Digitale Dekarbonisierung: Technologieoffen die Klimaziele erreichen
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| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2021]
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis 1 Dekarbonisierung als strategischer Fixpunkt................................................ 1.1 Klimaschutz - die globale Herausforderang.............................................. 1.1.1 Klimapolitische Initiativen im Überblick...................................... 1.1.2 Status quo - wo stehen wir am Beginn des dritten Jahrzehnts?. ... 1.2 Megatrends der globalen Energiewende.................................................... 1.2.1 Dekarbonisierung............................................................................ 1.2.2 Digitalisierung................................................................................. 1.2.3 Dezentralisierung............................................................................ 1.3 Dekarbonisierung als strategischer Dreh-und Angelpunkt........................ 1.4 Technologieoffen die Klimaziele erreichen................................................ 1.4.1 Etablierte Maßnahmen der Dekarbonisierung................................. 1.4.2 Technologieoffenheit und prozessbezogene Maßnahmen der Dekarbonisierung............................................................................ 1 2 3 7 8 9 11 12 13 16 16 2 Facetten der Dekarbonisierung........................................................................ 2.1 Treiber der Dekarbonisierung [WARUM].................................................. 2.1.1 Gesellschaftliche Erwartungen...................................................... 2.1.1.1 Klimaschutz.................................................................... 2.1.1.2
Verantwortung................................................................. 2.1.1.3 Nachhaltige Urbanität...................................................... 2.1.2 Ökonomische Erwägungen............................................................ 2.1.2.1 Energiebedarf.................................................................. 2.1.2.2 Energiekosten.................................................................. 2.1.2.3 Infrastruktur.................................................................... 2.1.3 Technische Rahmenbedingungen.................................................... 2.1.3.1 Energietechnik................................................................ 2.1.3.2 Leistungsprozesse............................................................ 2.1.4 Exogene Schocks - Beispiel Covid-19-Pandemie.......................... 21 22 22 23 25 26 28 28 29 31 33 34 36 37 17 XXV
XXVI 2.2 Handlungsfelder des Übergangs zur emissionsannen Ökonomie [WO]... 2.2.1 Geschäftsstrategie.......................................................................... 2.2.2 Betriebsprozesse............................................................................ 2.2.3 Governance und öffentliches Engagement...................................... Technologiefelder der Dekarbonisierung [WO]........................................ 2.3.1 Erneuerbare Energien und Energiemanagement............................ 2.3.1.1 Drei Phasen der Dekarbonisierung eines Energiesystems................................................................ 2.3.1.2 Übergang zwischen der Phase 2 auf Phase 3.................. 2.3.2 Speicherlösungen............................................................................ 2.3.3 Sektorkopplung.............................................................................. Zielbild Dekarbonisierung [WOHIN]........................................................ 2.4.1 Zielbilder stiften Orientierung für die Dekarbonisierung.............. 2.4.2 Zielbild der technologieoffenen Dekarbonisierung........................ 2.4.3 Abgeleitete Aktionsfelder technologieoffener Dekarbonisierung... 39 40 44 46 48 49 Handlungsoption Digitale Dekarbonisierung.................................................. 3.1 Energieflüsse als unterschätzter Hebel........................................................ 3.2 Sektorübergreifende Modellierung innovativer Technologieoptionen........ 3.2.1
