Bruckner - Energieeffiziente Stadt der Zukunft

Die energieeffiziente Stadt der Zukunft
Internationale Fachtagung Ressourcenmanagement und Energieeffizienz
Prof. Dr. Thomas Bruckner
Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - IIRM
Universität Leipzig
Prof. Dr. Thomas Bruckner
1
Der BMBF-Wettbewerb „Energieeffiziente Stadt“
► Phase 1 (Vorlage von 72 Ideenskizzen):
abgeschlossen im August 2008
► Phase 2 (Auswahl von 15 Konzepten):
Erarbeitung der Umsetzungskonzepte
(1.6.2009 – 31.5.2010,
Fördervolumen 200.000 €)
► Phase 3 (Auswahl von 5 Umsetzungskonzepten):
Delitzsch, Essen, Magdeburg, Stuttgart und Wolfhagen
(1.6.2011 – 30.5.2016, Fördervolumen 3,1 Mio €)
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Der BMBF-Wettbewerb „Energieeffiziente Stadt“
„Die Stärke des Konzeptes der Universität Leipzig und der Stadt
Delitzsch liegt in der Entwicklung eines interaktiven und
adaptiven Energiemanagementsystems, das alle Akteure
differenziert einbindet sowie Wechselwirkungen zwischen den
Maßnahmen in ihrer zeitlichen Entwicklung berücksichtigt.“
Pressemitteilung, BMBF, 15.09.2010
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Innovative Klimaschutzkonzepte
Herausforderungen
► Das 2°C Ziel der Vertragsstaaten der Klimarahmenkonvention
► Klimaschutz und liberalisierte Energiemärkte
Elemente innovativer Klimaschutzkonzepte
► Technologische Dimension
► Sozio-ökonomische Dimension
► Modellbasierte Integration
Exemplarische Umsetzung in der Großen Kreisstadt Delitzsch
► Masterplan
► Akteurs-orientierte Ansprache und Umsetzung
► Erfolge
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5. Sachstandsbericht des IPCC
Das internationale Ziel, die Veränderung der globalen Mitteltemperatur auf 2°C zu begrenzen, erfordert
eine Stabilisierung der äquivalenten CO2-Konzentration auf einem Niveau von 450 ppm verbunden mit
einer Reduktion der äquivalenten CO2-Emission um 40%-70 % in 2050 (bezogen auf 2010).
 Steigerung der Energieeffizienz und CO2-arme Energieversorgung
Quelle: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), WG3, AR5, 2014.
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5
Nationale und internationale Klimaschutzinitiativen
► KfW-CO2-Gebäudesanierungsprogramm
► Energieeinsparverordnung
► 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
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Beispielhafte Interaktion der Akteure
Wärmebedarf
Wärmenachfrager
Strombedarf
KraftWärmeKopplung
KraftWärmeKopplung
Unabhängige
Erzeuger
Stadtwerke
Stromnachfrager
Klimapolitische Rahmenbedingungen
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Innovative Klimaschutzkonzepte
Überregionaler Strom- und Gasmarkt
Akteursorientierte Integration
Bürgerschaft
Stadtverwaltung
Wohnungsbaugesellschaften
Stadtwerke
Independent
Producers
Nationale Klimaschutzinitiativen
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Technologische Dimension
Detaillierte Analyse des
bestehenden Kraftwerkparks und
des Wärmeversorgungssystems
Räumlich und zeitlich
hochaufgelöste
Bestimmung des Wärmebedarfs
Zeitlich hochaufgelöste
Optimierung des Gesamtsystems
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Infrastrukturdaten (räumliche Dimension)
Siedlungstyp
- Infrastruktur
- Kosten
Gebäudetyp
- Baujahr & Typ
- Heizsystem
Quelle: IWU
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Energienachfrage [MWh/h]
Zeitlich hochaufgelöste Energienachfrage
Wärmebedarf (Fernwärme)
Nachfrage nach
elektrischer Energie
Tag
Quelle: Bruckner et al., Energy — The International Journal (1997).
