Akteurs-zentrierte kommunale Klimaschutzstrategien · 18. Leipziger Bauseminar „„gKlimagerechte...
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18. Leipziger Bauseminar „Klimagerechte Stadt !?“„ g26. November 2009
Akteurs-zentrierte kommunale Klimaschutzstrategien
Prof Dr T Bruckner und Dr T WittmannProf. Dr. T. Bruckner und Dr. T. Wittmann
Vattenfall Europe Professur für Energiemanagement und NachhaltigkeitI tit t fü I f t kt d R tInstitut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement
Universität Leipzig
Klimapolitische HerausforderungKlimapolitische Herausforderung
Offizielles Klimaschutzziel der EU:5
6
5
6 [G
t C/a
]
Maximale Zunahme der globalen Mitteltemperatur: 2°C
4
5
4
5
strie
länd
er
2
3
2
3
n de
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us
1
2
1
2
mis
sion
en
0 50 100 150 20000 50 100 150 200
0
Jahre nach 1995
CO
2-E
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (1997); Schellnhuber und Bruckner (1998)
Nationale und internationale KlimaschutzinitiativenNationale und internationale Klimaschutzinitiativen
► KfW-CO2-Gebäudesanierungsprogramm► KfW CO2 Gebäudesanierungsprogramm
► Energieeinsparverordnung
► Gesetz für die Erhaltung die Modernisierung und den Ausbau der► Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Gesetz)
► Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
► Europäischer Emissionshandel (Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz)
Source: Passivhaus-Institut
Interagierende Akteure unter KlimaschutzrestriktionenKlimaschutzrestriktionen
Klimaschutzinitiativen beeinflussen Energieversorger
Liberalisierung Klimaschutz
direkt- technische Vorschriften- Fördermaßnahmen (KWK)
unabhängigeErzeuger
- Emissionsabgaben
indirekt üb d M ktEnergie- - über den Markt(Förderung von Konkurrenten)
- über das Energieversorgungsnetzwerk
StadtwerkeEnergie-nachfrager
Energieversorgungsnetzwerk(Maßnahmen zur Senkung der Energienachfrage)
(G S )externe Konkurrenten (Gas, Strom)
Beispielhafte Interaktion der AkteureBeispielhafte Interaktion der Akteure
StrombedarfWärmebedarf
Kraft-Wärme-
Kopplung
Kraft-Wärme-
Kopplung
Strom-nachfrager
Stadt-werke
UnabhängigeErzeuger
Wärme-nachfrager nachfragerwerkeErzeugernachfrager
Klimapolitische Rahmenbedingungen
Agenten basierte Hybrid ModellierungAgenten-basierte Hybrid-Modellierung
Szenarienbasierte Beschreibung der Rahmenbedingungen
Modellbasierte Abbildung der sozio-ökonomischen Akteursebene
Modellbasierte Erfassung der technologischender technologischen Wechselwirkungen
5 Jahre 5 Jahre5 Jahre
ZeitverlaufBetriebsführung
nves
titio
n Betriebsführung
nves
titio
n Betriebsführung
nves
titio
nQuelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
In In In
Agenten-basierte ModellierungAgenten-basierte Modellierung
deeco-a
Eigenschaften
► Agentenbasiertes techno-ökonomisches Hybridmodell
► Zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Modellierung des Energieversorgungsnetzwerkes mit deeco(dynamic energy emissions and cost optimization)
► Agentenbasierte Modellierung der► Agentenbasierte Modellierung der energiewirtschaftlich relevanten Akteure
► Analysen zur Diffusion innovativer Technologien unter Klimaschutzrestriktionen
Aggregation der InfrastrukturdatenAggregation der Infrastrukturdaten
Gebäudetypyp- Baujahr- Typ- Heizsystem
Status quo
bina
tion
Kom
b
Siedlungstyp- Infrastruktur- Kosten
- Status quo- Energieeffizienzmaßnahme
Optionen
- Energieeffizienzmaßnahme- neue Versorgungstechnik- Kombinationen
T. Wittmann, R. Morrison, J. Richter, T. Bruckner: A Bounded Rationality Model of Private Energy Investment Decisions, in: Proc. of the 29th IAEE International Conference: Securing Energy in Insecure Times, Potsdam (2006).