Zielfunktion.................................................................................... 3.2.2 Systemmodell Energiebedarfe......................................................... 3.2.3 Systemmodell Energieumwandlungsanlagen................................ 3.2.4 Systemmodell Energietransportinfrastruktur.................................. 3.2.5 Systemmodell Energieeinsparmaßnahmen..................................... 3.2.6 Systemmodell Strukturanpassungen der Industrie........................... 3.2.7 Systemmodell C02-negative Technologien..................................... 3.3 Idee der datenbasierten Dekarbonisierung.................................................. 3.3.1 Globale Geo-Datenbasis für Energiesysteme................................ 3.3.1.1 Energiebedarf - Verbrauchsprofile und räumliche Verteilung........................................................................ 3.3.1.2 Installierte Erzeugungskapazitäten und Ausbaukorridore.............................................................. 3.3.1.3 Erzeugungsprofile aus emeuerbaren Ressourcen............ 3.3.2 Datenbasis zu Technologien und deren Entwicklungen................ 3.3.3 Regulatorische Randbedingungen und Szenariorahmen................ 3.3.4 Herausforderungen und Entwicklungspotenzial............................ 3.3.4.1 Modellierungstiefe und Unsicherheiten in den Parametern...................................................................... 3.3.4.2 Automatisierte Datenerfassung und Datenaufbereitung... 67 67 69 69 72 74 77 78 79 80 81 81 Dekarbonisierung durch datenbasierte
Optimierung.................................... 4.1 Einführung in die Modellierangsmethodik................................................ 4.1.1 Festlegung des Betrachtungsobjekts............................................... 97 98 98 2.3 2.4 3 4 Inhaltsverzeichnis 49 51 53 56 59 59 60 63 83 86 87 92 92 94 94 95
Inhaltsverzeichnis ____________________________ ______ _ 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 xxvl1 Anforderungen an die Optimierungsmethode................................ Lineare Optimierungsprobleme...................................................... Methode der Digitalen Dekarbonisierung...................................... Zugrunde liegende Annahmen und Grenzen der Methode............ Weiterführende Aspekte und Literaturverweise.............................. Umsetzung...................................................................................... Fokus: Modellierung von C02-Emissionen und prinzipielle Überlegungen zur Dekarbonisierung von Energiesystemen.......... Digitale Dekarbonisierung im Rahmen eines Analyse- und Beratungsprojekts...................................................................................... Von der Energiesystemdesign-Beratung zum optimierten Betrieb............ 100 101 102 109 110 111 5 Makrobetrachtung inklusive Anwendungsfälle.............................................. 5.1 Entscheidende Aspekte der Makromodellierung......................................... 5.1.1 Klimaziele und Technologieneutralität.......................................... 5.1.2 Migrationspfade und Betrachtungshorizont.................................... 5.1.3 Versorgungssicherheit.................................................................... 5.2 Die Rolle der Sektorkopplung zur Erreichung der Klimaziele in Deutschland................................................................................................ 5.2.1 Szenariorahmen und
Sensitivitäten................................................ 5.2.2 Hebel zur kostenminimierten Dekarbonisierung............................ 5.2.3 Ergebnisse Stromsektor.................................................................. 5.2.4 Ergebnisse Wärmesektor................................................................ 5.2.5 Ergebnisse Verkehrssektor.............................................................. 5.2.6 Diskussion und Bewertung der Ergebnisse.................................... 5.3 Vergleich ausgewählter Länderenergiesysteme.......................................... 5.3.1 Erneuerbare in vom Öl- und Gasexport dominierten Ländern im Mittleren Osten.......................................................................... 5.3.1.1 Motivation und charakteristische Eigenschaften............. 5.3.1.2 Szenarien........................................................................... 5.3.1.3 Ergebnisse......................................................................... 5.3.2 Wie der Emeuerbaren-Ausbau die Energieflüsse umkehrt - das Beispiel Südafrika.......................................................................... 5.3.2.1 Motivation regional aufgelöster Modellierung................. 5.3.2.2 Methodik zur Identifikation regionaler Cluster................. 5.3.2.3 Fallstudie regionalisierte Dekarbonisierung am Beispiel Südafrika............................................................ 5.3.3 Die Erneuerbaren in Ländern mit mäßigem Erzeugungspotenzial - das Beispiel Malaysia................................ 5.3.3.1 Motivation und
