Die Bundesregierung plant im Rahmen der Energiewende den Anteil von erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland von heute rund 25% auf 80% bis zum Jahr 2050 auszubauen. Damit stehen auch dem Stromsektor in Sachsen grundlegende Veränderungen bevor. Derzeit leistet im Freistaat Sachsen die Braunkohle den größten Beitrag zur Elektrizitätsbereitstellung. Mit dem zunehmenden Ausbau an erneuerbaren Energien steigt der Anteil dargebotsabhängiger Energieträger. Daraus resultieren technische und wirtschaftliche Herausforderungen für das bestehende Energiesystem, wie z.B. die künftige Bereitstellung von Systemdienstleistungen. Mit diesen und weiteren Fragestellungen zur Transformation des Elektrizitätssystems haben sich Nachwuchswissenschaftler der TU Dresden in den vergangenen zwei Jahren im Rahmen des vom Europäischen Sozialfonds – ESF geförderten Projekts EnerSAX auseinander gesetzt. Neben der Erstellung einer Potenzialanalyse für Sachsen wurden sowohl technische Fragestellungen,wie z.B. die Auswirkungen der Integration erneuerbarer Energien auf die Übertragungs-, Verteilungs-und Niederspannungsnetze, als auch ökonomische Fragestellung, wie z.B. die künftige Ausgestaltung der Regelenergiemärkte, untersucht. Durch die Zusammenarbeit der Nachwuchsforscher aus den Bereichen der Elektrotechnik und Energiewirtschaft konnten so integrierte Lösungsansätze zur Ausgestaltung einer weitgehend auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgung mit dem Fokus auf Sachsen im transnationalen Kontext erarbeitet werden. Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Projekt werden in diesem Buch vorgestellt.

Die fortgeschrittene Phase der Energiewende ist, neben einer zunehmenden Notwendigkeit zur Systemintegration, vor allem geprägt durch das Zutage treten grundsätzlicher Richtungsentscheidungen – der Schwerpunkt verschiebt sich also vom ‚Ob‘ zum ‚Wie‘. Heutige Infrastrukturentscheidungen begründen dabei ganz unterschiedliche Energiezukünfte, welche wiederum über sozio-technische Pfadabhängigkeiten auf Dauer gestellt werden. Die Arbeit rückt zunächst die hierfür maßgeblichen Stellschrauben in den Vordergrund und beleuchtet deren wirtschaftliche und technische Grundlagen sowie die Bandbreite konkurrierender politischer Steuerungsoptionen. Auf dieser Datengrundlage wird im Rahmen einer Clusteranalyse die Aktualisierung des politikfeldspezifischen Akteurskoalitionsmodells vorgeschlagen. Im Mittelpunkt steht dabei die strukturbildende Unterscheidung zwischen einer eher zentralen und einer eher dezentralen Energiezukunft. Die so skizzierte ‚Landkarte der Energiewende‘ ist weiterhin eingebettet in eine Untersuchung des Energiediskurses auf Akteurs- und Medienebene sowie durch eine Politikfeldanalyse, in der aktuelle steuerungspolitische Problemstellungen und Handlungsmuster auf Basis technologischer Fallbeispiele beleuchtet werden. Die Arbeit ist ein Ergebnis der Forschung im interdisziplinären Boysen-TU Dresden Graduiertenkolleg „Nachhaltige Energiesysteme – Interdependenz von technischer Gestaltung und gesellschaftlicher Akzeptanz.“

Ziel der Arbeit ist die Methodenentwicklung zur Berechnung des Solarenergiepotenzials auf Dachflächen für sämtliche Gebäude eines großen Gebiets (Stadt, Landkreis) auf Grundlage von Laserscandaten. Die Methode zur Solarpotenzialberechnung wurde mit dem Hintergrund des notwendigen Handlungsbedarfs an Maßnahmen für den Klimaschutz entwickelt. Die Ausgabe des Solarpotenzials auf Dachflächen für alle Gebäude einer Verwaltungseinheit liefert flächendeckende und neutrale Informationen für den Bürger und die Verwaltung. Insbesondere die solare Nutzung auf den keiner Flächenkonkurrenz unterliegenden Dachflächen birgt enormes Potenzial und liefert einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Das Ergebnis dieser Arbeit präsentiert eine Methode, über die eine automatisierte Berechnung des Solarpotenzials auf Dachflächen auf Basis von Laserscandaten mit hoher Genauigkeitsausgabe für große Region realisierbar ist. Die Methode besteht aus sechs Prozessschritten. Es handelt sich um die Datenaufbereitung, die Selektion der homogenen Dachteilflächenbereiche, die Einstrahlungsanalyse, die Verschattungsableitung und die Berechnung des Solarpotenzials. Zudem wird eine Rohdatenkontrolle zur Qualitätsbewertung der Laserscandaten umgesetzt. Zentraler Verfahrensschritt ist die Ableitung der homogenen Dachteilflächen, die unter Berücksichtigung möglichst vieler auch kleiner Dachstrukturen gebildet werden. Das entwickelte Mehrfach-Thresholding Verfahren ermöglicht über die Auswertung der Dachneigung und Dachausrichtung die Separierung von planaren Dachteilflächen. Über den r.sun Algorithmus von GRASS GIS wird die Einstrahlungsanalyse umgesetzt, die den Sonnenstand über den Tag und das Jahr für den Betrachtungsort simuliert und die direkte, diffuse und Globalstrahlung auf die Dachfläche für unterschiedliche Zeitperioden ausgeben lässt. Die Jahressumme der Globalstrahlung wird für jede Dachteilfläche unter Ausschluss stark verschatteter Bereiche errechnet und dient als Grundlage für die Potenzialberechnung. Im Ergebnis enthält jedes Dachteilflächenpolygon Angaben zur geeigneten Modulfläche, zur Höhe der Globalstrahlung, zum potenziellen Stromertrag, zur potenziellen kW-Leistung und zur CO2-Einsparsumme. Datengrundlage sind Laserscandaten, die die Oberflächensituation mit sämtlichen Strukturen abbilden, sowie Gebäudeumringe aus den Liegenschaftsdaten zur Lokalisierung des Gebäudes beziehungsweise des Daches. Laserscandaten eignen sich, abhängig von der Qualität, sehr gut, um im Modell den Betrachtungs- und Einflussraum, der für die Ausgabe des Solarpotenzials auf Dachflächen wichtig ist, flächendeckend und realitätsnah abzubilden. Hier sind insbesondere das Dach insgesamt und die Dachstrukturen sowie die Vegetation, insbesondere Bäume und die Umgebungstopographie die wichtigen Elemente, die flächendeckend und in möglichst hoher Auflösung im Modell vorliegen und berücksichtigt werden sollen, da sie möglicherweise die ertragreiche und wirtschaftliche Nutzung einer Solaranalage verhindern. Über eine rasterbasierte Modellierung ermöglichen diese Daten die Berechnung der Standortparameter wie Dachneigung, Dachausrichtung, Verschattung, Einstrahlungsenergie und Dachflächengröße. An die Laserscandaten werden bestimmte qualitative Anforderungen gestellt, um eine Genauigkeit der Potenzialwerte zu garantieren. Das relativ junge Verfahren wurde in den vergangenen Jahren stark weiter entwickelt, die Lage- und Höhengenauigkeit und Punktdichte wurden deutlich erhöht. Zahlreiche Laserscandatensätze unterschiedlicher Qualität wurden ausgewertet. Die Arbeit beschreibt Mindestanforderungen an die Qualität der Daten, die für eine hohe Qualitätsausgabe des Solarpotenzials benötigt werden. Die Genauigkeit der Solarpotenzialergebnisse wurden über Gebäudepläne realer Objekte, Vor-Ort Messungen und Erträge von bestehenden PV-Anlagen evaluiert. Erzielbare Abweichungen von 2% in der Neigung und 1% in der Ausrichtung sind über die entwickelte Methode auf Grundlage von Laserscandaten mit ausreichender Qualität erreichbar. Größere Abweichungen mit 6% Prozent wurden bei der Dachflächengröße errechnet. Die Bewertung über Referenzanlagen und dessen spezifischem Stromertrag lieferte eine Abweichung von 1,2%. Die Evaluierungsergebnisse bestätigen den Methodenansatz und liefern gute Resultate in der Genauigkeit der Solarpotenzialwerte.

Die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie ist ein bedeutender Pfeiler der Energiewende. Durch große Freiflächenanlagen entsteht jedoch ein Flächennutzungskonflikt. Aufgrund der gleichzeitigen Nutzung einer Fläche für die Landwirtschaft und die Solarstromproduktion leistet die Agri-Photovoltaik einen Beitrag, diese Konkurrenzsituation zu entschärfen. Die vorliegende Schriftenreihe stellt den Stand des Wissens zu dieser jungen und innovatioven Technologie dar. Die Veröffentlichung richtet sich an Landwirte und Planer, aber auch an Genehmigungsbehörden und wissenschaftliche Einrichtungen. Redaktionsschluss: 11.01.2021

Die langfristige Speicherung von überschüssiger Energie aus regenerativen Quellen ist ein ungelöstes Problem der Energiewende. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet das Power-to-Gas-Konzept, bei dem Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid als Ersatz für Erdgas erzeugt wird. Da diese Reaktion kinetisch limitiert ist, ist die Verwendung eines geeigneten heterogenen Katalysators erforderlich. Aufgrund ihrer hohen Aktivität und ihres niedrigen Preises werden häufig nickelhaltige Katalysatoren eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Fe-Ni-Hydrotalcit-basierten Katalysatoren für dieses Konzept untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Bestimmung der Abhängigkeit der katalytischen Aktivität vom Eisengehalt lag. Dabei zeigte sich, dass geringe Mengen an Eisen die Methanausbeute verbessern. Eine Erklärung für diese Aktivitätssteigerung liefern die Ergebnisse von in-situ-DRIFTS-Untersuchungen an eisenhaltigen und eisenfreien Ni-Hydrotalcit-Katalysatoren.

Ausgehend von der Feststellung, dass einerseits Innovationsprozesse in ländlichen Räumen wenig erforscht sind und andererseits das Wissen um die Innovationsfähigkeit ländlicher Akteure dringend erforderlich ist, um eine nachhaltige Transformation zu erreichen, beschäftigt sich diese Dissertation mit der Frage, wie soziale Innovationsprozesse in ländlichen Räumen funktionieren und gefördert werden können. Es wurden drei Studien erstellt, die sich der Beantwortung dieser Frage aus unterschiedlichen Perspektiven nähern. Beginnend mit dem Thema der nachhaltigen Zertifizierung von Ölpalmen-Kleinbauern in Indonesien, der Frage der Erhaltung und Schaffung ländlicher Infrastruktur in Deutschland und dem Thema der Energiewende und ihrer Förderung. Im Mittelpunkt aller Studien steht die Untersuchung kollektiven Handelns von mitgliederbasierten Organisationen, die als Sozialunternehmen im ländlichen Raum gegründet und betrieben werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Rolle von mitgliedschaftsbasierten Organisationen in ländlichen Gebieten die Untersuchung von sozialen Innovationsprozessen ermöglicht. Es konnten wichtige Merkmale und Prozesse sozialer Innovationsprozesse identifiziert werden, die nicht nur für die Förderung von mitgliederbasierten Organisationen, sondern auch für die Untersuchung nachhaltiger Transformationspfade vielversprechend sind. Die Dissertation schließt mit einer kritischen Diskussion über die Grenzen der Doktorarbeit, dem Bezug zu aktuellen wissenschaftlichen Debatten, einigen Governance Empfehlungen und einer Positionierung der Forscherin in ihrem Forschungsfeld. / Based on the observation that, on the one hand, innovation processes in rural areas have been little researched and, on the other hand, knowledge about the capacity for change of rural actors urgently needs to be taken into account to achieve sustainable transformation, this dissertation deals with the question of how social innovation processes in rural areas function and can be promoted. Three studies were conducted that approach the answer to this question from different perspectives. Starting with the issue of sustainable certification of oil palm smallholders in Indonesia, the issue of maintaining and establishing rural infrastructure in Germany, and the topic of the renewable energy transition and its promotion. At the heart of all studies is an examination of collective action by membership-based organizations established and operated as social enterprises in rural areas. In conclusion, the role of membership-based organisations in rural areas enables the study of social innovation processes. Important characteristics and processes of social innovation governance could be identified, which are promising not only for promoting membership-based organisations but also for studying sustainable transformation pathways. The thesis concludes with a critical discussion about the limitations of the doctoral thesis, the reference to current scientific debates, some governance recommendations, and the researcher's positioning in his research field.