Projekte

In den laufenden und geplanten Forschungsprojekten werden die Ziele und Arbeitsgebiete von STRise umgesetzt. Dabei werden die Erfahrungen und methodischen Kompetenzen aller vier oder auch nur einzelner STRise-Partner gebündelt und auf die jeweils adressierten Forschungsfragen zugeschnitten. Die breite Aufstellung des Forschungsverbunds erlaubt eine integrierte transdisziplinäre Untersuchung gesellschaftlich relevanter Fragestellungen im Bereich der Energiewende. Das größte aktuell laufende Projekt ist das „Energiewende-Navigationssystem“ im Rahmen der Kopernikus-Forschungsinitiative mit 83 weiteren Projektpartnern.

 

 

Energiewende-Navigationssystem

Das Projekt „Energiewende-Navigationssystem zur Erfassung, Analyse und Simulation der systemischen Vernetzungen (ENavi)“ erweitert den Fokus der „Energiewende“ auf einen gesamtgesellschaftlichen Transformationsprozess.

Hintergrund

Bisher wurde versucht, die Systemtransformation auf der Basis techno-ökonomischer Energiesystemsimulationen zu gestalten, anschließend ökologische Aspekte einzubeziehen, um dann mit Hilfe der Sozialwissenschaften die Akzeptanz für die als optimal erkannte Lösung zu schaffen. Diese schrittweise Herangehensweise stößt immer häufiger an ihre Grenzen. Das Projekt „Energiewende-Navigationssystem“ (ENavi) stellt sich dieser Herausforderung. Denn benötigt wird in dieser Situation eine von Beginn an systemisch angelegte, mehrdimensionale Herangehensweise, um die energiepolitisch gesetzten Ziele der Versorgungssicherheit, der Klima- und Umweltverträglichkeit und der Wirtschaftlichkeit unter den beiden Randbedingungen einer sozialverträglichen Gestaltung des Transformationsprozesses und der Integrationsfähigkeit von der lokalen/regionalen über die europäische bis zur internationalen/globalen Ebene gleichzeitig anzustreben.

Über die Optimierung am Reißbrett hinaus ist es das erklärte Ziel des Vorhabens, die systemischen Erkenntnisse an Modellregionen und Reallaboren praktisch zu erproben und eine enge Verbindung zwischen wissenschaftlicher Erkenntnis und deren Umsetzung in die Praxis zu schaffen. Zielkonflikte („trade-offs“) werden dabei unvermeidlich auftreten und alle Interventionen von staatlichen oder gesellschaftlichen Akteuren werden neben den erwünschten Wirkungen auch positive wie negative Nebeneffekte im Energiesektor und darüber hinaus hervorbringen. Diese können zu einem großen Teil nur durch praktische Umsetzung unter Echtzeitbedingungen erforscht und bewertet werden. Um hier die richtige Balance zwischen konfligierenden Zielen, aber auch zwischen theoretischer Einsicht und praktischer Erfahrung zu finden, sind zum einen trade-offs systematisch zu erfassen und gegeneinander abzuwägen. Zum anderen sind Erfahrungs- und Kontextwissen der beteiligten Akteure aktiv in den Forschungs- und Entwicklungsprozess mit einzubeziehen. Diese enge Verknüpfung zwischen wissenschaftlicher Analyse und politisch-gesellschaftlicher Bewertung und Umsetzungserprobung erfordert einen transdisziplinären Ansatz.

Zielstellungen

Ein besseres und tieferes Verständnis des komplex vernetzten „Systems von Systemen“ im Energiebereich und den damit verbundenen Bereichen wie Industrie, Verkehr und Konsum zu gewinnen. Auf der Basis dieser Erkenntnis evidenz- und theoriebasiert Handlungsoptionen aufzuzeigen, wie die Komponenten des zukünftigen Energiesystems unter Berücksichtigung der energiepolitischen Ziele und Randbedingungen systemisch integriert werden können. So präzise wie möglich abzuschätzen, welche Folgen eine bestimmte Maßnahme (Intervention), die die geforderte Integration bewirken soll, kurz-, mittel- und langfristig im System der Systeme haben würde und schließlich in einem transdisziplinären Diskurs Optionen für kollektiv wirksame Maßnahmen (Interventionen) und deren Realisierungschancen zu generieren. Bei diesen vier Hauptzielen wird dabei stets die Arbeit in den anderen drei Kopernikus-Projekten reflektiert bzw. integriert und hierzu ein enger Austausch mit diesen gesucht.

Projektpartner

Insgesamt sind 84 Partner aus Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Industrieunternehmen und Zivilgesellschaft am Projekt beteiligt. Damit ist es das größte sozialwissenschaftliche Kooperationsprojekt, das es in Deutschland je gab. Die Koordination liegt bei Prof. Ortwin Renn, wissenschaftlicher Direktor am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam und gleichzeitig Direktor des ZIRIUS der Universität Stuttgart und in dieser Funktion Mitglied im Vorstand des Forschungsverbunds STRise. Der Forschungsverbund STRise nimmt eine zentrale Rolle im Projekt ein und ist mit drei weiteren Wissenschaftlern im Steuerungskreis vertreten.

Fördergeber

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Ausschreibung Kopernikus-Projekte für die Energiewende https://www.kopernikus-projekte.de/

Energiesystemanalyse Baden-Württemberg

Im Projekt „Energiesystemanalyse Baden-Württemberg (EnSys-BaWü)“ bündeln die STRise-Partner Ihre Kompetenzen im Bereich der Energiesystemanalyse mit besonderem Schwerpunkt auf der Ausgestaltung der Energiewende in Baden-Württemberg.

Hintergrund

Die Komplexität des erforderlichen Umbaus der Energieversorgung in allen Bereichen – Strom und Wärme sowie Verkehr – ermöglicht keine einfachen Lösungen. Vielmehr müssen neue Lösungsansätze im Gesamtkontext einer umfassenden Analyse und Bewertung unterzogen werden, da es nicht mehr ausreicht, sektorspezifische, technisch orientierte Lösungen zu entwickeln. Nur unter unmittelbarer Einbeziehung ökonomischer und gesellschaftlicher Aspekte und Präferenzen können tragfähige Transformationspfade identifiziert und die erforderlichen Umsetzungsprozesse gezielt unterstützt werden. Entsprechend sieht das Projekt eine Zusammenführung von drei Bereichen – Technologien, Ökonomie (Finanzierung und Marktdesign) und Sozialwissenschaften – vor, die mit modellgestützten Analysen eine Quantifizierung der vielfältigen Wirkungen unterschiedlicher Ausgestaltungsoptionen der Energiewende für Baden-Württemberg ermöglicht.

Auf methodischer Ebene sollen in dem innovativen Vorhaben mathematische Methoden mit qualitativ angelegten und rekonstruierenden Fallstudien zu ausgewählten Konfliktfeldern sowie mit strukturierten, experten-basierten Dialogtechniken kombiniert werden. Für Baden-Württemberg ist es besonders wichtig, den anstehenden Transformationsprozess der Energiewende auf Basis fundierter Analysen geeignet zu gestalten: Es müssen die Ziele für das Land möglichst effizient erreicht werden und zugleich die zukunftsträchtigen technologischen Innovationen gestärkt werden. Um hier evidenzbasiert geeignete Entscheidungen treffen zu können, soll das vorgeschlagene Projekt wesentliche Bausteine liefern und einerseits ein erweitertes Analyseinstrumentarium für wichtige Fragestellungen bereitstellen sowie andererseits passende Transformationspfade in einer gesamthaften Sicht aufzeigen, die die Entscheidungsträger in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft unterstützen. Dabei soll sowohl die fortlaufende Entwicklung der bestehenden Rahmenbedingungen als auch die längerfristige Entwicklung bis zum Jahr 2050 im Fokus stehen, um die heute eingeleiteten Maßnahmen hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewerten zu können. Die Transformation des Energiesystems kann dabei nicht nur – wie bislang üblich – bezüglich ihrer technisch-ökonomischen Machbarkeit bewertet werden. Ein ebenso wichtiger Faktor ist die gesellschaftliche Zustimmung und Akzeptanz, ohne die in einer pluralistisch-demokratischen Gesellschaft ein solcher struktureller Wandel nicht umzusetzen sein wird. Darüber hinaus bietet innovative Technik und die Digitalisierung den einzelnen Endkunden einen wesentlich größeren Entscheidungsspielraum, sodass auch deren Präferenzen Einfluss nehmen.

Zielstellungen

Zunächst bei den Kooperationspartnern vorhandene Systemmodelle für die spezifischen Fragestellungen zu erweitern und anzupassen, um dann empirisch fundierte, modellgestützte Analysen zum Dreiklang von technologischer Entwicklung und damit verbundener Flexibilitäten, der Finanzierung und dem Marktdesign der Energiewende sowie ihrer sozialwissenschaftlichen Bewertung und der notwendigen Partizipation für Baden-Württemberg durchführen zu können.

Der Betrachtungszeitraum umfasst dafür sowohl kurzfristig notwendige Weichenstellungen als auch die längerfristige Entwicklung (bis 2050). Der Schwerpunkt der Betrachtungen liegt zwar auf dem Stromsystem, jedoch werden die Interaktionen mit dem Wärmemarkt und der Mobilität sowie der Abgleich zwischen dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der Steigerung der Energieeffizienz explizit berücksichtigt.

Die konkret zu bearbeitenden Themenfelder sind bislang nicht mit Fokus auf Baden-Württemberg quantitativ fundiert untersucht worden. Bisherige Analysen fokussieren bspw. auf die Ebene des europäischen Großhandelsmarkts oder bilden im Rahmen von Systemanalysen dezentrale Optionen und die Verhältnisse im Endkundenmarkt nur begrenzt ab.

Projektpartner

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung (ZIRIUS), Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Stuttgart Research Initiative on Integrated Systems Analysis for Energy (STRise)

Fördergeber

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (MUKE) im Rahmen des Baden-Württemberg Programms Lebensgrundlage und ihre Sicherung (BWPLUS) https://um.baden-wuerttemberg.de/de/wirtschaft/ressourceneffizienz-und-umwelttechnik/foerdermoeglichkeiten/foerderprogramm-bwplus/

Effektive Rahmenbedingungen für einen kostenoptimalen EE-Ausbau

Mit dem Projekt „Effektive Rahmenbedingungen für einen kostenoptimalen EE-Ausbau mit komplementären dezentralen Flexibilitätsoptionen im Elektrizitätssektor (ERAFlex)“ soll die Diskrepanz zwischen einer volkswirtschaftlich kostenminimierenden Systemoptimierung sowie einer auf das akteursspezifische Marktverhalten fokussierenden Wirkungsanalyse zunächst identifiziert und schließlich schrittweise durch iterative Simulationsläufe (Gesamtkosten und Akzeptanz) geschlossen werden.

Hintergrund

Der steigende Anteil dargebotsabhängiger erneuerbarer Energien im Energiesystem führt zur Notwendigkeit einer weitgehenden Flexibilisierung auf unterschiedlichen Systemebenen. Im Elektrizitätssektor müssen auf dezentraler Ebene die regelbaren konventionellen und erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen, Energiespeicher, Lastmanagement, sowie der Ausbau von Transport- und Verteilnetzen als Flexibilitäts-optionen integriert zusammengeführt werden. Die praktische Umsetzung der Energiewende zeigt jedoch Diskrepanzen mit den Modellergebnissen einer Systemoptimierung auf rein technisch-ökonomischer Basis. Beispielsweise führt eine systemoptimierende Abregelung (Curtailment) der fluktuierenden erneuerbaren Energien (fEE) aus der Perspektive eines sozialen Planers zu einer anderen Auslastung dieser Anlagen als eine fördersystemspezifische oder eine marktgetriebene Abregelung. Diese ist zudem von den Flexibilitätsoptionen und deren spezifischen Kosten und Auswirkungen abhängig, die den Akteuren zur Verfügung stehen.

Dies kann zu einem bedeutsamen „Efficiency Gap“ führen, d. h. einem entscheidenden Unterschied in der Effizienz der theoretischen Zielerreichung und der Umsetzung in der Realität. Um auch in der Umsetzung tatsächlich eine kostenoptimale Entwicklung zu erreichen, müssen die Anreizsysteme für Akteure im Hinblick auf Investitionen und Betriebsoptimierung von komplementären Flexibilitätsoptionen und erneuerbaren Energien stärker berücksichtigt werden. Ebenso müssen die Weiterentwicklung und teilweise Neuausrichtung der regulatorischen Rahmenbedingungen und des Förderdesigns in die Berechnungen einbezogen werden.