charakteristische Eigenschaften............. 5.3.3.2 Szenarien........................................................................... 5.3.3.3 Ergebnisse......................................................................... 121 124 124 125 126 4.2 4.3 111 116 118 127 128 131 134 137 138 139 142 142 143 144 147 150 150 151 152 154 154 157 158
Inhaltsverzeichnis XXVIII 5.3.4 6 7 Energiesystemarchetypen................................................................ 5.3.4.1 Motivation........................................................................ 5.3.4.2 Methodik zur Identifikation der Archetypen.................... 5.3.4.3 Beschreibung der Energiesystemarchetypen im Vergleich mit geografisch-wirtschaftlichen Nachbarregionen.............................................................. 5.3.4.4 Modellierung der Archetypen in einem Energiesystemoptimierungsmodell.................................. 5.3.4.5 Diskussion des Potenzials und der Grenzen von Archetypen...................................................................... 161 162 162 Mikrobetrachtung inklusive Anwendungsfalle.............................................. 6.1 Besonderheiten der Digitalen Dekarbonisierung bei Mikrobetrachtungen.................................................................................... 6.2 Erste Anwendung der Methode zur Digitalen Dekarbonisierung auf Mikroebene am Beispiel eines europäischen Flughafens.......................... 6.2.1 Einführung, Szenarien und Annahmen.......................................... 6.2.2 Ergebnisse und Diskussion............................................................ 6.3 Bedeutung von Regulatorik am Beispiel einer Molkerei............................ 6.3.1 Einführung, Annahmen und Szenarien.......................................... 6.3.2 Ergebnisse und Diskussion............................................................ 6.4 Wie die Dekarbonisierung der urbanen Wärmeversorgung
gelingen kann............................................................................................................ 6.4.1 Einführung in die urbane Wärmeversorgung in Deutschland........ 6.4.2 Technologien zur Dekarbonisierung der Fernwärme...................... 6.4.3 Standort in der technologieoffenen Betrachtung............................ 6.4.4 Ergebnisse und Diskussion............................................................ 6.5 Abschließende Bemerkungen zu den Mikrobetrachtungen........................ 169 164 167 168 170 171 171 175 178 178 182 185 185 186 188 190 193 Perspektive „weniger Treibhausgase“: eine Schlussbetrachtung.................. 195 Literatur.................................................................................................................... 201 Stichwortverzeichnis 211
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Inhaltsverzeichnis 1 Dekarbonisierung als strategischer Fixpunkt. 1.1 Klimaschutz - die globale Herausforderang. 1.1.1 Klimapolitische Initiativen im Überblick. 1.1.2 Status quo - wo stehen wir am Beginn des dritten Jahrzehnts?. . 1.2 Megatrends der globalen Energiewende. 1.2.1 Dekarbonisierung. 1.2.2 Digitalisierung. 1.2.3 Dezentralisierung. 1.3 Dekarbonisierung als strategischer Dreh-und Angelpunkt. 1.4 Technologieoffen die Klimaziele erreichen. 1.4.1 Etablierte Maßnahmen der Dekarbonisierung. 1.4.2 Technologieoffenheit und prozessbezogene Maßnahmen der Dekarbonisierung. 1 2 3 7 8 9 11 12 13 16 16 2 Facetten der Dekarbonisierung. 2.1 Treiber der Dekarbonisierung [WARUM]. 2.1.1 Gesellschaftliche Erwartungen. 2.1.1.1 Klimaschutz. 2.1.1.2
Verantwortung. 2.1.1.3 Nachhaltige Urbanität. 2.1.2 Ökonomische Erwägungen. 2.1.2.1 Energiebedarf. 2.1.2.2 Energiekosten. 2.1.2.3 Infrastruktur. 2.1.3 Technische Rahmenbedingungen. 2.1.3.1 Energietechnik. 2.1.3.2 Leistungsprozesse. 2.1.4 Exogene Schocks - Beispiel Covid-19-Pandemie. 21 22 22 23 25 26 28 28 29 31 33 34 36 37 17 XXV
XXVI 2.2 Handlungsfelder des Übergangs zur emissionsannen Ökonomie [WO]. 2.2.1 Geschäftsstrategie. 2.2.2 Betriebsprozesse. 2.2.3 Governance und öffentliches Engagement. Technologiefelder der Dekarbonisierung [WO]. 2.3.1 Erneuerbare Energien und Energiemanagement. 2.3.1.1 Drei Phasen der Dekarbonisierung eines Energiesystems. 2.3.1.2 Übergang zwischen der Phase 2 auf Phase 3. 2.3.2 Speicherlösungen. 2.3.3 Sektorkopplung. Zielbild Dekarbonisierung [WOHIN]. 2.4.1 Zielbilder stiften Orientierung für die Dekarbonisierung. 2.4.2 Zielbild der technologieoffenen Dekarbonisierung. 2.4.3 Abgeleitete Aktionsfelder technologieoffener Dekarbonisierung. 39 40 44 46 48 49 Handlungsoption Digitale Dekarbonisierung. 3.1 Energieflüsse als unterschätzter Hebel. 3.2 Sektorübergreifende Modellierung innovativer Technologieoptionen. 3.2.1
Zielfunktion. 3.2.2 Systemmodell Energiebedarfe. 3.2.3 Systemmodell Energieumwandlungsanlagen. 3.2.4 Systemmodell Energietransportinfrastruktur. 3.2.5 Systemmodell Energieeinsparmaßnahmen. 3.2.6 Systemmodell Strukturanpassungen der Industrie. 3.2.7 Systemmodell C02-negative Technologien. 3.3 Idee der datenbasierten Dekarbonisierung. 3.3.1 Globale Geo-Datenbasis für Energiesysteme. 3.3.1.1 Energiebedarf - Verbrauchsprofile und räumliche Verteilung. 3.3.1.2 Installierte Erzeugungskapazitäten und Ausbaukorridore. 3.3.1.3 Erzeugungsprofile aus emeuerbaren Ressourcen. 3.3.2 Datenbasis zu Technologien und deren Entwicklungen. 3.3.3 Regulatorische Randbedingungen und Szenariorahmen. 3.3.4 Herausforderungen und Entwicklungspotenzial. 3.3.4.1 Modellierungstiefe und Unsicherheiten in den Parametern. 3.3.4.2 Automatisierte Datenerfassung und Datenaufbereitung. 67 67 69 69 72 74 77 78 79 80 81 81 Dekarbonisierung durch datenbasierte
Optimierung. 4.1 Einführung in die Modellierangsmethodik. 4.1.1 Festlegung des Betrachtungsobjekts. 97 98 98 2.3 2.4 3 4 Inhaltsverzeichnis 49 51 53 56 59 59 60 63 83 86 87 92 92 94 94 95
Inhaltsverzeichnis _ _ _ 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 xxvl1 Anforderungen an die Optimierungsmethode. Lineare Optimierungsprobleme. Methode der Digitalen Dekarbonisierung. Zugrunde liegende Annahmen und Grenzen der Methode. Weiterführende Aspekte und Literaturverweise. Umsetzung. Fokus: Modellierung von C02-Emissionen und prinzipielle Überlegungen zur Dekarbonisierung von Energiesystemen. Digitale Dekarbonisierung im Rahmen eines Analyse- und Beratungsprojekts. Von der Energiesystemdesign-Beratung zum optimierten Betrieb. 100 101 102 109 110 111 5 Makrobetrachtung inklusive Anwendungsfälle. 5.1 Entscheidende Aspekte der Makromodellierung. 5.1.1 Klimaziele und Technologieneutralität. 5.1.2 Migrationspfade und Betrachtungshorizont. 5.1.3 Versorgungssicherheit. 5.2 Die Rolle der Sektorkopplung zur Erreichung der Klimaziele in Deutschland. 5.2.1 Szenariorahmen und
Sensitivitäten. 5.2.2 Hebel zur kostenminimierten Dekarbonisierung. 5.2.3 Ergebnisse Stromsektor. 5.2.4 Ergebnisse Wärmesektor. 5.2.5 Ergebnisse Verkehrssektor. 5.2.6 Diskussion und Bewertung der Ergebnisse. 5.3 Vergleich ausgewählter Länderenergiesysteme. 5.3.1 Erneuerbare in vom Öl- und Gasexport dominierten Ländern im Mittleren Osten. 5.3.1.1 Motivation und charakteristische Eigenschaften. 5.3.1.2 Szenarien. 5.3.1.3 Ergebnisse. 5.3.2 Wie der Emeuerbaren-Ausbau die Energieflüsse umkehrt - das Beispiel Südafrika. 5.3.2.1 Motivation regional aufgelöster Modellierung. 5.3.2.2 Methodik zur Identifikation regionaler Cluster. 5.3.2.3 Fallstudie regionalisierte Dekarbonisierung am Beispiel Südafrika. 5.3.3 Die Erneuerbaren in Ländern mit mäßigem Erzeugungspotenzial - das Beispiel Malaysia. 5.3.3.1 Motivation und
charakteristische Eigenschaften. 5.3.3.2 Szenarien. 5.3.3.3 Ergebnisse. 121 124 124 125 126 4.2 4.3 111 116 118 127 128 131 134 137 138 139 142 142 143 144 147 150 150 151 152 154 154 157 158
Inhaltsverzeichnis XXVIII 5.3.4 6 7 Energiesystemarchetypen. 5.3.4.1 Motivation. 5.3.4.2 Methodik zur Identifikation der Archetypen. 5.3.4.3 Beschreibung der Energiesystemarchetypen im Vergleich mit geografisch-wirtschaftlichen Nachbarregionen. 5.3.4.4 Modellierung der Archetypen in einem Energiesystemoptimierungsmodell. 5.3.4.5 Diskussion des Potenzials und der Grenzen von Archetypen. 161 162 162 Mikrobetrachtung inklusive Anwendungsfalle. 6.1 Besonderheiten der Digitalen Dekarbonisierung bei Mikrobetrachtungen. 6.2 Erste Anwendung der Methode zur Digitalen Dekarbonisierung auf Mikroebene am Beispiel eines europäischen Flughafens. 6.2.1 Einführung, Szenarien und Annahmen. 6.2.2 Ergebnisse und Diskussion. 6.3 Bedeutung von Regulatorik am Beispiel einer Molkerei. 6.3.1 Einführung, Annahmen und Szenarien. 6.3.2 Ergebnisse und Diskussion. 6.4 Wie die Dekarbonisierung der urbanen Wärmeversorgung
gelingen kann. 6.4.1 Einführung in die urbane Wärmeversorgung in Deutschland. 6.4.2 Technologien zur Dekarbonisierung der Fernwärme. 6.4.3 Standort in der technologieoffenen Betrachtung. 6.4.4 Ergebnisse und Diskussion. 6.5 Abschließende Bemerkungen zu den Mikrobetrachtungen. 169 164 167 168 170 171 171 175 178 178 182 185 185 186 188 190 193 Perspektive „weniger Treibhausgase“: eine Schlussbetrachtung. 195 Literatur. 201 Stichwortverzeichnis 211 |
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