Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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Biogas and bio-methane that are based on energy crops are renewable energy carriers and therefore potentially contribute to climate protection. However, significant greenhouse gas (GHG) emissions resulting from agricultural production processes must be considered. Among those, the production and use of fertilizer, and the resulting leaching of nitrous oxide (N2O), are crucial factors. This article provides an integrated life cycle assessment (LCA) of biogas (i.e. bio-methane that has been upgraded and injected into the natural gas grid), taking into account the processes of fermentation, upgrading and injection to the grid for two different types of biogas plants. The analysis is based on different feedstocks from crop rotation systems for different locations in Germany. A special focus is on the sensitivity of assumptions of nitrous oxide emissions to overall GHG emissions. Much research exists on the measurement or modeling of the actual N2O emissions that result from farming processes. Since there is as yet no precise regional data, most analyses use tier-1 data from the IPCC national GHG inventories as a default. The present article coincides with recent research in indicating that this data varies at the regional level. However, it is not the scope of the article to evaluate the quality of existing data for N2O emissions, but to show the effects of different assumptions on the LCA of GHGs from bio-methane. Thus, a link between the provision of emission data and the practical implementation of biogas technology is provided. The main result is that the supply chain of substrates from agricultural processes appears to contribute the most to the GHG emissions of bio-methane. The "worst case" scenario where 5% of the nitrogen fertilizer used is emitted in form of N2O shows that the GHG mitigation potential of bio-methane versus natural gas is very small, so there is not much margin for error in the plant technology.
Hintergrund: Die Bezugsquellen und Transportwege von fossilem Erdgas werden sich in den kommenden beiden Dekaden diversifizieren. Veränderungen der Lieferstruktur, verbunden mit weiteren Transportentfernungen und dem Neubau von Pipelines sowie der verstärkte Einsatz von verflüssigtem Erdgas (LNG - Liquefied Natural Gas) sind zu erwarten. Entsprechend werden sich auch die vorgelagerten Prozessketten und die damit verknüpften THG-Emissionen verändern. Im Sinne einer korrekten und ganzheitlichen Bilanzierung der Lebenszyklusemissionen und weitgehender Treibhausgasminderungsziele, sind die vorgelagerten Emissionen eine nicht zu vernachlässigende Größe. Gleichzeitig wird Biomethan als Beimischung zum fossilen Erdgas an Bedeutung gewinnen. Obwohl seine Verbrennung als klimaneutral gewertet wird, sind die Prozesse zur Herstellung von Biomethan mit Emissionen verbunden.
Die Treibhausgasemissionen (THG) der Vorketten von in der EU eingesetzten Energieträgern werden in der neuen EU-Kraftstoffqualitätsrichtlinie (vom Dez. 2008) reguliert. Ihre Höhe und ihre Entwicklung wird für die klimapolitischen Diskussionen und politische Entscheidungen somit immer wichtiger.
Ziel: Vor dem Hintergrund der angesprochenen Aspekte sollen die zukünftige Entwicklung der Gasversorgung in Deutschland und die Veränderungen der vorgelagerten THG-Emissionen von Erdgas und Biomethan ermittelt werden. In zwei Szenarien werden die mit der Herstellung und dem Transport von Erdgas und Biomethan verknüpften Emissionen bis zum Jahr 2030 einschließlich des zu erwartenden technischen Optimierungspotenzials bilanziert. Mittels dieser Analyse können Einschätzungen der zukünftigen Emissionspfade und der durchschnittlichen Emissionen (Klimaqualität) des eingesetzten Gases (als Mischung fossiler und biogener Gase einschließlich der damit verbundenen Prozesskettenemissionen) gegeben werden. Diese können als Grundlage für energie- und klimapolitische Entscheidungen dienen.
Ergebnisse und Diskussion: Nach Erläuterung der Prozesskette von Biomethan werden die zu erwartenden technischen Entwicklungen der einzelnen Prozessschritte (Substratbereitstellung, Fermentierung, Aufbereitung, Gärrestnutzung) diskutiert und die Höhe der hiervon zu erwartenden Emissionen bilanziert. Basis sind Ergebnisse der wissenschaftlichen Begleitforschung des Wuppertal Instituts zur Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz. Dabei gehen wir davon aus, dass die nächste Anlagengeneration "optimierte Technik" das aus heutiger Sicht bestehende Optimierungspotenzial des heutigen Stands der Technik ausschöpfen wird, sodass sich die spezifischen, auf den Heizwert des Biomethan bezogenen, THG-Emissionen der Vorkette von aktuell 27,8 t CO2-Äq/TJ auf 14,8 t CO2-Äq/TJ in 2030 fast halbieren werden.
Die zu erwartenden Emissionen der Erdgasprozesskette wurden in einem Vorgängerartikel bereits im Detail analysiert. Bei der Förderung und der Transportinfrastruktur ist ebenfalls eine Optimierung der Technik zu erwarten. Die dadurch erzielte Verringerung der spezifischen THG-Emissionen kann die aus den künftig längeren Transportstrecken und aufwendigen Produktionsprozessen resultierende Erhöhung ausgleichen.
Abschließend werden zwei Szenarien (Hoch- und Niedrigverbrauch) der künftigen Gasversorgung Deutschlands bis 2030 aufgestellt. Im Hochverbrauchszenario wird damit gerechnet, dass der Gaseinsatz in Deutschland um 17 % steigen wird. Im Niedrigverbrauchszenario wird er dagegen um etwa 17 % sinken. Gleichzeitig wird der Anteil von Biomethan am eingesetzten Gas auf 8 bzw. 12 % ansteigen. Die - direkten und indirekten - Treibhausgasemissionen der Gasnutzung in Deutschland werden im Niedrigverbrauchszenario um 25 %, d. h. überproportional von 215,4 Mio. t CO2-Äq auf 162,4 Mio. t CO2-Äq zurückgehen. Im Hochverbrauchsszenario steigen die Gesamtemissionen leicht um 7 % (auf 230,9 Mio. t CO2-Äq) an.
Schlussfolgerungen: Gasförmige Energieträger werden in den kommenden beiden Dekaden eine zentrale Säule der deutschen Energieversorgung bleiben. Insgesamt zeigt sich, dass die THG-Emissionen der Nutzung von Erdgas v. a. von den Verbrauchsmengen der Gasversorgung abhängig sind. Das heißt, dass sowohl aus klima- als auch aus energiepolitischer Sicht die Steigerung der Energieeffizienz ein zentraler Faktor ist. Daneben bestehen sowohl in der verstärkten Nutzung von Biomethan als auch in der weiteren Investition in emissionsoptimierte Technologien entlang der Vorketten signifikante Emissionsminderungspotenziale. Hierdurch kann die "Klimaqualität", d. h. die spezifische Treibhausgasemissionshöhe über alle Prozessstufen, des eingesetzten Gases deutlich verbessert werden. Die spezifischen Gesamtemissionen pro TJ eingesetzten Gases werden hierdurch um ca. 9 % von heute 63,3 t CO2-Äq pro TJ auf etwa 54,5 t/TJ sinken. Entscheidend ist hierfür der verstärkte Einsatz von Biomethan, dessen Verbrennung aufgrund der biogenen Herkunft des Kohlenstoffs weitgehend klimaneutral ist (im Vergleich zu direkten Emissionen von 56 t CO2/TJ bei der Verbrennung von Erdgas oder 111 t CO2/TJ bei z. B. Braunkohle). Die Vorteile der gasförmigen Energieträger in der Klimaqualität und effizienten Nutzung werden - insbesondere auch in der künftig zu erwartenden Beimischung von Biomethan - auch zukünftig Bestand haben.
Die Ökodesign-Richtlinie (Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte) trat im Jahre 2005 in Kraft und wurde im Jahr 2009 revidiert und erweitert. Die Richtlinie zielt auf Verbesserungen des Designs energieverbrauchsrelevanter Produkte mit dem Ziel einer Reduktion der Umweltbelastungen unter Berücksichtigung aller Phasen des Produktlebenszyklusses. So sind bereits im Rahmen dieser Richtlinie beispielsweise Mindestenergieeffizienzanforderungen für bestimmte, auf dem europäischen Markt angebotene Geräte festgelegt worden, die von den Geräteherstellern und -importeuren eingehalten werden müssen.
Das Forschungsvorhaben wurde im April des Jahres 2008 gestartet. Zentrales Ziel war die Entwicklung von Instrumenten zur Information, Kommunikation und Konsultation zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel. Weitere angestrebte Produkte waren die Entwicklung von interaktiven Tools für die Internetpräsenz www.anpassung.net des Kompetenzzentrums für Klimafolgen und Anpassung des Umweltbundesamtes (KomPass) und die Erarbeitung einer Broschüre mit nationalen und internationalen Praxisbeispielen der Anpassung.
This study provides insight into the feasibility of a CO2 trunkline from the Netherlands to the Utsira formation in the Norwegian part of the North Sea, which is a large geological storage reservoir for CO2. The feasibility is investigated in competition with CO2 storage in onshore and near-offshore sinks in the Netherlands. Least-cost modelling with a MARKAL model in combination with ArcGIS was used to assess the cost-effectiveness of the trunkline as part of aDutch greenhouse gas emission reduction strategy for the Dutch electricity sector and CO2 intensive industry. The results show that under the condition that a CO2 permit price increases from €25 per tCO2 in 2010 to €60 per tCO2 in 2030, and remains at this level up to 2050, CO2 emissions in the Netherlands could reduce with 67% in 2050 compared to 1990, and investment in the Utsira trunkline may be cost-effective from 2020–2030 provided that Belgian and German CO2 is transported and stored via the Netherlands as well. In this case, by 2050 more than 2.1 GtCO2 would have been transported from the Netherlands to the Utsira formation. However, if the Utsira trunkline is not used for transportation of CO2 from Belgium and Germany, it may become cost-effective 10 years later, and less than 1.3 GtCO2 from the Netherlands would have been stored in the Utsiraformation by 2050. On the short term, CO2 storage in Dutch fields appears more cost-effective than in the Utsira formation, but as yet there are major uncertainties related to the timing and effective exploitation of the Dutch offshore storage opportunities.
Securing universal access to electricity by using renewable energy sources is technically feasible. A broad range of technological options, which can meet almost any requirements, are available. Solutions can comprise the connection of users to large distribution networks (on-grid solutions) or the application of power supply systems that can operate autonomously (off-grid and mini-grid solutions). This brochure concentrates on the latter solutions; technologies for large-scale distribution are not covered.
Potenziale der CO2-Minderung durch Fernwärme : Fokus neue Bundesländer ; (vorläufige Endfassung)
(2010)
Die grundsätzliche wirtschaftstheoretische Kritik am Erneuerbare-Energien-Gesetz greift zu kurz
(2010)
Der volkswirtschaftliche Nutzen der Förderung erneuerbarer Energien in Deutschland über das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wurde wiederholt von verschiedenen Ökonomen und wirtschaftswissenschaftlichen Institutionen in Frage gestellt. Dabei wird zumeist als wesentliches Argument vorgebracht, dass das EEG unnötige Kosten für die Gesellschaft verursache und spätestens seit der EU-weiten Umsetzung eines Handels mit CO2-Emissionszertifikaten überflüssig sei. Eine genauere Betrachtung zeigt, dass diese Argumentation zu kurz greift, nicht zuletzt weil sie wesentliche ökonomische Zusammenhänge vernachlässigt.
Den erneuerbaren Energien aus Wasser, Sonne und Wind gehört die Zukunft. Dieser Aussage stimmen immer mehr Menschen zu. Aber wann beginnt die Energiezukunft, und wie und von wem wird sie gestaltet? Der Band blickt nicht nur auf die nationale Diskussion, er stellt die angesichts des Klimawandels dringend notwendige Energiewende auch in den spannungsreichen internationalen Rahmen der Nord-Süd-Beziehungen und nimmt das gesamte Energiesystem in den Blick. Das Fazit der Autoren ist: Die erneuerbaren Energien haben im Verbund mit einer drastischen Steigerung der Energieeffizienz das Potenzial, die vor uns liegenden Probleme zu lösen. Damit dies Realität wird, ist eine engagierte politische Flankierung notwendig, aber auch möglich. Die dynamische Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland zeigt, was durch entschlossenes Handeln erreicht werden kann.
CCS - und viele Fragen
(2010)
Bis vor wenigen Jahren diskutierten vor allem Energieversorger
und Umweltverbände über die Abscheidung und Lagerung von CO2. Mittlerweile ist die öffentliche Wahrnehmung von CCS gestiegen. Dabei dürfte die umstrittene Technologie für Deutschlands Kraftwerke weit weniger bedeutsam sein als für energiehungrige Schwellenländer.
Scientization : putting global climate change on the scientific agenda and the role of the IPCC
(2010)
Since the 1970s, climate change has dominated the international scientific and political agenda. In particular, the foundation of the Intergovernmental Panel on Climate Change at the end of the 1980s played a major role for the further enhancement of efforts in the field of climate change sciences. However, to understand the interaction of the worldwide coordination of climate change sciences as well as the role of the Intergovernmental Panel on Climate Change and its consequences, it is worthwhile to take a look at the self-conception of the Intergovernmental Panel on Climate Change's tasks and work. This paper gives an idea of the history of international climate change science, its representation in public discourse and the role of the Intergovernmental Panel on Climate Change by comprehensively illustrating its tasks, organization and self-image. Furthermore, the article tries to argue that the hitherto accepted concept of science followed within this body fails to integrate the idea of scientific ethics. It can be concluded that the conception of science represented by the Intergovernmental Panel on Climate Change has heavily influenced worldwide attention to climate change, its becoming part of the political agenda as well as the ethical consequences.
For parabolic trough power plants using synthetic oil as the heat transfer medium, the application of solid media sensible heat storage is an attractive option in terms of investment and maintenance costs. One important aspect in storage development is the storage integration into the power plant. A modular operation concept for thermal storage systems was previously suggested by DLR, showing an increase in storage capacity of more than 100 %. However, in these investigations, the additional costs needed to implement this storage concept into the power plant, like for extra piping, valves, pumps and control had not been considered. These aspects are discussed in this paper, showing a decrease of levelized energy costs with modular storage integration of 2 to 3 %. In a Life Cycle Assessment (LCA) a comparison of an AndaSol-I type solar thermal power plant [1] with the original two-tank molten salt storage and with a "hypothetical" concrete storage shows an advantage of the concrete storage technology concerning environmental impacts. The environmental impacts of the “hypothetical” concrete based AndaSol-I decrease by 7 %, considering 1 kWh of solar electricity delivered to the grid. Regarding only the production of the power plant, the emissions decrease by 9.5 %.
Preventing the worst consequences of climate change would require that GHG emissions be reduced to levels near zero by the middle of the century. To respond to such a daunting challenge, we need to rethink and redesign the currently highly energy-dependent infrastructures of industrial societies and particularly the urban infrastructures to become low- or even zero-carbon cities. Sustainable urban infrastructures need technology. In this paper focused on Western European Cities, we discuss a wide set of technologies in the fields of building, energy and transport infrastructures that can significantly contribute to a reduction of energy and/or GHG emissions and are already available or are in the pipeline. Based on the review of a recent study for the city of Munich, we then present how a mix of these technologies could reduce CO2-emissions by up to 90% for the metropolis of 1.3 million inhabitants and that this strategy could be economically attractive despite a high initial investment.
