Verzeichnis der Abkürzungen, Akronyme und Symbole
2 Methodisches Vorgehen
2.3.3 Modellierung des Sektors Industrie
Das Industriemodell differenziert den Endenergieverbrauch nach Verwendungszwe-cken, Energieträgern und Branchen (vgl. Figur 2-3). Als Verwendungszweck werden mechanische Arbeit, Prozesswärme, Raumwärme, Information und Kommunikation (I&K) sowie sonstige Verwendungszwecke betrachtet. Die Untergliederung nach gieträgern folgt der Aufteilung der Energiebilanz. Intern werden insgesamt zwölf Ener-gieträger unterschieden. Zusätzlich zu den in der Energiebilanz geführten sind dies extraleichtes, mittelschweres und schweres Heizöl, Diesel, Petrolkoks und Flüssiggas.
Die ausgegebene Branchenstruktur ist mit derjenigen der Teilstatistik zum Energie-verbrauch in der Industrie und im Dienstleistungssektor [Helbling, 2011] kompatibel, wobei für interne Zwecke zum Teil eine weitere Differenzierung vorgenommen wird.
Die Abgrenzung zum Dienstleistungsmodell ist anhand der NOGA 2008-Klassifikation gegeben: In das Industriemodell gehen die 2-Steller 05 bis 43 ein.
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Figur 2-3: Unterteilung des Endenergieverbrauchs im Sektor Industrie nach Verwendungszwecken, Energieträgern und Branchen
Quelle: Prognos 2012
Es wird nur der Verbrauch an Endenergie erfasst, nicht aber der Energieträgereinsatz zu Umwandlungszwecken, sei es aus Eigenstromerzeugung oder aus Stoffumwand-lungen wie sie z. B. in Raffinerien stattfinden. Dieses Vorgehen steht im Einklang mit der GEST, welche seit der Ausgabe 2010 strikt Produktionsprozesse von (energeti-schen) Umwandlungsprozessen trennt [BFE, 2011a]. Von einer Eigenenergieerzeu-gung aus WKK-Anlagen werden daher nur die Energieträger zur Wärmeproduktion sowie der erzeugte Strom, nicht jedoch die Energieträger, welche für die Stromproduk-tion eingesetzt wurden, als Verbrauch ausgewiesen.
2.3.3.1 Modellsystematik
Die Grundidee des Bottom-Up-Modells ist es, den Endenergieverbrauch möglichst kleinteilig aus den einzelnen Verbrauchergruppen zusammen zu setzen. Wie in der Verfahrenstechnik üblich, wird deshalb die industrielle Produktion produktspezifisch jeweils in einzelne Prozessschritte unterteilt, die separat betrachtet werden. Jedem Prozessschritt wird (mindestens) eine Anlage einer geeigneten Leistungsklasse zuge-wiesen. Der Energieträgereinsatz, den die Anlage für die Ausführung des Prozess-schritts benötigt, variiert in der Zeit und in der Energieträgerzusammensetzung je nach Vorgabe von Produktionsmenge und technologischem Fortschritt der Anlagenkohorte.
Endenergieverbrauch zum Zeitpunkt t
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Die energetisch relevanten Endenergieverbraucher werden separat in dieser Detailtiefe modelliert. Dies erlaubt eine hohe Kontrolle der einzelnen Prozesse und ermöglicht es, mit dem Modell verschiedene Szenarien und Varianten konsistent zu erstellen. Pro-zessschritte mit geringem Verbrauch, sehr inhomogener Güterproduktion (z. B. aus dem Maschinenbau) und auch Haustechnikprozesse (z. B. Heizungsanlagen) werden derzeit abgebildet.
Grundlage für die Berechnung und Fortschreibung des Endenergieverbrauchs in der Industrie bilden einerseits Mengenindikatoren, andererseits spezifische Energie-verbräuche. Als Mengenindikatoren wird die Produktion der einzelnen Branchen ver-wendet, differenziert nach Produktionsprozessen und Produktionsmengen. Dabei wer-den soweit möglich physische Mengengrössen betrachtet. Dies gelingt bei vergleichs-weise homogen produzierenden Branchen (z. B. Papierherstellung, Stahlerzeugung).
Für die übrigen Branchen wird die Produktionsmenge anhand von Wertgrössen be-schrieben, hauptsächlich anhand des Produktionsindex oder der Bruttowertschöpfung.
Diese monetären Variablen bestimmen den Energieverbrauch zwar nicht unmittelbar, sind aber mit diesem korreliert (vgl. Abschnitt 7.4.3.1).
Die Produktion wird insgesamt 12 Branchen zugeordnet, deren Struktur sich an der NOGA 2008 – wie sie aktuell auch vom BFS verwendet und veröffentlicht wird – sowie am Produktionsprozess orientiert. Grosse, homogen produzierende Verbraucher wer-den möglichst zu einer Branche zusammen gefasst. Bei der Branchenaufteilung ist zu beachten, dass die statistische Zuordnung einzelner Unternehmen dem Schwerpunkt-prinzip folgt. Demnach wird das Unternehmen derjenigen Branche zugerechnet, in wel-cher es den grössten Umsatz erwirtschaftet. Diese Zuordnungspraxis kann je nach Erhebungsjahr eine andere Branchenzugehörigkeit liefern. Ähnliches gilt für die Mit-gliederinformationen von Branchenverbänden, deren historisch gewachsene Grundge-samtheit selten mit der NOGA-Klassifikation übereinstimmt.
Je nach Komplexität umfassen die einzelnen Branchen bis zu 22 Produktionsprozesse, wie im Fall der Metallindustrie (Tabelle 2-2). Insgesamt unterscheidet das Bottom-Up-Modell 164 Produktionsprozesse, darunter z.B. das Kochen und Blanchieren in der Nahrungsmittelproduktion, Klinkerbrennen in der Zementindustrie und Pressen von Profilen, Rohren, Stangen in der Metallindustrie (Tabelle 2-3) sowie 64 Haustechnik-prozesse, die die energetischen Aufwendungen für Raumheizung, Beleuchtung etc.
beschreiben.
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Tabelle 2-2: Branchenaufgliederung und Anzahl der Prozesse je Branche
Quelle: Prognos 2012 Branche NOGA 2008 Unterbranchen Produktionsprozesse Haustechnikprozesse
Nahrung 10-12 4 18 4
Bekleidung 13-15 2 6 4
Papier 17 2 17 4
Chemie 20-21 4 19 4
Mineralien 23 5 21 16
Metalle 24 4 22 8
Metallerzeugnisse 25 4 15 4
Elektrotechnik 26-27 2 7 4
Maschinenbau 28-30 1 9 4
Energie 05-06,19,35-39 1 2 4
Bau 41-43 3 4 4
Übrige 07-09,16,18,22,31-34,40 6 24 4
Industrie 05-43 38 164 64
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Tabelle 2-3: Prozessschritte nach Branchen und Gütern
Branche Gut Produktionsschritt
Nahrung Nahrungsmittel Mischen, Pumpen, Fördern, Kühlen
Dampftrocknen, Konservieren
Zucker Schnitzeln, Pressen, Pumpen
Extraktion, Einengen, Kristallisation WKK-Anlagen
Schokolade Mischen, Pumpen, Fördern, Kühlen
Heizkessel, Prozessdampf, Trocknen, Konservieren
Bier Schroten, Mischen, Pumpen, Kühlen
Heizkessel, Prozessdampf, Kochen
Bekleidung Textilien Spinn-, Web-, Stickmaschinen, Pumpen
Färben, Reinigen, Trocknen
Bekleidung Schneiden, Stanzen, Nähen
Bügeln, Trocknen
Papier Holz- und Zellstoff Entrinden, Hacken, Pressen
Aufschliessen, Kochen, Trocknen WKK-Anlagen, Konzentration Sulfitablauge Waren aus Papier Schneiden, Stanzen, Fördern, Umweltschutz
Prozessdampf, Trocknen
Chemie Grundstoffe Mischen, Pumpen, Kompressoren
Destillation, Elektrolyse
sonstige chemische Erzeugnisse Mischen, Pumpen, Kompressoren Destillation, Trocknen, Elektrolyse WKK-Anlagen, Turbinen
Chemiefasern Mischen, Pumpen, Pressen, Spulen
Chemische Reaktionen, Trocknen Behandlung Abluft, Abwasser
Pharmazie Mischen, Pumpen, Kompressoren
Destillation, Trocknen, Elektrolyse WKK-Anlagen, Turbinen
Mineralien Glas Aufbereiten, Mischen, Formen, Druckluft
Schmelzofen
Erzeugnisse aus Beton Sieben, Mischen, Formgebung, Trocknen, Brennen
Metalle Roheisen, Stahl Drehen, Fräsen, Abkanten, Schneiden
Walzen, Pressen, Ziehen Verformen, Härten, Glühen Bearbeitung von Eisen, Stahl Schmelzen, Legieren, Formguss
Giessen von Stahl und Eisen (Großanlagen) Filtern, Waschen
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Quelle: Prognos 2012
Jeder dieser Prozesse wird von einem eigenen Anlagentyp ausgeführt. Die Anlagenty-pen haben einen generischen Charakter und weisen jeweils einen spezifischen Ener-gieverbrauch sowie einen spezifischen Energieträgermix auf, der für die einzelnen Pro-zessschritte auf den Branchendurchschnitt kalibriert wird. Die Modellierung der Produk-tionsprozesse umfasst unterschiedliche Produktionstechnologien bzw. Anlagetypen und Energieträger. Insgesamt berechnet das Industriemodell 788 Einzelverbräuche je Jahresschritt.
Halbzeug Schmelzen, Legieren, Wärmen, Extrudieren
Filtern, Waschen
Aluminium Aluminium-Elektrolyse
Stranggiessen Filtern, Waschen
Vorbereiten, Schmelzen, Legieren, Giessen Bearbeitung von Aluminium Homogenisieren, Kaltwalzen, Entfestigen
Filtern, Waschen
Metallerzeugnisse Metallerzeugnisse Galvanisieren, Anodisieren, Beschichten Drehen, Fräsen, Abkanten, Schneiden Spritz-, Druckguss (Leichtmetall) Walzen, Pressen, Ziehen Giessen, Härten, Glühen Metallerzeugnisse aus Aluminium Fliesspressen, Veredeln
Filtern, Waschen Anodisieren, Ziehen
Elektrotechnik elektronische Bauelemente Drehen, Fräsen, Abkanten, Schneiden Spritz-, Druckguss (Leichtmetalle)
Galvanisieren, Beschichten , Halbleiterherstellung Härten, Glühen
Uhren Spritzguss, Beschichten, Reinigen, Umwelt
Maschinenbau Maschinen Drehen, Fräsen, Abkanten, Schneiden
Giessen von Stahl und Eisen Spritz-, Druckguss (Leichtmetalle) Vorwärmen, Walzen, Pressen, Ziehen Galvanisieren, Beschichten
Härten, Glühen
Energie Energie- und Wassreversorgung Pumpen, Aufbereiten, Speichern, Verteilen, Montage, Fräsen Bau Erschließung von Grundstücken Krane, elektrische Maschinen, Trocknungsprozesse
Bagger, Kompressoren
Haustechnik, Baustellenarbeiten Schweissen, Wärmen, elektrische Maschinen
Übrige Druckerzeugnisse Grafische Druckverfahren
Verpackungsdruckverfahren Trocknung
Gummi- und Kunststoff Mischen, Formen, Kühlen Trocknen, Schmelzen
sonstige Waren Absauganlage, Fräse, Hobel, Druckluft Trocknen, thermische Anwendungen
Münzen, Schmuck Gravieren, Schleifen
(alle Branchen) (die meisten Güter) Transport, stationäre Motoren, Fahrzeuge Abgasreinigung, Kläranlage
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Die spezifischen Energieverbräuche der einzelnen Prozesse werden über einen Kohor-tenalgorithmus ermittelt. Den Input hierfür liefern Branchendaten, Zusatzinformationen aus Einzelbetrieben, Best-Practice-Werte [basics, 2000], Benchmark-Analysen sowie Analysen zu Einsparpotenzialen und Querschnittstechnologien [ISI, 2010]. Diese Ana-lysen umfassen meist mehrere Anlagengenerationen über Zeiträume von bis zu 20 Jahren und werden über die jeweiligen Branchen gemittelt. Die Spannbreite der spezi-fischen Energieverbräuche kann hier erheblich sein. Ihre Fortschreibung geht davon aus, dass in der Industrie aufgrund unterschiedlicher Hemmnisse nicht alle wirtschaftli-chen Energiesparmassnahmen umgesetzt werden. Ausser die Effizienz vorhandener Prozesse zu steigern können perspektivisch auch ganze Produktionstechnologien er-setzt werden. Dabei lässt sich der spezifische Energieverbrauch um bis zu 90% redu-zieren (wie z.B. beim Ersatz chemisch geführter durch biotechnologische Prozesse, die bei Zimmertemperatur ablaufen). Der Einsatz solcher Technologien hängt sehr stark vom generellen Umfeld, von der Genehmigungspraxis, der Machbarkeit in grossen Massstäben sowie der Wirtschaftlichkeit ab.
