Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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Nigeria is Africa's largest economy and home to approximately 10% of the un-electrified population of Sub-Saharan Africa. In 2017, 77 million Nigerians or 40% of the population had no access to affordable, reliable and sustainable electricity. In practice, diesel- and petrol-fuelled back-up generators supply the vast majority of electricity in the country. In Nigeria's nationally-determined contribution (NDC) under the Paris Agreement, over 60% of the greenhouse gas emissions (GHG) reductions are foreseen in the power sector. The goal of this study is to identify and critically examine the pathways available to Nigeria to meet its 2030 electricity access, renewables and decarbonization goals in the power sector. Using published data and stakeholder interviews, we build three potential scenarios for electrification and growth in demand, generation and transmission capacity. The demand assumptions incorporate existing knowledge on pathways for electrification via grid extension, mini-grids and solar home systems (SHS). The supply assumptions are built upon an evaluation of the investment pipeline for generation and transmission capacity, and possible scale-up rates up to 2030. The results reveal that, in the most ambitious Green Transition scenario, Nigeria meets its electricity access goals, whereby those connected to the grid achieve a Tier 3 level of access, and those served by sustainable off-grid solutions (mini-grids and SHS) achieve Tier 2. Decarbonization pledges would be surpassed in all three scenarios but renewable energy goals would only be partly met. Fossil fuel-based back-up generation continues to play a substantial role in all scenarios. The implications and critical uncertainties of these findings are extensively discussed.
It is now widely recognized that effective communication and demand-side policies for alternative energy require sound knowledge of preferences and determinants of demand of the public and consumers. To date, public attitudes towards new transport technologies have been studied under very different conceptual frameworks. This paper gives an overview of the various conceptual frameworks and methodologies used, where four main approaches can be distinguished: general attitudinal surveys, risk perception studies, non-market economic valuation studies, and other approaches such as those based on semiotic theory. We then review the findings of the recent literature on acceptance, attitudes and preferences for hydrogen and fuelcell end-use technologies, focusing on vehicles. These studies are then contrasted with related research into alternative fuel vehicles. The paper finally discusses the main trends in research and avenues for further work in this field. We recommend, among other things, the use of approaches that build knowledge and familiarity with the technology prior to the exploration of attitudes, and the set up of studies that take a whole-systems perspective of hydrogen technologies and that look at hydrogen in the context of other competing clean technologies.
In recent decades, better data and methods have become available for understanding the complex functioning of cities and their impacts on sustainability. This review synthesizes 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 emissions and energy use to cities and a reemergence of studies that focus on the direct and indirect material and resource flows in cities. The methodological approaches reviewed may consider cities as either producers or consumers, and all recognize that urban environmental impacts can be local, regional, or global. As well as giving an overview of the methodological debates, we examine the implications of the different approaches for policy and the challenges these approaches face in their application on the field.
The industry sector accounted for just over 30% of global GHG emissions in 2010 and scenarios envisage a continuing rise in demand for energy-intensive materials. This article sums up the most recent international analysis (IPCC, IEA, UNIDO, Global Energy Assessment) to give a broad view of the current prospects for reducing GHG emissions in industry. It does so from a global perspective, complementing where necessary where regional and sector-specific case studies. The article addresses the portfolio of options available, their technical and economic potentials, the experience in the use of policy instruments in industry, the synergies and tradeoffs that mitigation in the industry sector can have with other policy objectives, and the specific concerns of developing countries. Long-term decarbonisation pathways for the sector are also presented.
Transponder-based Aircraft Detection Lighting Systems (ADLS) are increasingly used in wind turbines to limit beacon operation times, reduce light emissions, and increase wind energy acceptance. The systems use digital technologies such as receivers of digital transponder signals, LTE/5G, and other information and communication technology. The use of ADLS will be mandatory in Germany both for new and existing wind turbines with a height of >100 m from 2023 (onshore) and 2024 (offshore), so a nationwide rollout is expected to start during 2022. To fully realize the benefits while avoiding risks and bottlenecks, a thorough and holistic understanding of the efforts required and the impacts caused along the life cycle of an ADLS is essential. Therefore, this study presents the first multi-aspect holistic evaluation of an ADLS. A framework for evaluating digital applications in the energy sector, previously developed by the authors, is refined and applied. The framework is based on multi-criteria analysis (MCA), life cycle assessment (LCA), and expert interviews. On an aggregated level, the MCA results show an overall positive impact from all stakeholders’ perspectives. Most positive impacts are found in the society and politics category, while most negative impacts are of technical nature. The LCA of the ADLS reveals a slightly negative impact, but this impact is negligible when compared to the total life cycle impact of the wind turbines of which the ADLS is a part. Besides the aggregated evaluation, detailed information on potential implementation risks, bottlenecks, and levers for life cycle improvement are presented. In particular, the worldwide scarcity of the required semiconductors, in combination with the general lack of technicians in Germany, lead to the authors’ recommendation for a limited prolongation of the planned rollout period. This period should be used by decision-makers to ensure the availability of technical components and installation capacities. A pooling of ADLS installations in larger regions could improve plannability for manufacturers and installers. Furthermore, an ADLS implementation in other countries could be supported by an early holistic evaluation using the presented framework.
