Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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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)