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Helmholtz-Initiative Energie System 2050 – Forschungsthema Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse der Fallstudie Speicher und Netze

Helmholtz-Initiative Energie System 2050 – Forschungsthema Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse der Fallstudie Speicher und Netze
Projektteam:

Weil, Marcel (Projektleitung); Manuel Baumann; Jens Buchgeister

Förderung:

Helmholtz-Gemeinschaft

Starttermin:

2015

Endtermin:

2020

Projektpartner:

DLR, FZJ, UFZ, HZB, HZDR, IPP

Forschungsgruppe:

Forschung für nachhaltige Energietechnologien

Projektbeschreibung

Logo
Abbildung
Beispiel Lebenzykluskostenanalyse (LCC) für Energiespeicher (Quelle: ITAS)

Beschreibung der Gesamtinitiative

Energie System 2050“ ist eine gemeinsame Initiative der Helmholtz-Zentren des Forschungsbereichs Energie. Ziel ist es, bis 2019 greifbare und verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können. Die Initiative untersucht die Integration von wesentlichen Technologieelementen in das Energiesystem und deren Vernetzung. Es werden Lösungen erarbeitet, um die teilweise stark fluktuierenden erneuerbaren Energien erfolgreich in die deutsche und europäische Energieversorgung einzubinden. Mit fünf ausgewählten Forschungsthemen (FT) adressiert sie grundlegende Herausforderungen der Energiewende:

  1. Speicher und Netze
  2. Biogene Energieträger
  3. Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff
  4. Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene
  5. Toolbox mit Datenbanken

Beschreibung des Forschungsthemas 4: Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene

Um die Energiewende erfolgreich fortzuführen und zu vollenden, ist es wichtig, technisch-naturwissenschaftliche, ökologische, ökomische und soziale Aspekte der Transformation frühzeitig und umfassend zu analysieren und in das Vorgehen einzubeziehen. In Forschungsthema 4 wird eine gemeinsame Methode für die Nachhaltigkeitsbewertung von Technologien entwickelt. Diese Methode besteht aus den Elementen Life Cycle Costing (LCC) und Life Cycle Assessment (LCA) sowie einer Bewertung anhand sozialer Indikatoren. Mit der Methode werden in drei Forschungsthemen beispielhaft drei Fallstudien bewertet (FT 4.2, 4.3, 4.4). Die Erkenntnisse und Ergebnisse aus den Fallstudien bilden die Grundlage für eine Nachhaltigkeitsbewertung auf Systemebene (FT 4.1).

Unter nachfolgenden Links werden die Forschungsthemen 4.1 bis 4.4 näher erläutert:

FT 4.1: Methodenentwicklung zur Nachhaltigkeitsbewertung auf Systemebene – DLR
FT 4.2: Speicher und Netze – KIT-ITAS
FT 4.3: Biogene Energieträger – KIT-ITAS
FT 4.4: Pfadanalyse Wasserstoff – FZJ-IEK

Beschreibung Forschungsthema 4.2: Fallstudie „Speicher und Netze“

In der Fallstudie „Speicher und Netze“ werden relevante und potenziell nachhaltige Energiespeicher (mit unterschiedlicher Netz-Interaktion) lebenszyklusbasiert hinsichtlich ihrer ökologischen (LCA), ökonomischen (LCC), gesellschaftlichen und technischen Aspekte analysiert. Hierfür werden neue Stoffstrom- und Kostenmodelle aufgebaut und eine Energiespeicherdatenbank als Grundlage für LCA und LCC genutzt. Für die ökologische Bewertung wird unter Einsatz der Software openLCA in Verbindung mit der Datenbank ecoinvent ein Lebenszyklusinventar entlang der gesamten Wertschöpfungskette erstellt. Aussagen zur Nachhaltigkeit von Energiespeicheroptionen können durch die Einbeziehung von sozialen Indikatoren (zum Beispiel zur Akzeptanz von Energiespeichern) realisiert werden.

