Universität Stuttgart
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Item Open Access Operational impacts of large-scale wind power generation in the German power system and effects of integration measures : analyses with a stochastic electricity market model(2012) Hasche, Bernhard; Voß, Alfred (Prof.)A strong increase of onshore and offshore wind power capacities is an official political target in Germany and other countries. The wind energy shares therefore rise in many power systems. Wind power generation has other characteristics than the power generation by conventional power plants. The wind is a natural resource that is fluctuating. The meteorological dependency leads to a limited predictability of the available power. A third aspect is the concentration of wind farms at locations with high wind yields as in the North of Germany. From a methodological point of view, the thesis focuses on the analysis of the three aspects with regard to the power system operation and the development of related modelling approaches. This especially refers to the application of a stochastic optimization model for the system analysis and to the simulation of wind power generation and wind power forecasts. The application orientated focus is on a scenario analysis of the German power system in 2020. The analysis aims at the identification of promising system adaptations that lead to an improved wind power integration and a more efficient power system operation. Before the model presentation, the importance of the three aspects above is discussed giving the basics for the latter modelling. It is shown that the residual load fluctuations are increased by the wind power generation, especially if they are related to the residual load levels. The flexibility of thermal power plants is also regarded here. An analysis of operational uncertainties shows the importance of wind power forecast errors in relation to load forecast errors. The DC load flow model and characteristics of the transmission grid are explained. A stochastic market model is presented that allows an integrative analysis of the wind power integration. One characteristic of the optimization model is the application of a rolling planning so that forecast errors can be specifically considered. A main modification of the model compared to earlier model versions is given by the representation of grid constraints. A grid reduction approach is developed that reduces the transmission grid to a simplified structure that is applied in the market model. The grid reduction approach is based on a comparison of DC load flow solutions in the reduced and unreduced grid. Additionally, an approach for the calculation of tertiary reserves is given. The approach considers the wind forecast quality and combines probabilistic elements with an optimization. The simulation of wind power generation and forecasts combines different analyses and methods. General quantitative relations between the variability of wind power generation and the geographical region size are derived. The equations are applied in the simulation of wind power generation that is based on adapted wind power curves. The adapted power curves consider regional smoothing effects in the transformation of wind speed to wind power. The simulation results reflect the high variability of the concentrated offshore wind power. For the simulation of the wind power forecasts, a scenario generation method based on moment matching is presented that allows simulating non Gaussian distributed forecast errors and their correlations. The results of a statistical analysis of measured forecast errors are used in the simulation. An empirical relation between error correlation and geographical distance is for example given. The German forecast quality that is simulated for 2020 assuming an improvement of forecasting by 20% is, related to the installed capacity, similar to the one of today due to the high spatial concentration of the offshore capacities. For the scenario analysis of the power system in 2020, the power plant portfolios of twelve German regions and other parameters are derived based on different sources. This includes reserve requirement values and reduced grid parameters that are calculated by the methods mentioned above. The results show that, in the regarded scenario, 3% of the yearly wind energy cannot be integrated into the system. They are curtailed nearly exclusively due to transmission constraints. The network congestions also lead to high differences between the regional electricity prices. The yearly costs of wind forecast errors amount to circa 180 million Euros or 1% of the operational system