The development of digital technologies is accelerating, enabling increasingly profound changes in increasingly short time periods. The changes affect almost all areas of the economy as well as society. The energy sector has already seen some effects of digitalization, but more drastic changes are expected in the next decades. Besides the very positive impacts on costs, system stability, and environmental effects, potential obstacles and risks need to be addressed to ensure that advantages can be exploited while adverse effects are avoided. A good understanding of available and future digital applications from different stakeholders' perspectives is necessary. This study proposes a framework for the holistic evaluation of digital applications in the energy sector. The framework consists of a combination of well-established methods, namely the multi-criteria analysis (MCA), the life cycle assessment (LCA), and expert interviews. The objective is to create transparency on benefits, obstacles, and risks as a basis for societal and political discussions and to supply the necessary information for the sustainable development and implementation of digital applications. The novelty of the proposed framework is the specific combination of the three methods and its setup to enable sound applicability to the wide variety of digital applications in the energy sector. The framework is tested subsequently on the example of the German smart meter roll-out. The results reveal that, on the one hand, the smart meter roll-out clearly offers the potential to increase the system stability and decrease the carbon emission intensity of the energy system. Therefore, the overall evaluation from an environmental perspective is positive. However, on the other hand, close attention needs to be paid to the required implementation and operational effort, the IT (information technology) and data security, the added value for the user, the social acceptance, and the realization of energy savings. Therefore, the energy utility perspective in particular results in an overall negative evaluation. Several areas with a need for action are identified. Overall, the proposed framework proves to be suitable for the holistic evaluation of this digital application.
Die Digitalisierung ist längst gelebte Praxis. Jeden Tag werden Milliarden an "digitalen" Handlungen ausgeführt. Beispielsweise werden täglich 207 Mrd. E-Mails verschickt, 8,8 Mrd. YouTube-Videos angesehen und 36 Mio. Amazonkäufe getätigt. Dabei nimmt die Geschwindigkeit, mit der neue Anwendungen entwickelt und etabliert werden, kontinuierlich zu. Es stellt sich also die Frage, was im Energiesektor zu erwarten ist und wie die Entwicklung zielgerichtet genutzt werden kann.
Im Vergleich zu den Jahrzehnten zuvor ist das Energiesystem heute durch eine hohe Dynamik gekennzeichnet und steht unter ständigem Veränderungsdruck. Im vorliegenden Artikel diskutieren die Autoren die Rolle der Digitalisierung in den derzeitigen Prozessen. Sie nutzen dafür die Mehr-Ebenen-Perspektive (Multi Level Perspective, MLP). Diese sieht Transformation als ein Zusammenspiel von externen und internen Faktoren an: Die äußeren übergeordneten Entwicklungen kreieren einen Veränderungsdruck auf das Regime von außen, welches infolgedessen aus der Balance geraten kann. Darüber hinaus eröffnen sich Möglichkeiten für zielgerichtete Veränderungen im System durch die erfolgreiche Etablierung von innovativen Ansätzen. Letzteres gilt gerade für die breiten Anwendungspotenziale der Digitalisierung.
Die beiden Autoren zeichnen die Transformationsprozesse im Energiesektor seit Beginn der Liberalisierung nach und blicken anschließend auf die Herausforderungen in der jetzigen Phase der Energiewende - darunter die Systemintegration erneuerbarer Energien in das Stromsystem und die digitale Vernetzung. Der Artikel schließt ab mit einer Analyse externer und interner Faktoren, die eine Digitalisierung des Energiesektors weiter vorantreiben.
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.
Im Energiesektor hat die Digitalisierung bereits viele Abläufe der Wertschöpfungskette verändert. Es besteht jedoch weiterhin erhebliches Potenzial zur Nutzung von digitalen Anwendungen. Insofern ist mit weiteren tiefgreifenden Veränderungen zu rechnen. Neben den zahlreichen Nutzen bestehen auch potenzielle negative Auswirkungen. Die so entstehenden Spannungsfelder müssen frühzeitig analysiert werden, um Lösungsoptionen für potenzielle Hindernisse zu erarbeiten um somit den größtmöglichen Nutzen der Digitalisierung erzielen zu können.
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.
The Paris Agreement introduces long-term strategies as an instrument to inform progressively more ambitious emission reduction objectives, while holding development goals paramount in the context of national circumstances. In the lead up to the twenty-first Conference of the Parties, the Deep Decarbonization Pathways Project developed mid-century low-emission pathways for 16 countries, based on an innovative pathway design framework. In this Perspective, we describe this framework and show how it can support the development of sectorally and technologically detailed, policy-relevant and country-driven strategies consistent with the Paris Agreement climate goal. We also discuss how this framework can be used to engage stakeholder input and buy-in; design implementation policy packages; reveal necessary technological, financial and institutional enabling conditions; and support global stocktaking and increasing of ambition.