Auf der technischen Seite wird die Integration von verschiedenen elektrochemischen Energie-Speichern in unterschiedlichen Netzanwendungen im Energiesystem untersucht und miteinander verglichen. Dabei werden insbesondere Li-Ion Batteriesysteme (z.B. LiFePO4, …), aber auch NaNiCl- oder Vanadium Redox-Flow-Batterien betrachtet. Je nach Anwendungskontext werden weiter Flexibilitätsoptionen, wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerk oder Gaskraftwerke, als Vergleichstechnologie herangezogen.


Publikationen


2020
Zeitschriftenaufsätze
Emmerich, P.; Hülemeier, A.-G.; Jendryczko, D.; Baumann, M. J.; Weil, M.; Baur, D.
Public acceptance of emerging energy technologies in context of the German energy transition.
2020. Energy policy, 142, Article no: 111516. doi:10.1016/j.enpol.2020.111516
2019
Buchaufsätze
Marcelino, C. G.; Pedreira, C. E.; Baumann, M.; Weil, M.; Almeida, P. E. M.; Wanner, E. F.
A Viability Study of Renewables and Energy Storage Systems Using Multicriteria Decision Making and an Evolutionary Approach.
2019. Evolutionary Multi-Criterion Optimization : 10th International Conference (EMO 2019), East Lansing, MI, March 10-13, 2019, Proceedings. Ed.: K. Deb, 655–668, Springer International Publishing, Cham, CH. doi:10.1007/978-3-030-12598-1_52
Zeitschriftenaufsätze
Baumann, M.; Weil, M.; Peters, J. F.; Chibeles-Martins, N.; Moniz, A. B.
A review of multi-criteria decision making approaches for evaluating energy storage systems for grid applications.
2019. Renewable & sustainable energy reviews, 107, 516–534. doi:10.1016/j.rser.2019.02.016
Marcelino, C.; Baumann, M.; Carvalho, L.; Chibeles-Martins, N.; Weil, M.; Almeida, P.; Wanner, E.
A combined optimisation and decision-making approach for battery-supported HMGS [in press].
2019. Journal of the Operational Research Society. doi:10.1080/01605682.2019.1582590
Proceedingsbeiträge
Zippel, F.; Baumann, M.; Weil, M.; Hofmann, M.
Use Cases of Battery Storage for Optimized Grid Load of Different Industries.
2019. NEIS 2019 : Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems : Hamburg, 19-20 September 2019. Ed.: D. Schulz, 234–239, VDE Verlag, Berlin 
Zippel, F.; Weil, M.; Hofmann, M.; Baumann, M.
Use Cases of Battery Storage for Optimized Grid Load of Different Industries.
2019. NEIS 2019 : Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems Hamburg, 19 – 20 September 2019. Ed.: D. Schulz, 234–239, VDE Verlag, Berlin 
Vorträge
Baumann, M.; Weil, M.; Peters, J.
Challenges for the evaluation of storage technologies - use case for batteries.
2019. 3. Jahrestreffen des Forschungsnetzwerks Energiesystemanalyse (2019), Aachen, Deutschland, 23.–24. Mai 2019 
Baumann, M.; Weil, M.; Peters, J.
Multikriterielle Bewertung von elektrochemischen Energiespeichertechnologien.
2019. Workshop Prospektive multidimensionale Bewertung von Energietechnologien (2019), Oldenburg, Deutschland, 18.–19. Februar 2019 
Junne, T.; Cao, K.-K.; Baumann, M.; Weil, M.
Integration von Lebenszyklusdaten von Batterietechnologien in die Energiesystemmodellierung.
2019. 3. Jahrestreffen des Forschungsnetzwerks Energiesystemanalyse (2019), Aachen, Deutschland, 23.–24. Mai 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.
Resource demand for the mobility transition - batteries for bus and autonomous minibus vehicles.
2019. 13th Society and Materials International Conference (SAM 2019), Pisa, Italien, 20.–21. Mai 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; peters, J.
Resource demand of EV batteries until 2050 - contribution and challenges of recycling.
2019. European Electric Vehicle Batteries Summit (2019), Berlin, Deutschland, 18.–19. Juni 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.
Life-cycle aspects of present and new battery technologies.
2019. Europäisches Parlament (STOA 2019), Straßburg, Frankreich, 18. April 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J. F.; Wulf, C.; Zapp, P.; Haase, M.; Rösch, C.; Buchgeister, J.; Junne, T.; Naegler, T.; Emmerich, P.
Sustainability Assessment of technologies for the Energy transition – Focus on Societal Acceptance.
2019. 9th International Conference on Life Cycle Management - Towards Sustainable Future. Current Challenges and Prospects in LCM (2019), Posen, Polen, 1.–4. September 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J. F.; Wulf, C.; Zapp, P.; Haase, M.; Rösch, C.; Buchgeister, J.; Junne, T.; Naegler, T.; Emmerich, P.
Societal Acceptance of Emerging Energy Technologies in the Context of the Energy Transition.
2019. 4th European Technology Assessment Conference (2019), Bratislava, Slowakei, 4.–6. November 2019 
Poster
Baumann, M.; Peters, J.; Weil, M.; Marcelino, C.
Economic and ecological assessment of stationary batteries using different energy to power ratios.
2019. 13th Society and Materials International Conference (SAM 2019), Pisa, Italien, 20.–21. Mai 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.; Wulf, C.; Zapp, P.; Rösch, C.; Haase, M.; Buchgeister, J.; Junne, T.; Naegler, T.; Emmerich, P.
Social sustainability assessment of technologies for the energy transition - focus on societal acceptance.
2019. 13th Society and Materials International Conference (SAM 2019), Pisa, Italien, 20.–21. Mai 2019 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.; Wulf, C.; Zapp, P.; Rösch, C.; Haase, M.; Buchgeister, J.; Junne, T.; Naegler, T.; Emmerich, P.
Social sustainability assessment of technologies for the energy transition - focus on societal acceptance.
2019. 3. Jahrestreffen des Forschungsnetzwerks Energiesystemanalyse (2019), Aachen, Deutschland, 23.–24. Mai 2019 
Zippel, F.; Baumann, M.; Weil, M.; Hofmann, M.
Assessment of battery storage for peak shaving in different industries.
2019. Konferenz für nachhaltige Energieversorgung und Integration von Speichern (NEIS 2019), Hamburg, Deutschland, 19.–20. September 2019 
2018
Zeitschriftenaufsätze
Marcelino, C. G.; Almeida, P. E. M.; Wanner, E. F.; Baumann, M.; Weil, M.; Carvalho, L. M.; Miranda, V.
Solving security constrained optimal power flow problems: a hybrid evolutionary approach.
2018. Applied intelligence, 48 (10), 3672–3690. doi:10.1007/s10489-018-1167-5
Proceedingsbeiträge
Baumann, M.; Peters, J.; Weil, M.
Ökologische und ökonomische Performance stationärer Li-Ion-Batteriespeicher.
2018. 15.Symposium Energieinnovation, Graz, A, 14.-16.Februar 2018, Technische Universität Graz 
Elkadragy, M. M.; Baumann, M.; Moore, N.; Weil, M.; Lemmertz, N.; Hiller, M.
Contrastive techno-economic analysis concept for off-grid hybrid renewable electricity systems based on comparative case studies within Canada and Uganda.
2018. 3rd International Hybrid Power Systems Workshop, Santa Cruz de Tenerife, E, May 8-9, 2018, Energynautics, Darmstadt 
Forschungsberichte/Preprints
Emmerich, P.; Weil, M.; Baumann, M.
Citizen concerns and acceptance for novel energy technologies.
