Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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Integrated systems analysis
(2007)
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Verknappung fossiler Ressourcen haben nachwachsende Rohstoffe in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Insbesondere die Bioenergie hat durch staatliche Fördermaßnahmen viel Aufmerksamkeit erfahren. Mit der Ausweitung der energetischen Nutzung von Biomasse sollen Beiträge zum Klimaschutz durch die Vermeidung von Treibhausgasen geleistet, die Versorgungssicherheit soll durch Ersatz der knapper werdenden fossilen Ressourcen erhöht und der ländliche Raum gestärkt werden. Die selben Argumente lassen sich auch für die stoffliche Nutzung von Biomasse heranziehen. Auch wenn diese etwas aus dem Blickfeld der energiebezogenen Diskussion geraten ist, kann hier in den nächsten Jahren ein erhebliches Marktwachstum erwartet werden. Biomasse als erneuerbare Ressource kann in Land- und Forstwirtschaft aber nur begrenzt bereitgestellt werden. Dies gilt umso mehr, als bestimmte Nachhaltigkeits-Anforderungen eingehalten werden müssen. Der zu erwartenden Nachfragesteigerung für nachwachsende Rohstoffe (Nawaro) steht damit eine limitierte Verfügbarkeit entgegen. Aus dieser leitet sich die Forderung nach einer möglichst effizienten Verwertung ab. In diesem Zusammenhang fällt immer häufiger der Begriff der Kaskadennutzung von Nawaro als möglicher Lösungsansatz. Dieses Konzept kann im Wesentlichen als eine Hintereinanderschaltung von (mehrfacher) stofflicher und energetischer Nutzung desselben Rohstoffs gesehen werden und schafft so eine Verbindung von Material- und Energiesektor. Das Prinzip der Kaskadennutzung ist damit ein Ansatz zur Steigerung der Rohstoffeffizienz von nachwachsenden Rohstoffen und zur Optimierung der Flächennutzung. Das Ziel des vorliegenden Berichts ist es, die Option "Kaskadennutzung" strategisch, differenziert und ganzheitlich zu beleuchten. Im Rahmen der Projektarbeit sind daher Anforderungen an eine nachhaltige Kaskadennutzung von Nawaro abgeleitet und Schlussfolgerungen zu deren Ausgestaltung gezogen worden, um die Potenziale von Biomasse hochwertig und erfolgreich zu nutzen.
The paper reviews the current knowledge on the use of biomass for non-food purposes, critically discusses its environmental sustainability implications, and describes the needs for further research, thus enabling a more balanced policy approach. The life-cylce wide impacts of the use of biomass for energy and material purposes derived from either direct crop harvest or residuals indicate that biomass based substitutes have a different, not always superior environmental performance than comparable fossil based products. Cascading use, i.e. when biomass is used for material products first and the energy content is recovered from the end-of-life products, tends to provide a higher environmental benefit than primary use as fuel. Due to limited global land resources, non-food biomass may only substitute for a certain share of non-renewables. If the demand for non-food biomass, especially fuel crops and its derivates, continues to grow this will inevitably lead to an expansion of global arable land at the expense of natural ecosystems such as savannas and tropical rain forests. Whereas the current aspirations and incentives to increase the use of non-food biomass are intended to counteract climate change and environmental degradation, they are thus bound to a high risk of problem shifting and may even lead to a global deterioration of the environment. Although the "balanced approach" of the European Union's biomass strategy may be deemed a good principle, the concrete targets and implementation measures in the Union and countries like Germany should be revisited. Likewise, countries like Brazil and Indonesia may revisit their strategies to use their natural resources for export or domestic purposes. Further research is needed to optimize the use of biomass within and between regions.
The global land area required to meet the German consumption of agricultural products for food and non-food use was quantified, and the related greenhouse gas (GHG) emissions, particularly those induced by land-use changes in tropical countries, were estimated. Two comprehensive business-as-usual scenarios describe the development corridor of biomass for non-food use in terms of energetic and non-energetic purposes. In terms of land use, Germany was already a net importer of agricultural land in 2004, and the net additional land required by 2030 is estimated to comprise 2.5–3.4 Mha. This is mainly due to biofuel demand driven by current policy targets. Meeting the required biodiesel import demand would result in an additional GWP of 23–37 Tg of CO2 equivalents through direct and indirect land-use changes. Alternative scenario elements outline the potential options for reducing Germany's land requirement, which reflect future global per capita availability.
Increasing urbanisation and climate change belong to the greatest challenges of the 21st century. A high share of global greenhouse gas emissions are estimated to originate in urban areas (40 % to 78 % according to UN Habitat 2010). Therefore, low carbon city strategies and concepts implicate large greenhouse gas (GHG) mitigation potentials. At the same time, with high population and infrastructure densities as well as concentrated economic activities, cities are particularly vulnerable to the impacts of climate change and need to adapt. Scarce natural resources further constrain the leeway for long-term, sustainable urban development. The Low Carbon Future Cities (LCFC) project aims at tapping this three-dimensional challenge and will develop an integrated strategy / roadmap, balancing low carbon development, gains in resource efficiency and adaptation to climate change. The study focuses on two pilot regions - one in China (Wuxi) and one in Germany (Düsseldorf+) - and is conducted by a German-Chinese research team supported by the German Stiftung Mercator. The paper gives an overview of first outcomes of the analysis of the status quo and assessment of the most likely developments regarding GHG emissions, climate impacts and resource use in Wuxi. The project developed an emission inventory for Wuxi to identify key sectors for further analysis and low carbon scenarios. The future development of energy demand and related CO2 emissions in 2030 were simulated in the current policy scenario (CPS), using five different sub-models. Selected aspects of Wuxi's current material and water flows were analysed and modelled for energy transformation and the building sector. Current and future climate impacts and vulnerability were investigated. Recent climatic changes and resulting damages were analysed, expected changes in temperature and precipitation in the coming four decades were projected using ensembles of three General Circulation Models. Although Wuxi's government started a path to implement a low carbon plan, the first results show that more ambitious efforts are needed to overcome the challenges faced.
The Low Carbon Future Cities (LCFC) project aims at facing a three dimensional challenge by developing an integrated city roadmap balancing: low carbon development, gains in resource efficiency and adaptation to climate change. The paper gives an overview of the first outcomes of the analysis of the status quo and assessment of the most likely developments regarding GHG emissions, climate impacts and resource use in Wuxi - the Chinese pilot city for the LCFC project. As a first step, a detailed emission inventory following the IPCC guidelines for Wuxi has been carried out. In a second step, the future development of energy demand and related CO2 emissions in 2050 were simulated in a current policy scenario (CPS). In parallel, selected aspects of material and water flows for the energy and the building sector were analyzed and modeled. In addition, recent and future climate impacts and vulnerability were investigated. Based on these findings, nine key sectors with high relevance to the three dimensions could be identified. Although Wuxi's government has started a path to implement a low carbon plan, the first results show that, for the shift towards a sustainable low carbon development, more ambitious steps need to be taken in order to overcome the challenges faced.
In early September 2014, about 4.000 scientists, activists and artists at the 4th International Conference on Degrowth sent out two messages.
1. Industrialized societies will change, either by disaster or by design. Accelerated resource exploitation and climate change can force societies into a transition. Or they swiftly develop new forms of economic, political and social organization which respect the planetary boundaries.
2. "Degrowth" has become a new social movement which translates scientific insights into cultural change, political change and social practice. Hence, the conference itself was an experiment on the potentials and limits of share economy, commoning and sufficiency.
A team of young scholars and activists from different German research institutes and non-govern- mental organisations prepared the conference. The team of the Wuppertal Institute was partly involved in the preperation of the conference. Scientists from all research groups took part in the conference, presenting and discussing project results.
The publication is a collection of contributions of the Wuppertal Institute to the conference and covers pivotal issues of the degrowth-debate: indicator development (Freyling & Schepelmann), working time reduction (Buhl), feminist theory (Biesecker & Winterfeld), and urban transition (Best).
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat gemeinsam mit dem Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie in der Studie "STROMbegleitung" Technologien, Perspektiven und Ökobilanzen elektrifizierter PKW untersucht. Die Studie gibt einen umfassenden Einblick in den aktuellen Stand der Technik, identifiziert Trends und analysiert die Ökobilanz unterschiedlicher Fahrzeugkonzepte. Gleichzeitig ordnet sie die deutschen Aktivitäten im Bereich Elektromobilität in einen globalen Kontext ein.
Bridging the data gap
(2004)
Im Auftrag des Bundesforschungsministeriums hat das Wuppertal Institut eine Studie zur systemischen Betrachtung und Modellierung der Bioökonomie erstellt. Sie zeigt Wege auf, die komplexen sozio-ökonomischen Zusammenhänge und Umweltauswirkungen der Bioökonomie zu erfassen und soll als Grundlage für den Aufbau eines kontinuierlichen Monitorings dienen. Die Autor(inn)en erfassten Indikatoren und Modellierungsmethoden mit Bezug zur Bioökonomie und weisen auf bestehende Lücken hin: Diese finden sich vor allem bei der Erfassung neuer technologiegetriebener Sektoren, der systemischen Betrachtung eines nachhaltigen Konsums und bei der Modellierung der Zusammenhänge zwischen Innovationen, Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch (insbesondere die Landnutzung).