Im Herbst 2018 wird das neue Energieforschungsprogramm (EFP) der Bundesregierung verabschiedet. Das Forschungsprojekt "Technologien für die Energiewende", kurz TF_Energiewende, hat hierfür eine wesentliche wissenschaftliche Basis geliefert. Für 31 Technologiefelder, die mehrere Hundert Technologien umfassen, analysierten die Projektpartner das Innovations- und Marktpotenzial, bewerteten Chancen und Risiken sowie den möglichen Beitrag der Technologien zur Umsetzung der Energiewende und zeigten Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf. Die nun veröffentlichten Ergebnisse dienen gleichzeitig als umfassendes Nachschlagewerk für Entscheider in Unternehmen, Forschungsabteilungen, Fördergeber und die interessierte Fachöffentlichkeit.
Der Politikbericht ist ein Ergebnis des Forschungsvorhabens "Technologien für die Energiewende", das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) als Teil des strategischen Leitprojekts "Trends und Perspektiven der Energieforschung" von 2016 bis 2018 gefördert wurde. Er enthält neben einer kurzen deutschen und englischen Einleitung vierseitige Zusammenfassungen zu jedem der 31 analysierten Technologiefelder und eine Kurzdarstellung der Bewertungsmethodik. Die Zusammenfassungen sind gegliedert nach Definition des Technologiefeldes, aktueller Stand der Technologie, ausgewählte Bewertungskriterien und F&E-Empfehlungen.
The study presents the results of an integrated assessment of carbon capture and storage (CCS) in the power plant sector in Germany, with special emphasis on the competition with renewable energy technologies. Assessment dimensions comprise technical, economic and environmental aspects, long-term scenario analysis, the role of stakeholders and public acceptance and regulatory issues. The results lead to the overall conclusion that there might not necessarily be a need to focus additionally on CCS in the power plant sector. Even in case of ambitious climate protection targets, current energy policy priorities (expansion of renewable energies and combined heat and power plants as well as enhanced energy productivity) result in a limited demand for CCS. In case that the large energy saving potential aimed for can only partly be implemented, the rising gap in CO2 reduction could only be closed by setting up a CCS-maximum strategy. In this case, up to 22% (41 GW) of the totally installed load in 2050 could be based on CCS. Assuming a more realistic scenario variant applying CCS to only 20 GW or lower would not be sufficient to reach the envisaged climate targets in the electricity sector. Furthermore, the growing public opposition against CO2 storage projects appears as a key barrier, supplemented by major uncertainties concerning the estimation of storage potentials, the long-term cost development as well as the environmental burdens which abound when applying a life-cycle approach. However, recently, alternative applications are being increasingly considered–that is the capture of CO2 at industrial point sources and biomass based energy production (electricity, heat and fuels) where assessment studies for exploring the potentials, limits and requirements for commercial use are missing so far. Globally, CCS at power plants might be an important climate protection technology: coal-consuming countries such as China and India are increasingly moving centre stage into the debate. Here, similar investigations on the development and the integration of both, CCS and renewable energies, into the individual energy system structures of such countries would be reasonable.
In dem Forschungsprojekt "Technologien für die Energiewende" (TF_Energiewende) bewertet ein Konsortium von drei Verbundpartnern und zehn Technologiepartnern unter der Federführung des Wuppertal Instituts seit Herbst 2016 den mittelfristigen Forschungs- und Entwicklungsbedarf für die zentralen Technologien, die im Rahmen der Energiewende derzeit und zukünftig benötigt werden.
For the option of “carbon capture and storage”, an integrated assessment in the form of a life cycle analysis and a cost assessment combined with a systematic comparison with renewable energies regarding future conditions in the power plant market for the situation in Germany is done. The calculations along the whole process chain show that CCS technologies emit per kWh more than generally assumed in clean-coal concepts (total CO2 reduction by 72-90% and total greenhouse gas reduction by 65-79%) and considerable more if compared with renewable electricity. Nevertheless, CCS could lead to a significant absolute reduction of GHG-emissions within the electricity supply system. Furthermore, depending on the growth rates and the market development, renewables could develop faster and could be in the long term cheaper than CCS based plants. Especially, in Germany, CCS as a climate protection option is phasing a specific problem as a huge amount of fossil power plant has to be substituted in the next 15 years where CCS technologies might be not yet available. For a considerable contribution of CCS to climate protection, the energy structure in Germany requires the integration of capture ready plants into the current renewal programs. If CCS retrofit technologies could be applied at least from 2020, this would strongly decrease the expected CO2 emissions and would give a chance to reach the climate protection goal of minus 80% including the renewed fossil-fired power plants.
Carbon capture and storage
(2009)
Considering the traditional coal-based energy infrastructure in the German state North Rhine-Westphalia the question arises how to face the needs of embanking climate change. To reduce greenhouse gas intensive electricity generation in the Ruhr area, the introduction of carbon capture and storage (CCS) is an option of particular relevance. The paper investigates and discusses possibilities of setting up a CCS infrastructure in NRW. It shall clarify whether, and possibly how, highly efficient conventional fossil fired power plants could be refitted with CO2 capture to flexibly react to potentially changing climate policy conditions and to keep up with the market.
Renewable energy can become the major energy supply option in low-carbon energy economies. Disruptive transformations in all energy systems are necessary for tapping widely available renewable energy resources. Organizing the energy transition from non-sustainable to renewable energy is often described as the major challenge of the first half of the 21st century. Technological innovation, the economy (costs and prices) and policies have to be aligned to achieve full renewable energy potentials, and barriers impeding that growth need to be removed. These issues are also covered by IPCC's special report on renewable energy and climate change to be completed in 2010. This article focuses on the interrelations among the drivers. It clarifies definitions of costs and prices, and of barriers. After reviewing how the third and fourth assessment reports of IPCC cover mitigation potentials and commenting on definitions of renewable energy potentials in the literature, we propose a consistent set of potentials of renewable energy supplies.
Recent trends in the German CCS debate : new players, arguments and legal framework conditions
(2010)
Um weltweit hochindustrialisierte, energieintensive Bundesländer und Regionen bei der Entwicklung und Umsetzung von innovativer Klimapolitik zu unterstützen, wurde die "Energy Transition Platform" ins Leben gerufen. Ziel ist der Austausch von Erfahrungen sowie eine Einflussnahme auf den internationalen Klimadialog. Für diesen Austausch- und Dialogprozess erarbeitete das Wuppertal Institut für die "Climate Group" die Fallstudie "Eine Industrieregion im Wandel - Energie- und klimapolitische Rahmenbedingungen, Strategien und Instrumente in NRW". In dem Bericht werden aktuelle energie- und klimapolitische Entwicklungen, Politikinstrumente und Modellprojekte dargestellt und diskutiert.
Die Fallstudie macht deutlich, dass Nordrhein-Westfalen bei der Umsetzung der Energiewende zwar vor besonderen Herausforderungen steht, die Modernisierung des Energiesystems und des Industriestandortes NRW jedoch mit Hilfe eines vielfältigen Instrumentariums systematisch und intensiv angeht. Eine solche proaktive und langfristig ausgelegte Herangehensweise ist zentrale Voraussetzung dafür, dass die bevorstehende Transformation letztlich nicht zu einem kaum steuerbaren Strukturbruch in NRW und seinen Regionen und Kommunen führt, sondern zu einem schrittweisen Strukturwandel, der von Politik, Wirtschaft und Gesellschaft gemeinsam gestaltet wird.
The future belongs to the youth, but do they really have a say in it? Learning processes with regard to a successful socio-ecological change must start in childhood and adolescence in order to succeed in social transformation. The youth cannot be a passive part in a changing society - they have to be actively included in its design. When allowed to participate, young people can make important and effective contributions - which should not be reduced to sub-projects and opportunity structures. In a socio-political context, participation means involvement, collaboration, and commitment. In the context of intra- and inter-generational equity, as the core part of sustainable development, participation strategies should be developed that allow for a permanent and purposeful involvement of children and adolescents. Participation of young people is an important and appropriate step in strengthening those who are so strongly affected by the planning processes but are otherwise powerless. A successful involvement and participation of non-professional actors requires a target group-oriented method, a supportive culture of participation, as well as clarity and decision latitude. Abiding by these rules leads to central results.
Ein CO2-Preis ist ein zentrales Instrument, um eine umfassende Dekarbonisierung der Wirtschaft zu ermöglichen und zu erleichtern. Sie kann durch verschiedene Instrumente umgesetzt werden, insbesondere in Form einer CO2-Steuer. Es ist jedoch wichtig, dass ein CO2-Preis allein - aufgrund der vielfältigen Hindernisse (einschließlich nicht ökonomischer Hemmnisse) - die sektoralen Ziele und Instrumente nicht ersetzen kann. Vielmehr muss er komplementär zu sektorspezifischen Klimaschutzinstrumenten eingeführt werden. Der Artikel gibt Auskunft darüber, wie ein CO2-Preis konkret und angemessen ausgestaltet werden kann.
Dieses Wuppertal Paper dient dazu, a) die mögliche Klimaschutzwirkung eines CO2-Preises zu analysieren, allein und im Gesamtpaket von Instrumenten zum Klimaschutz, b) die Möglichkeiten der Mittelverwendung zu analysieren und zu bewerten, c) dadurch den Dschungel der Argumente und Motivationen in den bestehenden Vorschlägen zu lichten und d) aus der Analyse ein Modell zu skizzieren, das den Anforderungen von Klimaschutz und sozialer Gerechtigkeit sowie Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit am besten gerecht wird und damit der Bundesregierung als Anregung bei der Entscheidung über Einführung und Ausgestaltung eines CO2-Preises dienen kann.
In dem Papier werden diese Fragen anhand von neun Thesen mit einem abschließenden Fazit ergründet. Daraus wird deutlich:
Ein CO2-Preis kann sektorale Ziele und Instrumente nicht ersetzen. Seine volle Wirkung kann er nur entfalten, wenn er komplementär zu sektorspezifischen Klimaschutzinstrumenten eingeführt wird. Nur wenn für diese Instrumente ein guter Teil der Einnahmen aus der CO2-Steuer eingesetzt wird, sind die Klimaziele erreichbar. Die Ziele werden dadurch mit weitaus geringerem CO2-Preis bei gleichzeitig höheren Kostenentlastungen für Verbraucherinnen und Verbraucher, Unternehmen und sogar die öffentlichen Haushalte erreichbar, als wenn die Politik allein auf einen CO2-Preis setzen würde.
