Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Sozio-E2S – Einfluss von soziokulturellen Faktoren auf Transformationspfade des deutschen Energiesystems

Open source Energiesystemmodellierung

Laufzeit: November 2016 - Oktober 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
 Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Universität Stuttgart – Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung (ZIRIUS)
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE
Das Projekt sozio-E2S zeigt den Vergleich zwischen CO2-reduzierten Zielsystemen sowie Technologiediffusionen auf Basis von privaten oder professionellen Investitionsentscheidungen – benötigte politische Anpassungen können damit identifiziert werden.

Der europäische Green Deal verfolgt Klimaneutralität bis 2050 und Deutschland hat sich schon lange zum Ziel gesetzt, 80-95 % der Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 zu reduzieren. Dies erfordert eine weitreichende Infrastrukturwandlung. Energiesystemstudien können aufzeigen, wie ein solches Zielsystem technisch realisierbar ist. Um jedoch zu einem solchen Zielsystem zu gelangen, sind die einzelnen Investitionsentscheidungen der vielen privaten und korporativen Akteure entscheidend. So beeinflusst die Investitionsentscheidung in ein neues Auto letztendlich mit, ob wir als Gesellschaft zu einem klimaneutralen System kommen können oder nicht. Das Projekt »sozio-E2S« adressiert die Abbildung von Investitionsentscheidungen, um die Technologiediffusion einzelner Technologien abbilden zu können und somit eine Abschätzung darüber zu gewinnen, ob es Handlungslücken zu Zielsystemen gibt und wie groß diese möglicherweise sind. 

Ziel des Projektes Ziel des Projekts »sozio-E2S - Open Source Energiesystemmodellierung – Einfluss von soziokulturellen Faktoren auf Transformationspfade des deutschen Energiesystems« ist es, ein open source und dadurch jedem zugängliches Framework zu schaffen, welches Investitionsentscheidungen in energiesystemrelevante Technologien abbildet. Kern dieses Modells ist – im Gegensatz zu klassischen Systemmodellen – die Integration umweltpsychologischer, soziologischer, technischer und ökonomischer Faktoren in die Abbildung von Investitionsentscheidungen in Energietechnologien. Daher wird im Gegensatz zu klassischen Energiesystemmodellen mit Makroperspektive die Mikroperspektive eingenommen, sodass die sozialwissenschaftlich und psychologisch begründete Kenntnis über Investitionsentscheidungen in einzelne Technologien die Basis für die Modellierung bildet. Dies ermöglicht die explorative Simulation von möglichen Technologiediffusionspfaden.

Im Rahmen des Projekts wurde zunächst in einer Meta-Studie ein Studienvergleich zwischen Studien durchgeführt, die die Systemzusammenstellung in einem zukünftigen System mit unterschiedlichen CO2-Zielerreichungsgraden abbilden. In der Studie wurde der Status quo mit zukünftigen Technologiebedarfen gegenübergestellt. Auf dieser Basis wurden die Projektschwerpunkte Power2Gas, Photovoltaik-Heimspeichersysteme sowie PKW-Fahrzeuge definiert. Die Studie zu sozialwissenschaftlichen Determinanten gibt einen Überblick über Faktoren, die Investitionsentscheidungen im privaten und im korporativen Bereich beeinflussen. Welche Möglichkeiten gibt es jedoch, die Investitionsentscheidungen numerisch zu simulieren, um deren Marktdiffusion auf nationaler Ebene quantifizieren zu können? Der Artikel „Modellierung von Investitionsentscheidungen in erneuerbare Energietechnologien: Eine Einführung in die Simulation von Technologiediffusion“ stellt verschiedene Methoden dar, die eine solche Simulation ermöglichen.

Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene empirische Studien zu den Technologieschwerpunkten PKW-Fahrzeugen, PV-Heimspeicher und Power-to-Gas durchgeführt. Im Bereich PKW wurde durch ein Marktforschungsinstitut 1922 Privatpersonen zu ihrem Kaufverhalten von alternativen Antrieben befragt. Die originalen Daten der Befragung finden sich hier . Die Analyse der Befragung zeigte, dass insbesondere der Kaufpreis wichtig für die Wahl eines Fahrzeugs war. Interessanterweise aber hingen zudem Unterschiede in personenbezogenen Variablen, wie kollektiver Wirksamkeitsüberzeugung und empfundenen sozialen Normen, jedoch damit zusammen, für wie wichtig die unterschiedlichen Technologieattribute (wie Reichweite, Brennstoffpreise, CO2-Emissionen, Fahrzeugtyp, Infrastruktur und CO2-Steuer) erachtet wurden und wie attraktiv Investitionen in Elektroautos im Vergleich zu konventionellen PKW waren.  

Der Kauf eines neuen PKW ist jedoch nur ein Teil der Entscheidung bezgl. zukünftiger Mobilitätsformen. Die Studie zu Flugverhalten zeigt daher auf, wie unterschiedlich das Flugverhalten der deutschen Bevölkerung innerhalb Deutschlands und Europas ausgeprägt ist. Tatsächlich ist es nur ein geringer Teil der Bevölkerung, der mehrfach pro Jahr ein Flugzeug betritt. Eine Einschätzung des zukünftigen Flugverhaltens zeigt, dass es kaum Änderungen zum Status Quo gibt. Außerdem ist die Mehrheit der Befragten der Überzeugung, dass mehr Nachtzüge zum Einsatz kommen sollten. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse findet sich hier [PDF].

Im Bereich der privaten PV-Heimspeichersysteme scheint die Investition in ein solches unter den befragten deutschen Hauseigentümer*innen durchaus eine attraktive Option zu sein. Als besonders wichtig kristallisierte sich die Recycling-Fähigkeit bzw. der Einsatz umweltfreundlicher Materialien für die Batterie heraus. Hier geht es zum Datensatz unseres Experiments.

Im Bereich Power-2-Gas wurde neben der Wirtschaftlichkeit insbesondere der politische Rahmen empirisch im Rahmen eines Gruppendelphis untersucht, da dieser als wichtige Entscheidungsgröße die Investition mit beeinflusst. Der Bericht hierzu liefert Aussagen zu der Umsetzbarkeit und Wirksamkeit unterschiedlicher politischer Maßnahmen.

Auf Basis der empirischen Untersuchungen und mit Hilfe der empirischen Daten wurde das open source Modellframework Inve2st entwickelt. Das Modul Inve2stCars simuliert die Diffusion von PKW bis zum Jahr 2050 für verschiedene Szenarien. Die Analyse der Rechnungen hat gezeigt, dass ein Verbot von Verbrennern ab 2030 mit einer Vollelektrifizierung im Jahr 2050 kompatibel wäre. Ansonsten müssen sich die technischen, ökonomischen und die sozialen Einstellungen stark positiv in Richtung alternativer Antriebe entwickeln, um die Handlungslücke möglichst gering zu halten. Eine Veröffentlichung hierzu ist derzeit im Review Prozess.

Für PV-Heimspeicher bestimmt das Modul Inve2stHSS (Home Storage Systems) die Betriebsführung eines PV-Batteriesystems für ausgewählte Standorte, Systemdimensionierungen und Nachfragezeitreihen um Eigenverbrauchs- und Autarkiegrade zu bestimmen. Auf dieser Basis kann dann die Wirtschaftlichkeit des Systems berechnet werden, sodass für definierte Szenarien die Kaufwahrscheinlichkeit des Systems quantifiziert werden kann. Insbesondere die Umweltfreundlichkeit der Technologie spielt eine große Rolle bei der Kaufentscheidung in PV-Batteriesysteme.

Das Modul Inve2stPtG (Power-to-Gas) berechnet die Diffusion von PtG als Ergebnis der Wirtschaftlichkeit und des politischen Rahmens. Das Modul bestimmt hierzu den internen Zinsfuß verschiedener Power2Gas Technologien, Systemgrößen und unterschiedlicher Strombezugspreise für die Sektoren Mobilität, Industrie, Gasnetzeinspeisung und Reelektrifizierung. Es zeigt sich, dass eine wirtschaftliche Abbildung insbesondere in den Sektoren Mobilität und Industrie gegeben ist. Anhand von Szenarienrechnungen bestimmt das Modul die Diffusion der Technologie.

Das Framework steht open source zur Verfügung, wodurch andere Modellierer die Möglichkeit haben, das Framework zu verwenden oder weiter zu entwickeln. Der Code ist und die Dokumentation finden sich hier. Bei Fragen hierzu gerne an Charlotte Senkpiel (siehe Kontakt) wenden.  

