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Open Access
Analyse der Einsatzpotenziale von Wärmeerzeugungstechniken in industriellen Anwendungen
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Ohl, Michael; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
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Analysen zur Umsetzung rationeller Energieanwendung in kleinen und mittleren Unternehmen des Kleinverbrauchersektors
(2000) Hermes, Hans Dieter; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Im Wirtschaftssektor Kleinverbrauch sind erhebliche ungenutzte Potenziale zur Senkung von Energieverbrauch und Energiekosten vorhanden. Firmen aus diesem Sektor benötigen bezüglich einer effizienteren Verwendung von Endenergie häufig externe Hilfe, z.B. durch Energieberatung. Die durch eine Vielzahl kleiner und mittlerer Unternehmen geprägten Branchen des Kleinverbrauchersektors sind bezüglich der Möglichkeiten und Probleme bei der Umsetzung von Maßnahmen für eine effizientere Energieverwendung bisher wenig untersucht worden, so dass die notwendigen Grundlageninformationen häufig fehlen. Gegenstand der Arbeit ist die Ermittlung der Energiebedarfsstrukturen und denkbarer Möglichkeiten der rationellen Energieanwendung zur Senkung des Energieverbrauchs in ausgewählten Branchen des Kleinverbrauchersektors, die Analyse der Hemmnisse, die eine Umsetzung von Maßnahmen in Unternehmen verhindern, sowie die Konzeption und Überprüfung geeigneter Instrumente zur Hemmnisüberwindung. In den Energiebedarfsstrukturen der untersuchten Branchen Hotels, Textilreinigung, Bäckereien und Lebensmitteleinzelhandel zeigen sich wesentliche Unterschiede mit branchentypischen Schwerpunkten bei Raumwärme, bei Prozesswärme für Dampferzeugung und Backen sowie bei Kühlung und Beleuchtung. Für zwei Branchen wurde beispielhaft eine Hemmnisanalyse in Bezug auf die Umsetzung von Maßnahmen zur rationellen Energieanwendung zur Senkung des Energieverbrauchs durchgeführt: Für die Hotelbranche ergaben sich fehlende Energiekennzahlen und Hilfsmittel zur Ermittlung und Bewertung solcher Kennwerte als wichtiges Hemmnis. Im Lebensmitteleinzelhandel wurden fehlende spezifische Informationen über mögliche Energieeffizienzmaßnahmen und fehlende Ansprechpartner als wichtigste Hemmnisse identifiziert.
Open Access
Analysis of the relative roles of supply-side and demand-side measures in tackling global climate change : application of a hybrid energy system model
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2019) Mousavi, Babak; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Climate change is one of the most critical issues facing the world today. In 2015, the Paris Agreement under the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) codified an ambitious long-term global target: holding the increase in the global average temperature well-below 2°C. It is recognized that this goal is a safe guardrail and will reduce negative impacts of climate change, significantly. To meet the target, the energy sector offers a wide range of technological options, namely, energy efficiency improvement, shifting from high carbon-intensive fossil fuels to less carbon-intensive alternatives (e.g. switching from coal to natural gas), and the enhanced use of renewables, nuclear, and Carbon Capture and Storage (CCS). On the other hand, additional investments in cleaner technologies will, ceteris paribus, result in a higher price of energy services and consequently reduce demand for energy-services which is considered as a mitigation measure. This dissertation aims at exploring, in a systematic manner, the required energy system transformations and the associated price-dependent energy-service demand reductions in order to hold the increase in global average temperature well-below 2°C above pre-industrial levels by 2100. For a more comprehensive assessment, it also evaluates the macroeconomic implications of the climate mitigation policy. The analysis is carried out using a hybrid model which is a combination of a bottom-up, technology-rich model, TIAM (TIMES Integrated Assessment Model) and a top-down, macroeconomic model, MACRO. One of the key parameters of this hybrid model is elasticity of substitution denoting the ease of substituting energy-service demand with other production factors in the model (i.e. capital-labor) as their relative prices change. To provide more insight into the role of energy-service demand reductions, it is additionally assumed that the elasticity parameter varies across regions and over time. Furthermore, due to the uncertainties around the potential for mitigation technologies, a set of different scenarios with respect to the potentials are considered. The main findings of this study highlight the importance of early action in all energy sectors. Renewables are found to be the main mitigation measure. Furthermore, biomass with CCS is an essential option to compensate for residual emissions in sectors (e.g., transport) where direct mitigation is more challenging. It is also revealed that reaching such an ambitious mitigation target comes with considerable negative macroeconomic impacts, while energy-service demand reductions play an important role in offsetting the impacts.
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Auswirkungen von Basisinnovationen auf die Energiewirtschaft und die Energienachfrage in Deutschland : am Beispiel der Nano- und Biotechnologie
(2013) Lambauer, Jochen; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Die Bedeutung einer nachhaltigen Energieversorgung steigt aufgrund des globalen Klimawandels und vor dem Hintergrund endlicher Ressourcen stetig an. In diesem Zusammenhang gewinnen neue Innovationen und Technologien an Bedeutung, da grundlegende Forschungserfolge notwendig sind, um die mit einer nachhaltigen Energieversorgung verbundenen Herausforderungen anzugehen. Die Einführung von Basisinnovationen führt zu Änderungen in der Energienachfrage als auch in der Energieversorgung. Als Basisinnovationen der Vergangenheit werden z. B. die Dampfmaschine, das Auto oder das Flugzeug genannt. Aktuell bezeichnet man z. B. die Nano- und Biotechnologie als Basisinnovationen (bzw. Querschnittstechnologien). Als Basisinnovationen haben die Nano- und Biotechnologie das Potenzial für mögliche Verbesserungen entlang der gesamten energetischen Wertschöpfungskette. Ziel der Arbeit ist es, die derzeitigen und zukünftigen Auswirkungen von Basisinnovationen auf die Energiewirtschaft und die Energienachfrage in Deutschland am Beispiel der Nano- und Biotechnologie zu analysieren und zu bewerten. Um dies zu erreichen, werden derzeitige und zukünftige Produkte, Produktionsprozesse und Dienstleistungen der beiden Basisinnovationen hinsichtlich der direkten und indirekten Auswirkungen analysiert und bewertet. In diesem Rahmen werden ihre Auswirkungen auf eine Änderung der Energienachfrage und die nachgefragten Energieträger untersucht. Dabei werden Änderungen der Energienachfrage sowie mögliche Reduktionspotenziale und Effizienzsteigerungen sowohl durch diese Technologien (direkt), als auch durch den Einsatz von neuen, durch diese Technologien erzeugten Produkte, Anwendungen und Dienstleistungen betrachtet. Die Analyse beinhaltet eine detaillierte Untersuchung des Energiesektors hinsichtlich Neuerungen durch die Nano- und Biotechnologie, um zukünftige Entwicklungen und Änderungen abschätzen zu können. Als Ergebnis werden die Auswirkungen ausgewählter nano- und biotechnologischer Anwendungen auf den Energieverbrauch, die nachgefragten Energieträger, die Energieversorgung, die Energiewirtschaft und die CO2-Emissionen in Deutschland bis 2030 dargestellt. Darüber hinaus gehen die Themenpunkte Energie- und Ressourcenverbrauch sowie Gefährdungspotenziale und Akzeptanz neuer Innovationen neben den ermittelten Potenzialen in die zusammenfassende Bewertung ein. Als Ergebnis der Szenarienbetrachtungen kann festgestellt werden, dass die untersuchten Anwendungen der Nano- und Biotechnologie in 2030 zwischen 319 und 626 PJ an Energie einsparen können. Im Vergleich zum Energieverbrauch in 2010 entspricht dies einer Energieeinsparung von 3,5 bis 6,9 % im Jahr 2030. Darüber hinaus könnten in 2030 zwischen 68 und 168 PJ zusätzlich erzeugt werden. Die CO2-Emissionen würden sich in 2030 im Vergleich zu 2010 um ca. 13 % reduzieren. Es zeigt sich jedoch, dass eine Vielzahl der Anwendungen die Produktion bzw. Umstellung auf einen industriellen Maßstab noch unter Beweis stellen müssen und dass auch marktreife Anwendungen eine lange Zeit benötigen, bis sie zu signifikanten Auswirkungen auf die Energiewirtschaft führen. Die Nano- und Biotechnologie können zukünftig einen bedeutenden Beitrag zur Rationellen Energienutzung und zur Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz in Deutschland leisten.