The energy potential of agricultural residues in Tanzania has so far not been evaluated and quantified sufficiently. Moreover, the scientific basis for estimations of the sustainable potential of wastes and residues is still very limited. This paper presents an attempt to evaluate the theoretical and technical potential of residues from the sisal sector in Tanzania with regards to energy recovery through anaerobic digestion. The characteristics and availability of sisal residues are defined and a set of sustainability indicators with particular focus on environmental and socio-economic criteria is applied. Our analysis shows that electricity generation with sisal residues can be sustainable and have positive effects on the sustainability of sisal production itself. All sisal residues combined have an annual maximum electricity potential of 102 GW h in 2009, corresponding to up to 18.6 MW of potential electric capacity installations. This estimated maximum potential is equivalent to about 3 % of the country's current power production. Utilizing these residues could contribute to meeting the growing electricity demand and offers an opportunity for decentralized electricity production in Tanzania.
Der Ölpreis wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Die OPEC spielt bei der Preisbildung derzeit nur eine geringe Rolle. Ein Peak Oil wird die Ölpreise stark beeinflussen und zahlreiche Ausweichdynamiken in Gang setzen, die in ihrer Struktur und Quantität bisher jedoch meist unverstanden sind. Ein ökonomischer Ansatz zu deren Bewertung greift aufgrund vorliegender nicht-ökonomischer Hemmnisse zu kurz. Eine Folge von Rohstoffverknappungen ist eine steigende Energieunsicherheit auf globaler Ebene. Daher ist ein grundsätzlicher Umbau der heutigen Versorgungsstrukturen geboten, um in Zukunft besser gegen strukturelle Unsicherheiten gerüstet zu sein.
Decarbonisation of energy systems requires deep structural change. The purpose of this research was to analyse the rates of change taking place in the energy systems of the European Union (EU), in the light of the EU's climate change mitigation objectives. Trends on indicators such as energy intensity and carbon intensity of energy were compared with decadal benchmarks derived from deep decarbonisation scenarios for the electricity, residential, transport, and industry sectors. The methodology applied provides a useful and informative approach to tracking decarbonisation of energy systems. The results show that the EU has made significant progress in decarbonising its energy systems. On a number of indicators assessed the results show that a significant acceleration from historical levels is required in order to reach the rates of change seen on the future benchmarks for deep decarbonisation. The methodology applied provides an example of how the research community and international organisations could complement the transparency mechanism developed by the Paris Agreement on climate change, to improve understanding of progress toward low-carbon energy systems.
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.
The CO2 utilisation is discussed as one of the future low-carbon technologies in order to accomplish a full decarbonisation in the energy intensive industry. CO2 is separated from the flue gas stream of power plants or industrial plants and is prepared for further processing as raw material. CO2 containing gas streams from industrial processes exhibit a higher concentration of CO2 than flue gases from power plants; consequentially, industrial CO2 sources are used as raw material for the chemical industry and for the synthesis of fuel on the output side. Additionally, fossil resources can be replaced by substitutes of reused CO2 on the input side. If set up in a right way, this step into a CO2-based circular flow economy could make a contribution to the decarbonisation of the industrial sector and according to the adjusted potential, even rudimentarily to the energy sector.
In this study, the authors analyse potential CO2 sources, the potential demand and the range of applications of CO2. In the last chapter of the final report, they give recommendations for research, development, politics and economics for an appropriate future designing of CO2 utilisation options based upon their previous analysis.
Wie misst man ein Feuerwerk?
(2018)
Der Verkehrssektor ist keineswegs der einzige, jedoch ein wesentlicher Verursacher der Klimaprobleme. Der Automobilverkehr als traditioneller Hauptbelaster im Verkehrsbereich zeigt zwar vergleichsweise positive Tendenzen, trotzdem ist auch hier noch erheblicher weiterer Handlungsbedarf gegeben. Das Wuppertal Institut hat hier in übersichtlicher und systematischer Form Stand und Perspektiven zusammengetragen. Nach einer ausführlichen Einbettung in den Klimadiskurs erfolgt die schrittweise Konzentration auf den PKW-Verkehr Deutschlands. Für diesen Bereich werden im Detail die denkbaren technischen Ansätze und die möglichen Umsetzungsmaßnahmen erörtert.
