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FORECAST-Tertiary

Name

Forecasting Energy Consumption Analysis and Simulation Tool - Tertiary

Version des Modells

  • Forecast 2025

Betreibende Organisation

  • Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung

Zweck des Modells

  • Ziel // Simulation des langfristigen Endenergieverbrauchs von Geräten und Prozessen im Gewerbe-, Handel- und Dienstleistungssektor (GHD), ohne den Endenergieverbrauch für Raumheizung, Raumkühlung und Warmwasser. Konkret umfassen Geräte und Prozesse zum einen übliche Haushaltsgeräte wie beispielsweise Wasserkocher, Kaffee- und Spülmaschinen, aber auch Informations- und Kommunikationsgeräte (IKT-Geräte) wie Computer, Drucker und Telefone. Zum anderen sind Beispiele für Prozesswärme und Prozesskühlung gerwerbliche Öfen oder Kühlräume bzw. Kühlhäuser
  • Forschungsfragen
    • Wie wird sich der Endenergieverbrauch für Geräte und Prozesse im Gewerbe-, Handel- und Dienstleistungssektor in Deutschland bis zum Jahr 2050 entwickeln?
    • Wie beeinflussen die politischen Rahmenbedingungen das Investitions- und Energieverbrauchsverhalten?
    • Wie beeinflussen die Energiepreise das Energieverbrauchsverhalten?
  • Art der Szenarien // Fokus auf explorative Szenarien, die darauf abzielen, das zukünftige Investitions- und Energieverbrauchsverhalten des Gewerbe-, Handel- und Dienstleistungssektors zu simulieren. Das Modell kann instrumentenbasierte Szenarien simulieren. Um Zielszenarien zu simulieren, können Benutzer verschiedene sinnvolle Kombinationen politischer Instrumente ausprobieren, bis das Ziel erreicht ist. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass das Ziel optimal erreicht wird.
  • Primäre Ergebnisse des Modells // Endenergieverbrauch für Geräte und Prozesse (TWh); Kosten (Anschschaffungskosten beim Geräteinkauf und Betriebskosten in Form von Energiekosten in Euro); Emissionen (Scope 1-2, vgl. Greenhouse Gas Protocol); Marktanteile der betrachteten Gerätetypen im Bestand (die Anteile der unterschiedlichen Gerätetypen und deren Effizienzklassen im Bestand sind entscheidender Faktor für den nationalen Endenergieverbrauch der Geräte und Prozesse des GHD-Sektors).

Akteure

  • Illustration von repräsentativen Unternehmen des Gewerbe- und Handel- und Dienstleistungssektors: Diese repräsentativen Unternehmen sind keine realen Unternehmen, sondern repräsentieren einen GHD-Subsektor aufgrund von für diesen Subsektor durchschnittlichen Eigenschaften, wie Beschäftigtenzahl, Gebäudeflächen, usw., die statistisch ermittelt wurden im Rahmen der vom Fraunhofer ISI durchgeführten GHD-Befragung. Forecast-Tertiary ist ein agenten-basiertes Modell, indem die Agenten „repräsentative Unternehmen“ sind. Zunächst werden diese einem Subsektor nach der EU Klassifikation der Wirtschaftszweige zugeordnet sowie die Art und Anzahl ihrer Endanwendungen initialisiert. Entscheidungsprozesse, wie zum Beispiel mit welchem neuen Gerät ein Gerät nach Ende seiner Lebenszeit ersetzt wird, werden auf Agentenebene modelliert. Für jeweils einen Subsektor berechnet das Modell den Technologiewandel sowie die Veränderung der Endenergiebedarfe aus einer Bottom-up-Perspektive und aggregiert diese anschließend zum gesamten Endenergiebedarf von Geräten und Prozessen des GHD-Sektors in Deutschland.
  • In der Simulation von Kauf- und Energieverbrauchsentscheidungen werden Rentabilitätsberechnungen (diese beeinflussen positiv oder negativ Entscheidungen von Agenten, beispielsweise ob ein effizienteres Geräte gekauft wird, sind aber nicht alleiniger Faktor), sowie Logit-Verteilungen und Annahmen über die Energiepreisentwicklungen berücksichtigt.