Die Geschwindigkeit, mit der sich der spezifischen Energieverbrauch der Produktions-technologien absenken lässt, hängt im Wesentlichen ab von
• Technologieentwicklungen,
• dem autonomen Entwicklungstrend der Branche,
• Produktionsmengen,
• absoluten und relativen Energieträgerpreisen sowie
• Standortbedingungen wie z.B. verfügbaren Wärmepotenzialen oder möglichen Kooperati-onen z.B. mit EVU.
Direkt oder indirekt können energiepolitische Instrumente auf all diese Einflussfaktoren wirken.
Die spezifischen Energieverbräuche in den Prozessen sind nicht unabhängig von den hergestellten Mengen. Je mehr produziert wird, desto stärker erhöht sich zunächst die Auslastung der bestehenden Anlagen. Dadurch verringert sich i. d. R der auf die Pro-duktion bezogene spezifische Verbrauch. Kann die Auslastung nicht weiter gesteigert werden, wird der Anlagenpark durch zumeist energetisch bessere Einheiten erweitert, wobei der Zubau technischen und wirtschaftlichen Kriterien unterliegt. Bei Erreichen ihrer individuellen wirtschaftlichen Nutzungsdauer (und nicht früher) werden Altanlagen stillgelegt. Aufgrund dieser Zusammenhänge sinkt der spezifische Energieverbrauch des Anlagenparks nur allmählich.
Ausgehend von dem Energieverbrauch (nach Energiebilanz) des Jahres, auf das das Industriemodell kalibriert ist, wird der Energieverbrauch bis zum Ende des Betrach-tungshorizonts in aufeinander folgenden Jahresschritten als Summe aller Produkte aus Mengenindikatoren und spezifischen Energieverbräuchen (PJ/Menge oder PJ/CHF) berechnet. Die Mengenindikatoren bilden die Gesamtproduktion des Industriesektors ab. Der spezifische Verbrauch an Strom und Brennstoffen folgt aus der Fortentwick-lung der einzelnen Anlagenbestände und variiert je nach Produktions- und Prozess-schwerpunkten der einzelnen Branchen (Figur 2-4).
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Figur 2-4: Fortschreibung des Endenergieverbrauchs im Sektor Industrie
Quelle: Prognos 2012
Die im Zeitablauf sukzessiven Berechnungen des Endenergieverbrauchs werden vom Industriemodell simultan für Branche, Energieträger und Verwendungszweck durchge-führt. Anschliessend kann der Endenergieverbrauch noch um Substitutionen zwischen Energieträgern korrigiert werden, womit sich auch energiepolitische Strategien abbil-den lassen.
2.3.3.2 Rahmendaten
Rahmendaten sind bezüglich der eigentlichen Modellierung exogene Input-Grössen, welche jedoch unmittelbar und szenarioabhängig den Endenergieverbrauch mitbe-stimmen. Im Falle des Industriemodells sind dies zuvorderst Bruttowertschöpfung, Mengengrössen und Energiebezugsflächen. Weitere sozioökonomische Grössen wie Vollzeitbeschäftigte, Materialeinsatz, Umsatz, Energiepreise und klimatische Annah-men (vgl. Kap. 3) fliessen auch in die Modellierung mit ein, wenn auch mit untergeord-neter Bedeutung. Viele der Input-Grössen liegen als Expost-Daten vor und werden für die Modellkalibration genutzt, so auch der Endenergieverbrauch der Vergangenheit.