Im Zentrum dieser Untersuchung steht die Aufbereitung der Erfahrungen mit den Elektrofahrzeugen in Einzelprojekten der Modellregionen Phase I hinsichtlich der energiebezogenen Parameter und der nach Fahrzeugsegmenten differenzierte Vergleich mit herkömmlichen Fahrzeugen. In der Literatur finden sich für die Klimabilanz von Elektrofahrzeugen unterschiedliche Bewertungsmethoden, deren Ergebnisse kurzfristig stark streuen und sich erst mittel- bis längerfristig perspektivisch annähern. In der vorliegenden Untersuchung werden drei Varianten zur Bilanzierung der klimarelevanten Emissionen gerechnet: a) Werden Elektrofahrzeuge mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, ist ihre Klimabilanz deutlich besser als diejenige fossil betriebener Pkw. Wann, inwieweit und unter welchen Voraussetzungen (Herkunftsnachweis) eine direkte Zuordnung des Fahrstroms zu einer Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien möglich ist, ist heute allerdings umstritten. b) Unter pragmatischen Gesichtspunkten bietet die Strommixmethode eine gute Orientierung für die klimabezogene Bewertung von Elektrofahrzeugen. Aufgrund der auf der Zeitachse planungsgemäß zunehmenden Anteile erneuerbarer Energien im Strommix führt dies für die Zeiten, in denen eine signifikante Durchdringung mit Elektrofahrzeugen zu erwarten ist, zu einer gegenüber heute deutlichen Verbesserung der spezifischen CO2-Emissionen und respektive Vorteilen gegenüber mit fossilen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen. c) Legt man dem Kraftwerkseinsatz Merit Order als Regel des ökonomischen Betriebs zugrunde und betrachtet den Stromverbrauch von Elektrofahrzeugen als "zusätzlichen" Verbrauch gegenüber einem Zustand ohne Elektrofahrzeuge, stellt sich die Klimabilanz nicht so günstig dar.
On behalf of the Port of Rotterdam Authority, the Wuppertal Institute developed three possible pathways for a decarbonised port of Rotterdam until 2050. The port area is home to about 80 per cent of the Netherlands' petrochemical industry and significant power plant capacities. Consequently, the port of Rotterdam has the potential of being an international leader for the global energy transition, playing an important role when it comes to reducing CO2 emissions in order to deliver on the EU's long-term climate goals.
The three decarbonisation scenarios all built on the increasing use of renewables (wind and solar power) and the adoption of the best available technologies (efficiency). The analysis focuses on power plants, refineries and the chemical industry, which together are responsible for more than 90 per cent of the port area's current CO2 emissions.
The decarbonisation scenarios describe how CO2 emissions could be reduced by 75 to 98 per cent in 2050 (compared to 2015). Depending on the scenario, different mitigation strategies are relied upon, including electrification, closure of carbon cycles or carbon capture and storage (CCS). The study includes recommendations for local companies, the Port Authority as well as policy makers. In addition, the study includes a reference scenario, which makes it clear that a "business as usual" mentality will fall well short of contributing adequately to the EU's long-term climate goals.
Mit dem Kernenergieunfall im japanischen Fukushima im März 2011 ist die Diskussion über das Für und Wider der Nutzung der Kernenergie für die Stromerzeugung in Deutschland neu entbrannt. Die Frage nach den Auswirkungen eines beschleunigten Ausstiegs aus der Kernenergienutzung auf die Entwicklung der Strompreise in Deutschland bildete in den vergangenen Monaten einen Schwerpunkt der öffentlichen Diskussion. Allerdings halten nicht alle Aussagen, die hierzu veröffentlicht wurden, einer kritischen Analyse stand, was zum Teil auch an zugrunde liegenden politischen Motiven gelegen haben mag. Eine Untersuchung fundierter Studien und ausgewählter Stellungnahmen zeigt, dass sich die befürchteten kurzfristigen Preiseffekte in ü̈berschaubaren Grenzen halten werden.
Die Erkenntnisse der Klimaforschung sind eindeutig: Um das im Pariser Klimaabkommen vereinbarte Ziel der Begrenzung der Erderwärmung auf "deutlich unter 2 °C" noch einhalten zu können, müssen die globalen Treibhausgasemissionen umgehend ihren Scheitelpunkt erreichen und anschließend kontinuierlich und steil zurückgehen. Dies gilt umso mehr für die ebenfalls im Pariser Klimaabkommen vereinbarte Absicht, die Erwärmung möglichst sogar unter 1,5 °C zu halten. Durch eine entsprechende Begrenzung der Erderwärmung kann nach aktuellem Wissensstand die Gefahr des Auslösens gefährlicher Kipppunkte und einer sich selbst verstärkenden Erwärmung deutlich vermindert werden.
Die vorliegende Studie im Auftrag des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes NRW liefert zunächst in Kapitel 2 einen Überblick über wichtige grundsätzliche Zusammenhänge, die für eine Diskussion der Strompreiseffekte eines beschleunigten Ausstiegs zu berücksichtigen sind und stellt etwaige Preiswirkungen in den größeren Zusammenhang weiterer, ggf. auch positiver ökonomischer Wirkungen einer beschleunigten Energiewende. In Kapitel 3 werden anschließend die bisher öffentlich verfügbaren Untersuchungen und wissenschaftlichen Stellungnahmen zu der Frage der zu erwartenden Strompreiseffekte einzeln vorgestellt und bewertet. Das Fazit in Kapitel 4 fasst schließlich den aus den verschiedenen Studien und Stellungnahmen abgeleiteten aktuellen Wissensstand zur Untersuchungsfrage zusammen und geht kurz auf mögliche politische Maßnahmen zur Begrenzung der Strompreiseffekte sowie der damit potenziell verbundenen negativen Auswirkungen ein.
