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Open Access
Energiewirtschaftliche Verkehrsstrategie - Möglichkeiten und Grenzen alternativer Kraftstoffe und Antriebe in Deutschland und der EU-27
(2012) Bruchof, David; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing)
Vor dem Hintergrund allgemeiner energie- und klimapolitischer Ziele wie der Verringerung der Ölabhängigkeit oder der Reduktion der Treibhausgasemissionen werden hohe Erwartungen an den Einsatz alternativer Kraftstoffe und Antriebe im Verkehr geknüpft. Unsicherheiten bestehen jedoch in der Frage, welche Kraftstoff-Antriebskombinationen sowohl in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht die besten Voraussetzungen mitbringen, um den gestellten Zielsetzungen gerecht zu werden. Die Beantwortung dieser Frage kann nicht durch eine isolierte Betrachtung des Verkehrssektors erfolgen, sondern erfordert zusätzlich die Berücksichtigung von Wechselbeziehungen zwischen dem Verkehrssektor und anderen Bereichen des Energiesystems. So müssen beispielsweise die während der Bereitstellung alternativer Kraftstoffe (Well-to-Tank) entstehenden Treibhausgasemissionen oder alternative Verwertungsmöglichkeiten für zur Kraftstoffbereitstellung eingesetzte Energieträger, wie z. B. Biomasse, in die Bewertung einfließen. Gerade im Hinblick auf ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz stehen verkehrspolitische Maßnahmen zur Senkung des Treibhausgasausstoßes zudem nicht nur untereinander sondern auch mit Vermeidungsoptionen in anderen Sektoren des Energiesystems im Wettbewerb. Das Ziel dieser Arbeit besteht daher darin, die mögliche Rolle alternativer Kraftstoffe und Antriebe als Teil einer energiewirtschaftlichen Verkehrsstrategie zu analysieren, welche darauf ausgerichtet ist, im Einklang mit allgemeinen energie- und klimapolitischen Zielen eine umweltverträgliche, bezahlbare und versorgungssichere Mobilitätsbereitstellung in Deutschland und der EU-27 zu gewährleisten. Dazu werden zunächst im Rahmen einer Technologiecharakterisierung unterschiedliche alternative Kraftstoffpfade und Antriebskonzepte bezüglich ihrer derzeitigen und zukünftigen technischen, ökonomischen und ökologischen Eigenschaften bis zum Jahr 2050 analysiert. Die Ergebnisse dieser Technologiecharakterisierung werden anschließend zusammengeführt, indem ausgewählte Kraftstoff-Antriebskombinationen in einem Well-to-Wheel Vergleich hinsichtlich ihrer Mobilitätskosten, Treibhausgasemissionen und Treibhausgasvermeidungskosten gegenüber konventionellen Antrieben auf Mineralölbasis bewertet werden. Aufbauend auf den Ergebnissen der Technikanalyse wird im Anschluss die mögliche Bedeutung alternativer Kraftstoffe und Antriebe in Deutschland und Europa bis zum Jahr 2050 unter Berücksichtigung der energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen sowie in Abhängigkeit von den technischen Entwicklungsfortschritten untersucht. Dazu wird eine modellgestützte Systemanalyse unter Anwendung des Energiesystemmodells TIMES PanEU durchgeführt, welche es ermöglicht, die genannten Wechselbeziehungen zwischen Verkehrssektor und restlichem Energiesystem zu erfassen und bei der quantitativen Bewertung der Potenziale alternativer Kraftstoffe und Antriebe einzubeziehen. Im Ergebnis zeigt sich, dass vor allem Biokraftstoffe und elektrische Antriebskonzepte, wie Batterie betriebene Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge, bei ambitionierten Klimaschutzvorgaben oder eingeschränkter Verfügbarkeit konventioneller Kraftstoffe langfristig (nach 2030) in zunehmendem Maße eine wichtige Rolle im Verkehrssektor spielen.
