Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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Integrated systems analysis
(2007)
Power sector decarbonisation : metastudy ; WP 2.2 quantitative analysis of existing EU-wide studies
(2012)
Im Forschungsprojekt "Landscaping" untersuchte das Wuppertal Institut die für Nordrhein-Westfalen aus heutiger Sicht denkbaren Technologieansätze, die dafür nötigen politischen Rahmenbedingungen sowie mögliche Innovationen entlang der Wertschöpfungsketten. Bestandteil des Berichts sind Steckbriefe, in denen die möglichen Technologien für treibhausgasneutrale Industrieprozesse samt offener Forschungsfragen und Infrastrukturbedarfe dargestellt sind. Das Projekt entstand im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.
In the energy sector, few topics, if any, are more hyped than hydrogen. Countries develop hydrogen strategies to provide a perspective for hydrogen production and use in order to meet climate-neutrality goals. However, in this topical field the role of water is less accentuated. Hence, in this study, we seek to map the interrelations between the water and wastewater sector on the one hand and the hydrogen sector on the other hand, before reflecting upon our findings in a country case study. We chose the Hashemite Kingdom of Jordan because (i) hydrogen is politically discussed not least due to its high potentials for solar PV, and (ii) Jordan is water stressed - definitely a bad precondition for water-splitting electrolyzers. This research is based on a project called the German-Jordanian Water-Hydrogen-Dialogue (GJWHD), which started with comprehensive desk research mostly to map the intersectoral relations and to scope the situation in Jordan. Then, we carried out two expert workshops in Wuppertal, Germany, and Amman, Jordan, in order to further discuss the nexus by inviting a diverse set of stakeholders. The mapping exercise shows various options for hydrogen production and opportunities for planning hydrogen projects in water-scarce contexts such as Jordan.
Schon seit dem 19. Jahrhundert gilt Wasserstoff als Basis einer nachhaltigen Energiezukunft. Auch wenn sich noch keine kommerzielle Nutzung etabliert hat, sind Wasserstofftechnologien in den vergangenen Jahren deutlich weiterentwickelt worden. In Zusammenarbeit mit dem Wuppertal Institut hat Shell untersucht, welchen Beitrag Wasserstoff zu einer nachhaltigen Energieversorgung - vor allem im Verkehr - künftig leisten kann.
Energy of the future? : Sustainable mobility through fuel cells and H2 ; Shell hydrogen study
(2017)
Over the years Shell has produced a number of scenario studies on key energy issues. These have included studies on important energy consumption sectors such as passenger cars and commercial vehicles (lorries and buses) and the supply of energy and heat to private households, as well as studies on the state of and prospects for individual energy sources and fuels, including biofuels, natural gas and liquefied petroleum gas.
Shell has been involved in hydrogen production as well as in research, development and application for decades, with a dedicated business unit, Shell Hydrogen. Now, in cooperation with the Wuppertal Institute in Germany, Shell has conducted a study on hydrogen as a future energy source. The study looks at the current state of hydrogen supply path- ways and hydrogen application technologies and explores the potential and prospects for hydrogen as an energy source in the global energy system of tomorrow. The study focuses on the use of hydrogen in road transport and specifically in fuel cell electric vehicles (FCEVs), but it also examines non-automotive resp. stationary applications.
Energie der Zukunft? : Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2 ; Shell Wasserstoff-Studie
(2017)
Wasserstoff ist ein Element, das viel Beachtung erhält: Es gilt als Basis einer nachhaltigen Energiezukunft. Allerdings ist Wasserstoff nicht allein, er konkurriert mit anderen Energien und ihren Nutzungstechnologien. Es stellt sich die Frage, ob Wasserstoff im globalen Energiesystem der Zukunft eine tragende Rolle spielen kann bzw. wird. Shell ist schon seit Jahrzehnten in der Wasserstoff-Forschung und -Entwicklung aktiv. In Zusammenarbeit mit dem Wuppertal Institut hat Shell jetzt eine Energieträger-Studie erstellt, die sich mit dem aktuellen Stand und den langfristigen Perspektiven der Wasserstoffnutzung, insbesondere für Energie- und Verkehrszwecke, befasst.
Die Shell Wasserstoff-Studie diskutiert zunächst natürliche Vorkommen, Eigenschaften sowie historische Sichtweisen des Elements Wasserstoff. Anschließend werden aktuelle sowie künftige Verfahren und Ausgangsstoffe zur Erzeugung von Wasserstoff untersucht; dabei werden die Herstellungspfade in puncto Energieaufwand, Treibhausgasemissionen sowie Bereitstellungskosten miteinander verglichen. Weiterhin werden Fragen der Wasserstofflogistik untersucht. Dazu gehören zum einen heutige und künftige Speichermethoden, zum anderen die verschiedenen Transportoptionen und ihre jeweiligen Vorzüge einschließlich Fragen der Transportökonomie.
Es folgt eine Darstellung der unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten von Wasserstoff. Unterschieden wird zwischen stofflichen und energetischen Nutzungen. Die Analyse der energetischen Wasserstoffnutzung fokussiert auf die Brennstoffzelle - und nicht auf Wärmekraftprozesse. Auf der Anwenderseite werden energetische stationäre Anwendungen für die Back-up-Stromerzeugung sowie die Hausenergieversorgung - und diese einschließlich Wirtschaftlichkeit - untersucht.
Den Schwerpunkt der Studie bilden (auto)mobile Wasserstoffanwendungen. Hierfür werden zunächst technologischer Stand und Perspektiven mobiler Anwendungen - von der Raumfahrt über Material Handling bis hin zum Pkw - erörtert. Anschließend wird die Wirtschaftlichkeit von wasserstoff-betriebenen Brennstoffzellen-Pkw (FCEV) mit Hilfe eines vereinfachten Autokosten-Vergleichs analysiert. Es schließt sich eine Diskussion des Aufbaus einer Wasserstoff-Tankstelleninfrastruktur für den Straßenverkehr an. Abschließend werden in Anlehnung an das ambitionierte 2DS-Wasserstoffszenario der Internationalen Energieagentur mögliche Auswirkungen von Brennstoffzellen-Pkw auf Kraftstoffverbrauch und Treibhausgasemissionen in ausgewählten Regionen bis 2050 diskutiert.
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.
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 emissions resulting from agricultural production processes must be considered, mainly resulting from agricultural production processes, as fertilizer use, pesticide etc.
This paper 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 thus examining the current state of the art as well as new, large-scale plants, operated by industrial players. Not only technical and engineering aspects are taken into account here, but also the choice of feedstock which plays an important role as to the overall ecological evaluation of bio-methane.
The substrates evaluated in this paper - aside from maize - are rye, sorghum, whole-crop-silage from triticale and barley, and the innovative options of agricultural grass (Landsberger Gemenge, a mixture of hairy vetch (vicia villosa), crimson clover (trifolium incarnátum) and Italian ryegrass (lolium multiflorum)) as well as a combination of maize and sunflower.
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.
CCS und Biomasse
(2015)
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.
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.
In der vorliegenden Screening-Studie werden zum Thema "Einführung synthetischer Kraftstoffe in Nordrhein-Westfalen" relevante Entscheidungsgrößen auf verschiedenen Ebenen der Energie-, Klima- und Industriepolitik in NRW aufgearbeitet und bewertet. Das Projekt im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Mittelstand und Energie (MWME) des Landes Nordrhein-Westfalen leistet damit einen Beitrag zur Einschätzung des Potenzials und der Effekte, die durch GTL in und für NRW erzielt werden können.
Energie aus Biomasse spielt unter den erneuerbaren Energien eine zunehmend wichtigere Rolle. Biomasse kann industriell weiterverarbeitet werden oder der Erzeugung von Wärme, Strom und anderen Energieformen dienen. Daher ist bereits heute beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe eine massive Nutzungskonkurrenz zwischen stofflicher und energetischer Verwertung absehbar.
Aus der begrenzten Verfügbarkeit der Ressource und der steigenden Nachfrage nach Biomasse leitet sich die Forderung nach ihrer möglichst effizienten Verwertung ab. In diesem Zusammenhang fällt immer häufiger der Begriff der Kaskadennutzung von nachwachsenden Rohstoffen (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 des Material- und Energiesektors.
Das Prinzip der Kaskadennutzung ist damit ein Ansatz zur Steigerung der Rohstoffeffizienz von Nawaro und zur Optimierung der Flächennutzung.
Die Ansatzpunkte für Nutzungskaskaden sind vielfältig. Ob und inwieweit derartige Konzepte tragen, wie hoch deren Potenzial ist, welche Voraussetzungen für die Umsetzung zu erfüllen sind, ist aber noch nicht ausreichend untersucht.
Im vorliegenden Diskussionspapier wird zunächst eine Definition des vielfach und teils unterschiedlich verwendeten Begriffs Kaskadennutzung erarbeitet. Die folgenden Darstellungen von Kaskadennutzung integrieren sowohl landwirtschaftliche als auch forstwirtschaftliche Produkte und beziehen sich auf Beispiele der Kaskadennutzung aus beiden Bereichen, um die breite Anwendbarkeit des Konzepts zu verdeutlichen. Zudem werden Anforderungen an eine nachhaltige Kaskadennutzung von Nawaro abgeleitet und Schlussfolgerungen zu deren Ausgestaltung gezogen, damit Unternehmen der Land- und Forstwirtschaft die Potenziale von Nawaro hochwertig und erfolgreich nutzen können.
Was ist synthetisches Gas?
(2019)
Renewable energy plays a key role in the sustainable pathway towards a low carbon future and, despite new supply capacities, the transformation of the energy system also requires the adoption of a method which allows for the integration of increasing amounts of renewable energy. This requires a transition to more flexible processes at an industrial level and demand side management (DSM) is one possible way of achieving this transition. Currently, increased shares of variable renewable energy can cause the electricity supply to become more volatile and result in changes to the electricity market. In order to develop a new dynamic equilibrium to balance supply and demand, sufficient flexibility in demand is required. As adequate storage systems are not available in the short to medium term, the potential for large electricity consumers to operate flexibly is an attractive, pragmatic and feasible option. Recent studies in Germany suggest that there is significant potential for DSM in so-called "energy-intensive industries". However, the figures (which fall in the approximate range of 1,250-2,750 MW positive and 400-1,300 MW negative shiftable load) should be interpreted with caution. The range of industrial processes considered are diverse and vary from plant to plant, with the result that it is difficult to provide accurate calculations of the accumulated potential for Germany or the EU as a whole. Based on extensive surveys and panel discussions with representatives from energy-intensive industries (aluminum, cement, chemicals, iron & steel, pulp & paper), which together account for approximately one third of the industrial electricity demand in Germany, our paper provides an overview of both the opportunities and the barriers faced by DSM. One of the key findings is the possible loss in energy efficiency due to DSM: in order to decrease or increase production depending on the stability needs of the electricity system, plants and processes may no longer operate at their optimum levels. The effects on downstream production must also be taken into account in order to gain a more complete understanding of the overall effects of industrial DSM.
The increasing rate of renewable energies poses new challenges for industries: the amount of wind and solar energy is by far more subject to fluctuations than that of fossil based energy. Large production facilities from the aluminium, cement, steel or paper industry, however, depend on a highly secure energy supply. To which amount is a limitation of fluctuations possible? This was the key question of the project "Flexibilisation of Industries Enables Sustainable Energy systems", which was realised by the Wuppertal Institute in cooperation with the polymers company Covestro last year. In the final report, authors around project co-ordinator Karin Arnold not only show which technological and economic parameters have been considered, but also present possible business models to promote "flexibility products".
Technologiebericht 4.3 Power-to-liquids/-chemicals innerhalb des Forschungsprojekts TF_Energiewende
(2018)
Die Bundesregierung verfolgt das ambitionierte Ziel einer Beschleunigung des Ausbaus der erneuerbaren Energien auf 80 % bis 2030 bzw. einer nahezu vollständig erneuerbaren Stromversorgung 2035. Im Zuge der avisierten Elektrifizierung anderer Sektoren wie Wärme und Mobilität im Rahmen der Sektorenkopplung nimmt die Bedeutung des Stromsektors weiter zu. Angesichts der aktuellen geopolitischen Umwälzungen und den sich abzeichnenden Knappheiten für fossiles Gas wird in einer Kurzstudie evaluiert, welchen Platz Biogas in einem langfristig zukunftsfähigen Energiesystem einnehmen kann.
Die Stadt Mannheim kann spätestens bis zum Jahr 2050 vollständig klimaneutral werden und damit einen maßgeblichen Beitrag zur Umsetzung der Ziele des Pariser Klimaabkommens auf kommunaler Ebene leisten. Das ist das zentrale Ergebnis der vorliegenden "Energierahmenstudie Mannheim", die das Energieunternehmen MVV in Abstimmung mit der Stadt beim Wuppertal Institut in Auftrag gegeben hat. Die Studie untersucht und beschreibt die Handlungsmöglichkeiten und Umsetzungsvoraussetzungen in den Bereichen Strom, Wärme, Verkehr und Industrie.
Unvermeidbare Emissionen aus der Abfallbehandlung : Optionen auf dem Weg zur Klimaneutralität
(2022)
Auch die thermische Abfallbehandlung in Deutschland kann zu einem Baustein des klimaneutralen Wirtschaftens werden. Allerdings sind dafür noch verschiedene Voraussetzungen zu schaffen. Technisch sind neben den bereits bekannten weitere innovative Verfahren in der Entwicklung; nicht zu vernachlässigen ist zudem die anspruchsvolle Aufgabe des CO2-Handlings. Hier ist zum einen der Aufbau der benötigten Infrastruktur zu nennen. In Bezug auf die Nutzung des abgetrennten CO2 ist auch die Industrie gefragt, um sektorübergreifende, klimafreundliche Use-Cases und Geschäftsmodelle rund um CCU und die weitmöglichste Schließung von Kohlenstoffkreisläufen zu entwickeln. Entsprechende Regularien und Marktanreize sind politisch zu setzen.
Technical summary
(2012)
Nicht erst seit dem Klimaabkommen von Paris, welches im Kern eine Begrenzung der menschengemachten globalen Erwärmung auf deutlich unter 2 °C gegenüber vorindustriellen Werten vorsieht, ist offensichtlich, dass eine umfassende Transformation der meisten Wirtschaftssektoren erforderlich ist, um die gesteckten Ziele zu erreichen. Die Transformation erfolgt dabei zum einen durch Steigerung der Energieeffizienz und zum anderen durch eine Dekarbonisierung der bestehenden Prozesse, bei denen heute noch ein hoher Anteil fossiler Energien eingesetzt wird - dies kann gelingen durch eine weitreichende Sektorkopplung, Flexibilisierung und Elektrifizierung bei vollständiger Nutzung Erneuerbarer Energien.
Letzteres stellt auch die Energieversorgung in Rheinland-Pfalz vor einen Paradigmenwechsel: Die schrittweise Transformation eines von konventionellen Energieträgern geprägten Versorgungsystems zu einem durch Erneuerbare Energien dominierten System. Als eines der ersten Bundesländer hat sich Rheinland-Pfalz bereits im Jahr 2014 ein eigenes Klimaschutzgesetz gegeben sowie erstmals im Jahr 2015 ein Landesklimaschutzkonzept (LKSK) erarbeitet, welches energiepolitische Leitplanken für den angestoßenen Transformationsprozess setzt. Die vorliegende Studie im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz beleuchtet die Auswirkungen eines weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien in Rheinland-Pfalz und der damit verbundenen Flexibilisierung und Dekarbonisierung unterschiedlicher Anwendungsfelder, insbesondere in der Industrie aber auch im ÖPNV und zentraler Wärmeversorgung.
Solar-Sparprojekt macht Schule : Privatkapital finanziert erneuerbare Energien in den Kommunen
(2007)
Options and potentials for energy end-use efficiency and energy services : summary ; final report
(2006)
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.
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.
The overall objective of the web-based consumer information tool Euro-Topten is to promote the market transformation towards energy efficient products. Euro-Topten informs consumers about the most energy efficient products in various categories and thereby aims to directly influence the purchasing decisions of individuals or professional buyers.
Providers of internet-based information tools are confronted with the problem, that there is no bidirectional interaction with the users. Hence, it is difficult to evaluate if the specific needs of users are addressed, if and how the user processes this information and to what extent the information influences the user's decision making process.
To study these questions, a web-based survey was conducted in two consecutive rounds. In the first round the survey focused on the assessment of the information tool itself and the motivation for using the Euro-Topten websites. This survey was online on all active Euro-Topten partner websites from October to December 2012. In total, 1791 users completed the survey.
In the second round, a subset of the survey population was queried again. 1,043 participants agreed to take part in a more comprehensive follow up survey, 383 completed the second survey between May and July 2013. The second survey concentrated on the question how Euro-Topten has influenced the purchasing behaviour of the survey participants. This gave significant insights on how the information on the Euro-Topten websites has affected purchasing decisions of the surveyed users.
Based on a comparison of performance indicators of the most efficient products recommended on the Euro-Topten websites with performance indicators of a base case product available on the market, avoided energy demand could be estimated for those users, who bought products from the Euro-Topten list. Based on these results, two impacts of Euro-Topten could be estimated: The influence of Euro-Topten on purchasing decision of users and the associated reductions in energy demand and CO2-emissions.
In addition to the expansion of renewable energies, the efficient use of energy is crucial in order to ensure energy transition successful. The Federal Government of Germany has therefore set itself clear objectives with the National Energy Efficiency Action Plan (NAPE), which aims to reduce the primary energy consumption in Germany - compared to 2008 levels - by 20 per cent until 2020, and by 50 per cent until 2050. In addition, greenhouse gas emissions should fall by 40 per cent compared to 1990.
To reach this goal, the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy (BMWi) inter alia launched the "National Top Runner Initiative (NTRI)" in January 2016. It is an important component and concerns private homes, as well as industry, retail and services.
The NTRI is intended to bring energy efficient and high-quality appliances (so called Top Runners) onto the market more quickly, thus accelerate market replacement. For this purpose, motivation, knowledge and competence in product-related energy efficiency is to be strengthened and expanded along the whole value chain - from the appliance manufacturer to the retailer and the consumer. Manufacturers are pushed to develop more efficient products and consumers get valuable information about Top-Runner products and how they can benefit. In this context, retailers are especially relevant as they act as "gatekeeper" between manufacturers and consumers. They play a key role in advancing an energy efficient production and consumption. They do not only select the products but they also have a direct contact to consumers and influence the purchase decision. In this paper, special emphasis will be put on the role of retailers and the efforts of the National Top Runner Initiative will be illustrated. Barriers and incentives to motivate this target group will be elaborated.
Refrigerators and freezers (subsumed under the term "cold appliances") are among the most widely used electrical appliances in the residential sector all around the world. Currently, about 1.4 billion domestic cold appliances worldwide use about 650 TWh electricity, which is 1.2 times Germany’s total electricity consumption, and cause CO2 emissions of 450 million tons of CO2eq.
Although the specific electricity consumption per volume of cold appliances has decreased during recent years due to technical progress and policy instruments like labelling and eco-design requirements, total worldwide energy consumption of these appliances is on the increase. Scenario calculations were carried out for 10 world regions by the Wuppertal Institute. Results show that about half of the energy consumption could be saved with the most energy-efficient appliances available today, and even higher savings will be possible with next generation technologies by 2030. According to the analysis, these savings are usually very cost-effective.
All these aspects are part of the new website "bigEE.net - Your guide to energy efficiency in buildings" which aims to provide information about technical options but also about policies to support the development of energy-efficient appliances.
To initiate and foster market transformation of energy-efficient appliances it is highly advisable for policymakers to generate appliances-specific policy packages. Since each regional market has its specificity (e.g. energy prices, typical appliance affecting the cost effectiveness of efficient appliances), the barriers for the market transformation of single product groups are also specific and need to be addressed by appropriate policies and measures. Elements of measures to build appropriate specific policy packages for refrigerators will be presented in the paper, and the refrigerator package from California (USA) demonstrates the successful implementation of a sector-specific package.
Energy+ pumps : technology procurement for very energy efficient circulation pumps ; final report
(2009)
About 2 % of the overall electricity consumption of the EU is caused by circulators in single or double family homes and flats. A new technology of pumps with electronically commutated (EC) motor pumps is available now; it is one possible way to achieve a reduction in circulator annual electricity use by 60 % or more.
The project's objective is a market transformation towards this new very energy-efficient pump technologies - Energy+ pumps - for circulators in heating systems, both stand alone and integrated in boilers. Only few manufacturers have so far introduced the new pump technology to the market for single or double family homes and flats.
To bring more products to the market from all major manufacturers, the project will adapt and apply the technology procurement methodology as it was very successfully tested in the European Energy+ project on energy-efficient cold appliances.
Large buyers will be aggregated, to activate the pump and boiler manufacturers. Sales and training materials and a sizing spreadsheet software for installation contractors will be developed and applied. A competition both for energy-efficient products and marketing campaigns will be organised and the information on the Energy+ pumps will be disseminated widely through website, newsletter, media, and fairs.
This paper gives a short overview of this project and presents the results of the first project phases: a European wide market study on circulators and heating systems, and the first Energy+ lists for circulators, buyers and supporters.
Innerhalb des Projekts TFE-NRW bewertete das Wuppertal Institut den Forschungsbedarf für Energiewende-Technologien in Nordrhein-Westfalen. Ziel war es herauszufinden, welche Technologien und Forschungsbereiche im Rahmen der Energieforschung für Nordrhein-Westfalen (NRW) einen besonders hohen Stellenwert in Relation zur Bewertung für Deutschland haben könnten und für die eine besondere Unterstützung innerhalb der Energieforschung gerechtfertigt erscheint. Dabei sollten die speziellen Anforderungen des Bundeslandes berücksichtigt werden.
Betrachtet wurden 31 Technologiefelder aus den Bereichen erneuerbare Energien, konventionelle Kraftwerke, Infrastruktur, Technologien für die Sektorenkopplung (Power-to-X, P2X), energie- und ressourceneffiziente Gebäude, Energie- und Ressourceneffizienz in der Industrie und integrative Aspekte, die mithilfe eines Kriterienrasters qualitativ bewertet wurden.
Urban energy systems have been commonly considered to be socio-technical systems within the boundaries of an urban area. However, recent literature challenges this notion in that it urges researchers to look at the wider interactions and influences of urban energy systems wherein the socio-technical sphere is expanded to political, environmental and economic realms as well. In addition to the inter-sectoral linkages, the diverse agents and multilevel governance trends of energy sustainability in the dynamic environment of cities make the urban energy landscape a complex one. There is a strong case then for establishing a new conceptualisation of urban energy systems that builds upon these contemporary understandings of such systems. We argue that the complex systems approach can be suitable for this. In this paper, we propose a pilot framework for understanding urban energy systems using complex systems theory as an integrating plane. We review the multiple streams of urban energy literature to identify the contemporary discussions and construct this framework that can serve as a common ontological understanding for the different scholarships studying urban energy systems. We conclude the paper by highlighting the ways in which the framework can serve some of the relevant communities.
The production of commodities by energy-intensive industry is responsible for 1/3 of annual global greenhouse gas (GHG) emissions. The climate goal of the Paris Agreement, to hold the increase in the global average temperature to well below 2 °C above pre-industrial levels while pursuing efforts to limit the temperature increase to 1.5 °C, requires global GHG emissions reach net-zero and probably negative by 2055-2080. Given the average economic lifetime of industrial facilities is 20 years or more, this indicates all new investment must be net-zero emitting by 2035-2060 or be compensated by negative emissions to guarantee GHG-neutrality. We argue, based on a sample portfolio of emerging and near-commercial technologies for each sector (largely based on zero carbon electricity & heat sources, biomass and carbon capture, and catalogued in an accompanying database), that reducing energy-intensive industrial GHG emissions to Paris Agreement compatible levels may not only be technically possible, but can be achieved with sufficient prioritization and policy effort. We then review policy options to drive innovation and investment in these technologies. From this we synthesize a preliminary integrated strategy for a managed transition with minimum stranded assets, unemployment, and social trauma that recognizes the competitive and globally traded nature of commodity production. The strategy includes: an initial policy commitment followed by a national and sectoral stakeholder driven pathway process to build commitment and identify opportunities based on local zero carbon resources; penetration of near-commercial technologies through increasing valuation of GHG material intensity through GHG pricing or flexible regulations with protection for competitiveness and against carbon leakage; research and demand support for the output of pilot plants, including some combination of guaranteed above-market prices that decline with output and an increasing requirement for low carbon inputs in government procurement; and finally, key supporting institutions.
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.
Dieser Spartenband beinhaltet die wichtigsten Ergebnisse, die im Rahmen der Forschungspartnerschaft INFRAFUTUR in der Sparte Energie erarbeitet worden sind. In insgesamt 14 Kapiteln, die dem logischen Aufbau der Untersuchungen in der dreijährigen Partnerschaft folgen, werden für die Sparte Energie die Perspektiven dezentraler Infrastrukturen im Spannungsfeld von Wettbewerb, Klimaschutz und Qualität aufgezeigt. Schwerpunkt des Projektes war eine SWOT-Analyse, d.h. eine umfangreiche Analyse der Vor- und Nachteile einer dezentralen Organisation der Infrastrukturdienstleistungen sowie der Chancen und Gefahren für verschiedene kommunale Unternehmenstypen. Die Ergebnisse bildeten die Basis für die Strategieentwicklung, die in den Kapiteln 13 und 14 dargestellt wird. Um relevante Strategien für die beteiligten Praxispartner entwickeln zu können - trotz (zum Teil erheblicher) Unterschiede in den örtlichen und regionalen Gegebenheiten kommunaler Unternehmen der Energiewirtschaft - wurden drei idealtypische kommunale Unternehmenstypen als Referenzpunkt definiert.
Mit "InnovationCity Ruhr - Modellstadt Bottrop" soll ein typisches Stück Ruhrgebiet mit rund 70 000 Einwohnern bis zum Jahr 2020 klimagerecht umgebaut werden. Benjamin Best rekonstruiert den Partizipationsprozess des Projektes, er analysiert seine Begrenzungen und zeigt Weiterentwicklungsmöglichkeiten auf. Die empirische Studie basiert auf qualitativen Methoden der empirischen Sozialforschung, auf teilnehmenden Beobachtungen in der Modellstadt und der Teilnahme an ausgewählten Beteiligungsveranstaltungen. Mittels Interviews mit Expertinnen und Experten identifiziert der Autor kulturelle Faktoren, die die Form der Partizipation im Kontext von InnovationCity sowie den Verlauf des Gesamtprojektes bestimmt haben.
Steigende Energiepreise und die Importabhängigkeit von fossilen Energieträgern - unter anderem aufgrund des Krieges in der Ukraine - erfordern eine politische und gesellschaftliche Reaktion. Wie kann es gelingen, weniger Energie zu verbrauchen? Hier kann die Energiesuffizienz als Nachhaltigkeitsstrategie Ansatzpunkte liefern. Der vorliegende Beitrag widmet sich der Frage, welche Pläne und Instrumente für Energiesuffizienz die politischen Institutionen in Deutschland vorlegen.
Dieses von Mitgliedern des Arbeitskreises "Postwachstumsökonomien" (2016 - 2020) der ARL verfasste Positionspapier ordnet die internationale Postwachstumsdebatte ein und diskutiert ihre Relevanz für die Raumentwicklung und die raumwissenschaftliche Forschung. Neben sektoralen Zugängen und Befunden werden konkrete Vorschläge zur Postwachstumsorientierung in Planung, Forschung und Lehre gemacht. Dabei wird zwischen kurzfristig erreichbaren Veränderungen und mittel- bis langfristig auszulegenden Maßnahmen unterschieden.
The war in Ukraine is changing the political landscape at breakneck speed. How should politics and society react to high energy prices and a precarious dependence on fossil fuels imports? Can modern societies get by with much less energy? Energy sufficiency can play an important role in answering these questions. The contributions in this Special topic explore sufficiency as an interdisciplinary research topic for energy modeling, scenarios, and policy.
Urbane Suffizienz
(2013)
The concept of regime and "flat ontologies" : empirical potential and methodological implications
(2012)
Im folgenden Beitrag untersuchen wir die Bürgerbeteiligung im Projekt InnovationCity Ruhr - Modellstadt Bottrop. Im Frühjahr 2010 hat der Initiativkreis Ruhr einen Wettbewerb ausgerufen, bei dem die "Klimastadt der Zukunft" gefunden werden sollte. Ausschlaggebend für den Sieg der Ruhrgebietsstadt war das vorgelegte Konzept, welches Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft verbindet. Ziel von InnovationCity Ruhr ist es die CO2-Emmissionen in der Stadt bis 2020 zu halbieren und somit eine Vorbildfunktion zur sozial-ökologischen Transformation für das gesamte Ruhrgebiet einzunehmen. Anhand der (Zwischen-) Ergebnisse zweier Untersuchungen (Best 2013; Roose 2014) werden wir veranschaulichen, wie die Bottroper Bevölkerung die Beteiligungsmöglichkeiten im Projekt wahrnimmt. Darüber hinaus decken wir Hemmschwellen auf und geben Empfehlungen zu einer verbesserten Aktivierung der und breiten Beteiligung durch die Bürgerinnen und Bürger.
Sufficiency measures are potentially decisive for the decarbonisation of energy systems but rarely considered in energy policy and modelling. Just as efficiency and renewable energies, the diffusion of demand-side solutions to climate change also relies on policy-making. Our extensive literature review of European and national sufficiency policies fills a gap in existing databases. We present almost 300 policy instruments clustered into relevant categories and publish them as "Energy Sufficiency Policy Database". This paper provides a description of the data clustering, the set-up of the database and an analysis of the policy instruments. A key insight is that sufficiency policy includes much more than bans of products or information tools leaving the responsibility to individuals. It is a comprehensive instrument mix of all policy types, not only enabling sufficiency action, but also reducing currently existing barriers. A policy database can serve as a good starting point for policy recommendations and modelling, further research is needed on barriers and demand-reduction potentials of sufficiency policy instruments.
Prepaid-Strom per Smartphone
(2020)
Prepaid-Stromzähler sind in Deutschland noch selten, bieten jedoch zukünftig einen interessanten Markt. Vor allem kleinere Anbieter, aber auch erste Regionalversorger kombinieren die Megatrends Digitalisierung und Energiewende und kreieren daraus neue Dienstleistungen. Zusammen mit IT-Firmen entwickeln sie daraus neue Geschäftsideen, die auch hinsichtlich sozialer Aspekte hohen Anforderungen genügen. Der Rollout von Smart Metering-Lösungen eröffnet zukünftig noch größere Chancen, durch Echtzeit-Datenerfassung den Energieverbrauch und damit auch Einsparpotenziale transparent zu machen. Hochaufgelöste Daten ermöglichen innovative Dienstleistungen und bringen die Kundenbeziehung auf eine neue Ebene.
Energiesparen ist durch den Krieg in der Ukraine das Gebot der Stunde, um uns unabhängig von russischen Energieträgern zu machen; vor Kriegsbeginn spielte dieses Thema keine allzu große Rolle in der breiteren politischen Diskussion. In Szenarien und Strategien, wie mittel- und langfristige Klimaziele erreicht werden könnten, gewann das Thema Energiesparen durch Energiesuffizienz in den vergangenen Jahren hingegen immer mehr an Bedeutung, wobei die technischen Strategien Effizienz und Konsistenz, also die Umstellung auf erneuerbare Energien, noch immer maßgebend sind.
In diesem Beitrag zeigen wir, welche Rolle das Senken des Energieverbrauches spielt, um Klimaziele zu erreichen, und warum dies eine geeignete Möglichkeit ist, multiple Krisen gleichzeitig zu lösen. In Hinblick darauf ist Energiesuffizienz unabdingbarer Bestandteil möglicher Lösungsstrategien. Außerdem skizzieren wir, welche kurz, mittel- und langfristigen Politikinstrumente derzeit diskutiert werden, und ergänzen dies um weitere Ideen zu Einsparpotenzialen sowie um Umsetzungsbeispiele.
Minderungspfade
(2021)
Do ngân sách các-bon còn lại trên toàn thế giới đang giảm nhanh chóng, các quốc gia trên toàn cầu đang tìm kiếm các giải pháp để hạn chế phát thải khí nhà kính. Ngành công nghiệp sản xuất và sử dụng than là một trong những ngành phát thải nhiều các-bon nhất, do vậy, các khu vực khai thác than sẽ bị ảnh hưởng đặc biệt bởi quá trình chuyển đổi sang hệ thống năng lượng và kinh tế trung hòa với khí hậu. Tại các khu vực thực hiện chuyển đổi, những thách thức không chỉ tồn tại trong lĩnh vực sản xuất năng lượng, bảo vệ môi trường, mà còn ở các lĩnh vực kinh tế và xã hội - thường được biết đến với khái niệm "Chuyển đổi Công bằng". Các cấp ra quyết định ở các khu vực khai thác than rất cần có các công cụ hỗ trợ giúp họ xác định các giải pháp chuyển đổi, vừa giúp đa dạng hóa nền kinh tế, vừa hỗ trợ người lao động và cộng đồng địa phương. Viện Wuppertal mong muốn hỗ trợ nâng cao năng lực cho các khu vực khai thác than trên toàn thế giới thông qua Bộ công cụ Chuyển dịch Công bằng – một tài liệu tổng quát, minh họa những thách thức và cơ hội của quá trình chuyển đổi bền vững. Bộ Công cụ này bao gồm kiến thức về xây dựng chiến lược, đưa ra các khuyến nghị về quản trị quá trình chuyển đổi, thúc đẩy việc làm bền vững, nêu bật các lựa chọn công nghệ và đề cập tới vấn đề phục hồi môi trường, tái sử dụng các cơ sở hạ tầng sản xuất than. Bộ Công cụ này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu của Viện Wuppertal trong khuôn khổ “Sáng kiến của Liên Minh Châu Âu về chuyển dịch tại các khu vực khai thác than” và các kinh nghiệm thực tế của một số khu vực khai thác than trên toàn thế giới.
As the worldwide remaining carbon budget decreases rapidly, countries across the globe are searching for solutions to limit greenhouse gas emissions. As the production and use of coal is among the most carbon-intensive processes, it is foreseeable that coal regions will be particularly affected by the consequences of a transformation towards a climate-neutral economy and energy system.
Challenges arise in the area of energy production, environmental protection, but also for economic and social aspects in the transforming regions - often coined with the term "Just Transition". For the decision makers in coal regions, there is an urgent need for support tools that help to kick off measures to diversify the local economies while at the same time supporting the local workers and communities.
The Wuppertal Institute aims to support coal regions worldwide by developing a Just Transition Toolbox, which illustrates the challenges and opportunities of a sustainable transition for a global audience. It comprises information about strategy development, sets recommendations for governance structures, fostering sustainable employment, highlights technology options and sheds light on the environmental rehabilitation and repurposing of coal-related sites and infrastructure. The toolbox builds on the work of the Wuppertal Institute for the EU Initiative for Coal Regions in Transition and takes into account country-specific findings from the SPIPA-partner countries India, Indonesia, South Africa, Japan, South Korea, Canada and the USA. The acronym SPIPA is short for "Strategic Partnerships for the Implementation of the Paris Agreement" an EU-BMU programme co-financed by the GIZ.
A medida que el presupuesto mundial de carbono disminuye rápidamente, los países de todo el mundo buscan soluciones para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero. Dado que la producción y el uso del carbón son algunos de los procesos más intensivos en emisiones carbono, es previsible que las regiones que producen carbón se vean especialmente afectadas por las consecuencias de una transformación hacia la neutralidad climática. Estas regiones se enfrentan a retos en el ámbito de la producción de energía y la protección del medio ambiente, pero también a retos económicos y sociales, que se engloban en la necesidad de una "transición justa". Los responsables de la toma de decisiones en las regiones dependientes de la producción de carbón necesitan urgentemente herramientas de apoyo que ayuden a poner en marcha medidas para diversificar las economías locales y, al mismo tiempo, apoyar a los trabajadores y las comunidades locales. Wuppertal Institute busca apoyar a las regiones carboníferas de todo el mundo desarrollando una caja de herramientas para la transición justa, que ilustra los retos y las oportunidades de una transición sostenible para un público global. La caja de herramientas incluye recomendaciones para el desarrollo de estrategias y estructuras de gobernanza, líneas guía para la creación de empleo sostenible, el desarrollo de alternativas tecnológicas, la rehabilitación medioambiental y la reutilización de infraestructuras relacionados con el carbón. La caja de herramientas se basa parte del trabajo de Wuppertal Institute dentro de la Iniciativa de la UE para las Regiones Carboníferas en Transición y tiene en cuenta las circunstancias específicas de los países socios de la SPIPA: India, Indonesia, Sudáfrica, Japón, Corea del Sur, Canadá y Estados Unidos. El acrónimo SPIPA es la abreviatura de "Asociaciones Estratégicas para la Aplicación del Acuerdo de París", un programa UE-BMU cofinanciado por la GIZ.
Dengan semakin berkurangnya "anggaran karbon" atau carbon budget di seluruh dunia, berbagai negara sedang mencari solusi untuk mengurangi emisi gas rumah kaca. Karena produksi dan penggunaan batu bara dapat dikatakan sebagai salah satu penghasil emisi karbon yang sangat besar dan memicu perubahan iklim, oleh karena itu dapat diperkirakan bahwa wilayah penghasil batu bara akan sangat terdampak akibat transformasi energi dari sistem energi yang berbasis bahan bakar fosil menjadi energi terbarukan. Tantangan yang muncul tidak hanya di bidang produksi energi, perlindungan lingkungan, tetapi juga dalam aspek ekonomi dan sosial di kawasan kawasan batu bara yang tengah menghadapi transformasi - sering disebut dengan istilah "Transisi Berkeadilan". Para pengambil keputusan di wilayah penghasil batu bara, sangat membutuhkan alat pendukung untuk memulai langkah-langkah untuk mendiversifikasi ekonomi lokal yang disaat bersamaan juga mendukung pekerja dan masyarakat lokal. Transisi Berkeadilan ini membutuhkan perencanaan yang komprehensif, kebijakan baru dan penyesuaian serta keterlibatan semua pemangku kepentingan.
Oleh karena itu, Wuppertal Institute merancang "Just Transition Toolbox" untuk memberikan dukungan bagi para praktisi di kawasan penghasil batu bara di seluruh dunia yang menggambarkan tantangan dan peluang dalam transisi berkelanjutan untuk audiens global. Toolbox Transisi Berkeadilan ini terdiri dari informasi tentang pengembangan strategi, rekomendasi untuk struktur tata kelola, mendorong lapangan kerja berkelanjutan, menunjukan pilihan teknologi dan menyoroti rehabilitasi lingkungan dan penggunaan kembali situs dan infrastruktur terkait batubara. Toolbox ini dikembangkan berdasarkan seperangkat alat yang dirancang oleh Wuppertal Institute melalui kerja sama dengan berbagai pemangku kepentingan atas inisiatif Uni Eropa untuk daerah-daerah kawasan Batubara yang berada dalam masa transisi. Toolbox ini juga menampilkan pelajaran yang diambil dari kawasan batu bara mitra SPIPA seperti India, Indonesia, Afrika Selatan, Jepang, Korea Selatan, Kanada, dan Amerika Serikat. Akronim SPIPA adalah kependekan dari "Kemitraan Strategis untuk Implementasi Perjanjian Persetujuan Paris" pada program UE-BMU yang dibiayai bersama oleh GIZ.
Der hier vorliegende Klimaschutz-Aktionsplan 2030 für die Stadt Mannheim beschreibt Maßnahmen und Reduktionspfade für eine Minderung der Treibhausgasemissionen auf Mannheimer Stadtgebiet zur Erreichung der Klimaneutralität im Jahr 2030. Die Basis hierfür bildet die Energie- und CO2-Bilanz aus dem Jahr 2020.
In einem ersten Schritt wurden mit dem wissenschaftlichen Begleitkreis mögliche Reduktionspfade in den verschiedenen Sektoren und eine Definition für den Begriff der Klimaneutralität diskutiert. Mit dem Lenkungskreis wurden im nächsten Schritt acht Handlungsfelder festgelegt, für die in einzelnen Strategiegruppen die Maßnahmen entwickelt wurden. Weitere Vorschläge kamen aus der begleitenden öffentlichen Beteiligung. In diesem breit angelegten Beteiligungsprozess sind letztlich 81 Maßnahmen in acht thematischen Handlungsfeldern entstanden, von denen 34 als Maßnahmen von besonderer Priorität definiert wurden.
The transformation processes towards a sustainable development are complex. How can science contribute towards new solutions and ideas leading to change in practice? The authors of this book discuss these questions along the energy transition in the building sector.
A transformative research that leaves the neutral observer position needs appropriate concepts and methods: how can knowledge from different disciplines and from practice be integrated in order to be able to explain and understand complex circumstances and interrelations? What role do complex (agent-based) models and experiments play in this respect? Which mix of methods is required in transformative science in order to actively support the actors in transformation processes?
Theses questions are illustrated by the example of the BMBF funded project "EnerTransRuhr".
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".
Der Oberbürgermeister der Stadt Wuppertal hat in seinem 100-Tage-Programm das Ziel ausgegeben, die Stadt bis 2035 auf den Weg Richtung Klimaneutralität zu bringen. Das Wuppertal Institut hat in einer Sondierungsstudie die zentralen Handlungsfelder zusammengestellt und hebt hervor, welche Herausforderungen damit verbunden sind. Deutlich wird: Wuppertal alleine kann das nicht schaffen. Es braucht dazu veränderte Rahmenbedingungen auch auf Landes- und Bundesebene, die dieses ambitionierte Ziel unterstützen. Doch bis dahin kann auch die Stadt selbst einiges anstoßen.
Gesellschaft als Teilhabe
(2008)
Draußen? : Zur Dialektik von Enteignung und Aneignung und zu ihren aktuellen Erscheinungsformen
(2013)
Feministische Perspektiven zum Themenbereich Wachstum, Wohlstand, Lebensqualität : Hintergrundpapier
(2012)
Veränderungsprozesse hin zu nachhaltigen Gesellschaften werden bis heute blockiert. Im Text werden diese Blockaden auf der Ebene der Theorie und Konzeption untersucht. Oft soll das Neue der Nachhaltigkeit mit alten Rationalitätsmustern erreicht werden - mit alten Konzepten von Gerechtigkeit, Produktivität, Eigentum. Aber der nachhaltige Gerechtigkeitsanspruch, der Rücksicht auf zukünftige Generationen einfordert, kann mittels der Theorie von John Rawls nicht eingelöst werden. Denn dort besteht unter dem Schleier der Unwissenheit der jeweils Andere nur abstrakt, ohne eigene Stimme. Und der nachhaltige Anspruch des Produktivitätserhalts kann mit dem in den Wirtschaftswissenschaften vorherrschenden Produktivitätskonzept, das auf Adam Smith zurückgeht, ebenfalls nicht eingelöst werden, da es die sorgenden Tätigkeiten von Frauen und die Produktivität der Natur aus dem Ökonomischen ausgrenzt. Und schließlich das Eigentum: In der erstmals von John Locke konzipierten bürgerlichen Eigentumsgesellschaft entstehen Eigentum und Wert nur im unmittelbaren Umwandlungsakt von Natur in Waren. Herrschafts-Eigentum über Ressourcen schließt andere von der Nutzung aus. Die Geschichte einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung bedarf daher ganz anderer, neuer Erzählungen.
In the debate about the transformation process towards sustainability manifold eco social economic concepts are discussed. Most of them lay claim to democracy, to processes of inclusion of all who are affected. But do alternative concepts automatically lead to democracy, overcoming hierarchies, power and exclusion? Based on this question, the article discusses two eco social concepts: Vorsorgendes Wirtschaften and Small new Social Contracts. It throws the light on traps like repressive or instrumental forms of inclusion and ends with three clues for a transformative democratic way to sustainability.
The concept of multiple (economic, ecological, social and political) crisis has arisen from recent tumultuous economic events. This paper uses a feminist perspective to present the concept as a crisis of regeneration of both nature and social reproduction. We intend to go beyond multiple crisis using the notion of a new social contract, to overcome this crisis in a transformative way towards sustainability. A feminist analysis of the concept of social contract is founded on the critique of domination and is based on Carole Pateman's, 1988 thesis that the modern social contract is characterized by a "separating inclusion" of women. It also refers to Val Plumwood's critique of the separated and autonomous self, which is part of all classical conceptions of social contract. We argue that overcoming the multiple crisis requires overcoming structures of separation and re-envisioning concepts of the individual, by discussing the German example of a "Social Contract for Sustainability" (2011). If the notion of social contract is to become a catalyst for transformation processes leading to sustainability, it cannot be overarching but has to be developed as a multitude of small new social and local contracts.
Soll der Staat oder der Markt der Hauptakteur im Prozess einer "Großen Transformation" der Gesellschaft sein? Und: Welcher Staat und welcher Markt? Deutlich wird, dass eine Transformation Richtung Nachhaltigkeit nicht gelingen kann, wenn alte Rationalitäts muster - wie die vom starken Staat und vom selbstregulieren den Markt - fortbestehen. Dagegen muss ein demokratischer Prozess stehen, der auf den Fähigkeiten der Bürger(innen) basiert und der emanzipatorische und herrschafts kritische Bewegungen stärkt.
Extern? : Weshalb und inwiefern moderne Gesellschaften Externalisierung brauchen und erzeugen
(2014)
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.
Externalisierung
(2022)
Viele Begriffe werden im ökonomischen Raum gebildet. So gewann etwa "Governance" keinesfalls zuerst in der Politikwissenschaft, sondern im Kontext der ökonomischen Transaktionskostentheorie an Verbreitung. Hier stellt Governance ein Kostenoptimierungsinstrument dar: Je besser die Governance, desto geringer die Transaktionskosten.
Auch ein kleiner Ausflug in die Begriffsgeschichte der "Externalisierung" zeigt, dass sie zunächst in der ökonomischen Theorie und auf Kosten bezogen erwähnt wird. Diesen Strang skizzieren die Autorinnen im ersten Teil und erläutern dann, welche Ansätze den Externalisierungsbegriff aus der ökonomischen Engführung lösen.
Die These ist: Externalisierung bezieht sich nicht allein und auch nicht vor allem auf Kosten, sondern es handelt sich um ein Prinzip kapitalistischer Vergesellschaftung. Hier liegen auch zentrale Bezüge zur Politischen Ökologie, die die Autorinnen im zweiten Teil darlegen.
Bewertung ist mit Entwertung ebenso verbunden wie die Eingrenzung der Einen mit der Ausgrenzung der Anderen. Dieser Mechanismus, genannt "Externalisierung als Prinzip", ist bezeichnend für die herrschaftlich geprägte kapitalistische Wertbildung, die systematisch Abwertungen und Ausschlüsse hervorruft. Die Konstruktion dieses externalisierenden Prinzips wird theorie- und ideengeschichtlich analysiert, um sodann nach aktuellen Veränderungen zu suchen: "Wertbeben" durch COVID-19? Herrschaftsfreie Bewertung ohne Externalisierung in alternativen Handlungsräumen? Die Ergebnisse der Fallstudie laden zu kritischen Reflexionen und zukunftsweisenden Überlegungen ein.
Im ersten Kapitel analysieren die Autorinnen ideen- und theoriegeschichtlich die politik- und wirtschaftswissenschaftliche Konstruktion des externalisierenden Prinzips, seine auch gewaltsame Durchsetzung und die damit einhergehenden Herrschaftsformen. Sie beginnen mit Thomas Hobbes und enden bei Karl Marx. Entwicklungslinien im zwanzigsten Jahrhundert skizzieren Uta von Winterfeld und Adelheid Biesecker im zweiten Kapitel und stellen die wirkmächtigen Erzählungen und ihre Schatten vor. Das umfangreiche dritte Kapitel war nicht vorgesehen, ebenso,wie COVID-19 selber. Das Virus hat uns eine "Fallstudie" beschert, in der die Autorinnen der Frage nachgehen, ob COVID-19 ein Wertbeben darstellt. Andrea Baier steuert einen Beitrag zur Sorge und Sorgearbeit in Zeiten der Pandemie bei. Charlotte Horras, Luisa Lucas und Annika Rehm erzählen uns die Geschichte der "erschöpft und empörten" berufstätigen Mütter. Vera Kravchik, Melanie Lucas und Yasmin erzählen als politische Sozialarbeiterinnen, die sich in Pandemiezeiten engagieren und zugleich blockiert werden. Biesecker und von Winterfeld analysieren weiter, ob sich Gesellschaftliche Naturverhältnisse verändern und ob hier ein "Wertbeben" stattgefunden hat. Das für die Autorinnen unerwartete Ergebnis ist, dass die Pandemie auch als Ausdruck krisenhafter gesellschaftlicher Naturverhältnisse verstanden werden muss und ein Wertbeben kaum stattfindet. Da sie gleich zu Beginn der Pandemie vermutet haben, dass sie einen Digitalisierungsschub auslösen wird, haben sie Andrea Vetter gebeten, dies in einem Beitrag kritisch zu reflektieren. Im vierten Kapitel wird der Frage nachgegangen, wie und von wem und inwiefern die Geschichte von Wert und Herrschaft anders erzählt werden kann, was sie daran hindert und worin gleichwohl ein utopischer Funke besteht.
Externalisierung 4.0? : Von der wirkmächtigen Erzählung Industrie 4.0 und ihren Schattenseiten
(2018)
Während Fragen der Wertbildung meist als ökonomische behandelt werden, wird in diesem Beitrag der Prozess der Wertbildung politisch und ökonomisch verstanden. Ein Prozess, der von Herrschaft geprägt und doppelseitig ist: Bewertung ist mit Entwertung ebenso verbunden wie die Eingrenzung der Einen mit der Ausgrenzung der Anderen. Diesen Mechanismus nennen wir "Externalisierung als Prinzip". Die politik- und wirtschaftswissenschaftliche Konstruktion des externalisierenden Prinzips und die Herrschaftsformen seiner auch gewaltsamen Durchsetzung werden ideen- und theoriegeschichtlich bearbeitet. Feministische Analysen der klassischen Vertragstheorien und der Politischen Ökonomie zeigen: Die bürgerliche Gesellschaft und ihre Ökonomie werden durch Trennungen geprägt. Das wertvolle Dazugehörige ist angewiesen auf das als wertlos Ausgegrenzte. Es wird deutlich, dass die Geschichte mit der klassischen politischen und ökonomischen Theorie nicht zu Ende ist, sondern dass bis heute herrschaftsförmige Be- und Entwertungen als Mittel zur Krisenbewältigung eingesetzt werden.
Die direkte Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft, das sogenannte Direct Air Capture (DAC), wird vermehrt als eine der Möglichkeiten zur Reduzierung von Treibhausgasen und damit der Begrenzung der Klimaerwärmung diskutiert. Vorteilhaft gegenüber anderen technischen Ansätzen zur Entnahme von atmosphärischen CO2 (Negativemissionstechnologien) ist die genaue Planbarkeit, die geringen Auswirkungen auf die Umwelt und die Ausgabe von CO2 in Reinform. Das CO2 kann anschließend dauerhaft gespeichert (Direct Air Capture and Sequestration) oder zur Erzeugung von bspw. synthetischen Brennstoffen (Direct Air Carbon Capture and Utilization) in Power-to-X-Routen (PtX) genutzt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, im Kontext der deutschen Klimaneutralitätsziele bis 2045 beispielhaft eine Auslegung von DAC-Anlagen in Deutschland zu untersuchen. Dabei werden die unterschiedlichen Ressourcenverbräuche (Energie, Wasser, Fläche) sowie Kosten und mögliche Einsparungen durch eine Abwärmenutzung dargestellt und verglichen.
Dabei soll diese Arbeit zur Beantwortung der folgenden Forschungsfragen beitragen:
Welche technologischen DAC-Ansätze sind für Deutschland realisierbar? Welche Mengen an CO2 müssen in Deutschland umgesetzt werden, um den Bedarf an Negativemission zu decken? Welcher Ressourcenverbrauch entsteht in Deutschland, wenn die betrachteten Fallstudien umgesetzt werden? Welchen Infrastrukturaufwand hat dies zur Folge? Ist eine Implementierung in den notwendigen Größenordnungen realisierbar, und welche Faktoren wirken hierbei beschränkend?
