Zukünftige Energie- und Industriesysteme
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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.
Vom Inter- zum Intra-Wettbewerb : Stufen der Integration erneuerbarer Energien im Strombereich
(2014)
Deutschland ist auf dem Weg zu einem Stromsystem, welches sich zu 100 Prozent aus Erneuerbaren Energien speist. Verschiedene erneuerbare Erzeugungsoptionen stehen dabei zur Verfügung. Noch befinden diese sich in einem koexistenten Wettbewerb mit fossilen Energieträgern (Inter-Wettbewerb). Im vorliegenden Beitrag entwerfen die Autoren ein Marktdesign, welches einen fairen Wettbewerb der erneuerbaren Erzeugungsoptionen garantieren soll (Intra-Wettbewerb). Ihr Ausgangspunkt ist dabei das Gedankenexperiment, welches einen Zustand zugrunde legt, der sich nahe am Ende des anstehenden Transformationsprozesses mit einer Erzeugungsquote von 100 Prozent aus Erneuerbaren Energien befindet. Dabei analysieren sie auch die Kapazitäten und Interessen der Bundesländer beim Zustandekommen eines Intra-Wettbewerbs.
In der vorliegenden Studie steht die Forschungsfrage im Mittelpunkt, ob ein vollständig auf erneuerbaren Energien beruhendes Stromsystem mit hohen Importanteilen von rund 10 bis 20 % nach heutigem Stand des Wissens als technisch-ökologisch realisierbar angesehen werden kann. Als Grundlage für die Untersuchung wird in erster Linie auf eine Reihe von Szenariostudien zurückgegriffen, die ein weitgehend treibhausgasemissionsfreies, zu 90 bis 100 % auf regenerativer Erzeugung basierendes und von hohen Stromimportanteilen gekennzeichnetes Stromsystem mit dem Zeithorizont 2050 modellieren und beschreiben. Dabei werden analog zu Szenarien für Deutschland auch vorliegende Szenarien für Europa in den Blick genommen, die für den europäischen Kontinent wesentliche Nettostromimporte aus Nordafrika vorsehen.
Bei der Großen Transformation handelt es sich laut Wissenschaftlichen Beirat Globale Umweltveränderungen (WGBU) um einen ganzheitlichen Wandel des fossilen ökonomischen Systems in Richtung klimaverträglicher Nachhaltigkeit und höherer Lebensqualität. Schon heute lebt mehr als die Hälfte der Menschheit in Städten - in Deutschland sind es über 80 %. In der Transformationsforschung spielen daher Städte eine zentrale Rolle. In Bottrop finden derzeit zwei großangelegte ökologische Transformationsprozesse statt. Zum einen wird die Emscher im Norden der Stadt renaturiert. Der bisher als Abwasserkanal genutzte Fluss erstreckt sich über das gesamte Ruhrgebiet und wird in einer insgesamt 20 Jahre langen Umbauphase zu einem naturnahen Gewässer zurückgeführt. Zum anderem ist Bottrop Gewinner des Wettbewerbs InnovationCity Ruhr. Im Frühjahr 2010 rief der Initiativkreis Ruhr einen Wettbewerb aus, bei dem die Klimastadt der Zukunft gefunden werden sollte. Ziel von InnovationCity Ruhr ist es die CO2-Emmissionen in Bottrop bis 2020 zu halbieren und somit eine Vorbildfunktion zur klimafreundlichen Wandlung für das gesamte Ruhrgebiet einzunehmen. Die erfolgreiche Implementation solcher Transformationsprozesse ist laut WBGU von der Akzeptanz, Legitimation und Partizipation der Bevölkerung abhängig. Diese Forschungsarbeit zeigt mittels einer Methodentriangulation von Interviews mit acht Bottroper Bürgerinnen und Bürger sowie der Anwendung einer Collagenmethode, welche Einstellungen und Präferenzen die Bottroper Bevölkerung in Bezug zum urbanen Leben hat. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt: Was bedeutet Lebensqualität für die Bottroper und wie lässt sich diese mit der Großen Transformation vereinbaren? Anschließend werden sowohl Anknüpfungspunkte als auch Interessenkonflikte zu den Transformationsprozessen Emscher-Umbau und InnovationCity Ruhr aufgedeckt. Diese Masterarbeit ist in Zusammenarbeit des Wuppertal Instituts mit der Universität Duisburg Essen im Studiengang "Urbane Kultur Gesellschaft und Raum" entstanden.
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.
