Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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This study conducted by Wuppertal Institute and Germanwatch explores how the social pillar of sustainability at the local level could be met in Concentrated Solar Power (CSP) projects. For this purpose, the authors evaluate the livelihood dimension of CSP technology based on a case study conducted on the 160 MW pilot CSP plant Nooro I in Ouarzazate, Morocco.
The German government has set itself the target of reducing the country's GHG emissions by between 80 and 95% by 2050 compared to 1990 levels. Alongside energy efficiency, renewable energy sources are set to play the main role in this transition. However, the large-scale deployment of renewable energies is expected to cause increased demand for critical mineral resources. The aim of this article is therefore to determine whether the transformation of the German energy system by 2050 ("Energiewende") may possibly be restricted by a lack of critical minerals, focusing primarily on the power sector (generating, transporting and storing electricity from renewable sources). For the relevant technologies, we create roadmaps describing a number of conceivable quantitative market developments in Germany. Estimating the current and future specific material demand of the options selected and projecting them along a range of long-term energy scenarios allows us to assess potential medium- or long-term mineral resource restrictions. The main conclusion we draw is that the shift towards an energy system based on renewable sources that is currently being pursued is principally compatible with the geological availability and supply of mineral resources. In fact, we identified certain sub-technologies as being critical with regard to potential supply risks, owing to dependencies on a small number of supplier countries and competing uses. These sub-technologies are certain wind power plants requiring neodymium and dysprosium, thin-film CIGS photovoltaic cells using indium and selenium, and large-scale redox flow batteries using vanadium. However, non-critical alternatives to these technologies do indeed exist. The likelihood of supplies being restricted can be decreased further by cooperating even more closely with companies in the supplier countries and their governments, and by establishing greater resource efficiency and recyclability as key elements of technology development.
The book shows that the implementation of a sustainable energy strategy in Iran provides the opportunity for further economic and social development. In this context, the aim of the book is to provide some of the analyses needed to rethink the country’s energy strategy and to grasp the chances. The authors hope to make a contribution to the emerging and rapidly growing discussion on better energy alternatives and the respective opportunities for investment, innovation and modernization. The work presented in the book should provide ideas for such opportunities and create a vision of how this could contribute towards developing a more sustainable, efficient and prosperous future energy system for Iran.
The book is based on long-term academic cooperation between Iranian researchers from several universities and the Iranian Energy Association and German researchers from the Wuppertal Institute, Büro Ö-quadrat and the University of Osnabrück. The book in hand is an important result of the collaboration. So its publication lends itself to taking stock of these twelve years of continued cooperation.
Flexibilitätskonzepte für die Stromversorgung 2050 : Technologien, Szenarien, Systemzusammenhänge
(2015)
Als Beitrag zum globalen Klimaschutz soll die Stromversorgung in Deutschland überwiegend auf erneuerbare Energien umgestellt werden. Die vorliegende Analyse zeigt Möglichkeiten auf, wie das System gestaltet werden kann. Mehr als 100 Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben ihre Expertise eingebracht.
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) adressiert die Energieeffizienz sowohl der Gebäudehülle als auch der Anlagentechnik - die Anlagen ihrerseits werden mit Energieträgern betrieben, die mittels Primärenergiefaktoren (PEF) untereinander vergleichbar gemacht werden. Im Rahmen der EnEV müssen bestimmte Grenzwerte bei den Bauteilen und / oder beim Primärenergiebedarf des Gesamtgebäudes eingehalten werden. Da die Primärenergiefaktoren einen entscheidenden Einfluss auf die Größe des zu berechnenden Jahres-Primärenergiebedarfs haben, hat ihre Festlegung Auswirkung auf die Wahl von Heizungstechnologien und deren Energieträger bzw. auf das Binnenverhältnis von Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bei Gebäudehülle und Anlagentechnik. Vor diesem Hintergrund werden in der Studie die Definition und Bedeutung der Primärenergiefaktoren sowie ihre Steuerungswirkung in Richtung Klimaschutzziele (CO2) und weiterer Ziele untersucht. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass insbesondere aus den folgenden beiden Gründen eine Neujustierung beim PEF im Rahmen der EnEV erforderlich scheint:
1) Der Primärenergiefaktor ist in vielen Fällen kein geeignetes Maß zur Bestimmung der Treibhausgasemissionen eines Heizungssystems oder eines Endenergieträgers und hat damit in Bezug auf den Klimaschutz nur eine bedingte Lenkungswirkung.
2) Primärenergiefaktoren (PEFne), die Null betragen (Beispiel Fernwärme), nahe Null liegen (Beispiel Holz) oder perspektivisch gegen Null laufen (Beispiel Strom), verlieren ihre Steuerungswirkung für die Energieeffizienz von Gebäuden. Auch wenn dadurch die formalen Ansprüche an die Bilanzierung von Gebäuden erfüllt werden, werden doch andere wichtige Aspekte wie z. B. die Ressourcenverfügbarkeit und Importabhängigkeit von Energieträgern oder andere mit der Primärenergiebereitstellung verbundene Effekte vernachlässigt.
In dem Diskussionspapier werden daher erste Ansätze skizziert, wie der PEF in der EnEV methodisch sinnvollerweise weiterentwickelt werden könnte bzw. ob ggf. weitere oder andere Indikatoren zur Charakterisierung der ökologischen Performance von Gebäuden herangezogen werden sollten.
Technical summary
(2015)
The German federal state of North Rhine-Westphalia (NRW) is home to one of the most important industrial regions in Europe, and is the first German state to have adopted its own Climate Protection Law (CPL). This paper describes the long-term (up to 2050) mitigation scenarios for NRW’s main energy-intensive industrial sub-sectors which served to support the implementation of the CPL. It also describes the process of scenario development, as these scenarios were developed through stakeholder participation. The scenarios considered three different pathways (best-available technologies, break-through technologies, and CO2 capture and storage). All pathways had optimistic assumptions on the rate of industrial growth and availability of low-carbon electricity. We find that a policy of "re-industrialisation" for NRW based on the current industrial structures (assumed here to represent an average growth of NRWs industrial gross value added (GVA) of 1.6% per year until 2030 and 0.6% per year from 2030 to 2050), would pose a significant challenge for the achievement of overall energy demand and German greenhouse gas (GHG) emission targets, in particular as remaining efficiency potentials in NRW are limited. In the best-available technology (BAT) scenario CO2 emission reductions of only 16% are achieved, whereas the low carbon (LC) and the carbon capture and storage (CCS) scenario achieve 50% and 79% reduction respectively. Our results indicate the importance of successful development and implementation of a decarbonised electricity supply and breakthrough technologies in industry - such as electrification, hydrogen-based processes for steel, alternative cements or CCS - if significant growth is to be achieved in combination with climate mitigation. They, however, also show that technological solutions alone, together with unmitigated growth in consumption of material goods, could be insufficient to meet GHG reduction targets in industry.
This article presents an integrated assessment conducted in order to explore whether carbon capture and storage (CCS) could be a viable technological option for significantly reducing future CO2 emissions in South Africa. The methodological approach covers a commercial availability analysis, an analysis of the long-term usable CO2 storage potential (based on storage capacity assessment, energy scenario analysis and source-sink matching), an economic and ecological assessment and a stakeholder analysis. The findings show, that a reliable storage capacity assessment is needed, since only rough figures concerning the effective capacity currently exist. Further constraints on the fast deployment of CCS may be the delayed commercial availability of CCS, significant barriers to increasing the economic viability of CCS, an expected net maximum reduction rate of the power plant's greenhouse gas emissions of 67%-72%, an increase in other environmental and social impacts, and low public awareness of CCS. One precondition for opting for CCS would be to find robust solutions to these constraints, taking into account that CCS could potentially conflict with other important policy objectives, such as affordable electricity rates to give the whole population access to electricity.
Water is a basis for life and ecosystem health. And water, especially in regions affected by water scarcity, is a highly contested and politicised natural resource. The state-of-the-art in sustainable water resources management requires collaborative approaches that foster the integration of conflicting interests of multiple stakeholders. Achieving integration in complex and contested real life situations however remains a major challenge. Boundary work can facilitate this ambitious goal. This study evolves boundary work science to improve collaboration in the water sector. It develops a framework for boundary work that enables understanding, structuring and approaching barriers for collaborative water resources management. A case study from the Garden Route region, South Africa gives a grounded basis for the conceptual developments and further provides in-depth insights into reasons and obstacles for collaborative water resources management in a contested local case. The case study serves both: An intrinsic analysis of a conflictive case, and conceptual developments to the boundary work framework - tested against local realities.
