04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Global potentials and costs of synfuels via Fischer-Tropsch process(2023) Buchenberg, Patrick; Addanki, Thushara; Franzmann, David; Winkler, Christoph; Lippkau, Felix; Hamacher, Thomas; Kuhn, Philipp; Heinrichs, Heidi; Blesl, MarkusThis paper presents the potentials and costs of synthetic fuels (synfuels) produced by renewable energy via PEM water electrolysis and the subsequent Fischer-Tropsch process for the years 2020, 2030, 2040, and 2050 in selected countries across the globe. The renewable energy potential was determined by the open-source tool pyGRETA and includes photovoltaic, onshore wind, and biomass. Carbon dioxide is obtained from biomass and the atmosphere by direct air capture. The potentials and costs were determined by aggregating minimal cost energy systems for each location on a state level. Each linear energy system was modelled and optimised by the optimisation framework urbs. The analysis focused on decentralised and off-grid synthetic fuels’ production. The transportation costs were roughly estimated based on the distance to the nearest maritime port for export. The distribution infrastructure was not considered since the already-existing infrastructure for fossil fuels can be easily adopted. The results showed that large amounts of synthetic fuels are available for EUR 110/MWh (USD 203/bbl) mainly in Africa, Central and South America, as well as Australia for 2050. This corresponds to a cost reduction of more than half compared to EUR 250/MWh (USD 461/bbl) in 2020. The synfuels’ potentials follow the photovoltaic potentials because of the corresponding low levelised cost of electricity. Batteries are in particular used for photovoltaic-dominant locations, and transportation costs are low compared to production costs.Item Open Access Energie- und gesamtwirtschaftliche Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen auf die Nutzung von Erdgas in Deutschland : Studie für dasZentrum für Energieforschung Stuttgart (ZfES)(2013) Blesl, Markus; Beestermöller, Robert; Kuder, Ralf; Fahl, UlrichAusgehend von der aktuellen Diskussion über die zukünftige Ausrichtung der deutschen Energiepolitik und Energiewirtschaft stellt sich auch die Frage nach der zukünftigen Rolle der einzelnen Energieträger. Die Option eines höheren Anteils von Erdgas an der Energieversorgung ist im Zusammenhang mit einer neuen Ausrichtung der nationalen Energiepolitik, geprägt von Klimaschutzambitionen, der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien und dem Ausstieg aus der Kernenergie, eine der Lösungsmöglichkeiten. Eine entscheidende Rolle bei diesen Überlegungen spielen dabei die Fragen, welchen Gestaltungsspielraum es für einen denkbaren zukünftig höheren Anteil von Erdgas gibt. Der Einsatz von Erdgas im Energiesystem hängt von den energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen ab. Zu den wichtigsten Maßnahmen und Zielen in diesem Bereich zählen die Reduktion der Treibhausgas(THG)-Emissionen und der Ausbau der erneuerbaren Energien. Eine Reduktion der THG-Emissionen wie auch der Ausbau der erneuerbaren Energien sind Teil der europäischen 20/20/20-Ziele. Diese sind Teil des von der Kommission im Jahr 2008 vorgeschlagenen Klima- und Energiepakets (European Commission 2008). Oftmals wird dem Energieträger Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie auf dem Weg zu einer Dekarbonisierung des Energiesystems zugeschrieben. Es stellt sich somit die Frage, welche Auswirkungen unterschiedliche THG-Ziele und Ausbaupfade für erneuerbare Energien auf den Gaseinsatz haben. Um die zukünftige Rolle von Erdgas zu bestimmen, gilt es zudem, die Preissensitivität der Erdgasnachfrage zu untersuchen. In Deutschland stellt sich zudem die Frage, ob Neubauprojekte für Großkraftwerke in Zukunft realisiert werden können oder ob ein verstärkter Ausbau erdgasbetriebener Erzeugungsanlagen mit einer geringeren Leistung verfolgt wird. Ein Verzicht auf den Neubau von Großkraftwerken