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Systemintegrierte Modellierung
Heizkraftwerke
Wind
Stromnetz
Solar
Haushalte
Biomassekraftwerk
Nahwärme
Wärmepumpen
G
Blockheizkraftwerke (BHKW)
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Sozio-ökonomische Dimension
lokale Verortung
Quelle: www.sociovision.de; www.microm.de
► Bestimmung des typischen (in der Regel begrenzt rationalen) Verhaltens verschiedener
Lebensstilgruppen im Hinblick auf energietechnische Investitionsentscheidungen (durch
eine bundesweite Befragung)
► Verkettung: „typisches Verhalten“ & räumlich referenzierte Lebensstildaten
► Berücksichtigung dieser Information bei der Erstellung von Quartierskonzepten
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Heizungssysteme im Bestand
k.A./weiß nicht
Wärmepumpe
Geothermie
Holzpellets
Solarthermie*
Fernwärme
KHK**
Erdgaskessel
Heizölkessel
Nachtspeicherofen
Kohleofen
0%
5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55%
Moderne Performer
Bürgerliche Mitte
* nur Warmwasserbereitung; ** Kleinheizkraftwerk
Quelle: M. Gröger und T. Bruckner: Lebensstile und Investitionsverhalten im Wärmemarkt, 7. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien, 2011.
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Energetische Gebäudesanierung
Oberschicht /
Obere
Mittelschicht
Planen Sie in den nächsten Jahren in eine energetische Sanierung zu investieren?
KonservativEtablierte
95
33%
Sozialökologische
102
31%
Mittlere
Mittelschicht
33%
Bürgerliche
Mitte
96
Traditionelle
88
Performer
123
40%
AdaptivPragmatische
88
Expeditive
109
35%
28%
31%
28%
Hedonisten
94
Soziale Lage
Untere Mittelschicht /
Unterschicht
LiberalIntellektuelle
101
31%
Prekäre
95
Ø = 32%
31%
© SINUS 2011
Grundorientierung
Festhalten Bewahren
Tradition
Traditions- Modernisierte
verwurzelung
Tradition
Haben & Genießen
Sein & Verändern
Modernisierung / Individualisierung
Lebensstandard,
Status, Besitz
Quelle: Energieeffiziente Investitionen 2012, IIRM
Basis = 2.017 Fälle
Selbstverwirklichung,
Emanzipation, Authentizität
= überrepräsentiert
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Machen & Erleben
Grenzen überwinden
Neuorientierung
Multioptionalität,
Beschleunigung,
Pragmatismus
= durchschnittlich
Exploration,
Refokussierung,
neue Synthesen
= unterrepräsentiert
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Agenten-basierte Hybrid-Modellierung
Szenarienbasierte
Beschreibung energierechtlicher und
klimapolitischer
Rahmenbedingungen
lokale und nationale Klimainitiativen
Agenten-basierte
Modellierung
der sozio-ökonomischen
Akteursebene
Nationaler
Energiemarkt
1 Jahr
Energiedienstleistungen
Betriebsführung
1 Jahr
Investition
1 Jahr
Betriebsführung
Investition
Betriebsführung
Investition
Umwandlungsprozesse
Zeitlich hochaufgelöste
Modellierung des
Energieversorgungs-systems
Zeitverlauf
Quelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
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Proof of Concept: Diffusionskurven
40
35
Marktanteil in %
30
25
20
konventioneller Ölkessel
konventioneller Gaskessel
Gasbrennwertkessel (GBK)
GBK + Solarthermie (WW)
GBK + Solarthermie (WW+H)
Gas Mikro - KWK
Nahwärme
Pelletkessel
15
10
5
0
2005
2010
2015
2020
Zeit in Jahren
2025
2030
Quelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
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Proof of Concept: Diffusionskurven
40
35
Marktanteil in %
30
Technologieführer
Etablierter Agent
25
Wohnungsbaugesellschaft
20
konventioneller Ölkessel
konventioneller Gaskessel
Gasbrennwertkessel (GBK)
GBK + Solarthermie (WW)
GBK + Solarthermie (WW+H)
Gas Mikro - KWK
Nahwärme
Pelletkessel
15
10
5
0
2005
2010
2015
2020
Zeit in Jahren
2025
2030
Quelle: T. Wittmann und T. Bruckner: Agenten-basierte Modellierung urbaner Energiesysteme, Wirtschaftsinformatik (2007).
