Anthropogenic climate change is one of the greatest challenges of this century: The consequences of global warming above 1.5°C seriously threaten our civilization. Climate scientists thus agree that the release of greenhouse gases (GHG) to the atmosphere must be reduced by about 50% until 2030 and reach net-zero until 2050. The manufacturing industry is one of the main emitters of GHG in the European Union. This is caused by its reliance on fossil fuels as energy carrier and feedstock. This thesis investigates opportunities for important industrial processes to switch to less GHG-intensive energy carriers. The analysis incorporates technical, economic and behavioural aspects of energy carrier selection. The insights gained inform a bottom-up energy system model, which is used for policy advice on national and European level. One of the main conclusions of this thesis is that vast technical potentials for fuel switching exist and that it may be a substantial pillar of early decarbonisation. The realization of these potentials however requires drastic changes to economic conditions.
Anthropogenic climate change is one of the greatest challenges of this century: The consequences of global warming above 1.5°C seriously threaten our civilization. Climate scientists thus agree that the release of greenhouse gases (GHG) to the atmosphere must be reduced by about 50% until 2030 and reach net-zero until 2050. The manufacturing industry is one of the main emitters of GHG in the European Union. This is caused by its reliance on fossil fuels as energy carrier and feedstock. This thesis investigates opportunities for important industrial processes to switch to less GHG-intensive energy carriers. The analysis incorporates technical, economic and behavioural aspects of energy carrier selection. The insights gained inform a bottom-up energy system model, which is used for policy advice on national and European level. One of the main conclusions of this thesis is that vast technical potentials for fuel switching exist and that it may be a substantial pillar of early decarbonisation. The realization of these potentials however requires drastic changes to economic conditions.
The 2015 Paris Agreement aims to strengthen the global response to the threat of climate change by keeping global temperature rise in this century well below 2 degrees Celsius above pre-industrial levels and to pursue efforts to limit the temperature increase even further to 1.5 degrees Celsius. The industrial sector in particular will need a bundle of technologies and measures that go beyond energy efficiency and fuel switching. In this context, circular economy is an important pillar in reducing the demand for energy-intensive raw materials and gains momentum in the political debate. This contribution to the eceee Industrial Efficiency 2020 presents the potential impacts of selected circular economy actions in the building sector on cement production and CO2-emissions in the cement industry. The analysis is based on a bottom-up material flow modelling approach. The assessed measures include actions along the whole value chain. Some examples are the reduction of over specification, material substitution (e.g. new binders, wood use), extending buildings' lifetime, design for disassembly, etc. Results show that circularity measures could substantially contribute to the objective of a CO2-neutral economy (not taking into account rebound effects). The overall greenhouse gas reduction potential is calculated as 58 % compared to a 2015 base case. In addition, the individual actions' contribution is presented. We conclude that effort along the entire value chain is necessary to enable the construction sector to contribute to European climate policy.
Vor dem Hintergrund steigender Materialbedarfe und fortschreitender Klimakrise gewinnt die Kreislaufwirtschaft für die Treibhausgasemissionsreduktion auch politisch an Bedeutung. Die Umsetzung solcher Maßnahmen ist insbesondere in Grundstoffindustrien relevant, da diesen ein Großteil der Treibhausgasemissionen zugeordnet werden kann und deren Dekarbonisierung besonders herausfordernd ist. Da die Auswirkungen von Kreislaufwirtschaftsmaßnahmen sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette zeigen, ist die Betrachtung typischer Endverwendungsgüter und zugehöriger Grundstoffe zielführend. In diesem Beitrag werden die mengen- und emissionsmäßig relevanten Grundstoffe Stahl und Zement für den Einsatz im Bausektor untersucht. Es erfolgt die Quantifizierung der Materialflüsse in der Europäischen Union für das Jahr 2019 durch eine flussgetriebene Materialflussmodellierung und die Abschätzung der theoretischen Treibhausgasminderungspotentiale beispielhafter Kreislaufwirtschaftsmaßnahmen. Ziel der Betrachtung ist das Schaffen einer methodischen Grundlage für die spätere Entwicklung prospektiver Dekarbonisierungsszenarien. Erste Ergebnisse zeigen, dass während die Zementproduktion ausschließlich für Endverwendungsgüter im Bausektor verwendet wird, können dem Bausektor rund 45 Prozent der Stahlfertigerzeugnisse zugeordnet werden. Für letzteres werden hauptsächlich Langprodukte eingesetzt, die zu einem Großteil aus recyceltem Material hergestellt werden. Die zusätzliche Modellierung von Maßnahmen zur Materialeffizienzsteigerung und Materialsubstitution zeigt, dass die Materialflussmodellierung geeignet ist, um Kreislaufwirtschaftsmaßnahmen abzubilden und diese auch einen nicht vernachlässigbaren Beitrag zur Reduktion der industriellen Treibhausgasemissionen leisten können.
Die Erzeugung von Prozesswärme in Industrieöfen der Metall- und Mineralindustrie ist in vielen Anwendungen fossil dominiert. Um bis 2045 einen hinreichenden Beitrag zur Dekarbonisierung zu leisten, ist ein Umstieg auf CO2-neutrale Technologien notwendig, von denen hier die direkte Stromnutzung, die Nutzung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff und EE-Methan sowie deren jeweilige Hybridisierung untersucht werden. Diese werden in einem weiteren Beitrag zur AOTK 2021 aus technischer Sicht beleuchtet. Der hier vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit den wirtschaftlichen Aspekten dieser Technologien in ausgewählten Anwendungen der Umformtechnik, Härtereitechnik und Glasindustrie und leitet daraus Handlungsempfehlungen für Politik und Unternehmen ab. Die Ergebnisse zeigen, dass die Energieträgerkosten die Kostenstruktur oft dominieren und dass daher die Energieträgerpreisdifferenz zwischen z.B. Erdgas und Strom ein wichtiges politisches Handlungsfeld ist. Darüber hinaus sind frühe Preissignale und eine Verhaltensänderung der Investitionsentscheidung notwendig, um bis 2045 eine weitgehende Dekarbonisierung zu ermöglichen und ordnungsrechtliche Eingriffe zu vermeiden. Synthetische Energieträger und Wasserstoff sind nur in speziellen Konstellationen attraktiv.
The industry sector accounts for about 20 % of GHG emissions in Germany. Achieving long-term GHG neutrality also requires industrial emissions to approach zero in the long-term. The German government set an intermediate industry sector target in the range of 49 to 51 % emission reduction by 2030 compared to 1990. While the targets are set, it is yet mostly unclear which technology path industry will and can take towards decarbonisation. Various measures including energy efficiency, biomass, electrification, green hydrogen, power to gas (PtG), circularity, material efficiency, process switch and carbon capture and storage are on the table, but their individual contributions are highly debated. We present results of a comprehensive bottom-up assessment comparing two alternative scenario pathways to 2050. The first is based on electrification as the main decarbonisation option, while the second builds on the broad availability of green gas. We use the bottom model FORECAST, which containsa high level of technology and process detail. E.g. more than 60 energy-intensive processes/products are included as well as a detailed stock model of steam generation technologies. Results show that both scenarios reach a GHG reduction of about 93 % in 2050 without using carbon-capture and storage. Remaining emissions are mostly process-related. This requires a fundamental change in industrial energy supply and use, but also in the industrial structure including entire value chains. The electrification scenario experiences an increase of direct use of electricity of about 100 TWh or 50 % by 2050 compared to 2015 plus additional 146 TWh green hydrogen. In the gas focused scenario electricity demand remains stable, while a demand for 337 TWh of green gas emerges by 2050, mainly replacing natural gas use, but also coal in the steel industry and feedstocks in chemical products. Both scenarios assume a substantial improvement in-energy efficiency and material efficiency along the value chain for CO2-intensive products as well as a strong shift to a circular economy. E.g. the secondary steel route gains market share from about 30 % in 2015 to 60 % in 2050. In the basic materials industries a process switch to low-carbon production routes takes place assuming the market introduction and fast diffusion of low-carbon technologies, which are today only at pilot or demonstration scale. In addition, the electrificationscenario also requires a carbon source for the hydrogen-based olefine production. Here, we assess the option to use remaining process-related CO2 emissions from lime and cement plants. Such fundamental change in the industrial structure can onlyhappen when the regulatory frame is adapted and addresses the major challenges ahead. Among these are for example the higher running costs of CO2-neutral processes, the expansion of infrastructure, the effective implementation of CO2 price signals along the value chains and the reduction of uncertainties regarding large strategic investments in low-carbon processes.