Open Access
Standortabhängige Analyse und Bewertung solarthermischer Kraftwerke am Beispiel Südafrikas
(2015) Telsnig, Thomas; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing)
Der Einsatz solarthermischer Kraftwerke mit Speicher ermöglicht eine bedarfsgerechte Stromerzeugung aus Sonnenenergie und kann in Ländern mit hoher Direktnormaleinstrahlung eine Alternative zur konventionellen Stromerzeugung bieten. Darüber hinaus steigt in Energiesystemen mit steigendem Anteil fluktuierender Stromerzeugungstechnologien wie beispielsweise aus Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen der Bedarf an planbarer und grundlastfähiger Kraftwerkskapazität. Solarthermische Kraftwerke mit Speicher ermöglichen, diese Versorgungsaufgabe zu erfüllen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine ganzheitliche Bewertung solarthermischer Kraftwerke vorgenommen, welche wesentlich von dem betrachteten Standort der Anlage und den damit verbundenen Einstrahlungsbedingungen sowie von dem zu erfüllenden Nachfrageprofil abhängig ist. Zur Veranschaulichung der ausgearbeiteten Methodik wird am Beispiel Südafrikas der zukünftige solarthermische Kraftwerksstandort Upington/Northern Cape sowie der nahe den großen Verbrauchszentren gelegene Standort Pretoria/Gauteng Province untersucht. Die Verbindung der am Standort nutzbaren Einstrahlung mit der zu deckenden Nachfrage ermöglicht unter Berücksichtigung der Investitionskosten der Kraftwerkskomponenten die Ableitung kostenoptimaler Kraftwerkskonfigurationen. Das Verhältnis der im Solarfeld gesammelten Energie zur verfügbaren Speicherkapazität bestimmt neben der Verfügbarkeit und den Stromgestehungskosten der Anlage auch die Versorgungssicherheit des Stromerzeugungssystems. Der mit steigender Speicherkapazität höhere Anteil an gesicherter Kraftwerksleistung wird durch die Ermittlung des Leistungs-kredits für die untersuchten Kraftwerkskonfigurationen mit und ohne Speicher ermittelt. Die Berechnung des Leistungskredits erfolgt für unterschiedliche Ausbaustufen der jeweiligen solarthermischen Kraftwerkskonfiguration und berücksichtigt die südafrikanische Nachfragestruktur sowie die installierten Kapazitäten und Verfügbarkeiten des konventionellen südafrikanischen Kraftwerksparks. Die Ableitung der an den Standort angepassten Kraftwerkskonfigurationen hat neben den ermittelten technischen und ökonomischen Auswirkungen auch ökologische Konsequenzen. Zur Ermittlung der ökologischen Auswirkungen wird der gesamte Lebenszyklus der solarthermischen Anlagen im Zuge eines parametrisierten Lebenszyklusansatzes analysiert. Die vorgestellte Methodik erlaubt somit eine Einschätzung der während der Konstruktion, des Betriebs und der Außerbetriebnahme der Anlage verbrauchten erschöpflichen Ressourcen sowie des verursachten anthropogenen Treibhauseffekts. Die Verbindung der in der technischen Analyse ermittelten zeitlich hochaufgelösten Erträge der verschiedenen Konfigurationen mit den damit verbundenen Stromgestehungskosten und dem Treibhauspotential ermöglicht eine standortspezifische, ganzheitliche Bewertung solarthermischer Kraftwerke. Die gewonnenen Ergebnisse dieser Bewertung werden abschließend zur Ermittlung der CO2-Vermeidungskosten gegenüber der konventionellen südafrikanischen Stromerzeugung aus Steinkohle genutzt. Die in dieser Arbeit durchgeführte Analyse zeigt, dass sich solarthermische Kraftwerke eignen unterschiedliche Versorgungsaufgaben in Energiesystemen zu erfüllen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des in den Kraftwerksprozess integrierten Speichers Auswirkungen auf die Stromgestehungskosten, die verursachten Emissionen sowie die Versorgungssicherheit des Energiesystems hat. Im Falle der Stromgestehungskosten nimmt der Speicher, neben den Kosten für Kollektorfeld, Power Block und Zufeuerung, einen wesentlichen Anteil ein. Die ökologischen Auswirkungen einer solarthermischen Stromerzeugung werden ebenfalls durch den Speicher mitbeeinflusst. Neben den eher geringen indirekten Emissionen welche durch Bau, Betrieb und Entsorgung des Speichers entstehen, übt die Dimensionierung des Speichers einen wesentlichen Einfluss auf die benötigte Zufeuerungsmenge aus. Die in dieser Arbeit berücksichtigte Auswirkung einer solarthermischen Stromerzeugung auf die Versorgungssicherheit des Energiesystems wird anhand einer Berechnung der Kapazitätseffekte und deren Monetarisierung vorgenommen. Für den betrachteten südafrikanischen Fall ergeben sich mit steigender Speicherkapazität und Durchdringung des Energiesystems eine verminderte vorzuhaltende Back-up-Kapazität und damit geringere Back-up-Kosten. Die Anpassungsfähigkeit der jeweiligen solarthermischen Kraftwerkskonfiguration an eine bestimmte Versorgungsaufgabe bietet somit, insbesondere in Ländern mit hoher Direktnormalstrahlung, sowohl eine Alternative zur emissionsintensiven Stromerzeugung aus Kohlekraftwerken als auch zur fluktuierenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Stromerzeugungstechnologien.