All of the residential buildings of a city like Munich could be entirely redesigned for EUR 200 per inhabitant annually, which is about one third of an average annual natural gas bill.
Natural gas makes an increasing contribution to the European Union's energy supply. Due to its efficiency and low level of combustion emissions this reduces greenhouse gas emissions compared to the use of other fossil fuels. However, being itself a potent greenhouse gas, a high level of direct losses of natural gas in its process chain could neutralise these advantages. Which effect will finally prevail depends on future economical as well as technical developments. Based on two different scenarios of the main influencing factors we can conclude that over the next two decades CH4 emissions from the natural gas supply chain can be significantly reduced, in spite of unfavourable developments of the supply structures. This, however, needs a substantial, but economically attractive investment into new technology, particularly in Russia.
The present brief analysis provides an overview about costs and benefits of the promotion of renewable energies in the framework of the EEG. We describe the development of the EEG apportionment in recent years, and its possible development in coming years. Furthermore, the analysis examines the merits of some of the most commonly expressed points of criticism against the EEG. Finally, we examine the extent to which the calculations regarding the costs of the expansion of photovoltaics, which are often raised in the media, are correct, and how they are to be interpreted.
Die vorliegende Kurzanalyse gibt einen Überblick über die Kosten und Nutzen der Förderung erneuerbarer Energien im Rahmen des EEG. Dabei wird unter anderem auf die Entwicklung der EEG-Umlage in den letzten Jahren und ihre mögliche Entwicklung in den kommenden Jahren eingegangen. Außerdem setzt sich die Analyse mit einigen grundsätzlichen Kritikpunkten am EEG auseinander. Abschließend wird geprüft, inwieweit häufig durch die Medien aufgegriffene Berechnungen zu den Kosten des Ausbaus der Fotovoltaik zutreffend sind und wie sie zu interpretieren sind.
Energy used in buildings is responsible for more than 40% of energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions of the EU and their share in cost-efficient GHG mitigation potentials is estimated to be even higher. In spite of its huge savings potential of up to 80%, achievements are very slow in the building sector and much stronger political action seems to be needed. One important step in this direction has been the recast of the Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) in autumn 2009. However, strong national implementation including powerful packages of flanking measures seems to be crucial to really make significant progress in this important field. In order to directly improve political action, we provide a differentiated country-by-country bottom up simulation of residential buildings for the whole EU, Norway, Iceland, Croatia and Liechtenstein. The analysis provides a database of the building stock by construction periods, building types, as well as typical building sizes. It includes a simulation of the thermal quality and costs of the components of the building shell for new buildings as well as the refurbishment of the existing building stock. Based on this differentiated analysis, we show in detail what would be needed to accelerate energy savings in the building sector and provide a more precise estimate of the potentials to be targeted by particular policies. We demonstrate, e.g. that the potential of building codes set via the EPBD would be located mainly in those countries that already have quite stringent codes in place. We show as well the high relevance of accelerating refurbishments and re-investment cycles of buildings. By providing a clear estimate of the full costs related to such a strategy, we highlight a major obstacle to accelerated energy-efficient building renovation and construction.
Die multilaterale Politik bekennt sich zum Zwei-Grad-Ziel, um den Klimawandel zu begrenzen. Sie stützt sich dazu explizit auf Empfehlungen "der Wissenschaft". Bemerkenswert ist, dass sie sich dabei nicht - was doch naheläge - auf das IPCC beruft. Dieses Gremium hat sich nämlich explizit versagt, "Werturteile" wie das Zwei-Grad-Ziel zu formulieren. Da die Politik aber nach solchen Urteilen verlangt, bedient sie sich pragma tisch an anderer Stelle - bei einer Wissenschaft, die nicht strikt zwischen Fakten und Werturteilen trennt. Letzteres sollte auch ein Kennzeichen einer Wissenschaft von der Nachhaltigkeit (sustainability science) sein.