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Vor dem Hintergrund eines zunehmenden globalen Energiebedarfs und der Gefahr einer anthropogenen Störung des Klimasystems durch die Emission von Treibhausgasen gilt es, tragfähige Strategien und Perspektiven für eine nachhaltige Energieversorgung zu entwickeln. Der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien wird dabei vielfach eine Schlüsselrolle zur Bewältigung dieser Herausforderungen zugesprochen. Einer weit verbreiteten Ausschöpfung der auch in Deutschland in großem Maße verfügbaren Potenzialen an regenerativen Energieträgern stehen jedoch häufig noch die damit verbundenen hohen Kosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern entgegen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher zu untersuchen, welchen Beitrag erneuerbare Energieträger in einem wettbewerblichen Marktumfeld langfristig zur Energieversorgung leisten können und in welchem Umfang erneuerbare Energieträger durch die Internalisierung der Treibhausgasvermeidungskosten in den Energiepreisen profitieren können. Zur Bewertung der Rolle erneuerbarer Energieträger sind mit Blick auf das Gesamtenergiesystem Interdependenzen zwischen der Nutzung erneuerbarer Energieträger und den übrigen Sektoren des Energiesystems zu berücksichtigen. Neben der Vernetzung des Energiesystems in horizontaler Richtung durch Prozessketten über Sektoren hinweg und in vertikaler Richtung durch die Konkurrenz regenerativer mit fossilen Energietechnologien sind dabei auch Kopplungen über Energiepreise, deren Höhe über die Wettbewerbsfähigkeit einer regenerativen Energietechnologie entscheidet, sowie die energie- und preisseitigen Effekte durch Einführung energiepolitischer Instrumente zu beachten. Aufgrund dieser Systemzusammenhänge wird daher ein auf dem Ansatz der linearen Programmierung basierendes intertemporales Energiesystemmodell verwendet, in dem die Energiewirtschaft Deutschlands von der Primär- bis zur Nutzenergie technologisch detailliert abgebildet und hinsichtlich der Systemkosten optimiert wird. Um die Wechselwirkungen innerhalb des Energiesystems aufzuzeigen, werden sich z. T. ergänzende methodische Verfahren entwickelt und eingesetzt. Neben einem Bilanzierungsmodell zur Ermittlung von die Prozessvorketten berücksichtigender Indikatoren zählen hierzu ein auf der Dualitätstheorie beruhendes Verfahren zur Dekomposition der Energie- und Zertifikatspreise, Methoden der Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der fundamentalen preisbestimmenden Faktoren und Techniken der parametrischen Programmierung, um neben Variationen der Modelleingangsdaten Treibhausgasvermeidungskostenkurven und Angebotskurven regenerativ erzeugten Stroms unter Berücksichtigung der systemaren Zusammenhänge im Energiesektor abzuleiten. Mit Hilfe des entwickelten Energiesystemmodells und der Analysemethoden werden die zukünftigen Entwicklungsperspektiven erneuerbarer Energien im deutschen Energiesystem bis zum Jahr 2050 szenariogestützt untersucht. In den Szenarien werden einerseits die mit einer Quote erneuerbarer Energien in der Stromerzeugung verbundenen energie-, kosten- und emissionsseitigen Auswirkungen betrachtet und andererseits der Beitrag erneuerbarer Energien in Konkurrenz mit alternativen Minderungsoptionen zur Erreichung von Treibhausgasminderungszielen dargestellt. Weiterhin werden in simultanen Variationen die Wechselwirkungen zwischen beiden Instrumenten und ihre Auswirkungen speziell auf die Stromerzeugungsstruktur und die Strompreise beleuchtet. Against the background of an increasing global energy demand and the danger of an anthropogenic disturbance of the climate system by the emission of greenhouse gases, it is necessary to develop sustainable strategies and perspectives for the future energy system. The increased usage of renewable sources is identified from many sides as a key element in strategies to overcome these challenges. However, a widely utilisation of the also in Germany large existing potentials of renewable energy carriers is currently still opposed by the associated high costs relative to fossil energy sources. The intention of the submitted thesis is to analyse the contribution of renewable energy sources in the long-run under competitive market conditions to the energy supply and to study the extent to which renewable energy sources can benefit from the internalisation of greenhouse gas abatement costs in the energy prices. To assess the role of renewable energy sources in the context of the entire energy system, interdependencies between the utilisation of renewable energy sources with other aspects and sectors of the energy system have to be taken into account. In addition to the interconnectedness of the energy