04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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Abschätzung der technischen und wirtschaftlichen Minderungspotentiale energiebedingter CO2-Emissionen durch einen verstärkten Erdgaseinsatz in der Elektrizitätsversorgung Baden-Württembergs unter besonderer Berücksichtigung konkurrierender Nutzungsmöglichkeiten : Gutachten im Auftrag des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg
(1992) Fahl, Ulrich; Fischedick, Manfred; Hanselmann, Martin; Kaltschmitt, Martin; Voß, Alfred
Das Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, die technischen Möglichkeiten zur Minderung der CO2-Emissionen der Elektrizitäts- und Femwärmeerzeugung in Baden-Württemberg durch einen verstärkten Erdgaseinsatz aufzuzeigen und sie hinsichtlich ihrer Minderungspotentiale, ihrer Kosten und sonstigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Möglichkeiten einer CO2-Verminderung durch eine verstärkte Erdgasnutzung in der Strom- und Fernwärmeerzeugung sind dabei auch zu vergleichen mit den anderen denkbaren Maßnahmen, die wie die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen und aus Kernenergie oder eine rationellere Stromanwendung zur Reduktion der auf die Strom- und Fernwärmebereitstellung zurückzuführenden Treibhausgasemissionen beitragen können. Des weiteren ist die Verwendung von Erdgas in der Strom- und Fernwärmebereitstellung alternativen Verwendungsmöglichkeiten zur CO2-Minderung in anderen energieverbrauchenden Bereichen gegenüberzustellen. Eine dem Auftrag gemäße Konzentrierung der Untersuchung auf die Möglichkeiten der CO2- Minderung durch Erdgas in der Strom- und Fernwärmeversorgung, kann natürlich nur Teilantworten auf die Frage nach einer effizienten Gesamtstrategie zur Minderung der energiebedingten Treibhausgasemissionen liefern. Eine Untersuchung des gesamten Energiesystems einschließlich des Verkehrssektors bleibt noch zu leisten, um ein tragfähiges Konzept zur Erreichung einer klimaverträglichen Energieversorgung zu entwickeln.
Open Access
Air pollution control strategies : a comparative analysis for Poland and the Federal Republic of Germany
(1990) Balandynowicz, Henryk W.; Cofala, Janus; Parczewski, Zygmunt; Schmid, Günter; Voß, Alfred
The study has four main objectives, namely: - to describe and compare the energy and environmental situation in Poland and in the FRG, - to develop and compare energy-environment models for Poland and for the FRG, - to elaborate emission control strategies for the next twenty years for Poland and for the FRG, - to perform a comparative analysis. The study refers to two countries being very different in many aspects. Different levels of development and a different economic system are basic causes of differences concerning the way in which energy is used.
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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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Analyse von Demand Side Integration im Hinblick auf eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Steurer, Martin; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die quantitative Ermittlung und Bewertung des Beitrags, den Demand Side Integration (DSI), das heißt die Flexibilisierung der Stromnachfrage, zur Erreichung klima- und energiepolitischer Zielsetzungen in Deutschland leisten kann. Dabei steht insbesondere die durch DSI realisierbare Reduktion der Systemkosten bei der Integration hoher Anteile dargebotsabhängiger erneuerbarer Stromeinspeisung und dem einhergehenden steigenden Bedarf an Flexibilität im Vordergrund. Auf Basis bestehender Untersuchungen kann zwar vermutet werden, dass hierbei Potentiale vorhanden sind. Wie groß diese vor allem im Wettbewerb mit anderen Flexibilitätsoptionen sind, ist jedoch unklar und wird durch die Dissertation beleuchtet. Dazu wird in der Arbeit ein integrierter Ansatz entwickelt, mit dem eine detaillierte, empirisch gestützte Potentialanalyse mit einer systemanalytischen Bewertung dieser Potentiale verknüpft wird. Dieser Ansatz fehlte bislang in der Literatur und wird zur Quantifizierung möglicher Systemeffekte durch DSI eingesetzt. Ergänzend dazu wird eine Untersuchung sinnvoller Weiterentwicklungen der Rahmenbedingungen für DSI in Deutschland durchgeführt.
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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.
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Analysis of electricity prices in power systems with high shares of renewables and storage through electricity market modelling
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2025) Scheben, Heike; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.)
Obwohl sich die Strommärkte zu Märkten mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien entwickeln, führen typische Optimierungsmodelle, die für thermische Strommärkte entwickelt wurden, zu Preisen mit geringer Volatilität, wenn sie auf den norwegischen Markt angewendet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, typische Optimierungs- modelle so anzupassen, dass sie Preisstrukturen in Märkten mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien und Flexibilitäten gut abbilden können. Zusätzlich wird die Sensitivität der Preise auf Parametervariationen der Einflussfaktoren herausgestellt. Zu diesem Zweck werden die in der Literatur qualitativ untersuchten Schlüsselfaktoren ausgewählt. Diese werden in ein Standard-Strommarktmodell implementiert und anschließend quantitativ analysiert. Es wird gezeigt, dass die Hinzunahme von Unsicherheit und Speicherrestriktionen ausreicht, um typische Preisstrukturen in Norwegen adäquat abzubilden. Saisonalität sowie Preisspitzen und -täler werden abgebildet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Preisstrukturen in hohem Maße von den Parametern abhängig sind. So führt z.B. die Begrenzung der maximalen Verfügbarkeit von Speicherkraftwerken auf 63% - 69% zu signifikanten Preisspitzen, die zu einem maximalen Preisanstieg von bis zu 160€/MWh führen. Dies deutet darauf hin, dass die hier identifizierten Einflussfaktoren bei der Modellierung zukünftiger Stromsysteme berücksichtigt werden sollten, wobei große Sorgfalt bei der Parametrisierung dieser Faktoren erforderlich ist.
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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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Bilanz und Perspektiven der Holzenergienutzung in Baden-Württemberg
(2006) Eltrop, Ludger; Moerschner, Johannes; Härdtlein, Marlies; König, Andreas
Für Baden-Württemberg mit rund 14.000 km² Wald auf etwa 39 % der Landesfläche kann die energetische Nutzung von Holz aus ökologischen, ökonomischen und strukturellen Gründen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer nachhaltigen Forst- und Energiewirtschaft spielen. Die Analyse der Potentiale, die für die Holzenergienutzung in Baden-Württemberg zur Verfügung stehen, hat ergeben, dass ausreichende Mengen des Rohstoffes Holz zur Verfügung stehen. Die Gesamtmenge an Waldholz hat sich nach den Ergebnissen der Waldinventur 2002 trotz verstärkter Nutzung und Sturmkalamitäten sogar weiter vergrößert. Die Berechnungen der vorliegenden Untersuchung haben darüber hinaus deutlich gemacht, dass die Menge an frei verfügbarem Holz in Baden-Württemberg derzeit nicht limitierend ist, um z.B. den Anteil der Holzenergie am Ausbauziel der Verdoppelung des Anteils Erneuerbarer Energien am Primärenergiebedarf in Baden-Württemberg sicherzustellen.
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Development of a stochastic optimization approach to determine cost-efficient environmental protection strategies : case study of policies for the future European passenger transport sector with a focus on rail-bound and on-road activities
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2019) Schieberle, Christian; Friedrich, Rainer (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)
Recurrent violation of air quality standards detected at measuring stations worries city authorities across Europe. Accompanied by the recent disclosure of large-scale irregularities in real driving vehicle emissions air pollution control has nowadays taken on greater significance than ever before. Decision-makers aim to reduce the amount adverse effects of polluted air and climate change simultaneously by implementing proper legislation. However, they face severe uncertainties when estimating both people’s response to policies and the resulting environmental impact. Obviously, this imposes risk on achieving the desired effect. Furthermore, failure to succeed in reducing the adverse impacts lowers acceptance of policies among the general public. Recent studies in this field do not sufficiently account for this risk and ignore a decision-maker’s level of risk-aversion when recommending policies: While some of the studies acknowledge the existence of large uncertainties in impact estimation, they do not adequately incorporate current knowledge in the analysis. Some studies use expected values only during the optimization approach which leads to results that cannot be considered recommendations for risk-averse decision-makers. Other approaches deliberately overestimate costs in the presence of uncertainty and even exclude uncertain aspects of the assessment entirely from the analysis. A stochastic optimization approach to determine cost-efficient environmental protection strategies via cost-benefit analysis (CBA) is developed in this thesis. Furthermore, it is integrated into a novel modelling framework that incorporates uncertainty of environmental impacts as well as uncertainty of people’s response to policy in a consistent manner. Policy intervention is modelled via implementation of both technical and non-technical measures. A case study is conducted, and its results are presented and discussed. It investigates how further improvements can be achieved in the passenger transport sector of the 28 EU member states plus Norway and Switzerland.
