Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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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.
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.
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.
Um den ungebremst fortschreitenden Klimawandel zu begrenzen, ist eine stufenweise Dekarbonisierung des Energiesystems notwendig, die bereits bis zur Mitte dieses Jahrhunderts schon weitgehend erreicht sein muss. Neben Unsicherheiten gehen von der Energiewende gleichzeitig Investitionsimpulse für Innovationen aus, wobei Systeminnovationen eine zentrale Treiberfunktion zur Dekarbonisierung des Energiesystems einnehmen.
Diese Arbeit fokussiert die Rolle von Innovationskaskaden in der Energiewende und analysiert die Überführung von Systeminnovationen in strategische Geschäftsmodellinnovationen vor dem Hintergrund der Frage, wie die Dekarbonisierung des Energiesystems für Unternehmen der Energiewirtschaft und THG-intensiven Industrie rentabel ausgestaltet werden kann.
Die Dissertation leistet einen substanziellen Beitrag zur Entscheidungsfindung im strategischen (Innovations-)Management für Unternehmen der Energiewirtschaft und der THG-intensiven Sektoren - Bereiche, die von einem erheblichen Transformationsdruck gekennzeichnet sind. Insbesondere für Unternehmen, die bedingt durch den Wandel des Energiesystems großen Herausforderungen gegenüberstehen, leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Ableitung neuer, nachhaltiger und ökonomisch tragfähiger Geschäftsmodelle. Im Mittelpunkt stehen die Systeminnovationen Power-to-Gas (P2G) und Algae-to-X (A2X). Dabei wird der Begriff Algae-to-X erstmalig in die wissenschaftliche und praktische Diskussion eingeführt und konzeptionell fundiert. Mit einer ganzheitlichen Untersuchung der Innovationsprozesse, den damit verbundenen Chancen, Potenzialen, Unsicherheiten, Hemmnissen und visionären Zukunftsbildern von Power-to-Gas und Algae-to-X werden konkrete Handlungsansätze zur Förderung von Systeminnovationen und der Überführung in Geschäftsmodellinnovationen im window of opportunity der Energiewende herausgearbeitet.
Diese Forschungsarbeit trägt zur Weiterentwicklung der wirtschafts-wissenschaftlichen Theoriebasis in den Disziplinen des strategischen Managements und des strategischen Innovationsmanagements bei: Aufbauend auf einer breiten und tiefgreifenden Analyse bestehender Ansätze wird die Bedeutung von Systeminnovationen und Geschäftsmodellinnovationen herausgestellt und die tragende Rolle des in der Theorie noch relativ jungen Konzepts der Innovationskaskaden für die Umsetzung des systemischen Transformationsprozesses der Energiewende theoretisch fundiert und empirisch gestützt. Hervorzuheben ist, dass die Unsicherheiten, die mit der Entwicklung von tragfähigen Geschäftsmodellinnovationen einhergehen, ökonomisch fundiert sind, in den Beispielen in Abhängigkeit des Neuigkeitsgrades und damit der Entwicklungsstufe der Innovationskaskade aber technologisch (A2X) bzw. regulatorisch (P2G) bedingt sind. Bei der Überführung von Systeminnovationen in strategische Geschäftsmodellinnovationen über die Ableitung von Innovationskaskaden stellt diese Arbeit zwei neue, theoretisch fundierte und empirisch überprüfte innovationsauslösende Stimuli vor: Die systeminduzierten Impulse des system-push und des system-pull.
In der Dissertation wird eine Methodik entwickelt, welche die Berechnung des Redispatcheinsatzes im deutschen Übertragungsnetz ermöglicht. Dabei wird die Auswirkungen einer Integration der Flexibilität aus dezentralen Anlagen in das elektrische Energiesystem dargestellt. Durch die Integration von dezentralen Flexibilitäten können geringere Brennstoff- und CO2-Zertifikatskosten bei relativ konstanten CO2-Emissionen erreicht werden. Bei einem Redispatcheinsatz, welcher die Leistungserhöhung aus konventionellen thermischen Kraftwerken weitgehend vermeidet, kann bei der Berücksichtigung dezentraler Flexibilitäten bis zu 99 Prozent der benötigten Redispatcherhöhung aus konventionellen Kraftwerken mit Hilfe dezentraler Alternativen ersetzt werden. Diese Übernahme der Redispatchaufgaben durch dezentrale Anlagen ist allerdings mit einer signifikanten Erhöhung der Redispatchkosten verbunden.
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.
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.
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.
Im Rahmen der Diskussion über die Verknappung fossiler Energieträger, Klimawandel und der notwendigen Transformation unser Energiesysteme in Richtung nachhaltige Energieversorgung, hat moderne Bioenergie in den vergangene Jahren weltweit vermehrt Aufmerksamkeit erfahren. Gleichzeitig ist das Wissen über Potentiale, nachhaltige Nutzungs- und Produktionsformen und den damit verbundene Risiken jedoch begrenzt. Insbesondere der Energiepflanzenanbau birgt beträchtliche Gefahren für Ernährungssicherheit, Klima und Umwelt. Aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten sollten daher Nutzungspfade die biogene Reststoffe- und Abfälle zur Strom- und Wärmeerzeugung einsetzen in den Ländern des südlichen Afrikas Priorität haben. Bisher fehlt es jedoch (a) an länderspezifischen Untersuchungen zum nachhaltig verfügbaren Potential und (b) an fundierten Grundlagen, um politische Endscheidungen über die Einbindung in langfristige Bioenergiestrategien treffen zu können.
In diesem Werk werden diese Wissensdefizite für das Untersuchungsbeispiel Tansania adressiert, indem zunächst eine detaillierte Potentialanalyse zu theoretischen und verfügbaren Reststoff- und Energiepotentialen durchführt wird und im Anschluss mögliche Strategien zur Nutzung dieses Potentials entwickelt und im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit verglichen werden. Die Bewertung der Nachhaltigkeit möglicher Nutzungsstrategien erfolgt mit Hilfe von Multikriterienanalysen (MCA). In der MCA werden die Präferenzen verschiedener Endscheidungsträger mit Hilfe von unterschiedlichen Gewichtungen modelliert. Die Bewertung der Nutzungsstrategien erfolgt im Anschluss mit den Bewertungsregeln, SAW, TOPSIS sowie PROMETHEE I und II. Die Ergebnisse der MCA zeigen, dass die Strategie mit der umfangreichsten Reststoffnutzung unabhängig von der Gewichtung mit Abstand am empfehlenswerten ist, damit bestätigt sich, dass Agrarreststoffe als Baustein in eine nachhaltige Transformationsstrategie für den Energiesektor in Tansania integriert werden sollten.
Die Dissertationsschrift von Christian R. Lindfeld beschäftigt sich mit der integrativen Innovations- und Gründungsförderung aus Universitäten und Forschungseinrichtungen und betritt mit der Konzeption der Zukunftsinnovation eines Center of Entrepreneurial Opportunity Discovery and Development (CEODD) wissenschaftliches Neuland. Er greift damit die aus der Darstellung des Status quo resultierende Konklusion einer sich aufdrängenden Erneuerungsaufgabe in der Innovations- und Gründungsförderung auf und knüpft hierzu an den Forschungsanstrengungen der Bergischen Universität Wuppertal und des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie zur Theorie der Entrepreneurship Education 2.0 an. Im gründungsdidaktisch fundierten Modell eines CEODD werden insbesondere die theoretischen und konzeptionellen Grundlagen zur Erschließung und Entwicklung unternehmerischer Persönlichkeiten und Organisationen einbezogen, um dem zentralen Anspruch der Bewirkung zusätzlicher Unternehmensgründungen gerecht zu werden. Hierzu werden nicht nur die neuartigen, elementenhaft-synthetisch zusammengeführten Interaktions- und Wirkungsmechanismen der Zukunftsinnovation konzipiert, sondern der Autor versteht die Notwendigkeit, ebenfalls theoretisch fundierte, systematische Implementierungsphasen und exemplarische Umsetzungsmöglichkeiten zu beschreiben. Die erarbeiteten Erkenntnisse werden auch als Einladung an die verbundene wissenschaftliche Community verstanden, diesen Beitrag aufzunehmen und sich den weiteren Fragestellungen nachhaltig zuzuwenden.