2018. Enterprise and Work Innovation pole at FCT-UNL, Lissabon 
Vorträge
Baumann, M.
A brief overview of techno-environmental issues related to hybrid energy and energy storage systems.
2018. 3rd EERA-SmILES Workshop on Hybrid Energy and Energy Storage Systems (2018), Brüssel, Belgien, 14.–15. November 2018 
Baumann, M.; Peters, J.; Weil, M.
Introduction and recent activities in the field of energy storage and techno-economics.
2018. EERA JP Energy Storage Sub-Programme Meeting (2018), Eindhoven, Niederlande, 3.–4. Mai 2018 
Baumann, M.; Peters, J.; Weil, M.
Ökologische und ökonomische Performance stationärer Li-Ion-Batteriespeicher.
2018. 15. Symposium Energieinnovation (EnInnov 2018), Graz, Österreich, 14.–16. Februar 2018 
Baumann, M.; Weil, M.; Moniz, A.
Socio-technical transitions and sustainability: The energy system, battery storage and transport.
2018. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, Seminar (2018), Caparica, Portugal, 22. Januar 2018 
Poster
Baumann, M.; Weil, M.; Tomasini, C.
Sustainability analysis of electrochemical storage for sectoral coupling activities.
2018. 4th Scientific SCI Meeting „Integrated Energy“ (2018), Stuttgart, Deutschland, 20.–21. September 2018 
Minke, C.; Peters, J. F.; Baumann, M.; Weil, M.
Environmental assessment of vanadium redox flow batteries.
2018. 28th SETAC Europe Annual Meeting (2018), Rom, Italien, 13.–17. Mai 2018 
2017
Buchaufsätze
Baumann, M.; Moniz, A. B.; Weil, M.
Energy storage in the future German electricity system: A literature review and expert interviews based foresight approach.
2017. Pensar o futuro, preparar a mudança [To think the future, to prepare change] Ed.: J. Saragoça, 89–108, CICS.NOVA, Evora, Portugal 
Zeitschriftenaufsätze
Versteeg, T.; Baumann, M.; Weil, M.; Moniz, A. B.
Exploring emerging battery technology for grid-connected energy storage with Constructive Technology Assessment.
2017. Technological forecasting and social change, 115, 99–110. doi:10.1016/j.techfore.2016.09.024
Vorträge
Weil, M.; Baumann, M.
System analysis of energy storage for stationary grid application. An economic and ecological perspective.
2017. 2nd International Conference on Power Energy Engineering, München, July 17-18, 2017 
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.
Sustainability assessment of energy storage for stationary grid application.
2017. 7th International Symposium on Energy, Manchester, GB, August 13-17, 2017 
Weil, M.; Baumann, M.
Nachhaltigkeitsanalysen - Speicher und Netze.
2017. Energie System 2050 (2017), Berlin, Deutschland, 29.–31. Mai 2017 
Poster
Weil, M.; Baumann, M.; Peters, J.; Rodrigues Garcia, G.; Ziemann, S.; Versteeg, T.
Life cycle sustainability assessment of nano-enabled energy storage technologies.
2017. 9th Indo-German Frontiers of Engineering Symposium, Jaipur, IND, March 9-12, 2017 
2016
Vorträge
Weil, M.; Peters, J.; Rodrigues Garcia, G.; Baumann, M.; Ziemann, S.; Zimmermann, B.
Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalysen von Energiespeichern für mobile und stationäre Anwendungen.
2016. Nachhaltiges Energie- und Stoffstrommanagment, Universität Freiburg, 20.04.2016 
2015
Vorträge
Baumann, M.; Emmerich, P.; Weil, M.
Soziale Nachhaltigkeitsbewertung.
2015. Projekttreffen "Energie System 2050" (2015), Frankfurt am Main, Deutschland, 8.–9. Mai 2015 

Kontakt

Dr.-Ing. Marcel Weil
Karlsruher Institut für Technology (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-26718
E-Mail