costs. The model results thereby indicate a large cost saving potential by risk management methods. Based on scenario modifications, integration measures related to CAES capacities, demand side management and more flexible power plants as well as infrastructural changes by grid expansions and an adapted geographical allocation of power plants are analysed. The importance of a stochastic modelling approach for the evaluation of flexibility related scenarios is shown. The comparison of the integration measures identifies infrastructural changes as most efficient system improvements whereas the benefits of CAES capacities are small. Assuming a grid without any transmission constraints, the yearly system costs are reduced by one billion Euros. A limited grid upgrade leads to 10% of this cost reduction. Similar cost savings are achieved by adapting the geographical locations of the power plants. Adjusting the generation to the grid is therefore a promising alternative to grid expansions especially considering the long processes that are involved with new transmission lines. A market design with regional electricity prices would give related incentives.Item Open Access Large-scale high head pico hydropower potential assessment(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Schröder, Hans Christoph; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Due to a lack of site-related information, Pico hydropower (PHP) has hardly been a projectable resource so far. This is particularly true for large area PHP potential information that could open a perspective to increase the size of development projects by aggregating individual PHP installations. The present work is extending the capabilities of GIS based hydropower potential assessment into the PHP domain through a GIS based PHP potential assessment procedure that facilitates the discrimination of areas without high head PHP potential against areas with PHP potential and against areas with so called “favorable PHP potential”. The basic unit of the spatial output is determined by the underlying PHP potential definition of this work: a standardized PHP installation and the required hydraulic source, together called standard unit, are located on an area of one square kilometer. The gradation of the output is a consequence of the verification techniques. Several large area PHP potential field assessment methods, based on contemplative analysis techniques, are developed in this work. Field assessments were conducted in Yunnan Province/China, Costa Rica, Ecuador and Sri Lanka. The aim for all field assessments is to get a comprehensive view on the PHP potential distribution of the entire country/province. Application of the GIS based PHP potential assessment procedure is aimed at the global tropical and subtropical regions.Item Open Access Renewable energy based electricity supply at low costs : development of the REMix model and application for Europe(2012) Scholz, Yvonne; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr.)Climate change, limited fossil fuel availability and the dependency on energy carrier imports lead the European Union to the formulation of an energy policy for Europe. The EU sets the following criteria for its future energy supply: sustainability, security of supply and competitiveness. Considering the carbon dioxide emissions of fossil fuels and the unsolved problem of the ultimate disposal of radioactive waste, only renewable energy can currently be considered sustainable if applied in a socially acceptable way and in accordance with nature conservation. The use of renewable energy can also reduce the dependency on energy carrier imports. Contrary to fossil fuels, renewable energy will become cheaper in the future due to technological learning. The main disadvantage of some renewable energy resources is their fluctuating availability. Adaptation of the energy supply system must take place especially in the power sector in order to reliably cover fluctuating demand with fluctuating resources at any time. In this work, the energy system model ‘REMix’ (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) is developed. It uses data on the availability of renewable energy across Europe and North Africa (EUNA) to dimension low-cost power supply structures for the EUNA-region, or parts of it, under specific conditions, such as specified shares of renewable energy in the power supply or specified national self-supply shares. The model takes into account the costs of generation technologies, transmission lines and storage units, and finds a combination of these technologies and their geographic locations that is least-cost under the