Universität Stuttgart
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Item Open Access 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.)Item Open Access Stand und Entwicklungspotenziale der landwirtschaftlichen Biogasnutzung in Baden-Württemberg : ein regionalspezifischer Vergleich(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2017) Stenull, Maria; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht darin, den Stand und die zukünftigen Entwicklungsmöglichkeiten für die landwirtschaftliche Biogasnutzung in Baden-Württemberg auf der Basis einer hohen regionalen Auflösung zu erheben und dabei zu analysieren, welche Unterschiede es in den Regionen gibt. Dabei werden „typische Modellanlagen“ für die Regionen Baden-Württembergs unter Berücksichtigung der bestehenden regionalen Agrarstruktur identifiziert und bewertet. Im Ergebnis werden Strategien für die Entwicklung der Biogasnutzung in Baden-Württemberg aus technologischer, ökonomischer und ökologischer Sicht vorgeschlagen. Hierfür wurden zuerst Biomassepotenziale zur Biogaserzeugung kleinräumig auf Landkreisebene ermittelt. Die Landkreise wurden in vier verschiedene Regionen (sog. Biogasregionen) zusammengefasst, die sich durch einheitliche Eigenschaften für die Biogasproduktion in Bezug auf Substratverfügbarkeit auszeichnen: die ackerreiche und gülledurchschnittliche Biogasregion 1 (BG1) im Nordwesten, die ackerland-, grünland- und güllereiche Biogasregion 2 (BG2) im Nord- und Südosten, die grünlandreiche und gülledurchschnittliche Biogasregion 3 (BG3) überwiegend im Südwesten und die ackerland- und grünlandarme Biogasregion 4 (BG4) in Mitte-Westen von Baden-Württemberg. In den so gebildeten Biogasregionen wurden anschließend die Analyse der Potenzialausnutzung und die Bilanz der Biogasnutzung dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der gegenwärtigen Substratzusammensetzung der Biogasanlagen nur die Energiepflanzenpotenziale im hohen Ausmaß ausgeschöpft werden. Die Anlagen, die überwiegend auf Basis von Energiepflanzen betrieben werden, könnten insgesamt bis zu 2,43 TWhel/a (Strategie „niedrige CO2-Vermeidungskosten“) Strom erzeugen (2020). Eine deutliche Steigerung der Stromerzeugung (auf 3,39 TWhel/a) kann nur erreicht werden, wenn im Schnitt Anlagen in der Größenklasse <100 kWel, mit hohen Gülleanteilen in der Substratzusammensetzung zugebaut werden (Strategie „Ausnutzung Biomassepotenzial“). Um die freien Gülle- und Dauergrünlandpotenziale maximal auszuschöpfen, müsste die Substratzusammensetzung der zukünftig zugebauten Biogasanlagen grundlegend geändert werden.Item Open Access Strategies for the effective reduction of aircraft noise exposure at airports : preparation of an integrated, effective and practice-orientated aircraft-noise reduction concept(Stuttgart : Institute for Energy Economics and the Rational Use of Energy (IER), 2012) Friedrich, Rainer; Müller, Wolf; Ohlau, Katrin; Bertschmann, Damaris; Maibach, Markus; Peter, Martin; Sutter, Daniel; Rokitansky, Carl-Herbert; Kubera, Barbara; Bergmann, HeidiExposure of the population to aircraft noise is still a severe problem. In this study, instruments and measures are investigated with which aircraft noise exposure might be reduced to a tolerable level. These investigations are carried out exemplarily for three types of airport: an airport with a large volume of freight and night-flight operations, a medium-sized airport and a regional airport. Initially, short- and long-term objectives for noise exposure are deduced. Measures for noise reduction are then identified and their impact (noise reduction and consequential decline in health risks and annoyance) and legal feasibility assessed. The measures are subsequently consolidated in strategies (that is, packages of measures). The efficiency strategy comprises measures that are easily implemented legally; namely, an increase in takeoff and landing charges, introduction of noise-optimized approach procedures and reduction of noise limits for establishment of protection zones in accordance with the German Aircraft Noise Protection Act (Fluglärmgesetz). In the effectivity strategy further measures are implemented, in particular a night-flight ban. Long-term noise abatement objectives cannot be achieved with the short- and also long-term measures under investigation. A possible solution could be a drastic reduction in permissible noise limits for new aircraft.Item Open Access Dynamic prospective average and marginal GHG emission factors - scenario-based method for the German power system until 2050(2021) Seckinger, Nils; Radgen, PeterDue to the continuous diurnal, seasonal, and annual changes in the German power supply, prospective dynamic emission factors are needed to determine greenhouse gas (GHG) emissions from hybrid and flexible electrification measures. For the calculation of average emission factors (AEF) and marginal emission factors (MEF), detailed electricity market data are required to represent electricity trading, energy storage, and the partial load behavior of the power plant park on a unit-by-unit, hourly basis. Using two normative scenarios up to 2050, different emission factors of electricity supply with regard to the degree of decarbonization of power production were developed in a linear optimization model through different GHG emission caps (Business-As-Usual, BAU: −74%; Climate-Action-Plan, CAP: −95%). The mean hourly German AEF drops to 182 gCO2eq/kWhel (2018: 468 gCO2eq/kWhel) in the BAU scenario by the year 2050 and even to 29 gCO2eq/kWhel in the CAP scenario with 3700 almost emission-free hours from power supply per year. The overall higher MEF decreases to 475 and 368 gCO2eq/kWhel, with a stricter emissions cap initially leading to a higher MEF through more gas-fired power plants providing base load. If the emission intensity of the imported electricity differs substantially and a storage factor is implemented, the AEF is significantly affected. Hence, it is not sufficient to use the share of RES in net electricity generation as an indicator of emission intensity. With these emission factors it is possible to calculate lifetime GHG emissions and determine operating times of sector coupling technologies to mitigate GHG emissions in a future flexible energy system. This is because it is decisive when lower-emission electricity can be used to replace fossil energy sources.Item Open Access Soziale Kosten der Stromerzeugung(2021) Preiss, Philipp; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Der Wirkungspfadansatz erlaubt es, bei der Bewertung von Stromerzeugungstechnologien nicht nur die Stromerzeugungskosten, sondern auch externe Effekte, insbesondere Umweltbelastungen zu berücksichtigen. Die ganzheitliche Bewertung berücksichtigt die drei Ziele: • Reduktion der Folgen des Klimawandels durch Treibhausgasemissionen, • Reduktion der Gesundheitsrisiken und Umweltschäden durch Umwelteinwirkungen, • geringe Stromgestehungskosten im Energiemix. Zu diesem Zweck wird der gesamte Lebenszyklus der Technologien berücksichtigt, und somit werden auch Emissionen und Kosten berücksichtigt, die außerhalb von Deutschland entstehen. Es gibt Sachbilanzen zu Emissionen durch die Herstellung und den Betrieb der Technologien, aber auch durch die vor- und nachgelagerten Prozesse. Da der Vergleich der Emissionen zu keinen eindeutigen Aussagen führt, müssen diese Daten bewertet werden. Dies ist durch die Berechnung von Schäden und der anschließenden monetären Bewertung der Schäden möglich. Die Ziele der Arbeit lassen sich in drei Teile unterteilen: • methodische Weiterentwicklung des Wirkungspfadansatzes, • die Anwendung der Methodik zur Berechnung der externen und sozialen Kosten von Stromerzeugungstechnologien, die im Jahr 2030 neu installiert werden, • die Einordnung der Ergebnisse in den Kontext der nachhaltigen Entwicklung. Die Verbesserungen der Methodik umfassen insbesondere: • die integrierte Bewertung von Klimawandel und Luftschadstoffen, • die Verwendung eines neuen regionalen Ausbreitungsmodells für Luftschadstoffe: o verbesserte Bewertung der sekundären Schadstoffe Ozon und anorganische Aerosole o räumliche Ausdehnung der Modellierung von Luftschadstoffen auf die nördliche Hemisphäre o Verwendung verschiedener Hintergrundemissionsszenarien o Anwendung verschiedener meteorologischer Jahre o Implementierung eines „Generators lokaler meteorologischer Daten“ für die lokale Ausbreitungsmodellierung • eine Bewertung der Auswirkungen auf Ökosysteme und Biodiversität, • die Verwendung eines globalen Ausbreitungsmodells für Luftschadstoffe, • die Implementierung der Bewertung von toxischen Stoffen und Radionukliden, • die Berücksichtigung der Zeitabhängigkeit der monetären Bewertung, • die Bewertung von schweren Unfälle und Risikoaversion, • die Berücksichtigung von Backup-Kosten, • eine Einschätzung der sozialen Kosten von „Power-to-Gas“. Mit der verbesserten Methodik werden externe und soziale Kosten verschiedener Stromerzeugungstechnologien berechnet. Die Ergebnisse und das Wissen über externe Kosten können zur Unterstützung der Entscheidungsprozesse bei Investitionen in verschiedene Stromtechnologien genutzt werden. Es wurden Daten für neue, erst in der Zukunft verfügbare Technologien ausgewertet. Im Mittelpunkt steht die Stromerzeugung für die Inbetriebnahme im Jahr 2030. Ergebnisse: Photovoltaik (PV), Windenergie, Wasserkraftwerke und Kernkraft in Form eines EPR weisen die geringsten sozialen Kosten auf. PV und Wind benötigen dabei Backup-Systeme zur Bereitstellung von Strom, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Deren Kosten sind in den sozialen Kosten mit enthalten. Auch Braunkohlekraftwerke mit Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid, sogenanntes „Carbon Capture and Storage“ (CCS) haben noch relativ geringe soziale Kosten. Zu beachten ist, dass Deutschland bis 2038 aus der Kohle und schon bis 2022 aus der Kernenergie austeigen will und, dass CCS bisher nicht akzeptiert wird. Somit können die entsprechenden Technologien nur im Ausland betrieben werden. Mit der in dieser Arbeit entwickelten methodischen Verbesserungen und Erweiterungen konnten neue, genauere soziale Kosten von Stromerzeugungstechniken berechnet werden. Die ermittelten Ergebnisse können zur Unterstützung von Entscheidungen zur Gestaltung des zukünftigen Stromerzeugungssystems im Rahmen der Energiewende herangezogen werden.Item Open Access Long-term exposure of European population subgroups to PM2.5 and