Energieeffizienz in der Industrie : modellgestützte Analyse des effizienten Energieeinsatzes in der EU-27 mit Fokus auf den Industriesektor

Abstract

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.

Energy efficiency is a highly important topic and currently omnipresent in the energy political discussion. Despite this high importance there’s no common understanding even concerning the definition of the term energy efficiency. In addition, there are plenty so called energy efficiency targets and several indicators. Therefore this study should provide a deepened understanding of the efficient use of energy. The inconsistent definition of energy efficiency is related to the use of this term for a specific as well as an absolute reduction of energy consumption. Furthermore both static views on efficiency as a status and also dynamic views on efficiency as an improvement of a value compared to a reference number are used. Additional differences occur in the evaluation of the energy use and in the selection of a reference value in a key figure to assess energy efficiency. Moreover the focus of the current general understanding is mainly only on the consumption of energy. All other resources next to the energy input which are needed to provide energy services are not considered even though there are strong interactions and substitution possibilities among these resources. Hence the understanding of energy efficiency is extended in this study by these additional resources which were not considered yet. Based on this extension the efficient use of the resource energy is a result of an optimisation of the relation of these total costs of all resources to the related benefit.

To determine the efficient use of energy in the industrial sector, a deeper understanding of the sector and its characteristics is necessary. The industrial sector is the largest consumer of electricity within the EU. Also a quarter of the final energy consumption and about 20 % of the CO2 emissions are related to this sector. Typical for this sector are the heterogeneous and high temperature level of the heat demand and the process emissions which accrue in transformation processes. The subsectors of the industry could be split up into energy intensive subsectors where single production processes dominate the energy consumption, and non-energy intensive subsectors. Ways to reduce the energy consumption in the industrial sector are the use of alternative or improved production or cross cutting technologies and the use of energy saving measures to reduce the demand for useable energy. Based on the analysis within this study, 21 % of the current energy consumption of the industrial sector of the EU and 17 % in Germany could be reduced.

Based on the extended understanding of energy efficiency, the model based scenario analysis of the European energy system with the further developed energy system model TIMES PanEU shows that the efficient use of energy at an emission reduction level of 75 % is a slightly increasing primary energy consumption. The primary energy consumption is characterised by a diversified energy carrier and technology mix. Renewable energy sources, nuclear energy and CCS play a key role in the long term. In addition the electricity demand in combination with a strong decarbonisation of the electricity generation is increasing constantly. In the industrial sector the emission reduction is driven by the extended use of electricity, CCS and renewables as well as by the use of improved or alternative process and supply technologies with lower specific energy consumption. Thereby the final energy consumption stays almost on a constant level with increasing importance of electricity and biomass. Both regulatory interventions in the electricity sector and energy saving targets on the primary energy demand lead to higher energy system costs and therewith to a decrease of efficiency based on the extended understanding. The energy demand is reduced stronger than it is efficient and the saving targets lead to the extended use of other resources resulting in totally higher costs. The integrated system analysis in this study points out the interactions between emission reduction and energy saving targets. Some emission reduction pathways like the extended use of nuclear, CCS or biomass and also the extended use of electricity in general are blocked by an energy saving target for the primary energy consumption. There are conflicting interests between the two targets. Especially at higher emission reduction targets energy savings are hard to reach and lead to clearly higher energy system costs. In total it could be shown that an integrated energy system analysis is needed to analysis the whole energy system and the indirect effects of energy use in the industrial sector as well as the interactions with other sectors. Both normative targets and political regulatory interventions in the electricity sector lead to deviations from the efficient use of energy and therewith from the cost optimal pathway.