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Energie- und Umweltmanagement in Hotels und Gaststätten : Entwicklung eines Softwaretools zur systematischen Prozessanalyse und Management-Unterstützung
(2007) Eckardt, Sven; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
In der Arbeit wird ein EDV-gestütztes Verfahren beschrieben, welches das Erkennen und Beseitigen von Umweltbelastungen und die jährliche Wiederholung einer Umweltanalyse in Hotels und Gaststätten mit geringem personellen und finanziellen Aufwand ermöglicht. Hierzu werden die Elemente eines Energie- und Umweltmanagements für Hotels und Gaststätten beschrieben. Es wird auf branchenspezifische Energiekennzahlen und technische Maßnahmen zur rationellen Energieanwendung eingegangen. Außerdem werden die relevanten Umweltaspekte und Umweltauswirkungen mit dem prozessorientierten Ansatz des Qualitätsmanagements verknüpft. Die Vielseitigkeit des entwickelten EDV-Tools zeigt sich u.a. in sieben erfolgreichen EMAS Validierungen.
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Energieeffizienz in der Industrie : modellgestützte Analyse des effizienten Energieeinsatzes in der EU-27 mit Fokus auf den Industriesektor
(2014) Kuder, Ralf; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Das Thema Energieeffizienz ist von hoher Aktualität und allgegenwärtig in der energiepolitischen Diskussion. Trotz dieser hohen Bedeutung herrscht selbst hinsichtlich der Begriffsdefinition kein einheitliches Verständnis. Zudem gibt es eine Vielzahl von sogenannten Energieeffizienzzielen und zahlreiche Indikatoren. Daher soll diese Arbeit einen Beitrag für ein vertieftes Verständnis der effizienten Nutzung von Energie leisten. Die uneinheitliche Definition des Begriffs Energieeffizienz bezieht sich zunächst auf die Verwendung sowohl von spezifischen als auch absoluten Energieverbräuchen zur Charakterisierung von Effizienz. Zudem kommen sowohl statische Betrachtungen von Effizienz als Zustand als auch dynamische Betrachtungen als Verbesserung eines Zustandes gegenüber einer Referenz zur Anwendung. Weitere Unterschiede herrschen in der Bewertung des Energieeinsatzes sowie hinsichtlich der Wahl einer möglichen Bezugsgröße. Zudem liegt der Fokus im gegenwärtig überwiegend vorherrschenden Verständnis des Begriffs nur auf dem Energieverbrauch. Alle anderen Ressourcen, die zur Erbringung einer Energiedienstleistung notwendig sind, werden trotz der Substitutionsoptionen zwischen diesen einzelnen Ressourcen nicht betrachtet. Daher wird das Verständnis von Energieeffizienz in dieser Arbeit erweitert und um die bislang nicht betrachteten Ressourcen ergänzt. Die effiziente Nutzung der Ressource Energie ist dann diejenige, die sich aus der Optimierung des Verhältnisses des gesamten Aufwands bzw. der gesamten Kosten aller Ressourcen zum erzielten Nutzen ergibt. Um den effizienten Energieeinsatz im Industriesektor in der EU näher bestimmen zu können, ist ein tieferes Verständnis dieses Sektors und seiner Besonderheiten notwendig. Die Industrie ist der größte Stromverbraucher in der EU sowie für ein Viertel des Endenergieverbrauchs und etwa ein Fünftel der CO2-Emissionen verantwortlich. Kennzeichnend sind das hohe und heterogene Temperaturniveau der Wärmenachfrage und die in Umwandlungsverfahren entstehenden Prozessemissionen. Zudem ist eine Unterteilung des Sektors in energieintensive Branchen, in denen branchenspezifische Produktionsverfahren den Energieverbrauch dominieren, und nicht-energieintensive Branchen vorzunehmen. Möglichkeiten zur Reduktion des Energieverbrauchs in der Industrie liegen im Einsatz alternativer oder optimierter Produktions- und Querschnittsverfahren sowie von Einsparmaßnahmen zur Reduktion der Nutzenergienachfrage. Basierend auf der Analyse in dieser Arbeit beläuft sich das gegenwärtige technische Energieeinsparpotenzial in der Industrie auf 21 % in der EU und auf 17 % in Deutschland. Die modellgestützte Szenarioanalyse des europäischen Energiesystems mit Hilfe des weiterentwickelten Energiesystemmodells TIMES PanEU verdeutlicht aufbauend auf dem erweiterten Verständnis von Energieeffizienz, dass der effiziente Energieeinsatz bei einem Emissionsminderungsziel von 75 % aus einem leicht ansteigenden Primärenergieverbrauch mit einem diversifizierten Energieträger- und Technologiemix besteht. Sowohl Erneuerbare Energien, als auch die Nutzung von Kernenergie und CCS-Verfahren spielen langfristig eine bedeutende Rolle. Zudem steigt insbesondere der Stromeinsatz in Kombination mit einer starken Dekarbonisierung der Stromerzeugung. In der Industrie tragen zur Minderung der Emissionen sowohl der verstärkte Einsatz von Strom, CCS und Erneuerbaren Energien als auch die Nutzung von verbesserten und alternativen Verfahren zu einer Emissionsminderung bei. Sowohl regulatorische Eingriffe in den Stromsektor als auch die Vorgabe von Primärenergieverbrauchseinsparzielen sorgen für einen Anstieg der gesamten Energiesystemkosten und somit für einen Rückgang der Effizienz. Der Energieverbrauch wird über das effiziente Maß hinaus reduziert und die Einsparvorgaben sorgen für eine verstärkte Nutzung anderer notwendiger Ressourcen. Insgesamt zeigt die modellgestützte Analyse des effizienten Einsatzes des Inputfaktors Energie, dass ein geringerer Energieverbrauch nicht gleichbedeutend ist mit einem höheren Maß an Effizienz. Die integrierte Systemanalyse in dieser Arbeit verdeutlicht zudem die Wechselwirkungen zwischen Emissionsminderungs- und Energieeinsparzielen. Emissionsminderungspfade wie die verstärkte Nutzung von Kernenergie, CCS oder Biomasse sowie generell der verstärkte Einsatz von Strom werden durch Primärenergieeinsparziele blockiert. Es besteht teilweise ein Zielkonflikt zwischen diesen beiden Zielen. Energieeinsparziele sind insbesondere bei verschärftem Klimaschutz nur schwer zu erreichen und sorgen für einen deutlichen Anstieg der Energiesystemkosten. Sowohl normative Energieeinsparziele als auch politische, regulierende Eingriffe in den Stromsektor führen zu Abweichungen vom energieeffizienten und somit vom kostenminimalen Pfad.
