Implications of National Climate Targets on the Energy-Water Nexus in Germany: A Case Study

The German energy transition is not only a challenge for the technical system transformation but will also imply changes in the water system and reallocation of resource usage. This paper analyses which interactions provide valuable information for the energy system and how future water use projection could be conducted with the help of energy system modelling. It was assumed that different national climate policy scenarios for the energy system influence the water projections. The interactions considered for the German case study are: water demand for cooling technologies, irrigation practices of energy crops, as well as literature based assessments of total water demand and renewable water availability. Based on the energy scenario analysis, water use for the energy system will shift over time from cooling water use to irrigation water use for energy crops and the amount of irrigation water use is dependent on the demand of biomass which increases for stricter climate targets. There is a small risk of future water stress that can be eliminated through the use of recycled water for irrigation

Scenario-based mission statements; Promoting sustainable urban development in the context of the energy transition

Using a planning process for the Stuttgart Neckar Valley as a case study, this paper analyzes the urban inertial forces that counteract the transformation of energy infrastructure areas in the context of the energy transition. In order to overcome these forces, a scenario-based mission statement was developed in which spatial scenarios were derived from energy scenarios and finally summarized in a concept plan for the Neckar Valley. The mission statement was developed following an analytical-deliberative and transdisciplinary approach. The approach to mission statement development presented here can respond flexibly to changing framework conditions and thus serve as a model for other cities with large-scale energy infrastructures in transition.Am Beispiel eines Planungsprozesses für das Stuttgarter Neckartal wird analysiert, welche urbanen Beharrungskräfte einer städtebaulichen Transformation von Energieinfrastrukturflächen im Rahmen der Energiewende entgegenwirken. Um diese Kräfte zu überwinden wurde ein szenariobasiertes Leitbild entwickelt, in dem auf Basis energiewirtschaftlicher Szenarien räumliche Szenarien abgeleitet und schließlich in einem Konzeptplan für das Neckartal zusammengeführt wurden. Zur Entwicklung des Leitbilds wurde ein analytisch-deliberatives und transdisziplinäres Vorgehen verfolgt. Der vorgestellte Ansatz der Leitbildentwicklung kann flexibel auf sich verändernde Rahmenbedingungen reagieren und daher als Vorbild für andere Städte mit großmaßstäblichen Energieinfrastrukturen dienen, die sich im Rahmen der Energiewende verändern werden

Global resources and energy trade : an overview for coal, natural gas, oil and uranium

Despite efforts to improve energy effi-ciency and increase the usage of re-newable energy carriers, fossil fuels and nuclear energy will continue to be im-portant sources of global energy supply for the coming decades. Present global oil and gas supply is characterized by a concentration of production in a few world areas, mainly the Middle East and the Former Soviet Union, and a transport from these regions to the industrialized countries. Depletion of conventional reserves, especially oil, in combination with a surge for energy in emerging economies, as China and India, how-ever, is expected to change this picture in the future: unconventional resources in other world regions may be exploited to cover the surge energy demand, infrastructure for energy transport along new routes may have to be established. To provide a data base for such ques-tions, this report gives an overview of the current global resource situation for coal, natural gas, oil and uranium. In the first part, an assessment of the con-ventional and unconventional reserves and resources as well as their supply costs is given for the different regions of the world. The second part describes the current energy trade infrastructure between world regions and estimates the costs for existing and new trade links between these regions

Low Temperature District Heating for Future Energy Systems

The building sector is responsible for more than one third of the final energy consumption of societies and produces the largest amount of greenhouse gas emissions of all sectors. This is due to the utilisation of combustion processes of mainly fossil fuels to satisfy the heating demand of the building stock. Low temperature district heating (LTDH) can contribute significantly to a more efficient use of energy resources as well as better integration of renewable energy (e.g. geothermal or solar heat), and surplus heat (e.g. industrial waste heat) into the heating sector. LTDH offers prospects for both the demand side (community building structure) and the supply side (network properties or energy sources). Especially in connection with buildings that demand only low temperatures for space heating. The utilisation of lower temperatures reduces losses in pipelines and can increase the overall efficiency of the total energy chains used in district heating. To optimise the exergy efficiency of community supply systems the LowEx approach can be utilised, which entails matching the quality levels of energy supply and demand in order to optimise the utilisation of high-value resources, such as combustible fuels, and minimising energy losses and irreversible dissipation. The paper presents the international co-operative work in the framework of the International Energy Agency (IEA), the Technology Cooperation Programme on District Heating and Cooling including Combined Heat and Power (DHC|CHP) Annex TS1

Energie- und gesamtwirtschaftliche Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen auf die Nutzung von Erdgas in Deutschland : Studie für dasZentrum für Energieforschung Stuttgart (ZfES)

Ausgehend von der aktuellen Diskussion über die zukünftige Ausrichtung der deutschen Energiepolitik und Energiewirtschaft stellt sich auch die Frage nach der zukünftigen Rolle der einzelnen Energieträger. Die Option eines höheren Anteils von Erdgas an der Energieversorgung ist im Zusammenhang mit einer neuen Ausrichtung der nationalen Energiepolitik, geprägt von Klimaschutzambitionen, der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien und dem Ausstieg aus der Kernenergie, eine der Lösungsmöglichkeiten. Eine entscheidende Rolle bei diesen Überlegungen spielen dabei die Fragen, welchen Gestaltungsspielraum es für einen denkbaren zukünftig höheren Anteil von Erdgas gibt. Der Einsatz von Erdgas im Energiesystem hängt von den energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen ab. Zu den wichtigsten Maßnahmen und Zielen in diesem Bereich zählen die Reduktion der Treibhausgas(THG)-Emissionen und der Ausbau der erneuerbaren Energien. Eine Reduktion der THG-Emissionen wie auch der Ausbau der erneuerbaren Energien sind Teil der europäischen 20/20/20-Ziele. Diese sind Teil des von der Kommission im Jahr 2008 vorgeschlagenen Klima- und Energiepakets (European Commission 2008). Oftmals wird dem Energieträger Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie auf dem Weg zu einer Dekarbonisierung des Energiesystems zugeschrieben. Es stellt sich somit die Frage, welche Auswirkungen unterschiedliche THG-Ziele und Ausbaupfade für erneuerbare Energien auf den Gaseinsatz haben. Um die zukünftige Rolle von Erdgas zu bestimmen, gilt es zudem, die Preissensitivität der Erdgasnachfrage zu untersuchen. In Deutschland stellt sich zudem die Frage, ob Neubauprojekte für Großkraftwerke in Zukunft realisiert werden können oder ob ein verstärkter Ausbau erdgasbetriebener Erzeugungsanlagen mit einer geringeren Leistung verfolgt wird. Ein Verzicht auf den Neubau von Großkraftwerken hätte spürbare Folgen für die Energiewirtschaft, die verarbeitende Industrie oder die Haushalte. Eine dezentrale, von industrieller, kommunaler und/oder privater Eigenerzeugung geprägte Struktur würde eine größere Koordinierung der Netze erfordern - sowohl der Erdgasnetze als auch der Stromnetze und Fernwärmeleitungen -, da Erdgas verstärkt in Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eingesetzt würde. Die Einsatzpotenziale für dezentrale KWK-Anlagen hängen stark von den Abnahmemöglichkeiten für die darin erzeugte Prozess- und Nah-/Fernwärme in der Industrie bzw. in den Haushalten und dem Gewerbe-, Handels-, Dienstleistungs- (GHD-)Sektor ab. Hinzu kommt, dass strukturelle Veränderungen in der Stromerzeugung von Großkraftwerken hin zu räumlich verteilten, erdgasbasierten KWK-Anlagen zu einem Anstieg der Stromerzeugungskosten sowie der Strompreise führen können. Strompreiserhöhungen bedeuten eine Kostensteigerung für energieintensive Industrien. Fallen diese Kostensteigerungen zu hoch aus, kann es passieren, dass Standorte unrentabel werden und aufgrund günstiger Energiepreise im Ausland eine Abwanderung der entsprechenden Industrie vollzogen wird. Neben der Produktion würden dadurch auch das produktionstechnische Know-how und Arbeitsplätze ins Ausland verlagert. Dies kann aufgrund der volkswirtschaftlichen Verflechtung negative Rückkopplungseffekte auf andere Sektoren ausüben, so dass es unter Umständen zu einer weiteren Schwächung des Industriestandorts Deutschland kommt. Hieraus ergibt sich die Frage, wo die Schwellenwerte von Strompreiserhöhungen hinsichtlich derartiger Abwanderungen liegen bzw. welche Kostensteigerungen verkraftbar sind und welche nicht. Ziel dieser Studie ist die energie- und gesamtwirtschaftliche Analyse der Bedeutung von Erdgas für die Energiewirtschaft Deutschlands, insbesondere hinsichtlich einer zunehmend dezentraleren Stromerzeugung. In der einführenden Analyse sollen dazu die Auswirkungen von veränderten energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen in Form der THG-Ziele und Ausbaupfade für erneuerbare Energien untersucht werden. Weiterhin soll die Preissensitivität der Erdgasnachfrage näher betrachtet werden. Anschließend werden aktuelle Entwicklungstendenzen im Stromsektor in Deutschland hin zu einer zunehmenden Nutzung kleinerer und räumlich verteilter Erzeugungseinheiten näher analysiert. In der energiewirtschaftlichen Betrachtung soll untersucht werden, inwiefern ein Ausbleiben zukünftiger Großkraftwerksneubauprojekte zu einer Zunahme dezentraler erdgasbasierter Stromerzeugungs- und KWK-Anlagen führt. Mittels der Betrachtung verschiedener Szenarien mit und ohne Investitionen in neue Großkraftwerksprojekte sollen strukturelle Veränderungen in der Stromerzeugung und eventuell damit einhergehende Veränderungen der Strompreise aufgezeigt werden. Im Weiteren sind eine stärkere dezentrale Ausrichtung der Stromerzeugung und die sich dadurch ergebenen Konsequenzen für die Strom-, Gas- und Fernwärmeversorgung zu untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen der energiewirtschaftlichen Analyse sollen in einer gesamt-wirtschaftlichen Betrachtung die Auswirkungen möglicher strompreisinduzierter Kostensteigerungen auf die Wettbewerbsfähigkeit energieintensiver Industrien analysiert werden. Zudem werden unterschiedliche Kostenumlagekonzepte auf Haushalte, Wirtschaft und Industrie untersucht. Dabei geht es um die Frage, wie sich die Wettbewerbsfähigkeit der energieintensiven Industrie verändert, in welcher Höhe Produktionsverlagerungen zu erwarten sind und welche Besonderheiten sich bei einer unterschiedlichen Verteilung möglicher Strommehrkosten auf bestimmte Stromverbraucher, wie Haushalte, Wirtschaft und Industrie, ergeben. Letzteres ist besonders vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über die Verteilung der Kosten der Erneuerbaren Energien (EEG-Umlage) auf die Stromverbraucher und damit verbundener Ausnahmeregelungen für einzelne Branchen von Relevanz