It is becoming increasingly clear that linear modes of production and consumption are unsustainable. A circular economy would help to minimize both environmental and social problems. As a result, the concept is gaining momentum in the political discourse. However, current policies do not seem sufficient to transform linear value chains to circular ones. This paper compares the potentials of and prerequisites for a circular economy along two important value chains. As a best practice example, the legal framework along the battery value chain is analyzed. This analysis is used to derive recommendations for how to improve the legal framework along the building value chain. We find that the battery value chain is already addressed by targeted instruments and the instruments addressing the building value chain have to be aligned and their credibility improved through mandatory requirements. A value chain‐specific approach to develop the legal framework is promising for key sectors, while both general frameworks and value chain‐specific instruments are required to fully exploit the CE for every product.
Der vorliegende Bericht präsentiert Vermeidungskostenkurven für Treibhausgasemissionen (THG-VKK) im stationären Teil des Emissionshandelssystems der Europäischen Union (stationäres EU ETS) für die Jahre 2030 und 2040. Sie umfassen alle 31, am EU ETS beteiligten Länder (inkl. Großbritannien) und alle relevanten Tätigkeiten/Sektoren mit Ausnahme des Luftverkehrssektors. Bei der Entwicklung der EU ETS-spezifischen Vermeidungskostenkurve kam ein System aus zwei Modellen zum Einsatz: Enertile, ein Modell zur Optimierung des Europäischen Stromsystems und FORECAST-Industry, ein Bottom-up-Simulationsmodell für die Industriesektoren inklusive Raffinerien. Neben einem Basisszenario wurden drei Sensitivitätsanalysen zur Überprüfung der Robustheit der Ergebnisse durchgeführt. Dieser Bericht enthält die entwickelten VKK, die Ergebnisse der Sensitivitätsanalysen sowie eine detaillierte Darstellung der eingesetzten Modelle und getroffenen Annahmen, um die Interpretation der VKK zu ermöglichen. Zusätzlich wurden die Ergebnisse mit anderen Studien verglichen und es werden die größten methodischen und inhaltlichen Herausforderungen bei der Entwicklung der VKK diskutiert.
Modul 3 enthält das Referenz- und das Basisszenario. Das Referenzszenario ist das einzige Szenario, in dem die wesentlichen energie- und klimapolitischen Ziele des Energiekonzepts der Bundesregierung verfehlt werden, da diese in den Modellen nicht vorgegeben werden. Damit soll keine realistische Handlungsoption durchgespielt werden. Es dient vielmehr dem Erkenntnisgewinn im Vergleich zu den Zielszenarien. Das Referenzszenario ist unter anderem ein Bezugspunkt für die Beantwortung der Frage "Was kostet die Energiewende?". Denn auch ein alternatives Energiesystem, in dem die energie- und klimapolitischen Ziele verfehlt werden, ist mit Kosten für Kraftwerke, Netze, fossile Brennstoffe und so weiterverbunden. Beim Referenzszenario handelt es sich insbesondere im Stromsektor aber dennoch um ein kostenoptimiertes und damit in gewisser Weise fiktives Szenario. Es werden die günstigsten Optionen eingesetzt und es wird von viele realen Hemmnissen abstrahiert. Das Szenario stellt also keinen "Business-as-usual"-Fall dar. Das Basisszenario ist das zentrale Zielszenario der Langfristszenarien. Es handelt sich um ein Szenario, in dem die energie- und klimapolitischen Ziele möglichst kosteneffizient erreicht werden. Neben den wesentlichen energie- und klimapolitischen Zielen des Energiekonzepts der Bundesregierung werden den Modellen nur wenige weitere Nebenbedingungen vorgegeben. Dies betrifft im Wesentlichen bestehenden Konsens im Bereich der Stromerzeugung. So wird Photovoltaik mindestens bis zum derzeitigen, im EEG verankerten Deckel von 52 GW ausgebaut, drei Viertel davon als Aufdachanlagen. Ebenso wird Windenergie auf See auf mindestens 15 GW in 2030 ausgebaut. Ferner ist der Einsatz der CCS-Technologie im Basisszenario (wie auch in den anderen Szenarien mit Ausnahme des restriktionsarmen Szenarios, siehe Modul 6) im Stromsektor ausgeschlossen. Darüber hinaus werden im Basisszenario jedoch im Sinne des größtmöglichen Erkenntnisgewinns auch gegebenenfalls als extrem empfundene Ergebnisse bewusst zugelassen und nicht in Richtung einer als kompromissfähiger vermuteten Lösung abgeschwächt.