Dokumentation

Räumliche Abdeckung

  • Deutschland

Zeithorizont

  • Start: 2019
  • Ende: Typischerweise 2045 oder 2050

Zeitliche Auflösung

  • jährliche Auflösung

Konzeptionelle Gestaltungsprinzipien

  • Wesentliche Konzepte // Die Berechnung des Endenergiebedarfs erfolgt in einem agentenbasierten Rahmen. Die GHD-Subsektoren werden durch eine große Anzahl von Agenten repräsentiert, die nach Subsektoren klassifiziert sind. Wie im Abschnitt Akteure beschrieben repräsentieren Agenten einzelne Unternehmen und werden mit der Adoption von Geräten sowie den Verhaltensparametern (u.a. Betriebsstunden pro Jahr, Energieintensität, etc.) initialisiert. Für jede Endanwendung jedes Unternehmens wird der Agent bei Erreichen der Lebensdauer veranlasst, die Geräte zu ersetzen, indem er eine der auf dem Markt verfügbaren Optionen auswählt, die durch die Ökodesign-Politik des Modells beeinflusst werden können. Die Kostenbewertung der verschiedenen Optionen wird auch durch die Energiekosten beeinflusst. Aufgrund der vom Fraunhofer ISI durchgeführten GHD-Befragung liegen für das Jahr 2019 erhobene Daten zum Endenergiebedarf der jeweiligen GHD-Subsektoren vor. Um die Differenzen zwischen den Modellergebnissen der Subsektoren und den erhobenen Daten auszugleichen wird ein Anpassungsfaktor eingeführt, der mit den Daten aus dem Jahr 2019 kalibriert wird. Infolgedessen kann mit Hilfe dieser Kalibrierung das Modell den Endenergiebedarf des gesamten tertiären Sektors aus einer Bottom-up-Perspektive berechnen.
  • Endogene Variablen // Endenergieverbrauch für Geräte und Prozesse (TWh); Kosten (Geräteeinkauf und Energie in Euro); Emissionen (Scope 1-2 vgl. Greenhouse Gas Protocol); Marktanteile der Endanwendungen (nach Energieeffizienzklassen);
  • Exogene Variablen // Bevölkerungsentwicklung; Strom- und Energiepreise (Verbraucherpreise); Gerätepreise (Kaufkosten); Gerätebestand im Startjahr; politische Rahmenbedingungen (Mindesteffizienzstandards; Förderung; Informationsinstrumente)

Methodischer/mathematischer Ansatz

  • Ansatz //
    • Bestandsmodell: Berechnet den Endenergiebedarf auf der Grundlage des aktuellen Gerätebestands der Agenten sowie ihres spezifischen Verbrauchs;
    • Logistische Funktion: Modelliert die Wahl der Firmenagenten, die aus den verfügbaren Endanwendungen (Geräte und Prozesse) auf dem Markt wählen;
    • Geräte- und Effizienzauswahl: Basiert auf Mindesteffizienzstandards und der Markteinführung neuer Technologien;
    • Endenergiebedarfsberechnung: Der Endenergiebedarf wird aus dem spezifischen Verbrauch der Geräte, multipliziert mit der Betriebsstunde, berechnet;
    • Wirtschaftliche Bewertung: Eine Total Cost of Ownership ermittelt die Kosten unterschiedlicher Geräte und Effizienzklassen unter Berücksichtigung der Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten.
  • Einordnung // Bottom-up Simulationsmodell

Open Source

  • Forecast-Tertiary ist nicht Open Source. Gegen eine Veröffentlichung spricht vor allem der hohe Aufwand, um den Code zugänglich und lesbar für Außenstehende zu machen. Da es sich um eine Eigenentwicklung handelt, sind Kenntnisse der Programmiersprache nicht hinreichend, um die Modellierung zu verstehen. Insofern würde eine Veröffentlichung aktuell keinen Mehrwert für Transparenz bieten.

Parameter

  • Zu den wichtigsten Parametern gehören die Verbreitung verschiedener Endanwendungen in den GHD-Teilsektoren sowie die Aktivitätsintensität der Endanwendungen. Die Aktivitätsintensität beschreibt wie viele Stunden oder mit wie vielen Zyklen eine bestimmte Endanwendung genutzt wird. Diese Parameter werden auf Grundlage der vom Fraunhofer ISI durchgeführten GHD-Befragung geschätzt.

