Im vorliegenden Band I betrachten drei Forschungsinstitute die Flexibilitätsoptionen in verschiedenen Branchen und Sektoren aus energiesystemanalytischer Sicht. Dabei führen die beteiligten Institute, das Energiewirtschaftliche Institut an der Universität zu Köln (EWI), das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie (WI) und das Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung - Energiesystemtechnik (IEK-10) eine detaillierte Systembetrachtung der Flexibilitäts- und Dekarbonisierungsoptionen durch. Hierzu wird die Arbeit in zwei Teile gegliedert, die sich durch den methodischen Ansatz unterscheiden. In Teil A wird von den Instituten EWI, WI und IEK-10 eine integrierte Energiesystemanalyse unter Berücksichtigung von Strom- und Gasnetzen vorgestellt. In Teil B stellt das WI seine Untersuchungen zu einer treibhausgasneutralen Transformation der Grundstoffindustrie vor.
Power-to-X-Technologien werden in Band II als Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Industrie-, Strom-, Wärme- und Verkehrssektors diskutiert. Es wird erwartet, dass der Einsatz dieser Technologien beträchtlich zunehmen und einen umfangreichen Energie- und Materialbedarf nach sich ziehen wird. Der vorliegende Band beleuchtet die Umweltwirkungen, Lebenszykluskosten und die Rohstoffkritikalität des voraussichtlichen Einsatzes von Power-to-X-Technologien (PtX). Dabei führen die beteiligten Institute, Institut für Energie- und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung am Forschungszentrum Jülich (IEK-STE) Lebenszyklusanalysen und Lebenszykluskostenrechnungen und das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie (WI) Kritikalitätsanalysen durch.
Band III untersucht die Auswirkungen von alternativen Energieträgern und Antriebssystemen auf den Verkehrssektor in Nordrhein-Westfalen. Hierfür wurde zunächst der gegenwärtige Verkehrssektor hinsichtlich Verkehrsleistung, Emissionen und Immissionen analysiert.
Dazu wurden konventionelle fossile Kraftstoffe ökonomisch und hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen analysiert. Um eine Auswahl von zukünftigen vielversprechenden Energieträgern und Antriebssystemen zu selektieren, wurden diese hinsichtlich ihrer technischen Reife auf Produktionsseite, ihrer Produktgestehungskosten, ihrer Kompatibilität mit der bestehenden Fahrzeugflotte, ihrer Einsatzfähigkeit für unterschiedliche Fahrzeuge und Sektoren und ihrer Umweltwirkungen analysiert und priorisiert. Basierend auf den Ergebnissen der Priorisierung wurden die Auswirkungen der selektierten Antriebskonzepte und Energieträger auf die zukünftige Lade- und Tankstelleninfrastruktur, Konkurrenz und Synergien der selektierten Optionen einem klimaneutralen Europa und das Schadstoffreduktionspotenzial bei Einsatz der selektierten Optionen untersucht.
Des Weiteren wurden künftige Entwicklungen im Verkehrssektor mit dem Energiesystemmodell DIMENSION mit dem Ziel untersucht, die Gesamtkosten zur Erreichung von Klimaneutralität bis 2050 über alle betrachteten Sektoren und Länder zu minimieren. Für die Untersuchungen des Schadstoffreduktionspotenzials wurden die Auswirkungen der als vielversprechend identifizierten Energieträger und Antriebskonzepten im Rahmen von unterschiedlichen Szenarien im Straßenverkehr, in der Binnenschifffahrt, im Schienenverkehr und im Flugverkehr auf die lokalen NOx- und PM-Emissionen in Stadtgebieten in Nordrhein-Westfalen untersucht.
In diesem Band arbeiten die Institute Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung - Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-14), das Gas- und Wärme-Institut Essen (GWI), die Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Fluid Verfahrenstechnik (RUB), das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie sowie das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) an der technischen Umsetzung und technologischen Weiterentwicklung von PtX-Technologien. Hierzu werden, die im vorangegangenen Hauptprojekt des Virtuellen Instituts Strom zu Gas und Wärme errichtete Demonstrationsanlage und begleitende Modelle, weiter genutzt. Im Fokus stehen der Betrieb der Systemkomponenten (Elektrolyse, Methanisierung, KWK), die Modellierung der Prozessschritte zur Charakterisierung der Einzeltechnologien, Betrachtungen zum Scale-up von PtG-Technologien, PtH als Flexibilitätsoption sowie insgesamt der Einsatz von Flexibilitätsoptionen aus dem Blickwinkel der Sektorenkopplung.
Die Wärmebereitstellung für Raumwärme, Prozesswärme und Warmwasser stellt den dominierenden Endenergiebedarf Deutschlands dar. Dennoch geht der große Erfolg der Energiewende im Stromsektor bis dato weitestgehend am Wärmesektor vorbei, weshalb die Wärmewende aktuell häufig als „schlafender Riese“ des deutschen Energiesystems bezeichnet wird. Im Teilprojekt „Smart Heating – Bivalente Power-to-Heat-Systeme in Wohngebäuden“ wird das Wärmekonzept der hybriden Wärmepumpen (WP) für den häuslichen Bereich mittels Simulation und experimentellen Untersuchungen analysiert. Die Möglichkeit die Gebäudewärmeversorgung durch Strom oder Erdgas bereitzustellen, bietet im Zuge der Energiewende neue ökologische und auch ökonomische Potenziale, die in dieser Arbeit aufgezeigt werden sollen.
In diesem Band untersucht das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT ein neues Power2X-Verfahren zur Herstellung von 1,3-Butadien. Die neue Syntheseroute basiert auf dem Einsatz von Ethanol als nachhaltigem Rohstoff, welches entweder fermentativ oder elektrokatalytisch unter Einsatz von CO2 gewonnen wird. Neben der Entwicklung und Testung eines neuen multifunktionalen Katalysatorsystems zur einstufigen Butadiensynthese aus Ethanol (Lebedev Prozess) wurden die potenziellen Umweltauswirkungen des neuen Verfahrens im Rahmen einer Lebenzyklusanalyse (LCA) ermittelt. Hierbei wurden die neue Syntheseroute bei Verwendung verschiedenen Katalysatoren mit der konventionellen Butadienherstellung aus dem Weiterverarbeitungsprozess fossiler Rohstoffe (Steamcracking) verglichen. Die hier präsentierten Ergebnisse geben Rückschlüsse auf das Potential des neuen Katalysatorsystems und des neuen Power2CX-Verfahrens zur Herstellung von 1,3-Butadien im Vergleich zum konventionellen Prozess.
Das Hauptprojekt des Virtuellen Institutes – Strom zu Gas und Wärme stellt nachfolgend seinen Abschlussbericht über die Forschungsaktivitäten der Jahre 2015 - 2017 vor. Die Ergebnisse zur Integration von Flexibilitätsoptionen ins Energiesystem werden in fünf Bänden plus Management Summary veröffentlicht und finden sich hier zum freien Download.
Die Systembetrachtung zeichnet unter verschiedenen Randbedingungen Zukunftsszenarien auf, die sich sowohl an ökonomischen als auch ökologischen Zielen orientieren und in denen sich die unterschiedlichen Technologien bzw. Flexibilitätsoptionen integrieren müssen.
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Die Pfadbetrachtungen untersuchen die singulären Technologien und die dazugehörigen Umsetzungs-pfade und geben konkrete Handlungsempfehlung zur Weiterentwicklung dieser Flexibilitätsoptionen. Dabei werden die individuellen Stärken, Schwächen, Chancen und Potentiale dieser Technologien aufgezeigt.
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Die experimentelle Begleitforschung beinhaltet Ergebnisse aus Labor- und Pilotanlagen, die sich u.a. mit den Themenbereichen Elektrolyse und Methanisierung beschäftigen. Darüber hinaus wurde eine Demonstrationsanlage errichtet, um Flexibilitätsoptionen in der Praxis umsetzen und testen zu können.
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Der Anhang enthält eine Reihe weiterer Ergebnisse und detaillierter Inhalte, die zu Gunsten der besseren Lesbarkeit aus den Hauptteilen extrahiert wurden.
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Die Steckbriefsammlung ist ein praktischer Helfer, der mit umfangreichen Daten und Fakten zu mehr als 20 Technologieklassen aufwartet.
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Die Management Summary stellt der Leserschaft eine Kurzfassung aller Berichtsteile zur Verfügung.
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Nach dem Abschluss des einjährigen Vorprojekts sind nun erste Ergebnisse veröffentlicht worden und stehen hier zum Download bereit. Das Virtuelle Institut wird nun mit seinen Akteuren im Rahmen des Hauptprojektes an der Umsetzung der im Bericht aufgezeigten Forschungsagenda arbeiten.
zur Entwicklung einer Forschungsagenda vor dem Hintergrund der spezifischen Rahmenbedingungen und Herausforderungen für NRW
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Technologiecharakterisierungen in Form von Steckbriefen.
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Auswertung von Studien zu künftigem Bedarf an Stromspeicherung
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