E-Book, Deutsch, 418 Seiten
Nagel Energie- und Ressourceninnovation
1. Auflage 2017
ISBN: 978-3-446-45275-6
Verlag: Carl Hanser
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark
Wegweiser zur Gestaltung der Energiewende
E-Book, Deutsch, 418 Seiten
ISBN: 978-3-446-45275-6
Verlag: Carl Hanser
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark
Die Energiewende bewegt ganz Deutschland. Atomenergie soll durch erneuerbare Energie ersetzt werden. Die Energiewirtschaft wird sich grundlegend erneuern. Dieses Buch zeigt Ihnen, worüber wir jetzt nachdenken müssen und welche Lösungsansätze es gibt:
? Wie können die volatilen Energien gut in das Gesamtsystem der Energieerzeugung integriert werden?
? Welche Rolle spielen die konventionellen Energien in Zukunft?
? Welche Anforderungen werden zukünftig an Speicher gestellt?
? Welche Chancen und Potenziale haben erneuerbare Energien und Kraft-Wärme-Kopplung in Europa?
? Wie kann die Wertigkeit erneuerbarer Energieträger beurteilt werden?
? Welche Ansätze für unterstützende Entscheidungsmodelle gibt es?
Sie erfahren, welche Innovationen bereits bei der Neugestaltung der Energiebereitstellung helfen und welche noch fehlen. Ein intensiver Einstieg in das Innovationsmanagement und praktische Beispiele führen Ihnen diesen entscheidenden Aspekt vor Augen. Dieses Buch sollte jede(r) 'energiewendige' Verantwortliche lesen.
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1;Inhalt;6
2;Vorwort;10
3;1 Grundlagen der Energiewirtschaft;14
3.1;1.1 Begriffe der Energiewirtschaft;14
3.1.1;1.1.1 Energie;15
3.1.2;1.1.2 Energieinhalt;17
3.1.3;1.1.3 Stufen der Energiebereitstellung;17
3.1.4;1.1.4 Begriffe der Leistung;21
3.1.5;1.1.5 Wirkungsgrad;29
3.2;1.2 Energiewirtschaft früher und heute;30
3.3;1.3 Die neuen Herausforderungen;48
3.3.1;1.3.1 Technologische Herausforderungen;49
3.3.2;1.3.2 Politische/ökonomische Herausforderungen;53
3.3.3;1.3.3 Soziale und gesellschaftliche Herausforderungen;58
3.4;1.4 Der deutsche Energiemarkt;61
3.5;1.5 Energiewirtschaft in der EU;74
4;2 Flexibilisierung der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs;88
4.1;2.1 Betrachtung der erneuerbaren Energien unter Nachhaltigkeitsaspekten;88
4.1.1;2.1.1 Ökologische Aspekte erneuerbarer Energien;88
4.1.2;2.1.2 Ökonomische Aspekte erneuerbarer Energien;106
4.1.3;2.1.3 Soziale und politische Aspekte erneuerbarer Energien;111
4.2;2.2 Die Rolle der erneuerbaren und konventionellen Energien im Energiemarkt;113
4.2.1;2.2.1 Power-to-Heat (PtH);117
4.2.2;2.2.2 Lastenteilung;120
4.2.3;2.2.3 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK);125
4.3;2.3 Volatile Energien und deren Potenziale in Deutschland;132
4.3.1;2.3.1 Windenergie;132
4.3.2;2.3.2 Solarenergie;138
4.3.3;2.3.3 Betrachtung der Gesamterzeugung aus Windenergie und Photovoltaik;147
4.4;2.4 Konzepte zur Homogenisierung der Lastgänge und des Bedarfs;151
4.4.1;2.4.1 Smart Meter;153
4.4.2;2.4.2 Smart Grid;162
5;3 Möglichkeiten neuer Technologien in den Zeiten volatiler Energieerzeugung;168
5.1;3.1 Energiespeicher und deren Möglichkeiten;168
5.1.1;3.1.1 Kategorisierung und Klassifizierung von Speichern;171
5.1.2;3.1.2 Vergleich technischer Eigenschaften von Stromspeichern;173
5.1.3;3.1.3 Wirtschaftliche Aspekte von Stromspeichern;179
5.1.4;3.1.4 Speichertechnologien;181
5.2;3.2 Virtuelle Kraftwerke (VK);199