Für eine systematische Analyse wurden die DAC-, die PtX- und die elektrischen und Wärmeenergieerzeugungsanlagen modular für die Jahre 2020, 2030, 2040 und 2045 aufbereitet. Die Bezugsgrößen wurden so gewählt, dass sie dem DAC-Modul entsprechen. In vier Fallstudien wurden mögliche Kombinationsmöglichkeiten und Implementierungspfade bis 2045 zusammengestellt, analysiert und diskutiert. Es zeigt sich, dass ein großskaliger Einsatz von DAC in Deutschland realisierbar ist. Zentrale Herausforderungen ergeben sich allerdings aus dem hohen Flächen- und Energiebedarf. Der Flächenbedarf resultiert dabei vor allem aus den flächenintensiven erneuerbaren Energieerzeugern. Mit Fokus auf ertragreiche Standorte sind Nord- und Süddeutschland, mit Blick auf ihr Wind- bzw. Sonnenpotenzial, als vielversprechend bei der Implementierung der DAC- Technologie einzustufen. Eine Implementierung der DAC-Technologie mit dem Ziel der dauerhaften CO2-Speicherung ist an norddeutschen Küstengebieten im Vergleich zu Süddeutschland vorteilhafter. Die Installation der DAC-Technologie in Kombination mit der PtX-Route wird aufgrund des hohen elektrischen Energiebedarfs in Deutschland als nicht realisierbar eingeschätzt.
Direct Air Capture (DAC) is increasingly being discussed as a possibility to limit climate change. In this study, a possible rollout of the DAC technology at German coastal areas is analysed based on an existing climate neutrality scenario. For the year 2045 the resulting costs as well as land, water and energy consumption are examined. It is concluded that a realization of the DAC technology in Germany might be possible from a technical point of view. However, there is a high demand for land and energy. Since a rollout is needed to start in 20 years at the latest, the required discussion and evaluation should be initiated as quickly as possible.
Um den Klimawandel begrenzen zu können, wird zunehmend der Einsatz von Direct Air Capture (DAC) zur Erzeugung von Negativemissionen diskutiert. Anhand von Kosten sowie dem Flächen-, Wasser- und Energieverbrauch werden in diesem Artikel mögliche Implementierungspfade der DAC-Technologie, aufbauend auf einem bestehenden Klimaneutralitätsszenario für Deutschland, analysiert. Während die technische Realisierung machbar sein sollte, stellt der hohe Flächen- und Energiebedarf eine kritische Größe dar.
Direct air capture (DAC) combined with subsequent storage (DACCS) is discussed as one promising carbon dioxide removal option. The aim of this paper is to analyse and comparatively classify the resource consumption (land use, renewable energy and water) and costs of possible DAC implementation pathways for Germany. The paths are based on a selected, existing climate neutrality scenario that requires the removal of 20 Mt of carbon dioxide (CO2) per year by DACCS from 2045. The analysis focuses on the so-called "low-temperature" DAC process, which might be more advantageous for Germany than the "high-temperature" one. In four case studies, we examine potential sites in northern, central and southern Germany, thereby using the most suitable renewable energies for electricity and heat generation. We show that the deployment of DAC results in large-scale land use and high energy needs. The land use in the range of 167-353 km2 results mainly from the area required for renewable energy generation. The total electrical energy demand of 14.4 TWh per year, of which 46% is needed to operate heat pumps to supply the heat demand of the DAC process, corresponds to around 1.4% of Germany's envisaged electricity demand in 2045. 20 Mt of water are provided yearly, corresponding to 40% of the city of Cologne's water demand (1.1 million inhabitants). The capture of CO2 (DAC) incurs levelised costs of 125-138 EUR per tonne of CO2, whereby the provision of the required energy via photovoltaics in southern Germany represents the lowest value of the four case studies. This does not include the costs associated with balancing its volatility. Taking into account transporting the CO2 via pipeline to the port of Wilhelmshaven, followed by transporting and sequestering the CO2 in geological storage sites in the Norwegian North Sea (DACCS), the levelised costs increase to 161-176 EUR/tCO2. Due to the longer transport distances from southern and central Germany, a northern German site using wind turbines would be the most favourable.
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.
Techno-economic feasibility study of solar and wind based irrigation systems in Northern Colombia
(2014)
Water pumping systems powered by solar and wind energy are a clean, decentralized and economic alternative for the irrigation of crops. The intense droughts experienced in the last years in Northern Colombia due to particularly strong Nino Phenomena have reactivated the need of reliable water pumping irrigation systems in that region. This study aims to assess the techno economic feasibility of solar and wind based pumping irrigation system, taking as case study the Municipality of Piojo in the Atlantico department. In the first stage of the study the irrigation water requirements were determined by using the software CROPWAT based on two different crop patterns that represent existing feasible alternatives for small farmers of the region: i) a common crop pattern, which represent the current average distribution of crops for subsistence farming and ii) a fruit cash crop pattern that comprises crops for which well established markets in the region exist. Solar wind and diesel based pumping systems were sized based on the crop water demands for 1 ha. The unit irrigation costs of the three technologies, the two crop patterns and the three irrigation methods (surface, sprinkler and drip) were calculated and compared. The economical analysis was complemented with a cost-benefit analysis over 20 years. Our results show that both renewable energy based pumping systems (wind and solar) can cover the irrigation water demands of small farmers in the region. The economical analysis shows that windmills are the most cost effective solution followed by the solar pumping system. Diesel pumping system was the less cost effective, even though it does not comprise investment in water storage tank. The cost benefit analysis demonstrates that any irrigation system is financially unfeasible when providing water to a common crop pattern. In case of the fruit cash crop scenario the highest dividends were obtained by the wind pumping system and the lowest dividends by the diesel pumping system. The lowest payback period was obtained by the windmill after 7 years and could be even feasible after the fifth year if the surplus water would be used to irrigate larger areas. Dividends obtained in a fruit cash crop scenario with irrigation after 20 years were in the range of EUR 5200 and EUR 11200 higher than dividends obtained by the same crop pattern but without irrigation.
Innovation and diffusion of car-sharing for sustainable consumption and production of urban mobility
(2008)
Erneuerbare Energien können überall auf der Welt einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Gerade in Entwicklungs- und Schwellenländern ist das Potenzial besonders groß. Gleichzeitig sind die notwendigen Investitionen hier oft ein Problem. Dabei sind Entwicklungs- und Schwellenländer über zwei Instrumente in das internationale Klimaregime eingebunden: zum einen über die Globale Umweltfazilität (GEF), den offiziellen Finanzierungsmechanismus der Klimarahmenkonvention. Zum zweiten über den Clean Development Mechanism (CDM), der mit mehr als 4000 registrierten Projekten unerwartet zu einem der wichtigsten Instrumente des Kyoto-Protokolls geworden ist. Sylvia Borbonus untersucht, wie wirkungsvoll diese beiden Instrumente sind, wie sie sich gegenseitig beeinflussen und ob komplementäre Wirkungen und Synergien ausgeschöpft werden. Sie erörtert, welche Rolle Marktinstrumente gegenüber der finanziellen und technischen Zusammenarbeit bei der Förderung erneuerbarer Energien spielen. Ihr Buch liefert damit wichtige Erkenntnisse zur Markteinführung erneuerbarer Energien in Entwicklungs- und Schwellenländern und zur effektiven Umsetzung internationaler Klimapolitik.
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.
A cost-minimizing electricity market model was used to explore optimized infrastructures for the integration of renewable energies in interconnected North African power systems until 2030. The results show that the five countries Morocco, Algeria, Tunisia, Libya and Egypt could together achieve significant economic benefits, reaching up to EUR 3.4 billion, if they increase power system integration, build interconnectors and cooperate on joint utilization of their generation assets. Net electricity exports out of North Africa to Europe or Eastern Mediterranean regions, however, were not observed in the regime of integrated electricity markets until 2030, and could only be realized by much higher levels of renewable energy penetration than currently foreseen by North African governments.
Prospects for the integration of power markets and the expansion of renewable energy have recently triggered a number of publications dealing with transformation scenarios of the North African electricity systems. This paper compares five studies using economic electricity supply- and demand models to assess possible development pathways of the North African power systems from today until 2030 and 2050. The analysis shows that distinct modeling methodologies as well as different approaches to scenario design and parameter assumptions can strongly influence the studies' results, leading to very heterogenous projections of North Africa's power generation structures as well as the patterns of electricity exchange with other regions, like Europe. Common findings of the studies are that the surplus costs of capital-intensive renewable energy expansion in North Africa can in most cases be offset by avoided fuel costs and avoided investments in conventional power plants. All studies further agree that increased transnational cooperation, notably in terms of market integration and cross-border power exchanges, can bring about important economic advantages for the North African power sector. Renewable energy expansion could also drive electricity exports to Europe, but in integrated power market schemes, such exports only become viable with a very high share of renewable energy exceeding 60% of the North African power demand.
This paper examines the effects of an increased integration of concentrated solar power (CSP) into the conventional electricity systems of Morocco and Algeria. A cost-minimizing linear optimization tool was used to calculate the best CSP plant configuration for Morocco's coal-dominated power system as well as for Algeria, where flexible gas-fired power plants prevail. The results demonstrate that in both North African countries, storage-based CSP plants offer significant economic advantages over non-storage, low-dispatchable CSP configurations. However, in a generalized renewable integration scenario, where CSP has to compete with other renewable generation technologies, like wind or photovoltaic (PV) power, it was found that the cost advantages of dispatchability only justify CSP investments when a relatively high renewable penetration is targeted in the electricity mix.
In the light of the tremendous challenges facing the energy systems of the Middle East and North Africa (MENA), a number of concepts, roadmaps and scenario studies have emerged, describing potential transformation pathways towards a more sustainable, renewable-based, energy supply future in the region. Our article uses the scientific approach of "transition research" to analyze the most pertinent publications and concepts in this field to identify the key drivers and barriers for the transformation of the regional energy systems. The analysis likewise includes an assessment of possible indicators and indexes that can be used to monitor the sustainability of the transformation process of MENA energy systems.
The diversification of the national electricity generation mix has risen to the top of Tunisia's energy planning agenda. Presently, natural gas provides 96% of the primary energy for electric power generation, but declining domestic gas reserves and a soaring electricity demand are urgently calling for alternative fuel strategies. Currently discussed diversification options include the introduction of coal and nuclear power plants and/or an increased use of renewable energies. This article presents a methodology to assess different electricity system transformation strategies. By combining an electricity market model with a subsequent multi-criteria decision analysis (MCDA), we evaluate five power mix scenarios regarding power generation costs as well as non-economic dimensions such as energy security, environmental impact and social welfare effects. Based on criteria valuations obtained during consultations with Tunisian stakeholders, a final, best-ranking electricity scenario was selected, consisting of 15% wind, 15% solar and 70% natural gas-generated electricity in the national power mix by 2030.
Die systematisch-intentionale Förderung von innovativen Unternehmensgründungen aus Universitäten und Forschungseinrichtungen bedarf einer ergänzenden Neuausrichtung, will sie sich zukünftig als noch legitimierter und effizienter erweisen. Dabei wird im Rahmen einer integrativen Gründungs- und Innovationsförderung aus Universitäten und Forschungseinrichtungen eine Programmatik entworfen, die sich insbesondere in Prototypen komplexer Zukunftsinnovationen manifestiert.
Das übergeordnete Ziel des Forschungs-Projektes RESTORE 2050 (Regenerative Stromversorgung & Speicherbedarf in 2050; Förderkennzeichen 03SF0439) war es, wissenschaftlich belastbare Handlungsempfehlungen für die Transformation des deutschen Stromsystems im europäischen Kontext zu geben. Dafür wurden auf Basis der zukünftig prognostizierten Entwicklung von Stromangebot und -nachfrage innerhalb des ENTSO-E Netzverbundes für den Zeithorizont des Jahres 2050 sowie mittels örtlich und zeitlich hoch aufgelöster meteorologischer Zeitreihen die Themenkomplexe (1) Nationale Ausbaustrategien für erneuerbare Energien, (2) Übertragungsnetzausbau und (3) Alternativmaßnahmen wie Lastmanagement, (4) Bedeutung des EE-Stromaustauschs mit Drittstaaten und (5) die Rolle von Stromspeichern auf Übertragungsnetzebene analysiert. Die aus den Untersuchungsergebnissen abgeleitenden Handlungsempfehlungen stellen wichtige Beiträge für die weitere Integration von erneuerbaren Energien dar und geben Hinweise für den Aufbau einer leistungsfähigen europäischen Infrastruktur.
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.
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.
Die vorangegangenen Analysen im RESTORE2050 Projekt, die im Rahmen dieses Berichts weitergeführt werden, haben gezeigt, dass der Einsatz von Wasserstoffspeichern zur Residuallastglättung nur bedingt geeignet ist. Zwar bietet die Technologie ein hohes technisches Potenzial hinsichtlich der Speicherkapazitäten und der installierbaren elektrischen Leistungen. Jedoch führt ein systemdienlicher Einsatz, bei dem positive Residuallastspitzen u. a. durch Anheben geringer Residuallasten gesenkt werden, wie er in den Modellrechnungen des RESTORE2050 Projektes implementiert ist, zu einer Absenkung der Deckungsraten von erneuerbaren Energien (EE) im europäischen Stromsystem. Dies ist dadurch begründet, dass die Umwandlung und Speicherung von EE-Strom als Wasserstoff (H2) im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hohe Wandlungsverluste sowohl bei der H2-Erzeugung als auch bei der Rückverstromung aufweisen. Daher wird im Rahmen dieses Aufstockungsprojektes (RESTORE2050_plus) untersucht, welchen Beitrag alternative Einsatzstrategien der H2-Speicher zur Minimierung der negativen Residuallast, also potenzielle erneuerbaren Stromüberschüssen, und gleichzeitig zur Erhöhung der EE- Versorgungsanteile leisten kann.
In recent years, many energy scenario studies have proven that a power supply system based on renewable energies (RE) >90 percent is feasible. However, existing scenarios differ significantly in the composition of generation technologies. Some scenarios focus on wind energy in the northern part of Europe, others base on a large utilisation of solar technologies in the south. Apart from the generation capacities, the needed technical flexibilisation strategies such as grid extension, demand flexibilisation and energy storage are generally known and considered in many scenarios. Yet, the impact of different renewable generation strategies on the local utilisation of flexibility options needs to be further assessed. Based upon the BMBF research project RESTORE2050, analyses have been carried out that focus on these interdependencies. The results of the project show that the local utilisation of flexibilisation options depends to a great extent on the technology focus of the long-term renewable expansion strategy. This applies for the spatial flexibilisation as provided by transnational interconnection capacities, especially the ones connecting regions with a surplus of power generation (e.g. GB, Norway and Spain). Another impact of the renewable scenario is seen on the required temporal flexibilisation of electricity generation and demand. In addition, the available options will compete for high utilisation in a future energy system. The differences in the utilisation of these applications, which base on the varying shares of photovoltaic (PV) and wind energy generation, lead to the conclusion that the decision about longterm RE expansion ought to be made very soon in order to avoid inefficient flexibility pathways. Otherwise, if the future RE structure will be kept open, adequate adoption of new flexibility options will be difficult, especially in case of technologies with long lead and realisation time (e.g. new power grids and large scale energy storage devices).
Ziel des Projekts war es, für die Kölner Politik konkrete Handlungsfelder sowie Handlungsoptionen im Verkehrsbereich zu benennen, die wesentlich zu einer Reduktion der verkehrsbedingten CO2-Emissionen und damit zum Erreichen der nationalen und regionalen Klimaschutzziele beitragen können. Zur Beschreibung des Status quo und zum Benchmarking mit anderen Städten wurde eine fortschreibungsfähige Energie- und CO2-Bilanz für den Verkehrssektor erstellt. Zudem wurden sämtliche Maßnahmen recherchiert und systematisiert, die seit 1990 im Verkehrsbereich in Köln umgesetzt wurden oder derzeit umgesetzt werden und durch deren Umsetzung eine Reduzierung verkehrsbedingter CO2-Emissionen möglich ist. Auf Basis der Bilanzierung und der Maßnahmenübersicht wurden zusätzliche verkehrliche Klimaschutzmaßnahmen identifiziert, die stadtspezifisch geeignet sind, weitere CO2-Reduktionspotenziale zu erschließen.
Fernwärme (FW) spielt aufgrund ihres Potenzials zur effizienten Integration erneuerbarer Energien (EE) und Abwärme eine entscheidende Rolle für die Umsetzung der Wärmewende. Im Rahmen dieses Beitrags werden Herausforderungen, Maßnahmen und Trends sowie Projektbeispiele für die künftige Fernwärmeversorgung beleuchtet.
Im Verkehrssektor sind die Emissionen in den vergangenen Jahren gestiegen statt gesunken. Schnelle Entscheidungen und innovative Mobilitätskonzepte sind notwendig, damit Städte klimafreundlicher werden können. Haben sich Kommunen aber einmal festgelegt, ist der Umstieg auf einen alternativen Ansatz mitunter schwierig und teuer - es können Pfadabhängigkeiten entstehen. Dabei weiß niemand derzeit genau, welche Technologien sich in den kommenden Jahrzehnten durchsetzen werden. Dies gilt gleichermaßen auch für zahlreiche Bereiche bei der Umsetzung der Energiewende. Die vorliegende Analyse des Akademienprojektes "Energiesysteme der Zukunft" (ESYS) zeigt Strategien für den Umgang mit Pfadabhängigkeiten auf und will damit Politikerinnen und Politiker in ihrem Entscheidungsprozess unterstützen.
Die Autorinnen und Autoren erklären in der Analyse, wie die Entscheidungstheorie Kommunal- und Bundesspolitiker bei der Gestaltung eines zukunftsfähigen Mobilitätssystems und beim Umbau der Energieversorgung helfen kann. Am Beispiel des kommunalen Flottenumbaus wird verdeutlicht, wie sie Lösungen bewusst auswählen und dabei trotzdem flexibel bleiben können.
Aufgabenstellung des "Folgeprojekts CCS-Kommunikation" war es, die Bedeutung unterschiedlicher Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen für die Akzeptanz mit Hilfe multivariater statistischer Analysen zu untersuchen. Dabei standen folgende zentrale Fragestellungen im Mittelpunkt der Untersuchungen: Welche Faktoren sind ausschlaggebend für die 1. spontane Einstellung zu CCS? 2. Stabilität spontaner Einstellungen zu CCS? 3. Risiko- und Nutzeneinschätzungen von CCS? 4. Akzeptanz der drei CCS-Prozessschritte? Diese Fragestellungen wurden mit unterschiedlichen multivariaten statistischen Verfahren und differenziert für unterschiedliche Ebenen oder Sachverhalte untersucht.
Aufgabenstellung des "Folgeprojekts CCS-Kommunikation" war es, die Bedeutung unterschiedlicher Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen für die Akzeptanz mit Hilfe multivariater statistischer Analysen zu untersuchen. Dabei standen folgende zentrale Fragestellungen im Mittelpunkt der Untersuchungen: Welche Faktoren sind ausschlaggebend für die 1. spontane Einstellung zu CCS? 2. Stabilität spontaner Einstellungen zu CCS? 3. Risiko- und Nutzeneinschätzungen von CCS? 4. Akzeptanz der drei CCS-Prozessschritte?
Diese Fragestellungen wurden mit unterschiedlichen multivariaten statistischen Verfahren und differenziert für unterschiedliche Ebenen oder Sachverhalte untersucht.
The paper analyzes a Bolivian region for possible cultivation of the oil plant Jatropha curcas for sustainable biodiesel production in order to replace in part Bolivia's diesel imports. The specific site for this study is located in the dry region of Gran Chaco in Santa Cruz. The aim of this work is to analyse the potential of useable land and resources for sustainable biodiesel production from Jatropha without competition with edibles production using economic, environmental and social criteria. In addition the article introduces Jatropha as one of the preferred oil plants for biodiesel production in several countries and indicates its different uses. The recommendation to cultivate Jatropha for biodiesel production is based on an exploration of the possibility of land use in the selected region and the benefits Jatropha production could offer. In this manner a sustainable cultivation of Jatropha in the region of Gran Chaco is recommended to produce biodiesel and to improve some of the environmental problems facing the region.
Sustainability policy in the early 2000s is based on and therefore influenced by scientific literature on "transition". The importance of this link has inspired the authors to explore the structure of cooperating authors and citation networks in the field. In order to understand "transition" literature, we compare it with an alternative term for change, "transformation", which is also used in the context of socio-technical shifts towards sustainability. We expose the different structures of these fields with an overview of keywords, key references, key authors, and the coherence between references and authors. By analysing co-author and citation networks, we find large differences in these groups of documents. The transition literature is characterised by a large network of directly and indirectly cooperating authors with clear clusters; transformation literature contains smaller author networks. Key transition authors are predominantly Dutch. They repeatedly write together and cite each other's work. The transition literature is tightly knit with high degrees of internal references and a clearly distinguishable core. Transformation literature has fewer connections between authors and articles. The connecting articles, each with many global citations, form its basis. This analysis can be used as a step to continue the debate on the role of transition and transformation literature in sustainability and renewable energy policy. The transformation literature teaches us that older streams of thought are still relevant and may be used as "glue" for linking change with respect to sustainable energy to wider developments. Rediscovering existing literature in new combinations may lead to promising new views on sustainable energy.
We present an approach to simulate climate and energy policy for the EU, using a flexible and modular agent-based modelling approach and a toolbox, called the Energy Modelling Laboratory (EMLab). The paper shortly reviews core challenges and approaches for modelling climate and energy policy in light of the energy transition. Afterwards, we present an agent-based model of investment in power generation that has addressed a variety of European energy policy questions. We describe the development of a flexible model core as well as modules on carbon and renewables policies, capacity mechanisms, investment behaviour and representation of intermittent renewables. We present an overview of modelling results, ongoing projects, a case study on current reforms of the EU ETS, and we show their relevance in the EU context.
Analysis of the historical structural change in the German hard coal mining Ruhr area (case study)
(2022)
This case study examined the structural change in the Ruhr area caused by the low international competitiveness of German hard coal mining over the period from the late 1950s to 2015. It analysed the structural change process and the structural policies implemented as a reaction to this process with the objective to make this knowledge available for future structural change processes in other (coal) regions by deploying various qualitative and quantitative methods of empirical social and economic research. A discourse analysis helped to recognise who supported which structural policy approaches and why - and thus gives indications of the possible relevance of experiences for other regions.
Diese Fallstudie untersuchte den durch die geringe Wettbewerbsfähigkeit des Steinkohlebergbaus ausgelösten Strukturwandel im Ruhrgebiet vom Ende der 1950er Jahre bis 2015. Mit Hilfe verschiedener qualitativer und quantitativer Methoden der empirischen Sozial- und Wirtschaftsforschung analysierte sie den Strukturwandelprozess und die in Reaktion auf diesen Prozess umgesetzte Strukturpolitik mit dem Ziel, dieses Wissen für zukünftige Strukturwandelprozesse in anderen (Kohle-)Regionen zur Verfügung zu stellen. Eine Diskursanalyse half zu erkennen, wer warum welche strukturpolitischen Ansätze unterstützte - und gibt damit Hinweise auf die mögliche Relevanz von Erfahrungen für andere Regionen.
Flexibilitätspotenziale und -perspektiven in einer Rohstoffschmelzanlage für Feuerfestmaterialien
(2018)
Die Akteurswende
(2015)
Die zunehmende Abkehr vom ursprünglichen EEG-Vergütungssystem mit einer festen Einspeisevergütung hin zu einer mehr und mehr marktorientierten Ausrichtung führt zu der Frage, ob die Umstrukturierung des EEG am Ende zu einer neuen Phase der Energiewende führt, der Neo-EEG-Phase.
Im vorliegenden Artikel werden die Veränderungen und Entwicklungsphasen des EEG mit besonderem Blick auf die Akteure des Stromsystems analysiert. Im Kontext der Energiewende können die zu beobachtenden und teils deutlich einschneidenden Veränderungen für alle Akteure des Systems durchaus als "Akteurswende" verstanden werden.
Energieszenarien können in der Diskussion zur Energiewende Orientierung bieten und Entscheidungen unterstützen. Fehlende Transparenz sowie die Vielzahl und Heterogenität der verfügbaren Studien erschweren es jedoch, diese angemessen zu interpretieren. Das vorliegende Diskussionspapier bietet Nutzern eine Hilfestellung und leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines grundsätzlichen Analyse- und Interpretationsrahmens, der auch in anderen thematischen Bereichen angewendet werden kann.
Renewables and off-grid rural electrification in developing countries : dimensions and trends
(2005)
Vorteil für Erdgas
(2005)
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.
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.
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.
Treibhausgasneutralität in Deutschland bis 2045 : ein Szenario aus dem Projekt SCI4climate.NRW
(2023)
Die klimapolitischen Ziele Deutschlands und der EU machen eine sehr schnelle und tiefgreifende Transformation sowohl der Energieversorgung als auch der energieverbrauchenden Sektoren notwendig. Diese Transformationsherausforderung betrifft nicht zuletzt die energieintensive Industrie in Deutschland, die vor grundlegenden technologischen Veränderungen wichtiger Produktionsprozesse steht. Die Herausforderungen für die Industrie werden durch die aktuelle Energiekrise weiter verschärft.
Vor diesem Hintergrund stellt das hier vorgestellte Klimaschutzszenario "SCI4climate.NRW-Klimaneutralität" (S4C-KN), das im Rahmen des vom Land NRW finanzierten Forschungsprojekts "SCI4climate.NRW" entwickelt wurde, die möglichen künftigen Entwicklungen in der energieintensiven Industrie in den Mittelpunkt der Analyse. Das Szenario analysiert diese Entwicklungen im Kontext eines gesamtwirtschaftlichen Transformationspfads hin zu einem klimaneutralen Deutschland im Jahr 2045.
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.
Among the factors that decelerate progress of CCS demonstration and deployment is the lack of public acceptance of local projects in Germany as well as in other countries. The study presented here aims to take the issue of public CCS perceptions further by empirically investigating the relevance of different specifications of the three main steps of the CCS chain, i.e. capture, transport and storage. An experimental approach is chosen and applied in an online survey with a representative sample from Germany with 1830 participants. With regard to possible CO2 sources we varied whether the CO2 of a specific setting is captured i) as part of an energy-intensive industry process (e.g. production of steel or cement), ii) from a power plant running on biomass, or iii) a coal-fired power plant. For transport, half of the settings described made reference to transport of CO2 via pipelines, the other half did not provide information about transport. With regard to storage the setting descriptions i) either explained that CO2 can be stored in saline aquifers, ii) can be used to enhance gas production from an emptying natural gas field or iii) can be stored in a depleted natural gas field. We find that overall the average of the ratings for perception of the settings fall into the neutral part of the answering scale. If the source of CO2 is a coal-fired power plant the setting is perceived less positively than if it includes biomass or industry. A significant interaction effect between transport and storage specifications is observed. This points out that storage in saline aquifers is perceived more negatively than a combination with enhanced gas recovery while storage in a depleted natural gas field is rated less positively if a pipeline is mentioned and more positively if no transport option is mentioned.
