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Klimaforschungsplan KLIFOPLAN, Potentiale für eine weitergehende Elektrifizierung (PowEr)

Aus Gründen der Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Treibhausgas-Minderung zeichnet sich ab, dass die Verkehrsarten möglichst elektrifiziert werden sollten. Sofern das nicht möglich ist, muss der Endenergiebedarf durch andere Kraftstoffe gedeckt werden, die langfristig treibhausgasneutral her- und bereitgestellt werden müssen. Batterien wurden in den letzten Jahren deutlich leistungsfähiger (gravimetrische und volumetrische Energiedichte) und werden auch absehbar noch besser und günstiger. Zukünftig sollten dadurch weitere Verkehrsmodi batterieelektrisch betrieben werden können und andere noch umfassender als bisher. Dies ermöglicht geringere Bedarfe an anderen Endenergieträgern und einen geringeren Energiebedarf. Im Vorhaben sollen die jetzigen und insbesondere zukünftigen Möglichkeiten der Batterie-Technik in Anwendungen des Verkehrs detailliert untersucht werden. Die verkehrsträgerseitigen Anforderungen der jeweiligen charakteristischen Segmente der Verkehrsarten (z.B. Fähren, Binnenschiffe, Zweiräder, Linienbusse) an die Energieversorgung müssen dazu detailliert aufgeschlüsselt werden, um diese anschließend ggf. wieder clustern zu können. Welche Arten von Energiespeichern werden dafür benötigt bzw. jetzt schon entwickelt, welche Kostenentwicklungen sind zu erwarten? Batterietechnisch sind alle Ansätze zu identifizieren, die in den nächsten 2 bis 3 Dekaden aus heutiger Sicht relevant werden könnten. Die Beurteilung erstreckt sich auch auf die Risiken der Technik und die Kritikalität von Rohstoffen. Für die auch zukünftig nicht realistisch elektrifizierbaren Verkehrsträger wäre zu untersuchen, welche Energieträger (PtG-H2, PtG-Methan, PtL) und Antriebe dann, unter Berücksichtigung der Energieeffizienz, Ressourcen und THG-Minderung, als geeignete Alternative erscheinen. Diese Arbeiten sind die Grundlage für eine Abschätzung des zukünftigen Endenergie- und Primärenergiebedarfs im Verkehr, was in drei Szenarien ermittelt werden soll.

Zielgruppendifferenzierende Narrative, Kommunikationsstrategien und Formate für eine schnellere Umsetzung der Energiewende, Teilvorhaben: Lebenswelt und neue Narrative

Das Verbundprojekt erforscht neue lebensweltnahe Narrative und Visualisierungen der Energiewende, die als zielgruppendifferenzierende Kommunikationsstrategien für Endverbraucher erprobt werden. Hierdurch soll die aktive Beteiligung von privaten Haushalten an der Energiewende verbessert werden. Fokussiert wird der Bereich 'Gebäude und Wohnen', der den größten Anteil des haushaltsbezogenen Primärenergiebedarfs ausmacht vor allem durch Heizen, Erzeugung von Warmwasser, Beleuchtung und den Gebrauch von Elektrogeräten. Für das Projekt leitend ist die Annahme, dass es nicht mehr Informationen, sondern anderer, neuer Narrationen und Kommunikationsformen mit Affektdimension braucht, um die Menschen anzusprechen und aktiv zu beteiligen. Dabei sind neben technologischen Entwicklungen und investiven Maßnahmen auch Verhaltensänderungen nötig, um im Alltag CO2 zu sparen. Ergänzend zu effizienterer Produktion und Nutzung von Energie, gilt es, somit verstärkt Suffizienz- und Konsistenzstrategien zu adressieren und dabei Rebound-Effekte im Blick zu haben. Die Höhe der potenziellen Einsparungen von Treibhausgasemissionen wird im Rahmen des Projekts Narrativ-bezogen berechnet. In der Praxis erreichen bisher übliche sachorientierte Kommunikationsstrategien nicht die breite Bevölkerung. Aus Informiertheit und Motivation erfolgt keine Handlung - ein als 'Intention-Behaviour-Gap' bekanntes Phänomen. Mittels Medienanalyse, Photovoice, Design Fiction und Datenerhebungen werden Verbindungen zwischen Bürger:innen-Lebenswelten und praktikablen Handlungsoptionen erforscht. Zur Erreichung der Ziele vereint das transdisziplinäre Projektteam Expertise aus den Kommunikations-, Design-, und Ingenieurswissenschaften, der Energieversorgung sowie das Praxiswissen der Handwerkskammer Düsseldorf und der Verbraucherzentrale NRW.