5.3;3.3 Die Bedeutung biogener Energieerzeugung;211
5.3.1;3.3.1 Anlagentechnologie für flexible Stromerzeugung;217
5.3.2;3.3.2 Deckung der Residuallast;222
5.3.3;3.3.3 Herausforderungen für den flexiblen Einsatz von Bioenergieanlagen;224
5.3.4;3.3.4 Marktwirtschaftliche Aspekte;229
6;4 E-Energy und Entscheidungsmodelle;244
6.1;4.1 Vernetztes Energiesystem;244
6.2;4.2 Umgang mit großen Datenmengen;260
6.3;4.3 Computermodelle im E-Energy-System;265
6.3.1;4.3.1 Überblick Bionik;266
6.3.2;4.3.2 Schwarmintelligenz;272
6.3.3;4.3.3 Neuronale Netze;291
6.3.4;4.3.4 Die Evolutionstheorie als Optimierungsprozess;297
6.3.5;4.3.5 Quantifizierung von Stabilität in Stromnetzen;315
7;5 Innovationsmanagement im Energiebereich;326
7.1;5.1 Innovationsstrategie – die Einführung;333
7.1.1;5.1.1 Beispiel der innovativen Produktion von Biokraftstoffen, Firma VERBIO Vereinigte Bioenergie AG;336
7.1.2;5.1.2 Beispiel der Entwicklung eines innovativen Verfahrens für Biokraftstoff, Firma Clariant;345
7.2;5.2 Innovationsstrategie – die Theorie;348
7.2.1;5.2.1 Strategien der Zeitpunktwahl;349
7.2.2;5.2.2 Strategien der Technologiebeschaffung;352
7.2.3;5.2.3 Strategien der Technologieverwertung;355
7.2.4;5.2.4 Strategien des Innovationsimpulses;357
7.3;5.3 Innovationsstrategie am Beispiel von Biokraftstoffen aus Lignocellulose-Resstoffen;359
7.3.1;5.3.1 Innovationsstrategie Firma VERBIO;359
7.3.2;5.3.2 Innovationsstrategie Firma Clariant;362
7.3.3;5.3.3 Fazit der Innovationsstrategie;364
7.4;5.4 Innovationen voranbringen;370
7.4.1;5.4.1 Messung des Erfolgs im Innovationsprozess;371
7.4.2;5.4.2 Die Innovationsfähigkeit;374
7.4.3;5.4.3 Energiewende – Innovationsmotor für Deutschland;381
7.4.4;5.4.4 Komplexe Innovation im Rahmen der Energiewende;384
8;Literatur;388
9;Stichwortverzeichnis;416
| 2 | Flexibilisierung der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs |
Aufgrund der intensiven Einbindung volatiler erneuerbarer Energien in das deutsche wie auch das europaweite Energiesystem stellt sich die Frage, welche Konzepte für eine sichere Versorgung angedacht sind und welche erfolgversprechend sein können.
| 2.1 | Betrachtung der erneuerbaren Energien unter Nachhaltigkeitsaspekten |
Die unterschiedlichen erneuerbaren Energien (wie Sonnenenergie, Windenergie, Geothermie, Wasserkraft, Bioenergie) werden unter dem Blickwinkel der Ökologie, Ökonomie und sozialer/politischer Aspekte betrachtet. Dabei wird neben klassischen Betrachtungen zu ökologischen Auswirkungen z.?B. auf die unterschiedlichen Gestehungskosten und die damit verbundenen Probleme eingegangen. Darüber hinaus werden Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt analysiert. Ebenso wird beleuchtet, welcher Umsatz mit den einzelnen EE bereits heute am Markt erzielt wird.
| 2.1.1 | Ökologische Aspekte erneuerbarer Energien |
Grundlage dieses Kapitels bildet die Studie (Memmler 2014) des Umweltbundesamtes. Im Rahmen der Studie wurden Ökobilanzen für die Strom- und Wärmebereitstellung aus unterschiedlichen technologischen Möglichkeiten an erneuerbaren Energien aufgestellt, analysiert und bewertet. Betrachtet wurden dabei in der Netto-Bilanz sowohl die Emissionen an Treibhausgasen und sonstigen Luftschadstoffen, die durch die Substitution fossiler Energiebereitstellung vermieden werden, wie auch die Emissionen, die durch den Einsatz erneuerbarer Energien verursacht werden.