Analysis and Prediction of Electromobility and Energy Supply by the Example of Stuttgart

This paper seeks to identify bottlenecks in the energy grid supply regarding different market penetration of battery electric vehicles in Stuttgart, Germany. First, medium-term forecasts of electric and hybrid vehicles and the corresponding charging infrastructure are issued from 2017 to 2030, resulting in a share of 27% electric vehicles by 2030 in the Stuttgart region. Next, interactions between electric vehicles and the local energy system in Stuttgart were examined, comparing dif-ferent development scenarios in the mobility sector. Further, a travel demand model was used to generate charging profiles of electric vehicles under consideration of mobility patterns. The charg-ing demand was combined with standard household load profiles and a load flow analysis of the peak hour was carried out for a quarter comprising 349 households. The simulation shows that a higher charging capacity can lead to a lower transformer utilization, as charging and household peak load may fall temporally apart. Finally, it was examined whether the existing infrastructure is suitable to meet future demand focusing on the transformer reserve capacity. Overall, the need for action is limited; only 10% of the approximately 560 sub-grids were identified as potential weak points

Einbindung des ECOLOG-Modells "E3Net" und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)

Ziel des Forschungsvorhabens „Einbindung des ECOLOG-Modells ‘E³Net’ und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)' war es, veschiedene Modellbildungsansätze und Werkzeuge für die energiewirtschaftliche Analyse zu einem Instrumentarium zusammenzufügen. Dazu wurde auf die Projekte IKARUS „Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien' und ECOLOG „Entwicklung eines Computermodells mit linearer Optimierung zur Abbildung eines regionalisierten Energiesystems am Beispiel Gesamtdeutschlands' aufgebaut. Das Projekt ECOLOG II umfaßt Weiterentwicklungen in den folgenden sechs Aufgabenbereichen: (1) Integration von E³Net in das IKARUS-Instrumentarium; (2) Nichtlineare Modellansätze für E³Net; (3) Makroökonomische Erweiterung von E³Net; (4) Entwicklung und Anwendung eines multisektoralen Energiewirtschaftsmodells NEWAGE; (5) Entwicklung eines Simulationsansatzes für Energiesystemmodelle PlaNet; (6) Erweiterung der Analysemöglichkeiten von NetWork. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden eine Kopplung der FIZ-Technik-Datenbank an die Datenbank NetWork, eine Verbindung der FIZ-LP-Datenbank mit NetWork, eine Überführung des IKARUS-LP-Datensatzes in eine Fallstudie für das optimierende Energiesystemmodell E³Net, ein optimierendes Energiesystemmodell mit preiselastischer Nachfrage E³Micro, ein Gleichgewichtsmodell NEWAGE, das prototypisch ein prozeßtechnisches Energieversorgungsmodell in ein übergeordnetes gesamtwirtschaftliches Modell integriert, ein Simulationsmodell PlaNet sowie ein Netzwerkdesigner und -analyst (NDA) realisiert und durch exemplarische Fallstudien, die im Kontext des IKARUS-Instrumentariums stehen, getestet

Einbindung des ECOLOG-Modells "E3Net" und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)

Ziel des Forschungsvorhabens „Einbindung des ECOLOG-Modells ‘E³Net’ und Integration neuer methodischer Ansätze in das IKARUS-Instrumentarium (ECOLOG II)' war es, veschiedene Modellbildungsansätze und Werkzeuge für die energiewirtschaftliche Analyse zu einem Instrumentarium zusammenzufügen. Dazu wurde auf die Projekte IKARUS „Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien' und ECOLOG „Entwicklung eines Computermodells mit linearer Optimierung zur Abbildung eines regionalisierten Energiesystems am Beispiel Gesamtdeutschlands' aufgebaut. Das Projekt ECOLOG II umfaßt Weiterentwicklungen in den folgenden sechs Aufgabenbereichen: (1) Integration von E³Net in das IKARUS-Instrumentarium; (2) Nichtlineare Modellansätze für E³Net; (3) Makroökonomische Erweiterung von E³Net; (4) Entwicklung und Anwendung eines multisektoralen Energiewirtschaftsmodells NEWAGE; (5) Entwicklung eines Simulationsansatzes für Energiesystemmodelle PlaNet; (6) Erweiterung der Analysemöglichkeiten von NetWork. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden eine Kopplung der FIZ-Technik-Datenbank an die Datenbank NetWork, eine Verbindung der FIZ-LP-Datenbank mit NetWork, eine Überführung des IKARUS-LP-Datensatzes in eine Fallstudie für das optimierende Energiesystemmodell E³Net, ein optimierendes Energiesystemmodell mit preiselastischer Nachfrage E³Micro, ein Gleichgewichtsmodell NEWAGE, das prototypisch ein prozeßtechnisches Energieversorgungsmodell in ein übergeordnetes gesamtwirtschaftliches Modell integriert, ein Simulationsmodell PlaNet sowie ein Netzwerkdesigner und -analyst (NDA) realisiert und durch exemplarische Fallstudien, die im Kontext des IKARUS-Instrumentariums stehen, getestet