Aggregation der sozio-ökonomischen DatenAggregation der sozio-ökonomischen Daten
lokale Verortunglokale Verortung
Quelle: www.sociovision.de; www.microm.de
► Identifikation repräsentativer Akteure durch Clusterbildung basierend auf Ergebnissen der Lebensstilforschung (soziale Milieus)Ergebnissen der Lebensstilforschung (soziale Milieus)
► Lebensstilabhängige Modellierung der repräsentativen Akteure (unter Berücksichtigung begrenzter Rationalität)
T. Wittmann, R. Morrison, J. Richter, T. Bruckner: A Bounded Rationality Model of Private Energy Investment Decisions, in: Proc. of the 29th IAEE International Conference: Securing Energy in Insecure Times, Potsdam (2006).
Begrenzt rationale AkteureBegrenzt rationale Akteure
T. Wittmann, R. Morrison, J. Richter, T. Bruckner: A Bounded Rationality Model of Private Energy Investment Decisions, in: Proc. of the 29th IAEE International Conference: Securing Energy in Insecure Times, Potsdam (2006).
SINUS MilieusSINUS Milieus
T. Wittmann, R. Morrison, J. Richter, T. Bruckner: A Bounded Rationality Model of Private Energy Investment Decisions, in: Proc. of the 29th IAEE International Conference: Securing Energy in Insecure Times, Potsdam (2006).
Proof of Concept: DiffusionskurvenProof of Concept: Diffusionskurven
40
30
35
25
30
eil i
n %
15
20
Mar
ktan
t
konventioneller Ölkesselkonventioneller GaskesselGasbrennwertkessel (GBK)
5
10
( )GBK + Solarthermie (WW)GBK + Solarthermie (WW+H)Gas Mikro - KWKN h ä
0
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2005 2010 2015 2020 2025 2030
NahwärmePelletkessel
Zeit in JahrenQuelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
Proof of Concept: DiffusionskurvenProof of Concept: Diffusionskurven
40
30
35
Technologieführer
25
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eil i
n % Etablierter Agent
Technologieführer
Wohnungsbaugesellschaft
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Mar
ktan
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konventioneller Ölkesselkonventioneller GaskesselGasbrennwertkessel (GBK)
5
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( )GBK + Solarthermie (WW)GBK + Solarthermie (WW+H)Gas Mikro - KWKN h ä
0
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2005 2010 2015 2020 2025 2030
NahwärmePelletkessel
Zeit in JahrenQuelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt“BMBF-Wettbewerb „Energieeffiziente Stadt
Wege in die energieeffiziente urbane Moderne –Entwicklung eines akteursorientierten kommunalen Energiemanagementsystems für die Stadt DelitzschEnergiemanagementsystems für die Stadt Delitzsch
Kooperationspartner:
► Stadt Delitzsch
► Technische Werke Delitzsch GmbH
► Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft► Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig
► Vattenfall Europe Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit,I tit t fü I f t kt d R t U i ität L i iInstitut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig
► Leipziger Institut für Energie GmbH
KontaktKontaktEnergiemanagement
und Nachhaltigkeit
Prof. Dr. Thomas Bruckner
Vattenfall Europe Professur für E i t d N hh lti k itEnergiemanagement und Nachhaltigkeit
Wirtschaftswissenschaftliche FakultätUniversität Leipzigp gGrimmaische Str. 12D-04109 Leipzig
Tel. 0341/97 33516bruckner@wifa uni-leipzig [email protected]
http://www.uni-leipzig.de/energiemanagement/Quelle: Siemens AG
Ausgewählte LiteraturAusgewählte Literatur
Bruckner, T, H-M Groscurth, R Kümmel: Competition and Synergy between Energy Technologies in Municipal Energy Systems, Energy — The International Journal 22, 1005–1014 (1997).
Bruckner, T, R Morrison, C Handley, M Patterson: High-Resolution Modeling of Energy-Services Supply Systems using deeco: Overview and Application to PolicyServices Supply Systems using deeco: Overview and Application to Policy Development, Annals of Operations Research 121, 151–180 (2003).
Bruckner, T, R Morrison, T Wittmann: Public Policy Modeling of Distributed Energy Technologies: Strategies, Attributes, and Challenges, Ecological Economics 54, 328-g g , , g , g ,345 (2005).
Wittmann, T, T Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik 5/2007, 352-360 (2007).
Wittmann, T, R Morrison, J Richter, T Bruckner: A Bounded Rationality Model of Private Energy Investment Decisions, in: Proc. of the 29th IAEE International Conference: Securing Energy in Insecure Times, Potsdam (2006).
Wittmann, T: Agent-based Models of Energy Investment Decisions. Physica-Verlag Heidelberg (2007).