system in the horizontal direction by process chains across sectors and in the vertical direction by the competition of renewable with conventional fossil technologies also the linkage by energy prices, which serve as benchmark for the competitiveness of a renewable energy technology, and the energy and price related effects caused by the introduction of policy instruments have to be considered. Due to these interactions within the system, a linear programming based dynamic energy system model is used, which depicts technologically detailed the German energy sector from the primary energy supply to the end-use energy demand side and optimises the energy system with respect to its total costs. In order to reveal the interactions and dependencies within the energy system, several partially complementary methodologies have been developed and applied to the model. Apart from a balance model that allows the calculation of specific indicators under consideration of previous process chains, the methodology comprises a method for decomposing energy and certificate prices based on the duality theory, the method of sensitivity analysis to identify the fundamental price-determining activities and parametric programming techniques to derive greenhouse gas abatement cost curves and renewable electricity supply cost curves. With the help of the developed energy system model and analysis tools, the future development perspectives of renewable energy in the German energy system until the year 2050 are studied in various scenarios. In these scenarios, on the one side the energy-, cost- and emission related effects associated with a quota for the electricity production from renewable sources are studied, on the other side the contribution of renewable energy sources to given greenhouse gas abatement targets in competition with alternative abatement measures is examined. Furthermore the interdependencies between these two policy instruments on each other and their effects on the structure of the electricity sector and on the electricity prices are highlighted.

The share of renewable electricity generation of gross electricity consumption in Germany increased from 6.8 % to about 20 % during the years of 2000 and 2011. This share will increase even more in the future. The greater part of the renewable electricity generation is characterized by significant fluctuations, which can only be planned to a limited extent. Hence, the electricity system in Germany faces the challenge to integrate an increasing amount of fluctuating renewable electricity generation. Additionally the system stability needs to be ensured, despite a decreasing capacity in conventional power plants. One option to support the integration of large amounts of renewable electricity generation and to enhance system stability is the deployment of storage technologies. The aim of this research was to analyze the role of storage technologies to integrate high shares of renewable electricity generation into the electricity system of Germany. To achieve this aim, adiabatic compressed air energy storage, diabatic compressed air energy storage and mobile battery storage systems were simulated and compared with a pumped hydro storage as the reference storage system. Key characteristics of these storage systems were modeled within a fundamental stochastic unit commitment model of the German power markets (Joint-Market-Model) in order to analyze the effect of the implementation of these storage systems on the overall cost of the electricity system. Additionally, the operation of the storages in an electricity system with high shares of renewable energy was evaluated. The results show that the integration of large shares of renewable electricity generation into the grid can only be achieved with a substantial implementation of storage systems. To integrate 50 % of renewable energy, a storage power of 27 GW and storage capacity of 245 GWh is needed. For a renewable energy share of 80 %, a storage power of 78 GW and a storage capacity of 6.3 TWh are necessary. A 100 % renewable energy share requires a storage power of 139 GW and a storage capacity of 83 TWh. This also requires a significant capital expenditure. One option to reduce the overall system costs without compromising the system stability is to allow “curtailment” of wind and solar power. Curtailment is hereby only used, if it leads to lower operating costs of the system. For 50 % share of renewable energy the storage power can be reduced from 27 GW to almost 11 GW at constant storage capacity. The required storage capacity is reduced from 6.3 TWh to 5.4 TWh and the storage power from 78 GW to 66 GW for a share of 80 % of renewable energy. For a share of 100\% of