Im Rahmen der Energiewende vollzieht sich die Abkehr von einer zentralisierten Energieversorgung mit weitgehend fossilen Kraftwerken hin zu einem dezentral organisierten System mit vorrangig erneuerbaren Energien. In diesem zukünftigen durch erneuerbare Energien dominierten Energiemarkt, nimmt die Photovoltaik (PV) aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Einer umfassenden Nutzung der Photovoltaik standen in der Vergangenheit hohe Investitionskosten entgegen. Der globale Auf- und Ausbau von Produktionskapazitäten zur Fertigung von PV-Anlagen und damit einhergehende Lernkurveneffekte haben im Zeitverlauf zu einer deutlichen Kostenreduktion für PV-Anlagen geführt. Die vormalige Kostenintensität von PV-Anlagen hat zur Entwicklung des klassischen Ansatzes zur Netzparität der Photovoltaik, als Maß deren Wettbewerbsfähigkeit, geführt. Der Ansatz stellt auf den Vergleich von Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage eines Haushalts mit dessen Strombezugskosten aus dem öffentlichen Stromnetz ab. Sowohl die Gegenüberstellung von Kosten und Preisen als auch der Fokus lediglich auf private Haushalte schränken die Anwendbarkeit des Ansatzes ein und bilden den Hintergrund dieser Arbeit. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche bestehender Paritätsbegriffe erfolgt eine Neudefinition des Ansatzes der Netzparität der Photovoltaik, die eine aussagekräftige Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie erlaubt. Wettbewerbsfähigkeit ist gegeben, wenn sich der Einsatz der Photovoltaik kostensenkend auf die Gesamtkosten der Stromproduktion des Energiemarkts auswirkt. Die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes auf weitere Energieerzeugungstechnologien, regional und zeitlich unabhängig, gilt als wesentliche Bedingung der Entwicklung des Paritätsansatzes. Hierfür werden die Kriterien reine Kostenorientierung, Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Energieerzeugungsanlagen, Anlagenbetrieb im technologischen Optimum und Vergleichsbasis im Energiemix definiert. Unter Zuhilfenahme eines Energiemarktmodells erfolgt die theoretische Darstellung des novellierten Paritätsansatzes. Netzparität der Photovoltaik im Ansatz dieser Arbeit liegt vor, wenn PV-Anlagen im Rahmen ihrer Nutzungsdauer eine Kostensenkung im Energiemix bewirken. Das bedeutet, dass der Saldo aus Stromgestehungskosten von PV-Anlagen eines Installationsjahrs und dem Energiemix über deren Nutzungsdauer positiv ist. Im Ergebnis des novellierten Ansatzes wird festgestellt, dass der jeweils in einer Region vorliegende Energiemix die Wettbewerbsfähigkeit von Stromerzeugungstechnologien wie der Photovoltaik determiniert. Externe Eingriffe wie eine Begrenzung der Anlagennutzungsdauer, führen generell zu höheren Kosten im Energiemix. Weiterhin zeigt sich, dass für den Standort Deutschland PV-Anlagen ab 2035 die Bedingungen der Netzparität erfüllen und entsprechend im nationalen Energiemix kostenmindernd wirken. Die Neudefinition des Ansatzes zur Netzparität als kostenbasiertes, langfristorientiertes und technologieneutrales Modell stellt ein Planungsinstrument dar, das die Umsetzung politischer Ziele wie der verstärkte Ausbau erneuerbarer Energien oder die Reduktion von CO2-Emissionen kostenminimal ermöglicht.

The thesis will focus on outlooks of the Czech energy system, especially with respect to supply-demand balance and generation adequacy. The current situation in the electricity market will be used as a starting point for projections of future scenarios. The scenarios will look at possible issues and challenges as well as further developments that the Czech energy system will be facing in the near future. These problems and challenges can be defined as the mid-term and long-term ability to balance supply and demand for electricity in the Czech Republic. The increase in production of electricity from renewable resources and the subsequent loss of flexibility of power sources go hand in hand with adverse economic conditions, together worsening the overall risk in the electricity system. At the same time we must take into account changes in EU energy policy and its effect on member countries, such as the planned shutdown of nuclear power plants in Germany, increased taxation of carbon dioxide production, supported production of electricity from renewable resources, and integration of energy markets. We must consider the harmonization of methods that are used to evaluate the adequacy and security of a production portfolio, known as a generation adequacy, while meeting the requirements of the given system and...

H ιδέα της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής εργασίας βασίζεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοαποικοδόμηση οργανικών ρύπων, μέσω φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων(PECs). Mε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η κατανάλωση των οργανικών ουσιών και η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο σκοπός της εργασίας ήταν η παρασκευή, ο χαρακτηρισμός, η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, των οποίων εξετάστηκε και αναλύθηκε η φωτοηλεκτροχημική τους συμπεριφορά. Η φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα αποτελείται από τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου, τα οποία φέρουν το φωτοκαταλύτη και τον ηλεκτροκαταλύτη αντίστοιχα. Εξαιτίας του n-τύπου ημιαγωγού που φέρει η φωτοάνοδος καθώς και της πρόσπτωσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πάνω στον ημιαγωγό, παρατηρείται η απορρόφηση φωτονίων και ο σχηματισμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών. Η διαδικασία απορρόφησης ενός φωτονίου,για τη δημιουργία φωτοφορέων,απαιτεί το ποσό ενέργειας του φωτονίου να είναι μεγαλύτερο ή ίσο από/με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. O ρυθμός επανασύνδεσης των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών περιορίζεται, με τη χρήση «θυσιαζόμενων ενώσεων», οι οποίες μπορεί να είναι δέκτες ή δότες ηλεκτρονίων. Με τον τρόπο αυτό προκαλούνται στην επιφάνεια του ημιαγωγού μη αντιστρεπτές αντιδράσεις, όπως οξείδωση των φωτοπαραγόμενων οπών, ώστε οι διαθέσιμοι φορείς φορτίου να ξεκινήσουν τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Παράδειγμα, τέτοιων θυσιαστήριων ενώσεων αποτελεί η μεθανόλη, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία. Ως φωτοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν η νανοκρυσταλλική τιτανία, TiO2 και ο σύνθετος ημιαγωγός TiO2/CdS, ο οποίος και παρασκευάστηκε με τη μέθοδο SILAR. Συγκεκριμένα το διοξείδιο του τιτανίου είναι η εμπορικά διαθέσιμη Degussa P-25, με αναλογία ανατάση:ρουτηλίου 3:1. Ως ηλεκτροκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός καταλύτης Pt (30%)/C, πάνω σε αγώγιμο ύφασμα άνθρακα (Carbon Cloth). Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλους φωτοηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες, που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από τον κ. Λιανό για το σκοπό αυτό, ενώ έγινε χρήση λαπτήρα προσομοίωσης ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας. Η νανοκρυσταλλική τιτανία (ΤiO2) ως φωτοκαταλύτης, έχει ενεργειακό χάσμα 3,2eV και απορροφά φωτόνια μόνο στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για την αντιμετώπιση του ζητήματος αυτού, τοποθετήθηκε ευαισθητοποιητής θειούχου καδμίου (Csd) του οποίου το ενεργειακό χάσμα είναι 2,42eV και ενεργειακά έχει υψηλότερη στάθμη, από το διοξείδιο του τιτανίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόκρισης στο ορατό φάσμα. Η ορατή ακτινοβολία απορροφάται από τον φωτοευαισθητοποιητή, ο οποίος διεγείρεται και εφόσον το ενεργειακό επίπεδο του διεγερμένου ηλεκτρονίου είναι ηλεκτραρνητικότερο από τη στάθμη αγωγιμότητας του TiO2, μεταπηδά στο TiO2 και συμμετέχει στην φωτοηλεκτροχημική διαδικασία. Η οπή που διαχωρίζεται από το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, παραμένει στον φωτοευαισθητοποιητή και συμμετέχει σε αντιδράσεις οξείδωσης. Η ποιότητα και η αποτελεσματικότητα της καθόδου, παίζει εξίσου σπουδαίο ρόλο με εκείνη της ανόδου. Η απόδοση των φωτοηλεκτρικών κυψελίδων ελέγχεται μέσω του συντελεστή πληρότητας (Fill Factor), ο οποίος φαίνεται να παρουσιάζει μεγαλύτερη τιμή όσο αυξάνονται οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων της ανόδου και της καθόδου, ενώ βέλτιστη απόδοση της φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας έχει επιτευχθεί με τη χρήση ηλεκτροδίου Carbon Cloth εμπλουτισμένου με νανοσωματίδια Pt (0.5mg Pt/cm2). Οι κυριότερες κατηγορίες των οργανικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται ως οργανικοί ρύποι είναι οι αλκοόλες, οι πολυόλες και τα οξέα, ενώ στην παρούσα εργασία πιο αποδοτική φάνηκε να είναι η χρήση της μεθανόλης. / The idea behind this master’s degree thesis is based on the production of electrical energy through photo-degradation of organic emissions using photo-electrochemical cells. This way the consumption of the organic emissions and the conversion of the solar power to electricity are achieved. This thesis was aiming at the production, the characterization and the study of photosensitive electrocatalysts and turning them into electrodes, whose electrochemical behavior was studied and analyzed. The photo-electrochemical fuel cell is composed of the anode and cathode electrodes, who bare the photocatalyst and electrocatalyst respectively. Due to the n-type semiconductor on the photo-anode and its exposure to electromagnetic radiation, consumption of photons is observed and hole-electron pairs are formed. The energy of the incoming photon needs to be higher than the band gap of the semiconductor, for it to be absorbed and carriers to be created. The recombination rate of those carriers is reduced by using sacrificial agents or hole scavengers, which can be donors or acceptors of electrons. This way non- reversible reactions are achieved. Example of those is methanol, which was used in the present thesis. As photo-catalysts nanocrystals of titanium oxide and the composite semiconductor TiO2/CdS were used. The electro-catalyst Pt/C on carbon cloth was utilized. The study of the electrodes was performed used photo-electrochemical reactors designed by Prof. Lianos in combination with lamps simulating the solar spectrum. The nanocrystals of titanium oxide have a band gap of 3.2eV (in the UV region) which is the reason why CdS was deposited on top. The later has a band gap of 2.42eV and so increases the absorption in the visible region of the spectrum. The visible radiation is absorbed by the CdS layer and since the excited electron in more electronegative than the conduction band of the titanium oxide, it lowers its energy by hopping to the titanium oxide layer and participates in the photo-electrochemical procedure. The hole that’s left behind in the CdS layer is participating in the oxidation reactions. The performance of the photoelectrical cells was calculated through the fill factor and has an increasing value for increasing area of the electrodes. The optimum performance of the photoelectrochemical fuel cell was achieved by using a carbon cloth electrode enriched with Pt (0.5mg Pt/cm2). The primary categories of organic compounds used as organic emissions are alcohols, polyols and acids. The optimum performance was achieved by using methanol.

Continued emission of green house gases has energized research activity worldwide to develop efficient ways to harness renewal energy. The availability of large scale energy storage technologies is essential to make renewal energy a reliable source of energy. Redox flow batteries show potential in this direction. These batteries typically need expensive membranes which need replacement be-cause of fouling. The recently proposed soluble lead redox flow battery (SLRFB), in which lead ions deposit on electrodes in charge cycle and dissolve back in discharge cycle, can potentially cut down the cost of energy storage by eliminating membrane. A number of challenges need to be overcome though. Low cycleability, residue formation, and low efficiencies are foremost among these, all of which require an understanding of the underlying mechanisms. A model of laminar flow-through SLRFB is first developed to understand buildup of residue on electrodes with continued cycling. The model accounts for spatially and temporally growing concentration boundary layers on electrodes in a self consistent manner by permitting local deposition/dissolution rates to be controlled by local ion transport and reaction conditions. The model suggests controlling role for charge transfer reaction on electrodes (anode in particular) and movement of ions in the bulk and concentration boundary layers. The non-uniform current density on electrodes emerges as key to formation of bare patches, steep decrease in voltage marking the end of discharge cycle, and residue buildup with continuing cycles. The model captures the experimental observations very well, and points to improved operational efficiency and decreased residue build up with cylindrical electrodes and alternating flow direction of recirculation. The underlying mechanism for more than an order of magnitude increase in cycle life of a beaker cell battery with increase in stirrer speed is unraveled next. Our experiments show that charging with and without stirring occurs identically, which brings up the hitherto unknown but quite strong role of natural convection in SLRFB. The role of stirring is determined to be dislodgement/disintegration of residue building up on electrodes. The depletion of active material from electrolyte due to residue formation is offset by “internal regeneration mechanism”, unraveled in the present work. When the rate of residue formation, rate of dislodging/disintegration from electrode, and rate of regeneration of active material in bulk of the electrolyte becomes equal, perpetual operation of SLRFB is expected. The identification of strong role of free convection in battery is put to use to demonstrate a battery that requires stirring/mixing only intermittently, during open circuit stages between charge and discharge cycles when no current is drawn. Inspired by our experimental finding that the measured currents for apparently diffusion limited situations (no external flow) are far larger than the maxi-mum possible theoretical value, the earlier model is modified to account for natural convection driven by concentration gradient of lead ions in electrolyte. The model reveals the presence of strong natural convection in battery. The induced flow in the vicinity of the electrodes enhances mass transport rates substantially, to the extent that even in the absence of external flow, normal charge/discharge of battery is predicted. The model predicted electrochemical characteristics are verified quantitatively through voltage-time measurements. The formation of flow circulation loops driven by electrode processes is validated qualitatively through PIV measurements. Natural convection is predicted to play a significant role in the presence of external flow as well. The hitherto unexplained finding in the literature on insensitivity of charge-discharge characteristics to electrolyte flow rate is captured by the model when mixed mode of convection is invoked. Flow reversal and wavy flow are predicted when natural convection and forced convection act in opposite directions in the battery. The effect of the presence of non-conducting material (PbO on anode) on the performance of SLRFB is studied using a simplified approach in the model. The study reveals the presence of charge coup de fouet phenomenon in charge cycle. The phenomenon as well as the predicted effect of depth of discharge on the magnitude of charge coup de fouet are confirmed experimentally.