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Effective policy instruments for energy efficiency in residential space heating : an international empirical analysis (EPISODE)
(2000) Schaefer, C.; Weber, C.; Voss-Uhlenbrock, H.; Schuler, A.; Oosterhuis, F.; Nieuwlaar, E.; Angioletti, R.; Kjellsson, E.; Leth-Petersen, S.; Togeby, M.; Munksgaard, J.
A broad variety of instruments like standards, taxes, subsidies and informational campaigns is used in Europe to influence the energy consumption for residential space heating. Within the project EPISODE the existing instruments in countries in the northern and moderate climatic zones have been analysed with a focus on The Netherlands, France, Denmark, Sweden and Germany have been analysed. In these countries space heating accounts for about 70% of the residential energy consumption. The effectiveness of the applied instruments has been analysed by an international empirical analysis based on survey data. Additionally the results of the empirical analysis have been compared with the results of a building simulation model in order to confirm or negate the empirical results. The analysed instruments lead to a decrease in energy consumption per square meter dwelling area. Especially standards have shown a strong influence on the energy reduction in the past. The analysis has also shown that the influence of taxes is very small in the short-term. A comparison of the energy consumption for space heating between the participating countries has also shown that there is still a considerable potential for energy savings. Future policies in the field should combine a bundle of instruments to achieve substantial emission reductions at low costs. Emission taxes as economically efficient instrument play thereby an important role, but also flexible standards are important for new dwellings. Subsidies and informational measures are particular important to activate energy efficiency potentials in the existing building stock.
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Einbindung des ECOLOG-Modells "E3Net" und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)
(1998) Schaumann, Peter; Blesl, Markus; Böhringer, C.; Fahl, Ulrich; Kühner, R.; Läge, E.; Molt, S.; Schlenzig, Christoph; Stuible, Achim; Voß, Alfred
Ziel des Forschungsvorhabens „Einbindung des ECOLOG-Modells ‘E³Net’ und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)' war es, veschiedene Modellbildungsansätze und Werkzeuge für die energiewirtschaftliche Analyse zu einem Instrumentarium zusammenzufügen. Dazu wurde auf die Projekte IKARUS „Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien' und ECOLOG „Entwicklung eines Computermodells mit linearer Optimierung zur Abbildung eines regionalisierten Energiesystems am Beispiel Gesamtdeutschlands' aufgebaut. Das Projekt ECOLOG II umfaßt Weiterentwicklungen in den folgenden sechs Aufgabenbereichen: (1) Integration von E³Net in das IKARUS-Instrumentarium; (2) Nichtlineare Modellansätze für E³Net; (3) Makroökonomische Erweiterung von E³Net; (4) Entwicklung und Anwendung eines multisektoralen Energiewirtschaftsmodells NEWAGE; (5) Entwicklung eines Simulationsansatzes für Energiesystemmodelle PlaNet; (6) Erweiterung der Analysemöglichkeiten von NetWork. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden eine Kopplung der FIZ-Technik-Datenbank an die Datenbank NetWork, eine Verbindung der FIZ-LP-Datenbank mit NetWork, eine Überführung des IKARUS-LP-Datensatzes in eine Fallstudie für das optimierende Energiesystemmodell E³Net, ein optimierendes Energiesystemmodell mit preiselastischer Nachfrage E³Micro, ein Gleichgewichtsmodell NEWAGE, das prototypisch ein prozeßtechnisches Energieversorgungsmodell in ein übergeordnetes gesamtwirtschaftliches Modell integriert, ein Simulationsmodell PlaNet sowie ein Netzwerkdesigner und -analyst (NDA) realisiert und durch exemplarische Fallstudien, die im Kontext des IKARUS-Instrumentariums stehen, getestet.
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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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Energieprognose Bayern 2030
(2007) Fahl, Ulrich; Rühle, Bastian; Blesl, Markus; Ellersdorfer, Ingo; Eltrop, Ludger; Harlinghausen, Diana-Claudia; Küster, Robert; Rehrl, Tobias; Remme, Uwe; Voß, Alfred
Im Gutachten „Energieprognose Bayern 2030“ wird untersucht, wie sich die erfolgten Veränderungen der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen auf die Entwicklung von Energieversorgung und -anwendung in Bayern auswirken und welche Folgen dies wiederum auf die Entwicklung der energiebezogenen Emissionen haben wird. Damit sollen Daten und Analysen vorgelegt werden, die eine belastbare Basis für die Ausgestaltung der energiepolitischen Rahmenbedingungen in Bayern darstellen, die sich an den Zielen einer sicheren, wirtschaftlichen, umwelt- und nachweltverträglichen, d. h. dem Leitbild der „nachhaltigen Entwicklung“ entsprechenden Energieversorgung orientiert, so dass sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Anforderungen an die Energieversorgung bestmöglich erfüllt werden können.
Open Access
Energiewirtschaftliche Anforderungen an neue fossil befeuerte Kraftwerke mit CO2-Abscheidung im liberalisierten europäischen Elektrizitätsmarkt
(2014) Kober, Tom; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing. )
Vor dem Hintergrund zunehmender Bestrebungen zum Klimaschutz und einer auf Liberalisierung ausgerichteten Energieversorgung in Europa wird in der vorliegenden Arbeit die Rolle von Kraftwerken mit CO2-Abtrennung und dem anschließenden CO2-Transport und der Speicherung (Carbon dioxide Capture and Storage - CCS) bewertet. CCS-Kraftwerke stellen eine technische Option zur signifikanten Reduktion der CO2-Emissionen bei der Bereitstellung elektrischer Energie auf Basis fossiler Rohstoffe dar. CCS-Technologien befinden sich derzeitig im Pilot- bzw. Demonstrationsstadium, wobei hinsichtlich der zukünftigen technischen und ökonomischen Parameter dieser Anlagen gegenwärtig zum Teil erhebliche Unsicherheiten bestehen. Sowohl die erreichbaren CCS-Kraftwerksparameter als auch die energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen bestimmen, inwieweit CCS-Kraftwerke gegenüber anderen CO2-armen bzw. CO2-freien Stromerzeugungstechnologien wettbewerbsfähig sind und welchen Beitrag sie zur zukünftigen Strombereitstellung leisten können. In der Untersuchung werden unter Verwendung eines modellgestützten systemanalytischen Ansatzes die wesentlichen energiewirtschaftlichen sowie energie- und klimapolitischen Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf die erreichbare Marktstellung von CCS-Kraftwerken im europäischen Elektrizitätsmarkt bis zum Jahr 2050 sowie deren strukturelle und kostenseitigen Implikationen auf das europäische Energiesystem untersucht. Die derzeitig bestehenden Unsicherheiten in Bezug auf die erreichbaren Investitionskosten und Wirkungsgrade von CCS-Kraftwerken werden dabei explizit berücksichtigt, und es wird der Frage nach den Auswirkungen von Veränderungen dieser beiden Parameter auf die Position von CCS-Kraftwerken am Elektrizitätsmarkt nachgegangen. In der Analyse wird sowohl den Beziehungen innerhalb des Elektrizitätssektors, als auch den Wechselwirkungen mit vor- und nachgelagerten Bereichen des Energiesystems sowie länderspezifischen Besonderheiten bei der Energieversorgung in den jeweiligen europäischen Staaten Rechnung getragen. Hierzu sind insbesondere die Kosten und Potenziale für den Transport und die Speicherung des CO2 in den jeweiligen europäischen Staaten zu zählen. Die Ergebnisse der Untersuchung in Bezug auf die energie- und klimapolitischen Einflussgrößen zeigen, dass sich sowohl die Vorgaben zur Reduktion der Treibhausgase in Europa als auch die energiepolitischen Entscheidungen hinsichtlich der Nutzung der Kernenergie in besonderem Maße auf die Stromerzeugung in Kraftwerken mit CO2-Abtrennung auswirken. Bei Fortführung der derzeitigen Politiken zur Nutzung der Kernenergie in den europäischen Ländern und einer starken Reduktion der Treibhausgase in Europa ist ein Anteil von CCS-Technologien an der gesamten Nettostromerzeugung in der EU-27 von knapp 20% in 2050 erreichbar. Dies setzt die Existenz des rechtlichen Rahmens und der gesellschaftlichen Akzeptanz für den Aufbau und den Betrieb der entsprechenden Infrastruktur für den CO2-Transport und die Speicherung voraus. Hinsichtlich des Einflusses klimapolitischer Zielvorgaben auf die Perspektiven von CCS-Kraftwerken ist festzuhalten, dass sich eine Bandbreite für die langfristigen Treibhausgasminderungsziele in der EU-27 zwischen ca. 65% und 85% in 2050 gegenüber der Kyotobasis ableiten lässt, in der CCS-Markanteile größer 15% (2050) bezogen auf die EU-27 Nettostromerzeugung erreicht werden können. In diesem Minderungsbereich steigt bei Verschärfung des Treibhausgasminderungszieles neben dem Emissionszertifikatspreis auch die Stromnachfrage an, was aus Substitutionseffeken auf der Verbrauchsseite von Technologien auf Basis fossiler Energieträger durch Stromanwendungen resultiert. CCS-Kraftwerke können zukünftig zur Deckung der ansteigenden Stromnachfrage beitragen sowie CO2-intensivere Stromerzeugungstechnologien substituieren. Im Gegensatz