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PublicationFuel Switching as Contribution to the Decarbonisation of the Industry SectorAnthropogenic climate change is one of the greatest challenges of this century: The consequences of global warming above 1.5°C seriously threaten our civilization. Climate scientists thus agree that the release of greenhouse gases (GHG) to the atmosphere must be reduced by about 50% until 2030 and reach net-zero until 2050. The manufacturing industry is one of the main emitters of GHG in the European Union. This is caused by its reliance on fossil fuels as energy carrier and feedstock. This thesis investigates opportunities for important industrial processes to switch to less GHG-intensive energy carriers. The analysis incorporates technical, economic and behavioural aspects of energy carrier selection. The insights gained inform a bottom-up energy system model, which is used for policy advice on national and European level. One of the main conclusions of this thesis is that vast technical potentials for fuel switching exist and that it may be a substantial pillar of early decarbonisation. The realization of these potentials however requires drastic changes to economic conditions.
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PublicationWohnungsunternehmen im Interessenkonflikt(Fraunhofer Verlag, 2020)An Wohnungsunternehmen werden vielfältige, teils widersprüchliche Erwartungen gerichtet, die durch den sozio-demografischen Wandel, Umwelt- und Klimaschutz, Wanderungsbewegungen sowie eine stärkere Profitorientierung der Eigentümer zugenommen haben. Für das Management der Unternehmen kann es eine große Herausforderung sein, mit den an sie gestellten Erwartungen angemessen umzugehen. So standen sowohl öffentliche als auch private Wohnungsanbieter mehrfach in der Kritik, die unter anderem in Privatisierungen, Forderungen nach Enteignung und neuen Mietpreisregulierungen resultierte. Die Dissertation zeigt auf, welche Erwartungen die verschiedenen Anspruchsgruppen an ein Wohnungsunternehmen stellen. Diese wurden mittels Stakeholderbefragungen erhoben und anhand von qualitativen und multivariaten Datenanalysen auf Unterschiede zwischen Gruppen sowie vorhandene Zielkonflikte untersucht. Zudem wurde ein Managementansatz entwickelt, der es Unternehmen ermöglicht, die Interessen der Anspruchsgruppen bei der Unternehmenstätigkeit besser zu berücksichtigen. Anhand eines Stufenmodells wird aufgezeigt, wie fundierte Stakeholderanalysen von Unternehmen optimal genutzt werden können.
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PublicationMaterial Flows in the Industrial System(Fraunhofer Verlag, 2020)Over the past century, global material use has increased by a factor of eight and is now mainly fueled by non-renewable sources. This is accompanied by many environmental and social issues, including the declining availability of raw materials for future generations. In order to address these issues, it is necessary to know which activities in society are the main drivers of material use and what steps could be taken towards a dematerialization of the economy without hampering its performance. In this thesis, model-based analyses are conducted for the case of Germany to determine its overall material demand in the recent past and the underlying drivers of this demand. Subsequently, prospective simulations are run in order to assess the potential impacts of hypothetical material efficiency measures on Germany's material demand and its economy, as well as on the development of material fixated in anthropogenic stocks. The analyses show that while trade-offs within and between individual efficiency measures have to be taken into account, they can be a major contributor to making Germany's and other economies more sustainable.
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PublicationDie Dritte Mission von Hochschulen in DeutschlandDas deutsche Hochschulsystem hat sich in den letzten Jahren aufgrund von Finanzierungsdruck, gestiegenen Studierendenzahlen und erhöhter gesellschaftlicher Anforderungen massiv verändert. Neben den Kernbereichen Lehre und Forschung haben zusätzliche Aktivitäten wie Wissens- und Technologietransfer, Weiterbildung oder gesellschaftliches Engagement den Handlungsspielraum von Hochschulen erweitert. Diese Aktivitäten, die gemeinhin als Dritte Mission bezeichnet werden, sollen den Impact von Wissenschaft stärken und die Rolle von Hochschulen als verantwortungsvolle gesellschaftliche Akteure verdeutlichen. Diese Arbeit untersucht den aktuellen Umgang der Hochschulen mit diesem Aufgabenbereich. Im Rahmen eines mehrstufigen Prozesses wird die Rolle der Dritten Mission in der staatlichen Hochschulgovernance und der internen Hochschulsteuerung analysiert und dabei der Gesellschaftsauftrag von Hochschulen herausgearbeitet.