Zielgruppendifferenzierende Narrative, Kommunikationsstrategien und Formate für eine schnellere Umsetzung der Energiewende, Teilvorhaben: Datenerhebung, Interaktionsanalyse und neue Narrative

Das Verbundprojekt erforscht neue lebensweltnahe Narrative und Visualisierungen der Energiewende, die als zielgruppendifferenzierende Kommunikationsstrategien für Endverbraucher erprobt werden. Hierdurch soll die aktive Beteiligung von privaten Haushalten an der Energiewende verbessert werden. Fokussiert wird der Bereich 'Gebäude und Wohnen', der den größten Anteil des haushaltsbezogenen Primärenergiebedarfs ausmacht vor allem durch Heizen, Erzeugung von Warmwasser, Beleuchtung und den Gebrauch von Elektrogeräten. Für das Projekt leitend ist die Annahme, dass es nicht mehr Informationen, sondern anderer, neuer Narrationen und Kommunikationsformen mit Affektdimension braucht, um die Menschen anzusprechen und aktiv zu beteiligen. Dabei sind neben technologischen Entwicklungen und investiven Maßnahmen auch Verhaltensänderungen nötig, um im Alltag CO2 zu sparen. Ergänzend zu effizienterer Produktion und Nutzung von Energie, gilt es, somit verstärkt Suffizienz- und Konsistenzstrategien zu adressieren und dabei Rebound-Effekte im Blick zu haben. Die Höhe der potenziellen Einsparungen von Treibhausgasemissionen wird im Rahmen des Projekts Narrativ-bezogen berechnet. In der Praxis erreichen bisher übliche sachorientierte Kommunikationsstrategien nicht die breite Bevölkerung. Aus Informiertheit und Motivation erfolgt keine Handlung - ein als 'Intention-Behaviour-Gap' bekanntes Phänomen. Mittels Medienanalyse, Photovoice, Design Fiction und Datenerhebungen werden Verbindungen zwischen Bürger:innen-Lebenswelten und praktikablen Handlungsoptionen erforscht. Zur Erreichung der Ziele vereint das transdisziplinäre Projektteam Expertise aus den Kommunikations-, Design-, und Ingenieurswissenschaften, der Energieversorgung sowie das Praxiswissen der Handwerkskammer Düsseldorf und der Verbraucherzentrale NRW.

Gas-Phas - Gasverdichtung mittels Niedertemperaturabwärme unter Ausnutzung der Volumenänderung von Phasenwechselmaterialien

Primärenergiegewinnung und -importe

Deutschland besitzt außer Kohle keine bedeutenden weiteren konventionellen Energieressourcen. Knapp 70 Prozent des Energieaufkommens wird deshalb durch Importe diverser Energieträger gedeckt. Um die Versorgung auch zukünftig zu sichern, sollte die Importabhängigkeit verringert und die Vielfalt an Lieferländern und Transportstrukturen erhöht werden. Entwicklung der Primärenergiegewinnung Seit dem Jahr 1990 ging die Gewinnung von konventionellen Energierohstoffen in Deutschland um mehr als drei Viertel zurück und konnte auch durch einen Zuwachs bei den erneuerbaren Energien nicht kompensiert werden. Im Jahr 2023 wurden etwa 3.400 Petajoule (PJ) inländisch gewonnen (siehe Abb. „Primärenergiegewinnung in Deutschland“). Das entspricht etwa 32 % des gesamten Primärenergieverbrauchs dieses Jahres. Der Anteil der inländischen Gewinnung am ⁠ Primärenergieverbrauch ⁠ schwankt seit Mitte der 2000er Jahre zwischen 28 und 32 %. Heute sind die wichtigsten im Inland gewonnenen Energieträger die erneuerbaren Energien wie Windkraft, Sonnenenergie, Wasserkraft und ⁠ Biomasse ⁠. Sie machen inzwischen etwa 62% der im Inland gewonnenen Energie aus. Biomasse und der erneuerbare Teil des Siedlungsabfalls tragen zu etwa einem Drittel zur inländischen Primärenergiegewinnung bei. Neben den erneuerbaren Energien ist noch immer die Braunkohle der bedeutendste inländische Energieträger und machte im Jahr 2023 27 % der im Inland gewonnenen ⁠ Primärenergie ⁠ aus. Dabei wird seit dem Jahr 2003 in Deutschland regelmäßig etwas mehr Braunkohle gefördert, als im Inland verbraucht wird. Darüber hinaus stammten 2023 etwa 5 % des in Deutschland verbrauchten Erdgases und etwa 2 % des Inlandsverbrauchs an Mineralöl aus deutschen Quellen. Die Förderung von Steinkohle wurde in Deutschland 2019 eingestellt. Importabhängigkeit verringern Importiert werden somit vor allem die fossilen Energieträger Mineralöl, Gas und Steinkohle. Bis zur Stilllegung der letzten Atomkraftwerke wurden seit 1991 ferner 100% des benötigten Urans eingeführt (siehe Tab. „Primärenergieimporte“). In den kommenden Jahren wird Deutschland weiterhin auch bei Erdöl und Erdgas auf Importe angewiesen sein. Die Risiken dieser hohen Importabhängigkeit wurden im Jahr 2022 im Zuge des russischen Überfalls auf die Ukraine sichtbar. Deutlich verringerte Einfuhren von Erdgas aus Russland führten zu stark steigenden Erdgas-Preisen für Verbraucher und in der Folge zu erheblichen volkswirtschaftlichen Effekten. Um die Abhängigkeit von Energieimporten weiter zu verringern, sollten heimische erneuerbare Energien weiter ausgebaut und Lieferländer und Transportstrukturen diversifiziert werden. Auch das Einsparen von Energie hilft, die Importabhängigkeit zu verringern.

Vom Erdeisspeicher zum netzaktiven Prosumer-Quartier

Vorhabensziel des Projekts ist die Überführung des im Vorgängervorhaben 'ErdEis II' umgesetzten Erdeisspeichers in den Vollbetrieb, das wissenschaftliche Monitoring und Benchmarking sowie die Entwicklung eines District Energy Management Systems (DEMS). Hierzu sollen verschiedene Betriebsmodi getestet, die Betriebsweise aufbauend auf den Ergebnissen optimiert, der Einfluss verschiedener Parameter modellgestützt nachvollzogen und das Kalte Nahwärmesystem mit Erdeisspeicher bestmöglich für die Gesamtsystemoptimierung mittels DEMS genutzt werden. Im zukünftigen Energiesystem wird nicht mehr allein auf Energieeffizienz respektive End- und Primärenergiebedarf optimiert werden können. Vielmehr spielt Flexibilität eine zunehmende Rolle, die schließlich gekoppelt an die Verfügbarkeit erneuerbarer elektrischer Energie den tatsächlichen CO2-Ausstoß bestimmen wird. Inzwischen sind Schnittstellen verfügbar, die über Vorhersagen zur CO2-Intensität des Stromnetzes eine entsprechende Optimierung ermöglichen. Diese Optimierung hat im Gesamtkonzept nicht nur wärme- bzw. kälteseitig zu erfolgen, sondern ganzheitlich die Bedarfe und Flexibilitäten des Kalten Nahwärmenetzes, der Haushaltsstromverbräuche, Mobilitätsbedarfe und Eigenenergieerzeugung miteinzuschließen. So kann ein Gesamtoptimum erreicht und Optimierungen von Teilsystemen, die zu Lasten der Gesamtemissionen gehen, vermieden werden. Entsprechend müssen auch Bewertungs- und Benchmarkingmethoden passend weiterentwickelt werden.

Vom Erdeisspeicher zum netzaktiven Prosumer-Quartier, Teilvorhaben: Energie Plus Concept GmbH - Betriebsoptimierung/-strategien

Vorhabensziel des Projekts ist die Überführung des im Vorgängervorhaben 'ErdEis II' umgesetzten Erdeisspeichers in den Vollbetrieb, das wissenschaftliche Monitoring und Benchmarking sowie die Entwicklung eines District Energy Management Systems (DEMS). Hierzu sollen verschiedene Betriebsmodi getestet, die Betriebsweise aufbauend auf den Ergebnissen optimiert, der Einfluss verschiedener Parameter modellgestützt nachvollzogen und das Kalte Nahwärmesystem mit Erdeisspeicher bestmöglich für die Gesamtsystemoptimierung mittels DEMS genutzt werden. Im zukünftigen Energiesystem wird nicht mehr allein auf Energieeffizienz respektive End- und Primärenergiebedarf optimiert werden können. Vielmehr spielt Flexibilität eine zunehmende Rolle, die schließlich gekoppelt an die Verfügbarkeit erneuerbarer elektrischer Energie den tatsächlichen CO2-Ausstoß bestimmen wird. Inzwischen sind Schnittstellen verfügbar, die über Vorhersagen zur CO2-Intensität des Stromnetzes eine entsprechende Optimierung ermöglichen. Diese Optimierung hat im Gesamtkonzept nicht nur wärme- bzw. kälteseitig zu erfolgen, sondern ganzheitlich die Bedarfe und Flexibilitäten des Kalten Nahwärmenetzes, der Haushaltsstromverbräuche, Mobilitätsbedarfe und Eigenenergieerzeugung miteinzuschließen. So kann ein Gesamtoptimum erreicht und Optimierungen von Teilsystemen, die zu Lasten der Gesamtemissionen gehen, vermieden werden. Entsprechend müssen auch Bewertungs- und Benchmarkingmethoden passend weiterentwickelt werden.

Zielgruppendifferenzierende Narrative, Kommunikationsstrategien und Formate für eine schnellere Umsetzung der Energiewende, Teilvorhaben: Energiedaten, Kundenkommunikation und neue Narrative

Das Verbundprojekt erforscht neue lebensweltnahe Narrative und Visualisierungen der Energiewende, die als zielgruppendifferenzierende Kommunikationsstrategien für Endverbraucher erprobt werden. Hierdurch soll die aktive Beteiligung von privaten Haushalten an der Energiewende verbessert werden. Fokussiert wird der Bereich 'Gebäude und Wohnen', der den größten Anteil des haushaltsbezogenen Primärenergiebedarfs ausmacht vor allem durch Heizen, Erzeugung von Warmwasser, Beleuchtung und den Gebrauch von Elektrogeräten. Für das Projekt leitend ist die Annahme, dass es nicht mehr Informationen, sondern anderer, neuer Narrationen und Kommunikationsformen mit Affektdimension braucht, um die Menschen anzusprechen und aktiv zu beteiligen. Dabei sind neben technologischen Entwicklungen und investiven Maßnahmen auch Verhaltensänderungen nötig, um im Alltag CO2 zu sparen. Ergänzend zu effizienterer Produktion und Nutzung von Energie, gilt es, somit verstärkt Suffizienz- und Konsistenzstrategien zu adressieren und dabei Rebound-Effekte im Blick zu haben. Die Höhe der potenziellen Einsparungen von Treibhausgasemissionen wird im Rahmen des Projekts Narrativ-bezogen berechnet. In der Praxis erreichen bisher übliche sachorientierte Kommunikationsstrategien nicht die breite Bevölkerung. Aus Informiertheit und Motivation erfolgt keine Handlung - ein als 'Intention-Behaviour-Gap' bekanntes Phänomen. Mittels Medienanalyse, Photovoice, Design Fiction und Datenerhebungen werden Verbindungen zwischen Bürger:innen-Lebenswelten und praktikablen Handlungsoptionen erforscht. Zur Erreichung der Ziele vereint das transdisziplinäre Projektteam Expertise aus den Kommunikations-, Design-, und Ingenieurswissenschaften, der Energieversorgung sowie das Praxiswissen der Handwerkskammer Düsseldorf und der Verbraucherzentrale NRW.

Zielgruppendifferenzierende Narrative, Kommunikationsstrategien und Formate für eine schnellere Umsetzung der Energiewende

Das Verbundprojekt erforscht neue lebensweltnahe Narrative und Visualisierungen der Energiewende, die als zielgruppendifferenzierende Kommunikationsstrategien für Endverbraucher erprobt werden. Hierdurch soll die aktive Beteiligung von privaten Haushalten an der Energiewende verbessert werden. Fokussiert wird der Bereich 'Gebäude und Wohnen', der den größten Anteil des haushaltsbezogenen Primärenergiebedarfs ausmacht vor allem durch Heizen, Erzeugung von Warmwasser, Beleuchtung und den Gebrauch von Elektrogeräten. Für das Projekt leitend ist die Annahme, dass es nicht mehr Informationen, sondern anderer, neuer Narrationen und Kommunikationsformen mit Affektdimension braucht, um die Menschen anzusprechen und aktiv zu beteiligen. Dabei sind neben technologischen Entwicklungen und investiven Maßnahmen auch Verhaltensänderungen nötig, um im Alltag CO2 zu sparen. Ergänzend zu effizienterer Produktion und Nutzung von Energie, gilt es, somit verstärkt Suffizienz- und Konsistenzstrategien zu adressieren und dabei Rebound-Effekte im Blick zu haben. Die Höhe der potenziellen Einsparungen von Treibhausgasemissionen wird im Rahmen des Projekts Narrativ-bezogen berechnet. In der Praxis erreichen bisher übliche sachorientierte Kommunikationsstrategien nicht die breite Bevölkerung. Aus Informiertheit und Motivation erfolgt keine Handlung - ein als 'Intention-Behaviour-Gap' bekanntes Phänomen. Mittels Medienanalyse, Photovoice, Design Fiction und Datenerhebungen werden Verbindungen zwischen Bürger:innen-Lebenswelten und praktikablen Handlungsoptionen erforscht. Zur Erreichung der Ziele vereint das transdisziplinäre Projektteam Expertise aus den Kommunikations-, Design-, und Ingenieurswissenschaften, der Energieversorgung sowie das Praxiswissen der Handwerkskammer Düsseldorf und der Verbraucherzentrale NRW.

Optimierung der Dämmwirkung und Verarbeitbarkeit nanostrukturierter Polymerschäume zur Anwendung in Vakuumisolationspaneelen für ressourcen- und klimaeffiziente Endanwendungen

In dem beantragten Verbundvorhaben sollen nanostrukturierte Polymerschäume (SUMFOAM) für ressourcen- und energieeffiziente Endanwendungen, vor allem für Transportlösungen für die globale Impfstoff-Distribution, weiterentwickelt werden. Dies umfasst und a. die Optimierung der verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Wärmedämmeigenschaften und Verarbeitbarkeit zu Vakuumisolationspaneelen (VIPs). Durch eine grundlegende Verbesserung der Herstellungsprozesse sollen offenzellige, nanostrukturierte Polymerschäume in Form direkt weiter verarbeitbarer Platten entstehen, die sich leichter evakuieren lassen und nicht nachträglich zu einem Anstieg des Gasinnendrucks im VIP führen. Durch die Optimierung der Wärmetransportmechanismen soll die Wärmeleitfähigkeit des nanostrukturierten Polymerschaums weiter reduziert werden. So kann die Lebensdauer des VIPs erhöht werden und auch im Falle einer vollständigen Belüftung noch eine geringere Wärmeleitfähigkeit, verglichen mit herkömmlichen Polymerschäumen, garantiert werden. Die Ziele des Verbundvorhabens liegen darin, eine vergleichbare thermische Effizienz wie bei bisher etablierten Materialkombinationen für VIPs zu erreichen, dabei jedoch Gewicht und Produktionskosten einzusparen. Dies ermöglicht einen geringeren Material- und Ressourceneinsatz sowie Primärenergiebedarf bei der Herstellung. Die geringere Dichte bzw. das geringere Gewicht der Transportboxen reduziert darüber hinaus die zum Transport während der Lebensdauer benötigte Energie sowie die damit verbunden CO2-Emissionen. Außerdem können die eingesetzten Materialien aufgrund der Recyclingfähigkeit der nanostrukturierten Polymerschäume nach dem Ende der Lebensdauer zerkleinert und aufbereitet werden, um diese im Rahmen der zirkularen Wirtschaft ('Circular Economy') wieder für die Herstellung neuer Polymerschäume zu verwenden. Das ZAE Bayern koordiniert das Verbundvorhaben und führt grundlegende Forschung durch.

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