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.
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.
Brasiliens Nachfrage nach Strom ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Auch für die kommenden Jahre ist mit einer weiteren Steigerung von jährlich etwa 3,5 Prozent der Nachfrage zu rechnen. Dies stellt das Land vor eine große Herausforderung. Zusätzlich steht die auf Wasserkraft basierende Stromerzeugung des Landes aufgrund geringer Niederschläge und Wasserstandsmengen vor einem Engpass. Deshalb kommen fossilthermische Reservekraftwerke insbesondere seit dem vergangenen Jahr verstärkt zum Einsatz und verteuern die Stromerzeugung erheblich.
Auch der Ausbau nicht-konventioneller Erneuerbarer Energien zur Diversifizierung der Strommatrix läuft in Brasilien nur sehr langsam an. Eine Planung zur systematischen Integration verschiedener Erneuerbarer Energieträger findet bislang aber nicht statt.
Ziel der Studie ist es deshalb, das zusätzliche THG-Einsparpotenzial durch die systematische Integration von Erneuerbaren Energien, gegenüber dem Business as Usual Szenario (Ausbau der Erneuerbaren ohne systematische Integration) zu ermitteln und in einer Broschüre für ein breites Publikum aufzuarbeiten.
Suffizienz
(2015)
Im Rahmen einer strategischen Partnerschaft zwischen Deutschland und Brasilien verfolgt die Zusammenarbeit für Nachhaltige Entwicklung (ZnE) das beidseitige Interesse, die Klima- und Biodiversitätsziele Brasiliens zu erreichen. Die Schwerpunkte der deutsch-brasilianischen Zusammenarbeit liegen auf den Bereichen Schutz und nachhaltige Nutzung der brasilianischen Tropenwälder und Erneuerbaren Energien und Energieeffizienz.
Im Schwerpunkt Energie kooperieren GIZ und KfW im Auftrag des BMZ seit 2009 mit brasilianischen Partnern. Die Zusammenarbeit beruht hierbei auf zentralen Hypothesen bezüglich zu erwartender Wirkungen im Hinblick auf die brasilianische Energiematrix, die Reduktion von Treibhausgasemissionen, die Schaffung geeigneter Rahmenbedingungen für erneuerbare Energien und Energieeffizienz, sowie die Entstehung neuer Märkte.
Ziel ist, mit den von deutscher Seite eingesetzten Ressourcen einen höchstmöglichen Mehrwert in den Bereichen Klimaschutz und Biodiversität zu erreichen. Ein zusätzlicher Aspekt der Zusammenarbeit ist die Förderung neuer Märkte für international wettbewerbsfähige Zweige der deutschen und europäischen Wirtschaft.
Inwieweit die unternommenen Maßnahmen zu den erwarteten Wirkungen beitragen, und wie sie weiterentwickelt werden könnten, wurde im Rahmen dieser Studie in Zusammenarbeit mit dem brasilianischen Partnerinstitut COPPE der Universität Rio de Janeiro anhand von ausgewählten Projekten aus verschiedenen Technologiebereichen untersucht. Diese Studie dient neben der kritischen Betrachtung von abgeschlossenen und laufenden Vorhaben der ZnE auch der künftigen strategischen Ausrichtung der technischen und finanziellen Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Brasilien.
Energy systems with high shares of renewable electricity are feasible, but require balancing measures such as storage, grid exchange or demand-side management to maintain system stability. The demand for these balancing options cannot be assessed separately since they influence each other. Therefore, a model was developed to analyze these mutual dependencies by optimizing a concerted use of balancing technologies. This model is presented here. It covers the European electricity system in hourly resolution. Since this leads to a large optimization problem, several options for reducing system complexity are presented. The application of the model is illustrated with a case study outlining the effects of pumped hydro storage and controlled charging of electric vehicles in central Europe.
