Leitkonzepte Nachhaltigkeit und Resilienz als Richtungsgeber in Transformationsprozessen von Energiesystemen

Against the background of finite fossil fuels, impacts of climate change, and risks of nuclear energy, the far-reaching transformation of energy systems is essential, but also implies risks and undesired directions, e.g. electricity grid overloads, unaffordability, acceptance problems, or still not known and unexpected surprises. In order to follow the direction being actually intended, the question arises how to guide these processes. In this context, guiding concepts - understood as socially shared, simultaneously desired and deemed feasible ideas of future - can play an important role in energy systems, but they are controversial within the scientific community in terms of whether they can be used consciously to give orientation for transformations. In my dissertation I investigated empirically such guiding orientation processes, in which guiding concepts are specified, then spread and implemented. With the help of social-scientific methods, I examined the effectiveness of these processes and found out that it is possible to guide transformation processes with their help, if certain criteria are considered being represented in my dissertation

Measuring raw-material criticality of product systems through an economic product importance indicator: a case study of battery-electric vehicles

Purpose: The concept of criticality concerns the probability and the possible impacts of shortages in raw-material supply and is usually applied to regional economies or specific industries. With more and more products being highly dependent on potentially critical raw materials, efforts are being made to also incorporate criticality into the framework of life cycle sustainability assessment (LCSA). However, there is still some need for methodological development of indicators to measure raw-material criticality in LCSA. Methods: We therefore introduce "economic product importance" (EPI) as a novel parameter for the product-specific evaluation of the relevance and significance of a certain raw material for a particular product system. We thereby consider both the actual raw-material flows (life cycle inventories) and the life cycle cost. The EPI thus represents a measure for the material-specific product-system vulnerability (another component being the substitutability). Combining the product-system vulnerability of a specific product system towards a certain raw material with the supply disruption probability of that same raw material then yields the product-system specific overall criticality with regard to that raw material. In order to demonstrate our novel approach, we apply it to a case study on a battery-electric vehicle. Results: Since our approach accounts for the actual amounts of raw materials used in a product and relates their total share of costs to the overall costs of the product, no under- or over-estimation of the mere presence of the raw materials with respect to their relevance for the product system occurs. Consequently, raw materials, e.g. rare earth elements, which are regularly rated highly critical, do not necessarily reach higher criticality ranks within our approach, if they are either needed in very small amounts only or if their share in total costs of the respective product system is very low. Accordingly, in our case study on a battery-electric vehicle product system, most rare earth elements are ranked less critical than bulk materials such as copper or aluminium. Conclusion: Our EPI approach constitutes a step forward towards a methodology for the raw-material criticality assessment within the LCSA framework, mainly because it allows a product-specific evaluation of product-system vulnerability. Furthermore, it is compatible with common methods for the supply disruption probability calculation -- such as GeoPolRisk, ESP or ESSENZ -- as well as with available substitutability evaluations. The practicability and usefulness of our approach has been shown by applying it to a battery-electric vehicle

Urban Air Mobility Vehicle and Fleet-level Life-Cycle Assessment Using a System-of-Systems Approach

Can Urban Air Mobility (UAM) systems constitute viable and sustainable mobility solutions? This question has increasingly been concerning scientists, companies, policy makers, and authorities as more and more UAM vehicle concepts are seeing the light of day. In order to come closer to answering this question and to demonstrate the dependencies and impacts of the numerous parameters used to describe a highly complex system of a fleet of UAM vehicles operating in an urban environment, this paper employs a System of Systems (SoS) approach. A collaborative SoS framework with an agent-based simulation is introduced, which connects the UAM vehicle design, fleet performance, vertiport network, and re-energizing infrastructure with a Life-Cycle Assessment (LCA). The framework is used to simulate four exemplary UAM fleet-operation scenarios based on two cities and two operational modes, namely urban and suburban operations. Different vehicle design configurations, e.g. multirotor and lift + cruise vehicles, are evaluated in each scenario based on respectively realistic Concepts of Operations (CONOPS). Additionally, two different points in time, namely 2025 and 2050, are considered and assessed for powering the vehicles by taking into account the characteristics of batteries as well as the underlying electricity mix for their operation. Lithium nickel manganese cobalt oxide battery and lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered. The SoS framework helps to asses various UAM metrics such as the average wait time for a passenger, the ideal number of aircraft needed for transporting all passengers within given time, the energy required on a vehicle and fleet level, sustainability metrics, e.g. the global warming potential associated with the energy carriers and many more. The capability to explore a wide design space and to visualize the dependencies between the system parameters and their impacts on different SoS metrics provides stakeholders with a helpful tool for their decision making

Business case analysis of hybrid systems consisting of battery storage and power-to-heat on the German energy market

Declining prices on frequency containment reserve (FCR) markets endanger the profitability of battery energy storage systems (BESS). BESS combined with power-to-heat units could improve the economics both by supplying higher power rates on FCR markets and by converting excessive power into heat. Two cases were investigated with a techno-economic model using primary operation and market data of 2018/2019. The system amortises after 12 years with a net present value of two million € operating on the FCR market. No improvement was realized by additional arbitrage trading. Taxes, levies and charges frameworks are crucial for the economic success of hybrid systems

MCDA for sustainability assessment – insights to Helmholtz Association activities

The "MCDA for sustainability assessment – insights to Helmholtz Association activities" Working Paper aims to compile and reflect previous and on-going work within the Helmholtz Association related to MCDA, in particular, to present use cases and key methodological aspects. It has a focus on but is not limited to energy technologies and systems and is mainly based on the presentations held at the online workshop “Multi criteria decision analysis for sustainability assessment of energy technologies and systems”. The workshop was organized within the activities of the Helmholtz program ESD Topic 1 "Energy System Transformation" and took place on November 22nd, 2021

Towards Resilient Energy Systems!

Ziel des Projekts RESYSTRA – Resiliente Gestaltung der Energiesysteme am Beispiel der Transformationsoptionen „EE-Methan-System“ und „Regionale Selbstversorgung“ war ein besseres Verständnis der Erfolgsfaktoren gerichteter Transformationen des Energiesystems herauszuarbeiten. Diese Faktoren wurden im Rahmen eines erweiterten Modells der Innovationssysteme im Bereich der Energieversorgung in Deutschland mit Bezug auf konkrete Akteure und deren Einflussmöglichkeiten dargestellt. http://www.resystra.de

Zukünftige maritime Treibstoffe und deren mögliche Importkonzepte

Weltweit werden etwa 90 % des internationalen Güterverkehrs per Schiff abgewickelt. Die meisten Schiffe nutzen dabei Schweröl und sind für ungefähr 3 % des weltweiten Anteils an den CO2-Emissionen verantwortlich. Die Dekarbonisierung des Schiffverkehrs spielt eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung einer klimaneutralen Transportwirtschaft. Daher hat sich die International Maritime Organisation (Internationale Seeschifffahrtsorganisation, IMO) das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2050 im Vergleich zu 2008 zu halbieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen pro Tonnenmeile bis 2050 um 70 % zu senken. Um diese Ziele zu erfüllen besteht ein Bedarf an erneuerbaren Kraftstoffen, um die Umwelt- und Klimaauswirkungen der Schifffahrt kurz- und langfristig zu verringern. In dieser Kurzstudie werden alternative Kraftstoffe für die Zukunft des maritimen Sektors wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) unter Berücksichtigung ihrer Produktion sowie Lagerung und Transports dargestellt. Zu Beginn der vorliegenden Kurzstudie werden Wasserstofftechnologien und Herstellungs-verfahren synthetischer Kraft- und Brennstoffe erläutert, die an Standorten mit viel Potenzial für die Erzeugung erneuerbarer Energien eingesetzt werden. Es wird ein Überblick über die Speicherung, den internationalen Transport, sowie die Binnenverteilung von Kraftstoffen zur Versorgung der Endverbraucher gegeben. Insgesamt werden die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Kraftstoffen nach Deutschland und Europa unter technischen, ökonomischen und Sicherheitsaspekten bewertet, und anschließend werden mögliche Kandidaten für die Versorgung mit und die Anwendungsfälle von wasserstoffbasierten Kraftstoffen erläutert

Kurzstudie: Zukünftige maritime Treibstoffe und deren mögliche Importkonzepte

Weltweit werden etwa 90 % des internationalen Güterverkehrs per Schiff abgewickelt. Die meisten Schiffe nutzen dabei Schweröl und sind für ungefähr 3 % des weltweiten Anteils an den CO2-Emissionen verantwortlich. Die Dekarbonisierung des Schiffverkehrs spielt eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung einer klimaneutralen Transportwirtschaft. Daher hat sich die International Maritime Organisation (Internationale Seeschifffahrtsorganisation, IMO) das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2050 im Vergleich zu 2008 zu halbieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen pro Tonnenmeile bis 2050 um 70 % zu senken. Um diese Ziele zu erfüllen besteht ein Bedarf an erneuerbaren Kraftstoffen, um die Umwelt- und Klimaauswirkungen der Schifffahrt kurz- und langfristig zu verringern. In dieser Kurzstudie werden alternative Kraftstoffe für die Zukunft des maritimen Sektors wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) unter Berücksichtigung ihrer Produktion sowie Lagerung und Transports dargestellt. Zu Beginn der vorliegenden Kurzstudie werden Wasserstofftechnologien und Herstellungs-verfahren synthetischer Kraft- und Brennstoffe erläutert, die an Standorten mit viel Potenzial für die Erzeugung erneuerbarer Energien eingesetzt werden. Es wird ein Überblick über die Speicherung, den internationalen Transport, sowie die Binnenverteilung von Kraftstoffen zur Versorgung der Endverbraucher gegeben. Insgesamt werden die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Kraftstoffen nach Deutschland und Europa unter technischen, ökonomischen und Sicherheitsaspekten bewertet, und anschließend werden mögliche Kandidaten für die Versorgung mit und die Anwendungsfälle von wasserstoffbasierten Kraftstoffen erläutert

Wasserstoff als ein Fundament der Energiewende Teil 2: Sektorenkopplung und Wasserstoff: Zwei Seiten der gleichen Medaille

Der vorliegende zweite Teil - Sektorenkopplung und Wasserstoff: Zwei Seiten der gleichen Medaille knüpft an diesem Punkt an. Er befasst sich detailliert mit möglichen Nutzungspfaden von Wasserstoff in den Sektoren Verkehr, Industrie und Wärme sowie mit dem systemisch wichtigen Aspekt der Rückverstromung. Am Beispiel aktueller Forschungsarbeiten im DLR wird dargestellt, welche Potenziale sich durch die Kopplung der verschiedenen Energieverbrauchssektoren bei der Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff ergeben. Diese Synergien ebnen den Weg zu einer effizienteren und flexibleren Nutzung von erneuerbarer Energie. Neben den technologischen Einsatzmöglichkeiten spielen darüber hinaus die Infrastruktur sowie dazugehörige Sicherheitsaspekte bei der Nutzung von Wasserstoff eine gewichtige Rolle. Weiterhin wird im DLR auf dem Gebiet der Energiesystemanalyse an der Einschätzung der Auswirkungen großskaliger Wasserstoffinfrastrukturen auf das bestehende und zukünftige Energiesystem geforscht. Dies beinhaltet auch die Fragestellungen, ob ein klimaneutrales Energiesystem aus heutiger Sicht überhaupt ohne Wasserstoff denkbar ist, bzw. wie groß der Wasserstoffbedarf und das -angebot in solchen Zielszenarien ausfällt. Zudem werden Umwelteinwirkungen untersucht und Lebenszyklusanalysen erstellt