One of the factors decelerating a further diffusion of the carbon capture and storage (CCS) technology is the public's negative perception of early pilot or demonstration activities in Germany as well as in other countries. This study examined the public perception of CCS in more detail by looking into different options within the CCS chain, i.e. for the three elements capture, transport and storage. This was analyzed using an experimental approach, realized in an online survey with a representative German sample of 1830 citizens. Each participant evaluated one of 18 different CCS scenarios created using three types of CO2 source (industry, biomass, coal), two transport options (pipeline vs. no specification), and three storage possibilities (saline aquifer, depleted gas field, enhanced gas recovery (EGR)).
Overall, we found that the ratings of CCS were neutral on average. However, if the CO2 is produced by a biomass power plant or industry, CCS is rated more positively than in a scenario with a coal-fired power plant. The specifications of transport and storage interacted with each other such that scenarios including EGR or a depleted gas field without mentioning a pipeline were evaluated better than storing it in a saline aquifer or a depleted gas field and mentioning a pipeline as means of transport. Exploratory regression analyses indicate the high relevance of the respective CO2 source in general as well as the perceived importance of this source for Germany.
Potenziale der CO2-Minderung durch Fernwärme : Fokus neue Bundesländer ; (vorläufige Endfassung)
(2010)
Technical summary
(2015)
Summary for policymakers
(2012)
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.
"Energiewende", which roughly translates as the transformation of the German energy sector in accordance with the imperatives of climate change, may soon become a byword for the corresponding processes most other developed countries are at various stages of undergoing. Germany's notable progress in this area offers valuable insights that other states can draw on in implementing their own transitions. The German state of North Rhine-Westphalia (NRW) is making its own contribution to achieving the Energiewende's ambitious objectives: in addition to funding an array of "clean and green" projects, the Virtual Institute Power to Gas and Heat was established as a consortium of seven scientific and technical organizations whose aim is to inscribe a future, renewable-based German energy system with adequate flexibility. Thus, it is tasked with conceiving of and evaluating suitable energy path options. This paper outlines one of the most promising of these pathways, which is predicated on the use of electrolytically-produced hydrogen as an energy storage medium, as well as the replacement of hydrocarbon-based fuel for most road vehicles. We describe and evaluate this path and place it in a systemic context, outlining a case study from which other countries and federated jurisdictions therein may draw inspiration.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy (RE) transition in the Middle East and North Africa (MENA) countries has been developed and applied to the country case of Tunisia. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
The analysis shows that Tunisia has already taken important steps towards a RE transition. According to the MENA phase model, Tunisia can be classified as being in the "Take-Off Renewables" phase. Nevertheless, natural gas still plays the dominant role in Tunisia's highly subsidised electricity generation. In addition to the elevated political uncertainty, there are numerous structural, political, social, and economic challenges within the energy sector that hinder progress in the transition to REs.
Strong support at all levels is needed to promote the breakthrough of RE. This includes more detailed long-term planning and improving the regulatory framework, as well as reducing offtaker risks to improve the bankability of RE projects in order to attract private investment. Furthermore, institutional buy-in needs to be increased and the engagement of key non-state stakeholders must be strengthened.
In light of the growing domestic energy demand and with the on-going global decarbonisation efforts in favour of sustainable fuels, Tunisia would be well advised to embark on a sustainable energy path sooner rather than later to seize economic opportunities that can arise from RE development.
By applying a phase model for the renewables-based energy transition in the MENA countries to Israel, the study provides a guiding vision to support the strategy development and steering of the energy transition process.
The transition towards a renewable-based energy system can reduce import dependencies and increase the energy security in Israel.
Key issues that need to be tackled in order to advance the energy transition in Israel are the expansion of flexibility options, discussion on the long-term role of natural gas, increasing participation and awareness, and exploring the future role of power-to-X in the energy system.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy transition in MENA countries has been developed and applied to the country case of Iraq. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
The transition towards renewable energies is still at a very early stage in Iraq. Despite the drop in renewable technology costs over the last decade and the increasing deployment of renewables in the MENA region, the pathway towards renewable energies seems to be challenging for Iraq. This is attributable to the country's political instability and the dominant economic role played by the fossil fuel sector. The most pressing concern for Iraq's electricity sector is the need to secure a constant electricity supply. At operational level, Iraq's electricity infrastructure requires significant investment to rebuilt, retro-fit and expand its overall capacity and to improve efficiencies.
Yet, the need to rebuild the energy system after the war and the subsequent violent conflicts could offer an opportunity for a transition towards renewables that would benefit Iraq in the short term and also provide a long-term economic development perspective. To take advantage of this opportunity, Iraq needs to improve the framework conditions for renewable energies and raise awareness about the benefits it offers. Renewable energy regulations need to be introduced, market development supported, a realistic timeframe for the transition process established and an appropriate and reliable legal framework developed. The results of the analysis along the transition phase model towards 100% renewables are intended to stimulate and support the discussion about Iraq's future energy system by providing an overarching guiding vision for the energy transition and the development of appropriate policy strategies.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy transition in MENA countries has been developed and applied to the country case of Egypt. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
Egypt, with its abundant solar and wind energy potential, has excellent preconditions to embark on the pathway towards a 100% renewable energy system. The country has successfully taken its first steps in this direction by attracting international finance and implementing several large-scale solar and wind projects. Yet, while Egypt has made significant progress, increased efforts are still required if the country aims to proceed towards a fully renewables-based system. The stronger system integration of renewable energies requires, for example, an alignment of regulations for the electricity, mobility and heat sectors. In this context, Egypt would be well advised to develop and implement an overall strategy for the energy transition that includes not only electricity generation but all sectors.
By placing a stronger focus on renewable energy, also to decarbonise the industrial sector, Egypt, as Africa's second most industrialised country, could seize the opportunity for economic development within a decarbonising global economy. The results of the analysis along the transition phase model towards 100% renewable energy are intended to stimulate and support the discussion on Egypt's future energy system by providing an overarching guiding vision for the energy transition and the development of appropriate policies.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy transition in MENA countries has been developed and applied to the country case of Algeria. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
The analysis shows that Algeria has already taken first steps towards a renewable energy transition. According to the MENA phase model, Algeria can be classified as entering the "Take-Off Renewables" phase. Nevertheless, fossil fuels still play a dominant role in the Algerian energy sector and in the economy as a whole. To support the renewables take-off, strong support is therefore needed at all levels. Only then can the necessary framework conditions be created to encourage participation and to attract investment from the private sector. To this end, a long-term energy strategy should to be developed that takes into account the renewable energy potential to support an efficient transformation of the Algerian energy supply and enables a smooth transition.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy (RE) transition in the Middle East and North Africa (MENA) countries has been developed and applied to the country case of Jordan. It is designed to support the strategy development and to serve as a guide for decision-makers.
The analysis shows that Jordan has taken essential steps towards a RE transition. According to the MENA energy transition phase model, Jordan can be classified as being in a transitional stage between the first phase, "Take-Off Renewables", and the second phase, "System Integration". However, fossil fuels continue to play a dominant role in the Jordanian energy sector, and the fluctuating world market prices for fossil fuels impact the economy.
The expansion of domestically produced RE could significantly contribute to reducing Jordan's high imports of fossil fuels. This simultaneously increases energy security and reduces the trade deficit. To move towards a sustainable energy system, Jordan needs to embrace comprehensive flexibility measures. These include developing storage options, improving load management, upgrading the existing grid infrastructure, enhancing energy efficiency, exploring the electrification of end use sectors, and creating strong cooperation between stakeholders.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy (RE) transition in MENA countries has been developed and applied to the country case of Morocco. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers. Such a phase model could be shared widely as part of Morocco's engagement in international platforms of multilateral collaboration, such as the Energy Transition Council (chaired by the United Kingdom (UK) and managed by the British Embassy - Rabat).
The analysis shows that Morocco has fully embarked on the energy transition. According to the MENA phase model, Morocco can be classified as being in the second phase "System Integration of Renewables". Nevertheless, Morocco plans to considerably increase the use of natural gas in order to back up intermittent solar and wind energy sources. The diversification of energy sources and a diverse portfolio of storage options, including solar thermal power and hydrogen, can foster flexibility options. To this end, a roadmap for power-to-X (PtX) should be considered for a smooth transition of the Moroccan energy supply and demand system.
The expansion of local REs can significantly contribute to reducing Morocco's high fossil fuel imports that are causing a high fiscal burden. With this regard, energy security can be strengthened. Next to large-scale deployment, decentralisation of the energy system must be built to encourage an energy transition on all societal levels. The results of the analysis along the transition phase model towards 100% RE are intended to stimulate and support the discussion on Morocco's future energy system by providing an overarching guiding vision for energy transition and the development of appropriate policies.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy (RE) transition in the Middle East and North Africa (MENA) countries has been developed and applied to the country case of Lebanon. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
Lebanon's energy transition towards REs stands at a very early stage of the first transformation phase. Although abundant solar and wind energy potential does exist, the pathway towards a 100% renewables energy seems very challenging for Lebanon, as a consequence of highly unstable political conditions. The most pressing concern for Lebanon's electricity sector is combating the country's fiscal imbalance, while providing secure and reliable electricity supply. At the operational level, Lebanon's grid network requires significant investments to rebuild, retrofit, and expand the overall capacity and energy efficiency improvements.
The need to strengthen the energy system after the political turmoil of the civil war is likely to offer several long-term opportunities, such as developing the economy, reducing environmental pollution, and increasing the energy security. In order to move forward into the first phase, Lebanon needs to improve the framework conditions for REs and implement its visions. It needs to support the market development in a realistic timeframe, where structural reforms represent the highest priority.
The results of the analysis along the transition phase model towards 100% renewables energy are intended to stimulate and support the discussion on Lebanon's future energy system by providing an overarching guiding vision for the energy transition and the development of appropriate policies.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy transition in MENA countries has been developed and applied to the case of Palestine. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision-makers.
The transition towards renewable energies is still at a very early stage in Palestine. The long-standing political conflict between Palestine and Israel has prevented the large-scale deployment of renewable energy due to land restrictions. Palestine's political instability, its geographically fragmented territories, and its high dependence on Israel's imports are the most pressing concerns for Palestine’s electricity sector. At the operational level, particularly the transmission and distribution infrastructure need to be better interconnected, renewed and expanded to accommodate larger volumes of renewable electricity and at the same time improve efficiency.
The modelled demand development shows that Palestine will most likely have to continue importing electricity even if the potential of renewable energy is fully exploited. This underlines the importance of sustainable energy partnerships for Palestine. The results of the analysis along the transition phase model towards 100% renewable energy are intended to stimulate and support the discussion on Palestine's future energy system by providing an overarching guiding vision for the energy transition and the development of appropriate policies.
Water and energy are two pivotal areas for future sustainable development, with complex linkages existing between the two sectors. These linkages require special attention in the context of the energy transition. Against this background, this paper analyses the role of water availability in the development of solar thermal and photovoltaic power plants for the case of the Draa Valley in southern Morocco. Located in a semi-arid to arid mountainous area, the Drâa Valley faces high water stress - a situation expected to worsen due to climate change. At the same time, the region has one of the greatest potentials for solar energy in the world. To examine whether limited water availability could accelerate or delay the implementation of solar thermal and photovoltaic power plants, this paper compares regional water availability and demand in the Draa Valley for different scenarios, paying particular attention to potential socio-economic development pathways. The Water Evaluation and Planning System software is applied to allocate the water resources in the study region. The water supply is modelled under the Representative Concentration Pathway 8.5 climate scenario, while the water demand for the Drâa Valley is modelled for a combination of three socio-economic and two energy scenarios. The climate scenario describes a significant decrease in water availability by 2050, while the socio-economic and energy scenarios show an increase in water demand. The results demonstrate that during a sequence of dry years the reservoirs water availability is reduced and shortages in water supply can result in high levels of unmet demand. If this situation occurs, oasis farming, water for drinking and energy production could compete directly with each other for water resources. The energy scenarios indicate that the use of dry cooling technologies in concentrated solar power and photovoltaic hybrid systems could be one option for reducing competition for the scarce water resources in the region. However, given that energy generation accounts for only a small share of the regional water demand, the results also suggest that socio-economic demand reduction, especially in the agricultural sector, for example by reducing the cultivated area, will most likely become necessary.
A clear understanding of socio-technical interdependencies and a structured vision are prerequisites for fostering and steering a transition to a fully renewables-based energy system. To facilitate such understanding, a phase model for the renewable energy (RE) transition in MENA countries has been developed and applied to the country case of Yemen. It is designed to support the strategy development and governance of the energy transition and to serve as a guide for decision makers.
The transition towards REs is still at a quite early stage in Yemen. The military conflict has prevented the implementation of most of the planned large-scale renewable projects. The political instability, the high dependence on fossil fuels, and poor administrative performance are the most pressing concerns for Yemen's electricity sector. At an operational level, Yemen requires a total retrofit of the electricity infrastructure and needs to expand its overall capacity while improving its efficiencies.
Despite these challenges, rebuilding the energy system after the political turmoil and the subsequent violent conflicts could offer Yemen the capability to transition towards renewables. This will provide short-term and long-term opportunities and avoid stranded investments in fossil-fuel capacities.
The priority is to improve the framework conditions for RE in Yemen, starting with the development of a long-term strategy up to 2030 and beyond. Also, an appropriate and transparent legislation must be created. Furthermore, based on the legislation, clear regulations for REs must be introduced, and a realistic timeframe for expansion must be established in order to promote acceptance and market development on a large scale.
The results of the analysis along the transition phase model towards 100% RE are intended to stimulate and support the discussion on Yemen's future energy system by providing an over-arching guiding vision for the energy transition and the development of appropriate policies.
Green hydrogen and synthetic fuels are increasingly recognized as a key strategic element for the progress of the global energy transition. The Middle East and North Africa (MENA) region, with its large wind and solar potential, is well positioned to generate renewable energy at low cost for the production of green hydrogen and synthetic fuels, and is therefore considered as a potential future producer and exporter. Yet, while solar and wind energy potentials are essential, other factors are expected to play an equally important role for the development of green hydrogen and synthetic fuels (export) sectors. This includes, in particular, adequate industrial capacities and infrastructures. These preconditions vary from country to country, and while they have been often mentioned in the discussion on green hydrogen exports, they have only been examined to a limited extent. This paper employs a case study approach to assess the existing infrastructural and industrial conditions in Jordan, Morocco, and Oman for the development of a green hydrogen and downstream synthetic fuel (export) sector.
Dieser Band beschäftigt sich mit der Frage, wie in Städten Handlungskapazitäten für nachhaltige Transformationen wie den Klimaschutz aufgebaut werden können. Ausgehend von einer Governanceanalyse der InnovationCity Ruhr - Modellstadt Bottrop wird gezeigt, dass über öffentlich-private Kooperationen auch strukturschwache Städte eine ambitionierte klimafreundliche Stadtentwicklung durchführen können. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur geographischen und governancebezogenen Transformationsforschung und ist ebenfalls für andere Kommunen mit Zielen in den Bereichen Nachhaltigkeit und Klimaschutz relevant.
Energy intensive industries are one of the fields in which strong increases of energy efficiency and deep decarbonisation strategies are particularly challenging. Although European energy intensive industries have already achieved significant energy and greenhouse gas reductions in the past, much remains to be done to make a significant contribution to achieving European as well as national climate mitigation targets of greenhouse gas emission reductions by -80% or more (compared to the baseline of 1990). North Rhine-Westphalia (NRW) is a European hotspot for coping with this challenge, accommodating more than 10% of the energy intensive industries of the EU28. It is also the first German state to have adopted its own Climate Law, enacting state-wide CO2 emission reductions by 80% until 2050 compared to 1990. The state government initiated the project "Platform Climate Protection and Industry North-Rhine Westphalia" to identify and develop the necessary far-reaching low carbon innovation strategies for energy intensive industries. Heart of the project was a dialogue process, which involved a broad spectrum of stakeholders from steel, chemical, aluminium, cement, glass and paper producing industries. Besides enhancing and broadening the knowledge on high efficiency and low-carbon technologies within industries, the aim was to explore possible pathways and preconditions for the application of these technologies in energy intensive industries as well as to strengthen the motivation of companies for initiatives and investments in technologies with lower CO2 emissions. The results of the dialogue shall provide a basis for a possible low-carbon industry roadmap NRW and may also serve as an example for other industrialized regions in the EU and globally. The paper sketches the structured dialogue process with the stakeholders from companies as well as industrial associations and presents the learnings regarding the engagement of energy intensive industries into ambitious climate policies on a regional level. These include existing limitations as well as chances in the respective sectors on the state level, regarding their economic and technical structures as well as their innovation systems. The findings are based on more than a dozen stakeholder workshops with industry companies and more than 150 individual representatives of NRW's energy intensive industries as well as on background research in the initial phase of the project.
This theory note develops a theoretical approach which integrates the negative spillovers that international institutions often impose on each other into our thinking about their normative legitimacy. Our approach draws on the political philosophy of Rainer Forst which revolves around the right to justification. It suggests that regime complexes facilitate the breakup of institution-specific orders of justification by prompting invested actors to justify negative spillovers vis-a-vis each other. Thus, regime complexes enable more encompassing justifications of negative spillovers than stand-alone international institutions. Against this backdrop, we submit that the proliferation of regime complexes represents normative progress in global governance.
Die MENA-Region steht nicht nur vor erheblichen gesellschaftlichen Herausforderungen, sondern weist ebenfalls deutlichen Entwicklungsbedarf im Stromsystem auf und erfordert dessen nachhaltige Transformation. Durch einen möglichst hohen regionalen Verbleib der damit anfallenden Wertschöpfung könnten sich Chancen für Technologieausrüster ergeben. Allerdings herrscht im derzeitigen Marktstadium noch immer hohe Unsicherheit inwieweit zukünftig tatsächlich eine Marktentwicklung stattfindet. Vor diesem Hintergrund erfolgt die Entwicklung eines multikriteriellen Bewertungsrahmens für Investitionen in die lokale Produktion, wobei Aspekte der Transition-Forschung Anwendung finden.
Integration ist der Schlüssel : erneuerbare Energien und Energieeffizienz auf der Renewables 2004
(2004)
Sustainable strategies
(2014)
German energy transition : targets, current status, chances and challenges of an ambitious pathway
(2019)
With the "Energiewende", the German term for the transformation of the national energy system, the German government pursues ambitious goals, primarily but not only to reflect the climate change challenge and to react to the risks associated with the use of nuclear power plants. After launching the energy concept in mid-2011, which describes the "Energiewende" goals, Germany was perceived as an international pioneer in energy transition for many years and has been acknowledged for its braveness to combine ambitious greenhouse gas (GHG) mitigation targets with a phase out program for nuclear power plants. In this context, this article asks where Germany’s energy transition currently stands, what is planned next and how far the set targets have been achieved or where more action is required to stick to this pathway.
Die Diskussion um die Gestaltung der Energiewende dreht sich in der politischen und gesellschaftlichen Debatte heute maßgeblich um die Stromversorgung der Zukunft. Ausstieg aus der Kohleverstromung und Ausbau bzw. Optimierung von Stromtransport- und verteilnetz sind nur zwei Beispiele dafür. Zu wenig Beachtung wird dagegen den Gasinfrastrukturen geschenkt und dabei insbesondere den Gas(import-)infrastrukturen, die mit Blick auf die Energiewende eine signifikante Rolle spielen (können).
Erfolgreiche Transformation
(2018)
Die Wirtschaftsleistung von Deutschland ist durch die Corona-Pandemie stark beeinträchtigt. Um die Wirtschaft zu beleben, einigten sich die Regierungsparteien am 3. Juni 2020 in ihrem Koalitionsausschuss auf ein "Konjunktur- und Krisenbewältigungspaket" sowie ein "Zukunftspaket" in Höhe von insgesamt 130 Milliarden Euro. Für 2020 und 2021 sind fast 60 Maßnahmen vorgesehen, die von steuerlichen Vergünstigungen bei der Mehrwertsteuer bis hin zu konkreten Investitionen in Zukunftstechnologien reichen. Mit Blick auf den Klimaschutz beinhaltet das Maßnahmenpaket der Großen Koalition zwar gute Ansätze und viele wichtige Impulse, die allerdings zu verpuffen drohen, wenn sie nicht durch eine konsequente und nachhaltig ausgerichtete Klimapolitik flankiert werden. Zudem fehlen für den Klimaschutz wichtige Bereiche, wie Investitionen in die Kreislaufwirtschaft. Außerdem werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz nur unzureichend berücksichtigt. Gerade in diesen Bereichen hätten sich konjunkturbelebende Effekte und Klimaschutz in idealer Form ergänzen können, kritisiert das Wuppertal Institut. Dieses Diskussionspapier reagiert auf die vorliegenden Vorschläge und fasst zusammen, welche Maßnahmen im Rahmen der jetzt anstehenden Umsetzungsphase nachgebessert werden sollten und wo Ergänzungen notwendig sind.
Welchen Effekt haben engagierte Klimaschutzmaßnahmen der Politik auf NRW's Schlüsselbranchen, wie Automotive, chemische Industrie, Finanzwirtschaft oder Energiewirtschaft? Eine Kurzstudie des Wuppertal Instituts untersucht, welche Chancen und Risiken aus dieser Praxis entstehen können. Außerdem werden Arbeitsplatz- und Wertschöpfungseffekte auch mit Blick auf entstehende Zukunftsmärkte analysiert.
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.
The Ernst Strüngmann Forum seeks to link justice, sustainability, and diversity agendas. In support, this chapter discusses how linkages between these three concepts have formed and changed in the climate change discourse, particularly in light of the recent Paris Agreement. As the latest addition to the portfolio of international climate change agreements, the Paris Agreement establishes a landscape in which nation-states, subnational actors, and transnational networks will be able to reconfigure existing linkages between sustainability, diversity, and justice, and perhaps improve upon them.
Here, three possible developments are identified which may substantially influence the reconfiguration process. Recognition is given to the sustainability and justice deficits that have plagued the "top-down" character of the international climate change discourse, and it is hypothesized that the Paris Agreement opens the door for "bottom-up" movements to claim a larger segment of climate change policy decision making and design. In turn, the "polycentric" landscape created by such "movement from below" appears to emphasize concepts such as inclusivity and transparency perhaps allowing for explicit climate justice commitments. Finally, to advance societal transformation and embrace diversity, it is hypothesized that the scientific endeavor needs to be transformed from a purely analytical pursuit to an effort that makes use of the wide range of scientific competences and provides support for transformative innovations to change unsustainable sociotechnical systems.
Im Auftrag des BMZ werden innovative Technologieentwicklungen in Deutschland und Europa eruiert und bewertet. Ziel ist es, Entwicklungen frühzeitig zu erkennen, die für Entwicklungsländer und die internationale Zusammenarbeit wichtig sein können. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt hierbei in den Bereichen Trinkwasser- und Energiebereitstellung. Die Untersuchung gliedert sich in drei Elemente. Zunächst besteht die Aufgabe darin, eine Screening-Methodik inklusive Kriterien/Indikatoren auszuarbeiten, anhand derer potenziell interessante Ansätze ermittelt werden können. Im zweiten Schritt wird mit Hilfe dieser Methodik eine Vorauswahl für viel versprechende Projekte vorgenommen. In dieser Auswahl ist bereits eine erste Einschätzung hinsichtlich der möglichen Umsetzbarkeit der Ansätze im Sinne von nachhaltiger Entwicklung, also unter Beachtung ökologischer, ökonomischer und sozialer Kriterien, enthalten. Im dritten Schritt wird eine zusammenfassende Bewertung der einzelnen Technologien vorgenommen. Da es sich hier um die Betrachtung neuer, innovativer Technologien handelt, für die der Informationsstand häufig vergleichsweise gering ist, muss die vorgenommene Bewertung vor diesem Hintergrund gesehen werden und kann allenfalls als eine Art grundsätzliche Einschätzung verstanden werden. Nach Rückkopplung mit dem Auftraggeber wird das Thema "Algen" näher hinterfragt und in die Arbeit integriert.
CO2-capture and geological storage as a climate policy option : technologies, concepts, perspectives
(2007)
The idea of removing carbon dioxide from flue gas and industrial gas flows and putting it into suitable long-term storage sites is referred to as Carbon Capture and Storage (CCS). This publication provides a close look at this new line of technologies, describing its current status and outlining the prospects for development. The approach is both diagnostic and analytical, identifying the questions a technology assessment poses and showing the steps that need to be taken to implement CCS.
CCS is currently moving to the centre of climate policy discussion. Nonetheless this line of technologies is still the subject of controversial discussion. On the one hand there is a clear hope that these technologies will open up opportunities to use fossil fuels without harming the climate and thus make it possible to continue using oil, natural gas and above all coal even under a stricter climate regime. Accordingly, numerous R&D projects have been initiated all over the world, and various demonstration projects are at the planning or implementation stage. On the other hand, CCS (especially the storage part) has given rise to considerable scepticism from an ecological point of view.
Die vorliegende Broschüre setzt sich mit der Technologie der CO2-Abtrennung und Speicherung (CCS: Carbon Capture and Storage) auseinander. Sie bereitet den heute verfügbaren Sachstand auf und beschreibt die Entwicklungsperspektiven und Potenziale. Sie geht dabei sowohl diagnostisch als auch analytisch vor und zeigt die noch offenen Fragen für die Bewertung dieser Technologielinie sowie die noch notwendigen Handlungsschritte für ihre Umsetzung auf.
The final report of the research project "Power Sector Decarbonisation: Metastudy" contains the various reports prepared by Öko-Institut and Wuppertal Institute during the course of the SEFEP funded project. A key objective of the project was to make a contribution to the debates within the European Union (EU) and Member States on the EU's Energy Roadmap 2050 publication, which was released in December 2011. This objective was achieved by systematically analysing and comparing recently published scenarios on the European electricity sector commissioned by a range of different stakeholders (environmental NGOs, industry and government agencies).