given assumptions. A geographic information system was used for the analysis of the installable capacities and power generation potentials of typical technologies for harnessing renewable energy resources. This analysis is described and the potentials of solar PV, solar CSP, wind onshore and wind offshore, biomass, hydro and geothermal power plants are shown in tables and maps. The data are used as input into a linear programming energy system model which uses them as constraints on the power supply system to be dimensioned. The model, its sensitivity to input parameter variations and a test application are described. The findings confirm the basic findings of other work in this field: transmission lines can be a crucial element of a low-cost, renewable-energy-based electricity supply because they enable balancing effects in a large grid and the use of the highest quality resources even in remote areas, such as deserts or at sea. However, the international cooperation that is necessary to reach the cost-minimum for a given supply task may not be reached by politics or resulting dependencies may be opposed to political goals. Therefore, REMix was built such that countries can be examined individually and the influence of different parameters on their energy supply costs and structure can be investigated. In the test model application, power supply systems for 36 regions in Europe and North Africa, almost all individual countries, are designed with REMix as island grids on the one hand and on the other hand as a network without transmission restrictions (other than the costs of the transmission lines). The model shows that in certain regions the island grid electricity costs can be much higher than, only a little higher than, or even lower than the electricity costs in the network, under the given technological and economic assumptions. The sensitivity to parameter variations is shown to be high; the results of the test application must therefore be considered one example of a technically feasible and efficient supply system but cannot claim to be least-cost in general.Item Open Access Entwicklung eines ökologisch-ökonomischen Vernetzungsmodells für Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Fenrich, Eva Katrin; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Die Bereitstellung von Frischwasser für die Bewässerung, Trink- und Brauchwasser sowie umweltfreundlich produzierter elektrischer Energie ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Entwicklung einer Region oder eines Landes. Viele unterschiedliche Nutzungsansprüche auf begrenzte Ressourcen sind zu beachten und abzuwägen. Die vernetzten Versorgungsrisiken im Nexus „Wasser, Energie, Nahrung“ sind gleichermaßen eine große Herausforderung für Politik und Ingenieure. Wasserkraft stellt eine saubere, CO2-neutrale, regenerative Energiequelle dar. Jedoch sind aufgrund der Veränderung des Abflussregimes und der Querverbauung der Gewässer große Auswirkungen auf die lokale Ökologie zu erwarten. Diese Auswirkungen auf die lokale oder auch globale Flussökologie bedingen, dass bei der Planung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern auf ein komplexes System an Einflüssen eingegangen werden muss. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Nutzungsarten einerseits und der Fluss- und Auenökologie andererseits müssen in ihrer Gesamtheit erfasst werden. Aufgrund der langen Lebensdauer der Anlagen ist es notwendig sehr eingehend die Auswirkungen eines Projekts in allen Bau- und Betriebsphasen zu untersuchen, da es sich hierbei nicht um kurzfristige Eingriffe, von denen sich das natürliche Gewässer wieder erholen kann, handelt. Ebenso ist es bei Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern, wie bei allen großen Infrastrukturmaßnahmen wichtig, dass Entscheidungsträger die Möglichkeit bekommen, übersichtlich Einblicke in die Wirkungszusammenhänge zu gewinnen und Projektvarianten zu vergleichen. Dies ist insbesondere auch dann relevant, wenn verschiedene Interessengruppen oder Projektpartner eine Einigung über die Weiterverfolgung bestimmter Projektvarianten erzielen sollen. Ausgehend von der vorgestellten Problematik wird eine ganzheitliche qualitative und quantitative Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern sowohl für die Planung als auch für den Betrieb vorgestellt. Hierzu wurde ein Bilanzierungsmodell entwickelt, das auf Grundlage Leontief'scher Input-Output-Analyse als Entscheidungsunterstützung für Projektentscheidungen beim Neubau und der Erneuerung von Anlagen dienen kann. Die Input-Output-Analyse, ein Verfahren der empirischen Wirtschaftsforschung, das für volkswirtschaftliche Analysen eingesetzt wird, ist ein geeignetes Werkzeug, um Verflechtungen zwischen verschiedenen Aspekten eines Systems zu beschreiben. Durch die Möglichkeit, Stoff- und Wirtschaftsströme in unterschiedlichen Einheiten miteinander zu verknüpfen, eignet sich die Input-Output-Analyse sehr gut zur Modellierung komplexer vernetzter Strukturen. Zunächst wurden qualitative Modelle für die jeweiligen Anlagentypen aufgestellt und anschließend an die Bedingungen des betrachteten Projekts angepasst. Hierzu wurden die Systemgrenzen festgelegt und bestimmt, welche Nutzungsarten zum aktuellen Betrachtungszeitraum relevant sind. Mit Hilfe von Input-Output-Graphen werden die Gesamtsysteme anschaulich dargestellt. Traditionell stehen die Knoten des Graphen für die Sektoren einer Volkswirtschaft und die Kanten stellen die jeweiligen Verflechtungen dar. Produkte eines Sektors einer Volkswirtschaft werden zur Produktion von Gütern und Dienstleitungen anderer Sektoren benötigt. Die Richtung der jeweiligen Kante des Graphen stellt eine Lieferbeziehung dar. Bei der Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern werden an Stelle von Sektoren einzelne Aspekte innerhalb des Projektes, wie beispielsweise die Trinkwassergewinnung oder die Erzeugung elektrischer Energie, sowie als Primärinputs natürliche Ressourcen betrachtet. Die Input-Output-Graphen können anschließend teilweise mit Hilfe graphentheoretischer Überlegungen vereinfacht werden. Beispielsweise können Teilgraphen zusammengefasst oder zirkuläre Abhängigkeiten aufgedeckt werden. Von besonderem Interesse sind häufig die indirekten Lieferbeziehungen zwischen Sektoren, die zunächst nicht direkt ersichtlich sind, im Input-Output-Modell aufgrund der Darstellung als Systemgraph jedoch deutlich erkennbar werden. Ein wichtiger Grund, qualitative Modelle zu erstellen, kann unter anderem auch sein, verschiedene Projekte oder Projektvarianten zunächst aufgrund ihrer Struktur zu vergleichen, oder um schon vorhandene Projekte unterschiedlicher Größe als Grundlage für die Datenbeschaffung neu geplanter Projekte zu nutzen. Dieses qualitative Modell wird jeweils für eine bestimmte Anlagengröße und Nutzungsart quantifiziert und anschließend werden iterativ Nutzungs-Szenarien evaluiert. Bei Bedarf kann als abschließende Untersuchung das so entwickelte Input-Output-Modell als Grundlage einer linearen Optimierung verwendet werden. Quantitative Gesamtmodelle und lineare Optimierungsmodelle sind jeweils stark abhängig von den betrachteten Projektvarianten. Durch eine vernetzte Formulierung ökonomischer und ökologischer Fragestellungen wird eine quantitative Bewertung der gegenseitigen Beeinflussung ermittelt. Anhand von Fallstudien wurde die Anwendbarkeit der zuvor erarbeiteten Methodik auf verschiedene Anlagentypen und -größen verifiziert und das Modell weiterentwickelt. Um die grundsätzliche Anwendbarkeit der Input-Output-Analyse auf Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher zu untersuchen, wurde zunächst ein sehr einfaches schwach vernetztes System eines Ausleitungskraftwerks an der Drau in Österreich untersucht. Hierbei wurde vor allem auf die Vernetzung von Wasserdargebot, energetischer Nutzung und Flussökologie eingegangen. Die Integration von Bewässerung und Landnutzungsparametern in einem Input-Output-Modell wurde anhand eines Bewässerungssystems in Venezuela untersucht. Hierbei werden vor allem auch sozioökonomische Aspekte mit integriert. In einer weiteren Fallstudie wurde ein Ausleitungskraftwerk an der unteren Argen mit gleichzeitiger Wasserentnahme zur Bewässerung untersucht. Als sehr stark vernetztes System wird das Kandadji-Projekt am Niger, ein typisches Mehrzweckspeicher-Projekt mit Bewässerung, Wasserkraft und Trinkwassergewinnung, betrachtet. Schließlich wird, um die Bandbreite der Anwendbarkeit des entwickelten Modells darzustellen, eine Fallstudie für ein Gezeitenkraftwerk zusammen mit einer Landnutzungs-Wassergütemodellierung im Küstenbereich erstellt. Die verschiedenen Fallstudien geben einen Überblick über die Bandbreite der Anwendungsbereiche des hier entwickelten Modells. Deutlich zu erkennen ist, dass qualitative Modelle und auch quantifizierte Teilmodelle jeweils übertragbar auf andere Projekte und Projektvarianten sein können. Damit wurde Ingenieuren und Entscheidungsträgern ein wertvolles Werkzeug in die Hand gegeben, um die Auswirkungen von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern in allen Planungs- und Betriebsphasen zu bewerten.Item Open Access 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.Item 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.)Item Open Access 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.Item