Zur Umsetzung eines systemischen Monitorings empfiehlt die Studie das folgende Vorgehen: Unter Zuhilfenahme des DPSIR-Konzeptes (Analyse von Wirkungsbeziehungen nach Driving forces, Pressures, States, Impacts und Responses) sollten Schlüsselindikatoren und Nachhaltigkeitsziele in einem Indikatoren-"Dashboard" zusammengeführt werden. Benötigt wird zudem ein Werkzeugkasten von Methoden, der vor allem integrierte Analyse- und Bewertungsmodelle sowie ein systemisch konzipiertes Metamodell umfasst.
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.
Wissen stärkt die Region
(2013)
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.
Rohstoffkonflikte nachhaltig vermeiden : Rohstoffe zwischen Angebot und Nachfrage ; (Teilbericht 2)
(2011)
Rohstoffkonflikte nachhaltig vermeiden : Forschungs- und Handlungsempfehlungen ; (Teilbericht 5)
(2011)
Für die Umsetzung der Energiewende und speziell den Ausbau erneuerbarer Energien sind nicht nur energiewirtschaftliche oder Klimaschutz-Kriterien maßgeblich. Zu einer umfassenden Nachhaltigkeitsbewertung gehört unter anderem auch die Ressourcenbewertung. Hier ist unstrittig, dass die Gesamt-Ressourceninanspruchnahme eines Energiesystems generell erheblich niedriger ist, wenn dieses nicht auf fossilen, sondern auf erneuerbaren Energien basiert (und dabei nicht hauptsächlich auf Biomasse ausgerichtet ist). Bisher wurde jedoch insbesondere der Verbrauch und die langfristige Verfügbarkeit der mineralischen Rohstoffe, die in der Regel zur Herstellung von Energiewandlern und Infrastruktur benötigt werden, wenig untersucht.
Im Rahmen des Projekts KRESSE wurde daher erstmals analysiert, welche "kritischen" mineralischen Rohstoffe für die Herstellung von Technologien, die Strom, Wärme und Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien erzeugen, bei einer zeitlichen Perspektive bis zum Jahr 2050 in Deutschland relevant sind. Die Einschätzung als "kritisch" umfasst dabei die langfristige Verfügbarkeit der identifizierten Rohstoffe, die Versorgungssituation, die Recyclingfähigkeit und die Umweltbedingungen der Förderung. Die Studie macht deutlich, dass die geologische Verfügbarkeit mineralischer Rohstoffe für den geplanten Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland grundsätzlich keine limitierende Größe darstellt. Dabei kann jedoch möglicherweise nicht jede Technologievariante unbeschränkt zum Einsatz kommen.
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.
This book presents important new research on applied eco-efficiency concepts throughout Europe. The aim of eco-efficiency is to achieve market-based measures of environmental protection, in order to enhance the prospects for sustainable development and achieve positive economic and ecological benefits. The distinguished authors discuss a number of themes surrounding eco-efficiency including the necessary conditions for technological dissemination and ecological modernization, and the role of government in enabling businesses and society to participate actively in this process. In particular, they highlight the application of existing European-based policies concerning material flows and energy. The authors also investigate some new concepts of sustainable development and provide a useful introduction to material flows analysis. In further chapters they study the emerging regulatory policies for eco-efficiency, and examine the issues of sustainable business and consumption strategies.
In this brochure, WISIONS focuses on the significance of innovative strategies in the field of sustainable tourism. WISIONS presents projects from Tanzania, Germany, Ecuador, Switzerland and Ghana that have been successfully implemented, with the intention of further promoting the particular approaches used by these projects. Using a key number of internationally accepted criteria, the main consideration for the selection of the projects was energy and resource efficiency, but social aspects such as the inclusion of local population were also of relevance. The assessment of the projects also included the consideration of regional factors acknowledging different needs and potentials.
Emscher 3.0 : from grey to blue - or, how the blue sky over the Ruhr region fell into the Emscher
(2013)
The river Emscher is - similar to the river Ruhr - the symbol of one of the internationally most renowned industrial regions: the Ruhr area with its 5 million inhabitants and an important location of key industries such as steel, chemical and materials industry. The revitalisation of the Emscher over the last 20 years marks a new phase in the region's history and is an impressive example of ecological and socio-economic transformation affecting all aspects of life along the river. What can we learn from the Emscher conversion for upcoming tasks in other infrastructure fields?