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PublicationEnergy dependency, the potential supply of renewable energies and the political responses in Turkey in the decades since the oil-crisis( 2020)The transition to post-fossil future and widespread utilization of renewable energy technologies have become inevitable across the globe, not only due to limited amount of fossil energy sources, but also the impacts of human-dominated activities on the planet Earth. Turkey, is one of the countries, having scant amount of fossil energy, but rich in various renewable sources with the sufficient capacity to contribute Turkey's primary energy goals; such as diminishing energy dependency, increasing supply security and diversification of energy sources. Nevertheless, the country is still highly dependent on natural gas and crude-oil imports to meet its growing energy hunger as a result of economic and demographic expansion as well as the insufficient implementation of the energy efficiency technologies. The rising energy imports and therewith the current account deficit put a big burden on country's vulnerable economy. Turkish government plans to raise the share of renewable energy sources in electricity production to at least 30% by 2023. The calculations show that geothermal power and biomass-based energy production will achieve the 2023 targets, while solar energy installations remain insufficient in number. Wind- and hydropower with their high potential and adequate number of proposed facilities will contribute to the total electricity generation in considerable amount. The public awareness and social acceptance of utilization renewable energy plants have positive impacts to the gradual development of these plants.
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PublicationRegionale Verteilungswirkung der Energiewende( 2020)Die Treibhausgase müssen weltweit reduziert werden, um den Klimawandel zu begrenzen. Hierfür sind auch in Deutschland weitreichende Änderungen sowohl bei der Bereitstellung als auch beim Verbrauch von Energie nötig. Der mit der Energiewende einhergehende strukturelle Wandel verändert die Verteilung von Wertschöpfung und Einkommen auf Wirtschaftsbereiche, Regionen und Haushalte. Ziel dieser Arbeit ist es die mögliche zukünftige Wirkung der Energiewende auf Beschäftigung und Wertschöpfung und deren Verteilung auf Regionen und Wirtschaftsbereiche abzuschätzen. Hierfür wird ein Modell zur ökonomischen Folgenabschätzung mit einer Schnittstelle zu bestehenden Energiemodellen entwickelt. Das Modell enthält eine detaillierte Darstellung der deutschen Wirtschaft einschließlich der regionalen Wirtschaftsstrukturen und verknüpft diese mit wirtschaftlichen Aktivitäten, die sich aus dem Verbrauch und der Versorgung mit Energie ergeben. Um die Auswirkungen auf Wertschöpfung und Beschäftigung zu ermitteln, wird ein Energiewendeszenario mit einem Referenzszenario verglichen, das die Status-quo-Entwicklung des Energiesystems beschreibt. Das Energiewendeszenario ist so ausgestaltet, dass zentrale politische Ziele in Bezug auf Energieeffizienz, erneuerbare Energien und Treibhausgaseinsparungen erreicht werden. Die Impulse des Szenarios beziehen sich auf Strom, Wärme und Verkehr. Die Ergebnisse zeigen eine leicht positive gesamtwirtschaftliche Wirkung der Energiewende. Haupttreiber sind hierbei zusätzliche Investitionen insbesondere im Gebäudebereich, darüber hinaus wirkt sich auch die Substitution importierter fossiler Energieträger durch heimisch erzeugte Erneuerbare Energie positiv aus. Hinsichtlich der Verteilung auf die Wirtschaftsbereiche gibt es positive und negative Effekte: Während der Kohleabbau stark negativ betroffen ist, wirkt sich die Energiewende insbesondere auf Elektrizitätsversorgung, Baugewerbe und Grundstücks- und Wohnungswesen positiv aus. Alle Bundesländer verzeichnen positive Effekte auf Wertschöpfung und Beschäftigung durch die Energiewende. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem die weniger produktiven Volkswirtschaften der nord- und ostdeutschen Bundesländer überdurchschnittlich profitieren, während die produktiveren westlichen und südlichen Bundesländer eine unterdurchschnittliche Zunahme verzeichnen. Die Transformation im Stromsektor führt zur größten Bandbreite an Effekten auf die regionale Wertschöpfung und Beschäftigung und trägt so wesentlich zur Verteilung der Gesamteffekte bei. Die Effekte der Veränderungen im Wärme- und Verkehrssektor sind hingegen gleichmäßiger verteilt und tragen wesentlich zum positiven gesamtwirtschaftlichen Niveau bei. Für zwei exemplarisch gewählte Bundesländer werden die Wertschöpfungseffekte detailliert ausgewertet. Diese Bundesländer unterscheiden sich zum einen hinsichtlich ihrer Stromerzeugung, was zu abweichenden direkt regional zugewiesenen Effekten durch die Energiewende führt. Zum anderen weichen sie in mehreren Aspekten, die relevant für ihren Anteil an der nationalen Wertschöpfung sind, von einander ab, zum Beispiel in Bezug auf ihre Einwohnerzahl und ihre Wirtschaftsstruktur. Der Vergleich ermöglicht ein präziseres Verständnis für die regionalen Verteilungseffekte. Insgesamt deuten die Modellergebnisse darauf hin, dass die Energiewende keine negativen gesamtwirtschaftlichen Wirkungen mit sich bringt. Negative Wirkungen in wenigen Wirtschaftsbereichen werden von positiven Wirkungen in anderen Wirtschaftsbereichen ausgeglichen. Darüber hinaus kann die Energiewende zur Konvergenz der Regionen beitragen, ohne dass auch nur in einer Region die negativen Wirkungen dominieren. Die Handlungsempfehlungen am Schluss der Arbeit machen deutlich, dass es wichtig ist, den Strukturwandel aktiv anzugehen, um die aufgezeigten Chancen nutzen und mögliche Risiken reduzieren zu können.
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PublicationModeling a potential hydrogen refueling station network for fuel cell heavy-duty vehicles in Germany in 2050(KIT, 2020)Schwerlastverkehr ist für rund acht Prozent der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Zu deren Reduzierung ist der Einsatz von Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeugen, welche Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen verwenden, eine mögliche Lösung. Eine massive Verbreitung von Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeugen würde jedoch ein neues Wasserstoff-Tankstationsnetz erfordern und den Stromsektor beeinflussen. Diese Dissertation zielt auf die Bewertung eines potenziellen Wasserstoff-Tankstationsnetzes für Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeuge in Deutschland im Jahr 2050 ab. Für die Entwicklung alternativer Tankstationsnetze für Schwerlastfahrzeuge wird ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher erforderliche Eingangsdaten generiert und ein neues Optimierungsmodell entwickelt. Die für diese Dissertation gesammelten Fahrzeug- und Infrastrukturnutzeranforderungen ermöglichen es, relevante Rahmenparameter wie Fahrzeugeffizienz, Reichweite und Tankstationsauslegung zu bestimmen. Weiterhin wird eine Analyse von mehreren tausend Schwerlastkilometern erstellt, um aktuelle Verkehrsnachfragen und -ströme zu verstehen. Anschließend ermöglicht ein Flow-Refueling-Location-Modell, erweitert um eine Standortkapazitätsbegrenzung, die Ableitung eines potentiellen Wasserstoff-Tankstationsnetzes mit den wenigsten Stationen zur Versorgung des Verkehrs. Eine Verknüpfung mit einem Open-Source-Strommodell erlaubt es, den Flexibilitätswert einer dezentralen Wasserstofferzeugung über flexibel einsetzbare Elektrolyseure für das Tankstationsnetz zu bewerten. Dass Wasserstofftankstationen für schwerlastfahrzeuge hinsichtlich ihrer Größe sehr unterschiedlich im Vergleich zu Pkw-Stationen sind, zeigen die Ergebnisse. Die Netzwerkmodellierung resultiert in einem Wasserstofftankstationsnetz von rund 140 Stationen, welches den gesamten Schwerlastverkehr bei einer täglichen Bedarfsobergrenze von 30 Tonnen Wasserstoff pro Standort abdeckt. Dieses potenzielle Stationsnetz würde im Jahr 2050 jährliche Kosten von rund neun Milliarden Euro pro Jahr verursachen, einschließlich Betriebs- und Kapitalkosten für Stationen, Elektrolyseure und Strom. Die Kopplung dieses Tankstationsnetzes mit dem Stromnetz könnte durch eine erhöhte Flexibilität der Wasserstofferzeugung für das Stationsnetz rund eine Milliarde Euro an den genannten Ausgaben reduzieren, ebenso wie der Bau und Betrieb eines Pipelinenetzes mit zentraler Wasserstofferzeugung anstelle dezentraler Erzeugung. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis einer großen Schwerlastfahrzeug-Wasserstofftankinfrastruktur und deren Flexibilitätswert bei der Wasserstofferzeugung durch Kopplung mit dem Stromsektor bei.