Wie wirken unterschiedliche CO2-Preispfade in den vom Brennstoffemissionshandelsgesetzes (BEHG) betroffenen Sektoren Verkehr, Gebäude und Industrie? Die Analyse zeigt, dass selbst hohe CO2-Preispfade im BEHG alleine nicht ausreichen, damit diejenigen Investitionsentscheidungen getroffen werden, welche die 2030er Klimaziele in den Sektoren des Bundes-Klimaschutzgesetzes erreichen. Erfolgt die Minderung der Treibhausgasemissionen ausschließlich über den Preismechanismus im BEHG, so ist von sprunghaft ansteigenden Zertifikatspreisen nach Ablauf der Festpreisphase und entsprechend späten Investitionen auszugehen. Stattdessen wird deutlich, dass ein breiter Instrumenten-Mix benötigt wird, um Klimaschutzhemmnisse zu überwinden. Beispielsweise sind Investitionen in Infrastruktur wesentliche Voraussetzungen für die Verlagerungswirkung und die Akzeptanz des CO2-Preises. Ein Instrumenten-Mix kann also dazu beitragen, dass der CO2-Preis weniger stark ansteigen muss. Erwartungen über zukünftige Preisentwicklungen spielen eine wichtige Rolle bei Investitionsentscheidungen. Dass Millionen von Akteuren (sowohl Unternehmen als auch Autofahrende und Hauseigentümer*Innen) in ihren Entscheidungen zukünftige Preissteigerungen von fossilen Energien berücksichtigen, ist ein wichtiger Teil von Klimaschutzpolitik und gesellschaftlichen Diskursen. In diesem Bericht werden darüber hinaus weitere Forschungsbedarfe deutlich, insbesondere zu empirischen Erkenntnissen über Investitionsentscheidungen, wenn fossile Energiepreise langfristig ansteigen oder diese erwartet werden.
Die sozio-ökonomische Folgenabschätzung vergleicht das Mit-weiteren-Maßnahmen-Szenario (MWMS), welches zusätzliche geplante Klimaschutzinstrumente beinhaltet, mit dem Mit-Maßnahmen-Szenario (MMS) des Projektionsberichts 2023 in Hinblick auf Investitionsbedarfe, Kosteneinsparungen sowie die gesamtwirtschaftliche Wirkung. Dabei werden Veränderungen in den Sektoren Energie, Industrie, Gebäude und Verkehr untersucht. Ergänzt wird die Analyse durch die Abschätzung von Arbeitsmarkteffekten in ausgewählten Bereichen mit hohen Investitionsbedarfen und durch die Analyse von Verteilungswirkungen verschiedener Instrumente in den Sektoren Gebäude und Verkehr. Mehrinvestitionen im MWMS, insbesondere in den Bereichen Gebäudehülle, erneuerbare Heiztechnologien, Energiespeicher und elektrische Fahrzeuge, stehen geringeren Investitionen in fossile Heizungstechnologien und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor gegenüber. Insgesamt sind die Investitionen im MWMS leicht höher als im MMS und die Energie- und Betriebskosten fallen geringer aus. In beiden Szenarien gehen die Nachfrage und daraus resultierend die Ausgaben für fossile Brennstoffe gehen stark zurück, im MWMS stärker als im MMS, während die Stromausgaben aufgrund der Elektrifizierung zunehmen. Mehrinvestitionen und geringere Importe fossiler Brennstoffe wirken sich positiv auf die Gesamtwirtschaft in Deutschland aus, was sich durch einen höheren BIP-Verlauf bis 2045 im MWMS im Vergleich zum MMS ausdrückt. Es ergeben sich strukturelle Verschiebungen zwischen verschiedenen Wirtschaftsbereichen. Investitionen in elektrifizierte Fahrzeuge, Gebäudehülle, Wärmepumpen und Wind Onshore führen zu Arbeitskräftebedarfen in zahlreichen Wirtschaftszweigen und Tätigkeiten. Ein signifikanter Anteil entfällt auf Berufskategorien, für die bereits schon heute ein Engpass besteht. Durch die höheren Klimaschutzanstrengungen im MWMS gegenüber dem MMS entstehen je nach Instrument leicht progressive oder leicht regressive Verteilungswirkungen. Die Analyse von Beispielhaushalten zeigt, dass die Belastung für die Haushalte, insbesondere mit geringem Einkommen, sehr hoch sein kann, aber auch, dass insbesondere bei hohen CO2-Preisen der Umstieg auf klimafreundliche Lösungen eine Entlastung der Haushalte bewirken kann. Dies hat Auswirkungen auf die (sozial differenzierte) Ausgestaltung von Anreiz- und Förderprogrammen, die den wichtigsten Hebel bieten, um Haushalte nachhaltig vor hohen Kosten zu schützen.