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Energieeinsparpotenziale von energieintensiven Produktionsprozessen in Deutschland : eine Analyse mit Hilfe von Energieeinsparkostenkurven
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Brunke, Jean Christian Ulf; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Das Ziel dieser Arbeit ist zum einen die Entwicklung einer Berechnungsmethodik von Energieeinsparungen und Energieeinsparkosten der entsprechenden Energieeinsparmaßnahmen unter Berücksichtigung bestehender methodischer Limitierungen und deren Anwendung auf eine detaillierte und konsistente Beschreibung ausgewählter energieintensiver, industrieller Produktionsprozesse in Deutschland. Der Kern der entwickelten Berechnungsmethodik ist die techno-ökonomische Analyse von Energieeinsparmaßnahmen auf der Einzelanlagenebene. Auf diese Weise können die heterogenen technologischen Ausprägungen, der hohe Integrationsgrad von energieintensiven Produktionsanlagen sowie deren Auswirkungen auf das technische Energieeinsparpotenzial berücksichtigt werden. Zudem können so die Wechselwirkungen von Energieeinsparmaßnahmen unter Berücksichtigung der Umsetzungsreihenfolge bewertet werden. Die Energieeinsparkosten werden über den Vergleich der diskontierten Produktionskosten jeweils mit und ohne umgesetzter Energieeinsparmaßnahme gebildet. Dadurch können u. a. die Veränderungen nicht-energetischer Betriebskosten (bspw. Wartungskosten), Opportunitätskosten und Opportunitätserlöse von Energieeinsparmaßnahmen in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einbezogen werden. Für die Anwendung der Berechnungsmethode auf die Herstellung der zehn energieintensivsten Produktgruppen in Deutschland werden 164 Energieeinsparmaßnahmen und deren Umsetzung an 859 Einzelanlagen analysiert und in Energieeinsparkostenkurven dargestellt. Es wird ein technisches Energieeinsparpotenzial von 18 % und ein wirtschaftlich darstellbares Potenzial von 10 % ggü. dem Energieverbrauch in 2013 errechnet. Ein Vergleich der Ergebnisse mit bisherigen Energieeffizienz-Untersuchungen mit vergleichbarem Bilanzräumen zeigte Potenzialabweichungen von bis zu neun Prozentpunkten innerhalb der untersuchten Produktgruppen. In einer Einzelfallbetrachtung ließen diese sich zum Teil auf die einzelanlagenspezifische Berechnungsmethodik zurückführen lassen. Produktübergreifend liegen die wirtschaftlich darstellbaren Energieeinsparpotenziale im Durchschnitt zwei Prozentpunkte über dem hier errechneten Potenzial. Mittels Parametervariationen wurde die Robustheit der Ergebnisse überprüft. Die wirtschaftlich darstellbaren Energieeinsparungen wiesen eine vergleichsweise hohe Sensitivität gegenüber der Diskontrate und den Brennstoffpreisen sowie eine niedrige Sensitivität gegenüber dem CO2-Zertifikatspreis und dem Strompreis auf.
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Die Energienachfrage privater Haushalte und ihre Bedeutung für den Klimaschutz : volkswirtschaftliche Analysen zur deutschen und europäischen Klimapolitik mit einem technologiefundierten Allgemeinen Gleichgewichtsmodell
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Beestermöller, Robert; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Private Haushalte tragen wesentlich zum Energieverbrauch und zu den CO2-Emissionen Deutschlands bei. Im Jahr 2012 entfielen ca. 40 % des Endenergieverbrauchs und ca. 21 % der CO2-Emissionen in Deutschland auf die Energienachfrage privater Haushalte in Wohngebäuden und privaten Fahrzeugen. CO2-Emissionen entstehen dort hauptsächlich durch den Einsatz fossiler Brennstoffe zur Befriedigung des Raumwärme-, Warmwasser- und Mobilitätsbedarfs. Zur Erreichung der klimapolitischen Ziele in Deutschland und der EU sind in den letzten Jahren zahlreiche klimapolitische Instrumente entwickelt und implementiert worden, die eine Verringerung der CO2-Emissionen herbeiführen sollen. Bislang sind private Haushalte nicht Teil des EU-weiten Emissionshandelssystems (EU-ETS), sondern unterliegen anderen Regulierungsmaßnahmen. Beispiele hierfür sind neben der Energiebesteuerung vor allem die Energieeinsparverordnung (EnEV), die Förderung energetischer Gebäudesanierung mittels KfW-Krediten oder die im Jahr 2016 beschlossene Kaufprämie für Elektroautos. Neben einer solchen direkten Regulierung sind private Haushalte aber auch in indirekter Form von der klimapolitischen Regulierung anderer Wirtschaftsbereiche betroffen (z. B. Energiewirtschaft), da diese ihre infolge der klimapolitischen Regulierung veränderten Produktionskosten über das volkswirtschaftliche Preisgefüge an die Endverbraucher weitergeben. Hier können insbesondere das EU-ETS, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sowie die CO2-Grenzwerte für Neuwagen angeführt werden. Aus volkswirtschaftlicher Sicht stellt sich die Frage, welche gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen durch verschiedene klimapolitische Instrumente sowie den aktuellen Instrumentenmix ausgelöst werden und welchen Beitrag private Haushalte für einen kostengünstigen Klimaschutz im Vergleich zu anderen Wirtschaftssektoren in Deutschland und der EU leisten bzw. leisten können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Energienachfrage privater Haushalte technologisch fundiert in einen gesamtwirtschaftlichen Kontext einzuordnen, die aktuell implementierten und diskutierten klimapolitischen Instrumente im Haushaltsbereich auf ihre volkswirtschaftlichen Auswirkungen in Deutschland und der EU hin zu analysieren und wirtschaftspolitische Handlungsempfehlungen für einen effektiven und kostengünstigen Klimaschutz im Haushaltsbereich abzuleiten. Dazu wird ein multi-regionales, multi-sektorales Allgemeines Gleichgewichtsmodell mit einer technologisch disaggregierten Darstellung der Energienachfrage privater Haushalte in Deutschland entwickelt, um die volkswirtschaftlichen Kosten verschiedener klimapolitischer Instrumente und Strategien quantifizieren zu können. Dies geschieht anhand einer modell- und szenariogestützten Kostenwirksamkeitsanalyse, die zum einen verschiedene klimapolitische Instrumente miteinander vergleicht und zum anderen die volkswirtschaftliche Verflechtung zwischen den privaten Haushalten und den anderen Wirtschaftsbereichen in einem sektorübergreifenden EU-weiten Emissionshandelssystem analysiert. Aufgrund des geschlossenen Einkommenskreislaufs des Allgemeinen Gleichgewichtsansatzes können dabei sowohl direkte als auch indirekte Effekte abgebildet, und Nettoeffekte quantifiziert werden. Die Modellergebnisse des klimapolitischen Instrumentenvergleichs zeigen, dass die aktuell implementierten Energiestandards (z. B. EnEV, CO2-Grenzwerte) und Förderinstrumente (z. B. KfW-Kredite, Kaufprämien) im Hinblick auf ihre beabsichtigte CO2-emissionsmindernde Wirkung zwar effektiv, aber ökonomisch nicht effizient sind, da sie die klimapolitischen Ziele nicht direkt, sondern nur mittelbar über die induzierte Technologiewahl und dadurch mit vergleichsweise hohen ökonomischen Kosten erreichen. Dagegen sind marktbasierte Instrumente, wie CO2-Steuern oder ein auf die privaten Haushalte erweiterter Emissi-onshandel ökonomisch überlegen, da sie die durch die CO2-Emissionen hervorgerufenen externen Effekte direkt bei der Nutzung einpreisen und somit verursachungsgerecht internalisieren. Unter den gegebenen Rahmenannahmen ist der Emissionshandel, aufgrund seiner steuerbaren Emissionsobergrenze, als kosteneffizientes Instrument anzusehen. Die Modellierung eines EU-weiten sektorübergreifenden Emissionshandels zeigt zudem, dass die Nicht-ETS-Sektoren, inklusive der Energienachfrage privater Haushalte, höhere CO2-Grenzvermeidungskosten aufweisen als die im aktuellen EU-ETS teilnehmenden Sektoren der Stromerzeugung und der energieintensiven Industrie. Das bedeutet, dass es gegenwärtig kostengünstiger erscheint, CO2-Emissionen in der Stromerzeugung oder der energieintensiven Industrie zu reduzieren als in der Energienachfrage privater Haushalte. Dort wiederum ist die CO2-Emissionsreduktion insbesondere im motorisierten Individualverkehr, bzw. im Transportsektor allgemein, mit vergleichsweise hohen Nutzeneinbußen verbunden. Im Gebäudebereich ist die CO2-Emissionsreduktion dagegen, aufgrund der leichteren Substituierbarkeit fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien (inklusiver kohlenstoffarm erzeugten Stroms), kostengünstiger als im Transportsektor. Die Bedeutung der Modellergebnisse für die Ableitung politischer Handlungsoptionen ist schließlich vor dem Hintergrund der gewählten methodischen Rahmenannahmen zu beurteilen. Diese beruhen aufgrund des gewählten Allgemeinen Gleichgewichtsansatzes zu einem Großteil auf dem neoklassischen Modell der vollständigen Konkurrenz. Dennoch lässt sich aus der volkswirtschaftlichen Analyse schlussfolgern, dass Energiestandards und Förderinstrumente marktbasierten Instrumenten nur dann vorgezogen bzw. diese ergänzen sollten, wenn letztere aus gesellschaftspolitischen Gründen nicht durchsetzbar oder nicht akzeptabel sind. Dabei sollten klimapolitische Instrumente vor dem Hintergrund ökonomischer Kosteneffizienz so eingesetzt werden, dass sie den verschiedenen Grenzvermeidungskosten der CO2-Emissionsreduktion unterschiedlicher Wirtschaftsbereiche Rechnung tragen.
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Entwicklung von Methoden zur Abbildung von Demand Side Management in einem optimierenden Energiesystemmodell : Fallbeispiele für Deutschland in den Sektoren Industrie, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen und Haushalte
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Haasz, Thomas; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Ein zentrales Instrument zur Erreichung der klimapolitischen Ziele in Deutschland ist die Dekarbonisierung des Elektrizitätssystems durch den Ausbau von Erzeugungskapazitäten in Photovoltaik- und Windkraftanlagen. Aufgrund des intermittierenden Angebots kann es zu einem Ungleichgewicht von Erzeugung und Nachfrage kommen. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit modellgestützt untersucht, welchen Beitrag Demand Side Management (DSM) zur Erreichung der energiepolitischen Ziele in Deutschland im Vergleich zu alternativen Flexibilitätsoptionen, wie Reservekraftwerken, Stromspeichern, Curtailment oder Power-to-X, leisten kann, um das benötigte Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu gewährleisten. In dieser Studie wurden Verfahren zur Abbildung von anreiz- und preisbasiertem Lastmanagement erarbeitet, sodass einerseits prozessspezifische Betriebsrestriktionen und andererseits Lastverlagerungspotenziale modelliert werden können. In der energieintensiven Industrie werden prozessspezifische Verfügbarkeiten zur Modellierung der Lastverlagerungspotenziale verwendet, während im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) der Energieträgerwechsel exemplarisch über hybride Erzeugungssysteme zur Wärmebereitstellung abgebildet ist. Zur Bestimmung von Lastmanagementpotenzialen und zulässigen Betriebsparametern thermostatgeregelter Lasten in Haushalten wird ein Simulationsmodell mit hoher zeitlicher Auflösung mit einem Energiesystemmodell gekoppelt. Um einer möglichen Überbewertung des Lastmanagementbeitrags von Haushalten entgegenzuwirken, wird die Nutzerakzeptanz von Lastmanagement in Haushalten berücksichtigt. Unter Verwendung des entwickelten Energiesystemmodells und der Methoden zur Modellierung von Lastmanagement wird der Beitrag von Demand Side Management zur Integration hoher Anteile intermittierender erneuerbarer Energien in das Elektrizitätssystem Deutschlands bis 2050 szenariogestützt untersucht. Während Energieeinsparungen als erste Komponente von DSM im gesamten Energiesystem abgebildet sind, erfolgt die Berücksichtigung von Lastmanagement als zweite Komponente von DSM anhand von Fallbeispielen. Aufgrund der modellexogenen Vorgabe energiepolitischer Ziele kann der Szenariorahmen als Zielszenario beschrieben werden. Die Szenarioanalyse zeigt, dass Energieeinsparungen einen erheblichen Beitrag zur Reduktion der Systemkosten leisten können, während durch Lastmanagement vergleichsweise geringe Kostenreduktionen erzielt werden. Lastmanagementpotenziale werden insbesondere in der Industrie und im GHD eingesetzt. Demgegenüber tragen in Haushalten nur wenige Lastmanagementpotenziale zur Kostenminimierung bei.