In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Modellierungsansätze entwickelt, um politische Entscheidungsträger bei der Festlegung von Ausbaupfaden des Elektrizitätssektors, bei der kostenminimalen Erreichung energie- und klimapolitischer Ziele, sowie bei der Ausgestaltung von wirksamen Anreizmechanismen und Rahmenbedingungen wissenschaftlich zu unterstützen. Die Modellierungsansätze unterscheiden sich u. a. hinsichtlich ihrer Perspektive auf den Elektrizitätsmarkt. Insbesondere wird das Verhalten von Akteuren unterschiedlich berücksichtigt. Bei einem fundamental optimierenden Modellierungsansatz wird im einfachsten Fall typischerweise vom Prinzip des Homo oeconomicus ausgegangen, der sein Handeln ausschließlich anhand finanzieller Kriterien ausrichtet. Darüber hinausgehende relevante Aspekte, wie Verhaltens- und Entscheidungsmuster einzelner Akteure oder auch Unsicherheit und Unschärfe über zukünftige Entwicklungen müssen zusätzlich in geeigneter Weise implementiert werden, um ein realistischeres Zukunftsbild zu erreichen. Dies kann direkt in kostenminimierenden Fundamentalmodellen erfolgen oder auch über agentenbasierte Modelle.

Zielstellungen

In der Realität auftretende Wirkungen, die durch verschiedene Effekte, wie z. B. Verhalten von Akteuren, Informationsdefizite, Präferenzen, Fehlanreize verursacht werden, zu analysieren sowie, Wirkungsmechanismen und Maßnahmen zu identifizieren, die eine verbesserte Zielerreichung des Gesamtsystems im Hinblick auf die politisch gesetzten Ziele und die prognostizierten Systemgesamtkosten erwarten lassen.

Anwendung und Vergleich der Modellierungsansätze eines kostenminimierenden Fundamentalmodells und eines agentenbasierten Modellansatzes im Hinblick auf das durch die Modelle beschriebene Verhalten der Akteure und des Systems. Vergleichende Analyse der Integration von fluktuierenden erneuerbaren Energien, ihres kostenoptimalen Ausbaus sowie von komplementären dezentralen Flexibilitäts-optionen im Elektrizitätsmarkt mit Hilfe der zwei Modellansätze im Hinblick auf betriebswirtschaftliche, gesamtwirtschaftliche und gesamtheitlich bewertete Kosten. Dies ermöglicht die Integration wichtiger sozioökonomischer Aspekte in die Analysen und Ergebnisse.

Die Entwicklung von wissenschaftlichen Methoden zur notwendigen Erweiterung der eingesetzten Modelle für die Berücksichtigung der verschiedenen o. a. Aspekte und zur Kopplung eines agentenbasierten Modells mit einem kostenminimierenden fundamentalen Elektrizitätsmarktmodell und Darstellung ihrer Bedeutung für die Interpretation von Modellergebnissen und die modelltechnische Implementierung.

Formulierung von Schlussfolgerungen für angepasste wirksame und kosteneffiziente regulatorische Rahmenbedingungen zum Anreiz von Investitionen in fluktuierende erneuerbare Energien und komplementäre Flexibilitätsportfolios auf Basis realen Marktverhaltens und sozioökonomischer Gesichtspunkte und Generierung von Hinweisen für eine kosteneffiziente und realistische Umsetzung der Energiewende zu generieren.

Identifikation von an das Akteursverhalten angepassten Ausbaupfaden für erneuerbare Energien und dezentrale Flexibilitätsoptionen. Um diese zu erreichen, werden Erkenntnisse und Schlussfolgerungen für die erforderlichen regulatorischen Rahmenbedingungen formuliert.

Projektpartner

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

Fördergeber

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung https://www.bmwi.de/DE/Themen/Energie/Energieforschung-und-Innovationen/6-energieforschungsprogramm.html

STRise-Partner

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg