Gesamtbeschreibung der Kopernikus-Initiative

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ins Leben gerufene Kopernikus-Initiative stellt die bislang größte Forschungsinitiative zur Energiewende in Deutschland dar. Die Initiative ist benannt nach Nikolaus Kopernikus, Mathematiker und Astronom, der im 16. Jahrhundert das heliozentrische Weltbild entdeckt hat und so zum Inbegriff des wissenschaftlichen Zeitalters geworden ist. Ziel der Kopernikus-Förderung ist eine umfassende und integrative Forschung zur Energiewende, um das derzeitige Energiesystem zukunftsweisend sicher, sauber und bezahlbar umzubauen. Bei diesem Umbau sind gesellschaftliche, ökologische und ökonomische Aspekte von zentraler Bedeutung. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, verbinden die Kopernikus-Projekte technologieorientierte Forschung mit systemischen und transdisziplinären Ansätzen. Im Zentrum der Projekte stehen Forschungsfelder mit hoher Komplexität, aber auch besonderen Potentialen für eine erfolgreiche Umstellung des Energiesystems. Die mittlerweile begonnenen Kopernikus-Projekte ENSURE, P2X, SynErgie und ENavi untersuchen daher Schlüsselbereiche des Energiesystems in enger Zusammenarbeit von Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft.

• Das ENSURE-Projekt befasst sich mit neuen Netzstrukturen, um flexibel und versorgungssicher hohe Anteile erneuerbaren Stroms zu transportieren.
• Das P2X-Projekt konzentriert sich auf Möglichkeiten der Energiespeicherung in gasförmiger, stofflicher oder flüssiger Form.
• Das SynErgie-Projekt untersucht Technologien, um Industrieprozesse an die neue Energieversorgung anzupassen.
• Das ENavi-Projekt analysiert das Zusammenspiel der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität im Energiesystem als ein komplexes, vernetztes und dynamisches System.

Damit decken die vier Kopernikus-Projekte zentrale Bereiche und Herausforderungen der Transformation des (deutschen) Energiesystems ab. Das ITAS ist in allen vier Projekten beteiligt und bringt seine Expertise der Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse in unterschiedlicher Weise in die einzelnen Projekte ein.

Gesamtbeschreibung ENavi

Die gesellschaftlichen, techno-ökonomischen und politischen Randbedingungen der Energiewende unterliegen Entwicklungen, die nur teilweise von einzelnen Akteursgruppen beeinflusst werden können. Zudem stellen die vielfältigen Eingriffsmöglichkeiten in das Energiesystem Interventionen in ein komplexes System von Systemen dar, die hinsichtlich ihrer Wirkungen verstanden und bewertet werden müssen.

In ENavi wird die Energiewende aus dieser interdisziplinären, systemanalytischen Perspektive erforscht. Das Zusammenspiel der drei Sektoren Wärme, Strom und Mobilität und die Folgen von Interventionen in das sozio-technische System der Systeme stehen daher im Mittelpunkt des Vorhabens. ENavi zielt vor diesem Hintergrund darauf ab,

• 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.

ITAS im ENavi-Projekt

ITAS wirkt bei ENavi an insgesamt vier Arbeitspaketen mit.

Im Arbeitspaket „Roadsmap & Navigation“ (AP 1) wird ein zentrales Projektergebnis erstellt, um Orientierungswissen für die Energiewende bereitzustellen: ein Roadsmap-und-Navigation-Ansatz, um Erfolg versprechende Zukunftspfade der Energiewende aufzuzeigen, und um Wirkungen von politischen Entscheidungen zu simulieren und frühzeitig abzuschätzen. Damit wird methodisches Neuland betreten. Der Roadsmap-Ansatz soll nach dem bestmöglichen Stand der Wissenschaft unterschiedliche Entwicklungspfade unter Einbezug verfügbarer Wissensbestände identifizieren, ausweisen und bis zur Zielerreichung (nachhaltiges Energiesystem) über die Zeit aktualisierend fortschreiben. Der Navigation-Ansatz soll Handlungsmöglichkeiten (politische Interventionen) von Entscheidungsträgern – aber auch sich abzeichnende externe, nicht intendierte Ereignisse – hinsichtlich ihrer Implikationen und Auswirkungen auf das sozio-technische Energiesystem analysieren. Damit sollen Erkenntnisse generiert werden, die zum einen Entscheidungsträgern Hinweise auf (Nicht-)Erfolgsaussichten ihrer Interventionen geben. Zum anderen sollen aber auch Erkenntnisse generiert werden, inwieweit die Auswirkungen grundlegend die sozio-technischen Energiesystemzustände verändern und dadurch ggf. zu neuen, fundamentalen Entwicklungspfaden führen. Die Folgenanalyse orientiert sich dabei am „trial“ ohne folgenschweren „error“ durch eine frühzeitige und „virtuelle“ Untersuchung der Auswirkungen.

Im Arbeitspaket „Verhalten im Wandel von Werten und Lebensstilen“ (AP 6) stehen Verhaltenstransformationen im Vordergrund. Der Beitrag von ITAS konzentriert sich auf Verhaltensaspekte im Verkehrssektor. Die Energiewende ist ohne eine Verkehrswende nicht vorstellbar. Oft werden bei der Transformation des Verkehrssystems technische Optionen, wie die Elektrifizierung der Pkw-Antriebe, in den Vordergrund gerückt. Aus systemischer Perspektive scheint dies zu kurz gegriffen. Die Transformation muss durch organisatorischen Wandel, soziale Innovationen und kluge Regulierung komplementiert werden. Deshalb widmen wir uns dem transformativen Potential multi- und intermodaler Verkehrskonzepte, die Öffentliche Verkehrsmittel, Carsharing (inkl. E-Cars), Mitfahrangebote, Fußgänger- u. Radverkehr (inkl. E-Bikes) u.a. verbinden und auf verschiedene Nutzergruppen zugeschnitten sind. Zu den Aufgaben von ITAS gehört zum einen die Mitarbeit im Task „Mobilitätsverhalten als Element sozialer Praktiken: Interpretation und Determinanten“. Hier wird ITAS zusammen mit den Partnern empirische Arbeiten zu Mobilitätsentscheidungen durchführen. Zum anderen arbeitet ITAS am Task „Interventionspraxis professioneller Akteure: Bestandsaufnahme, Wirkungsabschätzung, Schwierigkeiten“. Hier geht es um die empirische Analyse der Strategien etablierter und neuer professioneller Akteure (z. B. Carsharing-Anbieter mit E-Cars, Anbieter von Informationsplattformen).

Im Arbeitspaket „Wechselwirkungen mit der natürlichen Umwelt“ (AP 7) befasst sich ITAS mit Aspekten des Ressourcenaufwands für die Energiewende. Dabei werden systemrelevante, technische Fragestellungen hinsichtlich der Ressourceneffizienz verschiedener Energietechnologien auf Erzeuger- und Nutzerseite analysiert. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bewertung der Nutzung kritischer Materialen wie Seltene Erden. Dieser Arbeitsschritt soll die Forschungsfrage beantworten: Welche systemischen Wirkungen sind aufgrund eines erhöhten nicht-energetischen Ressourcenbedarfs infolge der Energiewende zu erwarten? Der Fokus des ITAS-Beitrags liegt auf einer lebenswegbasierten Analyse und Abschätzung von Ressourcenverbräuchen.

Im Arbeitspaket „Bewertung“ (AP 11) steht die Bewertung von so genannten „Policy Packages“ im Vordergrund. Policy packages sind Bündel von Interventionen, die in anderen APs zur Lösung bestehender Probleme vorgeschlagen werden. Hierzu wird ein multi-kriterielles Bewertungsinstrumentarium erarbeitet. Dieses besteht aus Kriterien und Indikatoren sowie einer Bewertungsmethodik, die, angepasst an den konkreten Bewertungsgegenstand, zur Anwendung kommen. Als Bewertungskriterien herangezogen werden Legitimität, ethische Akzeptabilität, Resilienz, Legalität (jeweils von Partnern in AP11 federführend bearbeitet), Effektivität, Kosteneffizienz und Gesamtkosten sowie Nachhaltigkeit (jeweils von ITAS federführend bearbeitet). Soweit möglich wird dies in Abstimmung mit den im Projekt beteiligten Stakeholdern und politischen Entscheidungsträgern geschehen.