renewable energy, the requirement of storage capacity is reduced from 83 TWh to 57 TWh and of storage power from 139 GW to 106 GW. In all assessments, where curtailment is allowed, the system costs are reduced. With this procedure only a minor share of renewable electricity generation (<1 %) is hereby not integrated into the grid. Furthermore, in this research the effects of different charging strategies of electric vehicles are analyzed. An uncontrolled charging, where the electric vehicles are charged at the instant they are connected to the grid is compared with a controlled charging (Vehicle-to-grid, V2G), where the time of charging can be delayed due to economic reasons until the starting time of the next trip. However, the controlled charging strategy of electric vehicles was found to have very little positive effect on the system costs. In a year with low wind and solar supply (reduced wind and solar supply by 15 %), the system stability is not given for a share of renewable electricity generation of 80 % and 100 %. To ensure the system stability for very high shares of renewable electricity generation, the power plant portfolio needs to be determined based on a load curve with yearly low wind and solar supply. Der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch ist zwischen den Jahren 2000 und 2011 von 6,8 % auf über 20 % gestiegen. Zukünftig wird dieser Anteil weiter zunehmen. Ein Großteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ist durch erhebliche Fluktuationen, die nur in begrenztem Umfang planbar sind, charakterisiert. Das Elektrizitätssystem Deutschlands steht daher vor der Herausforderung, immer höhere Anteile der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien aufzunehmen und trotz abnehmender Kapazitäten des konventionellen Kraftwerkparks die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Einen Beitrag zur Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung und zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit können Speicher liefern. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Rolle und Bedeutung von Stromspeichern zur Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien in das Elektrizitätssystem Deutschlands zu analysieren und zu bewerten. Hierfür wurde der Speicherbetrieb adiabater Druckluftspeicher, diabater Druckluftspeicher und mobiler Batteriespeicher (in Elektrofahrzeugen) mit Hilfe eines technischen Modells simuliert und anhand einer technisch-ökonomischen Analyse dem Referenzsystem „Pumpspeicher“ gegenübergestellt. Wesentliche Charakteristika wurden anschließend in ein Optimierungsmodell der Einsatzplanung des Elektrizitätssystems Deutschlands (Joint-Market-Model) übernommen, um die Auswirkungen des Speichereinsatzes zur Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien auf die Systemkosten und den Speicherbetrieb zu analysieren. Es wurden anhand verschiedener Szenarien die Anteile erneuerbarer Energien von 50 %, 80 % und 100 % am Bruttostromverbrauch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine vollständige Integration hoher Anteile der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nur mit einem erheblichen Ausbau an Speichern realisiert werden kann. Für einen Anteil von 50 % erneuerbarer Energien an der Elektrizitätsnachfrage in Deutschland wurde ein Bedarf an Speicherleistung von 27 GW und an Speicherkapazität von 245 GWh ermittelt. Zur Integration eines Anteils von 80 % erneuerbaren Energien sind eine Speicherleistung von 78 GW und eine Speicherkapazität von 6,3 TWh erforderlich. Für 100 % erneuerbare Energien werden Speicher mit einer signifikant höheren Speicherleistung von 139 GW und einer Speicherkapazität von 83 TWh benötigt. Dies geht mit einem erheblichen Kapitalaufwand einher. Bei einem Verzicht auf eine vollständige Integration der erneuerbaren Energien, einem „Curtailment“, kann die Stromeinspeisung aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen reduziert werden, falls dies zu geringeren Systembetriebskosten führt. Hierdurch verringert sich der Speicherbedarf erheblich. Der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, der aus ökonomischen Gründen nicht aufgenommen wird, ist dabei kleiner als 1 %. Für einen Anteil von 50 % erneuerbarer Energien wird bei gleichbleibender Speicherkapazität eine Speicherleistung von knapp 11 GW (statt 27 GW) benötigt. Bei einem Anteil von 80 % erneuerbarer Energien kann die Speicherleistung von 78 GW auf 66 GW und die Speicherkapazität von 6,3 TWh auf 5,4 TWh verringert werden. Für 100 % erneuerbare Energien liegt der Speicherbedarf bei 106 GW (statt 136 GW) Speicherleistung und 57 TWh (statt 83 TWh) Speicherkapazität. Das „Curtailment" führt somit in allen Szenarien zu einer Reduktion der Systemkosten.