Die sog. Klimapfadestudie und ihre Szenarien haben in der Öffentlichkeit ein breites Echo gefunden, nicht zuletzt weil der BDI damit erstmals eine eigene detaillierte Untersuchung der Machbarkeit der deutschen Klimaschutzziele vorlegt und offensiv in die Diskussionen um die langfristige Transformation des Energiesystems einsteigt. Während der BDI in der Mai-Ausgabe der "et" bereits wesentliche Ergebnisse vorgestellt hat, werden die Szenarien der Studie in diesem Artikel mit anderen vorliegenden Klimaschutzszenarien verglichen.
Technologischer Wandel ist wichtig für die Umsetzung und den Erfolg der Energiewende, deswegen strebt die Bundesregierung mit ihrer Politik auch eine positive Innovationswirkung an. Doch welche Auswirkungen hat der politisch angestoßene Wandel des Energiesystems wirklich und welche Dynamiken werden durch ihn induziert? Eine aktuelle Studie untersucht die Sicht auf die Energiepolitik und Innovationsaktivitäten in der Energiewirtschaft und Energietechnologie-Branche. Sie zeigt die durch die Energiewende getriebenen Innovationsdynamiken, aber auch Schwierigkeiten und Herausforderungen für Politik und Unternehmen auf.
Gesellschaftliche Akzeptanz
(2015)
Relevante Fragen rund um die Möglichkeiten und Erfordernisse der Reduzierung und Beendigung der Kohleverstromung werden seit mehreren Jahren diskutiert. Dabei sind eine Fülle von Strategien, Analysen und Argumenten entwickelt worden, wie die Reduzierung und Beendigung der energetischen Nutzung von Kohle auf der Zeitachse umgesetzt und strukturpolitisch flankiert werden könnte. Der vorliegende "Kohle-Reader" greift die vorliegenden Analysen auf und gibt einen Überblick über den Diskussionsstand. Er soll über Fakten und Zusammenhänge informieren, das Für und Wider für einzelne Handlungsoptionen benennen und dazu den jeweiligen wissenschaftlichen Hintergrund aufzeigen. Er hat den Anspruch wissenschaftlich-neutral zu sein und er soll in Sprache und Darstellung prägnant und für die nicht zuvor im Detail mit den Themen befassten Leserinnen und Leser gut verständlich sein, ohne unzulässig zu verkürzen oder zuzuspitzen.
Phasing out coal in the German energy sector : interdependencies, challenges and potential solutions
(2019)
Relevant aspects of the options and requirements for reducing and phasing out coal-fired power generation have been under debate for several years. This process has produced a range of strategies, analyses and arguments, outlining how coal use in the energy sector could be reduced and phased out in the planned time frame, and determining structural policy measures suitable to support this. This Coal Report studies the existing analyses and provides an overview of the state of debate. It is intended to provide information on facts and contexts, present the advantages and disadvantages of individual courses of action, and reveal the respective scientific backgrounds. It strives to take a scientific and independent approach, and present facts in concise language, making it easy to follow for readers who are not experts in the field, without excessive abridgements or provocative statements.
Das Kopernikus-Projekt "ENavi" hat im Forschungsschwerpunkt "Transformation des Stromsystems" untersucht, wie der Stromsektor zur Erreichung der Klimaziele beitragen kann. Aktuell gilt es, den Kohleausstieg ökonomisch effizient und ökologisch zu organisieren. Seine Ergebnisse hat das Team der von der Bundesregierung eingesetzten Kommission für Wachstum, Strukturwandel und Beschäftigung ("Kohlekommission") präsentiert.
Szenarien spielten und spielen eine zentrale Rolle für die Gestaltung der Energiewende. Sie beschreiben dabei auf konsistente Weise die mögliche zukünftige Entwicklung des Systems unter bestmöglicher Berücksichtigung des aktuellen Wissens bezüglich des Systems, d.h. der internen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen der Systemkomponenten, aber auch die Abhängigkeit der Systementwicklung von äußeren Faktoren. Damit liefern Szenarien Leitplanken für zentrale technisch-strukturelle, energiepolitische, ökonomische und gesellschaftliche Weichenstellungen, die einen zielgerichteten Transformationsprozess flankieren müssen.
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 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.
Die Entscheidung für ein von volatilen Erzeugungsquellen dominiertes Stromsystem stellt an die Stabilisierung des Systems neue Anforderungen. Zugleich bieten sich neue Optionen. Die bisherige Asymmetrie, nach der für die Stabilisierung die Kraftwerksseite verantwortlich sei, ist überkommene Praxis, deswegen auch heute habituell naheliegend, aber vermutlich nicht länger effizient. Die im Titel genannten nachfrageseitigen Ausgleichsoptionen (SE & DSM) bieten sich an. Im Beitrag wird deren Potential abgeschätzt. In vier Gestaltungsfeldern wird zudem gefragt, ob die bislang von der Politik gegebenen rechtlichen Mandate konsequent SE & DSM als Option berücksichtigen. Das Ergebnis ist viermal (weitgehende) Fehlanzeige.
Ausgangspunkt einer Bewertung des Standes der Energiewende ist die Verständigung darüber, was sie konkret umfasst. Hier bietet sich die Zielmatrix des Energiekonzepts der Bundesregierung vom Herbst 2010 an, die allerdings um folgende Punkte zu erweitern ist: vollständiger Ausstieg aus der Atomenergie bis zum Jahr 2022; Steigerung des Anteils der Kraft-Wärme-Kopplung an der gesamten Stromerzeugung bis 2020 auf 25 Prozent.