Die Studie basiert auf der Methode der Lebenszyklusanalyse (Klöpffer 2009). Sie berücksichtigt die bei der Umwandlung von Primär- und Sekundärenergieträgern in Endenergieträger auftretenden Emissionen, wie diese z.?B. bei der Verbrennung fossiler wie auch biogener Energieträger auftreten, die sogenannten direkten Emissionen. Es werden aber auch die indirekten Emissionen in Ansatz gebracht, die durch Vorketten der Umwandlungsprozesse verursacht werden, wie z.?B. bei der Herstellung von Anlagen zur Energieumwandlung, Gewinnung und Bereitstellung von Energieträgern oder dem Bau von Gebäuden.
Es werden in der Studie acht Schadstoffe bzw. Schadstoffsummen betrachtet, die in Tabelle 2.1 dargestellt sind.
Tabelle 2.1 Übersicht der betrachteten Treibhausgase und Luftschadstoffe (Memmler 2014)
| Kategorie | Name | Chemische Bezeichnung | Relatives Treibhausgas- bzw. Versauerungspotenzial (für Strom/Wärme/ Verkehr) |
| Äquivalenzfaktor | Einheit |
| Treibhausgase | Kohlenstoffdioxid | CO2 | 1 | kg CO2eq |
| Säurebildende Schadstoffe | Schwefeldioxid | SO2 | 1 | kg SO2eq |
| Weitere Luftschadstoffe | Staub | - | - | |
| CO2eq ? CO2-Äquivalent, SO2eq ? SO2-Äquivalent |
Im Rahmen einer Ökobilanz wird den einzelnen Emissionen eine Referenzsubstanz (Wirkungsindikator) zugeordnet, hier CO2 bzw. SO2 (Nagel 2015). Die Emissionen werden über einen Faktor, den Äquivalenzfaktor, umgerechnet und einer Wirkungskategorie, in diesem Fall dem Treibhausgaspotenzial (GWP) bzw. dem Versauerungspotenzial, zugeordnet (Nagel 2015). Das Ergebnis wird dann als CO2eq (CO2-Äquivalente) bzw. SO2eq (SO2-Äquivalente) angegeben.
Im Folgenden wird ausschließlich das Treibhausgas CO2 betrachtet.
Aus den durchgeführten Betrachtungen wird errechnet, in welchem Umfang die Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen aus dem Einsatz fossiler Energieträger durch die Substitution mit erneuerbaren Energien vermieden werden können. Es ergibt sich ein spezifischer Netto-Vermeidungsfaktor (VFnetto). Um diesen zu berechnen, werden zunächst brutto vermiedene Emissionen (Ev, brutto) errechnet (Memmler 2014):
| (2.1) |
mit den Faktoren:
Ev,brutto ? brutto vermiedene Emissionen [t]: Fossile Energieträger werden durch die Bereitstellung von Endenergie aus erneuerbaren Energien substituiert.
EEBern ? Endenergie aus erneuerbaren Energien [GWh]: Basisparameter der Emissionsbilanz.
SFm ? Substitutionsfaktoren [%]: jeweiliger Anteil der fossilen Energieträger (z.?B. Öl, Gas, Braun- und Steinkohle), der durch die Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien (EEBern) verdrängt wird. Sie spiegeln den Mix der Substitution fossiler Energieträger durch die Nutzung erneuerbarer Energieträger wider.
EFfossil,m ? Emissionsfaktor des jeweiligen Energieträgers : Zusammenfassung der Gesamt-Emissionen über die jeweilige Energiebereitstellungskette. Dabei werden sowohl die direkten wie die indirekten (Vorketten ? Gewinnung, Aufbereitung und Transport der Brennstoffe über die Herstellung der Anlagen bis zum Einsatz von Hilfsenergie und Hilfsstoffen im Anlagenbetrieb einschließlich deren Vorketten) Emissionen angesetzt. Sie repräsentieren den durchschnittlichen Anlagenbestand in Deutschland.
Erneuerbare Energien verursachen bei ihrer Umwandlung in Endenergie (EEBern) jedoch ebenfalls Emissionen (Eu [t]). Diese lassen sich wie folgt berechnen (Memmler 2014):
| (2.2) |
mit
EFern ? jeweiliger erneuerbarer Emissionsfaktor
Um nun die netto vermiedenen Emissionen (Ev,netto [t]) aus der Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien zu ermitteln, wird die Differenz aus den brutto vermiedenen Emissionen (Ev.brutto [t]) und den durch erneuerbare Energien verursachten Emissionen (Eu [t]) gebildet (Memmler 2014):
| (2.3) |
Ist das Ergebnis der Subtraktion positiv, werden mehr Emissionen aus erneuerbaren Energien vermieden, als durch deren Umwandlung erzeugt werden. Dies hat ebenfalls eine positive Wirkung auf die Umwelt, die in diesem Fall durch den Einsatz erneuerbarer Energien zur Herstellung von Endenergie entlastet wird.
Als letzter Faktor ist der spezifische Netto-Vermeidungsfaktor (VFnetto ) interessant, der sich aus folgender Gleichung ergibt (Memmler 2014):
| (2.4) |
Wird die Endenergiebereitstellung aus biogenen Energieträgern betrachtet, die nicht Reststoffe oder Abfälle sind, kann es zu Landnutzungsänderungen kommen. Dies ist ein wichtiger Faktor, der auf das Ergebnis einen entsprechenden Einfluss haben kann. Weitere Informationen können direkt der Studie (Memmler 2014) entnommen werden.
Die Berechnung der Ökobilanz zeigt, dass im Jahr 2013 Treibhausgasemissionen in Höhe von 146 Mio. t CO2-Äquivalente durch unterschiedliche Maßnahmen vermieden werden konnten. 72?% (105,4 Mio. t CO2-Äquivalente) davon wurden durch die Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien hervorgerufen. Der Großteil davon (84 Mio. t CO2-Äquivalente) stammt aus Anlagen mit EEG-Vergütung. Im Wärmebereich konnte eine Senkung der Treibhausgasemissionen von 35,6 Mio. t (25?%) und im Kraftstoffbereich von 4,8 Mio. t (3?%) CO2-Äquivalente erreicht werden. Bild 2.1 fasst die Ergebnisse zusammen.
Bild 2.1 Netto vermiedene Treibhausgasemissionen durch die Nutzung erneuerbarer Energien im Jahr 2013 (nach Memmler 2014)
Wie stark die einzelnen Sektoren (Strom, Wärme, Verkehr) zur Reduzierung der Treibhausgase beitragen, ist sehr unterschiedlich (s. Bild 2.2). Die höchste Vermeidung an Treibhausgasen konnte im Sektor Stromerzeugung mit 72?% erreicht werden, obwohl dieser Bereich nur 47?% an der gesamten bereitgestellten Energie aus erneuerbaren Energien im Jahr 2013 ausmachte. Etwas mehr als die Hälfte (53?%) an Endenergie aus erneuerbaren Energien wurde in den Sektoren Wärme und Verkehr genutzt. Doch lag deren Vermeidungspotenzial zusammen nur bei 28?%. In diesen beiden Sektoren zeigt sich ein noch größeres bestehendes Potenzial.
Bild 2.2 Anteile der Sektoren an der Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien und den dadurch vermiedenen Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) im Jahr 2013 (nach Memmler 2014)
Zwischen den drei Sektoren kommen bei den Berechnungen unterschiedliche Einflüsse zum Tragen. So ist bei der Strom- und Wärmeerzeugung entscheidend, welche fossilen Energieträger durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Bei den Biokraftstoffen sind Art und Herkunft der Rohstoffe entscheidend. Hinzu kommen Verdrängungseffekte und sekundäre Landnutzungsänderungen, die zu Unsicherheiten bei der Bilanzierung führen.
In Tabelle 2.2 sind die Netto-Vermeidungsfaktoren für die drei Sektoren und die netto vermiedenen Emissionen aufgeführt. Die im Stromsektor erreichten hohen spezifischen...