Der Erfolg der Photovoltaik in Deutschland und der Welt basiert derzeit auf der indirekten Subventionierung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und vergleichbare Instrumente in anderen Regionen. Auch unter der Prämisse, dass der derzeitige Gestehungspreis für konventionell erzeugte Elektrizität die realen Kosten, bedingt durch mögliche zukünftige Umweltschäden und Ressourcenknappheit, nur unzureichend widerspiegelt, sind weitere Kostensenkungen in der Produktion unabdingbar. Durch den hohen Kostenanteil der Wafer am Modul liegt in der Waferfertigung das größte Kostensenkungspotential. Die Vereinzelung feuchter Siliziumwafer ist aus Durchsatz- und Qualitätsaspekten ein wichtiger Schritt in der Fertigung. Durch die hohe Bruchgefahr bei der Handhabung von Wafern kann die Vereinzelung auch wesentlich zur Kostenreduktion beitragen. Die in Literatur und Patenten beschriebenen Verfahren sind derzeit noch nicht in einem ausgereiften Zustand, um die Vereinzelung von Wafern sicher und zuverlässig durchzuführen. Daher sind weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung nötig, um die derzeitigen und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig muss das Verständnis über die Vorgänge bei der Vereinzelung sowie die Einflüsse auf den Wafer weiter vertieft werden. Insbesondere das Schädigungspotential der Vereinzelung auf den Wafer bestimmt die Auslegung eines solchen Systems in besonderem Maße. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst die Ausgangssituation in der derzeitigen Waferproduktion. Die Umgebung in der Waferproduktion ist geprägt durch eine Vielzahl von Einflüssen, besonders durch flüssige Betriebsstoffe wie der Slurry oder auch den Reinigungsmedien. Die zu vereinzelnden Wafer sind fragile und spröde Substrate welche in dieser Umgebung verarbeitet werden müssen. Entsprechend vielseitig ist der derzeitige Stand der Technik zur Vereinzelung, welcher größtenteils in Patentschriften beschrieben ist. Zur weiteren Entwicklung eines Vereinzelungsverfahrens wird die Aufgabe weiter analysiert. Durch Versuche in einer realen Fertigungsumgebung erscheint die Vereinzelung vom Stapel als vielversprechender Ansatz. Die Fragilität des Substrats führt zu der Überlegung, Flüssigkeitsstrahlen zur Vereinzelung der Wafer einzusetzen. Damit soll eine schonende Handhabung der Wafer erzielt werden. Das Prinzip dieser Vereinzelung vom Stapel wird dann zunächst in einem Modell beschrieben und entsprechend berechnet. Zur Überprüfung und Validierung des Modells wird zunächst ein Versuchsstand entwickelt an welchem die Einflüsse der Flüssigkeitsstrahlen auf den Wafer detailliert untersucht werden k¨onnen. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb des Versuchsstandes fließen in die Konstruktion eines Prototypen ein. Gleichzeitig können die Einstellungen des Prototypen anhand der Ergebnisse aus den Versuchsreihen initial eingestellt werden. Die Tests mit dem Prototypen zeigen eine prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens. Weiterer Bedarf in Forschung und Entwicklung liegt in der Optimierung von Verfahren im industriellen Umfeld. Eine hohe Zuverlässigkeit bei der Vereinzelung bei gleichzeitig störungsunempfindlichem Betrieb sind dabei wichtige Indikatoren für den Erfolg von Vereinzelungsverfahren. Technologisch kommen weitere Anforderungen auf die Waferbehandlung zu. Der Trend zu dünneren Wafern (kleiner als 180- 210 µm) ist derzeit durch die gesunkenen Kosten f¨ur das reine Silizium nicht mehr der zentrale Fokus der Entwicklung. Sobald jedoch weitere Kostensenkungspotentiale an anderer Stelle realisiert werden können, wird die Dicke der Wafer vermutlich wieder an Bedeutung zunehmen. Möglicherweise werden auch größere Waferformate (gröoßer 200mm Kantenlänge) in Zukunft in die Massenfertigung eingeführt werden. Die Verfahren und Anlagen müssen dann entsprechend angepasst werden. Eine weitere einflussreiche Entwicklung kann die Umstellung Slurry-basierter Trennverfahren auf alternative Technologien darstellen. Insbesondere das Sägen mit Diamantdraht (mit Industriediamanten besetzter Schneidedraht) wird die Vereinzelung vor neue Herausforderungen stellen, da sich die Oberflächeneigenschaften damit ändern. The separation of crystalline photovoltaic wafer after sawing is an important but difficult automation challenge. In wafer manufacturing, wafers are cut out of an ingot with a wire saw. A slurry mainly based on glycol and silicon carbide is typically used as the abrasive medium. The ingots are glued to a plate. After the wafers are cut out, they are still glued to the plate. In many factories the wafers are separated manually. However due to reasons of costs, quality and the dimensions of the wafers, an automation solution is highly desirable. This thesis presents experiments to define pre-conditions and requirements for an automated separation process. Based on this requirements a model is developed which leads to a possible solution for the implementation. The thesis concludes with the description of a prototype equipment and the conducted tests.