Programmiersprache

  • Python

Programmtechnische Gestaltungsprinzipien

  • FORECAST-Tertiary wird in Python implementiert und basiert auf einem allgemeinen Framework für agentenbasierte Modellierung, genannt „Melodie“. Das Framework ist Open Source auf GitHub (https://github.com/ABM4ALL/Melodie).
  • Erstens werden die Teilsektoren in GHD nach dem agentenbasierten Ansatz durch eine große Anzahl von Agenten, d. h. repräsentative Unternehmen, repräsentiert.
  • Zweitens gibt es über den Agenten ein Objekt „Umgebung“, das die Entscheidungsprozesse der Agenten koordiniert.
  • Drittens werden die Eingabedaten über ein Objekt namens „Szenario“ an die Umgebung und die Agenten übermittelt.
  • Schließlich werden alle Komponenten (einschließlich Agenten, Umgebung, Szenario) in einem Container namens „Modell“ gespeichert.

Räumliche Auflösung

Für die Simulation wird die nationale Ebene (NUTS 0) zugrunde gelegt, sodass Deutschland als Einheit ohne weitere regionale Untergliederung betrachtet wird. Die Modellierung basiert auf einer detailierten für Nationalstaaten spezifischen Parametrisierung. Sofern diese Parameter auch für andere Staaten vorliegen, könnte das Modell für diese in analoger Art und Weise verwendet werden.

Sektoren

  • Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD)

Software

  • PyCharm

Techniken

FORECAST-Tertiary bildet den Energieverbrauch von Geräten und Prozessen detailliert auf Einzeltechnologieebene ab. Entsprechend der im Abschnitt Zweck des Modells beschriebenen Klassifikation der Geräte und Prozesse werden die folgenden Endanwendungen in FORECAST-Tertiary für die Projektionen 2026 betrachtet. Diese Endanwendungen wurden im Rahmen der GHD-Befragung identifiziert. Zu allen Endanwendungen gibt es eine Reihe von Technologieoptionen (z.B. für Beleuchtung: Glühlampen, Energiesparlampen, LED, etc.). Zudem stehen alle Technologieoptionen in mehreren Energieeffizienzklassen zur Verfügung.

  • Haushaltsgeräte (Wasserkocher, Kaffeemschine, Kühlschränke, Geschirrspüler),
  • Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) (z.B. Bildschirme, Computer, Modems/Router, Server),
  • Beleuchtung (LED, Leuchtstoff-, Energiespar- und Halogenlampen, Glühlampen),
  • Prozesswärme (z.B. Kochfelder, Öfen, Trocknungsanlagen),
  • Prozesskühlung (z.B. Kühlschränke).

Treibhausgasemissionen

Die Quantifiziernug der CO2-Emissionen erfolgt über exogen vorgegebene Emissionsfaktoren, die auf den im Projektionsbericht modellierten Emissionspfaden basieren. Diese Emissionspfade bilden die – zwar außerhalb des Modells FORECAST-Tertiary berechneten, jedoch im Rahmen des Projektionsberichts ermittelten – CO₂-Emissionen der elektrischen Stromerzeugung in Deutschland ab.

Unsicherheit

  • Unsicherheiten werden nicht explizit abgebildet, Vertrauensintervalle werden nicht standardmäßig erzeugt. In der Regel werden Unsicherheiten im Rahmen von Sensitivitäten aufgezeigt.