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Ganzheitliche Analyse und Bewertung konkurrierender energetischer Nutzungspfade für Biomasse im Energiesystem Deutschland bis zum Jahr 2030
(2009) König, Andreas; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Die energetische Nutzung von Biomasse umfasst eine Vielzahl von unterschiedlichen und alternativen Pfaden zur Endenergiebereitstellung. Feste, flüssige und gasförmige Bioenergieträger können über thermische, thermo-chemische, physikalisch-chemische und biologisch-chemische Konversionsverfahren alternativ in Wärme, Strom und Kraftstoffe überführt werden. Dabei stehen der Möglichkeit durch die Biomassenutzung einen Beitrag zur Minderung von Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und zur Substitution fossiler Energieträger zu leisten, erhöhte Kosten im Vergleich zu den konventionellen Bereitstellungsverfahren gegenüber. Zudem gilt im Hinblick auf einen Ausbau der Bioenergie zu berücksichtigen, dass trotz des regenerativen Charakters der Biomasse als erneuerbare Energiequelle, die Biomasse- und Flächenpotenziale in Deutschland begrenzt sind. Ziel dieser Arbeit ist daher die Analyse und Bewertung unterschiedlicher energetischer Nutzungspfade von Biomasse unter technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten vor dem Hintergrund energie- und umweltpolitischer Zielsetzungen einerseits und der Biomassepotenziale in Deutschland andererseits. Dafür wurden für eine Auswahl an heute und zukünftig wichtigen Prozessketten der Energieträgerproduktion und -nutzung sowohl Energie- und Stoffstrombilanzen erstellt als auch die Kosten der Energiegestehung berechnet. Anhand der unterschiedlichen daraus ableitbaren technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte erfolgt eine umfassende Bewertung der Nutzungspfade. Im Hinblick auf die Konkurrenz zu anderen erneuerbaren und den konventionellen Verfahren der Energiebereitstellung im Energiesystem Deutschland wurden die Nutzungsoptionen für Biomasse anhand einer modellgestützten Szenarioanalyse zudem systemisch bewertet. Durch die Analyse und Bewertung konnten vorteilhafte Nutzungspfade für die Endenergiebereitstellung aus Biomasse im Hinblick auf eine effiziente Biomassenutzung und eine kostengünstige Minderung der Treibhausgasemissionen identifiziert werden. Es zeigt sich, dass die Wärmebereitstellung im Hinblick auf die Gesamtheit der hier untersuchten Aspekte die vorteilhafteste Nutzungsoption darstellt. Sie ist aufgrund der höheren Effizienz bei der Biomasseumwandlung sowohl der KWK-Nutzung von Festbrennstoffen als auch der Bereitstellung gasförmiger Kraftstoffe vorzuziehen. Demgegenüber erweisen sich sowohl die Bereitstellung von Biokraftstoffen der 1. Generation, wie z. B. Biodiesel aus Raps und Ethanol aus Zuckerrüben, als auch die Nutzung von Biogas mit geringen Wärmenutzungsgraden als vergleichsweise wenig vorteilhaft. Es zeigt sich deutlich, dass der Effizienz der Biomassebereitstellung und -konversion vor den hier erarbeiteten Ergebnissen eine besondere Aufmerksamkeit bei der zukünftigen Bioenergienutzung in Deutschland zukommen sollte, da diese nicht nur einen bedeutenden Einfluss auf die Gesamteffizienz der Nutzungspfade sondern auch auf andere Aspekte, wie z. B. die spezifischen Emissionen und das Substitutionspotenzial für fossile Energieträger aufweist. Zudem wird klar, dass insbesondere bei den Biokraftstoffen der 1. Generation eine verstärkte energetische Nutzung der Koppelprodukte zur Verbesserung der Energiebilanz erfolgen sollte. Ohne die Koppelproduktnutzung erweisen sich die Gesamteffizienzen dieser Prozessketten als vergleichsweise wenig vorteilhaft. Die hier erarbeiteten Ergebnisse zeigen überdies, dass durch die Nutzung heimischer Biomasse- und Flächenpotenziale ein nennenswerter und vergleichsweise kostengünstiger Beitrag zur Minderung der energiebedingten THG-Emissionen und zur Substitution fossiler Energieträger im Energiesystem Deutschland geleistet werden kann. Rund 1.097 PJ/a an Endenergie in Form von Wärme, Strom und Kraftstoff können bei einer konsequenten Verfolgung der Klimaschutzziele bis zum Jahr 2030 durch Biomasse bereitgestellt werden. Damit kann in Deutschland im Jahr 2030 ein Anteil der heimischen Biomasse am Primärenergieverbrauch von rund 14,0 % und ein Anteil der Bioenergie am Endenergieverbrauch von 11,1 % erreicht werden.
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Grenzübergreifende integrierte Elektrizitätsplanung im südlichen Afrika
(2002) Graeber, Bernhard; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Die meisten Staaten im südlichen Afrika haben versucht, ein weitgehend autarkes Elektrizitätssystem aufzubauen. Mit der zunehmenden Demokratisierung und dem politischen Willen zur Zusammenarbeit innerhalb der Southern African Development Community (SADC) hat sich die Planungsperspektive jedoch gewandelt, und eine grenzübergreifende Zusammenarbeit ist möglich geworden. Die sich ergänzenden Energieressourcen in der SADC-Region (Wasserkraft im Norden und fossile Energieträger im Süden) lassen eine solche Zusammenarbeit sehr vorteilhaft erscheinen. Grundlegende Fragestellung dieser Arbeit ist daher, wie die Vorteile einer langfristigen, grenzübergreifenden Planung eines Elektrizitätssystems quantifiziert werden können. Eine gesellschaftliche Planungsperspektive wird hierbei zugrunde gelegt, da es nicht um die Gewinnmaximierung eines einzelnen Unternehmens geht, sondern die Gesamtinteressen einer aus mehreren Staaten zusammengesetzten Weltregion im Vordergrund stehen. Neben Kostenkriterien ist daher eine Berücksichtigung weiterer Aspekte (wie z.B. Umweltauswirkungen durch die Elektrizitätserzeugung) bei der Planung erforderlich. Ausgehend von dieser Fragestellung wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell aufgestellt, das eine grenzübergreifende kombinierte Kraftwerks- und Netzausbauplanung ermöglicht. Nationale Sicherheitsaspekte und Importbeschränkungen können ebenso Berücksichtigung finden wie quantifizierbare externe Effekte (z.B. CO2-Emissionen). Für mehrere Szenarien wurden Optimierungsrechnungen für das Elektrizitätssystem im südlichen Afrika durchgeführt, wobei die nächsten 20 Jahre als Modellierungszeitraum gewählt wurden. Die Anwendbarkeit und Lösbarkeit des entwickelten Modells konnte somit unter Beweis gestellt werden. Ergebnis der Fallstudie ist u.a., daß sich durch eine verstärkte grenzübergreifende Zusammenarbeit die gesamten Systemkosten um ca. 5 Prozent reduzieren lassen. Weiterhin konnte das Vermeidungspotential für CO2-Emissionen abgeschätzt werden. Geht man von externen Kosten in Höhe von 4 bis 15 $ pro t CO2 aus, würde eine Berücksichtigung dieser Kosten bei der Planung im Jahr 2015 in einer Reduktion der CO2-Emissionen von 22 bis 55 Prozent gegenüber dem Referenz-Szenario resultieren.
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Integration von Wärmepumpen in industrielle Produktionssysteme : Potenziale und Instrumente zur Potenzialerschließung
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Wolf, Stefan; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel dieser Arbeit ist es, die Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpentechnik in der Industrie in Deutschland zu analysieren und Planungsinstrumente für die Integration von Wärmepumpen in industrielle Produktionssysteme zu entwickeln. Das zur Erreichung dieses Ziels gewählte Vorgehen gliedert sich in drei Schritte. Zunächst wird der Entwicklungsstand der Wärmepumpentechnik im Hinblick auf die Erfordernisse industrieller Anwendungen analysiert und mittels Nutzwertanalyse bewertet. Im nächsten Schritt wird, aufbauend auf den erlangten Erkenntnissen und einer Auswertung von umgesetzten Anwendungsfällen, im Austausch mit Wärmepumpenherstellern und Anlagenplanern ein Integrationsverfahren für Wärmepumpen in industrielle Produktionssysteme entwickelt. Die rechenintensiven Teile dieses Verfahrens werden zudem in einem Software-Tool implementiert. Zur energiewirtschaftlichen Einordnung der Rolle der Wärmepumpentechnik in der Industrie wird im dritten Schritt eine Potenzialanalyse durchgeführt. Im Ergebnis dieser Arbeit ist festzustellen, dass die verfügbare Wärmepumpentechnik technisch dazu in der Lage ist, 23,3 % des industriellen Nutzwärmebedarfs in der Industrie in Deutschland zu decken. Bei zusätzlicher Berücksichtigung ökonomischer Rahmenbedingungen verbleibt ein Wärmeerzeugungspotenzial von 3,4 % des industriellen Nutzwärmebedarfs. Zudem zeigt sich, dass die Anwendung der Wärmepumpentechnik in der Industrie zu signifikanten Einsparungen der Energiebezugsmenge und der CO2-Emissionen führt. Die im Rahmen der Arbeit erarbeitete Integrationsmethode für industrielle Wärmepumpen dient der Vereinfachung des Planungsprozesses und der Reduktion der im Vergleich zu anderen Wärmeerzeugungstechnologien hohen Transaktionskosten. Somit werden die Wissens- und in gewissem Umfang auch die ökonomischen Hemmnisse für die industrielle Wärmepumpenanwendung adressiert. Zudem konnten in der Analyse des Stands der Wärmepumpentechnik neue Wärmepumpentypen identifiziert werden, die aufgrund ihrer technischen Eigenschaften besonders für industrielle Anwendungen geeignet sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse ist mit einer zunächst zaghaften aber nachhaltig anhaltenden Diffusion der Wärmepumpentechnik in der industriellen Wärmeerzeugung zu rechnen.
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Kostenoptimale Abwärmerückgewinnung durch integriert-iteratives Systemdesign (KOARiiS) : ein Verfahren zur energetisch-ökonomischen Bewertung industrieller Abwärmepotenziale
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Heyden, Erik; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
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Kraft-Wärme-Kopplung im Wärmemarkt Deutschlands und Europas : eine Energiesystem- und Technikanalyse
(2014) Blesl, Markus; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Im Wärmemarkt stehen seit Jahren unterschiedlichste Wärmeversorgungstechnologien auf Basis fossiler und erneuerbarer Energieträger, sowie Strom und Fernwärme untereinander als auch mit Einsparoptionen im Wettbewerb. Ein Großteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland und der EU27 wird heute und zukünftig für die Deckung der Wärmenachfrage aufgewendet. Der Wärmemarkt steht damit im Fokus energiepolitischer und –wirtschaftlicher Fragestellungen. Ziel der Ausführungen ist es, mögliche Einflussfaktoren auf den Wärmemarkt in Deutschland und Europa zu analysieren. Die Auswirkungen hinsichtlich der Struktur der eingesetzten Energieträger und Technologien bis zum Jahr 2050 werden untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärme gelegt. Die Bewertung der KWK und Fernwärme und deren Vergleich zur getrennten Erzeugung hängen von der gewählten Versorgungsaufgabe ab. Entsprechend werden unterschiedliche Rangfolgen gekoppelter und ungekoppelter Wärmeversorgungstechnologien bei einer Analyse mit Hilfe von CO2-Vermeidungskosten, der ganzheitlichen Bilanzierung und einer para-metrisierten Versorgungsaufgabe ermittelt. Für die Beurteilung der energetischen, umweltseitigen und kostenseitigen Implikationen un-terschiedlicher Versorgungssysteme im Wärmemarkt wird eine detaillierte länderspezifische Untersuchung mittels einer Energiesystemanalyse durchgeführt. Hierfür wird das paneuropäi-sche Energiesystemmodell TIMES PanEU entwickelt, in welchem sowohl länderspezifische und sektoral differenzierte Versorgungstechnologien des Wärmemarktes als auch die beste-henden Versorgungsstrukturen modelliert sind. Die Entwicklung der Wärmenachfrage auf Nutzenergieebene wird basierend auf Simulationsergebnissen vorgegeben. So reduziert sich beispielsweise der spezifische Wärmebedarf des Gebäudebestandes in Deutschland bis zum Jahr 2050, trotz regulatorischer Vorgaben z. B. hinsichtlich des Gebäudestandards sowie de-ren Fortschreibung, aufgrund der aktuellen energetischen Sanierungszyklen und -quoten le-diglich auf Neubaustandard des Jahres 2007. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen mit dem Energiesystemmodell TIMES PanEU zeigen, dass fossile Energieträger in wesentlich größerem Maße als Elektrowärmeanwendungen und der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmemarkt von politischen Vorgaben (z.B. einem Treibhausgasminderungsziel) beeinflusst werden. Die Rolle der Fernwärme wird in erheblicher Weise dadurch bestimmt, ob diese quasi CO2-frei erzeugt werden kann. Optionen hierfür bestehen in Form von KWK-Anlagen auf Basis fossiler Energieträger mit CO2-Abscheidung und Speicherung, auf Basis von Geothermie oder Biomasse sowie durch Wärmepumpen und Solarthermie. Das technische und wirtschaftliche Potenzial dieser Erzeugungsoptionen ist ein limitierender Faktor für den Ausbau der Fern- und Nahwärmeversorgung in Deutschland.