hätte spürbare Folgen für die Energiewirtschaft, die verarbeitende Industrie oder die Haushalte. Eine dezentrale, von industrieller, kommunaler und/oder privater Eigenerzeugung geprägte Struktur würde eine größere Koordinierung der Netze erfordern - sowohl der Erdgasnetze als auch der Stromnetze und Fernwärmeleitungen -, da Erdgas verstärkt in Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eingesetzt würde. Die Einsatzpotenziale für dezentrale KWK-Anlagen hängen stark von den Abnahmemöglichkeiten für die darin erzeugte Prozess- und Nah-/Fernwärme in der Industrie bzw. in den Haushalten und dem Gewerbe-, Handels-, Dienstleistungs- (GHD-)Sektor ab. Hinzu kommt, dass strukturelle Veränderungen in der Stromerzeugung von Großkraftwerken hin zu räumlich verteilten, erdgasbasierten KWK-Anlagen zu einem Anstieg der Stromerzeugungskosten sowie der Strompreise führen können. Strompreiserhöhungen bedeuten eine Kostensteigerung für energieintensive Industrien. Fallen diese Kostensteigerungen zu hoch aus, kann es passieren, dass Standorte unrentabel werden und aufgrund günstiger Energiepreise im Ausland eine Abwanderung der entsprechenden Industrie vollzogen wird. Neben der Produktion würden dadurch auch das produktionstechnische Know-how und Arbeitsplätze ins Ausland verlagert. Dies kann aufgrund der volkswirtschaftlichen Verflechtung negative Rückkopplungseffekte auf andere Sektoren ausüben, so dass es unter Umständen zu einer weiteren Schwächung des Industriestandorts Deutschland kommt. Hieraus ergibt sich die Frage, wo die Schwellenwerte von Strompreiserhöhungen hinsichtlich derartiger Abwanderungen liegen bzw. welche Kostensteigerungen verkraftbar sind und welche nicht. Ziel dieser Studie ist die energie- und gesamtwirtschaftliche Analyse der Bedeutung von Erdgas für die Energiewirtschaft Deutschlands, insbesondere hinsichtlich einer zunehmend dezentraleren Stromerzeugung. In der einführenden Analyse sollen dazu die Auswirkungen von veränderten energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen in Form der THG-Ziele und Ausbaupfade für erneuerbare Energien untersucht werden. Weiterhin soll die Preissensitivität der Erdgasnachfrage näher betrachtet werden. Anschließend werden aktuelle Entwicklungstendenzen im Stromsektor in Deutschland hin zu einer zunehmenden Nutzung kleinerer und räumlich verteilter Erzeugungseinheiten näher analysiert. In der energiewirtschaftlichen Betrachtung soll untersucht werden, inwiefern ein Ausbleiben zukünftiger Großkraftwerksneubauprojekte zu einer Zunahme dezentraler erdgasbasierter Stromerzeugungs- und KWK-Anlagen führt. Mittels der Betrachtung verschiedener Szenarien mit und ohne Investitionen in neue Großkraftwerksprojekte sollen strukturelle Veränderungen in der Stromerzeugung und eventuell damit einhergehende Veränderungen der Strompreise aufgezeigt werden. Im Weiteren sind eine stärkere dezentrale Ausrichtung der Stromerzeugung und die sich dadurch ergebenen Konsequenzen für die Strom-, Gas- und Fernwärmeversorgung zu untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen der energiewirtschaftlichen Analyse sollen in einer gesamt-wirtschaftlichen Betrachtung die Auswirkungen möglicher strompreisinduzierter Kostensteigerungen auf die Wettbewerbsfähigkeit energieintensiver Industrien analysiert werden. Zudem werden unterschiedliche Kostenumlagekonzepte auf Haushalte, Wirtschaft und Industrie untersucht. Dabei geht es um die Frage, wie sich die Wettbewerbsfähigkeit der energieintensiven Industrie verändert, in welcher Höhe Produktionsverlagerungen zu erwarten sind und welche Besonderheiten sich bei einer unterschiedlichen Verteilung möglicher Strommehrkosten auf bestimmte Stromverbraucher, wie Haushalte, Wirtschaft und Industrie, ergeben. Letzteres ist besonders vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über die Verteilung der Kosten der Erneuerbaren Energien (EEG-Umlage) auf die Stromverbraucher und damit verbundener Ausnahmeregelungen für einzelne Branchen von Relevanz.Item Open Access Integrierte Szenarioanalysen zu Energie- und Klimaschutzstrategien in Deutschland in einem Post-Kyoto-Regime(2011) Blesl, Markus; Bruchof, David; Fahl, Ulrich; Kober, Tom; Kuder, Ralf; Götz, Birgit; Voß, AlfredIm Rahmen des Forschungsvorhabens „Integrierte Szenarioanalysen zu Energie- u. Klimaschutzstrategien in Deutschland in einem Post-Kyoto-Regime“ wird analysiert, wie sich die unterschiedlichen energie- u. klimapolitischen Zielvorstellungen in Deutschland, in Europa u. weltweit auf die Entwicklung von Energieversorgung u. -anwendung in Deutschland auswirken u. welche Folgen dies wiederum auf die Entwicklung der energiebezogenen Emissionen haben wird. Damit sollen Daten u. Analysen vorgelegt werden, die eine belastbare Basis für die Ausgestaltung der energiepolitischen Rahmenbedingungen in Deutschland darstellen, die sich an den Zielen einer sicheren, wirtschaftlichen, umwelt- u. nachweltverträglichen, d. h. dem Leitbild der „nachhaltigen Entwicklung“ entsprechenden Energieversorgung orientiert, so dass sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Anforderungen bestmöglich erfüllt werden können.Item Open Access On the way to a sustainable European energy system : setting up an integrated assessment toolbox with TIMES PanEU as the key component(2020) Korkmaz, Pinar; Cunha Montenegro, Roland; Schmid, Dorothea; Blesl, Markus; Fahl, UlrichThe required decarbonization of the energy system is a complex task, with ambitious targets under the Paris Agreement, and related policy analysis should consider possible impacts on the economy and society. By coupling the energy system model TIMES PanEU with the impact assessment model EcoSense and the computable general equilibrium model NEWAGE, we present an integrated assessment toolbox for the European energy system capable of internalizing health damage costs of air pollution while simultaneously accounting for demand changes in energy services caused by economic feedback loops. The effects of each coupling step are investigated in a scenario analysis. Additionally, CO2 decomposition analysis is applied to identify the main drivers to decarbonize the energy system. Our results show that integrating externalities forces the system to take early action, which provides benefits on the societal level. Including macro-economic variables has a negative effect on energy service demands and generally reduces the need for structural change, which are still the main drivers of decarbonization. The tighter the models are coupled, the fewer the iterations needed and the lower the CO2 prices resulting from the carbon cap and trade system. In this aspect, an integrated view can provide valuable insights to determine efficient and effective decarbonization paths.Item Open Access Ganzheitliche Bewertung innovativer mobiler thermischer Energiespeicherkonzepte für Baden-Württemberg auf Basis branchen- und betriebsspezifischer Wärmebedarfsstrukturen : Endbericht(2011) Blesl, Markus; Ohl, Michael; Fahl, UlrichIm Zusammenhang mit der Energiepreis- u. Klimaschutzdiskussion werden vielfältige Anstrengungen zu technischen, wirtschaftlichen u. ökologischen Verbesserungen innerhalb des Energiesystems in Baden-Württemberg unternommen. Ein Aspekt umfasst die Nutzung industrieller Abwärmemengen. Dabei kann die Nutzung innerhalb des Quellenstandorts erfolgen (interne Abwärmenutzung) oder durch externe Nutzer. Für die Speicherung u. den möglichen Transport der Abwärme zu externen Nutzern stehen neben den leitungsgebu.enen verschiedene leitungsungebu.ene Systeme mit zur Verfügung, die unter dem Begriff „Mobile Wärme“ zusammengefasst werden. Die Ziele des Vorhabens umfassen die ganzheitliche Bewertung dieser verschiedenen Wärmespeicherkonzepte, bei denen es sich um das Thermoölverfahren, die Gruppe der Latentwärmespeichermedien u. die Zeolithspeichertechnik handelt. In einem ersten Schritt werden die physikalischen u. technischen Rahmendaten der jeweiligen Technik ermittelt u. die entsprechenden