Using natural gas for fuel releases less carbon dioxide per unit of energy produced than burning oil or coal, but its production and transport are accompanied by emissions of methane, which is a much more potent greenhouse gas than carbon dioxide in the short term. This calls into question whether climate forcing could be reduced by switching from coal and oil to natural gas. We have made measurements in Russia along the world's largest gas-transport system and find that methane leakage is in the region of 1.4%, which is considerably less than expected and comparable to that from systems in the United States. Our calculations indicate that using natural gas in preference to other fossil fuels could be useful in the short term for mitigating climate change.
Die Europäische Union (EU) hat erkannt, dass das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 ein zentraler Innovations- und Wachstumsmotor für Industrie und Wirtschaft in der EU sein kann. Neben großen Chancen stellt dies die europäische Wirtschaft und überwiegend die besonders emissionsintensiven sowie im international starkem Wettbewerb stehenden Grundstoffindustrien auch vor erhebliche Herausforderungen.
Eine integrierte Klima- und Industriestrategie ist für den Klimaschutz von zentraler Bedeutung, da auf die Produktion von Stahl, Zement, Grundstoffchemikalien, Glas, Papier und anderen Materialien in der EU und weltweit rund 20 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen entfallen. Auch in einer treibhausgasneutralen Zukunft kann auf diese Materialien nicht verzichten werden. Zugleich ist die emissionsfreie Herstellung der Materialien technologisch sowie mit Blick auf die dafür erforderlichen Infrastrukturen besonders herausfordernd. Dies gilt vor allem für die Frage woher die hohen benötigten Mengen an grüner Energie - insbesondere Strom und Wasserstoff - zu wettbewerbsfähigen Preisen kommen sollen. Analysen zeigen, dass trotz erheblicher Kosten bei der Prozessumstellung die Kosten der Transformation der Grundstoffindustrie für die Gesellschaft insgesamt tragbar sind. Denn bezogen auf die Endprodukte betragen die Mehrkosten meist nur wenige Prozentpunkte; die Preise von Rohstahl oder Zement dagegen würden sich zwischen einem Drittel und 100 Prozent verteuern. Da fast alle Grundstoffhersteller in starker Weltmarktkonkurrenz stehen, können sie die Investitionen in eine klimaneutrale Produktion und die benötigten Energieinfrastrukturen aber nicht ohne Unterstützung tragen.
Das vorliegende Papier skizziert ein integriertes Klima-Industriepolitikpaket, das der EU ermöglichen kann, die bestehende technologische Führung in vielen dieser Industrien zielgerichtet zum Aufbau einer treibhausgasneutralen Grundstoffindustrie zu nutzen.
The European Union (EU) has established that the goal of achieving climate neutrality by 2050 as a key driver of innovation and growth for industry and the economy in the EU. In addition to offering great opportunities, this also poses considerable challenges for the European economy and, for the most part, for basic industries, which are particularly emission-intensive and face strong international competition.
An integrated climate and industry strategy is of central importance to protecting the climate, since the production of steel, cement, basic chemicals, glass, paper, and other materials in the EU and worldwide accounts for roughly one fifth of total greenhouse gas emissions. Even in a greenhouse gas-neutral future, we will not be able to fully eliminate our need for these materials. At the same time, it is particularly challenging to produce these materials without creating emissions given the state of technology and the necessary infrastructures. This applies above all to the question of how large amounts of green energy, including electricity and hydrogen, can be produced at competitive prices. Analyses show that despite the considerable costs involved in process changeover, the costs of transforming the raw materials industry are acceptable to society as a whole, given that the additional costs usually only increase the price of the end products by a few percentage points. However, in the case of crude steel or cement, the price would increase by between one third and 100 per cent. Since almost all raw materials manufacturers face strong global market competition, in most cases they are not able to bankroll the investments in climate-neutral production and the required energy infrastructure without outside support.
This paper outlines an integrated climate industrial policy package that allows the EU to utilise its existing technological leadership in many of these industries to build a greenhouse gas-neutral raw materials industry.
Weltweit trägt die Industrie direkt und indirekt etwa über ihren Bezug von Strom und Wärme rund 30 bis 40 Prozent zu den Treibhausgasemissionen bei. Auch in Deutschland liegt ihr Beitrag in einer ähnlichen Größenordnung1. Dabei sind insbesondere die Grundstoffindustrien (Stahl, Zement, Grundstoffchemie, Glas, Aluminium, Papier und andere) besonders energie- und emissionsintensiv. Gleichzeitig basiert der Energieeinsatz dieser Industrien bisher noch überwiegend auf fossilen Energien (und Müll). Zu den energiebedingten Emissionen kommen prozessbedingte Emissionen hinzu, die sich bei den heute üblichen Verfahren selbst bei Einsatz vollständig "grüner" Energien nicht vermeiden lassen. Grundstoffindustrien stellen Materialien für die Herstellung und Verarbeitung von Produkten zur Verfügung. Sie sind daher kein Selbstzweck, sondern tragen letztlich damit dazu bei, vielfältige Bedürfnisse abzudecken.