Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2009.

Der Beitrag stellt zwei neue Themenbereiche vor, welche an der Professur für Technische Logistik künftig bearbeitet werden: Ein Thema ist die Entwicklung dezentraler logistischer Konzepte für die Bewirtschaftung von Kurzumtriebsplantagen (Holzhackschnitzelgewinnung zur Verstromung). Diese relativ neue Form der dezentralen Energieerzeugung stellt besondere Anforderungen an die Logistik. In einem weiteren Themenfeld werden die Einflüsse demographischer Veränderungen auf die Logistik untersucht. So wird infolge der Migration die kulturelle Vielfalt am Arbeitsplatz zunehmen, aufgrund von Unzulänglichkeiten der Schulbildung das Bildungsniveau sinken sowie die Beschäftigungsquote von Frauen steigen. Daher sollen Konzepte für eine „demographiefeste“ Organisation intralogistischer Prozesse entworfen werden.

In den letzten Jahren entwickelte sich Umweltschutz und die damit verbundene Umwelt-wirtschaft in Deutschland zu einem wesentlichen Wirtschaftsfaktor. Die Unternehmen dieses Sektors stellen verschiedene Güter und Dienstleistungen bereit. Im Jahr 2008 erzielte die Produktion von Umweltschutzgütern ein Volumen von knapp 76 Milliarden (Mrd.) Euro. Vor allem die erneuerbaren Energien tragen zum steten Wachstum bei. Deutschland hatte 2009 mit 15,4 Prozent den weltweit höchsten Anteil am Welthandel von Umweltschutzgütern. Einen wichtigen Bereich bilden hierin die erneuerbaren Energien (EE), die seit Jahren eine stetig steigende Bedeutung für die deutsche Wirtschaft erlangen. Als im Jahr 2009 die Wirtschaftskrise weltweit viele Branchen negativ beeinflusste, stieg die Produktion von Gütern im Bereich erneuerbare Energien weiter an. Neben ihrer wirtschaftlichen Relevanz gewinnen erneuerbare Energien vor dem Hintergrund sich kontinuierlich verknappender fossiler Rohstoffe zur Gewinnung von Strom, Wärme und Kraftstoffen zunehmend an Bedeutung für die Deckung des Energiebedarfs.

Im Rahmen des Projekts „Grünlandenergie Havelland“ untersuchte das Deutsche Biomasseforschungszentrum in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e. V. und der Bosch & Partner GmbH am Beispiel der Modellregion Havelland (Landkreis Havelland und umliegende Gebiete) mögliche Konversionspfade zur Energiegewinnung von halmgutartigem Grüngut. Im Fokus stand die Verwertung von überschüssigem Gras von extensiv bewirtschafteten Grünlandflächen sowie von halmgutartiger Biomasse aus der Gewässerunterhaltung und Biotoppflege. Als Reststoffe lässt die energetische Nutzung dieser Substrate eine besonders gute Treibhausgasbilanz erwarten. Aufgrund der stofflichen Eigenschaften sowie der dezentralen und häufig sehr heterogenen Aufkommen ist die energetische Nutzung dieser Substrate jedoch mit besonderen technischen und logistischen Herausforderungen verbunden. Ziel des Projekts war die Entwicklung von übertragbaren Konzepten zur Nutzung der betrachteten Grüngutsortimente für die Wärme- und Stromerzeugung. Ausgehend von der Analyse der entsprechenden Biomassepotenziale sowie geeigneter Standorte und Technologien wurden vollständige Bereistellungsketten verschiedener Nutzungskonzepte untersucht. Die abschließende Bewertung der Nutzungskonzepte erfolgt anhand der Parameter: Wirtschaftlichkeit, Treibhausgasemissionsminderungspotenzial und Umsetzbarkeit. Im Ergebnis werden für die regionalen Akteure anwendungsreife Analysemethoden bereitgestellt, Empfehlungen für einzelne Nutzungskonzepte ausgesprochen und weitergehender Forschungsbedarf benannt. [... aus der Zusammenfassung]

Zielstellung des Projektes Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe zur Bioenergiebereitstellung war die Analyse der Verfügbarkeit von Getreidestroh für die energetische Nutzung in Deutschland. Zur Ermittlung dieses Potenzials auf Landkreisebene wurden sowohl verschiedene Ansätze zur Berücksichtigung der, zum Ausgleich der Humusbilanz erforderlichen Strohmenge, als auch bereits vorhandene stoffliche Nutzungskonzepte berücksichtigt. Im Anschluss wurden mögliche Konversionstechnologien zur Nutzung des identifizierten Strohpotenzials für die Bioenergieproduktion hinsichtlich ihrer Kosten und Treibhausgasbilanz bewertet. Das nachhaltige Strohpotenzial Deutschlands beträgt in Abhängigkeit von der verwendeten Methode zur Humusbilanzierung zwischen 8 bis 13 Mio. tFM/a. Diese Zahlen entsprechen zwischen 27 bis 43 % der aufgewachsenen Getreidestrohmenge oder des so genannten theoretischen Strohpotenzials. In dieser Studie konnten sowohl Regionen mit hohen Strohüberschüssen als auch Landkreise, in denen sich aufgrund der Fruchtfolge die energetische Strohnutzung nicht eignet, eindeutig identifiziert werden. Für einige Regionen liefern die Bilanzierungen stabile und für andere Regionen variierende Ergebnisse. Alle Methoden zeigen, dass die größten Strohpotenziale bei allen drei verwendeten Methoden im Osten Schleswig-Holsteins und im Nordwesten Mecklenburg-Vorpommerns vorzufinden sind. Ebenfalls hohe Strohpotenziale sind im nördlichen Teil Nordrhein-Westfalens bis hinein ins angrenzende Niedersachsen vorhanden. Drastische Unterschiede zwischen den Methoden zeigen sich für weite Gebiete Sachsens und Sachsen-Anhalts. Nach beiden VDLUFA-Methoden werden dort hohe bis sehr hohe Potenziale ausgewiesen, wohingegen nach der dynamischen HE-Methode kaum bzw. kein Strohpotenzial vorhanden ist, da dieses zur Humusreproduktion notwendig ist. Aus technisch-ökonomischer Perspektive ist die Strohnutzung nur punktuell erprobt. Die ökonomische Analyse hat gezeigt, dass alle untersuchten Konzepte höhere Gestehungskosten als die konventionelle Bioenergiebereitstellung und die fossile Energiebereitstellung aufweisen. Unter anderem tragen die ermittelten Rohstoffbereitstellungskosten frei Anlage, die zwischen 63 und 92,5 €/t FM Stroh liegen, dazu bei, dass die Gesamtkosten höher ausfallen. Weiterhin spielen die Investitionskosten eine sehr große Rolle bei allen Konzepten. Die Gestehungskosten liegen zwischen ca. 9 und 15 ct/kWh für die betrachteten Wärmekonzepte, um 25 ct/kWh für die Strom/KWK-Konzepte und zwischen ca. 15 und 27 ct/kWh für die Kraftstoffe. Aus Sicht der Treibhausgasbilanzierung ergaben alle untersuchten Anwendungen vergleichsweise niedrige THG-Emissionen, die in einer Bandbreite zwischen ca. 8 und 40 gCO2-Äq./MJ liegen. Im Vergleich zu durchschnittlichen fossilen Referenzen können THG-Einsparungen in einem Bereich zwischen 52 und 126 gCO2-Äq./MJ erreicht werden, wobei die KWK-Konzepte das größte Potenzial zur Treibhausgaseinsparung aufweisen. Durch die Nutzung des nachhaltigen Strohpotenzials könnte in Deutschland eine jährliche Einsparung von bis zu 13,5 Mio. Tonnen CO2 erreicht werden.

In den energie- und umweltpolitischen Diskussionen in Deutschland gewinnt die Energiebereitstellung aus regenerativen Energien im Allgemeinen und aus Biomasse im Besonderen zunehmend an Bedeutung. Erneuerbare Energien decken heute bereits etwa 12,2 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland. Etwa 70 % davon entfällt auf Biomasse (AGEE-STAT, 2012). Bis 2020 soll der Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland auf 18 % steigen. Dieses nationale Ziel ist sowohl im Integrierten Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung als auch im nationalen Aktionsplan für erneuerbare Energien (nREAP), der auf der verbindlichen Zielsetzung im Rahmen der EU-Richtlinie Erneuerbare Energien (2009/28/EG) beruht, verankert. Die Erreichung dieses Ziels ist der deutsche Beitrag zur Steigerung des Endenergieverbrauchs aus erneuerbaren Energien in der Europäischen Union bis 2020 auf indestens 20 %. Zur Erfüllung dieser Zielsetzung wird Biomasse als erneuerbarer Energieträger eine tragende Rolle spielen, da aufgrund bestehender Technologien und Nutzungspfade im Bereich der Bioenergie eine Erhöhung der Energiebereitstellung kurz- und mittelfristig realisierbar ist. Daher ist es zunehmend wichtig, Einsatzmöglichkeiten der Biomassenutzung zu prüfen und den effizienten Einsatz von Biomasse als Energieressource bei der Strom-, Wärme- und Kraftstoffbereitstellung weiter zu untersuchen und zu entwickeln.