India’s geographical location renders it with ample solar-energy potential ranging from 4-7 kWh/m2 daily and 2,300–3,200 sunshine hours annually. The diverse nature of human settlements (scattered low-rise to dense high-rise) in India is one of the unexplored avenues of harnessing solar energy through electricity generation using photovoltaic (PV) technology. Solar energy is a promising alternative that carries adequate potential to support the growing energy demands of India’s burgeoning population. A previous study estimates, by the year 2070, with 425 million households (of which utilizing only 20 %), about 90 TWh of electrical energy can be generated utilizing solar energy. PV is viable for onsite distributed (decentralized) power generation offering advantages of size and scale variability, modularity, relatively low maintenance and integration into buildings (no additional demand land). The application of solar PV technology as the building envelope viz., walls, façade, fenestration, roof and skylights is termed Building Integrated Photovoltaic (BIPV). Apart from generating electricity, PV has to also function as a building envelope, which makes BIPV systems unique. Even with a gradual rise in the number of BIPV installations across the world over the years, a common consensus on their evaluation has not yet been developed. Unlike PV in a ground mounted system, its application in buildings as an envelope has huge implications on both PV and building performance. The functions of PV as a building material translates well beyond electricity generation alone and would also have to look into various aspects like the thermal comfort, weather proofing, structural rigidity, natural lighting, thermal insulation, shading, noise protection safety and aesthetics. To integrate PV into a residential building successfully serving the purpose (given the low energy densities of PV and initial cost), would also mean considering factors like the buildings electricity requirement and economic viability. As many studies have revealed, 40% of electricity consumed in a building is utilized for maintaining indoor thermal comfort. Tropical regions, such as India, are generally characterized by high temperatures and humidity attributed to good sunlight, therefore, the externality considered for this study has been the impact of BIPV on the thermal comfort. Passive designs need to regulate the buildings solar exposure by integrating a combination of appropriate thermal massing, material selection, space orientation and natural ventilation. On the other hand, PV design primarily aims to maximize solar to generate maximum energy. The design requirements for climate-responsive building design may thus infringe upon those required for optimal PV performance. Regulating indoor thermal comfort in tropical regions poses a particular challenge under such conditions, as the indoor temperature is likely to be sensitive to external temperature variations. In addition, given current performance efficiencies for various PVs, high initial cost and space requirement, it is also crucial to ascertain PV’s ability to efficiently support buildings energy requirement. Thus, BIPV would require addressing, concurrently, design requirements for energy-efficient building performance, effective PV integration, and societal feasibility. A real time roof integrated BIPV system (5.25 kW) installed at the Center for Sustainable Technologies at the Indian Institute of Science, Bangalore has been studied for its PV and building thermal performance. The study aims at understanding a BIPV system (based on crystalline silicon) from the technical (climate-responsiveness and PV performance), social (energy requirement and energy efficiency) and economical (costs and benefits) grounds and identifies relevant factors to quantify performance of any BIPV system. A methodology for BIPV evaluation has been proposed (Integrability Methodology), especially for urban localities, which can also be adopted for various PV configurations, building typologies and climatic zones. In the process, a novel parameter (thermal comfort energy) to evaluate the thermal performance of naturally ventilated buildings combining climate-responsiveness and thermal comfort aspects has also been developed. An Integrability Index has also been devised, integrating various building performance factors, to evaluate and compare the performance of BIPV structures. The methodology has been applied to the 5.25 kW BIPV system and the index has been computed to be 0.17 (on a scale of 0 – 1). An insulated BIPV system (building applied photovoltaic system) has been found to be favorable for the climate of Bangalore than BIPV. BIPV systems have also been compared across three different climates (Bangalore, Shillong and Delhi) and given the consideration of the same system for comparison, the system in Delhi is predicted to have a higher Integrability than the other two systems. The current research work is a maiden effort, that aims at developing and testing a framework to evaluate BIPV systems comprising technical, social and economic factors.

Im Rahmen der Energiewende vollzieht sich die Abkehr von einer zentralisierten Energieversorgung mit weitgehend fossilen Kraftwerken hin zu einem dezentral organisierten System mit vorrangig erneuerbaren Energien. In diesem zukünftigen durch erneuerbare Energien dominierten Energiemarkt, nimmt die Photovoltaik (PV) aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Einer umfassenden Nutzung der Photovoltaik standen in der Vergangenheit hohe Investitionskosten entgegen. Der globale Auf- und Ausbau von Produktionskapazitäten zur Fertigung von PV-Anlagen und damit einhergehende Lernkurveneffekte haben im Zeitverlauf zu einer deutlichen Kostenreduktion für PV-Anlagen geführt. Die vormalige Kostenintensität von PV-Anlagen hat zur Entwicklung des klassischen Ansatzes zur Netzparität der Photovoltaik, als Maß deren Wettbewerbsfähigkeit, geführt. Der Ansatz stellt auf den Vergleich von Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage eines Haushalts mit dessen Strombezugskosten aus dem öffentlichen Stromnetz ab. Sowohl die Gegenüberstellung von Kosten und Preisen als auch der Fokus lediglich auf private Haushalte schränken die Anwendbarkeit des Ansatzes ein und bilden den Hintergrund dieser Arbeit. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche bestehender Paritätsbegriffe erfolgt eine Neudefinition des Ansatzes der Netzparität der Photovoltaik, die eine aussagekräftige Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie erlaubt. Wettbewerbsfähigkeit ist gegeben, wenn sich der Einsatz der Photovoltaik kostensenkend auf die Gesamtkosten der Stromproduktion des Energiemarkts auswirkt. Die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes auf weitere Energieerzeugungstechnologien, regional und zeitlich unabhängig, gilt als wesentliche Bedingung der Entwicklung des Paritätsansatzes. Hierfür werden die Kriterien reine Kostenorientierung, Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Energieerzeugungsanlagen, Anlagenbetrieb im technologischen Optimum und Vergleichsbasis im Energiemix definiert. Unter Zuhilfenahme eines Energiemarktmodells erfolgt die theoretische Darstellung des novellierten Paritätsansatzes. Netzparität der Photovoltaik im Ansatz dieser Arbeit liegt vor, wenn PV-Anlagen im Rahmen ihrer Nutzungsdauer eine Kostensenkung im Energiemix bewirken. Das bedeutet, dass der Saldo aus Stromgestehungskosten von PV-Anlagen eines Installationsjahrs und dem Energiemix über deren Nutzungsdauer positiv ist. Im Ergebnis des novellierten Ansatzes wird festgestellt, dass der jeweils in einer Region vorliegende Energiemix die Wettbewerbsfähigkeit von Stromerzeugungstechnologien wie der Photovoltaik determiniert. Externe Eingriffe wie eine Begrenzung der Anlagennutzungsdauer, führen generell zu höheren Kosten im Energiemix. Weiterhin zeigt sich, dass für den Standort Deutschland PV-Anlagen ab 2035 die Bedingungen der Netzparität erfüllen und entsprechend im nationalen Energiemix kostenmindernd wirken. Die Neudefinition des Ansatzes zur Netzparität als kostenbasiertes, langfristorientiertes und technologieneutrales Modell stellt ein Planungsinstrument dar, das die Umsetzung politischer Ziele wie der verstärkte Ausbau erneuerbarer Energien oder die Reduktion von CO2-Emissionen kostenminimal ermöglicht.

Die Einführung neuartiger Energietechnologien wird allgemein als der Schlüssel zur Senkung klimaschädlicher Treibhausgase angesehen. Allerdings ist die Abbildung derartiger Technologien in numerischen Modellen zur Simulation und ökonomischen Analyse von energie- und klimaschutzpolitischen Maßnahmen vielfach noch rudimentär. Die Dissertation entwickelt neue Ansätze zur Einbindung von technologischen Innovationen in energie-ökonomische allgemeine Gleichgewichtsmodelle, mit dem Ziel den Energiesektor realitätsnäher abzubilden. Die Dissertation adressiert einige der Hauptkritikpunkte an allgemeinen Gleichgewichtsmodellen zur Analyse von Energie- und Klimapolitik: Die fehlende sektorale und technologische Disaggregation, die beschränkte Darstellung von technologischem Fortschritt, und das Fehlen von einem weiten Spektrum an Treibhausgasminderungsoptionen. Die Dissertation widmet sich zwei Hauptfragen: (1) Wie können technologische Innovationen in allgemeine Gleichgewichtsmodelle eingebettet werden? (2) Welche zusätzlichen und politikrelevanten Informationen lassen sich durch diese methodischen Erweiterungen gewinnen? Die Verwendung eines sogenannten Hybrid-Ansatzes, in dem neuartige Technologien für Stromerzeugung und Eisen- und Stahlherstellung in ein dynamisch multi-sektorales CGE Modell eingebettet werden, zeigt, dass technologiespezifische Effekte von großer Bedeutung sind für die ökonomische Analyse von Klimaschutzmaßnahmen, insbesondere die Effekte hinsichtlich von Technologiewechsel und dadurch bedingten Änderungen der Input- und Emissionsstrukturen. Darüber hinaus zeigt die Dissertation, dass