Die Definition der Rahmendaten findet ausserhalb des Energiemodells statt. Da für die Industrie geeignete Angaben zu (physischen) Produktionsmengen meist fehlen, müs-sen diese anhand der zuvor genannten branchenspezifischen Rahmendaten in einem Zwischenschritt abgeschätzt werden. Gleiches gilt für die Energiebezugsfläche, welche nur insgesamt vorliegt, jedoch nicht verteilt auf die einzelnen Branchen. Beide Resulta-te sResulta-tellen eigenständige, inResulta-termediäre Modellergebnisse dar.
Ein zentraler Ergebnisteil der Modellierung liegt in der Übersetzung der branchenbezo-genen Vorgaben zur Bruttowertschöpfung in die (physische oder quasiphysische) Pro-duktionsmenge, um daraus den Endenergieverbrauch hochzurechnen. Im Allgemeinen geschieht dies über eine ökonometrische Schätzung. Da die Bruttowertschöpfung je-doch eine monetäre Grösse ist, stimmt sie a priori nicht mit dem Endenergieverbrauch überein, denn sie berücksichtigt auch die nichtmaterielle Wertdichte. Besser ist hierfür ein Mengenindikator geeignet, welcher die tatsächlich produzierten Güter quantifiziert, im Idealfall ist dies die physische Produktionsmenge. Diese liegt für Branchen insbe-sondere der Grundstoffindustrie vor, deren Produktpalette sehr homogen ausgelegt ist.
Im Industriemodell werden die Produktionsmengen für die Herstellung von Papier, Glas, Keramik, Ziegeln, Chemiefasern und die Metallgewinnung geführt. Für die ande-ren Branchen werden mit dem Endenergieverbrauch korrelieande-rende Grössen zur Be-schreibung der (vergangenen) Produktionsmenge verwendet, u. a. der Produktionsin-dex (in Sinne des BFS) und die Bruttowertschöpfung. Diese Grössen werden
entspre-Veränderung ( )
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chend auch zur Fortschreibung der Produktionsmengen herangezogen, falls zu wenige Informationen über eine Branchenentwicklung hinsichtlich ihrer in Zukunft zu erwarten-den Güterproduktion vorliegen.
Die Energiebezugsflächen sind ebenfalls eine wichtige Vorgabe für die Energiemodel-lierung; insbesondere die Aufteilung nach Produktions- und Büroflächen. Hierzu stan-den die Globalvorgaben von Wüest & Partner zur Verfügung [Wüest & Partner, 2012].
Die Aufteilung der vorgegebenen Energiebezugsflächen auf Branchen und in Produkti-on und Büro ist ein intermediäres Modellresultat. Diese Aufteilung hängt vor allem vProdukti-on den Produktionsmengen aber auch von den Beschäftigten ab. So wird beispielsweise eine schrumpfende Produktion auch in den Energiebezugsflächen abgebildet. Der von Wüest & Partner ausgewiesene Leerstand wird im Modell zudem aufgeteilt in unge-nutzte aber beheizte Flächen, wie es für alle leer stehenden Büros und für teilgeunge-nutzte Produktionshallen gilt (Vollbeheizungsäquivalent je 100 % und 90 - 98 %), sowie in ungenutzte und unbeheizte Flächen, den tatsächlichen, energetischen Leerstand. Bei-de stehen für Umnutzungen zur Verfügung.
Die energetische Ausgangslage bilden die aktuellen Daten der Gesamtenergiestatistik des BFE [BFE, 2011a]. Eine weitere wichtige Quelle stellt die branchenbasierte Ener-gieverbrauchserhebung [Helbling, 2011] dar. Das Industriemodell wird auf beide derart kalibriert, dass absolute Grössen sowie Tendenzen im Mittel übereinstimmen. Da für die Vergangenheit Mengengrössen, spezifische Verbräuche der Prozesse und die Energieverbrauchsintegrale nach Energieträgern und Branchen bekannt sind, entste-hen mit dem gewählten Modellansatz Konsistenzprobleme. Aufgrund dieser kann die Statistik nicht exakt reproduziert werden. In erster Linie soll das Industriemodell die zugrundeliegende Entwicklung auslastungsbereinigt verlässlich be- und fortschreiben, was im Mittel auch gelingt.
2.3.4 Modellierung Sektor Verkehr