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

Projektbeschreibung

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


2022
Proceedingsbeiträge
Harzendorf, F.; Wulf, C.; Haase, M.; Baumann, M.; Ersoy, H.; Zapp, P.
Domestic value added as an indicator for sustainability assessment – a case study on alternative drivetrains in the passenger car sector
2022. Proceedings of the 16th Conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, Dubrovnik, Kroatien, 10.-15.10.2021. doi:10.21203/rs.3.rs-1211251/v1
2021
Zeitschriftenaufsätze
Baumann, M.; Domnik, T.; Haase, M.; Wulf, C.; Emmerich, P.; Rösch, C.; Zapp, P.; Naegler, T.; Weil, M.
Comparative patent analysis for the identification of global research trends for the case of battery storage, hydrogen and bioenergy
2021. Technological forecasting and social change, 165, Art.-Nr.: 120505. doi:10.1016/j.techfore.2020.120505VolltextVolltext der Publikation als PDF-Dokument
Wissenschaftskommunikation im Internet
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, Art.Nr. 111516. doi:10.1016/j.enpol.2020.111516
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
2020. Journal of the Operational Research Society, 71 (5), 762–774. doi:10.1080/01605682.2019.1582590
Vorträge
Baumann, M.; Domnik, T.; Haase, M.; Wulf, C.; Emmerich, P.; Rösch, C.; Zapp, P.; Naegler, T.; Weil, M.
Analyse internationaler Patentstrategien für Li-Ion Batterien, Biomasse und Wasserstoff im Kontext der deutschen Energiewende
2020. 16. Symposium Energieinnovation (EnInnov 2020), Graz, Österreich, 12.–14. Februar 2020 
Baumann, M.; Peters, J. F.; Weil, M.; Ersoy, H.
MCDA of Stationary battery storage systems
2020. Abschlusskonferenz - Ergebnispräsentation Helmholtz Initiative Energie System (Energie System 2050 2020), Berlin, Deutschland, 30. September 2020 
Baur, D.; Baumann, M.; Peters, J.; Wulf, C.; Zapp, P.; Rösch, C.; Haase, M.; Buchgeister, J.; Junne, T.; Naegler, T.; Emmerich, P.; Hülemeier, A.-G.; Jendryczko, D.; Ly, H. M.; Weil, M.
Societal Acceptance of Emerging Energy Technologies in the Context of the Energy Transition
2020. ES2050-Abschlusskonferenz (2020), Berlin, Deutschland, 28.–30. September 2020 
Baur, D.; Weil, M.; Baumann, M.; Emmerich, P.; Hülemeier, A.-G.; Jendryczko, D.; Ly, H. M.
Gesellschaftliche Akzeptanz emergenter Energietechnologien
2020. STORENERGY congress (2020), Online, 11.–13. November 2020 
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. 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
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 
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 
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 (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 
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 
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 
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.
Nachhaltigkeitsanalysen - Speicher und Netze
2017. Energie System 2050 (2017), Berlin, Deutschland, 29.–31. Mai 2017 
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 
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