Mathematische Modellierung und iterative Optimierung integrierter Industrie- und Energiesystemtransformation zur Ermittlung von Pfaden hin zur Klimaneutralität

Stipendiatin/Stipendiat: Célia Burghardt

Der Klimaschutz erfordert eine starke Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen bis hin zur Treibhausgasneutralität. Die Transformation des Industriesektors als weltweit größter Treibhausgasemittent spielt für dieses Ziel eine bedeutende Rolle. Hierbei ist eine isolierte Betrachtung des Industriesektors nicht sinnvoll, da aufgrund des hohen Energiebedarfs der Industrie viele Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasen eng mit einer Transformation des Energiesystems verknüpft sind.

 

Daher soll in der Doktorarbeit ein integrierter Transformationspfad der Industrie und des Energiesystems bestimmt werden, in dem Synergien genutzt und Voraussetzungen für die Treibhausgasneutralität geschaffen werden. Im Fokus der Untersuchungen liegen die Wechselwirkungen der beiden Sektoren im Zeitverlauf.

 

In der bisherigen Forschung zur Reduktion von Treibhausgasen steht vor allem die Erzeugungsseite des Energiesystems im Mittelpunkt, die in mathematischen Optimierungsmodellen von Energiesystemen untersucht werden. In diesen Modellen wird die Entwicklung des Industriesektors entweder nicht betrachtet oder anhand von Annahmen exogen als Energienachfrage vorgegeben. Auf der anderen Seite ist auch die Reduktion von Treibhausgasen im Industriesektor Bestandteil der Forschung und wird in modellbasierten Studien untersucht. Jedoch wird hier die Entwicklung des Energiesystems exogen vorgegeben. Die Wechselwirkungen zwischen der Industrietransformation und der Energiewende werden bisher nicht betrachtet. Die integrierte Untersuchung der Transformation beider Sektoren stellt daher eine Lücke in der Forschung dar.

 

Für die Untersuchung dieser Fragestellung wird im Rahmen der Doktorarbeit ein Modell auf deutscher Ebene entwickelt, in dem die Transformationen der Industrie und des Energiesystems gekoppelt mit ihren jeweiligen Interdependenzen modelliert werden. In der Wissenschaft identifizierte Optionen zur Reduktion von Treibhausgas-Emissionen in beiden Sektoren werden als Variablen der Optimierung abgebildet.  Restriktionen wie technische Parameter, die Begrenzung der Emissionen und Energiebilanzen werden als Nebenbedingungen implementiert. Ein wichtiges Merkmal des Modells ist der iterative Optimierungsansatz, durch den eine schrittweise Entwicklung des Industriesektors und des Energiesystems bis zur Klimaneutralität bestimmt wird. Dadurch können Wechselwirkungen im Zeitverlauf entlang des gesamten Transformationspfades untersucht werden.

Das Ergebnis des Modells ist ein Entwicklungspfad, in dem die verschiedenen Reduktionsmaßnahmen für beide Sektoren in einer kostenminimalen Weise kombiniert werden.

 

Der Beitrag der Doktorarbeit für die Wissenschaft liegt in methodischen Weiterentwicklungen in der Energiesystemmodellierung, durch die eine integrierte Untersuchung der Transformationspfade des Energiesystems und des Industriesektors mit allen Wechselwirkungen möglich sind. Der Beitrag für den Klimaschutz ist ein schrittweiser Transformationspfad, der offenlegt, welche Maßnahmen zu welchem Zeitpunkt umgesetzt werden müssen, um Treibhausgasneutralität mit minimalen Kosten zu erreichen. Dadurch werden Synergien und gegenseitige Abhängigkeiten in der Energiesystem- und Industrietransformation identifiziert, sowie die Bedingungen, unter denen Investitionen in bestimmte Klimaschutzmaßnahmen sinnvoll sind. Die Forschungsfrage betrifft zusätzlich zum UN-Nachhaltigkeitsziel „Maßnahmen zum Klimaschutz“ die Ziele „Nachhaltige Produktion“ und „Bezahlbare und saubere Energie".

 

Förderzeitraum:
01.09.2022 - 31.08.2025

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Nachhaltige Technische Systeme - INATECH

Betreuer:
Prof. Dr. Anke Weidlich

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://www.inatech.uni-freiburg.de/en/chairs/cig/staff-members/celia-burghardt

Publikationen: