Energie- und Rohstoffwirtschaft Zusammenfassung

Natürliche Ressourcen

Bestandteile oder Funktionen der Natur, die einen ökonomischen Nutzen haben.

Zu den natürlichen Ressourcen zählt man Rohstoffe, Umweltmedien wie Luft oder Wasser, Fläche, strömende Ressourcen wie Erdwärme oder Wind- und Sonnenenergie, sowie Biodiversität einschließlich genetischer Vielfalt.

Rohstoffe

Natürliche Ressourcen, die ihrer natürlichen Quelle entnommen werden und als Betriebsstoffe für weitere Verarbeitungsstufen (Wertschöpfung) oder direkt konsumiert werden.

Einteilung der Rohstoffe erfolgt nach Ursprung, Stoffeigenschaft und Verwendung: Energierohstoff, metallischer / mineralischer Rohstoff, nachwachsender Rohstoff

Energiewirtschaft

der Teil der Wirtschaft, der sich dem Einsatz von Mitteln zur Deckung des Energiebedarfes widmet und umfasst die Bereiche der Energiegewinnung, Energieumwandlung, Energieverteilung und Energieanwendung

Rohstoffwirtschaft

Beschreibung, Erklärung, Prognose und Gestaltung wirtschaftlicher Zusammenhänge und Entwicklungen auf dem Rohstoffsektor.

Rohstoffwirtschaft erstreckt sich von der Suche über die Gewinnung bis zur Verarbeitung der Rohstoffe und hat volks- und betriebswirtschaftliche Bezüge.

Im Rahmen der betrieblichen Funktionen Beschaffung und Absatz werden die Beziehungen zwischen Rohstoffproduzent und Rohstoffverwender bzw. verbraucher und evtl. nötigen Institutionen (z.B. Börsen) behandelt.

Primärenergie

In der Natur vorkommende Energieformen wie fossile Energieträger, Kernbrennstoffe oder regenerative Energien vor der Umwandlung.

Nutzenergie

ist die Energie, die nach der letzten Umsetzung in den Geräten des Endverbrauchers zur Verfügung steht.

Wirkungsgrad ($\eta$)

$$\eta = \frac{\text{Nutzen}}{\text{Aufwand}}$$

Ein Maß für die Güte einer Energieumwandlung

Exergie

Anergie

Der Anteil an Energie, der Arbeit leisten kann.

Der Anteil der Energie, der nicht genutzt werden kann.

Primärrohstoff

Sekundärrohstoff

Natürliche Ressourcen, die noch keiner Bearbeitung unterlagen.

Rohstoffe, die durch Wiederverwertung (Recycling) gewonnen werden.

Reserven

Ressourcen

Statische Reichweite

Bekannte Vorkommen, die mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbar sind.

Nachgewiesene, aber derzeit nicht wirtschaftlich gewinnbare oder noch nicht nachgewiesene, aber geologisch mögliche Mengen an Rohstoffen.

Das Verhältnis der Reserven zum Verbrauch des Vorjahres.

KRITIKALITÄT VON ROHSTOFFEN Quantifizierungsmethoden:

• Kritikalitätsmatrix

• Risikoindikator-Aggregation

• Zeitreihen- und Szenario-Analysen

Typische Wirkungsgrade

• Wasserkraftwerk

• Dampfturbine

• Wärmeubertrager

• GuD-Kraftwerk: Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

• Kohlekraftwerk:

• Windkraftanlage:

• Solarzelle:

• Geothermiekraftwerk:

• Wasserkraftwerk: 80%

• Dampfturbine: 90%

• Wärmeubertrager: 80%

• GuD-Kraftwerk: 60% Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

• Kohlekraftwerk: 45%

• Windkraftanlage: 45%

• Solarzelle: 19%

• Geothermiekraftwerk: 10%

LCA (Life Cycle Assessment)

Umweltmanagement-Methode zur Analyse der Umweltauswirkungen eines Produkts über dessen gesamten Lebenszyklus

4 Phasen der LCA

1. Ziel- und Untersuchungsrahmen: Beschreibung Produktsystem, Bilanzgrenzen, funktionale Einheiten

2. Sachbilanz: Modellierung aller Prozessschritte mit Input- und Outputströmen (Energie, Material, Emissionen)

3. Wirkungsschätzung: Übertragung der Umweltemissionen und Ressourcenverbräuche in Wirkungskategorien

Midpoint-Indikatoren (naturwissenschaftlich messbare Effekte) und Endpoint-Indikatoren (Auswirkungen auf die eigentlichen Schutzgüter, meist aus mehreren Midpoints aggregiert).

4. Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

4 Lebenszyklusstadien

Raw Material Extraction / Rohstoffgewinnung → Manufacturing / Herstellung → Use/Nutzungsphase → Disposal/Recycling / Entsorgung bzw. Verwertung

• Transport + Transport + Transport + Transport

Midpoint-Indikatoren

Endpoint-Indikatoren

Midpoint-Indikatoren geben eine Aussage über die Umweltauswirkungen von naturwissenschaftlich beschreibbaren Effekten.

Diese Effekte stellen jedoch nur einen Indikator der zu schützenden Bereiche dar.

Beispiel: Lärm, Klimaänderung, Versauerung, etc

Endpoint-Indikatoren geben eine Aussage über die Umweltauswirkungen in den zu schützenden Bereichen.

basieren meist auf mehreren Midpoint-Indikatoren

Beispiel: menschliche Gesundheit, natürliche Umwelt, natürliche Ressourcen, etc.

Mid- und Endpoint Indikatoren dienen der Wirkungsabschätzung von Umweltauswirkungen.

Eine Aktivität (z.B. eine Emission) führt zu wissenschaftlich beschreibbaren Effekten (Midpoint- Indikatoren)

Eine Aktivität kann verschiedene Auswirkungen bzw. Midpoint Indikatoren betreffen, welche zu Midpoints zusammen gefasst werden können.

Jede Auswirkung/ Jeder Midpoint kann zu einem Endpoint führen, welcher die Auswirkungen der betrachteten Aktivität auf die Schutzgüter aufzeigt.

Treibhauseffekt

Speicherung warmer Strahlung in der Erdatmosphäre führt zur Erhitzung der Erdoberfläche.

Stratosphärischer Ozonabbau (Ozonloch)

Abbau der Ozonschicht durch halogene Gase (z.B.. FCKW) hat Zunahme der für Haut und Augen schädlichen UV-Strahlung (Hautkrebs, Grauer Star) zur Folge.

Photochemische Oxidantienbildung (Sommersmog)

Beeinträchtigung und Schädigung von Atmungsorganen, Pflanzen und Tieren durch Bildung bodennahen Ozons.

Eutrophierung

Anreicherung von Nährstoffen und resultierende Überdüngung von Böden oder Gewässern stört biologisches Gleichgewicht.

Versauerung

Ökosysteme verlieren die Fähigkeit, Säuren zu neutralisieren

Abfall des pH-Werts beeinträchtigt Wachstum und Fortpflanzung von Pflanzen und Tieren.

Degradierung der natürlichen Ressourcen

 Erschöpfung fossiler und mineralischer Rohstoffe und Energieträger.

 Direkte/indirekte Landnutzungsänderungen, die zu Umweltauswirkungen führen, wie z.B. Freisetzung von Kohlenstoffemissionen, Verringerung biologischer Vielfalt…

CO 2 Fußabdruck nach dem „Greenhouse Gas Protocol“

Scope 1: Direkte Emissionen in den Prozessen des Unternehmens / bei der Herstellung des Produktes

Scope 2: Indirekte Emissionen durch die Energiebereitstellung (Strom, Wärme)

Scope 3: Emissionen in der Wertschöpfungskette (z.B. für die Bereitstellung von Rohstoffen und Zwischenprodukten)

Critical Raw Materials Act (CRMA)

EU-Gesetz zur Sicherstellung einer resilienten Versorgung mit kritischen und strategischen Rohstoffen und Reduktion von Abhängigkeiten.

Ziele des CRMA:

 Sicherstellung einer resilienten und nachhaltigen Versorgung mit kritischen und strategischen Rohstoffen.

 Unterstützung der grünen und digitalen Transformation, v. a. in Schlüsselbereichen wie Batterien, Windkraft, Wasserstoff, Chips und Rüstung.

 Reduktion der Abhängigkeit von Drittstaaten (insbesondere China).

Kernelemente des EU Critical Raw Materials Act

 Definition strategischer Rohstoffe: Neue Untergruppe innerhalb der kritischen Rohstoffe – besonders relevant für Zukunftstechnologien.

EU-Benchmark-Ziele bis 2030:

 10 % der strategischen Rohstoffe aus heimischem Abbau,

 40 % der Verarbeitung innerhalb der EU,

 15 % des Bedarfs aus Recycling.

 "Strategic Projects": Schnellere Genehmigungsverfahren für wichtige Rohstoffprojekte in der EU.

 Monitoring & Frühwarnsysteme: Überwachung von Versorgungsketten zur frühzeitigen Risikoerkennung.

 Rohstoffpartnerschaften: Ausbau internationaler Kooperationen für nachhaltige und faire Rohstoffversorgung: Afrika (Namibia, Kongo, Sambia, Rwanda), Lateinamerika (Chile, Argentinien, Brasilien), Australien, Kanada

Klimapolitische Instrumente

Ökonomische Instrumente:

Mengensteuerung - Emissionshandelssystem

Preissteuerung - CO2-Abgaben, CO2-basierte Energiesteuerreform, Subventionen

Ordnungsrechtliche Instrumente:

Gebote und Verbote - Inlandsflug-Verbot

Standarts - CO2-Grenzwerte, Energieeinsparverordnung

Informationspolitik

ROHSTOFFPOLITIK - INSTRUMENTE

ORDNUNGSPOLITISCHE INSTRUMENTE (direkte staatliche Eingriffe)

├─ Entnahmerecht, Nutzungsrechte

├─ Lizensierungsstrategien

├─ Lagerstättenschutz und Raumplanung

├─ Genehmigungsrecht, Umweltrecht

└─ Regulierung der Märkte, Preiskontrolle, Subventionen

ÖKONOMISCHE ANREIZE (Mengen- und Preissteuerung)

├─ Produktionsquoten

├─ Abbausteuer (Mengensteuer / Wertsteuer)

├─ Gewinnsteuer, Besteuerung von Zinseinkommen

├─ Verbrauchssteuer

├─ Export-/Importsteuer

└─ Forschungsförderung

Energiebesteuerung

Ziel: Beeinflussung der Konsumenten durch Energiepreise

Energiesteuergesetz (EnergieStG)

 Regelung der Besteuerung fossiler und nachwachsender Energieträger

Stromsteuergesetz (StromStG)

 Regelung der Besteuerung von elektrischem Strom

 Fällt bei Stromerzeuger und bei selbst entnommenen Strom von Eigenerzeugern an

„Ökosteuer“

 Gesetz zum Einstieg in die ökologische Steuerreform

 Mehrere Maßnahmen, u.a. Einführung der Stromsteuer, Aufschlag auf und Staffelung der damalige Mineralölsteuer

Emissionshandelsrichtlinie (Emissions Trading System (ETS))

Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz (DE)

Emissionshandel (ETS) - Ein marktwirtschaftliches Instrument („Cap and Trade"), bei dem eine Obergrenze für CO2-Emissionen festgelegt wird und Zertifikate gehandelt werden.

"Cap and Trade" Prinzip:

1. CAP: Gesamtmenge an Emissionen begrenzen

2. TRADE: Zertifikate handelbar

Betroffene Industrien (~50% EU-Emissionen):

• Stromerzeugung (≥20 MW)

• Stahl-/Eisen-Verhüttung

• Raffinerien

• Zement-, Kalk-, Glas-, Keramik-Produktion

• Papier-/Zelluloseproduktion

• Chemische Industrie

• Luftfahrt (seit 2012)

Funktionsweise: Unternehmen müssen 1 Zertifikat pro Tonne CO2 halten → Können Zertifikate kaufen/verkaufen

Legierung

Ein Stoff, der aus der Verbindung mehrerer Metalle entsteht, wie z. B. Messing (Kupfer und Zink).

Erze

metallhaltige Gesteine und Mineralgemenge, aus welchen mit technischen Methoden und mit wirtschaftlichem Nutzen Metalle oder deren Verbindungen gewonnen werden können

Cutoff grade

Der Metallgehalt im Erz, ab dem ein Abbau wirtschaftlich gerade noch sinnvoll ist.

Industrieminerale – chemische Rohstoffe

jene industriell verwendeten festen anorganischen Stoffe (Ionenverbindungen/Kristalle/Salze), die nicht der Herstellung eines Metalls dienen und welche im wesentlichen monomineralisch sind

Naphta 75% der organischen Chemie in DE

Leichtbenzin, das als Ausgangspunkt für die Herstellung von Basischemikalien in einem Steamcracker dient.

Prinzip der Erdölraffination

Erdölraffination basiert auf der physikalischen Trennung des Rohöls in verschiedene Fraktionen durch Destillation/Rektifikation.

1. Destillation - Trennung von Stoffgemischen aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte.

• Ein Stoffgemisch (Rohöl) wird erhitzt, bis bestimmte Bestandteile verdampfen. Dieser Dampf wird anschließend durch Abkühlung wieder kondensiert und so vom restlichen Gemisch getrennt.

2. Rektifikation - Vielstufige Trennung im Gegenstrom von Dampf und Flüssigkeit

• In einer Rektifikationskolonne steigen die Dämpfe nach oben, während ein Teil der bereits kondensierten Flüssigkeit wieder herabfließt. Durch den intensiven Kontakt zwischen dem aufsteigenden Dampf und der herabsinkenden Flüssigkeit auf den verschiedenen Böden der Kolonne erfolgt ein ständiger Stoff- und Wärmeaustausch.