Open Access Extended theoretical and experimental studies of the calcium looping process for carbon dioxide capture(2017) Duelli, Glykeria; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)The world is at a critical juncture in its efforts to combat climate change. Since the first Conference of the Parties (COP) in 1995, greenhouse-gas (GHG) emissions have risen by more than one-quarter and the atmospheric concentration of these gases has increased steadily to 435 parts per million carbon-dioxide equivalent (ppm CO2-eq) in 2012 [1]. The international commitment to keep the increase in long-term average temperatures below two degrees Centigrade, compared to pre-industrial levels, requires substantial and sustained reductions in global emissions. Given the dominant role that fossil fuels continue to play in primary energy consumption followed by the continuously increasing global energy demand, the deployment of carbon capture and storage technologies (CCS) is imperative [1]. The individual component technologies required for CO2 capture, transport and storage are generally well-understood and, in some cases, technologically mature. The largest challenge for CCS deployment is the integration of component technologies into large-scale (demonstration) projects. In this direction simulation and modeling works allow a cost effective investigation of the feasibility and the applicability of the prototype technology as well as its development and optimization. In addition, complete process approach allows determination of the impact that integration of the CO2 capture plant imposes on the power plant. However, a reliable assessment of the process performance requires the process models to be validated with experimental data. In this work, one of the major CCS technologies, the calcium looping process is realized, investigated and evaluated at a 10 kWth dual fluidized bed (DFB) continuously operating facility at the University of Stuttgart. The performance of the process in terms of CO2 capture in the carbonator and sorbent calcination in the regenerator is studied. Natural limestones were used. The process was realised in presence of water vapor in both carbonator and regenerator reactor. The calcination took place in high CO2 concentration representative of the oxy-fuel combustion in the regenerator. Synthetic flue gas was used while both reactors were electrically heated with supplementary CH4 combustion in the regenerator when necessary. The Ca flow circulating between the reactors as well as the Ca mass in the reactors were varied. The regenerator and the carbonator temperatures were varied. The sorbent CO2 capture ability was studied through thermogravimetric analysis of the samples taken during experimentation. Attrition phenomena were studied by measuring the particle size distribution and weighting the material collected from the cyclones of the DFB facility. The experimentation was successfully performed with reliable data and the trends observed are in good agreement with previous works. It was shown that CO2 capture efficiencies of more than 90% can be achieved at conditions closer to the industrial ones. The CO2 capture efficiency was improving by increasing bed inventory and looping ratio. The sorbent calcination degree is a decreasing function of the carbonate content of the incoming solid flow and an increasing function of the particle residence time and reactor temperature. In presence of water vapor, CO2 capture efficiencies of more than 90% and complete sorbent calcination were achieved for looping ratios of around 8. The temperatures were for the regenerator not more than 1193K and for the carbonator around 903K. The sorbent carbonation conversion was retained at about 0.2 molCaCO3/molCaO, constant for many hours of operation. The material loss was measured to be around 4.5%wt/h based on the total system inventory while the mean particle size of the sorbent decreased to around 400 µm and remained constant for many hours of operation. Simplified semi-empirical models were successfully implemented in the experimental results. Kinetic and attrition constants were calculated and a good agreement between the predicted and the actual data is shown. Design parameter of active space time was found to be 30s for the carbonator and 0.11h for the regenerator with efficiencies of more than 90% in both reactors.Item Open Access Modellierung biomassedominierter Energiesysteme : Methodenentwicklung anhand eines Fallbeispiels im Ost-Pamir, Tadschikistan(2015) Hohberg, Georg; Kaule, Giselher (Prof. Dr.