Klimaneutrale Energie 2050. Ein Beitrag zur multikriteriellen Bewertung marktreifer Technologien zur Deckung des thermischen, elektrischen und kinetischen Energiebedarfs

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Energie und Klimawandel
1.2 Politische Treiber der regenerativen Energien
1.3 Problemstellung und Ziel der Arbeit
1.4 Struktur und Gang der Arbeit

2 Methodisches Vorgehen
2.1 Multikriterielle Entscheidungsanalyse: Analytic Hierarchy Process
2.2 Vorgehen zur Identifikation von Kriterien
2.3 Vorgehen zur Identifikation von Alternativen

3 Klimaneutrale thermische Energie
3.1 Kriterien zur Bewertung von Technologien der thermischen Energiebereitstellung
3.2 Gewichtung der Kriterien zur Deckung des thermischen Energiebedarfs
3.3 Technologien zur Bereitstellung thermischer Energie
3.4 Bewertung von Technologien zur thermischen Energiebereitstellung
3.5 Ergebnisse der Bewertung von Technologien zur Bereitstellung thermischer Energie
3.6 Thermische Energiebereitstellung im Jahr 2050

4 Klimaneutrale kinetische Energie
4.1 Kriterien zur Bewertung von Technologien der kinetischen Energiebereitstellung
4.2 Gewichtung der Kriterien zur Deckung des kinetischen Energiebedarfs .
4.3 Technologien zur Bereitstellung kinetischer Energie
4.4 Bewertung von Technologien zur kinetischen Energiebereitstellung
4.5 Ergebnisse der Bewertung von Technologien zur Bereitstellung kinetischer Energie
4.6 Kinetische Energiebereitstellung im Jahr 2050

5 Klimaneutrale elektrische Energie
5.1 Kriterien zur Bewertung von Technologien der elektrischen Energiebereitstellung
5.2 Gewichtung der Kriterien zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs
5.3 Technologien zur Bereitstellung elektrischer Energie
5.4 Bewertung von Technologien zur elektrischen Energiebereitstellung ...
5.5 Ergebnisse der Bewertung von Technologien zur Bereitstellung elektrischer Energie
5.6 Elektrische Energiebereitstellung im Jahr 2050

6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ableitung von Handlungsempfehlungen

Anhänge

Literaturverzeichnis

Kurzfassung

In Zusammenhang mit dem Klimaziel 2050 stellt die Erschließung neuer bzw. bisher nur unzureichend genutzter erneuerbarer Energieformen sowie die damit verbundene Neu­strukturierung des nationalen Energiesystems eine der größten Herausforderungen des laufenden Jahrhunderts dar. Dabei bieten die zurzeit verfügbaren Technologien in Anbe­tracht des Klimaziels 2050 unterschiedliche Potentiale. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der Methode Analytic Hierarchy Process zur Bestimmung des Potentials verschiedener marktreifer Technologien im Rahmen der klimaneutralen Ener­gieversorgung. Zum einen werden eingangs die Grundlagen der Methode dargelegt und zum anderen erfolgt die Anwendung der Methode spezifisch für die Potentialbestimmung von Technologien zur Bereitstellung thermischer, kinetischer und elektrischer Energie. Die Notwendigkeit der multikriteriellen Bewertung ergibt sich aus den technischen, öko­nomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Faktoren, welche einen Einfluss auf das technologiespezifische Potential nehmen. Unter Anwendung der Methode AHP finden diese Einflüsse als gewichtete Kriterien Einzug in die Bewertung. Dabei wird das Ent­scheidungsproblem zunächst zergliedert, strukturiert und anschließend die Bewertung von Alternativen durchgeführt. Als Alternativen kommen jegliche Technologien zur Be­reitstellung klimaneutraler Energie bei ausreichender Datengrundlage infrage.

Schlagworte: Multikriterielle Entscheidungsanalyse, Klimaziel 2050, Analytic Hie­rarchy Process, Energieversorgung, Klimaneutralität.

Abstract

Considering the 2050 climate target, the development of new or poorly used forms of energy and the associated restructuring of the national energy system represent one of the greatest challenges of the ongoing century. With respect to the 2050 climate target, the technologies currently available offer different potentials. This master's thesis deals with the application of the AHP method in order to determine the potential of various market­able technologies in the context of climate-neutral energy supply. First and foremost the procedure of the method is presented, as it forms the basis for its application. Subse­quently, the method will be applied specifically for the potential determination of tech­nologies for the supply of thermal, electrical and transport energy. The necessity of such multi-criteria evaluation results from the technical, economic, ecological and social fac­tors which have an influence on the technology-specific potential. Using the AHP method, these influences are included in the evaluation as weighted criteria. The decision problem is first broken down, structured and in the last stage the evaluation of alternatives is carried out. Any technology for providing climate-neutral energy can be considered as an alternative, as long as sufficient data is available.

Keywords: Multi-Criteria Decision Analysis, Analytic Hierarchy Process, 2050 climate target, energy supply, climate neutrality.

“Limiting global warming to 1.5°C would require substantial societal and technolog­ical transformations, dependent in turn on global and regional sustainable develop­ment pathways. ”

- Weltklimarat (IPCC)

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Anteile verschiedener Energieträger am Primärenergieverbrauch

Abbildung 2: Anteile erneuerbarer Energien aufgeteilt nach Sektoren

Abbildung 3: Relative Anteile der Sektoren im Vergleich

Abbildung 4: Emissionen nach Sektoren in Deutschland

Abbildung 5: Emissionsziele nach Sektoren in Deutschland

Abbildung 6: Klimaneutrale Energiekette: Vom Bedarf bis zur Nutzung

Abbildung 7: Struktur eines AHP-Modells

Abbildung 8: Zielstruktur der Arbeit

Abbildung 9: MCDA Methoden

Abbildung 10: Struktur eines AHP-Modells mit drei Ebenen

Abbildung 11: Vorgehen bei der Identifikation von Kriterien

Abbildung 12: Vorgehen bei der Identifikation von Alternativen

Abbildung 13: Dimensionen des Potentials

Abbildung 14: Aufbau und Funktion einer Kompressions-Wärmepumpe

Abbildung 15: Aufbau und Funktion einer Absorptions-Wärmepumpe

Abbildung 16: Komponenten und Prozess einer solarthermischen Anlage

Abbildung 17: Aufbau und Funktion eines Flachkollektors

Abbildung 18: Aufbau und Funktion eines Vakuumröhrenkollektors

Abbildung 19: Prinzipieller Aufbau eines Photovoltaikmoduls

Abbildung 20: Ausführungsvarianten vertikaler Windkraftanlagen

Abbildung 21: Umwandlungsprinzip einer horizontalen Windkraftanlage

Abbildung 22: Finale Technologiepräferenz im Vergleich

Abbildung 23: Technologiepräferenz aus technischer Sicht

Abbildung 24: Technologiepräferenz aus ökonomischer Sicht

Abbildung 25: Technologiepräferenz aus ökologischer Sicht

Abbildung 26: Technologiepräferenz aus gesellschaftlicher Sicht

Abbildung 27: Energieerzeugung aus Windkraft und Photovoltaik

Abbildung 28: Installierte Leistung der Photovoltaik in Deutschland

Abbildung 29: Installierte Leistung der Onshore-Windkraft in Deutschland

Abbildung 30: Absatzzahlen von Wärmepumpen in Deutschland

Abbildung 31: Szenario 2050 der thermischen Energiebereitstellung

Abbildung 32: Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle

Abbildung 33: Aufbau einer Lithium-Batteriezelle

Abbildung 34: Finale Technologiepräferenz im Vergleich

Abbildung 35: Technologiepräferenz aus technischer Sicht

Abbildung 36: Technologiepräferenz aus ökonomischer Sicht

Abbildung 37: Technologiepräferenz aus ökologischer Sicht

Abbildung 38: Technologiepräferenz aus gesellschaftlicher Sicht

Abbildung 39: Szenario 2050 der kinetischen Energiebereitstellung

Abbildung 40: Finale Technologiepräferenz im Vergleich

Abbildung 41: Technologiepräferenz aus technischer Sicht

Abbildung 42: Technologiepräferenz aus ökonomischer Sicht

Abbildung 43: Technologiepräferenz aus ökologischer Sicht

Abbildung 44: Technologiepräferenz aus gesellschaftlicher Sicht

Abbildung 45: Szenario 2050 der elektrischen Energiebereitstellung

Abbildung 46: AHP-Modell der thermischen Energiebereitstellung

Abbildung 47: AHP-Modell der kinetischen Energiebereitstellung

Abbildung 48: AHP-Modell der elektrischen Energiebereitstellung

Abbildung 49: Klimaneutrale Energiekette 2050: Vom Bedarf bis zur Nutzung.

