Kopernikus-Projekt „Systemintegration“: Energiewende-Navigationssystem
Duration: November 2016 until October 2019
Funded by: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Project Participants: IASS Potsdam You can find all project partners here.
Project Manager at the Institute of Networked Energy Systems: Carsten Hoyer-Klick
Project Description: Mit der Energiewende hat sich Deutschland zum Ziel gesetzt, das gegenwärtige Energiesystem in ein weitgehend CO2-freies und auf erneuerbaren Energien basierendes System zu transformieren. Ein wirtschaftliches, umweltverträgliches, verlässliches und sozialverträgliches Energiesystem benötigt eine ganzheitliche Betrachtung auf Systemebene. ENavi sieht die Energiewende daher als einen gesamtgesellschaftlichen Transformationsprozess und verknüpft wissenschaftliche Analysen mit politisch-gesellschaftlichen Anforderungen.
Was ist das Ziel des Kopernikus-Projekts?
Das Projekt ENavi zielt darauf ab,
Eines der zentralen Produkte des Projekts ist ein Navigationsinstrument, mit dem die Forscher die Wirkungen und Nebenwirkungen von wirtschaftlichen oder politischen Maßnahmen im Voraus abschätzen wollen. Es soll dabei helfen, die entscheidenden Fragen zu beantworten: Wie kann man dafür sorgen, dass die Energiewende die einkommensschwachen Gruppen in Deutschland nicht zu stark belastet? Mit welchen Maßnahmen kann man effektiv und effizient die Elektromobilität in Deutschland fördern? Oder: Wie können mehrere zehntausend Lieferanten von Solarstrom auf privaten Dächern sinnvoll synchronisiert werden?
Die Analyse von Maßnahmen über verschiedene Modellregionen hinweg unterstützt zusätzlich das bessere Verständnis der Erfolgsfaktoren für den Umbau des Energiesystems.
Was macht das Konsortium so attraktiv?
Das Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) ist eine international anerkannte Forschungseinrichtung mit Schwerpunkt auf den Gebieten Transformation und Nachhaltigkeit. Unter seiner Federführung arbeiten mehr als 80 hoch qualifizierte Kooperationspartner aus relevanten Handlungsfeldern der Wissenschaft, Industrie und Zivilgesellschaft gemeinsam daran, durch sozio-ökonomische Forschung einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen der Energiewende zu leisten (s. untenstehende Partnerliste: „Wer ist an ENavi beteiligt?“).
Beitrag zum Energiesystem
Das Projekt soll dazu beitragen, die Energiewende nachhaltig und mit größtmöglicher Akzeptanz voran zu treiben. Die potentiellen Erkenntnisse zu nachhaltigen Transformationspfaden sind von großem strategischem Interesse für die Abschätzung des Marktpotentials verschiedener Technologien. Im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung werden Stand und Perspektiven vor allem des Netzausbaus, der Speicherkapazitäten, der Nachfrageseite und der Erzeugung (zentral und dezentral) sowie die Wechselwirkungen dieser Dimensionen in den Blick genommen. Darüber hinaus liefert das Projekt auch konkrete, technische Konzepte, wie z. B. im Bereich der energiebezogenen Kommunikationsinfrastruktur (IKT), sowie rechtliche Analysen. Die Chancen der Energiewende betreffen sowohl technische Systemlösungen als auch die Entwicklung möglicher neuer Geschäftsmodelle und Dienstleistungen.
Eine Gestaltungsaufgabe des Kopernikus-Projektes ENavi liegt darin, die Expertise aus den unterschiedlichen Bereichen Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zu bündeln. Mit dem Start des Projektes wird auch ein Prozess verbunden, der konkrete Fragestellungen der unterschiedlichen Akteure sammelt und mit den Forschungsarbeiten verknüpft. Dabei spielen die Ergebnisse und Ziele anderer Kopernikus-Themenfelder eine besondere Rolle. Hierbei werden Elemente aus anderen Projektideen integriert.
Arbeitspakete mit DLR-Beteiligung:
AP1: Roadsmap & Navigation
Partner des DLR im Arbeitspaket: Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS); Universität Stuttgart Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung (STRise-ZIRIUS); Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE); Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ)
Zielsetzung:
Mit dem Arbeitspaket werden drei verbundene Ziele verfolgt:
AP2: Technische Entwicklungen im Systemkonzept
Partner des DLR im Arbeitspaket: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (STRise-ZSW); Universität Stuttgart - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (STRise-IER); Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES); VSE AG Saarbrücken; Technische Universität Darmstadt; Technische Universität Berlin
Ziel dieses Arbeitspakets ist es, im Kontext der Energiewende die vorhandene Technologiebasis und laufende Technologieentwicklungen zu erfassen und strukturiert aufzubereiten. Dies gilt für alle Energiebereitstellungs- und Nutzungsbereiche, wozu insbesondere auch der Verkehr zählt. Es wird eine umfassende Datenbasis mit einheitlichen Informationen zum Entwicklungsstand der Technologien (z.B. der Batterietechnologien für Elektromobilität), der absehbaren, zukünftigen Entwicklung unter Berücksichtigung von Zeitkonstanten, zu ökonomischen Parametern wie der Kostenentwicklung, zu Ressourcenbedarfen unter Berücksichtigung exogener Faktoren etc. erarbeitet. Bestehende Arbeiten und die in den Kopernikusprojekten ENSURE, P2X und SynErgie laufenden Technologieentwicklungen werden im Projektverlauf sukzessive integriert, so dass jeweils der neueste Entwicklungsstand berücksichtigt wird. Die erarbeitete Technologiebasis fließt zusammen mit den Ergebnissen einer intensiven Analyse der zugehörigen Innovationsprozesse in das Navigationssystem ein (Technology-Push-Pfade) und wird im Diskurs mit den anderen Transformationsbereichen auf ihre ökonomische, gesellschaftliche und ökologische Tragfähigkeit untersucht. Insgesamt ist dieses Vorgehen darauf ausgelegt, neue Anforderungen an Technologiepfade und Hinweise auf „technologische Lücken“ (Technology-Pull-Pfade) zu identifizieren.
AP3: Ökonomische Instrumente & Auswirkungen
Partner des DLR im Arbeitspaket: Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK); Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES); Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI); Westfälische Wilhelms-Universität Münster; Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung e. V. (RWI); Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung GmbH (ZEW); Universität Stuttgart - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (STRise-IER)
Im Vordergrund dieses Arbeitspakets stehen ein systemisches Verständnis des durch Energietransformation und Klimaschutz induzierten gesamt-, energie- und elektrizitätswirtschaftlichen Strukturwandels sowie die Wechselwirkungen des energiebezogenen Transformationsprozesses mit anderen wirtschafts- und sozialpolitischen Handlungsfeldern. Ausgangspunkt der Analyse ist die Erfassung der ausgelösten Veränderungen zentraler makroökonomischer Variablen, wie etwa Sozialprodukt und Wirtschaftswachstum, sektorale und gesamtwirtschaftliche Investitionsquoten, Einkommensverteilung, Wertschöpfung und Investitionen, Auswirkungen auf die Einkommensverteilung und auf internationale Handels- und Kapitalströme sowie Innovations- und Diffusionsprozesse von Technologien. Basierend auf einem verbesserten integrativen Systemverständnis sollen dann umfassende Politikansätze identifiziert werden, die die Erreichung der Energiewende im Einklang mit wirtschafts- und sozialpolitischen Zielen ermöglichen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf wettbewerblich organisierten sowie staatlich regulierten Strukturen der Transformation (wie u. a. Emissionshandel, Interaktion von Märkten und marktbasierten Instrumenten, Entstehung und Veränderung von Geschäftsmodellen). Vorhandene Regeln und institutionelle Praktiken, die bisher weitestgehend getrennt die Energiemärkte bestimmt haben, werden auf ihre Vereinbarkeit für die Umsetzung der energiepolitischen Ziele der Energiewende überprüft und auf ihren Beitrag zu einem integrierten Gesamtsystem bewertet. Ziel ist dabei die Fortentwicklung des ökonomischen Handlungsumfelds hin zu konkreten Geschäftsfeldern und somit ein auf Akzeptanz basiertes Zukunftsmodell. Hierdurch wird es möglich sein, den Kausalzusammenhang zwischen Markt, Technik und gesellschaftlicher Akzeptanz in einen übergreifenden Einklang zueinander zu bringen und zu einem nachhaltigen Anreizsystem fortzuentwickeln. Die umfassende Analyse von Regulierung und Regulierungsüberlagerung strahlt auf die anderen Evolutionsbereiche aus, tritt in Wechselwirkung mit den technologischen, politischen und verhaltensbedingten Entwicklungen und bildet den ökonomischen Bezugsrahmen für die Integrationsfelder wie auch die Roadsmap.
AP6: Verhalten im Wandel von Werten und Lebensstilen
Partner des DLR im Arbeitspaket: Universität Stuttgart Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung (STRise-ZIRIUS); Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU); Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS); Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS); Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung e. V. (RWI); Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI); Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung GmbH (ZEW); Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE); Zeppelin Universität gGmbH (ZU)
Ziele des APs sind für unterschiedliche Akteure (Haushalte, Unternehmen etc.), (1) Einflussfaktoren auf das Entscheidungs- und Nutzungsverhaltens sowie Innovationsstrategien zu identifizieren und (2) die Wirksamkeit von innovativen Interventionen und Fördermaßnahmen sowie die Akzeptanz von Maßnahmen zu untersuchen. Vor diesem Hintergrund werden (3) evidenzbasierte, zielgruppenadäquate Interventionen entwickelt, die in Phase II in Modellregionen mit den Praxisakteuren vor Ort umgesetzt und evaluiert werden sollen. Schließlich sollen (4) Handlungsempfehlungen für die Roadsmap erarbeitet und (5) Interfacevariablen identifiziert und so aufbereitet werden, dass sie in die integrativen Systemmodelle von Navigationssystem bzw. Roadsmap eingespeist werden können. Von Beginn der ersten Phase an ist eine enge Zusammenarbeit mit der Systemanalyse in AP1, 3 und 8 geplant, die bereits in einigen Tasks schon konkret angelegt ist, in anderen entwickelt werden soll. Die Ansätze hierzu, die im Rahmen der Helmholtz-Allianz Energy-Trans[1] gewonnen werden konnten, werden hier weiterverfolgt und präzisiert.
AP7: Wechselwirkung mit der natürlichen Umwelt
Partner des DLR im Arbeitspaket: Universität Stuttgart - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (STRise-IER); Technische Universität Darmstadt; Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS); Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS); Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK); Universität Stuttgart – EU-Vri
Das Energiesystem ist nicht nur für den größten Teil der anthropogenen Treibhausgasemissionen, sondern auch für eine Reihe anderer Umweltwirkungen verantwortlich. Beispielsweise haben die bei Verbrennungsprozessen in der Energiewirtschaft und im Verkehr entstehenden Luftschadstoffe massiv negative Folgen für die menschliche Gesundheit. Im Kontext der Energiewende erfordern aber auch potentiell höhere Wasser-, Flächen- und Ressourcenbedarfe von Erneuerbaren Energien und der damit verbundenen Infrastruktur genauere und ganzheitliche Untersuchungen der Auswirkungen auf Systemebene.
Zu diesem Zweck sollen energieökonomische Modelle mit Modellansätzen aus der Lebenszyklusmodellierung, der Luftreinhaltemodellierung und der Landnutzungsmodellierung kombiniert werden. Das entstehende Instrumentarium wird es ermöglichen, für die Energiewende Synergien und Zielkonflikte zwischen Treibhausgasemissionsvermeidung, lokaler Luft- und Umweltverschmutzung, Flächen-, Wasser- und Ressourcenverbrauch und deren Interdependenzen mit den anderen Transformationsfeldern zu untersuchen. Darüber hinaus soll ein Frühwarnsystem zur Erkennung potentieller neuer Umweltrisiken des sich transformierenden Energiesystems erarbeitet werden.
AP8: Integration der Sektoren Strom, Wärme, Mobilität
Partner des DLR im Arbeitspaket: Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI); Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE); Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES); Technische Universität Darmstadt; Universität Stuttgart - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (STRise-IER); Technische Universität Berlin; VSE AG Saarbrücken; Universität Kassel
Die zunehmende Sektorintegration im Energiesystem - also eine zunehmende Integration der Sektoren Strom und Wärme, Strom und Verkehr sowie Strom und Industrieprozesse – hat zwei Hauptgründe, die sich wechselseitig ergänzen: (1) Die Dekarbonisierung der Sektoren Wärme, Verkehr und Industrieprozesse impliziert eine wachsende Nutzung von Strom aus Erzeugung mit abnehmenden CO2-Emissionen und/oder eine Nutzung von Brenn- bzw. Kraftstoffen mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger (biogen, synthetische chemische Energieträger hergestellt aus erneuerbarem Strom). (2) Die Zunahme volatiler Stromerzeugung (Sonne, Wind) und Wärmebereitstellung (Sonne, KWK) verlangt eine zunehmende Anpassung der Strom- und Wärmenutzung an die Erzeugung. Diese notwendige Flexibilisierung des Energiesystems ist mittel- und langfristig überhaupt nur dann möglich, wenn über die heute schon durch die Endenergie Strom dominierten Anwendungen hinaus viele neue Anwendungen in anderen Sektoren Strom verwenden einschl. der Option der Herstellung synthetischer chemischer Energieträger und wenn im Wärmemarkt eine stärkere Vernetzung von Angebot und Nachfrage erreicht wird. Insbesondere der zweite Grund stellt hohe Anforderungen an die zukünftige Energienutzung in den Sektoren Wärme, Verkehr und Industrieprozesse. Im Arbeitspaket zur Sektorintegration soll die Integration der flexiblen Energienutzung in Gebäuden (Wärme, Kälte), Verkehr und Industrieprozessen umfassend behandelt werden. Dies impliziert die detaillierte Analyse der technischen Potenziale – wo ist welche Flexibilität mit welchem Aufwand zu erreichen – über die notwendigen ökonomischen Anreizsysteme und deren regulatorischer Umsetzung bis hin zur Frage, ob und wie die jeweils betroffenen Akteure einbezogen werden können und müssen