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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.

Das Wissen um die endliche Verfügbarkeit konventioneller, fossiler Rohstoffe führte zur intensivierten Auseinandersetzung mit alternativen, erneuerbaren Energiequellen. Im Zuge dieses als Energiewende bezeichneten Prozesses hat die thermische Nutzung des Untergrundes als Speicher, aber auch als Quelle von Wärme deutlich zugenommen. Diese Entwicklung verstärkte die Forschungsbestrebungen für die Beschreibung thermischer Parameter des Untergrundes sowie der Bauwerke, die zur Wärmegewinnung genutzt werden, über Temperaturverteilungen während Installation und Betrieb. Die zugehörigen Temperaturmessungen können dafür zeitgemäß, kostengünstig und unaufwendig mit Ramanspektrum basierter, verteilter Temperaturmessung auf Glasfaserkabeln (DTS) durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde vom aktuellen, erkundungsbezogenen Stand der Technik aus, dem Thermal-Response-Test, untersucht, inwieweit eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Erdwärmesonden eines Sondenfeldes gegeben ist und diese Ergebnisse auch nicht etablierten, tiefenaufgelösten TRT gegenübergestellt. Aufgrund der Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Erdwärmesonden zur TRT-Durchführung wurde sich entsprechend auch mit alternativen Erkundungsmöglichkeiten auseinandergesetzt. Dafür wurde sich mit der Temperaturcharakterisierung von flachem Untergrund sowie der Erdwärmesonde (EWS) beschäftigt. Temperaturmessungen während Aufheizen und Abkühlen des Untergrunds wurden mit DTS durchgeführt und alternativen Erkundungsverfahren, wie Direct-Push, gegenübergestellt. In Kombination mit den TRT-Temperaturverteilungen zeigte sich dabei, dass nicht nur geologische Schichten unterschieden werden können, sondern auch, dass der Ausbau der Erdwärmesonde einen erkennbaren Einfluss auf die Messungen hat. Aus diesem Grund wurden die Arbeiten mit Untersuchungen zur Nutzung der Hydrationswärme als Werkzeug des Qualitätsmanagements von EWS abgeschlossen. Dabei wurde auf numerische Wärmeleitungsmodellierung, Laborversuche und Feldversuche zurückgegriffen. Aus der Summe der Ergebnisse wurden unterschiedliche Erklärungsansätze abgeleitet, welche notwendig sind für die Abschätzung, inwieweit die gefundenen Beobachtungen zur Erkundung und zum Qualitätsmanagement von Erdwärmesonden beitragen können. Dabei zeigte sich, dass verteilte Temperaturmessungen im Allgemeinen gut dazu geeignet sind, das relative Wärmespeichervermögen des Untergrundes zu ermitteln sowie mögliche Fehlstellen in der Hinterfüllung einer EWS zu detektieren. Damit kann die Temperaturmessung innerhalb einer EWS dazu genutzt werden, künftige Nutzungsarten zu definieren und die EWS vom Einbau an auf ihre Qualität zu überprüfen. Die Ankopplung dieser Versuche an herkömmliche Verfahren wie den Thermal-Response-Test hat sich bewährt, aber auch gezeigt, dass die Ergebnisse, die in TRT ermittelt werden, stark von den Einbaubedingungen der EWS abhängen. Eine direkter Vergleich von unterschiedlichen TRT eines EWS-Feldes (quartäre Sedimente, Sand, Kies, Schluff) wirft dabei Fragen zur Übertragbarkeit von TRT-Ergebnissen auf Nachbarsonden auf, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Alle Temperaturdaten aus den Experimenten können von den Archivservern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bezogen werden. Die Ordner-Struktur des Archivs ist in Appendix A dargestellt. Zusätzlich sind die Daten der angesprochenen Publikationen hinterlegt. Link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. Sollten Probleme beim Zugriff auftreten bitte ich darum sich direkt an das UFZ zu wenden. The knowledge about the limited availability of conventional, fossil energy resources directed the focus on alternative, renewable energy resources. In the course of this energy transition, there is an increased use of the shallow subsurface for thermal energy mining and storage. This increase in use led to deeper research in the field of characterisation of thermal properties of the (shallow) subsurface as well as investigations in related thermal energy mining systems like borehole ground heat exchanger (BHE). Hereby, temperature evolution during operation or exploration of the BHE with thermal response tests (TRT) were of special interest. Respective measurements can be done by Raman-spectre based distributed temperature sensing (DTS). In the presented work the actual standard tool for geothermal exploration, the TRT, is the basis for further investigation. Here, the comparability between TRTs of different BHE at the same test site is of special interest as well as the comparison to the not widely established enhanced (depth depending) TRT. As the TRT itself is in need of a BHE, approaches more easy to apply were also investigated. To achieve the mentioned points, temperature evolution was measured with the help of DTS within the subsurface as well as within BHE. This was done during heating and cooling phases and partially compared to alternative exploration data like various Direct-Push (DP) techniques. The analysis of the temperature distributions showed not only that different geological layers can be distinguished during exploration phase but also that the construction process and quality have a measurable impact on the results. This led to investigations of the usability of hydration heat for BHE quality management by field site temperature measurements as well as laboratory and numeric analysis. From the sum of the results multiple explanations were deduced which help to understand how the results of the exploration and the quality management approaches can help in determining the type of use of future BHE projects. Furthermore, it was shown that distributed temperature measurements are generally well suited for deduction of subsurface relative thermal storage potential as well as detection of possible failures within the grouting of a BHE. Temperature measurements in BHE can therefore be used to define the future thermal usage of the subsurface as well as help detecting failures of the BHE from installation onwards. Combining those approaches with conventional TRT was successful. However, it could be shown that the results of TRT strongly depend on BHE installation procedure. It is also shown that the direct comparison of different BHE from the same field site (quarternary sediments, sand gravel, tilt) shows varying results, leading to questions about the comparability of TRT of adjacent BHE which could not finally be resolved. The data of all experiments is stored at the science-server of the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ). The folder structure of the server can be found in appendix A. The data of the publications can be found there too. The data can be accessed as raw as well as processed data from the following link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. If you have trouble accessing the data, please directly contact someone at the UFZ to help you.

In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

Bauherren formulieren immer ��fter den Wunsch nach einem gesunden Wohnumfeld. Aufgrund von verf��gbarem Materialwissen und Baustoffinformationssystemen sind Planer mittlerweile in der Lage, materialspezifische Anforderungen zum schadstoffarmen Planen und Bauen abzuleiten. Aktuell gibt es jedoch keine standardisierten Vorgehensstrategien und Hilfen, die den Planer bei der Umsetzung der daraus entstehenden prozessbezogenen Herausforderungen unterst��tzen. Schadstoffarme Projekte werden h��ufig als Individualwerk, mit immer wieder neu konzipierten Abl��ufen, von Experten durchgef��hrt. Bereits entwickelte Expertenl��sungen verbleiben als exklusives Wissen bei wenigen Fachplanern. Nur einzelne Teilprozesse sind als Strategiewissen f��r alle verf��gbar. Somit bleiben zu viele Fragen und Unsicherheiten zur Planung und Bauausf��hrung offen, Experten sind nach wie vor notwendig, wenn besonders schadstoffarm gebaut werden soll. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer prozessbezogenen Vorgehensstrategie zur Qualit��tssicherung des schadstoffarmen Planens und Bauens. Eine praxisnahe Systematik soll ���neue��� Abl��ufe und Zusammenh��nge f��r Planer aufzeigen, um fr��hzeitig Risiken zu vermeiden. Aufbauend auf einer Vorstudie zu theoretischen Risikomodellen und beispielhaften Bauteilbetrachtungen wird eine qualitative Studie mit der Methode der Experteninterviews durchgef��hrt, um Expertenwissen und deren Planungswissen zu explizieren und f��r die Ergebniserstellung zu interpretieren. Als Ergebnis der Untersuchung werden sieben sog. ���neue��� Kernprozesse zum schadstoffarmen Planen und Bauen definiert und mit Checklisten hinterlegt. Um aufzuzeigen, wie der theoretische Ansatz in eine praxisnahe Anwendung ��berf��hrt werden muss, folgt eine zweite Ausarbeitungsstufe. In dieser werden die Modelle und die Checklisten zu einem Strategiemuster zusammengef��hrt. F��r zwei Bauteile k��nnen hiernach eine Bauteilmatrix, Bauteilmuster und Hilfetexte erstellt werden. Die entwickelte Vorgehensstrategie stellt eine praxisnahe Planungshilfe zur Qualit��tssicherung dar und besteht aus folgenden 4 Ebenen: - Ebene E.1 ���Strategiemuster��� - ��berblick Risikobereiche. - Ebene E.2 ���Bauteilmuster��� - Vergleichsm��glichkeit Bauteile. - Ebene E.3 ���Bauteilmatrix��� - Kurzhinweise Risiken. - Ebene E.4 ���Strategiebl��tter��� - Handlungsanweisung. Clients more and more ask for healthy living and working environments. Planers see themselves challenged to fulfill these requests. They benefit from product information, which aims to support them, and which evolves ongoing. But nevertheless, currently, there are no standardized and freely accessible procedural strategies and aids, supporting the planner in implementing these specified requirements in planning and construction processes. Project management is often carried by an individual with him constantly redesigned processes. This comes with a large number of questions and uncertainties in regards to planning and construction, resulting in the consultation of an expert. The aim of the following research work is the development of a process-related strategy, which helps to qualitatively manage planning and construction processes of environmentally-friendly projects, projects that contain fewer pollutants. New processes are to modeled in step with actual practice in order to avoid risks early enough. Based on a preliminary study of theoretical risk models and exemplary construction components, a qualitative study helps to explicate expert knowledge and strategies by using the method of expert interviews. As a research result, seven so-called "new" key processes are defined for the planning and construction of projects with fewer pollutants. These results are displayed as two-dimensional models in various levels of detail and are supplemented by so-called checklists. In order to transmit these theoretical approaches into a practical application, a strategy pattern is developed out of the models and the checklists. In addition, this pattern is verified du to an exemplification with the examples of two external walls. As a result, a matrix as well as a pattern for each construction element can be deviated. Due to the complementation by additional information and the design of a so called strategic data sheet, the scheme and its elements for the quality management system can be identified and defined as the following: - Level 1 E.1 ���Strategy Pattern��� - overview risks. - Level 2 E.2 ���Construction Element Matrix��� - comparison of constructions. - Level 3 E.3 ���Construction Element Pattern��� - key information. - Level 4 E.4 ���Strategic Data Sheet��� - additional information.

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

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.

The replacement of internal combustion engines by electric motors has been identified as a way to achieve widely-accepted international climate protection goals. Especially in the material handling sector, vehicles with electric drives have gained increasing market acceptance over the past decades. However, the electrification of counterbalanced forklift trucks with high tonnages requires batteries with extended energy capacity. Higher energy capacity usually correlates with higher volume-to-surface ratios resulting in decreased heat dissipation and, therefore, increased average operating temperatures of the commonly used lead acid batteries. As a consequence, battery lifetime is greatly reduced. Without design changes, one possibility for avoiding high operating temperatures is an adapted battery management strategy. This thesis reports on results obtained with flooded lead acid batteries, demonstrating that, with management strategies which include operation in a partial state of charge, energy efficiencies can be increased from about 0.7 to about 0.85 with minimal impact on lifetime.

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.

Der Beitrag geht der Frage nach, welche Besonderheiten Genossenschaften zu beispielhaften Akteuren der Nachhaltigkeit und nachhaltigen Arbeit machen. Dazu wird ein Begriff der Nachhaltigkeit eingeführt, in dem die drei Dimensionen des Ökonomischen, Sozialen und Ökologischen wechselseitig aufeinander bezogen sind und auf die Tätigkeit der Arbeit angewandt werden. Anschließend werden die vorwiegend in lokalen Kontexten tätigen Genossenschaften als Unternehmens- und Rechtsform vorgestellt. Wichtige Leitideen wie Kooperation, Partizipation und Autonomie werden erläutert und als spezifisch genossenschaftliche Merkmale das Identitätsprinzip sowie der Förderzweck identifiziert. Entlang der drei Nachhaltigkeitsdimensionen verdeutlichen die im Folgenden diskutierten theoretischen Argumente und empirisches Datenmaterial, wie diese beiden Prinzipien zu nachhaltiger Arbeit führen. Dabei werden auch Parallelen gezogen zu den Kriterien einer erfolgreichen Bewirtschaftung von Gemeingütern (Commons) und schließlich auf die Notwendigkeit von repräsentativen Studien zu Genossenschaften verwiesen, um Wissen darüber zu erlangen, wie deren Nachhaltigkeitspotenziale auch in anderen Unternehmensformen und über lokale Zusammenhänge hinaus genutzt werden können. This paper investigates the values and principles of cooperatives and relates them to the triple bottom line of sustainability: economic, social and ecological. Sustainable work is conceptualized in a similar way understanding the three dimensions as interdependent aspects of using resources responsibly. Furthermore, the mainly locally operating cooperatives are discussed as a legal form of a company. Their guiding principles such as solidarity, democratic participation and autonomy are introduced and two distinguishing features recognized: the identity principle and the purpose of self-help. Following the three dimensions of sustainability, the article discusses theoretical arguments and presents empirical data showing how these two principles lead to a realization of sustainable work. The paper also draws parallels between cooperatives' principles and managing the 'commons'. It concludes calling for representative surveys on cooperatives in order to learn more about how to apply cooperatives' principles in other companies and beyond local realities. AIS-Studien