Die energetische Nutzung von Biomasse umfasst eine Vielzahl von unterschiedlichen und alternativen Pfaden zur Endenergiebereitstellung. Feste, flüssige und gasförmige Bioenergieträger können über thermische, thermo-chemische, physikalisch-chemische und biologisch-chemische Konversionsverfahren alternativ in Wärme, Strom und Kraftstoffe überführt werden. Dabei stehen der Möglichkeit durch die Biomassenutzung einen Beitrag zur Minderung von Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und zur Substitution fossiler Energieträger zu leisten, erhöhte Kosten im Vergleich zu den konventionellen Bereitstellungsverfahren gegenüber. Zudem gilt im Hinblick auf einen Ausbau der Bioenergie zu berücksichtigen, dass trotz des regenerativen Charakters der Biomasse als erneuerbare Energiequelle, die Biomasse- und Flächenpotenziale in Deutschland begrenzt sind. Ziel dieser Arbeit ist daher die Analyse und Bewertung unterschiedlicher energetischer Nutzungspfade von Biomasse unter technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten vor dem Hintergrund energie- und umweltpolitischer Zielsetzungen einerseits und der Biomassepotenziale in Deutschland andererseits. Dafür wurden für eine Auswahl an heute und zukünftig wichtigen Prozessketten der Energieträgerproduktion und -nutzung sowohl Energie- und Stoffstrombilanzen erstellt als auch die Kosten der Energiegestehung berechnet. Anhand der unterschiedlichen daraus ableitbaren technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte erfolgt eine umfassende Bewertung der Nutzungspfade. Im Hinblick auf die Konkurrenz zu anderen erneuerbaren und den konventionellen Verfahren der Energiebereitstellung im Energiesystem Deutschland wurden die Nutzungsoptionen für Biomasse anhand einer modellgestützten Szenarioanalyse zudem systemisch bewertet. Durch die Analyse und Bewertung konnten vorteilhafte Nutzungspfade für die Endenergiebereitstellung aus Biomasse im Hinblick auf eine effiziente Biomassenutzung und eine kostengünstige Minderung der Treibhausgasemissionen identifiziert werden. Es zeigt sich, dass die Wärmebereitstellung im Hinblick auf die Gesamtheit der hier untersuchten Aspekte die vorteilhafteste Nutzungsoption darstellt. Sie ist aufgrund der höheren Effizienz bei der Biomasseumwandlung sowohl der KWK-Nutzung von Festbrennstoffen als auch der Bereitstellung gasförmiger Kraftstoffe vorzuziehen. Demgegenüber erweisen sich sowohl die Bereitstellung von Biokraftstoffen der 1. Generation, wie z. B. Biodiesel aus Raps und Ethanol aus Zuckerrüben, als auch die Nutzung von Biogas mit geringen Wärmenutzungsgraden als vergleichsweise wenig vorteilhaft. Es zeigt sich deutlich, dass der Effizienz der Biomassebereitstellung und -konversion vor den hier erarbeiteten Ergebnissen eine besondere Aufmerksamkeit bei der zukünftigen Bioenergienutzung in Deutschland zukommen sollte, da diese nicht nur einen bedeutenden Einfluss auf die Gesamteffizienz der Nutzungspfade sondern auch auf andere Aspekte, wie z. B. die spezifischen Emissionen und das Substitutionspotenzial für fossile Energieträger aufweist. Zudem wird klar, dass insbesondere bei den Biokraftstoffen der 1. Generation eine verstärkte energetische Nutzung der Koppelprodukte zur Verbesserung der Energiebilanz erfolgen sollte. Ohne die Koppelproduktnutzung erweisen sich die Gesamteffizienzen dieser Prozessketten als vergleichsweise wenig vorteilhaft. Die hier erarbeiteten Ergebnisse zeigen überdies, dass durch die Nutzung heimischer Biomasse- und Flächenpotenziale ein nennenswerter und vergleichsweise kostengünstiger Beitrag zur Minderung der energiebedingten THG-Emissionen und zur Substitution fossiler Energieträger im Energiesystem Deutschland geleistet werden kann. Rund 1.097 PJ/a an Endenergie in Form von Wärme, Strom und Kraftstoff können bei einer konsequenten Verfolgung der Klimaschutzziele bis zum Jahr 2030 durch Biomasse bereitgestellt werden. Damit kann in Deutschland im Jahr 2030 ein Anteil der heimischen Biomasse am Primärenergieverbrauch von rund 14,0 % und ein Anteil der Bioenergie am Endenergieverbrauch von 11,1 % erreicht werden. The energetic utilization of biomass comprises many different and alternative pathways for the provision of different kinds of end energy. Solid, liquid and gaseous bioenergy carriers can be transferred to heat, power and transport fuels via thermal, thermo-chemical, physio-chemical and bio-chemical conversion technologies. The preferable characteristics of biomass utilization, such as the possibility to reduce greenhouse gas (GHG) emissions and the substitution of fossil fuels, compete against the relatively high costs compared to conventional energy provision technologies. Additionally, the potentials of biomass and agricultural area for energy crop production in Germany are limited. The aim of this study is therefore the analysis and assessment of different energetic utilization pathways of biomass under technical, economic and ecological aspects against the background of energy and environment policy goals on the one hand and the limited biomass potential on the other hand. For a sample of current and prospective important process chains of the production and utilization of bioenergy carriers the energy and mass flows were balanced. In addition the energy provision costs were calculated. The following step was the integration of the different technical, economic and ecological aspects against the background of a comprehensive assessment. With regard to the competition to other renewable energies and to the conventional methods of energy supply in the energy system of Germany the utilization options were systematically assessed by means of a model based approach. Due to the analysis and assessment favourable utilization pathways for the energy provision from biomass could be identified. The results show, that the heat provision has to be evaluated as the most favourable utilization option under technical, economical and ecological aspects. Due to higher efficiencies of the biomass conversion the heat provision is more preferable than the CHP use of solid biomass as well as the provision of gaseous fuels. In contrast to that, the provision of 1st generation bio fuels, e. g. biodiesel from rapeseed and ethanol from sugar beet as well as the utilization of biogas with low heat use, has to be assessed rather less favourable. Given the presented results, the efficiency of the biomass production and conversion should play a major role in the future configuration of bioenergy in the energy system of Germany due to the high influence on the overall efficiency of the process chains and other aspects like the specific emissions and the substitution of fossil fuels. Like the efficiency the energetic utilization of by products, especially in the case of the production of 1st generation biofuels should be enhanced to improve the energy balance of these pathways. The results affirm that the utilization of national biomass and land area potentials can contribute considerably and relatively cost efficient to the reduction of GHG emissions and the substitution of fossil energy carriers. About 1,097 PJ per year in form of heat, power and transport fuels can be provided when the optimistic GHG reduction targets till 2030 will be met. In this case the national biomass shows a share of 14.0 % of primary energy demand and 11.1 % of end energy consumption.

Durch die Veröffentlichung des Energiekonzeptes im September 2010 hat die deutsche Bundesregierung den Weg in das Zeitalter der erneuerbaren Energien beschrieben. Demnach wird ein großer Teil des zukünftigen Elektrizitätsversorgungssystems in Deutschland aus Wind- und Solarenergie bestehen, deren Einspeisung durch das fluktuierende natürliche Dargebot bedingt ist. Der wachsende Anteil dieser fluktuierenden Einspeisung stellt eine große Herausforderung sowohl für die kurzfristige Kraftwerkseinsatzplanung als auch für die langfristigen Investitionsentscheidungen dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein fundamentales Elektrizitätsmarktmodell mit einer detaillierten Abbildung von den beiden Aspekten entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wird analysiert, mit welchen notwendigen Kraftwerkszubauten die Versorgungszuverlässigkeit bei einem hohen Anteil von fluktuierender Einspeisung in der Zukunft kostengünstig gewährleistet werden kann. Des Weiteren wird eine ausführliche Analyse der aktuellen Energiepolitik in Deutschland bezüglich der Nutzung von erneuerbaren Energien und der Kernenergie durchgeführt. The German Federal Government published its energy concept in September 2010 with a description of the road into the era of renewable energies. Therefore, the future renewable energy installed in Germany is expected to consist mostly of wind and solar, which are subject to intermittency of supply and significant fluctuations. The growing portion of energy generation by fluctuating sources is turning to a big challenge for the power plant unit commitment and the investment decisions as well. In this thesis, a fundamental electricity market model with combined modeling of these two aspects is developed. This model is subsequently applied to the German electricity market to investigate what kind of power plant investments are indispensable, considering the steadily increasing portion of energy generation from fluctuating sources, to ensure a reliable energy supply in a cost-effective way in the future. In addition, current energy policy in Germany regarding the use of renewable energy and nuclear energy is analyzed.

Im Rahmen der Dissertation wurden ein Reaktordesign und eine Reaktionsführung für einen in einer offenen Prozessführung betriebenen thermochemischen Energiespeicher erarbeitet. Als Speichermaterial wurde ein binderfreier Zeolith 13X (Firma Chemiewerke Bad Köstritz) sowie neue, am ITW hergestellte Kompostmaterialien aus dem binderfreien Zeolith 13X und den Salzen Magnesiumsulfat und Calciumchlorid untersucht. Durch die Speicherung der Solarwärme in einem reversiblen Prozess (Sorption bzw. Hydratation) ist eine kompakte und nahezu verlustfreie Speicherung der Solarenergie aus den Sommermonaten bis in die Wintermonate hinein möglich. Damit kann die Effizienz der solaren Kombianlage gesteigert sowie der Anteil der solar bereitgestellten Wärme zur Gebäudebeheizung erhöht werden. Es wurden experimentelle Untersuchungen an den Speichermaterialien sowie numerische und experimentelle Untersuchungen zum Reaktordesign und zur Reaktionsführung durchgeführt. Die experimentellen Materialuntersuchungen am Einzelpartikel und im Haufwerk gaben Aufschluss über das Reaktionsgleichgewicht, über die Speicherdichte und über das makroskopische Reaktionsverhalten der Speichermaterialien. Gleichzeitig wurden durch die Materialuntersuchungen neue Erkenntnisse bezüglich des Einflusses des in den Zeolithen eingebrachten Salzes auf die Porenstruktur des Zeolithen sowie auf die Sorptionskapazität und auf das Reaktionsverhalten des Komposits gewonnen. Ein wesentliches Ergebnis war, dass die Sorptionskapazität des Komposits nur bei einem hohen Wasserdampfgehalt der Luft über der Sorptionskapazität des reinen Zeolithen lag. Bei geringeren Feuchten wurde eine deutlich verminderte Sorptionskapazität des Komposits beobachtet (Abnahme um 15 bis 30 %). Ein Grund hierfür war, dass durch das Einbringen des Salzes in den Zeolithen das Mikroporenvolumen und die Mikroporenoberfläche und damit die zur Verfügung stehende Adsorptionsoberfläche reduziert wurden. Dennoch wurde beim Komposit aus Zeolith und Magnesiumsulfat eine mit dem Zeolithen vergleichbare, ...

In der vorliegenden Arbeit wird ein komponentenbasiertes Framework zur energetischen Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen entwickelt. Heiz- und raumlufttechnische Anlagen können mit der Hilfe der Methode der Bedarfsentwicklung anhand ihres Energieaufwandes während der Planung und des Betriebes bewertet werden. Die Bewertung erfolgt durch: - die Feststellung des Energiebedarfs und der ihn zu beeinflussenden Größen mit Hilfe einer Gebäudesimulation - die Feststellung des Aufwands, der eine Anlage zur Befriedigung des Bedarfs benötigt, mit Hilfe einer Anlagesimulation - den kontinuierlichen Vergleich der durch die Messung gewonnenen Raum- und Anlagezustände mit simulierten Werten mit Hilfe einer gekoppelten Gebäude- und Anlagesimulation. Dem komponentenbasierten Framework liegt eine Architektur zugrunde, welche sich durch eine klare Trennung der Komponente Gebäude- und Anlagedatenmodell von den Berechnungskomponenten auszeichnet. Das Kernstück der Arbeit ist die Entwicklung und die Implementierung der Komponente Gebäude- und Anlagedatenmodell aus Sicht der Technischen Gebäudeausrüstung. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Behandlung von Fragen der Gebäudetechnik und hier insbesondere auf der Einbindung von Gebäude- und Anlagesimulationen während der Planung und des Betriebs. Der Rahmen für die Entwicklung des Datenmodells ist durch das aktuelle Austauschmodell der Industrieallianz für Interoperabilität (IAI) vorgegeben. Das Datenmodell erweitert dieses Austauschmodell um die Beschreibung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen. Nach der Vorgaben der IAI ist es die Aufgabe des Datenmodells, den Datenaustausch zwischen Komponenten zu ermöglichen. Die Aufgaben des hier entwickelten Datenmodells gehen allerdings über den Datenaustausch hinaus, da es zur einheitlichen Beschreibung von Gebäuden und deren Anlagen während des gesamten Lebenszyklus dient. Dazu muss es dynamisch erweiterbar sein und eine so große Informationsdichte besitzen, dass die Daten in verschiedenen Phasen des Gebäudelebenszyklus ohne ...