Der Beitrag stellt zwei neue Themenbereiche vor, welche an der Professur für Technische Logistik künftig bearbeitet werden: Ein Thema ist die Entwicklung dezentraler logistischer Konzepte für die Bewirtschaftung von Kurzumtriebsplantagen (Holzhackschnitzelgewinnung zur Verstromung). Diese relativ neue Form der dezentralen Energieerzeugung stellt besondere Anforderungen an die Logistik. In einem weiteren Themenfeld werden die Einflüsse demographischer Veränderungen auf die Logistik untersucht. So wird infolge der Migration die kulturelle Vielfalt am Arbeitsplatz zunehmen, aufgrund von Unzulänglichkeiten der Schulbildung das Bildungsniveau sinken sowie die Beschäftigungsquote von Frauen steigen. Daher sollen Konzepte für eine „demographiefeste“ Organisation intralogistischer Prozesse entworfen werden.

Für den Bau von Biogasanlagen werden die aktuellen Fördermöglichkeiten von Bund und Land aufgezeigt. Zudem enthält das kleine Nachschlagewerk zahlreiche, speziell für Sachsen ausgewählte Links zu Beratungsangeboten, Planungshilfen, Wirtschaftlichkeitsrechner, Schulungen und Fachliteratur. Übersichten zu Vergütungssätzen für die ins Stromnetz eingespeisten Kilowattstunden bei unterschiedlichen Einsatzstoffen und -mengen verdeutlichen die Eckpunkte des Erneuerbare-Energien-Gesetzes 2009 und der Novelle, die ab 2012 in Kraft tritt.

