Zukünftige Energie- und Industriesysteme
Refine
Year of Publication
- 2015 (94) (remove)
Document Type
- Contribution to Periodical (22)
- Report (20)
- Part of a Book (18)
- Conference Object (14)
- Peer-Reviewed Article (13)
- Working Paper (3)
- Book (2)
- Doctoral Thesis (2)
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.
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.
Technical summary
(2015)
Die Transformation des deutschen Energiesystems in Richtung signifikanter Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen kann durch eine Abfolge verschiedener Phasen beschrieben werden. Phasenübergänge ergeben sich dabei aus strukturellen Erfordernissen im Gesamtsystem bei kontinuierlichem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiewandler, insbesondere Sonne und Wind. Die anstehende zweite Phase ist durch eine umfassende Systemintegration volatiler erneuerbarer Energien insbesondere im Bereich der Strombereitstellung geprägt. Dies erfordert sowohl eine flexible komplementäre Erzeugung als auch die Aktivierung von Flexibilitätsoptionen auf der Verbrauchsseite.
Lessons for model use in transition research : a survey and comparison with other research areas
(2015)
The use of models to study the dynamics of transitions is challenging because of several aspects of transitions, notably complexity, multi-domain and multi-level interactions. These challenges are shared by other research areas that extensively make use of models. In this article we survey experiences and methodological approaches developed in the research areas of social-ecological modeling, integrated assessment, and environmental modeling, and derive lessons to be learnt for model use in transition studies. In order to account for specific challenges associated with different kinds of model applications we classify models according to their uses: for understanding transitions, for providing case-specific policy advice, and for facilitating stakeholder processes. The assessment reveals promising research directions for transition modeling, such as model-to-model analysis, pattern-oriented modeling, advanced sensitivity analysis, development of a shared conceptual framework, and use of modeling protocols.
Urbanization and climate change are amongst the greatest challenges of the 21st century. In the "Low Carbon Future Cities" project (LCFC), three important problem dimensions are analysed: current and future GHG emissions and their mitigation (up to 2050); resource use and material flows; and vulnerability to climate change.
The industrial city of Wuxi has been the Chinese pilot city of the project. To establish the pathway for a low carbon future, it is crucial to understand the current situation and possible future developments. The paper presents the key results of the status quo analysis and the future scenario analysis carried out for Wuxi. Two scenarios are outlined. The Current Policy Scenario (CPS) shows the current most likely development in the area of energy demand and GHG emissions until 2050. Whereas the extra low carbon scenario (ELCS) assumes a significantly more ambitious implementation, it combines a market introduction of best available technologies with substantial behavioural change. All scenarios are composed of sub-scenarios for the selected key sectors.
Looking at the per capita emissions in Wuxi, the current levels are already high at around 12 tonnes CO2 per capita compared to Western European cities. Although Wuxi has developed a low carbon plan, the projected results under current policies (CPS) show that the total emissions would increase to 23.6 tonnes CO2 per capita by 2050. If the ELCS pathway was to be adopted, these CO2 emission levels could be reduced to 6.4 tonnes per capita by 2050.
Die Technologie der CO2-Abtrennung und -Speicherung (CCS) sowie die CO2-Nutzung (CCR) wird in diesem Fachbuch umfassend und aus unterschiedlicher Perspektive beleuchtet.
Experten aus Forschung und Industrie stellen die CCS- und CCR-Technologie auf Basis der naturwissenschaftlichen und technischen Grundlagen vor und legen den Stand der Technik dar. Sie vergleichen Energiebilanzen für verschiedene Techniken und diskutieren rechtliche, wirtschaftliche und gesellschaftspolitische Aspekte. In Szenarioanalysen zeigen sie den möglichen zukünftigen Beitrag der Technologien auf und stellen die Sichtweisen der verschiedenen Stakeholder-Gruppen vor.
Die Autoren haben den Anspruch, wertfrei zu informieren. Dabei legen sie die Kriterien für die Bewertung der einzelnen Sichtweisen offen.
How can renewable energy sources be efficiently integrated into the North African electricity systems? By using techno-economic modeling methods, this book explores optimized electricity system expansion pathways until the year 2030 for the five North African countries - Morocco, Algeria, Tunisia, Libya and Egypt. The results indicate that renewable energy integration is actually a viable business case for the entire region, if wind and solar capacities are properly planned in conjunction with the conventional generation system and under consideration of the country-specific electricity supply-/demand patterns. Further aspects featured in this publication are the impact of renewable power on the transnational electricity transmission system and the question how decision making processes about renewable energy strategies can be improved in the North African context. The book is a contribution to the scientific literature about energy issues in the Middle East and North Africa (MENA), but also seeks to address political and industrial practitioners concerned with the development of the region's renewable energy future.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.