Transformative Innovationen : die Suche nach den wichtigsten Hebeln der Großen Transformation
(2021)
Der hier vorliegende Zukunftsimpuls soll den Grundgedanken der Transformativen Innovationen und ihre Notwendigkeit beschreiben sowie erste Kandidaten für solche Transformativen Innovationen aus diversen Arbeitsbereichen des Wuppertal Instituts vorstellen. Er dient vor allem als Einladung, gemeinsam mit dem Wuppertal Institut über solche Innovationen zu diskutieren, die irgendwo zwischen den großen Utopien und kleinen Nischenaktivitäten liegen. Denn es braucht nicht immer den ganz großen Wurf, um Veränderungen in Gang zu setzen.
Scenarios for the transition to a sustainable and climate protecting energy system in Germany
(2004)
Given large potentials of the MENA region for renewable energy production, transitions towards renewables-based energy systems seem a promising way for meeting growing energy demand while contributing to greenhouse gas emissions reductions according to the Paris Agreement at the same time. Supporting and steering transitions to a low-carbon energy system require a clear understanding of socio-technical interdependencies in the energy system as well as of the principle dynamics of system innovations. For facilitating such understanding, a phase model for renewables-based energy transitions in MENA countries, which structures the transition process over time through the differentiation of a set of sub-sequent distinct phases, is developed in this article. The phase model builds on a phase model depicting the German energy transition, which was complemented by insights about transition governance and adapted to reflect characteristics of the MENA region. The resulting model includes four phases ("Take-off renewables", "System integration", "Power to fuel/gases”, "Towards 100% renewables”), each of which is characterized by a different cluster of innovations. These innovations enter the system via three stages of development which describe different levels of maturity and market penetration, and which require appropriate governance. The phase model has the potential to support strategy development and governance of energy transitions in MENA countries in two complementary ways: it provides an overview of techno-economic developments as orienting guidelines for decision-makers, and it adds some guidance as to which governance approaches are suitable for supporting those developments.
Die nachhaltige Gestaltung der zukünftigen Energieversorgung stellt heute große Herausforderungen. Diese gehen weit über die häufig im Mittelpunkt stehende Frage des Klimaschutzes hinaus und umfassen Aspekte der Versorgungssicherheit, der Wirtschafts- und Sozialverträglichkeit ebenso wie Ansprüche nach Risikominimierung, geringer Systemverletzlichkeit und Anpassungsfähigkeit. Bei der Gestaltung entsprechender Politiken und bei der Umsetzung von Maßnahmen gilt es diesen komplexen Anforderungskanon im Hinterkopf zu haben, Synergieeffekte anzustreben und trade off's zwischen verschiedenen Zielen zu vermeiden.
Angewandte Systemanalyse
(2008)
On 26 January 2019, the Commission on Growth, Structural Change and Employment recommended that no more coal-fired power plants would be operated in Germany by 2038 at the latest. In this paper the Wuppertal Institute comments on the results of the Commission and makes recommendations for the current necessary steps for the climate and innovation policy in Europe, Germany and North Rhine-Westphalia.
Am 26. Januar 2019 hat die Kommission "Wachstum, Strukturwandel und Beschäftigung" beschlossen, dass in Deutschland bis spätestens 2038 keine Kohlekraftwerke mehr betrieben werden sollen. Das Wuppertal Institut nimmt in diesem Papier Stellung zu den Ergebnissen der Kommission und gibt Empfehlungen für die nun notwendigen Schritte für die Klima- und Innovationspolitik in Europa, Deutschland und Nordrhein-Westfalen.
Obwohl viele der aktuellen Herausforderungen im Bereich der Energieversorgung eine internationale Dimension haben bzw. nur international gelöst werden können, ist die internationale Energiepolitik bis heute ein weitgehend ungesteuerter Politikbereich. Im letzten Jahrzehnt entwickelten sich zwar neue globale Kooperationsstrukturen und Initiativen, der Weg zu einer multilateralen, globalen Governance-Struktur, die zentrale Impulse für die gemeinsame Etablierung international geltender Normen und Regeln geben könnte, ist aber noch weit. Der Artikel führt in die aktuellen Entwicklungen ein und diskutiert die verbleibenden Herausforderungen.
Bei der Energiewende handelt es sich um einen komplexen Transformationsprozess, der nicht allein aus der nationalen Perspektive betrachtet werden kann. Er ist nicht vollständig unabhängig, sondern in einen Mehr-Ebenen-Prozess eingebunden. Es gilt entsprechend sowohl lokale als auch regionale, nationale, europäische und auch die internationalen Energiewendeprozesse und zugehörigen Rahmenbedingungen zu diskutieren und zu beachten. Es gilt aber auch, über den eigentlichen Energiebereich hinausgehende Trends in ihren Wechselwirkungen mit dem Energiesystem zu identifizieren und zu analysieren. Mit der Energiewende wird zudem eine Zielvielfalt angesprochen. Es geht über das Erreichen von Klimaschutzzielen hinaus um eine größere Vielfalt von gesellschaftlich-politischen Zielen.
Der Transformationsprozess hat keine eindimensionale Zielorientierung, sondern muss in einer mehrdimensionalen Betrachtung analysiert werden.
At current primary steel production levels, the iron and steel industry will fail to meet the 80% emission reduction target without introduction of breakthrough technologies (Wörtler et al., 2013: 19). The current research analyses the technical and economical long-term potential of innovative primary steel production technologies in Germany throughout 2100. Techno-economic models are used to simulate three innovative ore-based steelmaking routes verses the reference blast furnace route (BF-BOF). The innovative routes in focus are blast furnace with CCS (BF-CCS), hydrogen direct reduction (H-DR), and iron ore electrolysis (EW). Energy and mass flows for the production of one tonne of crude steel (CS) are combined with hypothetical price, cost, and revenue data to evaluate the production routes economically, technically, and environmentally. This is a purely theoretical analysis and hence further external factors that may influence practical implementation or profitability are not considered.
Different future developments are considered by using three scenarios, representing an ambitious, a moderate, and a conservative transformation of the German energy sector. In general, looking into the future bares various uncertainties which should be reflected in a suitable manner.
According to the present scenario analysis, chances are that with rising prices for coal and CO2 allowances BF-BOF and even BF-CCS become unprofitable by mid-century. With a high share of renewable energy sources and high prices for CO2 allowances, H-DR and EW become economically attractive in the second half of the current century, when BF-based routes are long unprofitable. Energy and raw material efficiency is significantly higher for H-DR and EW and furthermore, the 80% reduction target by 2050 can be achieved in the ambitious scenario. However, high investment costs and high dependency on electricity prices prohibit a profitable implementation before 2030–2040 without further subsidies. EW is the most energy and resource efficient production route. Since continuous electricity is needed for the continuous operation, the electricity costs are 20–40% higher than for H-DR (with high-capacity hydrogen storage units). Even though hydrogen production implies efficiency losses compared to the EW route, the decoupling of hydrogen production from continuous operation of the steel plant through hydrogen storage offers the opportunity to use cheap excess renewable electricity. This makes the H-DR economically and environmentally the most attractive route and provides a crucial contribution to stabilize the grid and to store excess energy in a 100% renewable energy system.
Der angestrebte starke Ausbau Erneuerbarer Energien (EE) für die Stromerzeugung wird bisher hauptsächlich mit der Frage verbunden, wie schnell und umfangreich die Stromnetze ausgebaut werden müssen und in welchem Umfang es welcher neuer Energiespeicher bedarf. Die mögliche große Bedeutung, die die bestehenden Gasnetze und -speicher für den EE-Ausbau und ihre Integration via Einspeisung von Wasserstoff oder auch synthetischem Methan aus EE-Strom haben können, findet dagegen nur wenig Berücksichtigung. Es wird zwar z. B. in der dena Netzstudie II für das heutige Erdgasnetz ein sehr großes, noch unerschlossenes Potenzial als "Stromspeicher" in Höhe von umgerechnet 130 Mrd. kWhel ausgewiesen. Gleichwohl wurde das Erdgasnetz nicht in die Berechnungen der dena Netzstudie mit einbezogen. Durch eine synchrone aber räumlich getrennte Kombination von "Stromspeicherung" (Power-to-Gas) und Stromerzeugung (Gas-to-Power) könnten die bestehenden Gasinfrastrukturen prinzipiell aber auch für einen weiträumigen "Stromtransport" genutzt werden. Diese Option wird vor dem Hintergrund des stockenden Stromnetzausbaus auf ihre Machbarkeit und Synergieeffekte mit dem Stromnetzausbau hin untersucht.
Dazu werden im Rahmen dieser Studie folgende Leitfragen bearbeitet:
Wie wird aus heutiger Sicht (Metaanalyse) der Bedarf für den Ausbau des Stromnetzes und an Energiespeichern sowie die Rolle von Power-to-Gas gesehen? Welche technischen Potenziale und Synergieeffekte bietet die bestehende Gasinfrastruktur in Deutschland für eine Entlastung des Stromnetzausbaus? Welche Kosten sind damit heute und in Zukunft verbunden und welche Kosten können dadurch ggf. reduziert werden? Welche Hemmnisse sind zu beachten und wie können sie ggf. überwunden werden?
Based on different current long-term energy scenarios the paper discusses the future perspectives of hydrogen in the German energy system as a representative example for the development of sustainable energy systems. The scenario analysis offers varying outlines of the future energy system that determine the possible role of hydrogen. The paper discusses the possibilities of expanding the share of renewable energy and the resulting prospects for establishing clean hydrogen production from renewable energy sources. Emphasis is given to the questions of an ecologically efficient allocation of limited renewable energy resources that can only be assessed from asystems analysis perspective. Findings from recent studies for Germany reveal a strong competition between the direct input into the electricity system and an indirect use as fuel in the transport sector. Moreover, the analysis underlines the paramount importance of reducing energy demand as the inevitable prerequisite for any renewable energy system.
Erneuerbare Energien und Energieeffizienz : Systemlösungen als Schlüsselelement der Energiewende
(2013)
Erneuerbare Energien und Energieeffizienz sind die Schlüsselstrategien für die Umsetzung einer klimaverträglichen Energieversorgung in Deutschland und weltweit. Dieser Beitrag soll die Kopplung zwischen erneuerbaren Energien und Energieeffizienz im Kontext von Systemlösungen aufzeigen. Diese Systemlösungen sollten schon sehr frühzeitig und systematisch im Kontext von technologischen Lösungen, von Infrastrukturansätzen und von Politikansätzen bedacht werden.
This paper presents the results of a collaborative project on public acceptance of Carbon Capture and Storage (CCS) in Germany, commissioned by the German Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi). The project "Socio-economic Research on Acceptance of CCS" (April 2006 to March 2008) analyzed various aspects of public acceptance of CCS mainly in the national context of Germany. It was the first project to handle this subject matter. Public acceptance is one of the crucial factors for the implementation of CCS in the future.
Die Landesregierung in NRW hat am 14.4.2015 den in einem aufwändigen Stakeholderprozess erstellten Klimaschutzplan vorgestellt. Eines der Ziele war, die Klimaschutzpolitik als langfristige Strukturpolitik zu implementieren und entsprechende Prozesse in die Breite der Gesellschaft zu tragen. Weitere Bundesländer und der Bund selbst haben inzwischen ähnliche Prozesse eingeleitet. In zahlreichen anderen Ländern gibt es Beschlüsse, die in diese Richtung gehen. Eine Übersicht über den Prozess der Planerstellung in NRW und über den Stand der Diskussion in Deutschland verdeutlicht, wie Klimaschutzpläne durch partizipatorische Elemente in der Erstellungsphase mehr Akzeptanz erfahren können.
Industry
(2014)
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.
Die Energiewende stellt einen ambitionierten und zugleich hochkomplexen Transformationsprozess dar. Der vorliegende Artikel stellt acht Thesen auf, die dabei helfen können, die Herausforderungen besser zu verstehen und Ansatzpunkte für zukünftiges Handeln zu identifizieren sowie Forschungsbedarf aufzuzeigen.
Das Ende des Öls
(2006)
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.
Die Energiewende ist der Umstieg der Energieproduktion, -versorgung und -nutzung von nuklearen und fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien. Dieser tiefgreifende Wandel des über viele Jahre gewachsenen Energiesystems in Deutschland umfasst zahlreiche, hoch komplexe Aspekte und Prozesse. Aus einer eher technologischen Perspektive heraus betrachtet sind die Ziele der Energiewende eine Weiterentwicklung und Dezentralisierung des technischen Stromsystems und seiner Komponenten (Speicher, Netze, Management), die Steigerung der Energieeffizienz (bspw. in industriellen Prozessen sowie in Haushalten, durch energetische Modernisierung des Gebäudebestandes oder eine intelligentere Nutzung der Wärme) sowie die Elektrifizierung des Verkehrs.
In dem vorliegenden Kapitel werden die verschiedenen Herausforderungen zur Umsetzung der Energiewende genauer beleuchtet und dargestellt und schließlich in zentrale Schlussfolgerungen zur Realisierung der Energiewende überführt.
Behälterglasherstellung
(2018)
Understanding the diversifying role of civil society in Europe's sustainability pathway is a valid proposition both scientifically and socially. Civil society organisations already play a significant role in the reality of cities, what remains to be explored is the question: what is the role of civil society in the future sustainability of European cities? We first examine the novelty of new forms of civil society organization based on a thorough review of recent case studies of civil society initiatives for sustainable transitions across a diversity of European projects and an extensive literature review. We conceptualize a series of roles that civil society plays and the tensions they entail. We argue that, civil society initiatives can pioneer new social relations and practices therefore be an integral part of urban transformations and can fill the void left by a retreating welfare state, thereby safeguarding and servicing social needs but also backing up such a rolling back of the welfare state. It can act as a hidden innovator - contributing to sustainability but remaining disconnected from the wider society. Assuming each of these roles can have unintended effects, such as being proliferated by political agendas, which endanger its role and social mission, and can be peeled off to serve political agendas resulting in its disempowerment and over-exposure. We conclude with a series of implications for future research on the roles of civil society in urban sustainability transitions.
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).
How is it possible to increase homeowners' insulation activity? Answering this question is key to successful policies regarding energy-efficient buildings worldwide. In Germany, doubling today's insulation rate of about 1% is an important element for reaching the government's target of an 80% reduction in energy demand in the building sector by 2050.
This thesis uses an agent-based model analysis to improve the understanding of homeowners' insulation activity and to explore new approaches aiming at its increase in Germany. Two agent-based models were developed and utilized. The first model was developed mainly based on insights derived from a structured literature review. The second emerged from the previous one, incorporating the results of an online survey conducted among 275 homeowners.
The results indicate that homeowners' economic means have little influence on their decision to install insulation. Instead, their insulation decision-making is mostly affected by situational factors and their attitudes towards insulation. Situational factors, such as the condition of the building, are important because they initiate homeowners' individual decision-making processes on insulation. The simulation results show that improving homeowners’ attitudes about insulation by providing information has a comparatively low potential for increasing their insulation activity. Out of the policy options this thesis explored, the introduction of an obligation to insulate the walls within one year after change of house ownership was found to have the greatest impact on homeowners' insulation activity.
In Germany, doubling today's insulation rate of about 1% is an important element for reaching the government's target of reducing the demand for energy in the housing sector by 80% by 2050. A survey among 275 private homeowners was conducted to better understand their insulation activity. The results were incorporated into an agent-based model, which was applied to evaluate new policy options. The results of the survey show that policies should focus on homeowners' wall insulation activity. Homeowners' decision-making processes regarding insulation are largely unaffected by their financial resources, which raises the question of the usefulness of financial incentives. In contrast, non-economic factors were found to have a statistically significant influence: in the year following a house ownership change, a comparatively large number of insulation projects are carried out. The probability of insulating walls can be predicted from knowing the homeowner's age, attitude towards insulation, and the structural condition of the walls. The simulations indicate that information instruments lead to a comparatively small increase in the wall insulation rate, while obligating new homeowners to insulate the walls within the first year after moving in has the potential to increase the total insulation rate by up to 40%.
The buildings sector accounts for more than 30% of global greenhouse gas emissions. Despite the well-known economic viability of many energy-efficient renovation measures which offer great potential for reducing greenhouse gas emissions and meeting climate protection targets, there is a relatively low level of implementation. We performed a citation network analysis in order to identify papers at the research front and intellectual base on energy-efficient renovation in four areas: technical options, understanding decisions, incentive instruments, and models and simulation. The literature was reviewed in order to understand what is needed to sufficiently increase the number of domestic energy-efficient renovations and to identify potential research gaps. Our findings show that the literature on energy-efficient renovation gained considerable momentum in the last decade, but lacks a deep understanding of the uncertainties surrounding economic aspects and non-economic factors driving renovation decisions of homeowners. The analysis indicates that the (socio-economic) energy saving potential and profitability of energy-efficient renovation measures is lower than generally expected. It is suggested that this can be accounted for by the failure to understand and consider the underpinning influences of energy-consuming behaviour in calculations. Homeowners׳ decisions to renovate are shaped by an alliance of economic and non-economic goals. Therefore, existing incentives, typically targeting the economic viability of measures, have brought little success. A deeper understanding of the decisions of homeowners is needed and we suggest that a simulation model which maps the decision-making processes of homeowners may result in refining existing instruments or developing new innovative mechanisms to tackle the situation.
Insulating existing buildings offers great potential for reducing greenhouse gas emissions and meeting Germany's climate protection targets. Previous research suggests that, since homeowners' decision-making processes are inadequately understood as yet, today's incentives aiming at increasing insulation activity lead to unsatisfactory results. We developed an agent-based model to foster the understanding of homeowners' decision-making processes regarding insulation and to explore how situational factors, such as the structural condition of houses and social interaction, influence their insulation activity. Simulation experiments allow us furthermore to study the influence of socio-spatial structures such as residential segregation and population density on the diffusion of renovation behavior among homeowners. Based on the insights gained, we derive recommendations for designing innovative policy instruments. We conclude that the success of particular policy instruments aiming at increasing homeowners' insulation activity in a specific region depends on the socio-spatial structure at hand, and that reducing financial constraints only has a relatively low potential for increasing Germany's insulation rate. Policy instruments should also target the fact that specific renovation occasions are used to undertake additional insulation activities, e.g. by incentivizing lenders and craftsmen to advise homeowners to have insulation installed.
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.
Ziel des Projektes ist es neuartige Wärme- und Kälteerzeugungstechnologien sowie neue Lösungen zur Steigerung und Qualitätssicherung der Energieeffizienz und zur Integration erneuerbarer Energien in drei Case Studies - in GHD und Industrie - zu demonstrieren. Es soll gezeigt werden, wie die einzelnen Sektoren Strom, Wärme und Kälte effizient gestaltet werden können und durch eine Verknüpfung das Potenzial zur Flexibilisierung in der Industrie und im GHD-Sektor gehoben werden kann. Hierfür werden Markt- und Betreibermodelle entwickelt, die die Schnittstellen der Sektoren adressieren und die Einbindung der GHD- und Industriebetriebe in die Energiewirtschaft schaffen. Es werden zudem die identifizierten Flexibilitätsoptionen im Gebäudesektor in ein regionales und deutschlandweites Energiesystem- und Energiemarktmodell eingebunden, um deren Interaktion mit dem Energiesystem und die damit verbundenen Auswirkungen zu bewerten.
Das Projekt hat nicht nur das Ziel, mit einem breiten Blick den Nutzen einer Flexibilitätserhöhung in verschiedenen Gebäudetypen zu analysieren, sondern wird im Rahmen der Case Studies in konkreten Anwendungsfällen das Flexibilitätspotenzial heben und dadurch eine direkte Auswirkung auf die Erhöhung der Flexibilität im deutschen Energiesystem erreichen und die Energiewende vorantreiben. In den Case Studies wird u.a. auch detailliert untersucht, welche Investitionen in Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR-Technik), flexible Energiewandler und -Speicher nötig sind, um die Flexibilität in den Gebäuden signifikant zu erhöhen und damit einen positiven Beitrag zur Energiewende zu leisten. Die identifizierten Maßnahmen werden im Rahmen des Projekts in den Case Studies implementiert und technisch-wirtschaftlich analysiert.
The need for an "Energy Roadmap 2050" triggered a multitude of studies that were conducted between 2009 and 2011, which again contained a multitude of decarbonisation scenarios, which achieve the EU's long-term emission mitigation target of reducing greenhouse gas emissions by at least 80% until 2050 (relative to 1990 emissions). The variety of important analysis is difficult to compare and utilize for specific and timely policy decisions. Thus the Smart Energy for Europe Platform (SEFEP) has commissioned a comparative study of relevant energy scenario studies for Europe. The findings of this comparative study are summarized here briefly.
Kommunale Wärmetransformationsprojekte verfolgen verschiedene Ziele gleichzeitig. In der Regel soll die Transformation einen Beitrag leisten, um die Treibhausgasemissionen der Wärmeversorgung zu senken. Gleichzeitig stehen aber weitere Ziele, u. a. die Sozialverträglichkeit, Akzeptanz und wirtschaftliche Tragfähigkeit im Fokus der Akteure. Dabei muss eine einseitige Zieloptimierung vermieden werden. Darüber hinaus erscheint es sinnvoll, den Beitrag der jeweiligen Konzepte zu den Nachhaltigkeitszielen im Blick zu behalten.
Im Kontext kommunaler Wärmetransformationsprojekte geht es auf der Bedarfsseite darum, die Energieverbräuche für Raum- und Prozesswärme zu senken. Die Akteure auf Seiten der Abnehmer und Wärmenutzer:innen sind u. a. gewerbliche Unternehmen, die Wohnungswirtschaft, die öffentliche Hand und die Bewohner:innen.
Auf der Versorgungsseite muss die Wärmebereitstellung von fossilen Energieträgern umgestellt werden auf regenerative Energien, wie Bioenergie, Solarthermie, Geothermie, Umgebungswärme und industrielle Abwärme. Daher treten hier als Akteure der Wärmewende nicht mehr nur Energieversorgungsunternehmen, Stadtwerke und Kommunen, sondern bspw. auch Industrieunternehmen als Abwärmequellen und Selbsterzeuger auf.
Dieser Beitrag ordnet zunächst eine multikriterielle Nachhaltigkeitsbewertung in das Vorgehen kommunaler Wärmetransformationsprojekte ein. Anschließend werden Ansätze einer multikriteriellen Nachhaltigkeitsbewertung aus Projekten von FVEE- Mitgliedseinrichtungen dargestellt. Der dritte Abschnitt schließlich zeigt, wie diese in der Interaktion und Kommunikation mit den Akteuren genutzt werden können.
Combined heat and power (CHP) production in buildings is one of the mitigation options available for achieving a considerable decrease in GHG emissions. Micro-CHP (mCHP) fuel cells are capable of cogenerating electricity and heat very efficiently on a decentralised basis. Although they offer clear environmental benefits and have the potential to create a systemic change in energy provision, the diffusion of mCHP fuel cells is rather slow. There are numerous potential drivers for the successful diffusion of fuel cell cogeneration units, but key economic actors are often unaware of them. This paper presents the results of a comprehensive analysis of barriers, drivers and business opportunities surrounding micro-CHP fuel-cell units (up to 5 kWel) in the German building market. Business opportunities have been identified based not only on quantitative data for drivers and barriers, but also on discussions with relevant stakeholders such as housing associations, which are key institutional demand-side actors. These business opportunities include fuel cell contracting as well as the development of a large lighthouse project to demonstrate the climate-neutral, efficient use of fuel cells in the residential building sector. The next step could involve the examination and development of more detailed options and business models. The approach and methods used in the survey may be applied on a larger scale and in other sectors.
Dieser Artikel ist der Frage gewidmet, welchen Beitrag eine verstärkte Sektorenkopplung zum Gelingen der Energiewende leisten kann. Ausgehend von einer Einführung der Prinzipien und Technologien bietet er Einblicke in die zur Erforschung der Sektorenkopplung angewendeten Methoden, sowie ausgewählte Ergebnisse.
Hinsichtlich der Energieversorgung versteht man unter Sektorenkopplung im Allgemeinen eine engere Verzahnung und Verknüpfung verschiedener Energieanwendungsbereiche, sowie die Zunahme von Verzweigungs- und Verknüpfungsstellen im Energiesystem. Die wesentlichen Anwendungsbereiche der Energie sind dabei die Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität.
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Optimierungsmodelle entwickelt, um die Bewertung von Strategien für die zukünftige Entwicklung von Energieversorgungssystemen wissenschaftlich zu unterstützen. Analysen zur zukünftigen Ausgestaltung des Energiesystems und seines Betriebs, die auf der Anwendung dieser Modelle basieren, kommen jedoch meist zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dies liegt zum einen an unterschiedlichen Annahmen in den Modelleingangsdaten, zum anderen an Unterschieden in den Modellformulierungen. Modelle zur Analyse nationaler Energiewendeszenarien unterscheiden sich in der Regel in ihrer räumlichen und zeitlichen Granularität sowie in ihrem technologischen Umfang und Detailgrad. Begrenzte Rechenkapazitäten machen einen Kompromiss zwischen diesen Dimensionen erforderlich. Eine hohe räumliche und/oder zeitliche Granularität geht somit mit einer starken Vereinfachung der Darstellung von Technologieeigenschaften einher. Diese Vereinfachungen können von Modell zu Modell unterschiedlich sein.
Vor dem Hintergrund dieser Problemstellung lag der Fokus des Projekts FlexMex auf der Bewertung des Einflusses der Modelleigenschaften auf die berechneten Ergebnisse. Um datenbedingte von modellbedingten Unterschieden zu trennen wurde somit ein einheitlicher Satz an Eingangsparametern entwickelt und in allen Modellen verwendet. Die Szenariovorgaben schließen dabei die techno- ökonomischen Technologieparameter, Brennstoff- und CO2-Zertifikatspreise, Annahmen zur Strom-, Wärme- und Wasserstoffnachfrage, das Dargebot der Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie (EE) sowie die Potenziale von Lastmanagement und weiteren Flexibilitätsoptionen ein. Zudem wurden in den Szenarien ohne modellendogene Ausbauoptimierung auch die installierten Kapazitäten der betrachteten Energiewandler, -speicher und -netze harmonisiert. Die Ausnahme bildeten hier Untersuchungen mit Betrachtung einer modellendogenen Optimierung der Anlagenkapazitäten. Gemäß dem Fokus auf dem stündlichen Einsatz von Flexibilitätsoptionen wurden im Modellvergleich überwiegend Versorgungssysteme mit hohen Erzeugungsanteilen fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik betrachtet.