Visualisierung des Modells und dessen Funktionsweisen

Literaturverzeichnis

Modellierungsprozess

Datenflüsse im Kontext des Modellierungsprozesses von FORECAST-Tertiary

Dieser Graph zeigt woher (und wieviele) Datensätze direkt oder indirekt in FORECAST-Tertiary fließen. Er zeigt auch, welche Datensätze durch FORECAST-Tertiary augegeben werden.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
input__forecast_tertiary(["9"])
click input__forecast_tertiary href "/Modellierungsprozess/input__forecast_tertiary/"
forecast_tertiary__output(["12"])
click forecast_tertiary__output href "/Modellierungsprozess/forecast_tertiary__output/"
data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt(["Rahmendaten - Bruttoinlandsprodukt"])
click data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt href "/Datensatz/data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt/"
input(("Eingangsdaten"))
data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator(["Rahmendaten - Preisindex Bruttoinlandsprodukt (Deflator)"])
click data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator href "/Datensatz/data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator/"
forecast_tertiary__lawienmod(["2"])
click forecast_tertiary__lawienmod href "/Modellierungsprozess/forecast_tertiary__lawienmod/"
data_instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2026 für Deutschland (Datentabelle)"])
click data_instrumentenwirkung href "/Datensatz/data_instrumentenwirkung/"
forecast_tertiary__enusem(["3"])
click forecast_tertiary__enusem href "/Modellierungsprozess/forecast_tertiary__enusem/"
lawienmod["LaWiEnMod"]
click lawienmod href "/Modell/lawienmod/"
data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung(["Rahmendaten - Gesamtbevölkerung"])
click data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung href "/Datensatz/data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung/"
data_endverbrauchspreistabelle(["Endverbrauchspreise der Energieträger für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_endverbrauchspreistabelle href "/Datensatz/data_endverbrauchspreistabelle/"
data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2(["Rahmendaten - Preis im nationalen Emissionshandel / EU ETS 2"])
click data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2 href "/Datensatz/data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2/"
enusem["ENUSEM"]
click enusem href "/Modell/enusem/"
forecast_tertiary__powerflex(["9"])
click forecast_tertiary__powerflex href "/Modellierungsprozess/forecast_tertiary__powerflex/"
temps__forecast_tertiary(["1"])
click temps__forecast_tertiary href "/Modellierungsprozess/temps__forecast_tertiary/"
data_rahmendaten_erwerbstaetige(["Rahmendaten - Erwerbstätige"])
click data_rahmendaten_erwerbstaetige href "/Datensatz/data_rahmendaten_erwerbstaetige/"
temps["TEMPS"]
click temps href "/Modell/temps/"
data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1(["Rahmendaten - Preis im EU Emissionshandel / EU ETS 1"])
click data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1 href "/Datensatz/data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1/"
data_parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_parametrisierungstabelle href "/Datensatz/data_parametrisierungstabelle/"
data_datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2026 für Deutschland"])
click data_datentabelle href "/Datensatz/data_datentabelle/"
forecast_tertiary["FORECAST-Tertiary"]
click forecast_tertiary href "/Modell/forecast_tertiary/"
style forecast_tertiary fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
output(("Ergebnisdaten"))
powerflex["PowerFlex"]
click powerflex href "/Modell/powerflex/"
view["VIEW-LEO"]
click view href "/Modell/view/"
view__forecast_tertiary(["4"])
click view__forecast_tertiary href "/Modellierungsprozess/view__forecast_tertiary/"
forecast_tertiary__enusem --> enusem
forecast_tertiary__powerflex --> powerflex
forecast_tertiary --> data_instrumentenwirkung
data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1 --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2 --> forecast_tertiary
data_parametrisierungstabelle --> forecast_tertiary
view --> view__forecast_tertiary
forecast_tertiary --> forecast_tertiary__output
data_endverbrauchspreistabelle --> forecast_tertiary
input --> input__forecast_tertiary
forecast_tertiary__lawienmod --> lawienmod
forecast_tertiary__output --> output
input__forecast_tertiary --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung --> forecast_tertiary
forecast_tertiary --> forecast_tertiary__lawienmod
forecast_tertiary --> forecast_tertiary__enusem
temps__forecast_tertiary --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_erwerbstaetige --> forecast_tertiary
forecast_tertiary --> forecast_tertiary__powerflex
data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator --> forecast_tertiary
view__forecast_tertiary --> forecast_tertiary
forecast_tertiary --> data_datentabelle
temps --> temps__forecast_tertiary

Direkte Datenflüsse zu FORECAST-Tertiary

Dieser Graph zeigt an, welche Datensätze direkt in FORECAST-Tertiary fließen oder durch FORECAST-Tertiary ausgegeben werden.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1(["Rahmendaten - Preis im EU Emissionshandel / EU ETS 1"])
click data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1 href "/Datensatz/data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1/"
data_parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_parametrisierungstabelle href "/Datensatz/data_parametrisierungstabelle/"
data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt(["Rahmendaten - Bruttoinlandsprodukt"])
click data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt href "/Datensatz/data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt/"
data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator(["Rahmendaten - Preisindex Bruttoinlandsprodukt (Deflator)"])
click data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator href "/Datensatz/data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator/"
data_datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2026 für Deutschland"])
click data_datentabelle href "/Datensatz/data_datentabelle/"
data_rahmendaten_erwerbstaetige(["Rahmendaten - Erwerbstätige"])
click data_rahmendaten_erwerbstaetige href "/Datensatz/data_rahmendaten_erwerbstaetige/"
forecast_tertiary["FORECAST-Tertiary"]
click forecast_tertiary href "/Modell/forecast_tertiary/"
style forecast_tertiary fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
interface_1a2g_sverkehrbau_nur_historisch(["Interface Bauwirtschaft zwischen ENUSEM und FORECAST-Tertiary: nur historisch"])
click interface_1a2g_sverkehrbau_nur_historisch href "/Datensatz/interface_1a2g_sverkehrbau_nur_historisch/"
data_instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2026 für Deutschland (Datentabelle)"])
click data_instrumentenwirkung href "/Datensatz/data_instrumentenwirkung/"
interface_1a4a_ghd_prozesse(["Interface GHD-Prozesse zwischen ENUSEM und FORECAST-Tertiary: historisch und Projektion"])
click interface_1a4a_ghd_prozesse href "/Datensatz/interface_1a4a_ghd_prozesse/"
interface_1a4a_ghd_nur_historisch(["Interface GHD zwischen ENUSEM, Invert/EE-Lab und FORECAST-Tertiary: nur historisch"])
click interface_1a4a_ghd_nur_historisch href "/Datensatz/interface_1a4a_ghd_nur_historisch/"
data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung(["Rahmendaten - Gesamtbevölkerung"])
click data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung href "/Datensatz/data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung/"
data_endverbrauchspreistabelle(["Endverbrauchspreise der Energieträger für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_endverbrauchspreistabelle href "/Datensatz/data_endverbrauchspreistabelle/"
interface_1a2g_sverkehrbau(["Interface Bauwirtschaft zwischen ENUSEM und FORECAST-Tertiary: historisch und Projektion"])
click interface_1a2g_sverkehrbau href "/Datensatz/interface_1a2g_sverkehrbau/"
data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2(["Rahmendaten - Preis im nationalen Emissionshandel / EU ETS 2"])
click data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2 href "/Datensatz/data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2/"
forecast_tertiary_geraetepreise(["Gerätepreise"])
click forecast_tertiary_geraetepreise href "/Datensatz/forecast_tertiary_geraetepreise/"
forecast_tertiary_projizierte_energieverbraeuche(["projizierte Energieverbräuche"])
click forecast_tertiary_projizierte_energieverbraeuche href "/Datensatz/forecast_tertiary_projizierte_energieverbraeuche/"
data_parametrisierungstabelle --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_preis_im_nationalen_emissionshandel_eu_ets_2 --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_bruttoinlandsprodukt --> forecast_tertiary
interface_1a2g_sverkehrbau_nur_historisch --> forecast_tertiary
interface_1a2g_sverkehrbau_nur_historisch --> interface_1a2g_sverkehrbau
interface_1a4a_ghd_nur_historisch --> interface_1a4a_ghd_prozesse
interface_1a4a_ghd_nur_historisch --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_preisindex_bruttoinlandsprodukt_deflator --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_gesamtbevoelkerung --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_preis_eu_emissionshandel_eu_ets_1 --> forecast_tertiary
data_endverbrauchspreistabelle --> forecast_tertiary
data_rahmendaten_erwerbstaetige --> forecast_tertiary
forecast_tertiary_geraetepreise --> forecast_tertiary
forecast_tertiary --> interface_1a2g_sverkehrbau
forecast_tertiary --> data_instrumentenwirkung
forecast_tertiary --> data_datentabelle
forecast_tertiary --> interface_1a4a_ghd_prozesse
forecast_tertiary --> forecast_tertiary_projizierte_energieverbraeuche