Energy and material flows caused by human activities have essential influence on human beings and the environment. These impacts should be taken into consideration in case of evaluating technologies with regard to a sustainable development. Therefore, it was goal of the project to quantify the impacts caused by different technologies of electricity and heat supply and to consider not only the process of energy transformation, but also the up- and downstream processes as fuel supply, waste disposal, the construction and dismantling of the power plant etc. The work carried out includes the development of methods for life cycle assessment, the compilation of a database, the develop-ment of an appropriate software tool for life cycle assessment and finally the assessments of various energy supply technologies itself. Besides the calculation of greenhouse gas emissions and the extraction of raw materials, results are quantified for the cumulated energy demand as well as the impact categories acidification and eutrophication of ecosystems, impacts on human health and damages on materials and plants. Finally, the monetary evaluation is used to quantify damages costs for the impact categories human health, material and plant damages, and avoidance costs für the impact categories acidification and eutrophication of ecosystems and the greenhause effect. Anthropogen umgesetzte Energie- und Stoffströme können mit wesentlichen Auswirkungen für Mensch und Umwelt verbunden sein. Um diese Auswirkungen bei der Beurteilung von Energieversorgungstechniken berücksichtigen zu können, werden in dem vorliegenden Bericht für verschiedene Techniken zur Strom- und Wärmebereitstellung die Stoff- und Energieströme über den gesamten Lebensweg quantifiziert und die aus ihnen resultierenden Auswirkungen auf Mensch und Umwelt abgeschätzt. Berücksichtigte Wirkungskategorien sind der Treibhauseffekt, die Versauerung und Eutrophierung von Böden und Gewässern, Risiken für die menschliche Gesundheit, Ressourcenverzehr, Materialschäden und die Schädigung von Nutzpflanzen.

Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von vorhandenen Ansätzen, ein geschlossenes Konzept für die Berücksichtigung von Schäden durch die Schadstoffbelastung der Umwelt als Ergänzung von Volkswirtschaftlichen Gesamtrechnungen, sogenannten Umweltökonomischen Gesamtrechnungen (UGR), abzuleiten und dieses anhand der Umweltbelastung durch Luftschadstoffe und toxische Substanzen durchzuführen. Ausgehend von der Diskussion der beiden übergeordneten Ziele für eine umweltverträgliche wirtschaftliche Entwicklung, Effizienz und Nachhaltigkeit, werden zunächst Unterziele in Form von Prioritäten aufgestellt. Aus ihnen wird dann auf der Basis vorhandener Konzepte zu Indikatoren und UGR ein System von aggregierten Indikatoren entwickelt. Zur Berechnung der Indikatoren wird die Methodik des erweiterten Wirkungspfadansatzes vorgestellt. Neben der detaillierten Diskussion von Konzentrationswerten und Gesamtschäden für 1990 und 1998 erfolgt eine Analyse des zeitlichen und räumlichen Imports und Exports von Schäden sowie der Schäden, die durch unterschiedliche wirtschaftliche Aktivitäten in Deutschland entstehen. Zusätzlich werden mit Hilfe der Indikatoren die Nachhaltigkeit der wirtschaftlichen Entwicklung und die Effizienz definierter Umweltziele beispielhaft für das Jahr 2005 untersucht. Zur Demonstration der Anwendbarkeit der berechneten Ergebnisse im Rahmen von UGR werden unter anderem beispielhaft Korrekturen der Wirtschaftsindikatoren durchgeführt, wie sie von Projekten der Europäischen Kommission und Aktivitäten der Vereinten Nationen in diesem Bereich vorgeschlagen werden. Die ermittelten gesamten Schadenskosten für die Jahre 1990 und 1998 in den EU-15 Staaten und Deutschland betragen mehrere Prozent des jeweiligen Bruttoinlandsprodukts. Die Analyse des Jahres 2005 hat gezeigt, dass die politischen Ziele für 2010 größtenteils bereits in 2005 eingehalten werden können. In einigen Ländern sind effiziente Minderungen über die Einhaltung der Ziele hinaus möglich. ; The objective of this thesis is to develop a consistent concept ...