Der Modellvergleich setzte sich aus zwei, aufeinander aufbauenden Teilen zusammen. Im ersten Teil des Vergleichs stand die detaillierte Analyse der Auswirkung von Unterschieden in den Modellierungsansätzen und der Abbildung einzelner Technologien im Vordergrund. Dafür wurden die betrachteten Flexibilitätsoptionen jeweils einzeln in einem stark vereinfachten System betrachtet. Dieses setzt sich zusammen aus fluktuierender Erzeugung aus Windenergie und Photovoltaik, jeweils mit der Option der Abregelung und der zu analysierenden alternativen Flexibilitätsoptionen. Aufgrund der Vielfalt der betrachteten Optionen - Stromspeicher, Stromübertragungsnetze, Lastmanagement und verschiedene Technologien der flexiblen Sektorenkopplung - ergeben sich daraus insgesamt 22 Modellläufen. Da sich die Unterschiede in der Technologieabbildung auf jeweils eine Technologie beschränken, können Abweichungen in den Ergebnissen diesen direkt zugeordnet werden.
Im zweiten Teil des Modellvergleichs wurden alle Flexibilitätsoptionen gemeinsam und folglich auch deren vielfältige Wechselwirkungen betrachtet. Im Rahmen der Betrachtung von 16 Testfällen wurde die sich aus der Modellwahl ergebende Unsicherheit in den Ergebnissen quantifiziert. Diese Testfälle unterscheiden sich im Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, in der Verfügbarkeit verschiedener Flexibilitätsoptionen, sowie in der Berücksichtigung eines endogenen Zubaus dieser Flexibilitätsoptionen.
Model-based scenario analyses of future energy systems often come to deviating results and conclusions when different models are used. This may be caused by heterogeneous input data and by inherent differences in model formulations. The representation of technologies for the conversion, storage, use, and transport of energy is usually stylized in comprehensive system models in order to limit the size of the mathematical problem, and may substantially differ between models. This paper presents a systematic comparison of nine power sector models with sector coupling. We analyze the impact of differences in the representation of technologies, optimization approaches, and further model features on model outcomes. The comparison uses fully harmonized input data and highly simplified system configurations to isolate and quantify model-specific effects. We identify structural differences in terms of the optimization approach between the models. Furthermore, we find substantial differences in technology modeling primarily for battery electric vehicles, reservoir hydro power, power transmission, and demand response. These depend largely on the specific focus of the models. In model analyses where these technologies are a relevant factor, it is therefore important to be aware of potential effects of the chosen modeling approach. For the detailed analysis of the effect of individual differences in technology modeling and model features, the chosen approach of highly simplified test cases is suitable, as it allows to isolate the effects of model-specific differences on results. However, it strongly limits the model's degrees of freedom, which reduces its suitability for the evaluation of fundamentally different modeling approaches.
Mit dem European Green Deal hat Europa seine Klimaschutzziele nach oben korrigiert und einen weiteren, erforderlichen Schritt auf dem Weg zur Dekarbonisierung unternommen. Die neuen europäischen Zielvorgaben sind in Deutschland mit der Verabschiedung des Klimaschutzgesetzes seit Ende 2019 schon verbindlich festgeschrieben, wobei hier bereits spezifische CO2-Budgets für die Einzelsektoren definiert werden. Die Umsetzung dieser Ziele verlangt eine radikale Transformation des heutigen Energieversorgungssystems.
Der Umbau des komplexen und heterogenen Wärmebereiches stellt dabei eine der größten Herausforderung dar: Wärme ist in Europa für über 50 % des Endenergieverbrauches verantwortlich, wird aber gegenwärtig nur zu 22 % aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt. Aus geoklimatischen, kulturellen und politischen Gründen sind dabei die Anteile in den einzelnen europäischen Ländern sehr unterschiedlich. Unter den Spitzenreitern sind Schweden (66 %) und Dänemark (48 %). Unser Nachbarland Österreich erreicht immerhin 34 %. Im Vergleich dazu liegt Deutschland mit 15 % abgeschlagen auf einem hinteren Platz.
Der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energien ist neben der Steigerung der Energieeffizienz die tragende Säule der Wärmewende, wobei hier ein breiter Mix an Technologien gefragt ist.
Die direkte Nutzung der Wärmetechnologien hat weiterhin Priorität, erfordert aber eine stark beschleunigte Erschließung der vorhandenen Potenziale sowie einen nachhaltigen Umgang mit wertvoller Biomasse.
Die Sektorenkopplung bietet die notwendige Ergänzung für die geplante Transformation (BMWi, 2021). Solarenergie in Form von Solarwärme und Solarstrom wird somit in Kombination mit Umweltwärme eine zentrale Rolle im zukünftigen Wärme- und Kälteversorgungssystem spielen. Darauf fokussiert sich der Beitrag, wobei die spezifische Situation der Niedertemperatur-Solarthermie und der Schlüsseltechnologie Wärmepumpe adressiert werden.
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.
Nach einer langen Phase der Stabilität ist die Stromwirtschaft in den vergangenen 15 Jahren stark in Bewegung geraten. Zunächst stand der Wechsel von staatlich überwachten und regulierten Gebietsmonopolen hin zu liberalisierten Erzeuger- und Verbrauchermärkten an. Im Moment befinden wir uns in einem ähnlichen Umbruch, weg von konventioneller hin zu erneuerbarer Energieerzeugung.
Im vorliegenden Beitrag soll der Leitfrage nachgegangen werden, ob die Paradigmen der einzelnen Phasen miteinander vereinbar sind, welche noch immer ihre Daseinsberechtigung haben und welche modifiziert werden sollten.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, aufzuzeigen, inwieweit die Einbindung von Stromspeichern und Lastmanagement in die Kraftwerkseinsatzplanung die Spitzenlaststrompreise eines Systems mit hohem Anteil erneuerbarer Energien beeinflusst. Mithilfe des auf MATLAB/SIMULINK® basierenden Energiesystemmodells EmSAr erfolgt eine nach ökonomischen Gesichtpunkten ausgerichtete Einsatzoptimierung fossiler Regelkraftwerke, Speichertechnologien sowie der Option Lastmanagement. Es handelt sich dabei um ein lineares Optimierungsmodell, welches als Punktmodell den Elektrizitätsbedarf der Bundesrepublik Deutschland im Jahre 2020 bei hohem Anteil erneuerbarer Energien deckt. Die Einsatzplanung konzentriert sich dabei auf den starke Fluktuationen aufweisenden Spitzenlastbereich. Aus den Ergebnissen der Einsatzplanung leiten sich die Spitzenlaststrompreise des Systems ab. Ergänzt wird das Modell durch ein separates Simulationsmodell, welches das Ladeverhalten der Speichersysteme abbildet.
Although smart energy technologies (SETs) can fulfill multiple tasks in increasingly decarbonized and digitalized energy systems, market diffusion is still limited. This study investigates which beliefs influence consumers' intention to adopt two smart-energy offerings, whether the rapid growth of the smart home market will now drive SET adoption, and if consumer-driven diffusion will lead to sustainability potentials being realized. Building on UTAUT2, a new theoretical model is proposed, and a consumer acceptance survey was conducted in Germany (n = 700). Results indicate that a growing smart home market will not increase SET adoption and that "adjustable green defaults" should be introduced.
Die energetische Sanierung von Wohnhäusern wird in vielen Städten vorangetrieben. Was im Hinblick auf Energieeffizienz sinnvoll ist, kann aufgrund steigender Mietkosten zu einer Verdrängung der alteingesessenen Bewohner(innen) führen. Damit energetische Sanierung nicht dazu beiträgt, soziale Ungleichheiten auf Stadt- und Quartiersebene zu erhöhen, bedarf es sozialpolitischer Regelungen und Förderinstrumente. Doch fehlt noch eine fundierte Datenbasis, die es erlaubt, entsprechende Empfehlungen zu geben.
We conduct a systematic, interdisciplinary review of empirical literature assessing evidence on induced innovation in energy and related technologies. We explore links between demand-drivers (both market-wide and targeted); indicators of innovation (principally, patents); and outcomes (cost reduction, efficiency, and multi-sector/macro consequences). We build on existing reviews in different fields and assess over 200 papers containing original data analysis. Papers linking drivers to patents, and indicators of cumulative capacity to cost reductions (experience curves), dominate the literature. The former does not directly link patents to outcomes; the latter does not directly test for the causal impact of on cost reductions). Diverse other literatures provide additional evidence concerning the links between deployment, innovation activities, and outcomes. We derive three main conclusions. (1) Demand-pull forces enhance patenting; econometric studies find positive impacts in industry, electricity and transport sectors in all but a few specific cases. This applies to all drivers - general energy prices, carbon prices, and targeted interventions that build markets. (2) Technology costs decline with cumulative investment for almost every technology studied across all time periods, when controlled for other factors. Numerous lines of evidence point to dominant causality from at-scale deployment (prior to self-sustaining diffusion) to cost reduction in this relationship. (3) Overall Innovation is cumulative, multi-faceted, and self-reinforcing in its direction (path-dependent). We conclude with brief observations on implications for modeling and policy. In interpreting these results, we suggest distinguishing the economics of active deployment, from more passive diffusion processes, and draw the following implications. There is a role for policy diversity and experimentation, with evaluation of potential gains from innovation in the broadest sense. Consequently, endogenising innovation in large-scale models is important for deriving policy-relevant conclusions. Finally, seeking to relate quantitative economic evaluation to the qualitative socio-technical transitions literatures could be a fruitful area for future research.
Die Vision einer klimafreundlichen zukünftigen energetischen Nutzung von Wasserstoff ist untrennbar mit dessen Erzeugung auf der Basis von regenerativer Energie verknüpft. Für einen Übergangszeitraum kann der Rückgriff auf anderweitig in Industrieprozessen erzeugten Wasserstoff einschließlich vorhandener Infrastrukturelemente sinnvoll sein. Nordrhein-Westfalen bietet hierfür mit dem Rhein-Ruhr-Raum besonders günstige Voraussetzungen und verfügt über zahlreiche Standorte, die sich für energetische Pioniernutzungen von Wasserstoff anbieten. Der Beitrag verknüpft die Erhebung der verfügbaren Wasserstoffmengen in NRW mit der Modellierung des Aufbaus einer Wasserstoffinfrastruktur in NRW und stellt dabei die besondere Ausgangslage des Bundeslandes heraus.
In einer umkämpften Stadt wird der Anbau von Nahrung zu einem politischen Akt: Anbau, Erwerb von Nahrung und ihre sozialen und umweltbezogenen Qualitätskriterien sind eng verknüpft mit dem "Recht auf Stadt", wie es der französische Soziologe Henri Lefebvre formuliert hat. Anhand verschiedener Dimensionen dieses "Rechts auf Stadt" untersucht Katharina Gröne drei Landwirtschaftsprojekte in Kapstadt/Südafrika - mit Blick auf die kommunikative und die mikropolitische Ebene sozialökologischer Praktiken.
Aufgrund ungleicher sozialräumlicher Entwicklung, Teilhabe und Anerkennung durch die Politik nehmen diese drei Projekte jeweils unterschiedliche Positionen im alternativen Nahrungsmittelnetzwerk Kapstadts ein. Kulturelle Artefakte, Symbole, Logos und Begriffe dienen dabei der Herstellung sozialer Ordnung und eines spezifischen Repräsentationsregimes im politischen Feld. So wird der Anbau von Gemüse zum Austragungsort eines Machtkampfes - und dient der Herstellung kultureller Hegemonie in der städtischen Nachhaltigkeitspolitik.
Für den Klimaschutz müssen die Kohlendioxidemissionen verringert werden - massiv und schnell. Derzeit stehen dafür vor allem technische Lösungen im Fokus: bessere Energieeffizienz und mehr erneuerbare Energien. Diese Studie untersucht nun eine dritte, bislang zu wenig beachtete Strategie: die Energiesuffizienz. Sie verringert die Nachfrage nach energieintensiven Gütern und Dienstleistungen durch Verhaltensänderungen.
Zwei dafür wesentliche Sektoren werden behandelt: die Raumwärme der privaten Haushalte und der alltägliche Personenverkehr. Beide zusammen verursachen immerhin rund 40 Prozent der städtischen Energienachfrage. Am Beispiel eines Wuppertaler Stadtteils werden dafür lokale Akteure, geeignete Strategien und das erreichbare Einsparpotenzial an Energie und Kohlendioxid analysiert. In Szenarien bis zum Jahr 2050 werden die Einsparmöglichkeiten quantitativ abgeschätzt und die Auswirkungen auf das Alltagsleben der Menschen anschaulich beschrieben.
De-industrialization, climate and demographic changes are only a few key words that indicate the challenge of urban development in many industrialized countries for the coming decades. A fundamental transformation of infrastructure and the built environment is expected to adjust to future needs. Numerous concepts of integrating efficiency and renewable energy sources into urban planning were elaborated in recent years. Energy sufficiency in the meaning of voluntary demand reduction of energy intensive goods and services is the third and mostly forgotten pillar of sustainable development. However, organizational and spatial measures are needed to support behavior modification. This paper presents results of a transdisciplinary research design with local stakeholders and scientific experts to develop an understanding of what energy sufficiency might contribute to sustainable urban development. Based on the Multi-Level-Perspective of the transition research approach, it analyzes how stakeholders and experts define energy sufficiency structures for the shrinking district of Vohwinkel (Germany). The paper also shows a compilation and evaluation of measures which facilitate energy sufficient behavior in the fields of space heating and passenger transport on a local level. The methodological concept comprises expert interviews, thought experiments with stakeholders to develop a vision of an "energy sufficient Vohwinkel 2050" as well as a stakeholder workshop to discuss the results. A shrinking population is seen as a chance to actively adapt the built environment to foster energy sufficiency.
Eine nachhaltige Entwicklung der Städte, die sowohl den sozialen, ökologischen als auch den ökonomischen Ansprüche der Bewohner/-innen gerecht wird, ist offen für die Diskussion unterschiedlicher Konzepte und Strategien zur Bewältigung der großen Veränderungsprozesse in den nächsten Jahrzehnten. In Wuppertal treten Herausforderungen wie demographischer Wandel, wirtschaftliche und finanzielle Schwierigkeiten sowie Klimawandel schon heute gemeinsam auf. Der Handlungsdruck bietet die Chance, als "early adopter" neue Lösungswege zu gehen und bei erfolgreicher Umsetzung als Vorbild für andere Kommunen zu dienen.
Im vorliegenden Papier wird die Nachhaltigkeitsstrategie Energiesuffizienz unter Anwendung verschiedener Konzepte des Transition-Ansatzes analysiert und anhand der Befragung von Expert(inn)en sowie lokalen Stakeholdern in der schrumpfenden Stadt Wuppertal untersucht. Die Analyse in Wuppertal zeigt unter anderem, dass sich die kommunale Ebene als Ansatzpunkt für die Untersuchung von Suffizienz im Bereich Personenverkehr und Raumwärmenachfrage von Haushalten eignet.
Contemporary combined heat and power (CHP) systems are often based on fossil fuels, such as natural gas or heating oil. Thereby, small-scale cogeneration systems are intended to replace or complement traditional heating equipment in residential buildings. In addition to space heating or domestic hot water supply, electricity is generated for the own consumption of the building or to be sold to the electric power grid.
The adaptation of CHP-systems to renewable energy sources, such as solid biomass applications is challenging, because of feedstock composition and heat integration. Nevertheless, in particular smallscale CHP technologies based on biomass gasification and solid oxide fuel cells (SOFCs) offer significant potentials, also regarding important co-benefits, such as security of energy supply as well as emission reductions in terms of greenhouse gases or air pollutants. Besides emission or air quality regulations, the development of CHP technologies for clean on-site small-scale power generation is also strongly incentivised by energy efficiency policies for residential appliances, such as e.g. Ecodesign and Energy Labelling in the European Union (EU). Furthermore, solid residual biomass as renewable local energy source is best suited for decentralised operations such as micro-grids, also to reduce long-haul fuel transports. By this means such distributed energy resource technology can become an essential part of a forward-looking strategy for net zero energy or even smart plus energy buildings.
In this context, this paper presents preliminary impact assessment results and most recent environmental considerations from the EU Horizon 2020 project "FlexiFuel-SOFC" (Grant Agreement no. 641229), which aims at the development of a novel CHP system, consisting of a fuel flexible smallscale fixed-bed updraft gasifier technology, a compact gas cleaning concept and an SOFC for electricity generation. Besides sole system efficiencies, in particular resource and emission aspects of solid fuel combustion and net electricity effects need to be considered. The latter means that vastly less emission intensive gasifier-fuel cell CHP technologies cause significant less fuel related emissions than traditional heating systems, an effect which is further strengthened by avoided emissions from more emission intensive traditional grid electricity generation. As promising result, operation "net" emissions of such on-site generation installations may be virtually zero or even negative. Additionally, this paper scopes central regulatory instruments for small-scale CHP systems in the EU to discuss ways to improve the framework for system deployment.
Der schnell fortschreitende Digitalisierungs- und Automatisierungsprozess ist heute schon ein wichtiger Wegbegleiter für die Transformation des aktuellen Energiesystems. Im vorliegenden Beitrag werden sechs Anwendungsbeispiele vorgestellt, die deutlich machen, dass die Energiewende ohne Digitalisierung nicht denkbar ist.
Participatory modeling - the involvement of stakeholders in the modeling process - can support various objectives, such as stimulating learning processes or promoting mutual understanding of stakeholders. Participatory modeling approaches could therefore be useful for the governance of transitions, but a systematic account of potential application areas of participatory modeling methods in transition governance is still lacking. This article addresses this gap by providing a review of participatory modeling methods and linking them to phases and objectives of transition governance. We reviewed participatory modeling studies in transition research and related fields of social-ecological modeling, integrated assessment and environmental management. We find that participatory modeling methods are mostly used for participatory visioning and goal setting as well as for interactive strategy development. The review shows the potential for extending the application of participatory modeling methods to additional phases of transition governance and for the exchange of experiences between research fields.
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.
In diesem Artikel wird die Energiewende aus wachstumskritischer Sicht diskutiert. Der gegenwärtige Versuch, eine nachhaltige Energieversorgung vorrangig mit technischen Lösungen zu ermöglichen, die das wirtschaftspolitische Wachstumsparadigma und die damit verbundenen, auf materielle Wohlstandssteigerung ausgerichteten Lebensstile und Konsummuster unangetatset lassen, ist - so die zentrale These - zum Scheitern verurteilt. Eine Entkoppelung von Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch, die das Ziel der deutschen Energie- und Nachhaltigkeitspolitik ist, entpuppt sich als Schimäre, da Verlagerungseffekte der technisch orientierten Effizienz- und Konsistenzstrategie dieselben schwächen. Energie-Suffizienz, also der genügsame Minderverbrauch von Energie, erscheint daher eine notwendige Ergänzung für eine erfolgreiche Energiewende, wenn die mit Effizienzsteigerungen und mit dem Ausbau erneuerbarer Energien angestrebten Nachhaltigkeitsziele nicht konterkariert werden sollen. Für eine solche "Suffizienzrevolution" werden drei Ansatzpunkte skizziert: ein Bewusstseinswandel auf individueller Ebene, Suffizienzpolitik als staatliche Steuerungsmaßnahme und konviviale Technologien als materielle Ermöglichungsstruktur für suffiziente Lebensstile.
Der Klimawandel stellt uns vor die globale Herausforderung, auf fossile Energieträger zu verzichten. Die erfolgreiche Transformation des Energiesystems ist eine wesentliche Voraussetzung für eine vollständige Reduktion der Treibhausgase. Eine solche Transformation kann nur gelingen, wenn der fundamental neue Charakter des Systems erfasst und im abgeleiteten Rückschluss daraus der passende Pfad eingeschlagen wird. Im Kern lässt sich dieser neue Charakter als ein defossilisiertes, auf regenerativen Energien basierendes Energiesystem beschreiben.
In welchem Verhältnis stehen Sozialpolitik und Nachhaltigkeit? Welche Schwierigkeiten entstehen im Spannungsfeld zwischen Nachhaltigkeit und Wirtschaftswachstum? Mit diesen und weiteren Fragen des Themenkomplexes beschäftigt sich Uta von Winterfeld gemeinsam mit mehreren Studierenden der Freien Universität Berlin.
The role of hydrogen in long run sustainable energy scenarios for the world and for the case of Germany is analysed, based on key criteria for sustainable energy systems. The possible range of hydrogen within long-term energy scenarios is broad and uncertain depending on assumptions on used primary energy, technology mix, rate of energy efficiency increase and costs degression ("learning effects"). In any case, sustainable energy strategies must give energy efficiency highest priority combined with an accelerated market introduction of renewables ("integrated strategy"). Under these conditions hydrogen will play a major role not before 2030 using natural gas as a bridge to renewable hydrogen. Against the background of an ambitious CO2-reduction goal which is under discussion in Germany the potentials for efficiency increase, the necessary structural change of the power plant system (corresponding to the decision to phase out nuclear energy, the transformation of the transportation sector and the market implementation order of renewable energies ("following efficiency guidelines first for electricity generation purposes, than for heat generation and than for the transportation sector")) are analysed based on latest sustainable energy scenarios.
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.
Will climate change stay below the 2 degree target in the 21st century on the basis of the COP 21 results? Looking into challenges and opportunities, this paper answers: To stay below the global 2dt is neither a real choice for the world society nor for businesses and civil societies in specific countries. It is a global guideline, scientifically developed for global negotiations, which should be broken down to national interests and actors. Key questions concerning the energy sector from the perspective of national interests are how to create and sustain a momentum for the inevitable energy transition, how to encourage disruptive innovations, avoid lock in effects, enable rapid deployment of energy efficiency and renewable energies etc. Or in other words: how to get to a competitive, economically benign, inclusive, low carbon and risk minimising energy system. With this background the paper argues that "burden sharing" is a misleading perception of strong climate mitigation strategies. It is more realistic to talk about "benefit sharing", using the monetary benefits and co-benefits of climate mitigation (e.g. energy cost savings, revenues from CO2-tax or emission trading systems) to help vulnerable national and international actors to adapt to the unavoidable climate risks. It has to be demonstrated on country level that the technologies and policy mix of strong climate mitigation and risk-minimising actions are indeed "benefit sharing" strategies which should be chosen anyhow, even if there was no climate change. For China and Germany this paper includes basic findings supporting this view.
Bis zum Jahr 2050 ist in Deutschland ein ausreichender Klima- und Ressourcenschutz technisch möglich und für die Volkswirtschaft vorteilhafter als eine Referenzentwicklung ("business as usual"): Das ist die Kernbotschaft, die von einer Vielzahl vorliegender Langfrist-Energieszenarien ausgeht. Auch das aktuelle Energiekonzept (September 2010) der Regierungskoalition aus CDU/CSU und FDP formuliert - gestützt auf Szenarien - quantifizierte Leitziele, die noch vor einigen Jahren als ökologische Utopien abgetan worden wären. Ist die Energiepolitik also auf einem guten Weg? Wie weit tragen die Techniken für Energieeffizienz und Erneuerbare? Ist effizient auch suffizient? Dieser Beitrag beantwortet diese Fragen mit drei Thesen. Erstens: Die Integration von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien ist "die Brücke" zur Nachhaltigkeit. Zweitens: Die volkswirtschaftlich attraktiven Synergien zwischen Ressourcen- und Energieeffizienz müssen gehoben werden. Drittens: Eine Strategie für mehr Ressourceneffizienz muss in eine "Kultur der Genügsamkeit" eingebettet werden.
Welche Rolle spielt die Digitalisierung mit der Vielzahl ihrer Methoden und Anwendungen für die Energiewende - also für die Transformation unseres Energiesystems im Sinne der vereinbarten Klimaschutzziele? Ist sie notwendige Voraussetzung für den Systemumbau und ermöglicht beispielsweise erst den Übergang auf ein nahezu vollständig erneuerbares Energiesystem (Enabler) oder ist sie lediglich ein nützliches, den Umbau beschleunigendes Hilfsmittel (Facilitator)? Welche Veränderungen sind durch die Ziele der Energiewende getrieben und welche durch die Verbreitung von Techniken der Digitalisierung? All dies waren Fragen, die im Rahmen der Jahrestagung 2018 des Forschungsverbunds Erneuerbare Energien unter dem Titel "Die Energiewende - smart und digital" behandelt wurden. Dieser einführende Beitrag versucht einige Anhaltspunkte zur Beantwortung dieser Fragen zu liefern und in das Thema einzuführen.
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.
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 der Transformation 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.
Carbon markets in a <2 °C world : will there be room for international carbon trading in 2050?
(2016)
This JIKO Policy Paper analyses a series of very ambitious mitigation scenarios and complements this analysis with a review of several sectoral technology roadmaps. The results are quite clear: there is no reason to believe that international carbon trading will become obsolete any time soon. Whether or not international carbon trading is to play a role in international climate protection efforts is in the end not a physical or economic question, but a political one.
Die Bundesrepublik Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2045 klimaneutral zu werden. Das kann nur funktionieren, wenn fossile Rohstoffe durch erneuerbare Energien ersetzt werden - insbesondere in den Bereichen Industrie und Verkehr. Ein wesentlicher Baustein in diesem Transformationsprozess ist die Errichtung einer Wasserstoffwirtschaft, innerhalb derer Strom aus erneuerbaren Energien in grünen Wasserstoff umgewandelt und dieser als Energieträger vor allem in den Bereichen Industrie und Verkehr angewendet wird.
Innovative digital technologies open up new opportun ities for small and medium-sized enterprises (SMEs) to improve energy efficiency and energy management behavior. The question is: How far will SMEs be capable of profiting from the benefits of these new technologies? Using technology screening, this study identifies smart metering and mobile energy monitoring as digital technologies best addressing SMEs' specific demands. In addition, potentials and limitations of the technologies are investigated in two qualitative in-depth field trials. Barriers to adopting digitally enabled energy management practices are examined. The results indicate that visualising energy data enables SMEs to pursue new energy management practices for reducing energy consumption and costs (such as peak load analysis). SMEs need extensive guidance to identify and pursue these strategies. In conclusion, an exploratory adoption model for digitally enabled energy management practices is developed. Hypotheses for future experimental studies and policy implications are derived.
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.