NO2(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2020) Li, Naixin; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Numerous epidemiological studies have demonstrated the damaging influence of air pollutants on human health. However, the environmental health studies up to now use urban background concentrations in the ambient air to estimate the health risks, while the inhalation of toxic substances, i.e. the concentration of pollutants, where the exposed person breathes, is the relevant indicator for estimating the health impacts. The main objective of this thesis is to assess the long-term exposure to fine particles and nitrogen dioxide for different European subgroups that are characterised by certain features including age, gender, region and socio-economic status. The exposure simulation is realised by developing a probabilistic model that incorporates an air quality model for estimating the ambient pollutant concentration, a mass-balance model for assessing the concentration of indoor micro-environments and a life course trajectory model for predicting retrospectively the transition between socio-economic states. The results of the exposure modelling are subsequently incorporated with exposure response functions (ERFs), aggregation factors and monetary values to assess health impacts and damage costs.Item Open Access Grüne Bilanzierung - Internalisierung von Umwelt- und Gesundheitsschäden im Rahmen der Input-Output-Rechnung(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Genius, Wolf; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Als Maß für den Wohlstand einer Gesellschaft werden wirtschaftliche Kennzahlen, insbesondere das Bruttoinlandsprodukt verwendet. Allerdings wird die Wohlfahrt einer Gesellschaft auch von anderen Indikatoren wie z. B. dem Zustand von Gesundheit, Umwelt und Klima bestimmt. In dieser Arbeit wird daher eine Methodologie entwickelt und angewandt, mit deren Hilfe ein Ökoinlandsprodukt abgeschätzt werden kann, das neben der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit auch Gesundheits- und Umweltschäden sowie Klimaänderungen durch Umwelteinwirkungen enthält. Dazu werden für ca. 130 Wirtschaftssektoren in Deutschland, Frankreich und der EU-27 die relevantesten Umwelteinwirkungen (Emissionen) bestimmt. Anschließend werden die aus diesen Einwirkungen entstehenden Umwelt-, Gesundheits- und Klimaschäden berechnet und u.a. unter Verwendung von Zahlungsbereitschaftsanalysen in monetäre Werte transformiert. Diese Werte werden dann mit verschiedenen Ansätzen in die volkswirtschaftliche Gesamtrechnung integriert. Durch die Einbeziehung der Gesundheits-, Umwelt- und Klimaschäden wird das Bruttoinlandsprodukt um ca. 5 bis 6 % reduziert.Item Open Access Integrated assessment of atmospheric environmental management in China(2018) Huang, Ganlin; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)China is facing severe challenges of air pollution and greenhouse gas (GHG) emissions with rapid economic development, industrialization and urbanization. Continued reductions in air pollutants and GHG emissions are critical, as they pose serious threats to human health and the environment. Air pollution and climate change are largely affected by similar sources and may interact with each other through atmospheric chemical reactions. This study developed a methodology to analyse the integrated impacts of atmospheric environmental policies on human health and climate change in China. Emission estimation, air quality modelling, health impact assessment, and economic evaluation are synthesized following the full-chain impact pathway from sources of emissions via environmental quality changes to physical and economic impacts. A quantitative assessment of the economic health and climatic benefits from emission reduction of air pollutants and GHG under different present and future scenarios in China is presented. Sensitivity and uncertainty analyses are conducted to provide information on the robustness of the results. The modelling results show that the years of life lost (YOLL) attributable to PM2.5 exposure are 8.2 and 13.4 million in 2010 and 2030 considering current legislation in China. The corresponding damage costs amount to about 3.9 and 5.2% of China’s gross domestic product (GDP) in 2010 and 2030, respectively. Aggressive control policies will lead to significant benefits in the aspects of health and climate change mitigation. The integrated benefits of the three investigated policy scenarios are estimated to be 239.9 (95% CI: 41.5, 1387.8), 353.1 (32.9, 3789.4), and 619.5 (87.2, 4403.5) billion EUR2010 in 2030, respectively. Clear provincial disparities on emissions, concentration levels, and attainable benefits from policy measures exist in China. Higher per capita benefits from policy measures are estimated for provinces with high population density and energy intensity. The integrated assessment methodology developed in this study enables simultaneous consideration of air pollution induced health effects and GHG related climatic effects in the process of environmental policy development in China. The reduction potential and integrated benefits from policy measures estimated in this study provide valuable policy insights for China and other developing countries.