 

Veröffentlichungen:

 

Daten:

 

Code & Dokumentation:

 

Ergebnisse Flugstudie:

 

Diskussionspapiere:

 

Journal Paper

  • Berneiser, J., Senkpiel, C., Steingrube, A., Gölz, S., submitted. Electric vehicle adoption: technology-specific and person-related factors influencing investment decisions.
  • Senkpiel, C., Berneiser, J., Steingrube, A., Biener, W., & Gölz, S. Modeling investments in renewable energy technologies? An introduction to simulating technology diffusion including social-psychological variables. In Umweltpsychologie (23. Jahrgng, Heft 2(45), pp. 38–57).
  • Senkpiel, C., Berneiser, J., Baumann, D., submitted. Open-source simulation of the long-term diffusion of alternative passenger cars in Germany on the basis of investment decisions of private persons.

 

Konferenzen und Workshops:

Fraunhofer ISE:

  • Vorstellung des Projektes auf dem Workshop zum Thema „Reproduzierbarkeit von Simulationsergebnissen“ der Projektgruppe “Systemanalyse” des Forschungsnetzwerks “Energie” am 08.11.2016 in Flensburg
  • Vorstellung des Projekts auf dem Open Energy modelling Workshop der Openmod Initiative am 20.-21.04. 2017 in Frankfurt  
  • Vortrag mit dem Titel „Concept on modelling the adoption of energy-related technologies“ auf der Behave 2018 Konferenz in Zürich, 6./7.09.2017
  • Vortrag mit dem Titel „Akteursverhalten und- Strukturen in der Energiesystemanalyse“ im Rahmen des Workshops „Komplexität in der Energiesystemanalyse“ des Netzwerktreffens Energiesystemanalyse, am 19.04. 2018 in Berlin
  • Poster mit dem Titel „Transformationspfade auf Basis von privaten und professionellen Investitionsentscheidungen – Ein interdisziplinärer Ansatz“ im Rahmen  des Netzwerktreffens Energiesystemanalyse, am 19.04. 2018 in Berlin
  • Vortrag mit dem Titel „Status of energy technologies – are we on the right path to reach climate change targets?“ im Rahmen der Energy scenarios conference der energy scenario school des KIT, am 24./25.09.2018 in Karlsruhe
  • Poster mit dem Titel „Die Investitionsbereitschaft in PV-Batteriesysteme – welche Faktoren fördern und welche hemmen die Investition?- Eine repräsentative Studie unter deutschen Hauseigentümer*innen“, auf dem PV-Symposium, 25.-27.04.2018 in Bad Staffelstein
  • Vortrag mit dem Titel „Simulating the adoption of electric vehicles under consideration of person-related factors“ im Rahmen der social simulations conference der Johannes von Gutenberg Universität Mainz, am 23.-27.09.2019 in Mainz
  • Poster mit dem Titel „Wie können mögliche Pfade zur Erreichung der CO2-Minderungsziele im PKW Bereich aussehen?“ im Rahmen des Netzwerktreffens Systemanalyse am, 23/24.05.2019 in Aachen

ZIRIUS:

  • Teilnahme an der Behave 2018 (Konferenz) in Zürich, Session „Modelling behaviour – behavioural models: How to integrate human behaviour into energy models?”, am 6./7. September 2018
  • Teilnahme am und Mitorganisation des Stuttgarter Energiedialoges am 09. November 2018
  • Teilnahme an der Fachkonferenz „Delphi-Verfahren in den Gesundheits- und Sozialwissenschaften“ in Schwäbisch Gmünd am 28. Juni 2018.
  • Teilnahme am Netzwerktreffen Energiesystemanalyse in Berlin am 19./20. April 2018
  • Mitwirkung bei der Organisation der AG-übergreifenden Workshops „Komplexität in der Energiesystemanalyse“, „Regionale Strukturunterschiede in der Energiesystemmodellierung“, „Kriterien für die Optimalität von Energiesystemen“
  • Posterpräsentation

Eigene Workshops (ZIRIUS):

  • Organisation und Durchführung eines Workshops im Rahmen der Arbeitsgruppe „Akteursstrukturen und Akteursverhalten“, Oktober 2017 in Stuttgart
  • Präsentation und Diskussion der ZIRIUS-Arbeiten und das geplante Modell zur Integration sozialwissenschaftlicher Größen und Daten in Sozio-E2S in einem Seminar „Energiemodelle“ des IER (Uni Stuttgart) im Februar 2018
  • Durchführung eines Workshops zum Thema „Integration sozialwissenschaftlicher Ergebnisse in techno-ökonomische Modelle“ auf dem Netzwerktreffen Energiesystemanalyse zusammen mit RWTH Aachen (HCIC), Fraunhofer ISI, IREES und ZIRIUS (Mai 2019 in Aachen).