Roadmaps for India's energy future foresee that coal power will continue to play a considerable role until the middle of the 21st century. Among other options, carbon capture and storage (CCS) is being considered as a potential technology for decarbonising the power sector. Consequently, it is important to quantify the relative benefits and trade-offs of coal-CCS in comparison to its competing renewable power sources from multiple sustainability perspectives. In this paper, we assess coal-CCS pathways in India up to 2050 and compare coal-CCS with conventional coal, solar PV and wind power sources through an integrated assessment approach coupled with a nexus perspective (energy-cost-climate-water nexus). Our levelized costs assessment reveals that coal-CCS is expensive and significant cost reductions would be needed for CCS to compete in the Indian power market. In addition, although carbon pricing could make coal-CCS competitive in relation to conventional coal power plants, it cannot influence the lack of competitiveness of coal-CCS with respect to renewables. From a climate perspective, CCS can significantly reduce the life cycle GHG emissions of conventional coal power plants, but renewables are better positioned than coal-CCS if the goal is ambitious climate change mitigation. Our water footprint assessment reveals that coal-CCS consumes an enormous volume of water resources in comparison to conventional coal and, in particular, to renewables. To conclude, our findings highlight that coal-CCS not only suffers from typical new technology development related challenges - such as a lack of technical potential assessments and necessary support infrastructure, and high costs - but also from severe resource constraints (especially water) in an era of global warming and the competition from outperforming renewable power sources. Our study, therefore, adds a considerable level of techno-economic and environmental nexus specificity to the current debate about coal-based large-scale CCS and the low carbon energy transition in emerging and developing economies in the Global South.
There is an increasing pressure that enhanced and novel energy technologies are swiftly adopted by the market to ensure meeting the energy and climate targets. An important issue with such novel developments is their risk to be stuck in the "valley of death", i.e. that their transition to the market is delayed or unsuccessful. Publicly supported demonstration projects could help to bridge the valley of death by reducing barriers to the adoption caused by missing information and perceived risks. A challenge for technology demonstrations in the industrial context is their often high investments that are required to prove their real-world benefits. Given the magnitude of such investments, it becomes crucial that public funding focuses on the most promising demonstration proposals. Structured evaluation processes can help to facilitate the identification of promising proposals and to improve the quality and transparency of decisions. This paper deals with a corresponding multi-staged multi-criteria decision support system (DSS) suggested to the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. It deals with the evaluation of demonstration proposals across three stages: The first stage represents a filtering stage to identify those proposals relevant for further considerations. The second stage comprises a multi-criteria scoring method drawing on an evaluation against nineteen criteria. The final third stage serves to critically review the need for public funding of well-scored proposals. This contribution outlines the development of the DSS and its design and thus provides insights on proposal evaluating in energy research.
New energy technologies may fail to make the transition to the market once research funding has ended due to a lack of private engagement to conclude their development. Extending public funding to cover such experimental developments could be one way to improve this transition. However, identifying promising research and development (R&D) proposals for this purpose is a difficult task for the following reasons: Close-to-market implementations regularly require substantial resources while public budgets are limited; the allocation of public funds needs to be fair, open, and documented; the evaluation is complex and subject to public sector regulations for public engagement in R&D funding. This calls for a rigorous evaluation process. This paper proposes an operational three-staged decision support system (DSS) to assist decision-makers in public funding institutions in the ex-ante evaluation of R&D proposals for large-scale close-to-market projects in energy research. The system was developed based on a review of literature and related approaches from practice combined with a series of workshops with practitioners from German public funding institutions. The results confirm that the decision-making process is a complex one that is not limited to simply scoring R&D proposals. Decision-makers also have to deal with various additional issues such as determining the state of technological development, verifying market failures or considering existing funding portfolios. The DSS that is suggested in this paper is unique in the sense that it goes beyond mere multi-criteria aggregation procedures and addresses these issues as well to help guide decision-makers in public institutions through the evaluation process.
Technologische Innovationen in den Bereichen erneuerbare Energien und Energieeffizienz bilden eine wesentliche Grundlage der weltweiten Energiesystemtransformation und wirken bei geeigneter Implementierung als Wertschöpfungsmotor. Die Größe und erhebliche Wachstumsdynamik der internationalen Märkte für Energietechnologien und -systeme macht die Positionierung deutscher Unternehmen auf diesen Märkten daher zu einem Thema von sehr weitreichender wirtschaftspolitischer Relevanz. Daraus ergibt sich die Frage, wie Deutschland von einer konsequenten Umsetzung der Energiewende und seiner damit verbundenen Vorreiterfunktion auf den internationalen Märkten für Energietechnologien profitieren kann.
Generating social practices
(2014)
Changing consumer behaviour is key to reducing the environmental effects of industrialised societies. Social practice theories provide an integrated approach to understanding consumer behaviour. The mechanisms underlying the emergence and diffusion of social practices are however until now poorly understood. This paper presents a conceptual framework and an abstract agent-based simulation model for generating social practices which use and extend approaches from social practice theories. The main results are twofold. First, the simulation model is able to generate social practices, what confirms that the conceptual framework captures relevant elements and processes. Second, a new mechanism for behavioural lock-in is identified that provides additional insights into the widely acknowledged challenge of changing social practices and respective consumption.
Societal transitions involve multiple actors, changes in institutions, values and technologies, and interactions across multiple sectors and scales. Given this complexity, this paper takes on the view that the societal transitions research field would benefit from the further maturation and broader uptake of modelling approaches. This paper shows how modelling can enhance the understanding of and support stakeholders to steer societal transitions. It discusses the benefits modelling provides for studying large societal systems and elaborates on different ways models can be used for transitions studies. Two model applications are presented in some detail to illustrate the benefits. Then, limitations of modelling societal transitions are discussed, which leads to an agenda for future activities: (1) better cooperation in the development of dynamic models, (2) stronger interaction with other transition scholars and stakeholders, and (3) use of additional modelling approaches that we think are relevant to and largely unexplored in transitions studies.
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.
Geschäftsmodelle zur Einbindung dezentraler Anlagen auf Haushaltsebene in Virtuelle Kraftwerke
(2019)
Virtuelle Kraftwerke (VKW) bieten die Möglichkeit, den steigenden Flexibilitätsbedarf des Stromsystems durch die Bündelung dezentraler Erzeugungsanlagen, Speicher und steuerbarer Verbraucher zu decken. Insbesondere die Hebung noch unerschlossener dezentraler Flexibilitätspotenziale auf Haushaltsebene, die durch die Digitalisierung und die Verfügbakeit smarter Technologien ermöglicht wird, eröffnet voraussichtlich zukünftige Geschäftsfelder. In diesem Artikel werden die zu erwartenden technologischen und ökonomischen Entwicklungen skizziert und darauf aufbauend ein Analyserahmen für Geschäftsmodelle Virtueller Kraftwerke vorgestellt.
Die Bereitstellung industrieller Prozesswärme ist eine zentrale Herausforderung für ein zukünftiges, treibhausgasneutrales Energiesystem. Durch einen Vergleich der Prozesswärmebereitstellung in zwei Energiesystemszenarien werden Gemeinsamkeiten, die auf Richtungssicherheit hindeuten, dargestellt, sowie methodische und inhaltliche Gründe für Abweichungen herausgearbeitet.
Einige Klimaneutralitätsszenarien für Deutschland nehmen an, dass zukünftig "unvermeidbares" CO2, z. B. aus der Zementproduktion, als Kohlenstoffquelle für die inländische Herstellung von Kraftstoffen oder chemischen Grundstoffen genutzt wird. In diesem Artikel wird dargelegt, warum eine solche CO2-Nutzung verglichen mit einem alternativen Pfad einer geologischen Speicherung des CO2 und einem gleichzeitigen Import "grüner" Kraft- und Grundstoffe zumindest aus energetischer Sicht nachteilig erscheint.
The German Energiewende is a deliberate transformation of an established industrial economy towards a nearly CO2-free energy system accompanied by a phase out of nuclear energy. Its governance requires knowledge on how to steer the transition from the existing status quo to the target situation (transformation knowledge). The energy system is, however, a complex socio-technical system whose dynamics are influenced by behavioural and institutional aspects, which are badly represented by the dominant techno-economic scenario studies. In this paper, we therefore investigate and identify characteristics of model studies that make agent-based modelling supportive for the generation of transformation knowledge for the Energiewende. This is done by reflecting on the experiences gained from four different applications of agent-based models. In particular, we analyse whether the studies have improved our understanding of policies' impacts on the energy system, whether the knowledge derived is useful for practitioners, how valid understanding derived by the studies is, and whether the insights can be used beyond the initial case-studies. We conclude that agent-based modelling has a high potential to generate transformation knowledge, but that the design of projects in which the models are developed and used is of major importance to reap this potential. Well-informed and goal-oriented stakeholder involvement and a strong collaboration between data collection and model development are crucial.
Urban areas, being responsible for large shares of global greenhouse gas emissions, are important arenas for achieving global decarbonisation. However, the systemic challenge of decarbonisation requires deep structural changes - transitions - that take place across multiple scales and along entire value chains. We argue in this article that understanding the role of urban areas for global decarbonisation therefore requires consideration of their context and analysis of urban areas' contributions to transitions that extend past the individual urban area. We develop an analytical framework that proposes three principal ways urban areas contribute to low-carbon transitions and ten competences that regional and local governance actors have to support them. We apply this framework to the Cologne metropolitan area in Germany to demonstrate the ability of our framework to relate urban-scale activities to more encompassing low-carbon transitions. The paper concludes with future research possibilities.
A number of "roadmapping" activities are being carried out internationally with the aim of planning and facilitating transitions to hydrogen energy systems. However, there is an evident discrepancy between the treatment of quantitative and qualitative information in the majority of roadmapping efforts. Whilst quantitative information is frequently analysed in numerical and computational models, conversely qualitative information tends to be incorporated on a significantly more ad hoc basis. Previous attempts at incorporating qualitative considerations have not usually been systematised. In this paper we present a methodology aimed at increasing the rigour with which qualitative information is treated in hydrogen roadmapping activities. The key changes and actor mapping (KCAM) methodology was developed as the primary qualitative component of the European Hydrogen Energy Roadmap project "HyWays". KCAM, developed from a well known general systems development model, constitutes a means of qualitatively analysing variable hydrogen supply chains that is structured, systematic and flexible.
Case study on the German discourse of industry decarbonisation : a discourse network analysis
(2023)
The adoption of the Paris Agreement in 2015 and the passing of the Climate Action Law in Germany in 2019 established the legal need for the basic material industry in Germany to decarbonise. For the industry sector, the target is sets at a 49-51% GHG reduction by 2030 compared to 1990. Even though the sector specific targets are likely to become obsolete, a Hydrogen Strategy, Industry Strategy and Climate Protection Contracts are currently being developed or elaborated on. These are to further ensure and enable the basic material industry in Germany to decarbonise. These developments are emphasising the relevance of studying the industry decarbonisation at the time of conducting this research.
As the institutionalisation of the industry decarbonisation is influenced by discourse, the analysis of the discourse is an important tool for studying the power effects produced by and built into the discourse. This is the first research aiming to provide a structured analysis of the discourse on industry decarbonisation in Germany. Drawing on discourse analysis and the Multilevel-Perspectives framework, this research investigated the power and dominance of storylines to influence the discourse of the industry transformation towards decarbonisation. In this research insights were obtained into the storylines used in this discourse, the actors who are part of this discourse, the frequency of storylines used and the percentage of actors making use of these storylines. Additionally, insights were generated into the discursive network and potential coalitions.
This research made use of the Discourse Network Analysis software in combination with Visone and Excel for data collection, analysis, and visualisation. Based on 117 documents of various categories from the years 2012 to 2023, the discourse on German industry decarbonisation is discovered to be dominated by storylines of mainly technological or economic nature. The general sentiment discovered by the different actors is positive with the storylines focusing on establishing the conditions for the industry to decarbonise and no resistance being communicated. The discourse is furthermore dominated by most storylines. 18 out of 27 storylines are being used by more than 56% of all actors. The high overlap in storyline indicates discursive homogeneity. The homogeneity is further indicated through the lack of emerging discourse coalitions and the therewith connected lack of struggles for discursive dominance. One coalition can be defined with some actors being deeper involved and some being less involved in the discourse.
As decisions on the transition path for Germany's industry to decarbonise are still to be taken the lack of discursive struggles has come to my surprise. In the discussion I reflect on how the positive sentiment, the discursive homogeneity and the great number of dominant storylines may come about.
Wie können Menschen befähigt werden, ihr Lebensumfeld entsprechend den eigenen Bedürfnissen und Wertvorstellungen zu gestalten? Das war die zugrunde liegende Fragestellung des Dortmunder Projekts "Psychologisches und kommunales Empowerment durch Partizipation im nachhaltigen Stadtumbau" (DoNaPart).
Im Zentrum des Projekts stand die Initiierung eines urbanen Reallabors in dem Soziale Stadt Programmgebiet Westerfilde/Bodelschwingh, innerhalb dessen ein nachhaltiger Transformationsprozess in den Bereichen Energie, Mobilität und Konsum entworfen und durchgeführt wurde.
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.
CCS is discussed in a broad sense throughout Europe. In this paper a cautious, conservative estimate of CO2 storage capacity for Germany and its neighbouring countries where CO2 emissions from Germany could possibly be stored (Netherlands, France, Denmark, Norway, UK and Poland) is presented. Such a lower limit calculation is necessary for orientation purposes for potential investors and political decision-makers.
Conservative CO2 sequestration capacity in deep saline aquifers for Germany is derived by the volumetric approach where parameters such as efficiency factor, CO2 density, porosity of the geological formation are of interest. It is assumed that every geological system is closed and thus an efficiency factor of 0.1 per cent (based on maximum pressure increase and total compressibility) for saline aquifers is applied. The capacity of German depleted oil and gas fields is based on cumulative recovery data and a sweep efficiency of 75 per cent. The storage capacity in the other considered countries, adjacent to Germany, are based on a critical review and adjustment of the results of the European reports JOULE II, GESTCO and GeoCapacity.
The conservative capacities for all countries together amount to 49 Gt CO2, from which Norway and the UK provide 36 Gt, all offshore in the North Sea. Compared to the emissions from large point sources in these countries during 40 years (47.6 Gt of CO2), a virtual balance is achieved. This can only be reached, if a large scale CO2 pipeline system is installed to connect these countries, especially Germany, to the large sinks in the North Sea. If additional restrictions like source-sink matching, acceptance issues and injection rates constraints are taken into account, the available storage space gets increasingly scarce.
Facing the uncertainty of CO2 storage capacity in China by developing different storage scenarios
(2016)
China is very active in the research and development of CO2 capture and storage technologies (CCS). However, existing estimates for CO2 storage capacity are very uncertain. This uncertainty is due to limited geological knowledge, a lack of large-scale research on CO2 injection, and different assessment approaches and parameter settings. Hence storage scenarios represent a method that can be used by policy makers to demonstrate the range of possible storage capacity developments, to help interpret uncertain results and to identify the limitations of existing assessments. In this paper, three storage scenarios are developed for China by evaluating China-wide studies supplemented with more detailed site- and basin-specific assessments. It is estimated that the greatest storage potential can be found in deep saline aquifers. Oil and gas fields may also be used. Coal seams are only included in the highest storage scenario. In total, the scenarios presented demonstrate that China has an effective storage capacity of between 65 and 1551 Gt of CO2. Furthermore, the authors emphasise a need for action to harmonise storage capacity assessment approaches due to the uncertainties involved in the capacity assessments analysed in this study.
Für die Energiewende in Deutschland ist zeitnah ein nennenswerter Ausbau der Stromnetze auf Transport- und Verteilnetzebene erforderlich. Mittel- bis langfristig werden für die Umstellung der Strom- und Energieversorgung auf erneuerbaren Energien (EE) zusätzlich große Speicherkapazitäten benötigt. Dabei sind kostengünstige und mit minimalen Energieverlusten verbundene Speicher- und Erzeugungstechnologien anzustreben. Lösungsansätze dafür werden bisher überwiegend auf der Stromseite diskutiert. Chancen, die sich aus der Kopplung von Strom- und Gasnetzen ergeben, werden kaum wahrgenommen. Das erhebliche Lösungspotential der vorhandenen Gasinfrastruktur und -Anwendungstechnologien mittels Power-to-Gas sowie die damit verbundenen Auswirkungen auf eine nachhaltige Gestaltung der Energiewende finden zu wenig Beachtung.
Vor diesem Hintergrund hatte das Forschungsvorhaben "Integration fluktuierender erneuerbarer Energien durch konvergente Nutzung von Strom und Gasnetzen - Konvergenz Strom- und Gasnetze" zum Ziel, unter Berücksichtigung der Kopplung von Strom- und Gasnetzen, (1) die Potenziale zur Aufnahme, Speicherung und Verteilung von EE zu bestimmen, (2) die dynamischen Energieströme aus Angebot und Nachfrage in der gesamten Energieversorgungsstruktur zu modellieren, (3) die Kopplung volkswirtschaftlich zu analysieren und (4) Handlungsempfehlungen für den Ausbau der Netzinfrastrukturen und die Entwicklung eines zukünftigen Energiemarktes abzuleiten.
Simulation modeling is useful to understand the mechanisms of the diffusion of innovations, which can be used for forecasting the future of innovations. This study aims to make the identification of such mechanisms less costly in time and labor. We present an approach that automates the generation of diffusion models by: (1) preprocessing of empirical data on the diffusion of a specific innovation, taken out by the user; (2) testing variations of agent-based models for their capability of explaining the data; (3) assessing interventions for their potential to influence the spreading of the innovation. We present a working software implementation of this procedure and apply it to the diffusion of water-saving showerheads. The presented procedure successfully generated simulation models that explained diffusion data. This progresses agent-based modeling methodologically by enabling detailed modeling at relative simplicity for users. This widens the circle of persons that can use simulation to shape innovation.
Feedback devices can be used to inform households about their energy-consumption behavior. This may persuade them to practice energy conservation. The use of feedback devices can also - via word of mouth - spread among households and thereby support the spread of the incentivized behavior, e.g. energy-efficient heating behavior. This study investigates how to manage the impact of these environmental innovations via marketing. Marketing activities can support the diffusion of devices. This study aims to identify the most effective strategies of marketing feedback devices. We did this by adapting an agent-based model to simulate the roll-out of a novel feedback technology and heating behavior within households in a virtual city. The most promising marketing strategies were simulated and their impacts were analyzed. We found it particularly effective to lend out feedback devices to consumers, followed by leveraging the social influence of well-connected individuals, and giving away the first few feedback devices for free. Making households aware of the possibility of purchasing feedback devices was found to be least effective. However, making households aware proved to be most cost-efficient. This study shows that actively managing the roll-out of feedback devices can increase their impacts on energy-conservation both effectively and cost-efficiently.
A key factor to energy-efficiency of heating in buildings is the behavior of households, in particular how they ventilate rooms. Energy demand can be reduced by behavioral change; devices can support this by giving feedback to consumers on their behavior. One such feedback device, called the "CO2 meter", shows indoor air-quality in the colors of a traffic light to motivate so called "shock ventilation", which is energy-efficient ventilation behavior. The following effects of the "CO2 meter" are analyzed: (1) the effect of the device on ventilation behavior within households, (2) the diffusion of "CO2 meter" to other households, and (3) the diffusion of changed behavior to households that do not adopt a "CO2 meter". An agent-based model of these processes for the city of Bottrop (Germany) was developed using a variety of data sources. The model shows that the "CO2 meter" would increase adoption of energy-efficient ventilation by c. 12% and reduce heating demand by c. 1% within 15 years. Technology diffusion was found to explain at least c. 54% of the estimated energy savings; behavior diffusion explains up to 46%. These findings indicate that the "CO2 meter" is an interesting low-cost solution to increase the energy-efficiency in residential heating.
Heating behavior of households is key for reducing domestic energy demand and mitigating climate change. Recently, various technical devices have been developed, providing households with feedback on their heating behavior and supporting energy conservation behavior.
The impact of such devices on overall energy consumption depends on (1) the impact of a device within a household, (2) the diffusion of devices to other households and the number of adopters, and (3) the diffusion of the induced behavioral change beyond these households. While the first two processes are currently established in assessments of sustainable household devices, we suggest that adding behavior diffusion is essential when assessing devices that explicitly target behavioral change. We therefore propose an assessment framework that includes all three processes. We implement this framework in an agent-based model by combining two existing simulation models to explore the effect of adding behavior diffusion. In three simulation experiments, we identify two mechanisms by which behavior diffusion (1) spreads the effect of such devices from adopters to non-adopters and (2) increases the average speed of behavioral change of households. From these results we conclude that behavior diffusion should be included in assessments of behavior-changing feedback devices.
Germany and Japan have both gained substantial experience with hydrogen production and applications, albeit with focus on different sectors. They also share similar drivers for hydrogen development and, of course, similar technical and economic opportunities and challenges. However, there also are relevant differences in the policy priorities and approaches.
Notwithstanding differing emphases and patterns, the two countries share three main drivers for hydrogen development and deployment: climate mitigation and other environmental goals, energy supply diversification, and technological leadership. In this context, hydrogen has been identified by the German and the Japanese governments during the Energy Policy Dialogue as having potential for closer cooperation.
The authors of this study provide an overview of demand-side deployment by sector (residential, transport, industry, power generation and power-to-x) for both countries, as well as of their hydrogen policy debates, key institutions, R&D programs and demonstration projects. They also present a short survey on relevant international platforms and initiatives in which Japan and Germany participate.
On the basis of a meta-analysis of the role of hydrogen in 18 long-term energy system scenarios for Germany and 12 scenarios for Japan, this study draws conclusions on the possible role of hydrogen in the long term energy policy debates of both countries. Subsequently, the authors discuss sustainability criteria and certification schemes for clean hydrogen, compare the greenhouse gas intensity of different hydrogen supply chains and provide a data-based analysis to identify countries which could become important suppliers of clean hydrogen.
Die Grundstoffindustrie ist ein Pfeiler des Wohlstands in Deutschland, sie garantiert Wertschöpfung und sorgt für über 550.000 hochwertige Arbeitsplätze. Im Ausland steht Made in Germany für höchste Qualität und Innovationsdynamik. Aber: Trotz Effizienzsteigerungen sind die Emissionen der Industrie in den letzten Jahren nicht gefallen und durch die nationalen und internationalen Klimaschutzziele steigt der Druck. Die zentrale Frage lautet daher: Wie kann die Grundstoffindustrie in Deutschland bis spätestens 2050 klimaneutral werden - und gleichzeitig ihre starke Stellung im internationalen Wettbewerbsumfeld behalten?
Agora Energiewende und das Wuppertal Institut haben im Rahmen dieses Projekts in zahlreichen Workshops mit Industrie, Verbänden, Gewerkschaften, Ministerien und der Zivilgesellschaft die Zukunft für eine klimaneutrale Industrie diskutiert und einen Lösungsraum aus technologischen Optionen und politischen Rahmenbedingungen skizziert. In den Workshops wurde deutlich: Die Industrie steht in den Startlöchern, die Herausforderung Klimaschutz offensiv anzugehen. Die fehlenden Rahmenbedingungen und der bisher unzureichende Gestaltungswille der Politik, innovative Instrumente umzusetzen, hindern sie jedoch voranzugehen.
Es ist höchste Zeit, dass sich das ändert. Denn jede neue Industrieanlage muss klimasicher sein - schließlich hat sie eine Laufzeit bis weit über das Jahr 2050 hinaus. Diese Publikation soll einen Beitrag dazu leisten, richtungssicher investieren zu können.
Die Studie untersucht die Perspektiven einer künftigen Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger in Deutschland bis 2050. Ausgangspunkt ist die Analyse der möglichen Entwicklung des Kraftstoffmarktes als Teil des Energiemarktes. Darauf aufbauend wird die Entwicklung von Wasserstoff als Kraftstoff beleuchtet. Ziel ist die Erarbeitung einer deutschen Wasserstoff-Roadmap unter Berücksichtigung von Energieeffizienz, CO2-Minderung und Kostenentwicklung.
Es besteht Einvernehmen, dass die hohe Komplexität des Wärmesystems das zentrale Hindernis für die Wärmewende darstellt: Der Wärmebedarf im Industrie- und Gebäudesektor ist durch unterschiedliche Temperatur- und Nachfrageprofile aber auch durch verschiedene Geschäftsmodelle gekennzeichnet. Im Gebäudebereich sind darüber hinaus auch die vielfältigen Erwartungen und Präferenzen der Millionen von Investoren und Nutzern entscheidend, die über rein techno-ökonomische Überlegungen hinausgehen. Diese Systemkomplexität erschwert die Entwicklung von Strategien im Wärmesektor und hemmt unter anderem auch die Möglichkeiten für Technologieentwickler das Marktpotenzial ihrer Innovationen einzuschätzen.
Fragen der Akzeptanz müssen folglich auf mehreren Ebenen Berücksichtigung finden, von Fragestellungen der Gesamtsystemanalyse bis hin zu einzelnen Umsetzungsprojekten. Entsprechend vielfältig ist die Forschung zur gesellschaftlichen Akzeptanz der Wärmwende im FVEE. Sie umfasst sowohl die Analyse von Nutzerpräferenzen bis hin zur gemeinsamen Gestaltung von Energiewendeprojekten, um die Gelingensbedingungen zu verbessern.
Allen Ansätzen ist gemein, dass die vorherrschende technisch-ökonomische Betrachtung der Wärmewende erweitert wird: Es wird nach Faktoren geforscht, welche die Nutzer*innen beeinflussen und es werden gezielt Bereiche untersucht, welche das Potenzial für zukünftige Akzeptanzkonflikte haben. Des Weiteren gibt es Ansätze, die Akzeptanzfragen bereits im Entwicklungsprozess von Innovationen zu berücksichtigen. Abschließend, in Bezug auf die konkrete Umsetzung von Wärmetransformationsprojekten, werden verschiedene Methoden des Co-Designs entwickelt, erforscht und getestet. Im Folgenden werden einzelne Projekte aus den verschiedenen Bereichen vorgestellt.
The establishment of the Leveraging a Climate-neutral Society–strategic Research Network (LCS–RNet) (then named the International Research Network for Low Carbon Societies) was proposed at the Group of Eight (G8) Environment Ministers’ Meeting in 2008. Its 12th annual meeting in December 2021 focused on the discussion on how to transition into a just and sustainable society and how to reduce the risks associated with the transition. This requires comprehensive studies including on the concept of transition, pathways to net-zero societies and how to realise the pathways by collaborating with various stakeholders. This Special Feature provides new insights into sustainability science by linking the scientific knowledge with practical science for the transition through the exploration of studies presented at the annual meeting. Following the opening paper, "A challenge for sustainability science: can we halt climate change?", a wide range of topics were discussed, including practices for sustainable transformation in the Erasmus University, practices in industry, energy transition and international cooperation.
Local implementation projects for sector coupling play an important role in the transformation to a more sustainable energy system. Despite various technical possibilities, there are various barriers to the realisation of local projects. Against this backdrop, we introduce an inter- and transdisciplinary approach to identifying and evaluating different power-to-X paths as well as setting up robust local implementation projects, which account for existing drivers and potential hurdles early on. After developing the approach conceptually, we exemplify our elaborations by applying them to a use case in the German city of Wuppertal. It can be shown that a mix of several interlinked interdisciplinary methods as well as several participatory elements is suitable for triggering a collective, local innovation process. However, the timing and extent of end-user integration remain a balancing act. The paper does not focus on a detailed description of power-to-X (PtX) as a central pillar of the sustainable transformation of the energy system. Rather, it focuses on the innovative methodological approach used to select a suitable use path and design a corresponding business model. The research approach was successfully implemented in the specific case study. However, it also becomes clear that the local-specific consideration entails limitations with regard to the transferability of the research design to other spatial contexts.
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.
In globalen Energieszenarien spielt die Windenergie eine wichtige Rolle für den zukünftigen Strommix. Die Technologie hat sich bewährt und die Windbranche entwickelt sich zu einer reifen Industrie. Während der bisherige Ausbau der Windenergie stark von deutschen und europäischen Unternehmen bestimmt wurde, sind nun chinesische und amerikanische Unternehmen auf dem Weltmarkt weitgehend führend.
Das vorliegende Buch untersucht daher maßgebende Erfolgsfaktoren der deutschen Windbranche auf dem internationalen Markt und konzentriert sich auf zwei Bereiche: Zum einen wird die Anwendbarkeit der Erfolgsfaktorenforschung - ein Konzept aus dem strategischen Management - einer kritischen Prüfung unterzogen. Zum anderen werden in einer qualitativen Analyse Erfolgsfaktoren diskutiert, die für die vergleichsweise junge Branche wichtig sind. Entscheidend ist es demnach, Lösungen, Strategien oder Technologieentwicklungen aus anderen Branchen zu transferieren (Transferkompetenz) und eine gemeinsame Technologieentwicklung in der Wertschöpfungskette (Joint Development) zu etablieren.
Reaching net-zero in the chemical industry : a study of roadmaps for industrial decarbonisation
(2024)
Striving to mitigate climate change, the European Union has adopted net-zero greenhouse gas emissions as a target for 2050. In this paper, European chemical industry roadmaps from the past six years are assessed and compared to uncover how the industry envisions its role in the transition to net-zero emissions. The roadmaps are assessed in terms of ambition level, technology and feedstock strategies, investment needs and costs, agency and dependency on other actors, as well as timeline and concretion. Although net-zero pathways are often drawn out in the roadmaps, some also choose to emphasize and argue for less ambitious pathways with emission reductions of only 40-60 %. The roadmaps vary widely in terms of the importance they assign to mechanical and chemical recycling, switching to biogenic carbon and carbon dioxide as feedstock, electrification and hydrogen, and carbon capture and storage. A commonality though, is that low-tech or near-term mitigation pathways such as demand reduction, reuse or material efficiency are seldom included. High investment needs are generally highlighted, as well as the need for policy to create enabling conditions, whereas the agency and responsibility of the chemical industry itself is downplayed. Our analysis highlights that the chemical industry does not yet have a strong and shared vision for pathways to net-zero emissions. We conclude that such a future vision would benefit from taking a whole value chain approach including demand-side options and consideration of scope 3 emissions.
22 years are left until the German target for climate neutrality should be reached. For the industrial sector, this implies a fundamental change and an acceleration of emission reduction, as from 2000 to 2021 the sector has reduced its greenhouse gas (GHG) emissions by only 13% (ERK, 2022). For the large structures, plants and assets that are characteristic for the energy intensive industrial sectors, the timespan implies no room for delay. One sector facing particular challenges is the chemical industry. Here, fossil resources are used not only for energetic purposes but for feedstock as well, in the petrochemical industry in particular. The efforts made in the petrochemical sector thereby not only affects the sectors own emissions, but the chemicals value chain at large, including the management of end-of-life products. The dependency on energetic resources for material use also means that there is a particular connection from the chemical industry to the energy system at large, which also entails special consideration.
The chemical industry also has a particular relevance to the Antwerp-Rotterdam-Rhine-Ruhr-Area (ARRRA) which hosts several large petrochemical clusters in Germany as well as the Netherlands and Belgium, with complexly interlinked production chains. In reaching the climate targets, these regions especially face significant changes and may have the opportunity to position themselves as frontrunners for industrial transformation. That is, if a successful strategy can be found.
In the recent years, numerous scenario analyses and roadmaps have been released drawing out pathways for chemical industries to develop in line with national and international climate targets. This can entail mapping of technological options, important prerequisites, particular challenges as well as important opportunities and timeframes. This meta-analysis summarizes and compares the findings of some of the most recent previous works at the national, European and global level. As the goal is to investigate the various strategic options and development paths for Germany and the ARRRA, it has a particular focus on roadmaps for Germany, the Netherlands and Belgium. It takes a quantitative as well as qualitative approach, looking both at resource and production volumes, different emission reduction strategies relative importance, as well as policy recommendations and other important framework conditions. A particular focus is put on the use of non-fossil feedstocks to reduce emissions.
Die chemische Industrie ist auch für die Antwerpen-Rotterdam-Rhein-Ruhr-Region (engl. Antwerp-Rotterdam-Rhine-Ruhr-Area, kurz ARRRA) von besonderer Bedeutung, die mehrere große petrochemische Cluster in Deutschland, den Niederlanden und Belgien mit komplex vernetzten Produktionsketten beherbergt. Bei der Umsetzung der Klimaziele stehen diese Regionen vor bedeutenden Veränderungen und haben zugleich die Chance, sich als Vorreiter der Industrietransformation zu positionieren. Dafür müssen erfolgreiche Strategien für den Wandel identifiziert und angewendet werden.
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Szenarioanalysen und Roadmaps veröffentlicht, in denen Entwicklungspfade für die chemische Industrie im Einklang mit nationalen und internationalen Klimazielen aufgezeigt werden. Diese können eine Darstellung von technologischen Optionen, wichtigen Voraussetzungen, besonderen Herausforderungen sowie bedeutsamen Chancen und zeitlichen Entwicklungen beinhalten. Die vorliegende Metaanalyse fasst die Ergebnisse einige der aktuellsten Arbeiten auf nationaler, europäischer und globaler Ebene zusammen und vergleicht diese kritisch miteinander. Da das Kernziel der vorliegenden Analyse darin besteht, die verschiedenen strategischen Optionen und Entwicklungspfade für Deutschland und die ARRRA zu untersuchen, liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf Publikationen mit Fokus Deutschland, den Niederlanden und Belgien. Dabei wird sowohl ein quantitativer als auch ein qualitativer Ansatz verfolgt, der die Ressourcen- und Produktionsmengen, die relative Bedeutung verschiedener Emissionsminderungsstrategien sowie auch politische Empfehlungen und andere wichtige Rahmenbedingungen berücksichtigt. Der Fokus liegt dabei auf Strategien für den Einsatz alternativer nicht-fossiler Feedstocks und die Minderung damit verbundener Emissionen.
Was heißt hier gerecht? Anmerkungen zu strukturellen Hintergründen des Gerechtigkeitsbegriffs
(2018)
Was bedeutet "gerecht"? Der alte Begriff reicht von antiken Zweifeln am Recht des Stärkeren über neuzeitliche Gesellschaftsverträge bis hin zu Forderungen nach Menschenrechten für alle. In diesem Beitrag werden strukturelle Hintergründe des Gerechtigkeitsbegriffs betrachtet. Die Autorinnen skizzieren verschiedene Ebenen der Gerechtigkeit: Sie reichen von der individuellen Gerechtigkeit als Tugend, über die institutionelle Gerechtigkeit als Leitidee für Recht, Staat und Politik, bis hin zur globalen Gerechtigkeit als Orientierung für staatenübergreifende rechtliche und politische Regelungen.
In October 2014, the European Council agreed on a target of improving overall energy efficiency by at least 27 per cent by 2030. According to the European Council's conclusions, this target should not be translated into nationally binding targets. Nevertheless individual Member States are free to set higher national objectives if desired. However, it is difficult to assess the degree of ambition of a national target because so far not much light has been shed upon the exact size of the untapped efficiency potentials.
This paper provides an in-depth analysis and comparison of existing studies on energy efficiency potentials in the European Union's (EU) Member States by 2030. It includes a structured overview of the results, information on the quality of the available data and suggestions for improvement.
The review shows that comprehensive studies on national energy efficiency potentials are rare and hardly comparable. The existing studies agree on the existence of significant potentials for energy efficiency. Their outcomes, however, vary significantly in terms of national levels. Assuming low policy intensity, energy savings between 10 and 28 per cent could be realised by 2030 compared to a baseline development, in the case of high policy intensity 7-44 per cent. Technical energy efficiency potentials in the different EU Member States are estimated at 14-52 per cent. On average, energy savings of 27 per cent by 2030 appear to be feasible with significant policy effort. We conclude that the deviation in Member States' energy efficiency potentials resulting from different studies represents an indication of the so far poor quality of underlying data. In order to allow for a concretisation of efficiency potential estimates, the comparability and detail of information sources should be improved.
The maritime part of all transport via the port of Rotterdam is linked to the brunt of all CO2 emissions (87 %) the port can potentially influence. This report aims to quantitatively grasp the maritime transport of the Port of Rotterdam, in terms of ships, total tonnages, energy consumption and CO2 emissions in respect to types of cargo and regions.
In the first and broad part of the report, the emissions and energy demands of sailing ships are assessed. Emissions and energy demand for the port itself are subject of a separate part at the end.
Die in Paris Ende 2015 beschlossene Vereinbarung gibt das Ziel vor, die Erderwärmung bis 2100 auf deutlich unter 2 Grad Celsius zu begrenzen, möglichst aber auf unter 1,5 Grad Celsius. Die vorliegende Studie setzt sich mit der Frage von Fridays for Future Deutschland auseinander, welche Dimension von Veränderungen im deutschen Energiesystem erforderlich wären, um einen angemessenen Beitrag für das Erreichen der 1,5-Grad-Grenze leisten zu können. Nach Abschätzung des Weltklimarates, dem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), lassen sich mit dieser Temperaturgrenze die Risiken und Auswirkungen des Klimawandels gegenüber einer stärkeren Erderwärmung erheblich verringern.
Die Autorinnen und Autoren haben dabei den Budgetansatz des Sachverständigenrats für Umweltfragen (SRU) der Bundesregierung zugrunde gelegt. Um das 1,5-Grad-Ziel mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent zu erreichen, ist das Restbudget an damit verträglichen Treibhausgasemissionen eng begrenzt. Für Deutschland bleibt gemäß des Sachverständigenrats für Umweltfragen ab dem Jahr 2020 noch ein Restbudget von 4,2 Gigatonnen CO2. Dabei geht der Sachverständigenrat von der Annahme aus, dass auf globaler Ebene jedem Menschen für die Zukunft ein gleiches Pro-Kopf-Emissionsrecht zugestanden werden soll. Mit dieser Klimaschutzvorgabe geht er deutlich weiter als die aktuellen politischen Vorgaben der Europäischen Union und der Bundesregierung, die diese für sich aus den Pariser Klimaschutzvereinbarungen ableiten.
Die vom SRU formulierte Zielmarke lässt sich einhalten, wenn das Energiesystem (Energiewirtschaft, Industrie, Verkehr und Gebäudewärme) bis zum Jahr 2035 CO2-neutral aufgestellt wird und die Emissionen insbesondere in den nächsten Jahren bereits überproportional stark gesenkt werden können.
Die vorliegende Studie untersucht die technische und in gewissem Maße auch die ökonomische Machbarkeit einer Transformation zur CO2-Neutralität bis 2035. Ob sich dieses Ziel jedoch tatsächlich realisieren lässt, hängt auch maßgeblich von der gesellschaftlichen Bereitschaft und einem massiven politischen Fokus auf die notwendige Transformation ab. Die Studie gibt somit Aufschluss darüber, inwiefern es grundlegende technologische und wirtschaftliche Hindernisse für die CO2-Neutralität 2035 gibt; nicht jedoch ob die Umsetzung realpolitisch tatsächlich gelingen kann bzw. was dafür im Einzelnen getan werden muss. Neben den technischen und ökonomischen Herausforderungen einer Transformation hin zu CO2-Neutralität bestehen zentrale Herausforderungen auch in institutioneller und kultureller Hinsicht, zum Beispiel bei Themen wie der Akzeptanz für einen starken Ausbau von Erneuerbaren-Energien-Anlagen und von Energieinfrastrukturen oder hinsichtlich der Notwendigkeit eines deutlich veränderten Verkehrsverhaltens.
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.
New options are needed to reduce the impact of motor vehicles on climate change and declining fossil fuel resources. Cars which are fueled by hydrogen could be a sustainable method of transportation if suitable technologies can be devised to produce hydrogen in an environmentally benign manner along with the provision of the necessary fueling infrastructure. This paper assesses size, space, and cost requirements of bioreactors as a decentralized option to supply hydrogen powered cars with biohydrogen produced from algae or cyanobacteria on a theoretical basis. Decentralized supply of biohydrogen could help to reduce the problems that hydrogen cars face regarding market penetration. A feasibility study for decentralized biohydrogen production is conducted, taking the quantity of hydrogen which is needed to fuel current hydrogen cars into account. While this technology is, in theory, feasible, sizes, and costs of such reactors are currently too high for widespread adoption. Thus, more R&D is needed to close the gap and to approach marketability.
The analysis of different global energy scenarios in part I of the report confirms that the exploitation of energy efficiency potentials and the use of renewable energies play a key role in reaching global CO2 reduction targets. An assessment on the basis of a broad literature research in part II shows that the technical potentials of renewable energy technologies are a multiple of today's global final energy consumption. The analysis of cost estimates for renewable electricity generation technologies and even long term cost projections across the key studies in part III demonstrates that assumptions are in reasonable agreement. In part IV it is shown that by implementing technical potentials for energy efficiency improvements in demand and supply sectors by 2050 can be limited to 48% of primary energy supply in IEA's "Energy Technology Perspectives" baseline scenario. It was found that a large potential for cost-effective measures exists, equivalent to around 55-60% of energy savings of all included efficiency measures (part V). The results of the analysis on behavioural changes in part VI show that behavioural dimensions are not sufficiently included in energy scenarios. Accordingly major research challenges are revealed.
Because of high efficiency, low environmental impacts and a potential role in transforming our energy system into a hydrogen economy, fuel cells are often considered as a key technology for a sustainable energy supply. However, the future framing conditions under which stationary fuel cells have to prove their technical and economic competitiveness are most likely characterised by a reduced demand for space heating, and a growing contribution of renewable energy sources to heat and electricity supply, which both directly limit the potential for combined heat and power generation, and thus also for fuelcells. Taking Germany as a case study, this paper explores the market potential of stationaryfuelcells under the structural changes of the energy demand and supply system required to achieve asustainable energy supply. Results indicate that among the scenarios analysed it is in particular a strategy oriented towards ambitious CO2-reduction targets, which due to its changes in the supply structure is in a position to mobilise a market potential that might be large enough for a successful fuel cell commercialisation. However, under the conditions of a business-as-usual trajectory the sales targets of fuel cell manufacturers cannot be met.
Der Wärmemarkt von morgen : ein wesentlicher Baustein einer nachhaltigen Infrastrukturpolitik
(2005)
Lastmanagement - neue Anforderungen und Einsatzfelder durch den Ausbau regenerativer Energien
(2011)
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.
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.
Um Strom aus regenerativen Energien, der zeitweise nicht in das Stromnetz aufgenommen werden kann, nicht abregeln zu müssen, können neben dem Netzausbau auch verschiedene
Speichertechnologien eingesetzt werden. Hier wird ein Vergleich dieser Optionen hinsichtlich ihrer Eignung für einen nachhaltigen Umgang mit Stromüberschüssen angestellt. Dazu werden mit einer multikriteriellen Analyse (engl. Multi-Criteria Analysis, MCA) sowohl ökonomische als auch ökologische, soziale und technologischeKriterien herangezogen. Die MCA bildet ein wertvolles Werkzeug zur Entscheidungsfindung und dokumentiert einen transparenten und nachvollziehbaren Entscheidungsprozess. Dieser Artikel beschreibt die Struktur der MCA, die zur Bewertung genutzten Kriterien und insbesondere den Gewichtungsprozess, der einen wichtigen Aspekt der MCA darstellt.
Die Wahrung der Systemsicherheit muss perspektivisch von konventionellen Kraftwerken auf regenerative Energien und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) verlagert werden. Diese sollen zukünftig Systemdienstleistungen übernehmen, um in zunehmendem Maße fluktuierende erneuerbare Energien (FEE) zu integrieren. Deutschland strebt an, im Jahr 2020 ein Viertel der elektrischen Energie aus KWK-Anlagen zu erzeugen. Damit werden diese Anlagen einen wesentlichen Teil der regelbaren Stromerzeugung ausmachen. Insbesondere die Erzeugung in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW) wird zunehmen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob dezentrale Anlagen überhaupt nennenswert zur Systemstabilität beitragen können.
Wind energy that can neither be fed into the grid nor be used regionally must be curtailed. This paper proposes different options to deal with such surplus wind energy amounts in a time horizon until 2020. It assesses their ability to handle the surplus energy in a sustainable way using a multi criteria analysis. The paper bases on a study that was prepared for the Ministry for Climate Protection, Environment, Agriculture, Nature Conservation and Consumer Protection of North Rhine-Westphalia between 2010 and 2012.
Im Rahmen einer aktuellen Studie zur Transformation des Europäischen Energiesystems zur Klimaneutralität unter Berücksichtigung der Gaskrise entwickelte das Wuppertal Institut ein Szenario (EU27+UK) für die Transformation der europäischen Industrie inklusive Raffinerien und Kokereien, in dem die industriellen Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 um 99 % gegenüber 2018 gemindert werden. Der Endenergiebedarf der Industrie sinkt in diesem Szenario durch den Einsatz von Wärmepumpen, andere Energieeffizienzmaßnahmen sowie einen Rückgang der Produktion in Raffinerien bis 2040 deutlich und der Bedarf an fossilen Gasen kann zeitnah gemindert und bis 2045 auf nahezu Null gesenkt werden.
Im Rahmen dieses Szenarios erfolgte auch eine detaillierte Abbildung der Entwicklung der Prozesswärmebereitstellung in Deutschland. Die Bereit- stellung von Niedertemperaturwärme (< 150 °C) erfolgt im Szenario größtenteils über Wärmepumpen und Fernwärme. Solar- und Geothermie spielen eine (kleinere) Rolle. Für die Dampfbereitstellung (150 - 500 °C) werden vielfach hybride Strom/H2-Kessel eingesetzt, daneben Biomasse. In der Chemieindustrie spielen auch langfristig Reststoffe aus Steamcrackern eine wichtige Rolle.
Die Bereitstellung von Hochtemperaturwärme erfolgt prozessspezifisch je nach den technischen Gegebenheiten der Prozesse (z. B. H2 in den Direktreduktions- anlagen und Biomasse in den Walzwerken der Stahlindustrie, abfallbasierte Brennstoffe vor allem in den Klinkeröfen der Zementindustrie, Biomethan und Strom in der Glasindustrie, Strom für Primär- und Sekundäraluminium). Biogene Energieträger in Kombination mit CCS (BECCS) ermöglichen in der Stahlindustrie und in der mineralischen Industrie die Bereitstellung von Hochtemperaturwärme und gleichzeitig negative Emissionen zur Kompensation von Restemissionen.
Eine erfolgreiche Energiewende setzt nicht nur Innovationen voraus, sondern erfordert auch eine aktive Exnovation der fossilen Energieerzeugung. Die vorliegende Masterarbeit zielt deshalb darauf ab, Herausforderungen und Ansatzpunkte für eine Verständigung zwischen Gewerkschaften und Umweltverbänden zur der Zukunft Kohleenergie zu untersuchen. Leitend sind zwei Fragen: Erstens und empirisch: Welche Argumente vertreten Umweltverbände und Gewerkschaften hinsichtlich eines Kohleausstiegs? Zweitens und verbunden mit der gewählten theoretischen Perspektive der Sozialen Ökologie: Welche Bezogenheiten und Trennungen werden zwischen den jeweiligen Verständnissen von Natur, Gesellschaft und Ökonomie in den Argumenten der Akteure sichtbar?
Dafür wurde im theoretischen Teil der Arbeit eine sozial-ökologische Perspektive auf die energetische Kohlenutzung und das sogenannte Jobs versus Environment Dilemma erarbeitet. Im empirischen Teil werden mittels einer qualitativen Inhaltsanalyse über 100 Veröffentlichungen verschiedener Gewerkschaften und Umweltverbände aus dem Zeitraum von Ende 2014 (erster politischer Vorstoß zur Reduzierung der Kohleverstromung) bis Anfang 2019 (Ende der Kommission "Wachstum, Strukturwandel und Beschäftigung") ausgewertet.
Als Ergebnis legt die Arbeit die Argumente der Akteure vergleichend dar, zeigt auf, wie sich diese im Verlauf des Untersuchungszeitraums verändern und welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede, Annäherungen und Distanzierungen zwischen den einzelnen Akteuren und Akteursgruppen bestehen. Darauf aufbauend wird der Umgang der Akteure mit dem Jobs versus Environment Dilemma aus der Perspektive der Sozialen Ökologie diskutiert und verglichen.
Die Erkenntnisse der Forschungsarbeit legen nahe, dass der gewerkschaftliche Ansatz von Just Transition bzw. "gerechtem" Strukturwandel mit Klima- und Umweltgerechtigkeitskonzepten verknüpft werden muss, um einen umfassenden inter- und intragenerationellen Gerechtigkeitsanspruch zu erfüllen. Damit der Kohleausstieg und weitere Exnovationsprozesse als sozial-ökologische Transformation gestaltet werden können, ist es notwendig, sowohl die aktuelle ökonomische Abhängigkeit von Arbeitenden in betroffenen Branchen zu verstehen als auch den Klimawandel nicht nur als ökologische, sondern auch als soziale und ökonomische Frage anzuerkennen.
Research on sustainability transitions has expanded rapidly in the last ten years, diversified in terms of topics and geographical applications, and deepened with respect to theories and methods. This article provides an extensive review and an updated research agenda for the field, classified into nine main themes: understanding transitions; power, agency and politics; governing transitions; civil society, culture and social movements; businesses and industries; transitions in practice and everyday life; geography of transitions; ethical aspects; and methodologies. The review shows that the scope of sustainability transitions research has broadened and connections to established disciplines have grown stronger. At the same time, we see that the grand challenges related to sustainability remain unsolved, calling for continued efforts and an acceleration of ongoing transitions. Transition studies can play a key role in this regard by creating new perspectives, approaches and understanding and helping to move society in the direction of sustainability.
Transition modelling is an emerging but growing niche within the broader field of sustainability transitions research. The objective of this paper is to explore the characteristics of this niche in relation to a range of existing modelling approaches and literatures with which it shares commonalities or from which it could draw. We distil a number of key aspects we think a transitions model should be able to address, from a broadly acknowledged, empirical list of transition characteristics. We review some of the main strands in modelling of socio-technological change with regards to their ability to address these characteristics. These are: Eco-innovation literatures (energy-economy models and Integrated Assessment Models), evolutionary economics, complex systems models, computational social science simulations using agent based models, system dynamics models and socio-ecological systems models. The modelling approaches reviewed can address many of the features that differentiate sustainability transitions from other socio-economic dynamics or innovations. The most problematic features are the representation of qualitatively different system states and of the normative aspects of change. The comparison provides transition researchers with a starting point for their choice of a modelling approach, whose characteristics should correspond to the characteristics of the research question they face. A promising line of research is to develop innovative models of co-evolution of behaviours and technologies towards sustainability, involving change in the structure of the societal and technical systems.
There is a growing body of scientific evidence supporting sufficiency as an inevitable strategy for mitigating climate change. Despite this, sufficiency plays a minor role in existing climate and energy policies. Following previous work on the National Energy and Climate Plans of EU countries, we conduct a similar content analysis of the recommendations made by citizen assemblies on climate change mitigation in ten European countries and the EU, and compare the results of these studies. Citizen assemblies are representative mini-publics and enjoy a high level of legitimacy.
We identify a total of 860 mitigation policy recommendations in the citizen assemblies' documents, of which 332 (39 %) include sufficiency. Most of the sufficiency policies relate to the mobility sector, the least relate to the buildings sector. Regulatory instruments are the most often proposed means for achieving sufficiency, followed by fiscal and economic instruments. The average approval rate of sufficiency policies is high (93 %), with the highest rates for regulatory policies.
Compared to National Energy and Climate Plans, the citizen assembly recommendations include a significantly higher share of sufficiency policies (factor three to six) with a stronger focus on regulatory policies. Consequently, the recommendations can be interpreted as a call for a sufficiency turn and a regulatory turn in climate mitigation politics. These results suggest that the observed lack of sufficiency in climate policy making is not due to a lack of legitimacy, but rather reflects a reluctance to implement sufficiency policies, the constitution of the policy making process and competing interests.
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 %.
The mass roll out of solar PV across the Global South has enabled electricity access for millions of people. In the right context, Small Wind Turbines (SWTs) can be complementary, offering the potential to generate at times of low solar resource (night, monsoon season, winter, etc.) and increasing the proportion of the total energy system that can be manufactured locally. However, many contextual factors critically affect the viability of the technology, such as the extreme variability in the wind resource itself and the local availability of technical support. Therefore, performing a detailed market analysis in each new context is much more important. The Wind Empowerment Market Assessment Methodology (WEMAM) is a multi-scalar, transdisciplinary methodology for identifying the niche contexts where small wind can make a valuable contribution to rural electrification. This paper aims to inform the development of WEMAM with a critical review of existing market assessment methodologies. By breaking down WEMAM into its component parts, reflecting upon its practical applications to date and drawing upon insights from the literature, opportunities where it could continue to evolve are highlighted. Key opportunities include shifting the focus towards development outcomes; creating community archetypes; localised studies in high potential regions; scenario modelling and MCDA ranking of proposed interventions; participatory market mapping; and applying socio-technical transitions theory to understand how the small wind niche can break through into the mainstream.
Energiewende
(2011)