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PublicationEnergy efficiency and demand flexibility in companies(Fraunhofer Verlag, 2019)Energy efficiency and demand flexibility are two key strategies to meet the challenges posed by the energy transition. The companies' high share of total energy consumption suggests that these can make a contribution, but their potentials are still far from being exhausted. This study focuses on how companies can contribute to the energy transition by improving energy efficiency or via flexibility of demand and also involves the synergies between the two. Using an interdisciplinary approach, the analytical dimensions of organisational, technical, behavioural, economic and external factors are taken into account to identify target groups, success factors and potentials of energy efficiency and demand response. Among the key achievements is a detailed estimation of demand response potentials in the service sector on the level of subsectors and appliances. The combination of different methodologies allows for the assessment of the deployable flexibility and the improvement of a modelling approach with empirical survey data on the companies' willingness to participate in demand response. The thesis has resulted in a comprehensive set of influencing factors for demand flexibility, comparable to existing typologies for barriers to energy efficiency. An analysis of established energy efficiency policies showed possibilities for transferring these to demand response and may thus lead to synergies of the two.
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PublicationBehavioral Transitions to Social Sustainability in Global Production NetworksGlobal production networks (GPNs) in developing countries are often characterized by precarious working conditions, including issues of health and occupational safety, low wages, extensive overtime and the use of child and forced labor. Using case studies from the smartphone and garment sectors, this dissertation explores whether and to what degree a behavioral transition towards greater social sustainability has been taking place in these industries among both consumers and producers since 1990. To this end, the heterodox and heuristic Model of Behavioral Transitions to Sustainability is developed and implemented using a mixed-method approach of a quantitative media coverage analysis, a qualitative systematic process analysis of relevant historical events and expert interviews based upon behavioral models for both consumers and producers. The results include key drivers and obstacles for the transition in each industry as well as insights on causal relationships and interactions between various stakeholders that have characterized the developments in each sector through the year 2016.
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PublicationSelf-consumption of solar electricity - Modelling profitability and market diffusion of photovoltaics and battery systems in the residental sector(Fraunhofer Verlag, 2019)The transformation of the energy system includes increasingly active market participation by formerly passive consumers via the installation of photovoltaic (PV) systems for decentralized production and on-site consumption of electricity, so-called self-consumption. For a holistic understanding of the market diffusion of PV + battery systems for self-consumption a technology diffusion model is developed that considers economic, behavioural and technological market drivers. Technical restrictions of PV production and flexible electricity consumption as well as sociological data on consumer behaviour and preferences are included. Using 415 real-world household electricity consumption profiles, as well as electric vehicle charging and heat pump operation profiles to determine the system configuration that will optimize individual profitability, the developed method allows to attain a profound knowledge on the preconditions for market formation and development, and to assess the potential of PV self-consumption.