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Modellierung der Interaktion der Akteure
Quelle: UFZ/IIRM, eigene Darstellung
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Delitzsch: Senkung der CO2-Emissionen
► Strukturwandel
► Wärmedämmung / KWK
► Braunkohle  Erdgas
► Nutzung erneuerbarer Energien
(Biomassekraftwerke)
[t CO2]
Veränderungen der CO 2-Emissionen der Stadt Delitzsch
300.000
270.196
250.000
Verkehr
42.808
Vergleich mit dem EU 20-20-20 Ziel:
-3%
200.000
150.000
- 60 %
132.374
GHD und
Industrie
► Primärenergieeinsatz: - 24 %
Private
Haushalte
► Anteil der erneuerbaren Energien
an der Stromerzeugung: 90 %
- 74 %
107.097
100.000
41.482
- 67 %
50.000
95.014
► CO2-Emissionen: - 60 %
34.485
31.130
0
1990
2007
Quelle: Institut für Energie, Leipzig
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20
erneuerte/zu erneuernde
Heizungsanlagen pro Jahr
Handlungsbedarf („Window of Opportunity“)
200
150
100
50
0
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Errichtung/letzte Erneuerung
nächste Erneuerung
nachfolgende Erneuerung
Erneuerungsbedarf für Gasheizungen pro Jahr
Quelle: IIRM, eigene Erhebung und Darstellung
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Umsetzungsstrategie
► Exemplarische Implementierung eines akteursorientierten und interaktiven
Energiemanagementsystems, das flexibel auf Veränderungen der
Randbedingungen reagieren kann (Energiepreise, Förderprogramme, etc.).
► Systemintegrierte Modellierung der kommunalen Energieversorgung
im Kontext liberalisierter Energiemärkte, steigender Klimaschutzanforderungen
und gleichzeitig stattfindender demographischer Veränderungen.
► Modellierung der Co-Evolution der technischen und
sozio-ökonomischen Aspekte des Lebensraumes Stadt.
► Entwicklung robuster und allgemein gültiger Strategien
zur Steigerung der Energieeffizienz und der Infrastrukturanpassung
in schrumpfenden Mittelstädten.
► Zielgruppenspezifische (z.B. lebensstilabhängige) Ansprache
der Akteure durch innovative Energieeffizienzmanager.
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Der BMBF-Wettbewerb
„Energieeffiziente Stadt“ - Projektkonsortium
Gemeinsam auf dem Weg in die energieeffiziente urbane
Moderne – Exemplarische Implementierung eines
akteursorientierten Energiemanagementsystems in Delitzsch
Kooperationspartner:
► Große Kreisstadt Delitzsch
► Technische Werke Delitzsch GmbH
► Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
► KEM Kommunalentwicklung Mitteldeutschland GmbH
► Leipziger Institut für Energie GmbH
► Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft,
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig
► Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit,
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig (Projektleitung)
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Aufgaben der Energieeffizienzmanager
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Überregionale Interaktion und Netzwerkbildung
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FKE –
Workshop-Reihe
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Entwicklung der CO2-Emissionen (pro Einwohner)
- 72%
[t CO2 / EW]
16
14
∆ 1990
15,2
1,3
Verkehr
12
10
7,4
8,9
8
1,8
6
GHD und
Industrie
5,4
4,4
4
6,4
1,7
1,7
2
2,8
5,0
5,2
1,7
1,8
1,7
4,5
4,3
1,9
1,9
1,3
1,3
Private Haushalte
1,8
2,0
1,6
1,6
1,3
1,1
2007
2009
2010
2011
2012
0
1990
2000
Entwicklung der CO2-Emissionen je Einwohner nach Verbrauchssektoren in der Gesamtstadt Delitzsch
Darstellung und Berechnung: IE Leipzig
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27
Erfolgskontrolle der Maßnahmen vor Ort
Eine kompaktes Befragungskonzept ermöglicht
das (jährliche) Verfolgen von Fortschritten bei
der Umsetzung von kommunalen Energie- und
Klimaschutzkonzepten:
Untersucht wird hierbei der Einfluss der
Projektaktivitäten auf die Einstellung der
Bevölkerung zu Energieeffizienzmaßnahmen
im Allgemeinen und auf das energieeffiziente
Verhalten im Besonderen.
::
Wirkungszusammenhang zwischen
Kenntnisse über Projekt > Einstellung zu Energieeffizienz
Kenntnisse über Projekt > Energieeffizientes Verhalten
Einstellung zu Energieeffizienz > Energieeffizientes Verhalten
Prof. Dr. Thomas Bruckner
2012
2013
0,10
0,26
0,04
0,08
0,07
0,23
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Kontakt
Prof. Dr. Thomas Bruckner
Vattenfall Europe Professur für
Energiemanagement und Nachhaltigkeit
Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät
Universität Leipzig
Grimmaische Str. 12
D-04109 Leipzig
Tel.: 0341/97 33517
[email protected]
www.wifa.uni-leipzig.de/iirm
Mart Verhoog MBA RM
Tel.: 0341/97 33554
[email protected]
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Maria Gröger
Tel.: 0341/97 33522
[email protected]
Dipl.-Regionalwissenschaftlerin Theresa Weinsziehr
Tel.: 0341/97 33554
[email protected]
Prof. Dr. Thomas Bruckner
29
Ausgewählte 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 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, 328-345 (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, T Bruckner: Agent-based Modeling of Urban Energy Supply Systems Facing Climate
Protection Constraints, Proc. of the 5th World Bank Urban Research Symposium, “Cities and
Climate Change”, Marseille (2009).
Gröger, M, T Bruckner: Lebensstile und Investitionsverhalten im Wärmemarkt,
7. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien, IEWT 2011 (2011).
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30
Einbettung der Energieeffizienzmanager
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Delitzsch: Stadt im demographischen Wandel
Delitzsch ist eine schrumpfende Stadt:
Bevölkerungsrückgang (1990-2008): -17 %
Bevölkerungsentwicklung Delitzsch Stadtgebiet
Delitzsch ist ein typischer Vertreter
des Demographie-Typs 4
der Clusteranalyse der Bertelsmann-Stiftung.
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Notwendige Emissionsreduktion (national)
Energiebezogene CO2 Emissionen [Gt C/yr]
15 Jahre ohne Klimaschutz (IS 92a)
EU Klimaschutzziel:
► Maximale Veränderung der globalen
Mitteltemperatur 2°C
Jahr nach 1995
► Reduktion der Treibhausgasemissionen
der Industriestaaten um 80 %
bis 2050 (bezogen auf 1990)
Quelle: Schellnhuber und Bruckner, 1998
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5. Sachstandsbericht des IPCC
Share of low-carbon energy in total primary energy and electricity generation for the year 2050.
Quelle: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), WG3, AR5, 2014.
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5. Sachstandsbericht des IPCC
Quelle: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), WG3, AR5, 2014.
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Eckpunkte des Energiekonzepts
Quelle: Weiss, BMU, 2011
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Zusammenhang zwischen Lebensstil
(Sinus-Milieu) und Wahl des Energieträgers
100%
N = 283
² = 30,194
df = 8
p < 0,0001
80%
60%
40%
EE
20%
Fossil
0%
Quelle: M. Gröger und T. Bruckner: Lebensstile und Investitionsverhalten im Wärmemarkt, 7. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien, 2011.
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Wesentliche Elemente des Umsetzungskonzeptes
akteursorientiert – quartiersbezogen – dienstleistungsbasiert:
► Explorative Ebene:
Erstellung systemintegrierter Quartiersstrategien durch
die Universität Leipzig und das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
► Operative Ebene:
Umsetzung der akteursbezogenen Strategien durch kommunale Energieeffizienzmanager
im Verbund mit der Stadtverwaltung
Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft:
Mediator und Multiplikator
KEM Kommunalentwicklung Mitteldeutschland und Leipziger Institut für Energie:
Monitoring zur Sicherstellung der Übertragbarkeit
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Endenergieverbrauch
[GWh]
- 38%
1.080
1.000
∆ 1990
148
878
800
200
729
713
714
693
471
184
600
186
193
196
674
195
Verkehr
405
400
200
298
300
301
291
289
GHD und
Industrie
Private Haushalte
461
273
247
227
220
206
190
2007
2009
2010
2011
2012
0
1990
2000
Endenergieverbrauch nach Verbrauchssektoren in Delitzsch.
Darstellung und Berechnung: IE Leipzig
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Stromerzeugung
[MWh]
200.000
184.568
180.000
169.928
BHKW Delitzsch Nord
157.294 158.845
160.000
dezentrale KWKAnlagenauf ErdgabsBasis
146.016
140.000
Photovoltaik-Anlagen
120.000
Windrkaft-Anlagen
100.000
80.000
dezentrale BiomasseAnlagen
60.000
Biomassekraftwerk
40.000
15.752
20.000
Strombedarf
45
0
1990
2000
2007
2009
2010
2011
2012
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in der Gesamtstadt Delitzsch
Darstellung: IE Leipzig,
Prof. Dr. Thomas Bruckner
40