Die fünf Gewinnerstädte des Wettbewerbs "Energieeffiziente Stadt" verwenden unterschiedliche modellgestützte Planungshilfsmittel, die bei der Bewertung energieeffizienzsteigernder Maßnahmen sowie treibhausgasmindernder Strategien Entscheidungsunterstützung bieten. Dies umfasst Modelle der Bilanzierung von Energieflüssen und Treibhausgasemissionen wie auch simulierende und optimierende Energiesystemmodelle.

Das Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion hat sich im Rahmen der Begleitforschung zum "Wettbewerb Energieeffiziente Stadt" zum Ziel gesetzt, die verschiedenen Modellierungsansätze übergreifend zu charakterisieren, hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf andere städtische Energiesysteme zu analysieren, und im Rahmen einer eigenen Modellentwicklung ggfs. die identifizierten Hemmnisse der Übertragbarkeit zu überwinden.

In einem ersten Schritt wurden die gewählten Modellansätze charakterisiert und in die bestehende Forschungslandschaft eingeordnet. Dabei wurde festgestellt, dass eine Vielzahl von Modellen in den Wettbewerbsstädten entwickelt wird, die zur Untersuchung unterschiedlicher Fragestellungen, von der Bewertung einzelner Maßnahmen bis hin zur Gesamtsystemgestaltung, geeignet sind. Zusätzlich unterscheiden sich die Modelle in der Art der verwendeten Methodik, der zeitlichen und räumlichen Auflösung, sowie in der Wahl der abgebildeten Sektoren.

Bei der Bewertung der Übertragbarkeit wurden u.a. die konkreten Rahmenbedingungen der jeweiligen Stadt, wie die geographische Lage oder wirtschaftsstrukturelle sowie sozioökonomische Daten berücksichtigt. Neben der grundsätzlichen Möglichkeit einer Übertragung des Ansatzes wurde jedoch auch der jeweilige Aufwand berücksichtigt, der hierfür nötig wäre. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Verfügbarkeit der benötigten Input-Daten für die Anwendung der Modelle in einer anderen Stadt ein wesentliches Hindernis darstellen kann. Oftmals wurden Daten eingesetzt, die aus Gründen des Datenschutzes oder des Erhebungsaufwandes in anderen Städten nicht ermittelt oder aber aus wettbewerblichen Gründen nicht von Dritten Parteien zur Verfügung gestellt werden können.

Um diesem Hemmnis zu begegnen, wurden im Anschluss eigene Methoden entwickelt, die insbesondere die Übertragbarkeit adressieren. Zunächst wurde eine Methode zur Abschätzung des technischen Potenzials zur Nutzung von Photovoltaik auf Wohngebäuden entwickelt, die lediglich auf frei verfügbaren statistischen Daten basiert und sich daher auf alle Städte und Gemeinden in Deutschland anwenden lässt. Diese Methode wurde anschließend noch verfeinert, so dass nun die klimatischen Gegebenheiten der untersuchten Region detailliert Berücksichtigung finden und Aussagen bis auf die Ebene einzelner Gebäude getroffen werden können. Zusätzlich wurden Methoden zur Bestimmung des Potenzials von Windkraft und Biomasse entwickelt, die ebenfalls auf frei verfügbaren Daten basieren und sich somit leicht auf beliebige Städte und Gemeinden anwenden lassen.

Um aus diesen Daten schließlich sinnvolle Empfehlungen für Entscheidungsträger ableiten zu können, wurde zusätzlich ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell entwickelt, welches die Minimierung der Gesamtsystemkosten des städtischen Energiesystems unter Berücksichtigung technischer und Nutzer-spezifischer Nebenbedingungen durchführt. Dies ermöglicht es beispielsweise, den optimalen Einsatz verschiedener Technologien zur Erreichung spezifischer Emissionsminderungsziele zu ermitteln. Im weiteren Projektverlauf soll das Modell in mehreren Städten erprobt und die Erfahrungen damit dokumentiert werden.

Das Ergebnis der Begleitforschungsaktivitäten des IIP ist somit ein übertragbares Planungshilfsmittel für kommunale Entscheidungsträger zur Bewertung von Maßnahmen der Energieeffizienzsteigerung und Treibhausgasminderung in Städten.

Veröffentlichungen

1. Fehrenbach, D.; Merkel, E.; McKenna, R.; Karl, U.; Fichtner, W. (2013): Eine modellgestützte Analyse energieeffizienter Wärme- und Elektrizitätsversorgung in deutschen Wohngebäuden. In: M.K. Koch und H.-J. Wagner (Hg.): Wettbewerb "Energieeffiziente Stadt". Band 1: Gebäude und Haushalte, Berlin: LIT (Energie und Nachhaltigkeit, 14), S. 157–168.
    
2. McKenna, Russell; Merkel, Erik; Mainzer, Kai; Seitz, Kilian; Fichtner, Wolf (2013): Energy in buildings. selected research in renewable energy and energy efficiency. Jahrestagung Energiewende – zwischen Konzept und Umsetzung. EA European Academy of Technology and Innovation Assessment GmbH. Wissenschaftszentrum Bonn, 03.06.2013.
   a. http://www.ea-aw.de/veranstaltungen/ea-jahrestagungen/jahrestagung-2013.html
    
3. Mainzer, Kai; Fath, Karoline; McKenna, Russel; Fichtner, Wolf (2014): Ermittlung technischer Potenziale für die Photovoltaik-Nutzung auf Dachflächen von deutschen Wohngebäuden. In: Marco K. Koch und Jürgen Görres (Hg.): Wettbewerb "Energieeffiziente Stadt". Energieversorgung, Energiebilanzierung und Monitoring. Band 2: Energieversorgung, Energiebilanzierung und Monitoring. Berlin: LIT (Energie und Nachhaltigkeit, 15).
    
4. Mainzer, Kai; Fath, Karoline; McKenna, Russell; Stengel, Julian; Fichtner, Wolf; Schultmann, Frank (2014): A high-resolution determination of the technical potential for residential-roof-mounted photovoltaic systems in Germany. In: Solar Energy 105, S. 715–731. DOI: 10.1016/j.solener.2014.04.015.
   a. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2014.04.015
    
5. Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Fichtner, Wolf (2014): Modelle und Methoden zur Entscheidungsunterstützung bei der Planung urbaner Energiesysteme. In: Marco K. Koch und Russell McKenna (Hg.): Wettbewerb "Energieeffiziente Stadt". Modelle und Methoden. Band 3: Modelle und Methoden. Berlin: LIT (Energie und Nachhaltigkeit, 16).
    
6. Killinger, Sven; Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Kreifels, Niklas; Fichtner, Wolf (2015): A regional optimisation of renewable energy supply from wind and photovoltaics with respect to three key energy-political objectives. In Energy. DOI: 10.1016/j.energy.2015.03.050.
   a. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2015.03.050
    
7. Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Fichtner, Wolf (2015): Integrating residential energy efficiency measures into optimizing urban energy system models. eceee 2015 Summer Study on energy efficiency. Chair of Energy Economics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Presqu'île de Giens, 6/5/2015. Available online at http://proceedings.eceee.org/visabstrakt.php?event=5&doc=3-427-15.
    
8. Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Fichtner, Wolf (2015): Rolling Horizon Planning Methods in Long-Term Energy System Analysis MILP Models. CORS/INFORMS International Meeting 2015. Institute for Operations Research and the Management Sciences (INFORMS). Montréal, 17.06.2015.
   a. http://meetings2.informs.org/montreal2015/
    
9. Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Fichtner, Wolf: Charakterisierung der verwendeten Modellansätze im Wettbewerb Energieeffiziente Stadt. In: Working paper series in production and energy.
    
10. Babrowski, S.; Ensslen, A.; Jochem, P.; Fichtner, W. (2015): Akzeptanz von Elektrofahrzeugen im urbanen Raum. In: M.K. Koch, V. Krüger und J.A. Schmidt (Hg.): Wettbewerb "Energieeffiziente Stadt". Band 4: Stadtentwicklung und Mobilität, Berlin: LIT (Energie und Nachhaltigkeit, 18), S. 147–156.
     
11. Babrowski, S.; Jochem, J.; Fichtner, W. (2015): Elektrofahrzeuge und das städtische Energiesystem. In: M.K. Koch, V. Krüger und J.A Schmidt (Hg.): Wettbewerb "Energieeffiziente Stadt". Band 4: Stadtentwicklung und Mobilität, Berlin: LIT (Energie und Nachhaltigkeit, 18), S. 137–146.
     
12. Mainzer, Kai; McKenna, Russell; Fichtner, Wolf (2015): Städtische Energiesystemanalyse unter Verwendung öffentlich zugänglicher Daten. Karlsruhe (Workshop „Urbane Energiesystemmodelle“).
    a. http://www.iip.kit.edu/3027.php