the inevitable energy transition, how to encourage disruptive innovations, avoid lock in effects, enable rapid deployment of energy efficiency and renewable energies etc. Or in other words: how to get to a competitive, economically benign, inclusive, low carbon and risk minimising energy system. With this background the paper argues that "burden sharing" is a misleading perception of strong climate mitigation strategies. It is more realistic to talk about "benefit sharing", using the monetary benefits and co-benefits of climate mitigation (e.g. energy cost savings, revenues from CO2-tax or emission trading systems) to help vulnerable national and international actors to adapt to the unavoidable climate risks. It has to be demonstrated on country level that the technologies and policy mix of strong climate mitigation and risk-minimising actions are indeed "benefit sharing" strategies which should be chosen anyhow, even if there was no climate change. For China and Germany this paper includes basic findings supporting this view.
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.