Forsch ungszentrum J01 ich - fz- CO2-Emissionenin Deutschland 13 Modelluberblick 34 Modellkategorien

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Text of Forsch ungszentrum J01 ich - fz- CO2-Emissionenin Deutschland 13 Modelluberblick 34 Modellkategorien

  • Forsch ungszentru m J01 ich

    Programmgruppe Systernforschung und Technologische Entwicklung

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    Thomas Grundmenn

  • Berichte des Forschungszentrums Julich 3663

  • Volkswirtschaftlich konsistente Energieszenarien zur CO2-Reduktion Eine Sektoranalyse mittels Kopplung von einem energietechnischen mit einem mekrookonomischen Modell am Beispiel des IKARUS-Instrumentariums

    Thomas Grundmann

  • Berichte des Forschungszentrums Jiilich ; 3663, Juni 1999 ISSN 0944-2952 Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung JOI-3663 D715 (Diss. Universitat Oldenburg)

    Zu beziehen durch: Forschungszentrum Jiilich GmbH· Zentralbibliothek D-52425 Jullch . Bundesrepublik Deutschland e 02461/61-6102· Telefax: 02461/61-6103· e-mail: zb-publikation@fz-juellch.de

  • Danksagung

    Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit in der Programmgruppe

    Systemforschung und Technologische Entwicklung STE am Forschungszentrum Julich FZJ.

    Sie wurde im April 1998 vorn Fachbereich Wirtschafts- und Rechtswissenschaften der

    Universitat Oldenburg als Dissertation angenommen.

    Mein besonderer Dank gilt meinen Betreuern Herrn Prof Dr. Wolfgang Pfaffenberger als

    Doktorvater und Herrn Prof Dr. Wolfgang Strobele als Korreferenten, die die Anfertignng der

    Untersuchung mit wertvollen Anregungen und positiver Kritik begleitet und einen wesentlichen

    Anteil an meinem wissenschaftlichen Werdegang haben.

    Ebenfalls herzlich bedanken mochte ich mich bei den Mitarbeitern der STE in Julich, Unter der

    Leitung von Herrn Dipl. Math. Jurgen-Friedrich Hake fand ich ausgezeichnete Arbeits-

    bedingungen vor. Besonders erwahnen mochte ich die Herren Dr. Wilhelm Kuckshinrichs und

    Dr. Peter Markewitz, die mir auf den Gebieten der okonornischen Analyse und energie-

    technischen Modellierung jederzeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden haben, Fur die EDV-

    technische Unterstutzung danke ich Frau Dagmar MOller und Herrn Dieter Sonnenschein. Stets

    hilfsbereit und zuverlassig durch die Tucken der offentlichen Verwaltung gefuhrt hat mich Frau

    Rita Becker.

    Auf keinen Fall mochte ich an dieser Stelle versaumen zu erwahnen, daf Herr Dr. Wilhelm

    Kuckshinrichs, Herr Dr. Peter Markewitz und Frau Sabine Konig das Manuskript kritisch

    gelesen und zu Detailverbesserungen angeregt haben.

    Ein groBes Dankeschon auch an meine Eltem Elisabeth und Martin Grundmann.

    Thomas Grundmann Wiesbaden, im Juni 1999

  • Volkswirtschaftlich konsistente Energieszenarien zur COrReduktion Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die theoretische und praktische Durchfiihrung der

    Verbindung des technischen Energiemodells IKARUS-LP mit dem okonomischen Input-

    Output-Modell MIS. Beide Modelle sind innerhalb des vom Bundesministerium fur Forschung

    und Technologie initiierten IKARUS-Projektes mit dem Ziel der Simulation von kosten-

    optimalen Szenarien zur Reduktion von CO2-Emissionen entwickelt worden.

    Um die Einzelmodelle in ihrer Struktur unverandert beizubehalten, wurde fur die

    Modellverbindung das Soft-Linking Verfahren gewahlt, Dabei erfolgt ein Datentransfer von

    energienachfragebestimmenden Grofien und technischen Effizienzparametem. Die im

    Energiemodell IKARUS-LP als exogene Inputdaten benotigten sektoralen energienachfrage-

    bestimmenden Grofsen werden mittels Nachfragegeneratoren aus den Ergebnissen des

    Okonomiemodells MIS ermittelt.

    Die Ergebnisse der Modellkopplung liegen fur den Energieeinsatz und die CO2-Emissionen im

    Rahmen der bereits durch die Szenarien des IKARUS-LP-Einzelmodells vorgezeichneten

    Entwicklung. Der Ausweis erhohter COrReduktionskosten ist auf die Einbettung der

    Makrookonomie in energietechnische Szenarien zuruckzufuhren. A1s mogliche Ursachen sind

    die auch nach einer erfolgreichen Kopplung noch bestehenden Unterschiede beider

    Modellansatze sowie die Nichtberucksichtigung institutioneller Hemnmisse und Markt-

    unvollkommenheiten seitens der Energiemodelle zu nennen.

    Macroeconomic consistent energy scenarios for CO2 reduction The present study deals with the theoretic and practical establishmentof a linkage between the

    energy technology model IKARUS-LP and the macroeconomic input-output model MIS. Both

    models were developed within the IKARUS project which had been initiated from the German

    Federal Ministry of Research and Technology. The aim of the project is the simulation of cost

    optimal CO2 reduction scenarios.

    In order to keep the structure of the single models unchanged, the soft linkage approach was

    chosen. This kind of approach employs extensive data transformation of energy demand and

    technical efficiencyparameters. The energy model IKARUS-LP needs sectoral energy demands

    as exogenous input data. These are provided from the results of the macroeconomic model

    MIS via demand generators.

    The results of the model linkage in terms of energy use and CO2 emissions are equivalent to

    the results of the IKARUS-LP single model scenarios. The increased costs of CO2 reduction

    are likely to be caused by the embedding of macroeconomic structures in technical energy

    scenarios. An explanation for the divergences can be found in the different scientific

    approaches of the models and the non-consideration of institutional drawbacks and imperfect

    markets in energy models.

  • Inhaltsverzeichnis

    Verzeichnis der Tabellen Verzeichnis der Abbildungen Abkurzungsvcrzeichnis

    1 Einleitung

    2 Energie und Treibhauseffekt 2.1 Die CO2-Problematik

    2.1.1 CO2als treibhausrelevantes Leitgas 2.1.2 Weltweite C02-Emissionen 2.1.3 Die CO2-Emissiouen in Deutschland 2.1.4 C02-Reduktionsmal3nahmen

    2.2 Systemanalyse und Modellierung als Entscheidungshilfen

    3 Modelliiberblick 3.1 Die okonomische Dimension der CO2-Problematik 3.2 Aktuelle Modellentwicklungen 3.3 Klassifikationsansatze

    3.3.1 Von Einzelmodellen zu integrierten Ansatzen 3.3.2 Top-Down und Bottom-Up Modelle

    3.4 Modelldeterminanten 3.4.1 Allgemeine Determinanten 3.4.2 Technischeund okonomische Determinanten

    3.5 Ergebnisvergleich am Beispiel der Vermeidungskosten

    4 Verbindung von Modellen 4.1 Das hard-linking Konzept 4.2 Soft-linking von Modellen

    5 Das JKARUS/MIS-Instl'umentarium 5.1 Das Energiemodell JKARUS

    5.1.1 Struktur und Energietragcr 5.1.2 Technikabbildung 5.1.3 Formaler Aufbau

    5.2 Das MIS-Modell 5.2.1 Vorgaben 5.2.2 Die Input-Output-Struktur 5.2.3 Beschaftigung, Bevolkerung, Wohnungen und Verkehr 5.2.4 Das MIS-Energiemodell

    IV VII IX

    1

    6 6 7 9

    12 14 20

    22 23 34 36 39 42 47 47

    59 70

    73 76 83

    90 94 94 97 98

    101 102 104 III 115

    I

  • II

    6 Die Verbindung von IKARUS-LP und MIS am Beispiel des westdeutschen Industriesektors 121 6.1 Der Industriesektor 124

    6.1.1 Die funktionelle Branchenstruktur des MIS-Modells 125 6.1.2 Die institutionelle Abgrenzung im IKARUS-LP-Modell 127

    6.2 Nettoproduktionswerte als energicnachfragebestimmcnde Groben 129 6.2.1 Determinanten der Nettoproduktionswerte 131

    6.2.1.1 Bevolkerungsentwicklung und Wirtschaftswachstum 132 6.2.1.2 Politikmalinahmen 134 6.2.1.3 Steigerung der Energieeffizienz 135

    6.2.2 Zur Berechnung von Nettoproduktionswerten 141 6.2.2.1 Nettoproduktionswerte nach lSI-Karlsruhe 141 6.2.2.2 Neues Verfahren zur Berechnung der NPW 144 6.2.2.3 Unterschiede in den Nettoproduktionswerten 157

    6.3 Einbeziehung der neuen NPW in das IKARUS-LP-Konzept zur Bestimmung der Energienachfrage 158

    6.4 Ableitung sektoraler AEEI-Werte 160

    7 Ubl'igeSektoren 163 7.1 Haushalte 163

    7.1.1 Disaggregation des Haushaltssektors 164 7.1.2 Wohnflache als energienachfragebestimmende Grofie 165 7.1.3 Determinanten und zukiinftige Entwicklung der Wohnflachen 167

    7.2 Kleinverbraucher 172 7.2.1 Disaggregation des Kleinverbrauchersektors 172 7.2.2 Beschaftigtenzahl als energienachfragebestimmende Grolle 175 7.2.3 Determinanten und zukunftige Entwicklung der Beschaftigtenzahlcn 176 7.2.4 Ableitung sektoraler AEEI-Werte 180

    7.3 Verkehr 181 7.3.1 Disaggregation des Verkehrssektors 181 7.3.2 Fahrleistung als energienachfagebestimmende Grofse 182 7.3.3 Determinanten und zukunftige Entwicklung der Fahrleistungen 183

    8 Rechnen mit IKARUS-MIS 187 8.1 Kalibrierung und Iterationsverfahren 187 8.2 Szenarien und Basisannahmen 191

    8.2.IIKARUS-LP 191 8.2.2 MIS 193

    8.3 Ergebnisse 197 8.3.1 Energieeinsatz 198 8.3.2 CO2-Emissionen 201 8.3.3 Systemkosten 203

  • III

    9 Beurteilung del' Modellkopplung 207 9.1 Zielvorgabe del' CO2- Reduktion 207 9.2 Zielerreichung del' CO2-Reduktion 210 9.3 Eignung von Energic-Okonomie-Modellen bei del' Abbildung del' Realitat 213

    10 Schlufibetrachtung 216

    Literatur 219

    Anhang 239 A Energie und Treibhauseffekt 240 B Modelle 242 C IKARUS-MIS 245

  • IV

    Verzeichnis der Tabellen

    Tab. 2-1: Tab. 2-2:

    Tab. 3-1: Tab. 3-2: Tab. 3-3: Tab. 3-4:

    Tab. 3-5:

    Tab. 4-1: Tab. 4-2:

    Tab. 5-1: Tab. 5-2: Tab. 5-3: Tab. 5-4: