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Schwerpunkte des Forschungsbereiches "Energie - Ressourcen, Technologien, Systeme"

Biomasse zur energetischen und stofflichen Nutzung

Die systemanalytischen Untersuchungen in diesem Forschungsschwerpunkt sind in der Regel auf Biomasse und biogene Rest- und Abfallstoffe ausgerichtet, die nicht in direkter Nutzungskonkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion stehen.

Die hierbei durchgeführten vergleichenden Analysen und Bewertungen konzentrieren sich vor allem auf innovative Technologien zur Bereitstellung von Biogas, Biomethan, Synthesekraftstoff (z. B. bioliq®-Verfahren) und von Biokohle aus Biomasse, sowie deren Verwendung im Wärme-, Strom- und Mobilitätssektor. Dabei stehen technische, ökonomische und umweltrelevante Aspekte im Vordergrund. Neben der direkten Biomassenutzung zur Wärme- und Stromproduktion werden hierbei jeweils auch konkurrierende Verfahren mit fossilen Energieträgern einbezogen. Zentraler Ausgangspunkt für diese Technologievergleiche sind detaillierte Untersuchungen zu den Potenzialen und zur Bereitstellung (Logistik) der verfügbaren Biomasse bzw. der biogenen Rest- und Abfallstoffe.

Im Fokus aktueller Untersuchungen stehen die Karbonisierung von Biomasse, detaillierte Analysen zur globalen Biomassebereitstellung mit Schwerpunkt Überseetransport, und begleitende Untersuchungen zum bioliq®-Verfahren.

Kontakt: Ludwig Leible Projekte: laufend / abgeschlossen

Innovative Verfahrenstechnik: Effizienztechnologien – Power-to-X – Wasserstoff

Der großen Herausforderung einer nachhaltigen globalen Energiebereitstellung und -nutzung stehen zumindest mittelfristig keine „großen Lösungen“ gegenüber. Szenarien, die die Einhaltung von Klimaschutzzielen und die Transformation zu einem nachhaltigen Energiesystem als machbar beschreiben, setzen praktisch immer die umfassende Erschließung von Effizienzpotenzialen voraus.

Um diese Voraussetzung zu erfüllen sind Wirkungsgradsteigerungen einer Vielzahl von Prozessen dringend erforderlich. Sie sind allerdings nicht ausreichend. Vielmehr sind neue Technologien und Technologie-Kombinationen erforderlich, die auf neuen Ressourcen oder Ressourcen-Nutzungen basieren und etablierte oder neue Endenergieträger erzeugen oder einsetzen. Es ist offensichtlich, dass für wichtige Sektoren und Anwendungsbereiche dazu umfassende Innovationen notwendig sind. Dies gilt schon für rein technische Eigenschaften wie Skalierbarkeit, Lebensdauer usw., besonders aber für die geforderte Nachhaltigkeit: Nachhaltigkeit umfasst ökonomische, ökologische und soziale Aspekte, geht also über bloße Energieeffizienz weit hinaus. Die nachhaltigkeitsorientierte Technikbewertung erfolgt auf der Systemebene (z. B. Produktlebenszyklen oder Energieversorgungssysteme) mit systemanalytischen Methoden.

Für die damit als nachhaltigkeitsorientierte Technikbewertung verstandene Systemanalyse ergeben sich folgende Ziele:

  • Positionierung der innovativen Technologien relativ zu etablierten und neuen Konkurrenztechnologien: multikriterielle Bewertung der potenziellen Beiträge der Technologien zu einer nachhaltigen Energieversorgung und -nutzung.
  • Optimierung der realen Beiträge („konstruktive Technikbewertung“) durch Identifikation von:
    • ökologischen und sozioökonomischen „hot spots“ der Technologien.
    • optimalen Anwendungsfeldern und -konfigurationen in Konkurrenz und durch Vernetzung mit anderen Technologien.

Aktuelle Untersuchungsgegenstände sind die photokatalytische CO2-Reduktion und Power-to-X-Technologien (X = H2, C-basierte Kraftstoffe und Grundchemikalien). Die Arbeiten werden weitgehend F&E-begleitend mit technischen Partnern durchgeführt, um schon in frühen Phasen der technischen Entwicklung, daher mit minimiertem Aufwand, Änderungen der F&E-Arbeiten vornehmen zu können.

Kontakt: Andreas Patyk

Regionales Energie- und Stoffstrommanagement

Energie- und Stoffstrommanagement ist ein wichtiges Instrument um Ressourcen verantwortlich, ganzheitlich und effizient im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung zu nutzen. Die zunehmende Verzahnung von Energie- und Stoffflüssen sowohl untereinander als auch mit regionalen (gesellschaftlichen) Rahmenbedingungen erfordert ein Managementsystem, welches diese Interdependenzen explizit berücksichtigt.

Managementsysteme erfordern eine sinnfällige Interaktion einer Vielzahl von Akteuren auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen: Staat, Unternehmen, Haushalte und gesellschaftliche Gruppen. Untersucht werden Managementvarianten um Technologien effizient und effektiv einzusetzen – auch unter sich wandelnden Verhältnissen. Weil auch globale Strategien, die auf den Klimawandel einwirken sollen, letztendlich auf lokaler und regionaler Ebene umgesetzt werden müssen, erfolgen die Analysen für ausgewählte, typische räumliche Bedingungen. Von besonderem Interesse ist hierbei, wie gesellschaftliche Dynamiken in Wechselwirkung mit Technologien und im zeitlichen Verlauf die Effektivität und Effizienz von Maßnahmen beschleunigen, bremsen oder vollständig konterkarieren können.

Im Rahmen des Forschungsbereichs werden zwei spezifische Interdependenzen zwischen Energie- und Stoffströmen betrachtet.

  • Energie und Wasser
  • Energie und kritische Metalle

Energie-Wasser-Nexus (zusammen mit dem Forschungsbereich Nachhaltigkeit und Umwelt)

Abwasser wird vielfach noch als Abfall verstanden, obwohl es thermische und chemische Energie sowie Nährstoffe enthält. Bei Trennung verschiedener Abwasserteilströme innerhalb von Gebäuden (am Entstehungsort) könnten diese Ressourcen effizienter genutzt und der Bedarf an Wärme und Frischwasser durch Haushalte und Industrie reduziert werden. Außerdem stellt die konventionelle Abwasserbehandlung einen bedeutenden kommunalen Energieverbraucher dar, weshalb Strategien zum Klimawandel unbedingt auch diesen Sektor inkludieren sollten.

Laufende Untersuchungen des aktuellen Energie-Wasser-Nexus haben die Komplexität aufgezeigt, die mit der Transformation der Infrastruktur für Abwasser, Energie und organische Abfallstoffe in urbanen Regionen verbunden ist. Die möglichen Transformationspfade werden nicht nur durch die vorhandenen technischen Infrastrukturen beeinflusst, sondern auch maßgeblich durch historische, kulturelle, klimatische, naturräumliche und ökonomische Faktoren. Das Ziel der Forschung ist es, die Interdependenzen zwischen den Einflussgrößen zu analysieren und die Nachhaltigkeit alternativer Infrastrukturkonzepte zu bewerten. Die Vielfalt der Faktoren verlangt nicht nur den Einsatz von (lebenswegbasierten) Stoffstrommodellen, sondern auch vergleichende Analysen in unterschiedlichen kulturellen und infrastrukturellen Kontexten. Konkret werden mögliche Infrastruktursysteme und deren Umsetzung für Bedingungen in Europa und Süd-Amerika in bestehenden und neuen Quartieren untersucht. Für die Nachhaltigkeitsanalyse und -bewertung wird das Integrative Konzept nachhaltiger Entwicklung (IKoNE) eingesetzt.

Energie und kritische Metalle

Der Umbau des Energiesystems hin zu einem höheren Anteil von erneuerbaren Energieträgern und einer Reduktion des Anteils konventioneller Energieträger wird sich substanziell auf die Ressourcenbedarfe auswirken: es ist zu erwarten, dass der Bedarf an importierten fossilen Rohstoffen deutlich sinkt, während die Nachfrage nach kritischen bzw. strategischen Metallen nennenswert zunimmt.

Die Konsequenzen dieser Änderung des Ressourcenbedarfs für die Energiewende bzw. für mögliche Energiezukünfte wurden bisher überwiegend in sektor-, branchen- oder technologiebezogenen Arbeiten untersucht. Diese Arbeiten nutzen aber mit wenigen Ausnahmen (z. B. Landwirtschaft) keine komplexen formalen Modelle mit denen übergeordnete wirtschaftliche Effekte und Wechselwirkungen analysiert werden können. Dadurch wurden systemische Implikationen (wie zum Beispiel eine mögliche Limitierung bestimmter Technologien durch mangelnde Ressourcen) kaum betrachtet. Eine Herausforderung für eine hinreichend detaillierte Betrachtung der Ressourcenbedarfe sowie deren mögliche Deckung sind die bislang nur unzureichenden Modellwerkzeuge sowie verfügbaren Daten. Das Ziel der Forschung ist es, die systemischen, umweltseitigen und strategischen Wirkungen einer Veränderung der ressourcenbezogenen Stoffströme zu identifizieren, und mit Hilfe von Stoffstrommodellen sowie Input-Output-Modellen zu untersuchen. Der Fokus soll zunächst auf den Stromsektor einschließlich der Übertragungsnetze und Energiespeicher liegen, wo eine Vielzahl von Metallen zu berücksichtigen ist. Weiterhin werden geographische Risiken identifiziert und Handlungsempfehlungen (z. B. Substitution, erhöhte Recyclingraten) abgeleitet.

Kontakt: Witold-Roger Poganietz

Energiezukünfte

Die Transformation des Energiesystems steht mittlerweile auf der politischen Agenda vieler Länder ganz weit oben. Als Reaktion auf die Herausforderungen des Klimawandels liegt das Hauptaugenmerk dabei auf dem Übergang zu einer möglichst kohlenstoffarmen Energieversorgung. Außerdem muss dieser Wandel in Einklang mit anderen Paradigmen erfolgen, wie zum Beispiel Finanzierbarkeit, Versorgungssicherheit und den Nachhaltigkeitszielen. Aufgrund der Komplexität, der Unsicherheiten und der Vieldeutigkeit ist die Steuerung dieses Prozesses hin zu einem realisierbaren künftigen Energiesystem eine große Herausforderung. Das künftige Energiesystem wird das Ergebnis komplexer und zeitgebundener Wechselwirkungen zwischen politischen, gesellschaftlichen, technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen auf verschiedenen Ebenen sein. Einer der wichtigsten Aspekte einer erfolgreichen Energiewende ist das Generieren von wissenschaftlichen Erkenntnissen, die Entscheidungsträgern, Experten und der breiten Öffentlichkeit als Basis für ein besseres Verständnis des Energiesystems dienen und so die Ausgangslage für die Gestaltung geeigneter Optionen und Rahmenbedingungen bilden.

Die epistemische Herausforderung besteht also darin, die grundlegenden Änderungen im soziotechnischen Status des Energiesystems so früh und zuverlässig wie möglich zu erkennen und zu beurteilen. Zu diesem Zweck stehen eine ganze Reihe von Methoden aus dem Bereich Zukunftswissen zur Verfügung, z. B. Trendextrapolation und Computersimulation, Delphi-Verfahren und Experteninterviews, (Kontext-)Szenarioansätze, Cross-Impact-Bilanzanalyse (CIB) sowie das Roadmap-Konzept.

Unter Nutzung der o.g. Methoden liegt das Hauptaugenmerk unserer Forschung im Bereich der Energiezukünfte auf der Entwicklung eines sog. Roadsmap-Konzeptes. Der Roadsmap-Ansatz zielt darauf ab, verschiedene mögliche, wahrscheinliche und wünschenswerte Transformationspfade auf Grundlage aktueller quantitativer und qualitativer Analysen zu identifizieren, aufzuzeigen und zu aktualisieren. Mit diesem Ansatz betreten wir methodisches Neuland. Er soll evidenzbasiertes Zukunftswissen (einschließlich der breiten Palette von Unsicherheiten) liefern, mit dem Entscheidungsträger die Aussichten für Erfolg oder Misserfolg beurteilen können. Darüber hinaus möchten wir Wissen generieren, dass zur Bewertung grundlegender Änderungen des soziotechnischen Energiesystemstatus genutzt werden kann und so zu neuen Transformationspfaden führen kann.

Die Untersuchung von Energiezukünften, z. B. mit Hilfe des Roadsmaps-Konzeptes, erfüllt zahlreiche Erfordernisse der Transformation an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik. Einerseits besteht ein (normativer) Bedarf, das Energiesystem besser mit (generischen) sozialen Entwicklungen zu verbinden und dies auch in wissenschaftliche Werkzeuge und Methoden der Politikberatung einfließen zu lassen. Dies beinhaltet auch ein tieferes epistemischen Verständnis von dynamischen Wechselwirkungen zwischen gesellschaftlichen und energiesystembezogenen Prozessen. Die Identifizierung von Wechselwirkungen auf verschiedenen geographischen Ebenen und deren Auswirkungen auf die Entwicklung der Energiewende (z. B. zentral vs. lokal, Flexibilisierungsinstrumente) kann dazu beitragen, das soziotechnische System besser zu verstehen. Darüber hinaus hilft es dabei, F&E zu Energietechnologien mit den Modellierungsarbeiten innerhalb der Energieszenarien besser zu verbinden.

Kontakt: Dirk Scheer