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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.

Wiederaufladbare Zink-Mangan-Batterie mit pH-neutralem Elektrolyten, ZiMaBat - Wiederaufladbare Zink-Mangan-Batterie mit pH-neutralem Elektrolyten

Multikriterielle Optimierung: Auswirkungen von Recyclingpotentialen, kritischen Rohstoffen und Lieferkettenrisiken auf die Energiewende, Teilvorhaben: Bestimmung pareto-optimaler Lösungen für multikriterielle Optimierungsprobleme

In RESUME wird untersucht, wie sich die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe - und deren Versorgungsrisiko sowie Recycling-Potenzial - auf mögliche Umsetzungspfade für die deutsche Energiewende auswirkt. Zu diesem Zweck werden die Rohstoffverfügbarkeiten sowie die Rohstoffanforderungen von Energietechnologien in ein Energiesystemmodell integriert, um aus Rohstoffbedarfssicht nicht realisierbare Pfade verwerfen und robuste Pfade identifizieren zu können. Dabei wird das Design des Energiesystems nicht nur auf die zu erwartenden Versorgungskosten, sondern im Zuge einer Mehrzieloptimierung auch bezüglich Versorgungsrisiko und die Rohstoffkritikalität ausgelegt Die GAMS Software GmbH entwickelt das General Algebraic Modelling System (GAMS), welches bei der Modellierung besagter Energiesystemmodelle zum Einsatz kommt. Das Teilvorhaben der GAMS Software GmbH verfolgt im Rahmen von RESUME im Wesentlichen das Ziel der Schaffung neuer Funktionalität zum effizienten Bestimmen pareto-optimaler Lösungen für multikriterielle GAMS Modelle, d.h. Modelle mit mehreren Zielfunktionen.

Multikriterielle Optimierung: Auswirkungen von Recyclingpotentialen, kritischen Rohstoffen und Lieferkettenrisiken auf die Energiewende, Teilvorhaben: Rohstoffkritikalität und Stoffflussmodellierung

Die Energiewende ist rohstoffintensiv. Unser Hauptziel ist zu untersuchen wie sich die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe - und deren Versorgungsrisiko und Recycling-Potenzial - auf mögliche Umsetzungspfade für die deutsche Energiewende auswirkt. Zu diesem Zweck werden die Rohstoffverfügbarkeiten sowie die Rohstoffanforderungen von Energietechnologien in ein Energiesystemmodell integriert, um aus Rohstoffbedarfssicht nicht realisierbare Pfade verwerfen und robuste Pfade identifizieren zu können. Genauer gesagt, wird der prospektive Rohstoffbedarf in einem Modell für die Ausbauplanung explizit modelliert (endogenisiert). Es kann erwartet werden, dass die sich aus der Modellierung ergebenden Energiesysteme resilienter beispielsweise gegenüber gestörten Lieferketten sind, wenn die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe Modellentscheidungen beeinflusst. Dabei wird das Design des Energiesystems nicht nur auf die zu erwartenden Versorgungskosten, sondern im Zuge einer Mehrzieloptimierung auch bezüglich Versorgungsrisiko und die Rohstoffkritikalität ausgelegt. Dieser Aspekt ist von besonderer Relevanz, da Optimierungsmodelle demzufolge so weiterentwickelt werden, dass deren Zielfunktion erstmals das Zieldreieck der Energieversorgung aus Kosteneffizienz, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit widerspiegelt. Um die Rechenlast einer solch komplexen Planungsaufgabe in einem angemessenen Rahmen zu halten, ist die Entwicklung einer intelligenten Methode zur Erforschung von Kompromisslösungen (Pareto-Fronten) zentraler Teil des Vorhabens. Weiterhin wird ein visuelles Analysewerkzeug entwickelt und angewendet, um Entscheidungsprozesse von Stake-holdern bei solch hochdimensionalen Problemen zu verbessern.

Multikriterielle Optimierung: Auswirkungen von Recyclingpotentialen, kritischen Rohstoffen und Lieferkettenrisiken auf die Energiewende, Teilvorhaben: Modellierung und Analyse von Energiewendepfaden unter Berücksichtigung von Rohstoffkritikalitäten

Hauptziel ist es zu untersuchen wie sich die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe - und deren Versorgungsrisiko sowie Recycling-Potenzial - auf mögliche Umsetzungspfade für die deutsche Energiewende auswirkt. Zu diesem Zweck werden die Rohstoffverfügbarkeiten sowie deren Bedarfe für Energiewende relevante Technologien in das Energiesystemmodell REMix integriert, um robuste Transformationspfade identifizieren zu können. Das heißt, der zukünftige Rohstoffbedarf wird in einem Modell für die Energiesystemplanung explizit bei der Optimierung berücksichtigt. Für die Ergebnisse kann erwartet werden, dass die sich aus der Modellierung ergebenden Energiesysteme resilienter beispielsweise gegenüber gestörten Lieferketten sind, wenn die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe modellierte Entscheidungen beeinflusst. Dabei wird das Design zukünftiger Energiesysteme nicht nur auf die zu erwartenden Versorgungskosten, sondern im Zuge einer Mehrzieloptimierung auch bezüglich Versorgungsrisiko und Rohstoffkritikalität ausgelegt. Dieser Aspekt ist von besonderer Relevanz, da sich somit erstmals das Zieldreieck der Energieversorgung aus Kosteneffizienz, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit in der Zielfunktion eines Energiesystemmodells wiederspiegelt. Um den Berechnungsaufwand einer solch komplexen Simulation in einem angemessenen Rahmen zu halten, ist die Entwicklung einer intelligenten Methode zur Erforschung von Kompromisslösungen (Pareto-Fronten) zentraler Teil des Vorhabens. Weiterhin wird ein visuelles Analysewerkzeug entwickelt und angewendet, um den Praxistransfer in Form der Unterstützung von Entscheidungsprozessen in Politik und Energiewirtschaft zu verbessern.

Multikriterielle Optimierung: Auswirkungen von Recyclingpotentialen, kritischen Rohstoffen und Lieferkettenrisiken auf die Energiewende

Hauptziel ist es zu untersuchen wie sich die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe - und deren Versorgungsrisiko sowie Recycling-Potenzial - auf mögliche Umsetzungspfade für die deutsche Energiewende auswirkt. Zu diesem Zweck werden die Rohstoffverfügbarkeiten sowie deren Bedarfe für Energiewende relevante Technologien in das Energiesystemmodell REMix integriert, um robuste Transformationspfade identifizieren zu können. Das heißt, der zukünftige Rohstoffbedarf wird in einem Modell für die Energiesystemplanung explizit bei der Optimierung berücksichtigt. Für die Ergebnisse kann erwartet werden, dass die sich aus der Modellierung ergebenden Energiesysteme resilienter beispielsweise gegenüber gestörten Lieferketten sind, wenn die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe modellierte Entscheidungen beeinflusst. Dabei wird das Design zukünftiger Energiesysteme nicht nur auf die zu erwartenden Versorgungskosten, sondern im Zuge einer Mehrzieloptimierung auch bezüglich Versorgungsrisiko und Rohstoffkritikalität ausgelegt. Dieser Aspekt ist von besonderer Relevanz, da sich somit erstmals das Zieldreieck der Energieversorgung aus Kosteneffizienz, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit in der Zielfunktion eines Energiesystemmodells wiederspiegelt. Um den Berechnungsaufwand einer solch komplexen Simulation in einem angemessenen Rahmen zu halten, ist die Entwicklung einer intelligenten Methode zur Erforschung von Kompromisslösungen (Pareto-Fronten) zentraler Teil des Vorhabens. Weiterhin wird ein visuelles Analysewerkzeug entwickelt und angewendet, um den Praxistransfer in Form der Unterstützung von Entscheidungsprozessen in Politik und Energiewirtschaft zu verbessern.

Souveräne und nachhaltige Lieferketten für zentrale Energiewendetechnologien - Tools und Analysen für On-/Friendshoring, Materialsubstitution, Ressourceneffizienz und Kreislaufwirtschaft, Teilvorhaben: Rohstoffkritikalität, Supply-Risk-Analyse Energiewendetechnologien

Multikriterielle Optimierung: Auswirkungen von Recyclingpotentialen, kritischen Rohstoffen und Lieferkettenrisiken auf die Energiewende, Teilvorhaben: Rohstoffverfügbarkeit für die deutsche Energiewende - Angebot, Märkte, Versorgungsrisiken

Die Energiewende ist rohstoffintensiv. Unser Hauptziel ist es zu untersuchen wie sich die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe - und deren Versorgungsrisiko sowie Recyclingpotenzial - auf mögliche Umsetzungspfade für die deutsche Energiewende auswirkt. Zu diesem Zweck werden die Rohstoffverfügbarkeiten sowie die Rohstoffanforderungen von Energietechnologien in ein Energiesystemmodell integriert, um aus Rohstoffbedarfssicht nicht realisierbare Pfade verwerfen und robuste Pfade identifizieren zu können. Genauer gesagt, wird der prospektive Lebenszyklus-Rohstoffbedarf in einem Modell für die Ausbauplanung explizit modelliert (endogenisiert). Es kann erwartet werden, dass die sich aus der Modellierung ergebenden Energiesysteme resilienter beispielsweise gegenüber gestörten Lieferketten sind, wenn die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe Modellentscheidungen beeinflusst. Dabei wird das Design des Energiesystems nicht nur auf die zu erwartenden Versorgungskosten, sondern im Zuge einer Mehrzieloptimierung auch bezüglich des Versorgungsrisikos und der Rohstoffkritikalität ausgelegt. Diese Aspekte sind von besonderer Relevanz, da Optimierungsmodelle demzufolge so weiterentwickelt werden, dass deren Zielfunktion erstmals das Zieldreieck der Energieversorgung aus Kosteneffizienz, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit widerspiegelt. Um die Rechenlast einer solch komplexen Planungsaufgabe in einem angemessenen Rahmen zu halten, ist die Entwicklung einer intelligenten Methode zur Erforschung von Kompromisslösungen (Pareto-Fronten) ein zentraler Teil des Vorhabens. Weiterhin wird ein visuelles Analysewerkzeug entwickelt und angewendet, um Entscheidungsprozesse von Stakeholdern bei solch hochdimensionalen Problemen zu verbessern.

Comparative analysis of case studies for mining sites worldwide

One aim of the project OekoRess II was to further develop evaluation methods for environmental hazard potentials of mining projects and raw materials developed as part of the predecessor project OekoRess I. The main task of the methodology development was to identify a governance indicator which reflects best a country’s mining sector governance with regard to environmental aspects. The study aims to answer the question whether existing governance indices and indicators are able to adequately reflect the capability of governments, companies and civil society to manage potential environmental hazards and avoid or reduce environmental impacts of mining. For this purpose, 10 case studies on mining sites in different countries worldwide were prepared. The results of these studies were then compared with the results of further 13 case from another  predecessor project (UmSoRess).  A set of governance indicators was identified that can be used to improve the environmental governance indicator of the evaluation schemes. Eight indicators were tested on the 23 case studies. In result, the Environmental Performance Index (EPI) was recognized as best suited. This report presents the research approach and the consolidated results. All ten case studies and links to related reports are provided below. The detailed assessment results for more than 50 raw materials are available in a separate Environmental Criticality Report. Veröffentlicht in Texte | 81/2020.

Discussion of the environmental limits of primary raw material extraction and development of a method for assessing the environmental availability of raw materials to further develop the criticality concept (ÖkoRess I)

The project "Environmental Raw Material Availability" (OekoRess I) developed methods for the assessment of environmental hazard potentials of mining. For this purpose, a mining site-related evaluation model was first developed and tested in an iterative process using 40 case studies. On this basis, a raw material-related evaluation model was derived and applied to five raw materials as examples. Both evaluation models are now available also in English language. In addition, an evaluation system for the environmental hazard potential of mining residues was developed in an accompanying process and conceptual questions of environmental raw material availability and criticality were discussed. Those reports are available only in German language.The raw-material-related evaluation model has been further developed and applied to more than 50 materials in the follow-up project OekoRess II. In another follow-up project, OekoRess III, the site-related evaluation model is further developed and applied to the world’s 100 largest mining sites for copper, iron and bauxite.

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