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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: 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.

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.

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: 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.

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

A review of methods and data to determine raw material criticality

The assessment of the criticality of raw materials allows the identification of the likelihood of a supply disruption of a material and the vulnerability of a system (e.g. a national economy, technology, or company) to this disruption. Inconclusive outcomes of various studies suggest that criticality assessments would benefit from the identification of best practices. To prepare the field for such guidance, this paper aims to clarify the mechanisms that affect methodological choices which influence the results of a study. This is achieved via literature review and round table discussions among international experts. The paper demonstrates that criticality studies are divergent in the system under study, the anticipated risk, the purpose of the study, and material selection. These differences in goal and scope naturally result in different choices regarding indicator selection, the required level of aggregation as well as the subsequent choice of aggregation method, and the need for a threshold value. However, this link is often weak, which suggests a lack of understanding of cause-and-effect mechanisms of indicators and outcomes. Data availability is a key factor that limits the evaluation of criticality. Furthermore, data quality, including both data uncertainty and data representativeness, is rarely addressed in the interpretation and communication of results. Clear guidance in the formulation of goals and scopes of criticality studies, the selection of adequate indicators and aggregation methods, and the interpretation of the outcomes, are important initial steps in improving the quality of criticality assessments. © 2019 Published by Elsevier B.V.

VirtualP: Globale physische und virtuelle Phosphorflüsse in landwirtschaftlichen Gütern: Quellen, Senken und Recyclingpotential

Ungleichgewichte im globalen Nährstoffkreislauf und das potentielle Schwinden von Phosphorressourcen sind in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung und gesellschaftlicher Debatten gerückt. Mit ca. 80% ist die Landwirtschaft der größte Phosphorverbraucher. Im Gegensatz zu Stickstoff kann dieser Nährstoff nicht aus der Atmosphäre gebunden werden sondern stammt fast ausschließlich aus fossilen Quellen. In den letzten Jahren wurden diverse Erhebungen der globalen Phosphorressourcen und ihrer Abnahme durchgeführt. Diese kamen zu widersprüchlichen Schlüssen hinsichtlich der Erschöpfung der Phosphorlagerstätten, welche in weniger als 200 bis hin zu mehr als 2000 Jahren prognostiziert wurde. Unabhängig von der Sicherstellung der Phosphorversorgung hat auch das Ungleichgewicht in der globalen Phosphorverteilung Bedenken ausgelöst: während landwirtschaftliche Böden in den meisten Industrieländern in den letzten Jahrzehnten überdüngt wurden, wodurch es u.a. zu einem verstärkten Austrag von Phosphor in Oberflächengewässer und in Folge dessen Algenblüten und Verschiebungen in der Artenzusammensetzung kam, wurden und werden Böden in zahlreichen Entwicklungs- und Schwellenländern ausgelaugt. Das Projekt VirtualP hat das Ziel, diese phosphorbezogenen Probleme auf drei Ebenen anzugehen: 1) Anhand globaler Datenbanken und räumlicher Daten werden die produktive Verwendung von P-Dünger in der Landwirtschaft und der Konsum von P in landwirtschaftlichen Produkten quantifiziert und räumlich aufgeschlüsselt. Hierdurch lassen sich globale Quellen und Senken von P quantifizieren und gegenüberstellen.2) Im nächsten Schritt werden die Anteile virtuellen und physischen Phosphors auf Landesebene und wenn möglich höher auflösend bestimmt. Virtuelles P umfasst dabei den Anteil des P, der in die Wertschöpfungskette einfließt, der nicht direkt konsumiert wird. Also bspw. Verluste bei der Gewinnung und Ausbringung von Dünger, Verluste in der Nahrungsmittelproduktion und auf Transportwegen, sowie Nahrungsabfälle. Diese Erfassung erlaubt in Kombination mit den Ergebnissen aus Punkt (1) die Identifikation von potentiellen Spar- und Recyclingmaßnahmen.3) Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen und sozio-ökonomischen Daten wie gross domestic product, human development index und governance indicators wird im letzten Teil des Projekts die Kritikalität verschiedener Länder hinsichtlich P-Versorgung untersucht. Kritikalität beschreibt dabei die Abhängigkeit eines Unternehmens, Sektors oder Landes von einem Rohstoff kombiniert mit der Fähigkeit, sich mit diesem Rohstoff zu versorgen. Hierzu werden abhängig von der Datenverfügbarkeit auch lokale Untersuchungen herangezogen werden, um optimale P-Managementstrategien in verschiedenen sozio-ökonomischen Kontexten zu beleuchten.

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