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Long-term optimization of the transport sector to address greenhouse gas reduction targets under rapid growth : application of an energy system model for Gauteng province, South Africa
(2013) Tomaschek, Jan; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
The transport sector is seen as one of the key factors for driving future energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions. Especially in developing countries, significant growth in transport demand is expected. Gauteng province, as the economic centre of South Africa and transport hub for the whole of southern Africa, is one emerging urban region that faces rapid growth. However, the province is on its way to playing a leading role for supporting ways to adapt to climate change and mitigate GHG emissions. Conversely, there is a lack of scientific research on the promising measures for GHG mitigation in the transport sector. For the rapidly growing transport sector of the province in particular, research is focused primarily on extending and structuring the road infrastructure. Moreover, it is important that the transport sector is considered as part of the whole energy system, as significant contributions to GHG emissions and the associated costs arise from energy supply, provision and conversion. This research is the first application of an integrated energy system model (i.e. the TIMES-GEECO model) for the optimization of the transport sector of Gauteng. Optimizing energy system models allows finding least-cost measures for various scenarios, by considering dependencies and interlinkages in the energy system as well as environmental constraints. To do so, the transport sector and the energy supply sector had to be incorporated into the model application in terms of the characteristics of a developing urban region, which includes all relevant transport modes, vehicle technologies, fuel options, vehicle-to-grid energy storage, the consideration of road types as well as explicit expansions of the public transport system and income-dependent travel demand modelling. Additionally, GHG mitigation options outside the provincial boundaries were incorporated to allow for mitigation at least cost and to consider regional resource availability. Moreover, in TIMES-GEECO, the other demand sectors (such as residential or industry) are also represented. In this thesis, a comprehensive analysis was conducted of alternative fuels, vehicle technologies as well as transport infrastructure for the transport sector of Gauteng. As a result, there are many possibilities of reducing GHG emissions and/or of increasing energy efficiency in the transport sector by using alternative fuels or vehicle technologies. In scenario analysis, it was recognized that under current policies significant growth in both energy consumption and climate emissions can be expected in Gauteng. Marginal GHG abatement cost curves have been calculated, which permit the identification of least-cost mitigation measures for the transport sector under consideration of the whole energy system. It was shown that biofuels from waste cooking oil and cellulosic biomass as well as the substitution of fossil synthetic fuels with crude oil products could result in significant GHG emission reductions. Moreover, hybrid vehicles offer prospects for increasing energy efficiency and reducing GHG emissions at low marginal mitigation costs, where, it was identified that measures should first be applied for vehicles with high annual mileages such as buses, minibuses and heavy-duty vehicles (HDVs). However, the analysis also showed that the transport sector is not the first sector to address for GHG mitigation as significant mitigation potentials with low associated costs lie in the provision of electricity and in the supply of fuels.
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Methoden und Modelle zur multiskalig hoch aufgelösten Bestimmung von luftverunreinigenden Emissionen in Europa
(2002) Schwarz, Uwe; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden und Modelle zur Erstellung einer räumlich, zeitlich und stofflich hoch aufgelösten Datenbasis über die anthropogen verursachte Freisetzung von Spurengasen in Europa entwickelt. Die Datenbasis dient als wichtige Grundlage für Chemie-Transport-Modelle (CTM) zur Untersuchung von Photooxidantienbildung in der unteren Atmosphäre ('Sommersmog') und von Depositionsprozessen (z.B. Eutrophierung). Die in ihr enthaltenen Spurengase sind deshalb Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO2), flüchtige organische Komponenten (NMVOC) und Ammoniak (NH3). Da die Datenbasis für unterschiedlichste CTMs auf internationaler Ebene (EUROTRAC) zur Verfügung stehen soll, wurde auf hohe Flexibilität bei der Erstellung der Emissionsdatenbasis geachtet. Aufbauend auf der detaillierten CORINAIR-Datenbasis wurden fehlende Länder mittels Regressionsanalyse sowie fehlende Quellen auf internationalem Territorium ergänzt, die Emissionsdatenbank aktualisiert, ein Qualitätskonzept erarbeitet, die räumliche Auflösung von Punkt-, Linien- und Flächenquellen verfeinert, die zeitlichen Verteilung durch Einbeziehung von meteorologischen Daten, Feiertagen, Zeitzonen sowie Sommerzeitumstellungen verbessert und NMVOC-Emissionen durch neueste Messungen an Kraftfahrzeugen und Verbrennungsanlagen länderspezifisch untergliedert. Durch die exemplarische Untersuchung der Photooxidantienbildung aus Flugzeugkerosin wurden Bedeutung und Anwendbarkeit der verschiedenen Aspekte der Emissionsdatenbasis unter Beweis gestellt. Die Untersuchung der Photooxidantienbildung ergab, daß in den meisten Fällen eines Ablaßereignisses die Konzentration an Photooxidantien sich nicht wesentlich erhöht, da entweder meteorologischen Rahmenbedingungen, Kerosinmenge, Flughöhe oder Ablaßzeit keine Photooxidantienbildung begünstigten. In wenigen Fällen konnte jedoch ein teils drastischer Anstieg der Sekundärschadstoffkonzentrationen festgestellt werden.
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Modellgestützte Untersuchung des Elektrizitätsmarktes : Kraftwerkseinsatzplanung und -investitionen
(2013) Sun, Ninghong; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Durch die Veröffentlichung des Energiekonzeptes im September 2010 hat die deutsche Bundesregierung den Weg in das Zeitalter der erneuerbaren Energien beschrieben. Demnach wird ein großer Teil des zukünftigen Elektrizitätsversorgungssystems in Deutschland aus Wind- und Solarenergie bestehen, deren Einspeisung durch das fluktuierende natürliche Dargebot bedingt ist. Der wachsende Anteil dieser fluktuierenden Einspeisung stellt eine große Herausforderung sowohl für die kurzfristige Kraftwerkseinsatzplanung als auch für die langfristigen Investitionsentscheidungen dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein fundamentales Elektrizitätsmarktmodell mit einer detaillierten Abbildung von den beiden Aspekten entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wird analysiert, mit welchen notwendigen Kraftwerkszubauten die Versorgungszuverlässigkeit bei einem hohen Anteil von fluktuierender Einspeisung in der Zukunft kostengünstig gewährleistet werden kann. Des Weiteren wird eine ausführliche Analyse der aktuellen Energiepolitik in Deutschland bezüglich der Nutzung von erneuerbaren Energien und der Kernenergie durchgeführt.
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Modellierung systemübergreifender Energie- und Kohlenstoffbilanzen in Entwicklungsländern
(2006) Frey, Bernhard; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Die Energie- und Kohlenstoffbilanz wird in vielen Entwicklungsländern maßgeblich durch die Energie- und Forstwirtschaft mitbestimmt. Bislang wurden energie- und forstwirtschaftliche Systeme weitgehend getrennt bilanziert. Beide Systeme sind jedoch eng miteinander verbunden, da Waldholz der wichtigste Energieträger in den meisten Entwicklungsländern ist. Zur Unterstützung von strategischen CO2-Minderungsmaßnahmen ist eine interdisziplinäre energie- und forstwirtschaftliche Planung erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Modellierungsmethode zu entwickeln, mit der sich eine systemübergreifende Energie- und Kohlenstoffbilanz (für verschiedene Szenarien) berechnen lässt. Der methodische Ansatz trägt dazu bei, dass die Energie- und Kohlenstoffbilanz von Energie- und Waldsystemen nicht mehr getrennt voneinander berechnet wird, sondern dass Daten und Informationen aus Energie- und Forstwirtschaft in ein gemeinsames Modell (Gesamtmodell) einfließen.
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Modellierung von Energiespeichern und Power-to-X im deutschen und europäischen Energiesystem
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2018) Welsch, Julia; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht eine Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien in Deutschland vor. Die Grundvoraussetzung für einen großen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien ist die Integration von Flexibilisierungsoptionen in das Energiesystem, um zeitliche und räumliche Schwankungen in der Energiebereitstellung und -nachfrage ausgleichen zu können. Das Ziel der Arbeit ist die gesamtwirtschaftliche Bewertung von Energiespeichern und Power-to-X-Technologien in Deutschland und Europa mittels eines linearen mathematischen Optimierungsmodells. Den Ausgangspunkt bildet das europäische Energiesystemmodell TIMES PanEU, in dem das Energiesystem der Staaten der EU28 sowie Norwegens und der Schweiz hinsichtlich seiner Gesamtsystemkosten integral optimiert wird. Der Modellierungszeitraum reicht von 2010 bis 2050 und ist in mehrere Zeitschritte unterteilt (5-Jahres-Schritte). Im Zentrum steht dabei die Weiterentwicklung des Energiesystemmodells TIMES PanEU hinsichtlich der Schaffung der methodischen Voraussetzung zur Modellierung und Bewertung von Speichern und allgemeinen Flexibilisierungsoptionen. Hierfür ist zum einen eine Erhöhung der zeitlichen Auflösung für Deutschland notwendig, zum anderen eine differenzierte Modellierung von Energiespeichern und weiteren Flexibilisierungs- bzw. Integrationsoptionen. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der integrierten Betrachtung der Flexibilisierungsoptionen in den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität über den gesamten Optimierungszeitraum bei Berücksichtigung der Optionen zur Sektorkopplung. Die Ergebnisse der Szenarienanalyse zeigen, dass der Bedarf an Flexibilisierungs- und Integrationsoptionen im Energiesystem von Deutschland und Europa durch die Ausweitung der erneuerbaren Energien ansteigt. Die Ziele hinsichtlich der Treibhausgasminderung und des Ausbaus erneuerbarer Energien können durch eine Ausweitung der Stromnutzung im Energiesystem erreicht werden. Als Flexibilisierungsmaßnahme im Stromsektor werden bei entsprechender Kostenreduktion insbesondere stationäre Lithium-Ionen-Batterien im Netz zur kurzfristigen Flexibilisierung der Strombereitstellung und -nachfrage eingesetzt. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Power-to-Heat-Anwendungen einen großen Integrations- und Flexibilisierungsbeitrag im Energiesystem von Deutschland und Europa leisten können und der Strom- und Wärmemarkt zukünftig stärker miteinander verknüpft sein werden.
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Modelling of endogenous technological learning of energy technologies - an analysis with a global multi-regional energy system model
(2007) Rout, Ullash Kumar; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
The modelling of energy systems, which coevolved from socio-technological interactions and their interplay with the economy, plays a key role in the development of national and international policies to solve the problem of energy poverty. The other important issues addressed by energy system modelling are change in energy infrastructure, develop energy strategies, paving pathways towards technological sustainability and predicting future energy demand. Almost all energy system models are based on optimization of the lowest energy production cost, where the total cost is contributed jointly by the energy carrier's price and the cost of the associated technology subject to technical parameters. Minimizing the investment cost associated with a given technology is extremely important to sustain the surge in energy demand of the global market. Therefore, how the model applies endogenous investment costs to forecast the future benefit associated with the current knowledge subject to uncertainty in learning rates is an important aspect of energy system modelling and analysis. The influence of uncertainties in learning rates on global learning concepts without and with a technology gap (knowledge gap and time lag) is of concern in order to identify the road map of the technologies across regions. In this modelling study, five regional global models based on TIMES have been developed (TIMES is a model generator and stands for "The Integrated MARKAL EFOM System"). The regions are defined as 25 European nations (EU25), Rest of OECD (R_OECD), Rest of Non-OECD (R_NOECD), India and China, according to the nations included inside each region and also on their economic categorisation. It is a demand driven, bottom-up and technology abundant model, where GDP, population, and traffic demands are the main drivers for the development of energy demand in the past, present and future. It is a long-term model (1990-2100) consisting of 19 periods with unequal period lengths (5, 8 and 10 years). Each year is divided into three seasons and each season is further divided into day and night, as the smallest time resolution. The entire Reference Energy System (RES) is represented in the Global TIMES G5 model by extraction; inter-regional exchange; refineries; hydrogen (H2) production; synthetic fuel production; bio-fuel production; electricity and heat production; Carbon Capture and Storage (CCS); and sector-wise energy demands of industry, commerce, residential and transport, non-energy use and finally an integrated climate module. In the extraction sector, hard coal, lignite, crude oil and natural gas are modelled in four steps with the help of default cost-potential curves. Inter-regional exchanges of ten commodities are modeled for each region inside the TIMES G5 model. The final energy demand of end-use sectors such as industry, commerce and residential are modelled by different end use technologies to satisfy the users' energy demand. Natural and artificial carbon pools are included in the modelling aspect for the abatement of CO2 or carbon concentrations in the atmosphere to reduce climate warming. Two climate stabilization scenarios of CO2emissions of 500-ppmv and 550-ppmv have been used in order to estimate the sectoral restructuring of the energy system across different regions as well as its effect on atmospheric and deep ocean layer temperature rise. The phaseout of polluting fuels and the integration of non-polluting or less polluting fuels and renewable energy sources inside the sectoral energy system predominate across all regions. Sectoral energy demand and total final energy demand decreases in individual regions. Technologies such as fuel cells, fusion technology, Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) with CO2 sequestration, Combined Cycle Gas Turbine (CCGT) with CO2 sequestration and hydrogen production with CO2 sequestration are selected in the stabilization scenarios. The CO2 emission by fossil fuels, by sectors and by regions decreases. The atmospheric temperature rises by a maximum of 2.41oC and the ocean bed temperature rises by a maximum of 0.33oC up to the year 2100. The TIMES G5 global model has been developed to test global learning processes for the effect of uncertainties on learning rates of innovative technologies, i.e., technology diffusion across world regions subject to uncertainty in LRs for three PRs has been considered on implementation of floor cost approach The global learning process considering technology gap methodologies (knowledge gap and time lag) has been developed and tested for three different progress ratios of each technology for uncertainty of the technological return. Knowledge gap represents higher specific cost of the technology for developing regions and time lag approach presents a time lag in capacity transfer to developing regions compared to developed regions. This study shows the penetration and integration of new technologies such as IGCC, CCGT, solar photovoltaic (PV), wind onshore, wind offshore and geothermal heat pumps inside the energy system of different regions. Variations result observed by the inclusion of global learning without and with technology gaps in the form of higher specific cost (knowledge gap) and time lag. IGCC technology reaches its maximum potential in all scenarios across the globe. IGCC technology is preferred in the case of global learning without knowledge gap and time lag across developing regions compared to global learning with knowledge gap. CCGT technology development in manufacturing region decreases in global learning with technology knowledge gap compared to without knowledge gap concept. Wind onshore penetrates more in EU25 and R_OECD regions and in energy systems in a global learning concept without knowledge gap. Developed regions use more learning technology in the global learning with time lag concept because of the advantage of early investment cost reduction of learning technologies contributed by developing regions. Geothermal Heat Pump (geothermal HP) penetrates more across all regions and in all scenarios as the technology is modeled for global learning without knowledge gap and time lag. Bio-gasification, solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells do not enter any energy system under any scenario. It is observed that learning technology diffuses more in higher learning rates and less in lower learning rates across the regions and the globe. The development of specific costs of innovative technologies is observed differently by period for developing and developed regions in global learning with technology gap in the form of higher specific cost approach.