Naphta (Leichtbenzin) als Ausgangspunkt für die Herstellung von Basischemikalien im Steamcracker

Naphtha ist ein Produkt der Rohöldestillation (Primärdestillation), bei der Kohlenwasserstoffe nach ihrem Siedeverhalten getrennt werden (Siedebereich ca. 20–75 °C)

Der Steamcracker spaltet die langkettigen Kohlenwasserstoffe des Naphthas in kurzkettige, chemisch reaktive Moleküle auf.

• Verfahren: Es handelt sich um eine thermische Pyrolyse, bei der Naphtha zusammen mit Wasserdampf kurzzeitig extrem stark erhitzt wird.

• Prozessbedingungen: Die Temperaturen liegen zwischen 800 °C und 900 °C bei einer sehr kurzen Verweilzeit von nur 0,1 bis 0,5 Sekunden.

• Trennung: Nach der Erhitzung erfolgt eine schnelle Abkühlung und anschließend die Trennung des Stoffgemisches in verschiedene Fraktionen durch Destillationskolonnen.

Gewonnene Basischemikalien

• Ethen (Ethylen) - Polyethylen (PE) für Frischhaltefolien oder Rohre.

• Propen (Propylen) - Polypropylen (PP) oder Acrylsäure (z. B. für Windeln).

• Pyrolysebenzin (enthält Aromaten wie Benzol, Toluol) - Styrol/Polystyrol oder Dämmstoffe.

• C4​-Olefine (z. B. Butadien für die Reifenherstellung), synthetischer Kautschuk

• Methan (wird oft als Heizgas im Prozess selbst genutzt).

• Wasserstoff
  

Diese Basischemikalien dienen als Ausgangspunkt für komplexe petrochemische Wertschöpfungsketten:

• Spezialprodukte: Nylon (Polyamide), PET-Flaschen (aus Paraxylol) sowie diverse Alkohole und Lösungsmittel

Rohstoffbasis der organischen Chemie

Naphta 75%

NachWach Rohstoffe 13%

Erdgas 11%

Einsatz von Erdgas in der chemischen Industrie

Ammoniak; 50% - Wasserstoff, Synthesegas, Düngemittel

Raffinerie; 22% - Entschwefelungsverfahren

Reduktionsverfahren; 7%

Synthesegas-Chemie

Als Synthesegase bezeichnet man Gase, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten und für diverse chemische Synthesen verwendet werden können

Klassische Syntheserouten

Aktueller Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen

• Pflanzliche Öle und tierische Fette: Tenside (Waschmittel), Schmierstoffe, Kosmetik, Oleochemie

• Chemiezellstoff (aus Holz) → Basis für Zellstoffchemie (z. B. Viskose, Cellulosederivate)

• Stärke und Zucker → Fermentationsrohstoffe (z. B. Bioethanol-Vorstufen, Milchsäure, Bio-Kunststoffe wie PLA) sowie Bindemittel/Füllstoffe

• Naturkautschuk/Glyzerin → Kautschukindustrie bzw. Glyzerin als Kuppelprodukt der Biodieselherstellung

Konversion von Biomasse

1. Thermo-chemische Konversion
Biomasse wird unter Hitzeeinwirkung (mit/ohne Sauerstoff) zersetzt:

• Pyrolyse (Erhitzung unter Sauerstoffausschluss) → Pyrolyseöl

• Vergasung (partielle Oxidation) → Synthesegas, (H₂+CO)

2. Biochemische Konversion
Mikroorganismen/Enzyme wandeln Biomasse biologisch um:

• Gärung (anaerober Abbau, z. B. in Biogasanlagen) → Biogas (v.a. Methan)

• Fermentation (Zucker → Alkohol durch Hefen) → Ethanol

3. Physikalisch-chemische Konversion
Rein mechanische/chemische Trennverfahren, keine Strukturveränderung des Moleküls:

• Pressung/Extraktion von Ölsaaten (Raps, Soja) → Pflanzenöl

• Übrig bleibt Restmasse (z. B. Presskuchen, nutzbar als Futtermittel oder energetisch)

Kraftstoffe, Chemikalien, Strom, Wärme

Klassifizierung von Biopolymeren

Zwei unabhängige Klassifizierungskriterien:

1. Rohstoffbasis: nachwachsend vs. petrochemisch

2. Abbaubarkeit: abbaubar vs. nicht abbaubar

Wichtig: Beide Kriterien sind unabhängig voneinander – „biobasiert" ≠ „bioabbaubar"!

	abbaubar	nicht abbaubar
nachwachsende Rohstoffe	PLA -Polymilchsäure	Bio-PE - Biomassebasiertes Polyethylen
petrochemische Rohstoffe	PBAT, PCL	konventionelle Kunststoffe, z. B. PE, PP, PVC - Polyvinylchlorid

Ein biobasierter Kunststoff kann trotzdem nicht abbaubar sein (Bio-PE = chemisch identisch mit fossilem PE), und ein abbaubarer Kunststoff kann trotzdem aus Erdöl stammen (PBAT).

Kohlenstoffkreisläufe als Basis für eine nachhaltige Chemie

Kohlenstoff möglichst im Kreislauf gehalten werden kann, statt ihn als CO₂ zu emittieren.

Rückführungswege:

• Produkte (Nutzungsphase)

• Chemie-Produktion (Herstellung)

Die Kreisläufe im Einzelnen

1. Direkte Wiederverwendung
Produkte → Abfall → Wiederverwendung → zurück zu Produkte
(kürzester Kreislauf, kein Rohstoffeinsatz nötig)

2. Werkstoffliche Verwertung (klassisches Recycling)
Abfall → Sortierung → Werkstoffliche Verwertung → Werkstoffe → zurück zur Chemie-Produktion
(z. B. Kunststoff einschmelzen und neu verarbeiten)

3. Rohstoffliche Verwertung (chemisches Recycling)
Abfall → chemische Zerlegung → Rohstoffliche Verwertung* → chemische Grundstoffe → zurück zur Chemie-Produktion

*Depolymerisation, Cracken, Pyrolyse, Vergasung; auch Einsatz als Reduktionsmittel im Hochofen (Stahlerzeugung)

4. Energetische Verwertung (wenn Recycling nicht möglich)
Abfall → Verbrennung → Energie + CO₂

• Energie → Energetische Verwertung → Wärme, Strom → Nutzung

• CO₂ muss separat behandelt werden

5. Stoffliche CO₂-Nutzung (CCU – Carbon Capture and Utilization)
CO₂ → Abscheidung → Stoffliche CO₂-Nutzung → CO₂ als Rohstoff → zurück zur Chemie-Produktion
(CO₂ wird technisch abgeschieden und direkt als Chemierohstoff eingesetzt)

6. Bioökonomie (natürlicher Kreislauf via Photosynthese)
CO₂ → Photosynthese → Bioökonomie → Biomasse als Rohstoff → zurück zur Chemie-Produktion
(Pflanzen binden CO₂ natürlich, die Biomasse wird dann stofflich genutzt – Anschluss an die vorherigen Folien zu Biomassekonversion/Biopolymeren!)

Zwei begleitende Stellhebel

• Design (bei Produkte): Recyclingfähigkeit muss bereits beim Produktdesign mitgedacht werden

• Ressourcenschonung bei der Nutzung (Produkte) und Ressourceneffizienz in der Produktion (Chemie-Produktion) als übergeordnete Prinzipien

° API

Maß für die Öldichte, 10° API entspricht Dichte von Wasser

Märkte für Brent Futures

OTC-Märkte für Brent (bilateraler Handel, Forward-Kontrakte):

• 21-day-Brent: der klassische physische Kassahandel für Brent-Ladungen mit Lieferung 21 Tage im Voraus

• Dated Brent: Kontrakte mit konkretem, feststehendem Lieferdatum (näher am Liefertermin als 21-day-Brent)

• Brent Swaps: rein finanzielle Kontrakte zur Absicherung von Preisdifferenzen zwischen den Zeitpunkten

Börsenhandel (ICE London):

• Brent Futures: standardisierte, börslich gehandelte Terminkontrakte

• Brent Options: Optionen auf die Futures

1. Die berichteten OTC-Marktpreise (v. a. Dated Brent) fließen als Grundlage in die Berechnung des Brent Futures Index ein.

2. Trotzdem dominieren die Futures-Märkte die OTC-Märkte, weil sie aufgrund höherer Liquidität und Transparenz eine höhere Informationseffizienz aufweisen – Preisänderungen schlagen sich zuerst im Futures-Markt nieder und wirken von dort auf die OTC-Preise zurück.

Transportausgaben für verschiedene Energieträger

Erdöl, Erdgas, Kohle: Entstehung und Zusammensetzung

Öl und Gas bestehen aus den Überbleibseln prähistorischer Land- und Meerestiere sowie Pflanzen (Organismen, Biomasse), die über Millionen von Jahren durch das Gewicht der Gesteinsschichten über ihnen zusammengepresst und eingeschlossen wurden.

 Zersetzung und Bildung von Kohlenwasserstoffen durch Einfluss von Bakterien, Geothermie (Wärme) und Druck.

 Einschluss unter Ton- und Gesteinschichten

Kohle ist aus Pflanzen entstanden, die abgelagert wurden z.B. in frühzeitlichen Mooren, die nach einer Absenkung überdeckt und damit unter Ausschluss von Sauerstoff Druck und Temperatur ausgesetzt wurden (Inkohlungsprozess)

 Unterscheidung zwischen Stein- (Hartkohle) und Braunkohle

 Braunkohle ist jünger, hat höheren Wassergehalt und niedrigeren Heizwert

Erdöl

 Gemisch aus Kohlenwasserstoffen verschiedenster Zusammensetzung, Schwefel und anderen Elementen

 Traditionelles Maß: Barrel, ca. 159l

(Ökonomisch) wichtigste chemische Eigenschaften

 Dichte (gemessen in Industriestandard API – American Petroleum Institute), 10° API := Wasser

 Schwefelgehalt

 Heizwert

Konsequenzen für Weiterverarbeitung / Produktgewinnung, Transportkosten sowie Umweltwirkungen

 Erdöl in natürlicher Form i.d.R. nicht in Produktionsprozessen einsetzbar

Charakterisierung von Erdölsorten nach Schwefelgehalt

 Süßes Erdöl: Schwefelgehalt < 0,5 %

 Saures Erdöl: Schwefelgehalt >= 0,5 %

 Leichte Erdölsorten sind tendenziell eher süß, Schwere Erdölsorten sind tendenziell eher sauer

 Leichte und süße Sorten werden ökonomisch tendenziell besser bewertet als schwere und saure

Erdöllagerstätten

Konventionell

 Konventionelles Mineralöl (Kohlenwasserstoffverbindungen, die bei Umgebungstemperatur flüssig oder halbflüssig lagern)

Nicht-konventionell

 Besonders schwere Erdölsorten, sehr zähflüssige Rohöle, Ölsande, Ölschiefer, Bitumenvorkommen

Nicht-konventionelles Erdöl

Ölsande

 Sande bzw. Sandsteine die hochviskose Kohlenwasserstoffe enthalten

 Durchschnittlich 12 Gew.-% Bitumen

Schwer(st)öl

 Hochviskose Öle

 Zur Förderung thermische Behandlung notwendig

Ölschiefer

 Gesteine mit hohem Anteil noch nicht voll zu Erdöl umgewandelten Materials

 Erhitzung in Retortenöfen – synthetisches Rohöl

Handel mit Erdöl

 Handel benötigt ein eindeutig definiertes Gut, während Erdöl heterogen ist.

 Ca. 190 verschiedene Erdölsorten

 Preis wird im Wesentlichen durch relative Dichte, Schwefelgehalt, Säuregehalt (Total Acid Number TAN) bestimmt

 Nicht für jede Erdölsorte gibt es einen funktionierenden Markt

 10 Sorten haben ca. 1/3 weltweiten Marktanteils

 Für die meisten Sorten kein ausreichendes Fördervolumen für liquiden physischen Handel

Peak-Oil-Theorie

Theorie über das Ölfördermaximum, ab dem die weltweite Förderung aus technischen Gründen nicht weiter ausgedehnt werden kann (unausweichliche technische Angebotsrestriktion).

Prognose des Zeitpunktes der maximalen weltweiten Förderung aus konventionellen Lagerstätten.

 Annahme: Erreichung der maximale Produktionsmenge, wenn die Hälfte der vorhandenen Lagerstätten ausgebeutet worden ist.

Erdgassorten

Bestandteile: Methan (70-95 % CH4) sowie Kohlen- und Schwefelwasserstoffen

Unterscheidung nach Anteil an Kohlenwasserstoffen

 Trockenes Erdgas (dry gas): geringerer Anteil an Kohlenwasserstoffen (niedrigkalorisches L-Gas mit ca. 10 kWh/m³)

 Nasses Erdgas: höherer Anteil an Kohlenwasserstoffen (hochkalorisches H-Gas mit ca. 12 kWh/m³)

 H-Gas und L-Gas werden in getrennten Leitungsnetzen transportiert

Unterscheidung nach Anteil an Schwefelwasserstoffen

 Süßgas(ohne Schwefelwasserstoff)

 Lean gas (0–1 % Schwefelwasserstoff)

 Sauergas (> 1 % Schwefelwasserstoff)

Konventionelles Erdgas vs. Unkonventionelle Gasvorkommen

 Konventionelles Erdgas: natürlich vorkommende Erdgassorten

 Unkonventionelle Gasvorkommen: Gesteinsgas (shale gas) oder Flözgas (nahe Kohlevorkommen), Fracking (durch das Aufbrechen von Gesteinsschichten mit Flüssigkeitsdruck)

Nicht-konventionelles Erdgas

Arten von nicht-konventionellem Erdgas

 in dichtem Gestein

 in Schiefergestein

 in Köhleflözen

 Gashydrate

Wenn Erdgas in Poren oder Hohlräumen des Gesteins/ der Kohle eingeschlossen Gewinnung

 Gestein durch Einpressen einer Flüssigkeit flächendeckend aufbrechen

 Chemikalien halten entstehende Klüfte im Gestein offen

 Nach Rückfluss der Flüssigkeit kann die eigentliche Erdgasförderung beginnen.

 Nachteil Umweltbeeinträchtigung: Flächenverbrauch, Schadstoffemissionen und Gefahr der Grundwasserverschmutzung

Wirtschaftliches Potential (EE)

Der unter Berücksichtigung von Konkurrenzfähigkeit nutzbare Anteil des technischen Potentials erneuerbarer Energien.

Erdgas: der Weg von der Quelle zum Verbraucher

1. Erdgasgewinnung und -aufbereitung

• Erdgasbohrungen fördern das Rohgas

• Erdgasaufbereitung inkl. Mengenmessung: Das Rohgas wird gemesst und gereinigt – dabei werden abgetrennt:

  • Schwefelverbindungen

  • höhere Kohlenwasserstoffe

  • Wasser und andere Begleitstoffe
    + Dem Gas wird ein Geruchsstoff zugesetzt (Odorierung), damit Lecks anhand des Geruchs erkannt werden können

→ das Gas erhält die für den Transport nötige, standardisierte Qualität (H-Gas/L-Gas)

2. Ferntransport

• Transport über Pipelines, teils über mehrere 1.000 km

• Da Gas beim Strömen durch die Leitung an Druck verliert, sind alle 100–150 km Verdichterstationen nötig, die den Druck wieder erhöhen

• Untertagespeicher gleichen die saisonalen Schwankungen aus:

  • Sommer → Einspeicherung (weniger Verbrauch, Gas wird "geparkt")

  • Winter → Ausspeicherung (hoher Heizbedarf, gespeichertes Gas wird zusätzlich eingespeist)

3. Gasverteilung bzw. Lieferung an Großabnehmer

• Druckentspannung und Mengenmessung: Vor der lokalen Verteilung wird der Hochdruck aus dem Ferntransportnetz auf die niedrigeren Druckstufen der Verteilnetze reduziert und die gelieferte Menge exakt erfasst

• Von dort Verteilung an die Endabnehmer: Industrie, Haushalt, Gewerbe

Es werden 3 Druckstufen unterschieden:

• Niederdruck (ND): 20–100 mbar

• Mitteldruck (MD): > 100 mbar – 1 bar

• Hochdruck (HD): > 1 bar

Transportmöglichkeiten für Erdgas

Pipeline

 Onshore

 Offshore

LNG: Liquified Natural Gas (Flüssigerdgas)

Gas-to-liquids: Erzeugung flüssiger Kohlenwasserstoffe via Fischer-Tropsch Synthese oder Methanol durch die Methanolsynthese

Braunkohle vs. Steinkohle

 Braunkohlen sind im Vergleich zu Steinkohlen wesentlich jünger

 Braunkohlen haben einen hohen Wassergehalt (ca. 50%), einen geringeren Kohlenstoffgehalt und einen geringeren Heizwert als Steinkohlen

 Kein Ferntransport

 Abbau vor allem im Tagebau

Unterscheidung in Weich- und Hartbraunkohle

Hartkohle

 Energieinhalt von ≥ 16.500 kJ/kg

 Umfasst Hartbraunkohle, Steinkohlen (Flammkohlen, Fettkohlen, Esskohlen, Magerkohlen) und Anthrazit

 Wird weltweit gehandelt

Weichbraunkohle

 Energieinhalt < 16.500 kJ/kg

 Aufgrund geringeren Energiegehalts und höherer Wasseranteile nicht weltweit gehandelt

Umwandlungssysteme erneuerbarer Energien

Begriffsabgrenzung Erdwärme

Wasserkraft

 Kinetische und potentielle Energie einer Wasserströmung wird über ein Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt

 Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann

Ökonomische Bewertung

LCOE (Levelized Cost of Electricity)

Abschätzung der Aufwendungen

 Investitionen - Einsatz von Kapital für einen bestimmten Verwendungszweck

 Betriebskosten - Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie sonstige Aufwendungen (z. B. Reparaturen, Versicherung)

 Strom- bzw. Wärmegestehungskosten - Mit der Umwandlung einer anderen Energieform in Strom bzw. Wärme verbundenen Kosten

LCOE (Levelized Cost of Electricity) - Die Stromgestehungskosten, ermittelt aus Investitions- und Betriebskosten mittels der Annuitätenmethode.

Herausforderungen der Nutzung erneuerbarer Energien

Großräumigen Ausgleich der wetterbedingten Fluktuationen der EE notwendig - Wind- und Solarenergie sind stochastisch, d. h. ihre Erzeugung schwankt je nach Wetterlage, Tageszeit und Saison. Dies führt zu einer temporalen Inkongruenz zwischen Energieangebot und -nachfrage

 Bessere Orientierung von Stromerzeugung an Nachfrage (Bereitstellung der Residuallast)

 Flexibilität des Stromverbrauchs muss erhöht werden

 Speicherung von Energie

Zunehmende Übernahme von Systemverantwortung durch EE-Anlagen zum Erhalt der Netzstabilität (in Kombination mit Stromspeichern)

Modernisierung und Ausbau der Stromnetze

Residuallast

Der Teil des Strombedarfs, der nicht durch fluktuierende EE gedeckt wird und durch steuerbare Kraftwerke bereitgestellt werden muss.

Unbundling

Die rechtliche und organisatorische Trennung von Energieerzeugung und Netzbetrieb zur Förderung des Wettbewerbs.

Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland

Tennet TSO

50Hertz Transmission

Amprion

TransnetBW

Merit Order

Einsatzreihenfolge von Kraftwerken an der Strombörse, sortiert nach ihren Grenzkosten (variablen Kosten).

Märkte für Regelenergie: Ausschreibungswettbewerb

Primärregelung: Sekundenbereich; sofort bei Erzeugungsengpass; wird bereitgestellt durch Kraftwerke die am Netz und nicht bereits bis an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit beansprucht sind, oder vermehrt durch Batteriespeicher

 Ausschreibung durch Übertragungsnetzbetreiber

Sekundärreserve: Sekunden- bis Minutenbereich; löst innerhalb weniger Minuten die Primärregelung vollkommen ab

 Ausschreibung durch Übertragungsnetzbetreiber

Minutenreserve: Ablösung der Sekundärreserve

 Tägliche Ausschreibung durch Übertragungsnetzbetreiber

Sektorintegration

die technische, wirtschaftliche und regulatorische Verknüpfung der bislang getrennt betrachteten Energiesektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie mit dem Ziel, EE sektorübergreifend zu nutzen, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern

Kosten des Netzmanagements

Reservenkraftwerke - Kapazitätsreserve für Versorgungssicherheit

Kraftwerke, die außerhalb des Strommarktes vorgehalten und nur bei Gefährdung der Versorgungssicherheit eingesetzt werden

Sicherstellung der Versorgungssicherheit in Ausnahmesituationen

Redispatch - Anpassung der Kraftwerkseinsätze zur Engpassbeseitigung

Anpassung der Einspeisung von Kraftwerken innerhalb einer Regelzone: Kraftwerke vor einem Engpass fahren herunter, hinter dem Engpass hoch

Beseitigung von Netzengpässen innerhalb eines Stromnetzes.

Countertrading - Grenzüberschreitender Ausgleich von Engpässen durch Stromhandel

Grenzüberschreitende Anpassung von Stromflüssen durch gegenläufige Stromkäufe und -verkäufe in verschiedenen Marktgebieten

Entlastung von Netzengpässen zwischen Marktgebieten bzw. Ländern

Allgemeine Flexibilitätsoptionen

Nachfrageseitige Flexibilität (Demand Side Management)

• Lastverschiebung industrieller Prozesse

• Flexible Stromnutzung in Gewerbe und Haushalten

• Steuerung von Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen

• Dynamische Stromtarife zur Lastanpassung

Energiespeicher

• Batteriespeicher (Kurzfristflexibilität)

• Pumpspeicherkraftwerke

• Wasserstoffspeicher (Langfrist- und Saisonalspeicher)

• Thermische Speicher (Wärmespeicher)

Flexible Erzeugung

• Gaskraftwerke / H₂-ready Kraftwerke

• Biomassekraftwerke

• Wasserkraftwerke mit Speicherfunktion

• Virtuelle Kraftwerke zur Bündelung dezentraler Anlagen

Sektorenkopplung

• Power-to-Heat (Wärmeerzeugung aus Strom)

• Power-to-Gas / Wasserstoffproduktion

• Vehicle-to-Grid (Rückspeisung aus Elektrofahrzeugen)

• Nutzung von Fernwärmenetzen als Flexibilitätsoption

Circular Economy

Ein Wirtschaftskonzept, in dem Abfall vermieden wird und Materialien in technischen oder biologischen Kreisläufen zirkulieren.