Lerneffekte auf verschiedenen Stufen der Produktionskette abgebildet werden müssen: Für regenerative Energien, zum Beispiel, nicht nur bei der Anwendung von Stromerzeugungsanlagen, sondern ebenso auf der vorgelagerten Produktionsstufe bei der Herstellung dieser Anlagen. Die differenzierte Abbildung von Lerneffekten in Exportsektoren, wie zum Beispiel Windanlagen, verändert die Wirtschaftlichkeit und die Wettbewerbsfähigkeit und hat wichtige Implikationen für die ökonomische Analyse von Klimapolitik. / Energy technologies and innovation are considered to play a crucial role in climate change mitigation. Yet, the representation of technologies in energy-economy models, which are used extensively to analyze the economic, energy and environmental impacts of alternative energy and climate policies, is rather limited. This dissertation presents advanced techniques of including technological innovations in energy-economy computable general equilibrium (CGE) models. New methods are explored and applied for improving the realism of energy production and consumption in such top-down models. The dissertation addresses some of the main criticism of general equilibrium models in the field of energy and climate policy analysis: The lack of detailed sectoral and technical disaggregation, the restricted view on innovation and technological change, and the lack of extended greenhouse gas mitigation options. The dissertation reflects on the questions of (1) how to introduce innovation and technological change in a computable general equilibrium model as well as (2) what additional and policy relevant information is gained from using these methodologies. Employing a new hybrid approach of incorporating technology-specific information for electricity generation and iron and steel production in a dynamic multi-sector computable equilibrium model it can be concluded that technology-specific effects are crucial for the economic assessment of climate policy, in particular the effects relating to process shifts and fuel input structure. Additionally, the dissertation shows that learning-by-doing in renewable energy takes place in the renewable electricity sector but is equally important in upstream sectors that produce technologies, i.e. machinery and equipment, for renewable electricity generation. The differentiation of learning effects in export sectors, such as renewable energy technologies, matters for the economic assessment of climate policies because of effects on international competitiveness and economic output.

Energy and environmental impacts are two factors that will influence urban region composition in the near future. One emerging issue is the effect on water usage resulting from changes in regional or urban transportation trends. With many regions experiencing stresses on water availability, transportation planners and users need to combine information on transportation-related water consumption for any region and assess potential impacts on local water resources from the expansion of alternative transportation modes. This thesis will focus on use-phase water consumption factors for multiple vehicle modes, energy and fuel pathways, roads, and vehicle infrastructure for a given transportation network. While there are studies examining life cycle impacts for energy generation and vehicle usage, few repeatable models exist for assessing overall water consumption across several transportation modes within urban regions. As such, the question is: is it possible to develop a traceable decision support model that combines and assesses water consumption from transportation modes and related mobility infrastructure for a given mobility network? Based on this, an object-oriented system model of transportation elements was developed using the Systems Modeling Language (SysML) and Model-Based Systems Engineering principles to compare water consumption across vehicle modes for assessing the resiliency of existing infrastructure and water resources. To demonstrate the intent of this model, daily network usage water consumption will be analyzed for current and alternative network scenarios projected by policies regarding the expansion of alternative energy. The model is expected to show variations in water consumption due to fluctuations in energy pathways, market shares, and driving conditions, from which the model should help determine the feasibility of expanding alterative vehicles and fuels in these networks. While spatially explicit data is limited compared to the national averages that are used as model inputs, the analytical framework within this model closely follows that of existing assessments and the reusable nature of SysML model elements allows for the future expansion of additional transportation modes and infrastructure as well as other environmental analyses.

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.