Auswirkungen von Basisinnovationen auf die Energiewirtschaft und die Energienachfrage in Deutschland : am Beispiel der Nano- und Biotechnologie

Abstract

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.

Given the depletion of finite resources and impact of climate change on the environment resulting from the use of fossil fuels to generate energy, innovation in energy production is essential to tackle the challenges in the energy sector and to safeguard sustainable energy supply. Optimising the current energy supply and energy demand patterns, or developing new conventional and renewable energy technologies to meet the ever increasing global energy demand require ground-breaking advances in research. Novel breakthroughs in the cutting edge fields of nano- and biotechnology, also known as cross-sectional technologies nowadays, show potential to be applied across the whole value chain of the energy sector. The introduction of cross-sectional technologies leads to changes in energy demand and energy supply. Cross-sectional technologies in the past are however referred to for example the steam engine, the car or the airplane. Nano- and biotechnology are actually named as crosssectional technologies. The aim of this work is to analyse and evaluate actual and future impacts of crosssectional technologies on the energy sector and the energy demand in Germany using the example of nano- and biotechnology. In doing so actual and future processes, products and services which are based on these two cross-sectional technologies are analysed in regard to their direct and indirect impacts on the energy system. The work gives a comprehensive description of the impacts of selected nano- and biotechnological applications on energy consumption, energy sources, energy supply and the energy industry in Germany. It also documents the potential of these applications for energy savings, improvement in energy efficiency and the reduction of emissions until 2030. Furthermore the energy demand of manufacturing and production of nano- and biotechnological applications is taken into account. The total life cycle aspects of new innovations and general resource efficiency are as well considered in the analysis and they are essential for judging eco-friendliness of nano- and biotechnological applications. The study demonstrates that the analyzed nano- and biotechnological applications have the potential to reduce energy consumption in Germany till 2030 by about 319 to 626 PJ. Based on the energy demand in 2010 this corresponds to a reduction of 3.5 to 6.9% in 2030. Furthermore additional 68 to 168 PJ of electricity could be generated. Next to enhancements in energy efficiency and energy savings, reduction of CO2 emissions is another key challenge in the future. Compared to CO2 emissions in Germany in 2010 a reduction of around 13% in 2030 seems conceivable. The feasibility of numerous applications in industrial-scale production has to be further examined and this analysis shows that it takes a long time before close to market applications result in significant impacts on the energy sector. Nano- and biotechnology can offer undeniably great opportunities for an eco-efficient economy and a sustainable energy system, and coupled with the development of innovative products, processes and applications they are going to make an essential contribution to improvements of energy and resource efficiency in Germany.