Um das große Potenzial von Dachflächen für den Ausbau Erneuerbarer Energien zu nutzen, empfehlen die Autoren die Einführung einer Pflicht zur Installation und zum Betrieb neuer Photovoltaikanlagen bei Neubauten und Dachsanierungen. In Kombination mit einem Verpachtungskataster kann sichergestellt werden, dass Eigentümer und Eigentümerinnen mit unrentablen Dachflächen diese Pflicht nicht erfüllen müssen. Diese Studie beschreibt mehrere Optionen für die genaue Ausgestaltung einer solchen Pflicht. Die Autoren analysieren die Auswirkungen mit ihren Vor- und Nachteilen. Rechtliche Aspekte sowie bereits bestehende und geplante Solar-Pflichten werden dabei berücksichtigt.
Mit welchen konkreten Klimaschutzinstrumenten können die Sektor-Klimaziele des Bundes-Klimaschutzgesetzes im Jahr 2030 erreicht werden? Wie können die im Projektionsbericht 2021 identifizierten Lücken geschlossen werden? Das Szenario KIS-2030 wurde mit der instrumentenbasierten Modellierung, mit der auch der Projektionsbericht modelliert wird, modelliert und zeigt konkrete Handlungsmöglichkeiten auf. Im Projektionsbericht 2021 ergibt sich für die gesamten Treibhausgasemissionen Deutschlands im Jahr 2030 eine Minderung um 49 Prozent im Vergleich zum Jahr 1990. Damit werden die Klimaziele aus dem Bundes-Klimaschutzgesetz (Minderung um mindestens 65 Prozent bis 2030) deutlich verfehlt. Im Jahr 2030 beträgt die Lücke 171 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente. Um aufzuzeigen, wie die Klimaziele im Jahr 2030 doch noch erreicht werden könnten, hat das Umweltbundesamt (UBA) das Klimaschutzinstrumente-Szenario 2030 (KIS-2030) erstellen lassen.
Der deutsche Projektionsbericht 2023 beschreibt die projizierte Entwicklung der Treibhausgasemissionen in Deutschland in einem Mit-Maßnahmen-Szenario (MMS) sowie in einem Mit-Weiteren-Maßnahmen-Szenario (MWMS). Der abgedeckte Zeitraum ist 2021 bis 2050. Der Bericht folgt den Vorgaben der Verordnung (EU) 2018/1999 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. Dezember 2018 über das Governance-System für die Energieunion und für den Klimaschutz. Für die gesamten Treibhausgasemissionen (ohne Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft) ergibt sich im MMS im Zeitraum 1990 bis 2030 eine projizierte Minderung um 63 %, und bis 2050 wird eine Minderung von 83 % projiziert. Im MWMS wird bis 2030 eine Minderung von 65 % bis 2030 und von 87 % bis 2050 gegenüber 1990 projiziert. Im MMS werden damit die Minderungszielvorgaben des Bundesklimaschutzgesetzes bis 2030 kumuliert um rund 331 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente verfehlt. Im MWMS sinkt die Zielverfehlung auf 194 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente. Es gibt mehrere Haupttreiber der projizierten Emissionsentwicklung: Zum einen werden die erneuerbaren Energien stark ausgebaut. So erhöht sich beispielsweise der erneuerbare Anteil am Bruttostromverbrauch bis 2030 in beiden Szenarien auf über 80 %. Zum anderen führen Energieeffizienz- und Energieeinsparmaßnahmen zu deutlich niedrigeren End- und Primärenergieverbräuchen. Darüber hinaus gibt es Maßnahmen, um die nicht mit Energieverbräuchen zusammenhängenden Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Um Abweichungen der Ergebnisse durch veränderte Annahmen besser abschätzen zu können, wurden insgesamt sechs Sensitivitätsanalysen durchgeführt. In diesen wurden die Parameter für Wirtschaftswachstum, den Brennstoff- und EU-ETS-Preisen, BEHG-Preisen und dem Grad der Biomassenutzung verändert.