Die Energiewende zur Transformation in Richtung eines klimaverträglichen und nachhaltigen Energiesystems ist eine zentrale Herausforderung für Deutschland (und andere Länger). Der Transformationsprozess ist durch Komplexität, Unsicherheit und Ambiguität gekennzeichnet. Die hohe Komplexität ergibt sich aus einer systemischen Verschränkung von Infrastruktur, Technik, Verhalten, Marktdesign und Politik. Große Unsicherheit besteht hinsichtlich technischer Entwicklungspotentiale, Entscheidungen von Akteuren oder auch insgesamt der zukünftigen Entwicklungen innerhalb und außerhalb des Energiesystems. Ambiguität bezieht sich auf unterschiedliche Präferenzen von Bürgerinnen und Bürgern sowie Entscheidungsträgern ob des einzuschlagenden Weges für die Energiewende. Diesem Umstand muss auch die Energieforschung Rechnung tragen. Das Kopernikus-Projekt „Systemintegration: Energiewende-Navigationssystem“ (ENavi) stellt sich dieser wissenschaftlichen Herausforderung über eine integrative Systemperspektive auf das (deutsche) Energiesystem. Diese Perspektive spiegelt sich in einer Vielzahl von unterschiedlichen Forschungsansätzen wider. Der Forschungsverbund ENavi arbeitet mit 60 Verbundpartnern (24 Forschungseinrichtungen, 18 Universitätsinstitute, drei Nichtregierungsorganisationen, neun Wirtschaftsunternehmen, vier Stadtwerken, zwei Gebietskörperschaften). Dazu bringen 26 Kompetenzpartner Praxiserfahrungen zu Infrastruktur, Wärme und Mobilität ein.

Um die vielfach in ENavi vorhandene Expertise zusammen zu tragen, wurde eine ENavi-Inventur zur Erhebung von Modellen, Methoden und Interventionen durchgeführt. Die von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des DLR, IER, ITAS, UFZ und ZIRIUS generierte Datenbasis enthält nun Informationen zu quantitativen und qualitativen Modellen und Methoden sowie zu den im Projekt analysierten Interventionen. Für die Modelle wurden dazu Eigenschaften des Modells abgefragt, wie bspw. der Modellierungsansatz, das Lösungsverfahren, das prinzipielle Anwendungsgebiet, die zeitliche, räumliche und technologische Auflösung, der Zeithorizont, typische exogen vorzugebende Inputs und endogen ermittelte Modellergebnisse. Für den Bereich der Methoden wurde eine allgemeine Beschreibung der Methode, deren Anwendungsgebiet und konkreten Untersuchungsgegenstand sowie grundlegende Charakteristika zur Analyseebene (bspw. zeitliche und räumliche Fokussierung des Forschungsdesigns, Informationen zur Stichprobe bei empirischer Herangehensweise, Daten zu sektoralen Bezügen, betrachteten Akteuren, Art der Datenerhebung, -auswertung und Ergebnisdarstellung) gesammelt. Für die Interventionen wurden u.a. eine Einordnung der Art der Intervention, der Adressat und Sender sowie die vermutete Wirkung der beforschten Intervention und der Umfang der im Rahmen von ENavi geplanten Überprüfung ihrer Wirkung abgefragt.

Die Bestandsaufnahme dient zum einen dazu, projektintern Schnittstellen für eine tiefergehende und inhaltlich übergreifende Zusammenarbeit zu schaffen; zum anderen aber auch, um nach außen diese neue Dimension einer integrativen, inter- und transdisziplinären Energieforschung sichtbar zu machen. Die Ergebnisse der ENavi-Inventur werden hier über eine Kurzcharakterisierung vergleichend dargestellt. Die Kurzcharakterisierung umfasst für die drei Bereiche jeweils die inhaltliche Orientierung

1. zur sektoralen Abdeckung des Energiesystems,
2. zum räumlichen Fokus und
3. zu den im Projekt beteiligten Arbeitspaketen und Disziplinen.

In den nebenstehenden Reitern können jeweils Steckbriefe als Kurzzusammenfassung runtergeladen werden. Ein Kurzbericht zur Vorgehensweise, Datenbasis und ersten Ergebnissen der ENavi-Inventur steht hier zur Verfügung.

Ansprechpartner zur ENavi-Inventur

Modelle

Dr. Ulrich Fahl
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

Dr. Tobias Naegler
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Claudia Zabel
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

Methoden

Lisa Nabitz
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)

Dr. Dirk Scheer
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)

Interventionen

Sigrid Prehofer
Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS)

Dr. Sebastian Strunz
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die in sektorale Abdeckung der in ENavi verwendeten Modelle und Methoden sowie analysierten Interventionen. Die Kurzcharakterisierungen können als einzelne PDF-Dateien jeweils heruntergeladen werden.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über den räumlichen Fokus der in ENavi verwendeten Modelle und Methoden sowie analysierten Interventionen.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die beteiligten Disziplinen bzw. Arbeitspakete der in ENavi verwendeten Modelle und Methoden sowie analysierten Interventionen.

Im Rahmen der Modellinventur ENavi wurden zahlreiche Informationen zur Modellierungsexpertise innerhalb des Konsortiums zusammengetragen. Um diese Information strukturiert betrachten zu können, ist die Aufbereitung in Form von interaktiven Sunburst-Diagrammen geplant. Die Struktur und Funktionsweise der interaktiven Sunburst-Diagramme wird im Folgenden kurz beschrieben.

Grundsätzlich zeigt ein Sunburst-Diagramm verschiedene Ausprägungen und Unterausprägungen einer übergeordneten Kategorie an. Die Besonderheit der interaktiven ENavi-Sunburst-Diagramme ist, dass durch Mausklick auf eine beliebige Unterkategorie diese Unterkategorie zur neuen Überkategorie wird und somit ein „Zoom-in“ auf eben diese Kategorie mit all ihren Unterkategorien erfolgt. Durch erneuten Klick auf eine Unterkategorie kann dieser „Zoom-in“ weiter spezifiziert werden. Alternativ erfolgt durch Klick in die Mitte des Diagramms ein „Zoom-out“ um eine Ebene oder, durch Klick außerhalb des Diagramms der „Zoom-out“ zurück in die ursprüngliche Darstellung.

Im Rahmen der ENavi-Inventur Aufbereitung wurde beispielhaft für die Überkategorie „Grundlegende Modellcharakteristika“ ein solches Sunburst-Diagramm aufgesetzt. Dieses Diagramm zeigt die Ausprägungen

• Mathematischer Ansatz
• Methodik
• Modellierungsansatz
• Räumliche Auflösung
• Räumliche Betrachtung
• Zeitliche Auflösung
• Zeitliche Betrachtung und
• Ziel

mit dazugehörigen Unterkategorien. So hat etwa die Kategorie „Modellierungsansatz“ die drei Unterkategorien

• Bottom-Up,
• Top-Down und
• Hybrid.

Als Unterunterkategorien werden dann wiederum die einzelnen, in der ENavi-Inventur erfassten, Modelle eingeordnet. So können beispielsweise der Unterkategorie „Bottom-Up“ die Modelle „TIMES“ und „E2M2“ zugeordnet werden. Durch ein „Zoom-in“ auf ein beliebiges Modell wird dann wiederum angezeigt, welche Ausprägungen der einzelnen Unterkategorien auf eben dieses Modell zutreffen. Der Betrachter kann also entweder einen Gesamtüberblick aus Perspektive der Überkategorie erhalten oder durch ein „Zoom-in“ auf ein beliebiges Modell einen Detailüberblick über ein bestimmtes Modell.

Die Darstellung befindet sich derzeit in Bearbeitung und umfasst noch nicht alle in der Inventur erfassten Modelle. Auch bei den erfassten Kategorien können u.U. noch Anpassungen und Aktualisierungen erfolgen. Zudem ist eine Erweiterung der jetzigen Darstellung um zusätzliche Überkategorien neben den „Grundlegenden Modellcharakteristika“ denkbar.

Hinweis: Das interaktive Sunburst-Diagramm wird derzeit nur vom Browser Chrome unterstützt.

Ansprechpartner:

Claudia Zabel
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

Dr. Tobias Naegler
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Wegbeschreibungen zum Klimaneutralen Energiesystem. Abschlussbericht 2019 des Kopernikus-Projekts Energiewende-Navigationssystem (ENavi)
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