Wittmann, T, T Bruckner: Agent-based Modeling of Urban Energy Supply Systems Facing Climate Protection Constraints Proc of the 5th World Bank Urban ResearchClimate Protection Constraints, Proc. of the 5th World Bank Urban Research Symposium, “Cities and Climate Change”, Marseille (2009).
Aggregation of infrastructure dataAggregation of infrastructure data
Import_ H_1 C1
C 34
Demand_ H_1
room + water
Boiler_ Oil _1
conventionalC3
C6
C11
C9
C5 B8
Demand_ H_2Boiler_ Gas_2
Cogen _ Gas_1
conventionalC13
C15Import_ Gas _1
Import _Oil _1 C4
C7C10
C8
B2
B1
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room
Boiler_ Gas_1
conventional
condensing C22C15
C14C21
C16
C 12
B
B
Demand_ H_3
water
Boiler_ Pellet _1
conventional
C17
C24
C19
Import _ Pellet_1 C20
C23
B3
BA
Boiler_ Pellet _2
peakStorage _ H_2
largeC 27
Solar _H _2
largeC 26 C28B
4
C 25 B6
Boiler_ Gas_3
peakC 18
Storage _ H_1
small
C29
C33C 32Solar _H _1
smallC 31C 30 B2B
5
B2B7
Decision RulesDecision Rules
Search Rules Analysis ToolsSearch Rules y
find allfind common
Costinvestment costfind common
- peer group- location- past decisions
- investment cost- payback-period- net present value
- topical
find by aspects- as constraints or aspiration level
with reference to the status quo peer group
Environmental Impact- qualitative ranking (1-5)- final energy- with reference to the status quo, peer group
find next- defined order over alternatives- deviation from status quo
final energy- CO2-emissions
Comfortdeviation from status quo
- qualitative ranking (1-5)
Social MilieusSocial Milieus
• Technology Leader• Technology Leader– successful in life– professional career after she finished university– high quality and leading products
• Traditionalist– wants to provide for family securitywants to provide for family security– older employee– good quality at low price
E t bli h d• Established– high personal reputation– a good job with a good income– comfortable products
Parameters from Social MilieusParameters from Social Milieus
traditional technology leader establishedgy
goals (ordered) cost comfort environment cost comfort comfort cost environmentgoals (ordered) cost, comfort environment, cost, comfort comfort, cost, environment
search domain status_quo topical peer_group
b d t li it d id bl
constraint
budget limited considerable some
debt no yes yes
comfort (1-5) ≥ 3 ≥ 3 ≥ 4
environment – legislation legislation
rationality types low, medium medium, high medium
Rationality TypesRationality Types
L ti litLow rationality– has problems with decision making– search focus on past decision– has problems processing information
Medium rationality– has decision making experiences– has decision making experiences– search by consulting their friends– can estimate the future consequences of their decisions
High rationality– knows how to make decisions– search by consulting friends, experts, and mediay g , p ,– can process information accurately
Parameters from Rationality TypesParameters from Rationality Types
low rationality medium rationality high rationality
search rule find_next find_common find_all
cost investment payback npv
analysis tool
cost investment payback npv
environment qualitative consumer_energy cotwo
comfort qualitative qualitative qualitative
decision strategy SAT LEX LEX
Optimale Integration innovativer klimaschonender Energietechnologienklimaschonender Energietechnologien
Effiziente Technologien: Erneuerbare Energien:Effiziente Technologien:Gas- und Dampfkraftwerke(GuD-Anlagen)Blockheizkraftwerke
Erneuerbare Energien:WindkraftanlagenPhotovoltaikanlagenBiomasse-Heizkraftwerke
BrennstoffzellenWärmepumpen
Biomasse-HeizkraftwerkeGeothermie Thermische Solarkollektoren
Energiespeicher:Saisonale WärmespeicherD kl ft i hDruckluftspeicher
Der kombinierte Einsatz verschiedener Verfahren zur Emissionsminderung kann zu Synergie- und Konkurrenzeffekten führenkann zu Synergie und Konkurrenzeffekten führen.
Die Abschätzung der erreichbaren Emissionsminderung erfordert eine detaillierte Analyse des Zusammenwirkens der beteiligten Technologien.
Quelle: Bruckner et al., Energy — The International Journal (1997); Bruckner et al., Ecological Economics (2005)
Optimierung dezentraler und kommunaler EnergiesystemeEnergiesysteme
deeco – dynamic energy, emissions, and cost optimization
EigenschaftenEigenschaften
► Objektorientiertes Energiesystemoptimierungsmodell
► O ti i d E t f d d B t i b► Optimierung des Entwurfs und des Betriebs dezentraler, kommunaler und regionaler Energiesysteme
► Unterstützung von Energieversorgern bei Investitions- und g g gBetriebsführungsentscheidungen
► Integrierte Analyse von Klimaschutzstrategien unter Berücksichtigung von Synergie- und Konkurrenzeffekten zwischen Techniken der rationellen Energieverwendung und Nutzung erneuerbarer Energien
Quelle: Bruckner et al., Energy — The International Journal (1997).
Programmtechnische EigenschaftenProgrammtechnische Eigenschaften
► Flexible, objektorientierte und graphentheoretische Abbildung der► Flexible, objektorientierte und graphentheoretische Abbildung der Energieversorgungsnetzwerke (Codeumfang: 20 000 Zeilen C++)
► Substitution einer modelltechnisch aufwendigen Modellierung der systemweiten Mess-, Steuer- und Regelungstechnik durch eigenständiges Auffinden des zeitlich variablen optimalen Betriebspunktes im Rahmen der eingesetzten Einsatzoptimierungp g p g
► Berücksichtigung von zeitlich veränderlichen Umweltbedingungen (Witterung, Preise) und zeitlich variablen intensiven Größen (Vor- und Rücklauftemperaturen)
► Zielfunktionen: CO2, CO2-equiv, SO2, NOx, Staub,Primärenergieeinsatz betriebswirtschaftliche KostenPrimärenergieeinsatz, betriebswirtschaftliche Kosten
► Optimierungszeitraum: 1 repräsentatives Jahr
► Zeitliche Auflösung: ¼-Stundenwerte
Quelle: Bruckner et al., Annals of Operations Research (2003).
Prozessmodule
► Konventionelle Kraftwerke und Heizwerke
Prozessmodule
► Gegendruck- und Entnahme-Kondensations-Kraftwerke, Blockheizkraftwerke, Kleinheizkraftwerke
► Brennstoffzellen
► Wärmeübertragernetzwerke zur Nutzung industrieller Abwärme
► Gas- oder elektromotorisch betriebene Kompressionswärmepumpen, Absorptionswärmepumpen
► S l th i h K ll kt l► Solarthermische Kollektoranlagen
► Photovoltaik, Windkraftanlagen, solarthermische Kraftwerke
► T t hi ht t S i h fü S l i i d t i ll Ab ä► Temperaturgeschichtete Speicher für Solarenergie, industrielle Abwärme und Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (kurzfristig und saisonal)
► Speicher für elektrische Energie► Speicher für elektrische Energie
Kontex tabhängige WirkungsgradeKontex tabhängige Wirkungsgrade
Rücklauftemperaturabhängigkeit des TF,ExRücklauftemperaturabhängigkeit des Brennstoffzellenwirkungsgrades
TR E
] Weitere Beispiele für
TR,Ex
rme
[kW
]
kontextabhängige Wirkungsgrade:
Wä ►Brennwertkessel
►Wärmepumpen►Blockheizkraftwerke
Elektrische Energie [kW]
►Blockheizkraftwerke►Gegendruckturbinen►SolarkollektorElektrische Energie [kW]
Quelle: Bruckner et al., Proc. of the International EURO Conference on Operation Research Models and Methods in the Energy Sector (2006).
Graphentheoretische NetzwerkabbildungGraphentheoretische Netzwerkabbildung
Quelle: Bruckner et al., Proc. of the International EURO Conference on Operation Research Models and Methods in the Energy Sector (2006).
Zeitlich hochaufgelöste EnergienachfrageZeitlich hochaufgelöste Energienachfrage
Wärmebedarf (Fernwärme)Wh/
h]
Wärmebedarf (Fernwärme)
Nachfrage nach elektrischer Energiera
ge [M
Wgi
enac
hfr
Ene
rg
TTag
Quelle: Bruckner et al., Energy — The International Journal (1997).
Integrierte EnergiesystemeIntegrierte Energiesysteme
SK + BZ + BR
[%]
SK (Solarkollektor)
SK + BZ
geru
ng
SK + BZ + BR +WT (Windkraftanlagen)
20, 40, 80 x 1.5 MWsten
stei
g
BZ (Brennstoffzelle)BZ + BR (50% Wärme Bedarfsreduktion)
BZ + BR + WT
Kos
BZ + BR (50% Wärme-Bedarfsreduktion)
Emissionsreduktion [%]Quelle: Bruckner et al., Proc. of the International EURO Conference on Operation Research Models and Methods in the Energy Sector (2006).