Abbildung 50: Vereinfachtes Schema der Energiebilanz

Abbildung 51: Strahlungsantrieb von Gasen

Abbildung 52: Anthropogene Erwärmung und 1.5 °C Ziel

Abbildung 53: THG-Emissionen seit 1990 in Deutschland

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Treibhausgas-Anteile

Tabelle 2: 9-Punkte-Standard-Skala zur Durchführung des Paarvergleichs

Tabelle 3: Random Consistency Indices zur Konsistenzprüfung

Tabelle 4: Definition von Kriterien

Tabelle 5: Bewertungskriterien in der thermischen Energiebereitstellung

Tabelle 6: Gewichtung der Kriteriengruppen

Tabelle 7: Gewichtung der technischen Kriterien

Tabelle 8: Gewichtung der ökonomischen Kriterien

Tabelle 9: Gewichtung der ökologischen Kriterien

Tabelle 10: Gewichtung der gesellschaftlichen Kriterien

Tabelle 11: Lokale und globale Gewichte der Kriterien

Tabelle 12: Technologien zur Deckung des thermischen Energiebedarfs

Tabelle 13: Alternativenbewertung hinsichtlich der Regelbarkeit

Tabelle 14: Alternativenbewertung hinsichtlich der Bedarfsdeckbarkeit

Tabelle 15: Alternativenbewertung hinsichtlich des Erntefaktors

Tabelle 16: Alternativenbewertung hinsichtlich der technischen Risiken

Tabelle 17: Alternativenbewertung hinsichtlich der Investitionskosten

Tabelle 18: Alternativenbewertung hinsichtlich der Gestehungskosten

Tabelle 19: Alternativenbewertung hinsichtlich der Ressourcennutzung

Tabelle 20: Alternativenbewertung hinsichtlich der Flächennutzung

Tabelle 21: Alternativenbewertung hinsichtlich der Recyclebarkeit

Tabelle 22: Alternativenbewertung hinsichtlich der ökologischen Risiken

Tabelle 23: Alternativenbewertung hinsichtlich der Geräuschemission

Tabelle 24: Alternativenbewertung hinsichtlich der visuellen Erscheinung

Tabelle 25: Alternativenbewertung hinsichtlich des Installationsaufwands

Tabelle 26: Alternativenbewertung hinsichtlich der gesellschaftlichen Risiken. ...

Tabelle 27: Finale Präferenzen der Technologien im Vergleich

Tabelle 28: Benötigte Gesamtkapazität und erforderliche Zunahme pro Jahr

Tabelle 29: Bewertungskriterien in der kinetischen Energiebereitstellung

Tabelle 30: Gewichtung der Kriteriengruppen

Tabelle 31: Gewichtung der technischen Kriterien

Tabelle 32: Gewichtung der ökonomischen Kriterien

Tabelle 33: Gewichtung der ökologischen Kriterien

Tabelle 34: Gewichtung der gesellschaftlichen Kriterien

Tabelle 35: Globale Gewichte der Kriterien

Tabelle 36: Technologien zur Deckung des kinetischen Energiebedarfs

Tabelle 37: Alternativenbewertung hinsichtlich der Systemeffizienz

Tabelle 38: Alternativenbewertung hinsichtlich der ESOI-Kennzahl

Tabelle 39: Alternativenbewertung hinsichtlich der Energiedichte

Tabelle 40: Alternativenbewertung hinsichtlich der technischen Risiken

Tabelle 41: Alternativenbewertung hinsichtlich der Investitionskosten

Tabelle 42: Alternativenbewertung hinsichtlich der spezifischen Kosten

Tabelle 43: Alternativenbewertung hinsichtlich der Ressourcennutzung

Tabelle 44: Alternativenbewertung hinsichtlich der Recyclebarkeit

Tabelle 45: Alternativenbewertung hinsichtlich der ökologischen Risiken

Tabelle 46: Alternativenbewertung hinsichtlich der Lade-/ Betankungszeit

Tabelle 47: Alternativenbewertung hinsichtlich der Lade-/ Betankungsmöglichkeiten

Tabelle 48: Finale Präferenzen der Technologien im Vergleich

Tabelle 49: Benötigte Gesamtkapazität und erforderliche Zunahme pro Jahr

Tabelle 50: Bewertungskriterien in der elektrischen Energiebereitstellung

Tabelle 51: Lokale und globale Gewichte der Kriterien

Tabelle 52: Technologien zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs

Tabelle 53: Alternativenbewertung hinsichtlich der Regelbarkeit

Tabelle 54: Alternativenbewertung hinsichtlich der Bedarfsdeckbarkeit

Tabelle 55: Alternativenbewertung hinsichtlich des Erntefaktors

Tabelle 56: Alternativenbewertung hinsichtlich der technischen Risiken

Tabelle 57: Alternativenbewertung hinsichtlich der Investitionskosten

Tabelle 58: Alternativenbewertung hinsichtlich der Energiegestehungskosten. ..

Tabelle 59: Alternativenbewertung hinsichtlich der Ressourcennutzung

Tabelle 60: Alternativenbewertung hinsichtlich der Flächennutzung

Tabelle 61: Alternativenbewertung hinsichtlich der Recyclebarkeit

Tabelle 62: Alternativenbewertung hinsichtlich der ökologischen Risiken

Tabelle 63: Alternativenbewertung hinsichtlich der Geräuschemission

Tabelle 64: Alternativenbewertung hinsichtlich der visuellen Erscheinung

Tabelle 65: Alternativenbewertung hinsichtlich des Installationsaufwands

Tabelle 66: Alternativenbewertung hinsichtlich der gesellschaftlichen Risiken. .

Tabelle 67: Finale Präferenzen der Technologien im Vergleich

Tabelle 68: Benötigte Gesamtkapazität und erforderliche Zunahme pro Jahr

Tabelle 69: Kriterien und Alternativen der thermischen Energiebereitstellung

Tabelle 70: Anforderungen im Rahmen der thermischen Energiebereitstellung

Tabelle 71: Kriterien und Alternativen der kinetischen Energiebereitstellung

Tabelle 72: Anforderungen im Rahmen der kinetischen Energiebereitstellung

Tabelle 73: Anforderungen im Rahmen der elektrischen Energiebereitstellung

Tabelle 74: Anforderungen im Rahmen der elektrischen Energiebereitstellung

Tabelle 75: Maßnahmenkatalog des Klimaschutzprogramms 2030

Tabelle 76: Zulässige Jahresemissionsmengen aus dem Klimaschutzgesetz

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Energie und Klimawandel

Energie ist im Alltag der Gesellschaft und Wirtschaft unabdingbar. Die zentrale Bedeu­tung der Energiebereitstellung wird durch den Primärenergieverbrauch deutlich:1 Im Jahr 2019 betrug dieser in Deutschland 3 560 TWh.2 Dabei entspricht diese Energiemenge ei­nem jährlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 43 000 kWh. Die mittlere Leistung, um diesen Energiebedarf pro Person zu decken, liegt bei 4 900 W.3 In Deutschland erfolgt die De­ckung dieses Energiebedarfs heutzutage hauptsächlich durch fossile Energieträger. Dies verdeutlicht Abbildung 1: Die erneuerbaren Energien machten im Jahr 2019 lediglich ei­nen Anteil von 15 Prozent an dem Primärenergieverbrauch aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Anteile verschiedener Energieträger am Primärenergieverbrauch.4

Insbesondere im Verlauf der letzten drei Jahrzehnte stieg der Anteil erneuerbarer Ener­gien an der Energiebereitstellung. Dabei ändert sich in Zusammenhang mit der Erschlie­ßung erneuerbarer Energieformen die Struktur des nationalen Energiesystems. Diese Transformation wird vornehmlich von dem dezentralen Ausbau der regenerativen Ener­gien geprägt, welche das entstehende Defizit durch die Ausstiege aus der Kernenergie sowie der Braun- und Steinkohle künftig ausgleichen sollen. Derzeit überwiegen biogene Brennstoffe (52 %), Windenergie (28 %), Photovoltaik (10 %), Wasserkraft (4 %), Ge­othermie und Umweltwärme (4 %) sowie Solarthermie (2 %) in der Bereitstellung von regenerativer Energie.5

Hierunter besitzen die regenerativen Energien den größten relativen Anteil an dem Brut­tostromverbrauch - seit 1990 stieg dieser stetig.^{1 2} Ein deutlich schwächerer Anstieg des Anteils erneuerbarer Energien fand sich in den Sektoren Verkehr und Wärme wieder. In den letzten zehn Jahren war dieser sogar teilweise rückläufig, was der nachfolgenden Ab­bildung zu entnehmen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Anteile erneuerbarer Energien aufgeteilt nach Sektoren.7

Der Anteil erneuerbarer Energien ist im Stromsektor zwar vergleichsweise hoch, dennoch fallen die Sektoren Wärme und Verkehr schwerer ins Gewicht, da sie den Großteil des Energieverbrauchs darstellen. Im Jahr 2019 entfielen 49.8 Prozent des Endenergiever­brauchs auf den Wärme- und 26.8 Prozent auf den Verkehrssektor.^{3 4}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Relative Anteile der Sektoren im Vergleich.9

Doch warum ist dieser Wandel zur klimaneutralen Energiebereitstellung erforderlich? Die Gründe für die Energiewende liegen in den Auswirkungen des Klimawandels. Seit der industriellen Zeit steigt die mittlere Jahrestemperatur. Dabei stehen die Atmosphäre und die Erdoberfläche in Wechselwirkung mit dem globalen Erdklima. Die zentrale Rolle nehmen die Treibhausgase ein. Durch deren Zunahme in der Atmosphäre kann mehr elektromagnetische Strahlung der Sonne absorbiert werden.⁵ Neben den Treibhausgasen bestehen Aerosole,⁶ welche sowohl reflektierende als auch absorbierende Eigenschaften haben. Im Schnitt reflektieren Aerosole mehr, sodass ihnen ein kühlender Effekt zuge­schrieben wird.⁷ Zudem reflektiert die Erdoberfläche im Mittel mehr als sie absorbiert, dieses Rückstrahlungsvermögen wird als Oberflächenalbedo bezeichnet.⁸ In Summe ist der sogenannte Strahlungsantrieb jedoch positiv,⁹ sodass es durch die Absorption von Sonnenstrahlung zur Erwärmung kommt. Weitere Informationen zu den anthropogenen Einflüssen auf den Strahlungsantrieb können dem Anhang B entnommen werden.

Zu den von Menschen emittierten Treibhausgasen zählen Kohlenstoffdioxid (CO2), Me­than (CH4), Distickstoffmonoxid (N2O) und weitere Gase, welche in geringeren Konzent­rationen vorkommen. Den mit Abstand höchsten Anteil hat CO2. Zwar liegen die anderen Gase in geringerer Konzentration vor, dennoch sind deren Auswirkungen auf den Strah­lungsantrieb nicht zu vernachlässigen (siehe nachstehende Tabelle).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Treibhausgas-Anteile.¹⁰

Neben den direkten Auswirkungen bestehen weitere indirekte Effekte. Beispielsweise kann durch die Erhöhung der Lufttemperatur mehr Wasserdampf in der Atmosphäre auf­genommen werden, wodurch sich der Strahlungsantrieb verstärkt.¹¹ Des Weiteren kommt es bei der globalen Erwärmung zum Schmelzen von Eis, sodass der Reflexionsanteil bzw. die Oberflächenalbedo abnimmt und mehr solare Strahlungsenergie in Form von Wärme aufgenommen werden kann.¹²

Der Strahlungsantrieb nimmt Einfluss auf das Klimasystem und folglich auf die gesamte Biosphäre. Konkret benennbare erhöhte Risiken sind laut des Weltklimarats (IPCC): „Hitzestress, Stürme und Extremniederschläge, Überschwemmungen im Binnenland und an den Küsten, Erdrutsche, Luftverschmutzung, Dürre, Wasserknappheit, Meeresspiegel­anstieg und Sturmfluten.“¹³

Trotz dieser bekannten und wissenschaftlich belegten Auswirkungen steigt der globale Ausstoß an Treibhausgasen weiter an. Im Jahr 2017 wurden weltweit 53.5 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalente freigesetzt.¹⁴ Dabei wurden ca. 0.9 Milliarden Tonnen in Deutschland ausgestoßen.¹⁵ Demnach emittierte ein Einwohner Deutschlands im Mittel mehr als 10 Tonnen CO2-Äquivalente. Die nachstehende Abbildung zeigt die Emissions­anteile der verschiedenen Sektoren aus dem Jahr 2017 in Deutschland. Auf die Energie­wirtschaft entfielen 325 Millionen Tonnen, was einem Anteil von ca. 36 Prozent ent­spricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Emissionen nach Sektoren in Deutschland.¹⁶

Um den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern, bieten sich zunächst drei grundle­gende Maßnahmen an, welche unter anderem durch politische Initiativen kollektiv um­zusetzen sind:

- das Senken des direkten und indirekten Energiekonsums,¹⁷
- die energetische Effizienzsteigerung von Anwendungen und
- die Minderung der Treibhausgas-Emissionen in der Energiebereitstellung.¹⁸

1.2 Politische Treiber der regenerativen Energien

Auf internationaler, länderübergreifender und nationaler Ebene werden Ziele, Strategien und Maßnahmen festgelegt, um die Auswirkungen des Klimawandels möglichst gering zu halten. Im Jahr 1985 wurde das erste internationale Übereinkommen zum Schutz der Ozonschicht getroffen.¹⁹ Es stellt einen eher generellen Verpflichtungsrahmen für die Vertragsparteien dar und wurde durch das Montrealer Protokoll im Jahr 1987 konkreti­siert. Das sogenannte „Wiener Übereinkommen zum Schutz der Ozonschicht“ sowie das „Montrealer Protokoll über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen“ sind für alle Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen, demnach 197 Vertragsparteien, bindend.²⁰ Durch das Wiener Übereinkommen und das Montrealer Protokoll konnte der Ausstoß von Gasen (wie zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoffe) zum Schutz des Ozonlochs li­mitiert werden. Gleichzeitig bedeutete dies die Emission anderer Gase, welche zwar kei­nen Schaden der Ozonschicht verursachten, allerdings einen erhöhten Strahlungsantrieb mit sich brachten.²¹

So wurde im Jahr 1992 ein internationales und multilaterales Klimaschutzabkommen ver­einbart: Die Klimarahmenkonvention. Das Abkommen ist Teil des Umweltprogramms der Vereinten Nationen und dient zum Schutz des gesamten Klimasystems, darunter fin­det die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre Berücksichtigung. Das Abkommen ist für 195 Vertragsstaaten bindend und bildet die Basis für die jährlich stattfindenden UN-Klimakonferenzen.²²

Das „Kyoto-Protokoll“ wurde im Rahmen der dritten Klima-Konferenz im Jahr 1997 ver­abschiedet und trat 2005 in Kraft.²³ Inhalt des Kyoto-Protokolls ist die Begrenzung des Ausstoßes von Treibhausgasen, wobei es sich um eine Erweiterung des Montrealer Pro­tokolls handelt.²⁴ Insgesamt haben sich 191 Vertragsstaaten dem Kyoto Protokoll ver­pflichtet. Das Protokoll beinhaltet zwei Vertragsperioden. Innerhalb der ersten Periode (von 2008 bis 2012) wurde das Ziel gesetzt, die globalen Treibhausgasemissionen um 5.3 Prozent gegenüber dem Bezugsjahr 1990 (1995 für bestimmte Gase) zu senken. Zur Erreichung des Ziels wurden die Treibhausgasemissionen in Deutschland um 26 Prozent durch den Ausbau der erneuerbaren Energieträger gesenkt.²⁵ An der zweiten Vertragspe­riode (von 2013 bis einschließlich 2020) nehmen bedeutend weniger Staaten teil - insge­samt 37 Länder, darunter die 27 EU-Mitgliedstaaten, Norwegen, Island, Liechtenstein, Monaco, Kroatien, Schweiz, Ukraine, Weißrussland, Kasachstan und Australien.²⁶ Dabei wird das Ziel verfolgt, die Freisetzung der Treibhausgase der teilnehmenden Länder um insgesamt 18 Prozent gegenüber 1990 zu senken,²⁷ wobei die CO2e-Emissionen der teil­nehmenden Staaten einen Anteil von ca. 15 Prozent der globalen Emissionen ausma­chen.²⁸ Gase, welche im Kyoto-Protokoll Berücksichtigung finden, sind: Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFKW) und Schwefelhexafluorid (SF6).²⁹ Länder können außerdem regenerative Projekte in Entwicklungsländern oder anderen teilnehmenden Staaten des Kyoto-Protokolls fördern, um so die verbindlichen nationalen Ziele zu erreichen. Dabei werden in der Bilanz die vermiedenen Tonnen CO2e von den national emittierten Treibhausgasen abgezogen.³⁰ Das Kyoto-Protokoll endet nach Ablauf der zweiten Vertragsperiode zum Ende des Jahres 2020.

Parallel und kongruent zum Kyoto-Protokoll hat sich Deutschland im Rahmen des Akti­onsprogramms Klimaschutz 2020 zu einer Minderung der Emissionen von 40 Prozent gegenüber 1990 bis zum Jahr 2020 als Ziel gesetzt und entsprechende Maßnahmen defi­niert.³¹ Dies bedeutet eine Senkung der CO2e-Emissionen von ca. 1 250 Tonnen auf 750 Tonnen.³² Die Quantifizierung der Emissionseinsparungen durch diese Maßnahmen wurde in einem Dokument namens „Wissenschaftliche Analysen zu klimapolitischen Fragestellungen“ veröffentlicht. Nach einer Schätzung der Agora Energiewende wurden im Jahr 2019 ungefähr 810 Tonnen emittiert, was einer Lücke von ca. 5 Prozent zum Ziel 2020 entsprechen würde.³³

Im Anschluss an das Kyoto-Protokoll haben sich auf der UN-Klimakonferenz 2015 in Paris 187 Staaten unter dem „Übereinkommen von Paris“ völkerrechtlich dazu verpflich­tet, die Erderwärmung auf unter 2 °C und möglichst auf 1.5 °C zu beschränken.³⁴ Vertie­fend hierzu befindet sich im Anhang C die Szenarien-Analyse vom Weltklimarat.

Im Rahmen des Übereinkommens wird angestrebt, bis spätestens 2050 weltweite Treib­hausgasneutralität zu erreichen.³⁵ Hierzu mussten die teilnehmenden Staaten einen Akti­onsplan vorlegen, in welchem konkrete Vorgehensweisen beschrieben werden, welche zur Erreichung der Ziele dienen sollen.³⁶

Im Jahr 2016 wurde in diesem Zusammenhang der deutsche „Klimaschutzplan 2050“ vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit veröffentlicht. Darin wurden Strategien für einzelne Wirtschaftszweige für den Zeitraum 2020 bis 2050 bezüglich der Klimaziele formuliert. Diesbezüglich erfolgt eine sektorale Betrachtung, welche die Bereiche Energie, Gebäude, Transport, Industrie und Handel, Agrikultur so­wie Forstwirtschaft abdeckt.³⁷

Im Rahmen des Klimaschutzplans 2050 wird eine CO2e-Minderung von 55 Prozent bis 2030, 70 Prozent bis 2040 und weitgehende Treibhausgasneutralität in Deutschland bis zum Jahr 2050 angestrebt.³⁸ Alle fünf Jahre werden Fortschritte der Emissionsminderung mittels Berichterstattung geprüft, um gegebenenfalls Strategien anzupassen. Um die Zie­lerreichung weiterhin sicherzustellen, wurde im Dezember 2019 zudem das Klimaschutz­gesetz verabschiedet. Es definiert zulässige Jahresemissionsmengen im Zeitraum von 2020 bis 2030 für die Sektoren Energiewirtschaft, Industrie, Gebäude, Verkehr, Land­wirtschaft, Abfallwirtschaft und Sonstiges. Im Anhang F sind entsprechende, jährliche Ziele tabellarisch zusammengestellt.³⁹ Die Ziele für 2030 sind zusammen mit den Emis­sionsmengen aus 2017 und 1990 in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Emissionsziele nach Sektoren in Deutschland.⁴⁰

Da der Klimaschutzplan 2050 verschiedene Strategien beschreibt, daneben allerdings keine konkreten Maßnahmen enthält, wurde das „Klimaschutzprogramm 2030 der Bun­desregierung zur Umsetzung des Klimaschutzplans 2050“ abgeleitet. Es formuliert vier Maßnahmengruppen zur Emissionsminderung.⁴¹ Die erste Gruppe beinhaltet die CO2-Be- preisung. Zwischen 2021 und 2025 wird der Preis pro Tonne CO2e von 25 Euro auf 55 Euro steigen und anschließend bis 2030 angepasst werden.⁴² Ein Teil der Steuerein­nahmen wird für die Finanzierung von Klimaschutzmaßnahmen genutzt und ein anderer Teil, welcher die zweite Gruppe darstellt, soll an Bürger als Entlastung in Form von bspw. Pendlerpauschalen, Stromkostensenkung oder Wohngelderhöhung zurückgezahlt wer­den. Die dritte Gruppe setzt sich aus Maßnahmen in den Sektoren Energiewirtschaft, Ge­bäude, Verkehr, Industrie und Landwirtschaft zusammen. Zur letzten Gruppe gehören übergreifende Maßnahmen wie bspw. Förderprogramme für industrielle Klimaschutz­maßnahmen, Forschung und Entwicklung oder Informationskampagnen zum Thema Transformation und Klimawandel.⁴³ Dem Anhang E sind hierzu die einzeln gelisteten und gruppierten Maßnahmen zu entnehmen.

Parallel zur Entwicklung der Pläne und Abkommen wurden einige Gesetze und Verord­nungen verabschiedet, welche im Zusammenhang mit den erneuerbaren Energien und der Treibhausgasemission stehen. Dazu zählen beispielsweise das Erneuerbare-Energien-Ge- setz, das Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz, das Energiesteuergesetz sowie das Ener­gieverbrauchskennzeichnungsgesetz. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz regelt dabei die Einspeisevergütung sowie Ausschreibungsverfahren im Kontext der regenerativen Ener- gien.⁴⁴ Das Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz entstammt der Emissionshandelsricht­linie (2003/87/EG) und bezweckt eine kosteneffiziente Senkung von Treibhausgasen durch ein europaweites Emissionshandelssystem.⁴⁵ Anlagenbetreiber bedürfen einer Ge­nehmigung zur Freisetzung von Treibhausgasen, sofern sie einer der im Anhang 1 Teil 2 gelisteten Tätigkeit des Treibhausgas-Emissionshandelsgesetzes nachgehen.⁴⁶ Weiterhin sind in dem Energiesteuergesetz Steuertarife für Energieerzeugnisse festgelegt und wer­den für definierte Verbrauchsmengen unter § 2 des Gesetzes explizit gelistet.⁴⁷ Durch das Energieverbrauchskennzeichnungsgesetz werden Unternehmen aufgefordert, den Ener­gieverbrauch und die CO2e-Emissionen von Produkten auszuweisen, sofern sie in den Anwendungsbereich des Gesetzes fallen.⁴⁸

Zusammenfassend wird die Gesetzgebung durch den politischen Rahmen konstituiert, um die Emission von Treibhausgasen wirksam zu begrenzen. Des Weiteren werden Subven­tionen geleistet und Ausschreibungen realisiert, um den Energiebedarf auch in Zukunft decken zu können. Dabei stellt sich die elementare Frage, welche Technologien das höchste Potential für eine klimaneutrale Energiebereitstellung bieten.

1.3 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Vor dem Hintergrund der beschriebenen Energieproblematik unterzieht sich das deutsche Energieversorgungssystem einem deutlichen Wandel. Dieser zeichnet sich durch die Sub­stitution bestehender konventioneller Kraftwerke mit regenerativen Energieanlagen aus. Dabei stellt die Erschließung neuer bzw. bisher nur unzureichend genutzter Energiefor­men sowie die damit verbundene Neustrukturierung des deutschlandweiten Energiesys­tems eine der größten Herausforderungen des laufenden Jahrhunderts dar. Zur Erreichung der klimaneutralen Energiebereitstellung im Jahr 2050 ist ein holistischer Ansatz notwen­dig, welcher die einzelnen Stationen von der Bedarfsanalyse bis zur Energienutzung be­rücksichtigt. In Abbildung 6 wird die Prozesskette beginnend mit dem Energiebedarf schematisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Klimaneutrale Energiekette: Vom Bedarf bis zur Nutzung.

Nach der Analyse und Prognose des Energiebedarfs folgt meist die Umwandlung von Primärenergie, beispielsweise die kinetische Energie des Windes, in eine andere Energie­form, wie zum Beispiel der elektrischen Energie.⁴⁹

Anschließend kann die Energie über verschiedene Schritte bereitgestellt werden. Bei der dezentralen Erzeugung kann sie nach Bedarf und Verfügbarkeit direkt genutzt oder in das Energienetz eingespeist werden. Nach der zentralen Umwandlung erfolgt i. d. R. die Ein­speisung in das Energienetz, die Umwandlung in eine weitere Energieform oder die Spei­cherung der Energie. Dabei können diese Schritte auch in verschiedenen Kombinationen vorkommen. Beispielsweise kann elektrische Energie zur Speicherung in chemische Energie und anschließend wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. In der Ver­gangenheit waren techno-ökonomische Kriterien in der Energiewirtschaft für die Ausle­gung von Kraftwerken dominant. Mit der Zeit wurden den sozialen und ökologischen Aspekten in der Energiebereitstellung mehr Relevanz zugeschrieben, sodass diese Krite­rien heute einen Einfluss auf das Potential von Technologien zur Umwandlung und Be­reitstellung von thermischer, elektrischer und kinetischer Energie haben. Das Potential dieser Technologien hängt entsprechend von vielen Faktoren ab. Obwohl Technologien bereits marktreif sind, wie beispielsweise Windkraftanlagen, kann deren Potential durch Einflussfaktoren wie gesellschaftliche Inakzeptanz drastisch beschränkt werden. Folglich besteht die Möglichkeit, das Potential von Technologien zur Energiebereitstellung über verschiedene Kriterien zu determinieren.

In diesem Zusammenhang drückt sich die Notwendigkeit eines multikriteriellen Entschei­dungsansatzes aus. Die Kriterien können dabei aus technischer, ökonomischer, ökologi­scher und gesellschaftlicher Sicht definiert werden. In der nachfolgenden Abbildung ist zur Veranschaulichung der Komplexität die Struktur eines Entscheidungsproblems dieser Arbeit dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Struktur eines AHP-Modells.

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die multikriterielle Bewertung verschiedener markt­reifer Technologien zur Deckung des thermischen, elektrischen und kinetischen Energie­bedarfs. Von der Bewertung ausgeschlossen werden Technologien, welche einen direkten Ausstoß von Treibhausgasen verursachen. Die Ziele, welche dabei im Rahmen dieser Ar­beit erreicht werden sollen, sind nachfolgend dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Zielstruktur der Arbeit.

1.4 Struktur und Gang der Arbeit

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in 6 Kapitel. Mit dem kurzen Einblick in die Ener­giebereitstellung, den Klimawandel und den politischen Treibern des Ausbaus der rege­nerativen Energien wurde das Thema der Masterarbeit zunächst in Kapitel 1 herange­führt. Weiterhin wurden die bestehenden Herausforderungen zur Energieversorgung so­wie die Relevanz des multikriteriellen Ansatzes zur Bewertung von Technologien der Energiebereitstellung dargelegt und entsprechende Ziele dieser Arbeit formuliert.

In Kapitel 2 folgt die Auswahl und Vorstellung einer multikriteriellen Entscheidungsme­thode. Darunter fällt die Beschreibung des methodischen Vorgehens. Darüber hinaus wird festgelegt, wie zum einen die Bewertungskriterien und wie zum anderen die Alternativen identifiziert werden.

Anschließend wird in Kapitel 3 die thermische Energiebereitstellung thematisiert. An­fangs werden in dem Kapitel die Kriterien identifiziert, definiert, analysiert und gewich­tet. Im Anschluss erfolgt die Identifikation und Beschreibung von Technologien zur De­ckung des thermischen Energiebedarfs unter Berücksichtigung technischer, ökonomi­scher, ökologischer und gesellschaftlicher Aspekte. Nach dieser Vorstellung erfolgt die Bewertung der Technologien anhand der zuvor identifizierten Kriterien. Auf dieser Basis wird das Szenario der klimaneutralen thermischen Energieversorgung für das Jahr 2050 erstellt und vorgeführt.

Im Rahmen des Kapitels 4 wird die kinetische Energiebereitstellung thematisiert. Analog zu dem Aufbau des dritten Kapitels erfolgt zunächst die Entwicklung und Analyse von Kriterien sowie Alternativen. Anschließend werden die Alternativen hinsichtlich der identifizierten Kriterien bewertet, sodass auch hier eine Ableitung des Szenarios 2050 für die kinetische Energiebereitstellung möglich ist. Mit der Vorstellung des Szenarios schließt das Kapitel ab.

Kapitel 5 beschäftigt sich mit der elektrischen Energiebereitstellung. Der Aufbau ist da­bei ebenfalls identisch zu dem des dritten Kapitels. Eingangs werden sowohl die Kriterien als auch die Alternativen beschrieben und analysiert, sodass die Bewertung von Techno­logien zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs erfolgen kann. Basierend auf den Bewertungsergebnissen wird das Szenario 2050 für die elektrische Energiebereitstellung abgeleitet.

Zuletzt befasst sich Kapitel 6 mit der Synthese der gewonnenen Ergebnisse. Dabei wer­den diese Ergebnisse kurzerhand zusammengefasst, sodass eine Ableitung von Hand­lungsempfehlungen und eine kritische Reflexion möglich sind. Mit diesem Kapitel findet die Masterarbeit ihren Abschluss.

2 Methodisches Vorgehen

2.1 Multikriterielle Entscheidungsanalyse: Analytic Hierarchy Process

Der Analytic Hierarchy Process (AHP) ist eine Methode zur Entscheidungsunterstützung. Er zählt zu den multikriteriellen Entscheidungsanalysen und findet sowohl im unterneh­merischen als auch im wissenschaftlichen Kontext Anwendung. Die Analyse und Hierar- chisierung eines Entscheidungsproblems nimmt dabei die zentrale Rolle ein. Die Me­thode wurde von Thomas L. Saaty entwickelt, um auf systematische Weise Prioritäten zu definieren und komplexe Entscheidungen zu unterstützen. Die hierarchische Struktur der AHP-Methode kann eine Vielzahl von Faktoren eines komplexen Entscheidungsprob­lems zum Ausdruck bringen und synthetisieren, wodurch unter anderem die Definition des Entscheidungsproblems erleichtert wird.⁵⁰ In dieser Arbeit werden das methodische Vorgehen sowie die Durchführung samt Begründungen vollständig dokumentiert.

Die multikriteriellen Entscheidungsanalysen (MCDA)⁵¹ sind Bestandteil der Entschei­dungstheorie. Derartige Methoden werden herangezogen, sofern mehrere Alternativen zur Auswahl stehen und mehrere Kriterien bei der Alternativenbewertung zu berücksich­tigen sind.⁵² In der Literatur werden mehr als 50 Methoden unterschieden;^{53 54} von diesen ist in der nachfolgenden Abbildung eine Auswahl an MCDA Methoden dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: MCDA Methoden.59

Einige der MCDA-Methoden können dabei untereinander substituiert werden. Allerdings können sich die Ergebnisse von Methode zu Methode unterscheiden. Die Abweichungen können durch einen unterschiedlichen Umgang mit den Gewichtungen, die Verwendung verschiedener Algorithmen, Abhängigkeiten im Entscheidungsprozess oder durch den Einfluss zusätzlicher Parameter hervorgerufen werden.⁵⁵ Hierdurch kommt der Selektion einer adäquaten Methode eine besondere Bedeutung zu.⁵⁶

Um die Methodenauswahl zu vereinfachen und die Nützlichkeit zu prüfen, haben Profes­soren der Universität Stettin ein Rahmenwerk vorgeschlagen. Die Durchführung der Me­thode AHP wird dabei als sinnvoll bewertet, sofern a) Kriterien relativ gewichtet werden; b) paarweise Vergleiche durchgeführt werden können; c) dem Entscheidungsproblem keine Unsicherheiten unterliegen; d) das Ergebnis in Form eines Rankings dargestellt werden soll.⁵⁷ In Hinblick auf die Bewertung von Technologien in dieser Arbeit sind a), b) und d) erfüllt. Dem Entscheidungsproblem können jedoch Unsicherheiten unterliegen, diese können in einem reinen AHP Modell unter Nutzung der von Saaty vorgeschlagenen Bewertungsskala nicht abgebildet werden. Da in dieser Arbeit jedoch nur etablierte Tech­nologien in die Bewertung Einzug finden, wird zunächst angenommen, dass keine bzw. vernachlässigbare Unsicherheiten innerhalb der Vergleiche vorliegen.

Im Zusammenhang mit AHP wird das Erfordernis eines paarweisen Vergleichs als Vor­teil angesehen, da Entscheidungsträger tiefer über die Gewichtung verschiedener Fakto­ren nachdenken und die Situationen auf tieferen Ebenen analysieren müssen. Ein weiterer Vorteil von AHP ist die Fähigkeit, Qualitäts- und Quantitätsindikatoren mithilfe von men­talen Präferenzen, Fachwissen und objektiven Informationen zu messen. Durch die Klas­sifizierung der Kriterien in einem Entscheidungsbaum bewertet AHP systematisch kom­plexe Probleme. Es wird dabei ermöglicht, die Standpunkte von Experten und Entschei­dungsträgern miteinzubeziehen. Darüber hinaus sind Sensitivitätsanalysen im Anschluss an die Bewertung durchführbar. Ein einzigartiges Merkmal von AHP ist die Möglichkeit, die Konsistenz bzw. Inkonsistenz von Entscheidungen der Entscheidungsträger zu be- rechnen.^{58 59}

Bei dem Vorgehen nach der Methode AHP wird im ersten Schritt ein komplexes Ent­scheidungsproblem in eine hierarchische Struktur zerlegt, wie sie beispielhaft in der nach­stehenden Abbildung gezeigt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Struktur eines AHP-Modells mit drei Ebenen.64

Die Struktur eines AHP-Problems besteht grundsätzlich aus drei elementaren Entschei­dungskomponenten: Ziele, Kriterien und Alternativen. Somit ergibt sich eine mindestens dreistufige Hierarchie mit: (1) dem Gesamtziel auf dem höchsten Level; (2) mehreren Kriterien Kx auf der mittleren Ebene, welche die Alternativen charakterisieren; und (3) mehreren Alternativen Ax auf der niedrigsten Ebene.⁶⁰

Der zweite Schritt beinhaltet den Vergleich der Elemente (Unterziele, Kriterien und Al­ternativen). Sobald das Problem analysiert und die Hierarchieebenen gebildet wurden, werden die relativen Gewichtungen auf jeder Ziel- und Kriterienebene durch den Paar­vergleich ermittelt. Im Anschluss wird der Paarvergleich auf der Alternativenebene durchgeführt, um die relativen Präferenzen in Bezug auf die jeweiligen Kriterien zu be­stimmen. Die paarweisen Vergleiche werden unter Verwendung einer 9-Punkte-Stan­dardskala durchgeführt.^{61 62}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: 9-Punkte-Standard-Skala zur Durchführung des Paarvergleichs.67

Die neunstufige Skala wurde dabei dem Weber-Fechner-Gesetz abgeleitet, welches den Zusammenhang zwischen der subjektiven Sinneswahrnehmung und der objektiv messba­ren Intensität (Stimulus - Response) beschreibt.⁶³ Die Skala ermöglicht die Kombination von quantitativen als auch qualitativen Merkmalen in der Methode AHP.⁶⁴

Der jeweilige Skalenwert zwischen 1 und 9 drückt dabei aus, wie häufig ein Element ein anderes Element in Bezug auf ein Kriterium oder Ziel dominiert.⁶⁵ Die Skala setzt so­gleich fest, dass die zu vergleichenden Elemente derselben Größenordnung entsprechen müssen. Sofern die Ausprägungen der Merkmale nicht in derselben Größenordnung lie­gen, schlägt Saaty das „Clustering“ vor. Hierbei werden Gruppen von Elementen gebil­det, dessen Ausprägungen in derselben Größenordnung liegen. Daraufhin erfolgt die Be­wertung und die Synthese.⁶⁶ Bei quantitativen Merkmalen können die direkten Verhält­nisse der Ausprägungen gebildet werden, sofern ein linear-proportionaler Zusammen­hang zwischen der Präferenz bzw. des Gewichts eines Elements und dessen objektiv messbaren Intensität unterstellt werden kann. In diesem Zusammenhang besteht die Mög­lichkeit, auch rationale Werte in die Matrix einzubeziehen, welche nicht der 9-Punkte- Standard-Skala entstammen.^{67 68 69} Andernfalls können bei nicht-linearen Zusammenhängen Klassen gebildet werden, durch welche die Zuordnung der Präferenzwerte aus der 9- Punkte-Standard-Skala erfolgen kann. In Bezug auf die Anwendung der Methode AHP weist Saaty auf vier verschiedene zu berücksichtigende Axiome hin.

Bei dem paarweisen Vergleich gilt zunächst das Axiom der Konsistenz. Darunter gilt Reziprozität: Wenn einem Element i beim Vergleich mit einem Element j ein Präferenz­wert aij zugewiesen wurde, so muss beim Vergleich von dem Element j zu dem Element i der Kehrwert zugewiesen werden, sodass:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das dritte Axiom bezieht sich auf die Hierarchisierung. Das Entscheidungsproblem wird dabei, wie zuvor in Abbildung 10 veranschaulicht, in mehrere Ebenen zergliedert. Jede Ebene beeinflusst dabei jeweils nur eine höhere Ebene und wird selbst nur von der da­runter liegenden Ebene beeinflusst. Folglich dürfen sich die Elemente derselben Ebene nicht beeinflussen.⁷⁰

Des Weiteren ist das Axiom der Vollständigkeit zu berücksichtigen. Dabei sollten alle Kriterien und Alternativen, die einen Einfluss auf das Entscheidungsproblem haben, in der Hierarchie bzw. Modellierung enthalten sein.⁷¹

Auf jeder Ebene werden Matrizen (im nachfolgenden Beispiel Matrix A) in Hinblick auf ein Ziel, ein Unterziel oder ein Kriterium in folgender Form aufgestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sobald die Werte der Matrix eingegeben wurden, erfolgt die Bestimmung des Präferenz­vektors. Dabei beschreibt Saaty zwei Näherungsverfahren zur Ermittlung der Präferenz­vektoren. Zum einen kann das geometrische Mittel über die Werte einer Zeile bestimmt werden. Dabei steht xUgeom für das geometrische Mittel der Zeile i, n für die Anzahl an Spalten und k für die Spalte, in welcher sich der jeweilige numerische Wert a befindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anschließend werden die einzelnen geometrischen Mittel der jeweiligen Zeilen durch die Summe aller geometrischen Mittel dividiert und somit normalisiert. Nachfolgend steht Xi,geom,norm für das normalisierte geometrische Mittel der Zeile i und z für die Anzahl der Zeilen. Das normalisierte geometrische Mittel bildet dabei die jeweilige Präferenz eines Elements ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der zweite Ansatz, um die jeweilige Präferenz eines Elements abzubilden, erfolgt durch das Normalisieren der Spaltenwerte. Hierbei steht z für die Anzahl der Zeilen und aiXnorm für den normalisierten Wert der Zeile i in Spalte k.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anschließend werden die arithmetischen Mittel der Zeilenwerte gebildet. Diese stellen die jeweilige Präferenz eines Elements ab. Dabei kennzeichnet xiarith/norm das arithmeti­sche Mittel der Zeilenwerte, i die jeweilige Zeile, k die jeweilige Spalte und n die Anzahl der Spalten.⁷²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dieser Arbeit wird der zweite Ansatz zur Bestimmung des Präferenzvektors verfolgt. Für den Fall, dass mehrere Zielebenen oder Kriterienebenen bestehen, das heißt einem Ziel können weitere Ziele bzw. einem Kriterium weitere Kriterien untergeordnet werden, so wird zwischen lokalen und globalen Gewichten unterschieden. Die lokalen Gewichte werden durch die Werte des Präferenzvektors abgebildet. Die globalen Gewichte werden durch die Multiplikation mit den Gewichten der hierarchisch übergeordneten Kriterien und Ziele berechnet.⁷³

Nach dem Aufstellen einer Matrix erfolgt die Konsistenzprüfung der eingegebenen Werte. Darunter erwähnt Saaty, dass maximal neun Elemente verglichen werden sollten, um möglichst hohe Konsistenzwerte erreichen zu können.⁷⁴ Um die Konsistenz einer Mat­rix zu berechnen, wird von Saaty eine Approximation des Haupteigenwertes Xmax (Prin­cipal Eigen Value) vorgeschlagen. Der Haupteigenwert wird dabei erhalten, indem die Spaltensummen der Matrix A mit den Werten des Präferenzvektors multipliziert werden. Nachfolgend stehen z für die Anzahl der Spalten, n für die Anzahl der Zeilen und i für die jeweilige Zeile.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Allerdings ist das Erfüllen dieser Bedingung insbesondere bei größeren Matrizen zu auf­wendig, sodass Saaty Grenzwerte für hinreichende Konsistenz definiert. Dabei wird die Varianz aller Matrixwerte berechnet. Diese Varianz der Matrix wird als Konsistenzwert bzw. Consistency Index (C.I.) bezeichnet und lässt sich ermitteln durch:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um beurteilen zu können, ob eine Matrix die Anforderungen an die Konsistenz erfüllt, hat Saaty Grenzwerte bzw. Random Consistency Indices (R.I.) berechnet. Die Werte stel­len durchschnittliche Konsistenzindizes dar und sind aus Stichproben von zufällig erzeug­ten reziproken Matrizen unter Verwendung der 9-Punkte-Standard-Skala abgeleitet wor­den. Die Grenzwerte sind in Abhängigkeit von der Anzahl der Elemente n in der nachfol­genden Tabelle gelistet.^{75 76 77}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Random Consistency Indices zur Konsistenzprüfung.81

Die Matrix gilt als hinreichend konsistent, wenn C.I. < R.I ist. Sofern diese Bedingung erfüllt ist, wird noch die Konsistenzratio bzw. Consistency Ratio (C.R.) berechnet. Sie darf den Wert von 0.1 bzw. 10 Prozent nicht überschreiten. Ein Wert von 10 Prozent oder weniger impliziert, dass die vorzunehmenden Anpassungen der Matrixwerte, um voll­ständige Konsistenz zu erreichen, gering sind, der Aufwand jedoch entsprechend höher. Die Konsistenzratio wird durch das Verhältnis vom C.I. zum R.I. definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Auswertung wird das globale Gewicht Ggiobai eines Kriteriums K mit dem Präfe­renzvektor des Alternativenvergleichs bezüglich des jeweiligen Kriteriums multipliziert. Die daraus resultierenden gewichteten Präferenzvektoren P entsprechen der Form:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im letzten Schritt der Synthese werden die Präferenzwerte der jeweiligen Alternativen summiert, sodass sich ein finaler Präferenzvektor ergibt.⁷⁸

Nachdem die Bewertung abgeschlossen ist, besteht die Möglichkeit, weitere Alternativen in der Hierarchie zu berücksichtigen. Bei dem Hinzufügen einer weiteren Alternative sollte jedoch die Gewichtung überdacht werden, da dies sonst zu dem sogenannten Rank Reversal (Rangumkehrung) führen kann. Alternativ kann zur Vermeidung des Rank Re­versals ein weiterer Modus (AHP-Ideal-Mode) genutzt werden, bei welchem die norma­lisierten Werte durch den Wert der besten Alternative dividiert werden.^{79 80}

2.2 Vorgehen zur Identifikation von Kriterien

Bei der Aufstellung der Hierarchie ist die Identifikation von Kriterien einer der ersten Schritte. Dabei werden die Kriterien in dieser Arbeit der technischen, ökonomischen, ökologischen oder gesellschaftlichen Dimension zugeordnet. In der nachfolgenden Ta­belle wird erläutert, was Bestandteil der jeweiligen Dimension respektive Kriteriengruppe sein wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4: Definition von Kriterien.

Wie der Tabelle zu entnehmen ist, finden die politischen und rechtlichen Faktoren im Weiteren keine Berücksichtigung, da insbesondere diese Faktoren starken Änderungen unterliegen. Des Weiteren soll in dieser Arbeit herausgefunden werden, welche Techno­logien aus den vier oben beschriebenen Sichten das höchste Potential bieten, um schließ­lich über politische Subventionen und Initiativen diese Potentiale ausschöpfen zu können. Aus diesem Grund findet auch nur die Kostenstruktur unter den ökonomischen Gesichts­punkten Einzug.

Das Identifizieren von Kriterien erfolgt größtenteils durch die Literaturrecherche. Dabei werden zum einen in der Literatur genannte Kriterien bezüglich des jeweiligen Untersu­chungsgegenstandes gesucht, synthetisiert, systematisiert und anschließend deren Aus­prägung auf der Ebene der Alternativen-Vergleiche analysiert sowie bewertet. Zum an­deren werden durch die Anforderungen an die klimaneutrale Energieversorgung relevante Kriterien herausgearbeitet.

Wie nachfolgend dargestellt, wurde das Vorgehen zur Identifikation von Kriterien in vier Schritte unterteilt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Vorgehen bei der Identifikation von Kriterien.

Von hier aus kann der letzte Schritt auf der Kriterienebene ausgeführt werden. Die ein­zelnen Kriterien werden dabei im Paarvergleich bewertet, sodass mit der Alternativen­Identifikation fortgefahren werden kann.

2.3 Vorgehen zur Identifikation von Alternativen

Nachdem die Kriterien evaluiert wurden, erfolgt die Entwicklung von Alternativen. Da­bei werden in der Literatur erwähnte Technologien berücksichtigt. Des Weiteren werden auf dem Markt verfügbare Technologien recherchiert und bei ausreichender Datengrund­lage ebenfalls einbezogen. Aufgenommen werden möglichst alle in Frage kommenden Technologien und Technologie-Stränge, zu denen ausreichende Informationen vorliegen. Als Technologiestrang soll die Verknüpfung von Technologien zur Bereitstellung von Endenergie bezeichnet werden. Der Vergleich solcher Stränge schlägt sich auch in dem Cradle-to-Grave Ansatz wieder, da hierdurch alle relevanten und notwendigen Informa­tionen aufbereitet werden müssen, um einen qualifizierten Vergleich bzw. eine qualifi­zierte Bewertung durchführen zu können. Folglich gliedert sich das Vorgehen zur Identi­fikation in drei Schritte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Vorgehen bei der Identifikation von Alternativen.

3 Klimaneutrale thermische Energie

3.1 Kriterien zur Bewertung von Technologien der thermischen Energiebereitstellung

Um das Potential verschiedener Technologien zur Deckung des thermischen Energiebe­darfs bewerten zu können, werden in diesem Kapitel die unterschiedlichen Anforderun­gen an die Technologien im Rahmen der thermischen Energiebereitstellung ausgearbei­tet, definiert und den Kriteriengruppen (technisch, ökonomisch, ökologisch und gesell­schaftlich) zugeordnet. Der thermische Energiebedarf bezeichnet dabei die Wärme­menge, welche in den Sektoren Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen sowie Haushalte in Form von Prozesswärme oder Niedertemperaturwärme benötigt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5: Bewertungskriterien in der thermischen Energiebereitstellung.

Die Kriterien-Analyse soll, analog zur Analyse von Entscheidungstabellen, den vier fol­genden Anforderungen genügen:

- Vollständigkeit: Alle relevanten Kriterien finden Berücksichtigung,
- Redundanzfreiheit: Es werden keine Kriterien mehrfach genannt,
- Konsolidierung: Kriterien können nicht weiter zusammengefasst werden,
- Konsistenz: Es besteht kein Widerspruch zwischen den Kriterien.

Durch die Anforderungen an eine klimaneutrale Energieversorgung und die verschiede­nen Technologiemerkmale wurden Kriterien aus der technischen, ökonomischen, ökolo­gischen und gesellschaftlichen Sichtweise abgeleitet. Dabei ist das Fehlen eines Kriteri­ums in der vorliegenden Arbeit nicht auszuschließen,⁸¹ dennoch wird das Erfüllen der Vollständigkeitsbedingung unterstellt.

In Zusammenhang mit der Redundanzfreiheit ist zu erwähnen, dass eine direkte Bezie­hung zwischen den Kriterien „Investitionskosten“ und „Energiegestehungskosten“ inso­fern besteht, dass die Investitionskosten den Energiegestehungskosten inbegriffen sind.

Dennoch werden die Investitionskosten separat als Kriterium aufgeführt, da die Investi­tionsbereitschaft nicht durch die gemittelten Energiegestehungskosten abgebildet werden kann. In der Gruppe der technischen Kriterien könnte eine weitere Abhängigkeit unter­stellt werden, denn sofern der Erntefaktor einer Technologie gering ist (nahe eins), so wird auch die Bedarfsdeckbarkeit stark beeinflusst. Jedoch wird der Energieaufwand, welcher mit einer Technologie einhergeht, nicht in dem Kriterium der Bedarfsdeckbarkeit berücksichtigt und wird daher separat aufgeführt.

Weiterhin erfolgte die Beschreibung der Kriterien per vorangegangener Definition. Dabei können die Kriterien nicht untereinander subsumiert werden, da sie aus den Kriterien­gruppen abgeleitet worden sind. Außerdem konnten keine Widersprüche zwischen den Kriterien festgestellt werden. Schließlich entsprechen die Kriterien den Anforderungen an die Konsolidierung und Konsistenz.

3.2 Gewichtung der Kriterien zur Deckung des thermischen Energiebedarfs

Nachfolgend wird die erste Gewichtung der Kriteriengruppen vorgenommen. Da die technische Dimension für die Energiebereitstellung bzw. der Deckung des thermischen Energiebedarfs essentiell ist und die Grundlage für weitere Analysen bietet, wurde diese gegenüber der ökonomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Dimensionen leicht höher gewichtet. Die ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Dimension wur­den, wie Tabelle 6 zu entnehmen ist, gleich gewichtet. In der nachstehenden Abbildung werden die Beziehungen der unterschiedlichen Dimensionen des Potentials dargestellt.⁸²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Dimensionen des Potentials.88

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6: Gewichtung der Kriteriengruppen.

Im nächsten Schritt erfolgt die Gewichtung der verschiedenen Kriterien innerhalb der je­weiligen Kriteriengruppen. Dabei bezieht sich die nachfolgende Tabelle auf die techni­sche Kriteriengruppe. Hierbei wurde der Bedarfsdeckbarkeit gegenüber der Regelbarkeit eine leicht höhere Bedeutung zugeordnet, da die Bedarfsdeckbarkeit eine Voraussetzung für die Regelbarkeit darstellt. Weiterhin ist die Regelbarkeit leicht wichtiger als der Ern­tefaktor, da die Regelbarkeit einen fundamentalen Beitrag zur zeitbezogenen Energiebe­darfsdeckung leistet. Der Erntefaktor hingegen indiziert das Verhältnis von produzierter Energie zur konsumierten Energie während des Lebenszyklus einer Technologie. Der Erntefaktor wird im Vergleich zu den technischen Risiken als leicht wichtiger bewertet, da ausschließlich marktreife Technologien berücksichtigt werden. Wie bereits am Ende von Kapitel 2.1 erwähnt, muss die Kriteriengewichtung bei dem Hinzufügen einer weite­ren Alternative überdacht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 7: Gewichtung der technischen Kriterien.

Im Rahmen der ökonomischen Kriterien werden die Energiegestehungskosten gegenüber den Investitionskosten stärker gewichtet, da die Energiegestehungskosten die Investiti­onskosten mit einbeziehen und die Investitionskosten im Sinne der Investitionsbereit­schaft berücksichtigt werden. Somit sind die Energiegestehungskosten hinsichtlich der Alternativenbewertung aussagekräftiger.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 8: Gewichtung der ökonomischen Kriterien.

Bei dem Vergleich der ökologischen Kriterien werden die Ressourcennutzung und die Flächennutzung gleich gewichtet, da in beiden Fällen ein Allokationsproblem vorliegt. Die Recyclebarkeit wird im Vergleich zur Ressourcennutzung stärker gewichtet, da ins­besondere die Auswirkungen der Ressourcennutzung sowie die Energieaufwendung im Rahmen der Rohstoffgewinnung durch das Recycling gemindert werden können. Den ökologischen Risiken wird eine im Vergleich zur Ressourcennutzung bzw. Flächennut­zung leicht höhere Bedeutung zugeteilt, da die ökologischen Risiken die potentiellen Aus­wirkungen auf die Flora und Fauna einschließen, während es bei der Ressourcennutzung und Flächennutzung primär um die Zuordnung von knappen Gütern geht. Die aus der Zuordnung resultierenden Auswirkungen auf die Flora und Fauna werden entsprechend unter den ökologischen Risiken aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 9: Gewichtung der ökologischen Kriterien.

Im Zusammenhang mit den gesellschaftlichen Kriterien wird der Geräuschemission und der visuellen Erscheinung die gleiche Bedeutung zugeordnet, da es sich hierbei um zwei unterschiedliche Arten der Sinneswahrnehmung handelt. Weiterhin wird der visuellen Erscheinung eine etwas höhere Bedeutung gegenüber dem Installationsaufwand zugeord­net, weil die visuelle Erscheinung von längerfristiger Bedeutung ist und der Installations­aufwand eine vergleichsweise sehr kurze Zeitspanne umfasst. Die gesellschaftlichen Ri­siken werden wiederum deutlich stärker gewichtet als der Installationsaufwand, da sich die Auswirkungen in erheblichen Beeinträchtigungen respektive Schäden niederschlagen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 10: Gewichtung der gesellschaftlichen Kriterien.

Im Anschluss werden die globalen Gewichte der Kriterien ermittelt. Dies geschieht indem die lokalen Gewichte der Präferenzvektoren mit den Gewichten der Kriteriengruppen multipliziert werden. Die globalen Gewichte werden zum Aufstellen des finalen Präfe­renzvektors benötigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 11: Lokale und globale Gewichte der Kriterien.

3.3 Technologien zur Bereitstellung thermischer Energie

In dem Jahr 2019 wurde der Wärmeverbrauch aus erneuerbaren Energien größtenteils durch biogene Brennstoffe gedeckt. Oberflächennahe Geothermie, Tiefengeothermie, Umweltwärme und Solarthermie machten zusammen einen Anteil von 13.8 Prozent an dem Wärmeverbrauch aus erneuerbaren Energien aus.⁸³ Der Gesamtwärmebedarf in Deutschland gliederte sich 2017 auf in 56 Prozent (820 TWh) Niedertemperaturwärme,⁸⁴ 39 Prozent (570 TWh) Prozesswärme sowie 4 Prozent (60 TWh) Prozesskälte und Kli­matisierung.⁸⁵ Aufgrund des geringen Anteils werden Technologien der Prozesskälte und Klimatisierung in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Im Folgenden werden verschiedene Technologien hinsichtlich der technischen, ökonomischen, ökologischen und gesell­schaftlichen Dimension beschrieben und analysiert.

Wärmepumpen

Wärmepumpen sind technische Anlagen, welche thermische Energie über einen Wärme­träger aus einer Niedertemperaturquelle aufnehmen und auf ein zu beheizendes System übertragen.⁸⁶ Dabei hängt die Effizienz maßgeblich von dem Temperaturunterschied zwi­schen Wärmequelle und dem zu beheizenden System ab.

Ein steigender Temperaturunterschied hat dabei eine exponentielle Abnahme der Effizi­enz zur Folge.⁸⁷ Bisher liegen die Temperaturniveaus zur Wärmebedarfsdeckung jegli­cher Wärmepumpen unter 90 °C, weshalb sie zur Bereitstellung von Niedertemperatur­wärme eingesetzt werden.⁸⁸

Grundsätzlich können Wärmepumpen nach der Funktionsweise kategorisiert werden:

- Kompressions-Wärmepumpen,
- Adsorption-Wärmepumpen und
- Absorption-Wärmepumpen.⁸⁹

Weiter werden Wärmepumpen nach der Quelle differenziert:

- Sole bzw. Erdboden (Geothermie),
- Luft (Aerothermie),
- Grundwasser und Abwasser (Hydrothermie).⁹⁰

Bei der Kompressions-Wärmepumpe gliedert sich der Kreisprozess in vier Schritte. Zu­erst verdampft der Wärmeträger durch die Aufnahme der thermischen Energie aus der Umgebung (Schritt 1). Anschließend wird der Wärmeträger in einem Kompressor ver­dichtet (Schritt 2). In einem Wärmetauscher kann die Nutzwärme an der Senke abgegeben werden (Schritt 3), wobei der Wärmeträger kondensiert und sich verflüssigt. Zuletzt er­folgt die Druckminderung über ein Expansionsventil (Schritt 4), sodass der Prozess wie­der bei den ausgehenden thermischen Zustandsgrößen ansetzen kann.⁹¹ Elektrische Wär- mepumpen bzw. Kompressionswärmepumpen haben eine Lebensdauer von ca. 20 Jah­ren.^{92 93} In der nachstehenden Abbildung ist der Kreisprozess einer Kompressionswärme­pumpe veranschaulicht.

Bei der Bewertung wird der Einsatz elektrischer Energie in der Verdichtungsphase be­trachtet. Gasmotorische Wärmepumpen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie zu­vor beschrieben, nur dass ein mit Gas betriebener Motor bei der Verdichtung des Medi­ums zum Einsatz kommt.⁹⁴

Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen verbrennen jeweils Gas im Kreisprozess. Bei der Absorptions-Wärmepumpe gliedert sich der Kreisprozess wiederum in vier Stu­fen. Zunächst gelangt ein Wärmeträger wie z. B. Ammoniak in einen Verdampfer (Schritt 1), welcher die Umweltwärme nutzt und ohne Verbrennung auskommt. Dabei wird der Wärmeträger gasförmig und strömt zu einem Absorber (Schritt 2), wobei ein weiteres Medium den Dampf absorbiert. Hierbei steigt die Temperatur, sodass sich Nutzwärme abführen lässt. Die reiche Lösung wird im nächsten Schritt über eine Lösungsmittel­pumpe zu einem thermischen Verdichter geführt (Schritt 3), welcher im Normalfall Gas verbrennt, damit die zwei unterschiedlichen Medien durch deren Siedepunkte voneinan­der getrennt werden. Zuletzt gelangt der gasförmige Wärmeträger zu einem Kondensator (Schritt 4), wo er sich verflüssigt und erneut Nutzwärme abgeben kann. Über ein Expan­sionsventil werden die ausgehenden thermischen Zustandsgrößen hergestellt, sodass der Prozess wieder an dem ersten Schritt ansetzen kann.⁹⁵ Die nachfolgende Abbildung il­lustriert den Kreisprozess einer Absorptions-Wärmepumpe.

[...]

---

¹ Der Bruttostromverbrauch berücksichtigt den Endenergieverbrauch elektrischer Energie einschließlich der Umwandlungs-, Übertragungs- und Verteilungsverluste. Vgl. Europäische Union 2009, L 140/27. Der Endenergieverbrauch bezeichnet hingegen den Teil des Energieangebots im Inland, welcher nach der Umwandlung unmittelbar der Bereitstellung von Nutzenergie dient. In den Sektoren Wärme und Verkehr wird der Endenergieverbrauch angegeben. Vgl. AG Energiebilanzen 2019b, S. 23.

² Vgl. Umweltbundesamt 2019f i. V. m. Umweltbundesamt 2020c.

³ Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2020, S. 10 Tabelle 7.

⁴ Vgl. ebd.

⁵ Vgl. Kappas 2009, S. 155.

⁶ Aerosole sind Gemische aus Gasteilchen mit Festkörper- oder Flüssigteilchen wie z. B. Staub oder Rauch. Vgl. IPCC 2014a, S. 34.

⁷ Vgl. ebd.

⁸ Vgl. ebd. S. 67.

⁹ Der Strahlungsantrieb bezeichnet die thermodynamische Wirkung von Medien auf das Erdklima. Ein positiver Strahlungsantrieb führt zu einer Erwärmung, ein negativer Strahlungsantrieb zu einer Ab­kühlung. Vgl. Kappas 2009, S. 155.

¹⁰ Vgl. Butler/ Montzka 2019. Abweichungen durch Rundung, (Daten aus Graph und Tabelle).

¹¹ Vgl. Quaschning 2019, S. 27.

¹² Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2014.

¹³ IPCC 2016, S. 16.

¹⁴ Vgl. United Nations 2018. Die Masse von Treibhausgasen wird wegen der unterschiedlichen Treib­ hauswirkung der jeweiligen Gase in CÜ2-Äquivalente Tonnen (CÜ2et) angegeben.

¹⁵ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2019a, S. 4.

¹⁶ Vgl. ebd.

¹⁷ Mit direktem Energiekonsum ist z. B. das Heizen einer Wohnung gemeint, während z. B. das Kaufen von Lebensmitteln mit dem zugehörigen CÜ2e-Fußabdruck zum indirekten Energiekonsum zählt.

¹⁸ Vgl. IPCC 2014b, S. 12.

¹⁹ Vgl. United Nations 1988.

²⁰ Vgl. Umweltbundesamt 2017a, S. 5.

²¹ Vgl. ebd., S. 4 f.

²² Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2019b.

²³ Vgl. Umweltbundesamt 2017b.

²⁴ Vgl. United Nations 1997.

²⁵ Vgl. Umweltbundesamt 2019b, S. 64.

²⁶ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2019c, Abschnitt 18. Klima­ konferenz 2012 in Doha.

²⁷ Vgl. United Nations o. J., S. 3, Section C, Article 1.

²⁸ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2017a.

²⁹ Vgl. Bundesregierung 2017.

³⁰ Vgl. United Nations 2017a i. V. m. United Nations 2017b.

³¹ Vgl. Umweltbundesamt 2019b, S. 64.

³² Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2018, S. 9.

³³ Vgl. Agora Energiewende 2020, S. 25.

³⁴ Vgl. United Nations 2019a.

³⁵ Vgl. United Nations 2019b.

³⁶ Vgl. United Nations 2016.

³⁷ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2016, S. 6.

³⁸ Vgl. Umweltbundesamt 2019d.

³⁹ Vgl. Bundestag 2019a.

⁴⁰ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2017b unter: Sektorziele im Klimaschutzplan 2050 i. V. m. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2019a, S. 4.

⁴¹ Vgl. Deutsches Klimakabinett 2019, S. 3 f.

⁴² Vgl. Bundesregierung 2019.

⁴³ Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 2019d, S. 20 f.

⁴⁴ Vgl. Bundestag 2020.

⁴⁵ Vgl. Bundesregierung 2019a, § 1.

⁴⁶ Vgl. ebd., Abschnitt 2, § 4.

⁴⁷ Vgl. Bundesregierung 2019c, §§ 1, 2.

⁴⁸ Vgl. Bundesregierung 2015, § 1.

⁴⁹ Primärenergie kann auch direkt genutzt werden, wie es beispielsweise bei Wärmepumpen der Fall ist. Thermische Energie wird dabei beispielsweise aus dem Erdreich zur Senke übertragen.

⁵⁰ Vgl. Russo/ Camanho 2015, S. 1123.

⁵¹ Im Englischen: Multi Criteria Decision Analysis (MCDA).

⁵² Vgl. Watrobski/ Jankowski/ Ziemba u. a. 2018, S. 107.

⁵³ Vgl. ebd.

⁵⁴ Vgl. Whaiduzzaman/ Gani/ Anuar u. a. 2014, S. 3.

⁵⁵ Vgl. Watrobski/ Jankowski/ Ziemba u. a. 2018, S. 109.

⁵⁶ Vgl. ebd.

⁵⁷ Vgl. Watrobski/ Jankowski/ Ziemba u. a. 2018, S. 109 ff.

⁵⁸ Vgl. Balali/ Zahraie/ Roozbahani 2014, S. 151.

⁵⁹ Vgl. Gass 2013, S. 55.

⁶⁰ Vgl. Balali/ Zahraie/ Roozbahani 2014, S. 151.

⁶¹ Vgl. Gass 2013, S. 52 f.

⁶² Vgl. Saaty 1987, S. 163.

⁶³ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 33 f.

⁶⁴ Vgl. Wedley 1990, S. 57.

⁶⁵ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 34 f.

⁶⁶ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 36.

⁶⁷ Vgl. Wedley 1990, S. 60 f.

⁶⁸ Vgl. Saaty 1987, S. 166 f.

⁶⁹ Vgl. ebd., S. 170.

⁷⁰ Vgl. ebd., S. 168.

⁷¹ Vgl. Saaty 1987, S. 168.

⁷² Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 8.

⁷³ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 8.

⁷⁴ Vgl. Saaty 1990, S. 20.

⁷⁵ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 9.

⁷⁶ Vgl. ebd.

⁷⁷ Vgl. ebd.

⁷⁸ Vgl. Saaty 2008, S. 88.

⁷⁹ Vgl. Saaty/ Vargas 2001, S. 11, 17.

⁸⁰ Vgl. Crastan 2012, S. 63.

⁸¹ Das Kriterium „Nutzungsdauer“ wird aus dem Grund der Redundanzfreiheit nicht berücksichtigt. Die Nutzungsdauer ist dem Erntefaktor und den Energiegestehungskosten inbegriffen, siehe Definitionen „Erntefaktor“ und „Gestehungskosten der Energie“.

⁸² In Anlehnung an Lütkehus/ Salecker/ Adlunger 2013, S. 9.

⁸³ Vgl. Umweltbundesamt 2020b.

⁸⁴ Vgl. Umweltbundesamt 2018. Berechnung des Anteils an Niedertemperaturwärme durch Aufsummie­ ren des Raumwärme- und Warmwasserbedarfs dividiert durch den Gesamtwärmebedarf.

⁸⁵ Vgl. Umweltbundesamt 2018. Berechnung der weiteren Anteile wie zuvor beschrieben.

⁸⁶ Vgl. Bracke/ Bussmann/ Lange 2017, S. 9.

⁸⁷ Vgl. ebd.

⁸⁸ Vgl. Müller/ Röllig/ Paatzsch 2016, S. 148.

⁸⁹ Vgl. Quaschning 2019, S. 377.

⁹⁰ Vgl. ebd., S. 381.

⁹¹ Vgl. Bracke/ Bussmann/ Lange 2017, S. 9.

⁹² Vgl. Bracke/ Bussmann/ Lange 2017, S. 29.

⁹³ Vgl. Quaschning 2019, S. 378.

⁹⁴ Vgl. Bracke/ Bussmann/ Lange 2017, S. 14.

⁹⁵ Vgl. Quaschning 2019, S. 380 f.