dazu ergeben sich unter moderaten als auch unter sehr hohen Treibhausgasminderungszielen deutlich geringere Marktanteile. Unter moderaten Treibhausgasreduktionszielen gehen aufgrund niedriger Emissionszertifikatspreise nur bedingt Anreize für die Anwendung der CCS-Technologie aus. Unter sehr starken Treibhausgasminderungsbedingungen sind niedrige Marktanteile auf die verminderteWettbewerbsfähigkeit von CCS-Kraftwerken aufgrund der restlichen CO2-Emissionen bei einer nicht 100%igen Abtrennung des CO2 aus dem Kraftwerksprozesses und der begrenzten Menge an Emissionsrechten sowie entsprechend hohen Zertifikatspreisen zurückzuführen. In Bezug auf die Rolle der Kernenergie ist zu beobachten, dass eine Ausweitung der Nutzungsmöglichkeiten der Kernenergie zu einem Rückgang des CCS-Anteils an der Nettostromerzeugung in der EU-27 auf bis zu ca. 10% in 2050 führt, da Kernkraftwerke im Vergleich zu CCS-Kraftwerken unabhängig vom Treibhausgasminderungsziel Strom zu geringeren Gestehungskosten erzeugen und damit direkt Marktanteile von CCS-Kraftwerken substituieren. Die regionale Analyse verdeutlicht, dass CCS-Technologien besonders in den Anrainerstaaten der Nordsee Anwendung finden, was auf die im Vergleich zu anderen Regionen günstigen CO2-Transport und Speicherbedingungen zurückgeführt werden kann. Je nach energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen werden bis zu 50% der gesamten abgetrennten CO2-Mengen der EU-27 in den Anrainerstaaten der Nordsee abgetrennt und gespeichert, wobei insbesondere die Speicherung in salinen Aquiferen die kostengünstigste Option darstellt. Zur Bewertung der Unsicherheiten in Bezug auf die erreichbaren CCS-Kraftwerksparameter wurden anhand einer Literaturstudie entsprechende Wertebereiche für zukünftige Investitionskosten und Wirkungsgrade von CCS-Kraftwerken bestimmt. Diese Wertebereiche fanden in Form einer Parametervariation in der modellbasierten systemanalytischen Untersuchung Berücksichtigung. Der Wertebereich für Wirkungsgradverluste für die CO2-Abtrennung bezogen auf den Nettowirkungsgrad der Technologien ohne CCS beträgt 6 bis 12%-Punkte für Erdgas- und Kohletechnologien gleichermaßen. Die zusätzlichen Investitionskosten für die CO2-Abtrennung bewegen sich für kohlegefeuerte Anlagen in einer Bandbreite zwischen 20 und 75% und für Erdgasanlagen zwischen 30 und 100% der Investitionskosten der entsprechenden Kraftwerkstechnologien ohne CCS. Die Ergebnisse der Parametervariation zeigen, dass Veränderungen der CCS-Kraftwerksparameter im untersuchten Bereich in Abhängigkeit von den energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen unterschiedlich starke Zuwächse der CCS-Stromerzeugung hervorrufen. Unter günstigen Rahmenbedingungen können durch die Reduktion der Investitionskosten und die Steigerung der Wirkungsgrade von CCS-Kraftwerken im untersuchten Wertebereich zusätzliche Strommengen in CCS-Kraftwerken in der EU-27 von bis zu 360 TWh in 2050 erzeugt werden. Die geringsten Auswirkungen durch Änderungen der CCS-Kraftwerksparameter sind unter moderaten Klimazielen zu beobachten. Der Einfluss der untersuchten energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen wirkt sich im Vergleich zu den Unsicherheiten hinsichtlich der Wirkungsgrade und Investitionskosten zum Teil wesentlich stärker auf die Perspektiven von CCS-Kraftwerken am europäischen Elektrizitätsmarkt aus. Daraus lässt sich ableiten, dass es nur bedingt möglich ist, reduzierte Marktanteile aufgrund veränderter energie- und klimapolitischer Rahmenbedingungen durch Steigerungen der Wirkungsgrade und Reduktion der Investitionskosten von CCS-Technologien zu kompensieren. Durch veränderte CCS- Kraftwerksparameter werden neben einem Anstieg der Stromnachfrage vor allem Substitutionseffekte innerhalb der Strombereitstellung hervorgerufen. Generell ist zu beobachten, dass durch die Reduktion der Investitionskosten und Steigerung der Wirkungsgrade von CCS-Kraftwerken mittelfristig primär die Stromproduktion aus fossil befeuerten Kraftwerken ohne CCS substituiert wird und langfristig die Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien.
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
Energy efficiency and environmental assessment of cooling towers
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institute of Energy Economics and Rational Energy Use, 2024) Wenzel, Paula M.; Radgen, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Cooling towers are becoming increasingly important as the demand for cooling facilities rises globally due to data centers, industrial cooling, and rising ambient temperatures. De-spite the prioritization for energy transition of heat recovery over cooling, cooling towers can offer an energy-efficient alternative to refrigeration through free cooling. At the same time, their electricity consumption, water usage, and environmental impacts require careful evalu-ation. However, prevailing environmental assessment methods lack comparability when it comes to quantifying the useful outputs of cooling towers to calculate their efficiency. This work introduces a methodological framework for identifying energy- and resource-efficient options during the selection, design, and operation of cooling towers. To systemati-cally identify the most feasible assessment methods, this thesis formulates comparison crite-ria and compares methods by means of a case study. Moreover, this work aims to delineate the physical and technical limitations of dry, wet, and hybrid cooling against waste-heat uti-lization and refrigeration. Furthermore, introducing a novel efficiency indicator satisfies the need for comparability across configurations and operational states. Based on a multi-criteria method comparison, a wet cooling tower in a data center was as-sessed using five methods: material flow analysis, life cycle inventory, life cycle assessment, exergy analysis, and life cycle exergy analysis. Moreover, data from 6730 cooling tower models of various types were collected and analyzed. Six types of package-type cooling tow-ers have been distinguished: dry, closed wet, open wet, and three types of hybrid systems, while defining one generalized system for all types enables comparability. The proposed efficiency indicator is the ratio between electricity demand and the thermodynamic mini-mum airflow. Subsequently, the indicator has been applied to a dataset of 6575 system mod-els and a year-long case study. Examining the dataset demonstrates the functional limits of cooling towers. For example, minimum outlet temperatures using evaporative cooling are up to 16 Kelvin lower than for dry cooling. Accordingly, the areas of application are highlighted depending on the follow-ing influencing factors: cooling tower approach, cooling temperatures, and outside condi-tions. Furthermore, the life cycle assessment of the case study stresses that electricity and water usage cause more than 97% of the environmental impacts in all the impact categories considered. Investigating the manufacturer data reveals ranges of electricity demand per heat load from 0.01 to 0.06 kWel/kWth, which allows for benchmarking and monitoring of existing plants. However, the specific electricity demand omits external and technical parameters. The method comparisons using the criteria metric and the case study also underscore the need for methodological refinement. This work therefore introduces a novel efficiency indi-cator and associated benchmarks that include normalization of ambient conditions and cool-ing demand. The indicator median demonstrates that dry cooling requires 8 times more min-imum airflow than evaporative cooling, which directly correlates to the fan power. At the same time, the physical and technical constraints are included, further underlining that the operating points of wet cooling towers would partly be unachievable with dry cooling. In conclusion, the challenge of normalizing dynamic technical and environmental conditions persists in prevailing methods. The method comparison leads to the conclusion that a materi-al flow analysis, including energy flows, mostly suffices as long as no impact assessment is required. The efficiency indicator and functional unit definition introduced here offer a reso-lution for identifying resource-saving potentials in cooling tower applications. The ineffi-ciency of the cooling tower can thereby be distinguished from adverse ambient conditions. Furthermore, the collected data provide benchmarks for various configurations. Overall, this thesis shall contribute to increasing the efficiency of cooling towers by means of comparing and refining existing environmental assessment methods. The thesis now ena-bles these methods to effectively identify and monitor efficiency potential with the aid of the novel efficiency indicator and dataset. On this basis, manufacturers and operators can im-plement target-aimed efficiency measures, as enhancing cooling tower efficiency is a minor yet important contribution to mitigating climate change and increasing sustainability.