The Deep Decarbonization Pathways Project (DDPP) is a collaborative global initiative led by IDDRI and SDSN that aims to demonstrate how individual countries can transition to a low-carbon economy preferably consistent with the internationally agreed target of limiting the increase in global temperature to less than 2°C. Achieving this target will require a profound transformation of energy systems by mid-century, a "deep decarbonization". The project comprises 16 research teams composed of leading institutions from the world's largest GHG emitting countries: Australia, Brazil, Canada, China, France, Germany India, Indonesia, Italy, Japan, Mexico, Russia, South Africa, South Korea, United Kingdom, and United States. Each team is exploring what is required to achieve this transformation in their own country's economy while taking into account socio-economic conditions, development aspirations, infrastructure stocks, natural resource endowments, and other relevant factors.
The DDPP country study for Germany explores what is required to achieve deep decarbonization in Germany. It has been conducted by the Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy, with the support of Stiftung Mercator. The study discusses how the German government's target of reducing domestic GHG emissions by 80 to 95% by 2050 (versus 1990) can be reached.
Erneuerbare Energien im Wärmesektor : Aufgaben, Empfehlungen und Perspektiven : Positionspapier
(2015)
Jordan's electricity system has and continues to experience considerable pressures for reform due to continuous increase of electricity demand combined with high dependency on imported fossil fuels and a partially subsidised electricity market. In this paper we use the transitions pathways to examine and analyse pressures on the regime in relation to plausible future developments of particular niches such as renewable energy technologies. Our analysis is methodologically distinct in that we explicitly identify mechanisms operating in the system and relate those to existing scenarios to assess future developments. Currently, we see future developments being sensitive to the actions of key regime actors.
Nach einer langen Phase der Stabilität ist die Stromwirtschaft in den vergangenen 15 Jahren stark in Bewegung geraten. Mit der Liberalisierung stand zunächst der Wechsel von Gebietsmonopolen hin zu wettbewerblich organisierten Erzeuger- und Verbrauchermärkten an. Derzeit findet ein ganz ähnlicher Umbruch statt, der vom Übergang von konventioneller hin zu erneuerbarer Stromerzeugung gekennzeichnet ist. Aber sind die Paradigmen der einzelnen Phasen miteinander vereinbar und hat jede für sich noch immer ihre Daseinsberechtigung, oder ist hier eine Modifizierung notwendig? Das Strommarktdesign der Zukunft kann nicht auf einem leeren Blatt entworfen, sondern es müssen bestehende Strukturen berücksichtigt werden. Gleichzeitig ist die Frage zu beantworten, ob die Wahl zwischen regulatorischen oder marktbasierten Ansätzen sich auch anhand der mit ihnen möglichen Präzision der Steuerung unterscheidet.
Der Ergebnisbericht dokumentiert in Kapitel 2 die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Arbeiten an dem von der TU Delft entwickelten agentenbasierten Strommarktmodell EMLab-Generation, das als Open-Source Modell konzipiert ist. Einen zentralen Aspekt bildet die Übertragung des Modells, das ursprünglich die beiden Regionen CWE (Central-Western- Europe) und UK umfasste, auf ein Modell mit den beiden Regionen Deutschland und Europa (ohne Deutschland), im Wesentlichen in den Grenzen der EU28. Diese Übertragung ist die Grundlage für die Untersuchung unterschiedlicher Fragestellungen hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung des Strommarkts in Deutschland innerhalb des europäischen Verbundnetzes bei hohen Anteilen fluktuierender erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung.
Nach der Darstellung der konkreten Zielsetzung und der Grundlagen des vorhandenen Modells werden im Hauptteil (Kapitel 2.3) die eigenen Modellierungsarbeiten (Datenaufbereitung, Modellierung und "lessons learned") beschrieben. Im Anschluss erfolgt eine kurze Darstellung einer noch in Erarbeitung befindlichen Masterarbeit zur Berücksichtigung von Risikoaspekten innerhalb des Investitionsalgorithmus' von EMLab-Generation, die sich aus dem internationalen ABM-Workshop als offene methodische Fragestellung von Strommarktmodellen ergeben hat (Kapitel 2.4). Kapitel 2.5 gibt eine kritische Einschätzung der erreichten Modellierungsergebnisse sowie weitere mögliche Anwendungen der neu konzipierten Modellregionen.