-Ing.)Die Bereitstellung und Nutzung biogener Energieträger unterscheidet sich in wesentlichen Aspekten von jener nichtregenerativer Energieträger. Aufgrund ihrer dezentralen und flächenintensiven Erzeugung sind biogene Energieträger durch einen starken Raumbezug, Konkurrenz zu anderen Landnutzungsformen, Rückkopplungen innerhalb des Erzeugungssystems sowie durch Saisonalität und damit Einschränkungen in der Verfügbarkeit geprägt. Biomasse ist heute vor allem in Entwicklungsländern von großer Bedeutung für die Energiebereitstellung. Auch die Energieversorgung im tadschikischen Ost-Pamir, einer in Zentral Asien gelegenen und wenig entwickelten Hochgebirgsregion, ist maßgeblich durch biogene Energieträger geprägt. Ein großer Teil des Energiebedarfs wird hier durch Zwergsträucher (Krascheninnikovia ceratoides und Artemisia spp.) und Viehdung befriedigt. Die Zwergstrauchbestände des Ost-Pamir sind neben ihrer energetischen Verwendung auch als Nahrungsgrundlage für das Nutzvieh bedeutsam. Da bei einer Übernutzung der Zwergstrauchbestände zukünftig weniger Nutzvieh gehalten werden kann, jedoch ausbleibende Dungerträge zukünftig durch zusätzliche Zwergstrauchbiomasse kompensiert werden müssen, besteht die Möglichkeit einer selbstverstärkenden Wirkungskette. Die durch übermäßige Zwergstrauchernte hervorgerufene Degradation von Weideflächen im Ost-Pamir wurde von BRECKLE UND WUCHERER (2006, S.233) als Tereskensyndrom bezeichnet. Die Methode der Energiesystemanalyse wird verwendet, um wissensbasierte Entscheidungsgrundlagen für die Energiepolitik zu liefern. Ein Standardwerkzeug der Energiesystemanalyse sind optimierende Energiesystemmodelle. Diese verstehen Energiesysteme als rein technisch-ökonomische Systeme. Biomassedominierte Energiesysteme hingegen stellen eine Verbindung aus technisch-ökonomischem System, biophysikalischem System und sozialem System dar. Ziel dieser Arbeit ist es, durch Gegenüberstellung und Diskussion verschiedener Modellierungsansätze eine geeignete Methode zur Simulation von biomassedominierten Energiesystemen zu identifizieren und auf ein Fallbeispiel im Ost-Pamir anzuwenden. Im betrachteten Fallbeispiel soll geklärt werden, inwieweit die Zwergstrauchentnahme im Ost-Pamir eine Zerstörung ihrer Wachstumsgrundlagen bedingt und ob kurz bis mittelfristig mit einen Zusammenbruch der lokalen Energieversorgung gerechnet werden muss. Die Simulation von Entwicklungsszenarien soll zudem die Bandbreite von möglichen Entwicklungen beschreiben und Optimierungspotenzial aufzeigen. Ein System-Dynamics-GIS-Hybridansatz bietet die Möglichkeit der zeitlich kontinuierlichen, räumlich aufgelösten Modellierung, mit der auch Rückkopplungen in Systemen abgebildet werden können. Er ist daher für die Modellierung biomassedominierter Energiesysteme geeignet. Basierend auf dem beschriebenen Simulationsansatz und auf einer detaillierten Untersuchung des Energiesystems von Alichur, der zweitgrößten Siedlung des Ost-Pamir, wird das Energiemodell Alichur erstellt und parametrisiert. Nach eingehender Sensitivitätsanalyse und Validitätsprüfung werden im Energiemodell Alichur drei Szenarien simuliert: Szenario Business-as-usual (BAU, gleichbleibendes Management), Szenario Breckle (SB, verschlechtertes Management) und Szenario Optimierung und Energieautarkie (SOE, optimiertes Management). Die Simulationsergebnisse sämtlicher Szenarien zeigen, dass kurz- bis mittelfristig nicht mit einem Zusammenbruch des Energiesystems von Alichur gerechnet werden muss. Zwar ist zukünftig mit einem steigenden Aufwand für die Zwergstrauchernte zu rechnen, weil vermehrt auch ortsferne Bestände beerntet werden müssen. Aufgrund der Erntekultur, bei der bis zu 50 % der Zwergsträucher auf der Fläche verbleiben, ist jedoch eine völlige Degradation der Zwergstrauchbestände in der betrachteten Fallstudie nicht gegeben. Lediglich im ortsnahen Bereich erfolgt eine sehr intensive Zwergstrauchnutzung, die in den nächsten Dekaden kaum Zwergstrauchbiomassezuwachs erwarten lässt. Bei einem verschlechterten Ressourcenmanagement (Szenario SB) ist frühestens in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts mit einer Verknappung der erreichbaren Zwergstrauchbestände zu rechnen. Nicht eindeutig geklärt werden konnte die Frage, ob die gegenwärtige Zwergstrauchnutzung dauerhaft betrieben werden kann (Szenario BAU). Grundsätzlich ist bei optimiertem Management, verbunden mit moderaten Energieeinsparungen eine nachhaltige und autarke auf biogenen Energieträgern basierende Energieversorgung in der Region möglich (Szenario SOE). Die vermutete selbstverstärkende Wirkungskette zwischen thermischer Zwergstrauchnutzung und Weidekapazität kann in der Simulation nicht bestätigt werden.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.