Constructing and evaluating energy futures : life cycle environmental impacts, material demand and transparency of energy scenarios

Abstract

The transformation of the energy system potentially contributes to a number of environmental challenges and is associated with high material use. Therefore, when analyzing future energy systems, it is necessary to quantify environmental impacts and material requirements in order to maintain ecosystem functionality and identify potential material bottlenecks of transformation strategies. However, planning and transforming the energy system while quantifying impacts on natural and human systems and material requirements is a difficult task with many dimensions and complex dynamics. Therefore, sound conclusions can only be made using a transdisciplinary approach and multiple numerical models.In this work, analytical modeling approaches are developed for environmental assessment and for quantifying the abiotic resource requirements of future energy systems. The first modeling approach quantifies environmental indicators using the life cycle assessment (LCA) method. The second modeling approach quantifies material requirements using material flow analysis (MFA). These methods are then combined with energy system models (ESMs) and energy scenarios to gain insight into the environmental co-benefits and negative side-effects of the energy transition and to assess the pressure on the abiotic resource supply system.

Die Transformation des Energiesystems trägt potenziell zu einer Reihe von ökologischen Herausforderungen bei und ist mit einem hohen Materialeinsatz verbunden. Daher ist es bei der Analyse zukünftiger Energiesysteme notwendig, Auswirkungen auf die Umwelt und den Materialbedarf zu quantifizieren, um die Funktionalität der Ökosysteme zu erhalten und potenzielle Materialengpässe von Transformationsstrategien zu identifizieren. Die Planung und Transformation des Energiesystems bei gleichzeitiger Quantifizierung der Auswirkungen auf die natürlichen und menschlichen Systeme und des Materialbedarfs ist jedoch eine schwierige Aufgabe mit vielen Dimensionen und komplexer Dynamik. Fundierte Aussagen können daher nur mit einem transdisziplinären Ansatz und mehreren numerischen Modellen getroffen werden.In dieser Arbeit werden analytische Modellierungsansätze für die Umweltbewertung und für die Quantifizierung des abiotischen Ressourcenbedarfs zukünftiger Energiesysteme entwickelt. Der erste Modellierungsansatz quantifiziert Umweltindikatoren mit der Methode der Ökobilanz (LCA). Der zweite Modellierungsansatz quantifiziert den Materialbedarf mit Hilfe der Materialflussanalyse (MFA). Diese Methoden werden dann mit Energiesystemmodellen (ESMs) und Energieszenarien kombiniert, um Einblicke in die ökologischen Zusatznutzen und negativen Nebeneffekte der Energiewende zu gewinnen und den Druck auf das Versorgungssystem abiotischer Ressourcen zu bewerten.