Kapitel 3 gibt anschließend einen Überblick über die in diesem Vorhaben durchgeführten gemeinsamen Workshops zwischen TU Delft und Wuppertal Institut sowie den internationalen Workshop, an dem fünf Forschungseinrichtungen aus Deutschland sowie die TU Delft erstmals ihre Erfahrungen mit ABM-Strommarktmodellierung austauschten und methodischen Forschungsbedarf aufarbeiteten.
Der Bericht schließt mit einer kurzen Zusammenfassung sowie einem Ausblick auf weitere Forschungsarbeiten, mit denen die im Rahmen dieser Anbahnungsmaßnahme begonnene Kooperation zwischen Wuppertal Institut und TU Delft fortgesetzt werden soll.
Energy storage is one option to provide the electricity grid with flexibility. Short-term storage can provide system services for power quality, whereas medium-term storage allows to shift significant amounts of energy over some hours up to days. Seasonal or long-term storage can, for example, be provided by the power-to-gas technology. Significant amounts of storage will be necessary, especially when a fully renewable supply is approached. New mechanisms are needed to ensure anticipatorily that sufficient flexibility is in the system at any time.
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.
Urban GHG emissions and resource flows : methods for understanding the complex functioning of cities
(2015)
This paper sums up 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 (GHG) emissions and energy use to cities, and a re-emergence of studies focusing on the direct and indirect urban material and resource flows. The availability of reliable data and standard protocols is greater in the GHG accounting field and continues to grow rapidly.
Prospects of carbon capture and storage (CCS) in China's power sector : an integrated assessment
(2015)
Objective: The aim of the present article is to conduct an integrated assessment in order to explore whether CCS could be a viable technological option for significantly reducing future CO2 emissions in China. Methods: In this paper, an integrated approach covering five assessment dimensions is chosen. Each dimension is investigated using specific methods (graphical abstract). Results: The most crucial precondition that must be met is a reliable storage capacity assessment based on site-specific geological data. Our projection of different trends of coal-based power plant capacities up to 2050 ranges between 34 and 221 Gt of CO2 that may be captured from coal-fired power plants to be built by 2050. If very optimistic assumptions about the country’s CO2 storage potential are applied, 192 Gt of CO2 could theoretically be stored as a result of matching these sources with suitable sinks. If a cautious approach is taken, this figure falls to 29 Gt of CO2. In practice, this potential will decrease further with the impact of technical, legal, economic and social acceptance factors. Further constraints may be the delayed commercial availability of CCS in China; a significant barrier to achieving the economic viability of CCS due to a currently non-existing nation-wide CO2 pricing scheme that generates a sufficiently strong price signal; an expected life-cycle reduction rate of the power plant's greenhouse gas emissions of 59-60%; and an increase in most other negative environmental and social impacts. Conclusion and practice implications: Most experts expect a striking dominance of coal-fired power generation in the country's electricity sector, even if the recent trend towards a flattened deployment of coal capacity and reduced annual growth rates of coal-fired generation proves to be true in the future. In order to reduce fossil fuel-related CO2 emissions to a level that would be consistent with the long-term climate protection target of the international community to which China is increasingly committing itself, this option may require the introduction of CCS. However, a precondition for opting for CCS would be finding robust solutions to the constraints highlighted in this article. Furthermore, a comparison with other low-carbon technology options may be useful in drawing completely valid conclusions on the economic, ecological and social viability of CCS in a low-carbon policy environment. The assessment dimensions should be integrated into macro-economic optimisation models by combining qualitative with quantitative modelling, and the flexible operation of CCS power plants should be analysed in view of a possible role of CCS for balancing fluctuating renewable energies.
Due to significant success in technology development and cost reductions, the electricity system is now widely perceived as the part of the energy system to be first in decarbonisation. This means a double challenge for the system: Firstly, it will undergo significant change due to rapidly increasing shares of fluctuating renewable generation; Secondly, there will be an expansion of electricity into other fields of the energy system such as heat generation and transport.