Anlagenkonzepte erläutert. Nachfolgend wird der bestehende Wärmebedarf in Baden-Württemberg nach Verbrauchssektoren (Industrie, GHD, Haushalte), Temperatursegment sowie der räumlichen Verteilung auf Kreisebene bestimmt. Es zeigt sich, dass in Baden-Württemberg der kreisweit höchste Wärmebedarf im Ortenaukreis, im Rhein-Neckar-Kreis, dem Ostalbkreis u. dem Landkreis Heidenheim vorliegt. Gleichzeitig erfolgt, ebenfalls aufgelöst nach Temperaturbereich u. räumlicher Verteilung, die Abschätzung des zur Verfügung stehenden industriellen Abwärmeaufkommens der einzelnen Branchen. Die Daten des Wärmebedarfs u. des Abwärmeangebots in Baden- Württemberg werden in einem Grafischen Informationssystem (GIS) erfasst u. editiert. Den nächsten Schritt bildet die Schaffung eines Bewertungstools für die ökologische Bilanzierung von Speicheranwendungen über die Lebenszyklusphasen Bau, Betrieb u. Entsorgung der Anlagen. Die parametrisierte Ausgestaltung des Tools speziell auf die Bedürfnisse der Wärmespeicherung bietet gegenüber gängigen Programmen dieser Art eine wesentlich einfachere Handhabbarkeit, die sowohl bei der Ermittlung von Emissionswerten als auch bei der Optimierung von Anlagen u. Konzepten in ökologischer Hinsicht zum Tragen kommen kann. Die praktische Anwendung der Lebenszyklusanalyse erfolgt anhand konkreter Beispielen für mögliche Pilotprojekte der Mobilen Wärme in Baden-Württemberg. Anschließend erfolgt die Ermittlung der wirtschaftlichen Rahmendaten, die sich über die gesamte Prozesskette von der Abwärmeauskopplung über den Transport bis zur Nutzung im Wärmeversorgungssystem des Anwenderstandorts erstreckt. Zur einfachen Abschätzung der wirtschaftlichen Kennwerte potenzieller Anwendungsfälle werden die ermittelten Wirtschaftlichkeitsdaten in ein parametrisiertes Modell der Kostenrechnung für alle betrachteten Speicherkonzepte integriert. Die Anwendung des Kostenmodells wird ebenfalls anhand der bereits in der ökologischen Bilanzierung betrachteten konkreten Fallbeispiele veranschaulicht. Neben der wirtschaftlichen u. ökologischen Bilanzierung dieser möglichen Projekte erlauben die erhaltenen Kennwerte auch die Bestimmung der jeweiligen CO2-Vermeidungskosten. Dabei zeigt sich, dass mobile Speichersysteme bezüglich des CO2-Ausstoßes konventionellen, auf dem Einsatz von Erdgas basierenden Wärmeversorgungssystemen deutlich überlegen sind. Die aus ökologischer Sicht vorteilhaften Aktionsradien der einzelnen Systeme liegen dabei sehr deutlich oberhalb des unter den derzeitigen Rahmenbedingungen in wirtschaftlicher Hinsicht darstellbaren Spektrums. Da die zur Verfügung stehenden Techniken der Wärmespeicherung in der Praxis mit anderen Nutzungsmöglichkeiten, wie etwa der Stromerzeugung, konkurrieren, werden die entsprechenden Techniken in einem eigenen Abschnitt beschrieben u. ebenfalls bezüglich ihrer wirtschaftlichen u. ökologischen Kenndaten analysiert. Für die betrachteten Fallbeispiele der Wärmespeicherung werden ausgewählte Nutzungsalternativen in ökologischer u. ökonomischer Hinsicht bilanziert. Es zeigt sich, dass die Techniken der Wärmespeicherung, insbesondere auch das auf hohe Leistungen u. Nutzungsdauern angewiesene Thermoölverfahren, diesbezüglich auf harte Konkurrenz trifft, die bei mittel- bis langfristig steigenden Strompreisen noch weiter profitiert. Dennoch bieten die Systeme der Mobilen Wärme ein bereites Einsatzpotenzial u. einen möglichen kostengünstigen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen in Baden-Württemberg. Um dieses Potenzial heben zu können, bedarf es der Umsetzung von Demonstrationsprojekten, um die bislang noch bestehenden Hemmnisse überwinden zu können. Hierzu bieten sich als Wärmequellen Stahlwerke, Gießereien, Glasfabriken oder Zement- u. Ziegelwerke für das Thermoölverfahren sowie Biomasse- u. Biogasanlagen für die Latentwärmespeicherkonzepte an. Geeignete Wärmenutzer kommen insbesondere aus dem Bereich der öffentlichen Einrichtungen oder liegen in der Einbindung in bereits bestehende Wärmenetze.