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18. Leipziger Bauseminar Klimagerechte Stadt !?“ 26. November 2009 Akteurs-zentrierte kommunale Klimaschutzstrategien Prof Dr T Bruckner und Dr T Wittmann Prof. Dr. T. Bruckner und Dr. T. Wittmann Vattenfall Europe Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit I tit tfü I f t kt dR t Institut r Infrastruktur und Ressourcenmanagement Universität Leipzig

Akteurs-zentrierte kommunale Klimaschutzstrategien · 18. Leipziger Bauseminar „„gKlimagerechte Stadt !?“ 26. November 2009 Akteurs-zentrierte kommunale Klimaschutzstrategien

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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

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2

3

2

3

n de

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us

1

2

1

2

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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

Agentenbasierte Modellierung urbaner Energiesystemeurbaner Energiesysteme

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).

Technologiefundierte, agentenbasierte EnergiewirtschaftsmodelleEnergiewirtschaftsmodelle

Modellierung der InteraktionModellierung der Interaktion

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

5

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

30

eil i

n % Etablierter Agent

Technologieführer

Wohnungsbaugesellschaft

15

20

Mar

ktan

t

konventioneller Ölkesselkonventioneller GaskesselGasbrennwertkessel (GBK)

5

10

( )GBK + Solarthermie (WW)GBK + Solarthermie (WW+H)Gas Mikro - KWKN h ä

0

5

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

BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt“BMBF-Wettbewerb „Energieeffiziente Stadt

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

9

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

Parameters of ActorsParameters of Actors

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).