The role of gender concerns in the planning of small-scale energy projects in developing countries
(2014)
Eine zukünftige Herausforderung der Energiewende wird darin bestehen, zunehmende Stromnetzeinspeisungen von fluktuierenden erneuerbaren Energien (FEE) in das Energiesystem zu integrieren. Neben den Flexibilitäten im Stromsystem sollten dabei auch die Möglichkeiten des Wärmemarktes zur Stabilisierung des Strommarktes berücksichtigt werden. So können Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK), Elektroheizer und Wärmepumpen als Verbindungstechnologien zwischen Strom- und Wärmemarkt abhängig vom FEE-Dargebot und damit auch den Preissignalen des Strommarktes zu- bzw. abgeschaltet werden. Dazu werden Wärmespeicher benötigt, da die Flexibilisierung nur möglich ist, wenn die Produktion von der Wärmenutzung entkoppelt werden kann. Eine besonders aussichtsreiche Kopplung von Strom- und Wärmemarkt ist im Bereich der Fernwärmesysteme möglich, da sich hier große Energiemengen in Fernwärmespeichern im Vergleich zu dezentralen Lösungen kostengünstiger und effizienter speichern lassen.
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.
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.
The EU has set itself ambitious targets with regards to a significant reduction of its greenhouse gas emissions and has presented roadmaps depicting an overall decarbonisation of its economy by the middle of the century. In this context European policymakers and stakeholders are currently discussing the targets and the level of ambition of the 2030 climate and energy policy framework. The Commission is expected to present its own vision for the further development of the energy and climate policy framework in its White Paper "For a 2030 climate and energy policy framework". At this decisive point in the political debate the Wuppertal Institute presents a brief working paper that analyses some of the analytical work - particularly the underlying energy and GHG emission scenarios - behind the Commission's proposals to be presented in the forthcoming White Paper.
Sustainable strategies
(2014)
Since in 1992 the United Nations Conference on Environment and Development (UNCED) has been held in Rio de Janeiro, efforts to achieve sustainable development appear to have made only insufficient progress, as the results of the 2012 follow-up conference show. One reason for this is that among the various paths to sustainability being discussed, the strategies enjoying greater support are those that continue to be committed to economic and material growth, this as opposed to those that question the growth paradigm. Among the latter are the sufficiency and subsistence approaches. The sufficiency approach delves into the causes and (supposed) boons of a continuous increase in material and immaterial goods. With the demand that individuals not always be forced to always want more, it points out a way to a structural transition in society. The subsistence approach, on the other hand, seeks to draft a path to greater autonomy and quality of life by strengthening regional, local or indi-vidual self-provisioning. To be in harmony with sustainability, it must be possible to freely choose the two ways of life; they must not be mandated by the authorities.
Aufgrund der Reform des Erneuerbare-Energien-Gesetzes soll die Förderhöhe für Strom aus Photovoltaik-Freiflächenanlagen nun wettbewerblich über Ausschreibungen ermittelt werden. Dafür muss eine entsprechende Rechtsverordnung geschaffen werden. Für die Eckpunkte eines solchen Ausschreibungsdesigns hat das Bundeswirtschaftsministerium eine öffentliche Konsultation in Gang gesetzt, zu der auch das Wuppertal Institut zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und weiteren Unterstützern eine Stellungnahme abgegeben haben.
Ihre Empfehlung ist, die Ressourcen-/bzw. Landnutzung von PV-Freiflächenanlagen als wesentliches Kriterium in die Förderung einzubeziehen. Vor dem Hintergrund eines erhöhten Nutzungsdrucks auf den ländlichen Raum weisen sie darauf hin, dass ihr angestrebter Ausbau zu ökonomischen, ökologischen, politischen und gesellschaftlichen Konfliktkonstellationen führen könnte. Zugleich machen sie deutlich, dass es zur herkömmlichen Technologie eine Alternative, die Agrophotovoltaik-Freiflächentechnologie gibt, ein Anbausystem zur Produktion von landwirtschaftlichen Gütern unterhalb von PV-Modulen. Sie ermöglicht die simultane Erzeugung von PV-Strom und die Produktion von Nahrungsmitteln. Folgerichtig wird empfohlen, nicht die PV-Anlagen, sondern Freiflächen-Technologien zum Gegenstand der geplanten Pilotausschreibungen zu machen. Die Ausweitung herkömmlicher Anlagen sollte sich auf unterdurchschnittlich fruchtbare Ackerflächen beschränken.