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Die Dissertationsschrift adressiert den Ausbau des Übertragungsnetzes in Deutschland für das Jahr 2030 und beantwortet damit die Frage nach den Einflüssen einer stärkeren Marktintegration der erneuerbaren Energien und die Wirkung dezentraler Speichersysteme auf den Netzausbau, welche in dieser Weise noch nicht analysiert wurden. Zusätzlich werden diesen Szenarien auch die Wirkung von zusätzlichen Einspeisekapazitäten aus erneuerbaren Energien bzw. einer reduzierten Last betrachtet. Schließlich werden die Effekte eines potenziellen Ausstieges aus der Stromerzeugung auf Braunkohlebasis in Gesamtdeutschland bzw. nur Teilen davon thematisiert. Bisherige Untersuchungen fokussierten u.a. die Wirkung von erneuerbaren Energien im Kontext des Ausbaus von europäischen Transportkapazitäten. Diese Analyse bewertet die Auswirkungen auf den Umfang des Netzausbaus mit Auflösung auf einzelnen Trassen, die Integration der erneuerbaren Energien mit hoher regionaler Auflösung und die Systemkosten als Indikator der volkswirtschaftlichen Bewertung. Der in der Arbeit entwickelte Ansatz zur mathematischen Lösung des Optimierungsproblems basiert auf der Weiterentwicklung des Benders-Dekompositionsansatzes. Im Ergebnis zeigt sich, dass eine stärkere Flexibilisierung der Einspeisung den Netzausbaubedarf senken kann. Auch dezentrale Speicher tragen dazu bei, wobei diese Option mit hohen Investitionen einhergeht. Der Zuwachs an Erzeugung aus erneuerbaren Energien führt zu mehr Netzausbau, während eine Reduktion der elektrischen Last diesen Anstieg abmildern kann. Bei der abschließenden Analyse der Wirkung des Braunkohleausstiegs wird der deutlich erhöhte Bedarf an weiteren Übertragungskapazitäten in Deutschland aufgedeckt, während ein auf Ostdeutschland begrenzter Ausstieg eine geringe Reduzierung ermöglicht.:1 Einleitung 1.1 Analyse der Ausgangslage 1.2 Zielstellung und Lösungsweg 1.3 Zusammenfassung 2 Grundlagen zum deutschen Elektroenergiesystem 2.1 Derzeitige Entwicklungen im deutschen Elektroenergiesystem und Strommarkt 2.2 Derzeitiges Marktdesign und der Einfluss der erneuerbaren Energien auf die Preisbildung 2.3 Einfluss der erneuerbaren Energien auf die Residuallast 2.4 Rolle der Übertragungsnetzbetreiber 2.5 Maßnahmen zur Behebung von Netzengpässen 2.6 Grundlagen zur Abregelung von erneuerbaren Energien 2.7 Planungsverfahren des Netzausbaus 3 Überblick und Klassifizierung von Analysen auf der Basis von Übertragungsnetzmodellen 3.1 Grundlagen zu Modellen in der Energiewirtschaft 3.2 Wirkung von Flexibilitätsmaßnahmen auf den Netzausbau 3.3 Wirkung von Veränderungen des regulatorischen Rahmens auf den Netzausbau 3.4 Ausprägungen des europäischen und deutschen Übertragungsnetzes in Zukunft 3.5 Methodische Ansätze zum Ermitteln bzw. Bewerten des Netzausbaus 3.6 Zusammenfassung zentraler Aspekte der Analyse und Modellierung des Netzausbaus in der Literatur 4 Formulierung des Übertragungsnetzausbaus im Stromnetzmodell ELMOD 4.1 Anforderungen an das Übertragungsnetzmodell 4.2 Vereinfachte Lastflussmodellierung 4.3 Ausgangsmodell für die Ermittlung des optimalen Übertragungsnetzes 4.4 Anwendung des NOVA-Prinzips im Stromnetzmodell ELMOD 4.5 Investitionen in das Übertragungsnetz 4.6 Modellierung der dezentralen Speicher 4.7 Zusammenfassung der Modellformulierung 5 Dekompositionsmethoden zum effizienten Lösen des Netzausbauproblems 5.1 Mathematische Analyse des Netzausbauproblems 5.2 Verfahren zur Lösung von Optimierungsproblemen 5.3 Anwendung der Benders-Dekomposition für die Berechnung des Netzausbaues 5.4 Anwendung des Karush-Kuhn-Tucker-Systems 6 Definition der Szenarien für die modellgestützte Untersuchung des Übertragungsnetzausbaus 6.1 Grundlagen zur Szenarientechnik 6.2 Begründung für die Nutzung eines deterministischen Optimierungsmodells 6.3 Bestimmung der Prämissen und Deskriptoren 6.4 Szenarienzusammenstellung 6.5 Referenzszenario als wahrscheinlichste Entwicklung des Energiesystems 6.6 Integrationsregime für fluktuierende erneuerbare Energien 6.7 Szenarien zur Reduktion des Netzausbaus durch dezentrale Energiespeicher 6.8 Wirkung eines weiteren EE-Ausbaus und Lastreduzierungen auf den Netzausbau 6.9 Einfluss eines Braunkohleausstiegs auf den Netzausbau 6.10 Aufbereitung übergreifender Eingangsdaten für die Modellierung 6.11 Methodik der Kalibrierung 6.12 Ergebnisse der Kalibrierung 6.13 Zusammenfassung und Überblick 7 Ergebnisse der modellgestützten Analyse 7.1 Ergebnisse des Referenzszenarios 7.2 Analyse verschiedener Integrationsmechanischmen von erneuerbaren Energien auf den Netzausbau 7.3 Auswirkungen von dezentralen Speichersysteme auf den Ausbau des Übertragungsnetzes in Deutschland 7.4 Analyse ausgewählter Komponenten der energiepolitischen Ziele 7.5 Auswirkungen verschiedener Braunkohleausstiegsszenarien in Deutschland auf den Ausbau des Übertragungsnetzes 7.6 Übergreifende Analyse der einflussstärksten Gestaltungsoptionen 8 Sensitivitätsanalyse zu ausgewählten szenarioübergreifenden Parametern 8.1 Definition der Sensitivitäten 8.2 Effekte auf die Jahreserzeugungen 8.3 Effekt der Sensitivitäten auf die Treibhausgasemissionen 8.4 Effekt der Sensitivitäten auf die Integration von erneuerbaren Energien 8.5 Effekt der Sensitivitäten auf den Netzausbau 8.6 Effekt der Sensitivitäten auf die Systemkosten 8.7 Fazit zur Sensitivitierung ausgewählter Eingangsgrößen 9 Zusammenfassungen und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Modellentwicklung und Lösung des Optimierungsmodells 9.2 Zusammenfassung der Modellergebnisse 9.3 Beantwortung der aufgestellten Forschungsfragen als Fazit 9.4 Ausblick auf weiterführende Analysen 10 Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Einführung in die Benders-Dekomposition A.2 Nichtlineare, kontinuierliche Optimierung A.3 Grundlagen der Karush-Kuhn-Tucker-Theorie A.4 Anhang zur Analyse der Wirkung von dezentralen Speichern auf den Ausbau des Übertragungsnetzes A.5 Anhang zur Analyse der Wirkung der Komponenten der abgeleiteten energiepolitischen Ziele auf den Ausbau des Übertragungsnetzes