LaWiEnMod

Name

Landwirtschaftliches-Energie-Model, Teilmodul des Landwirtschaftsmodells LISE (Livestock and Soil Emissions)

Version des Modells

• Für jede Modellierungsrunde wird eine eigene Modellversion erstellt. Eine explizite Versionsnummerierung erfolgt nicht. Die neueste Modellversion ist die für die Projektionen 2025 im Rahmen des Projekts Polikszenarien XII genutzte.

Betreibende Organisation

• Öko-Institut - Institut für angewandte Ökologie

Zweck des Modells

• Die Entwicklung von LaWiEnMod verfolgte folgende Ziele:
• Mit dem neuen Zuschnitt des Landwirtschaftssektors unter dem KSG wurden die energiebedingten Emissionen aus der stationären und mobilen Nutzung dem Landwirtschaftssektor zugeordnet. Früher wurde der Sub-Sektor 1.A.4.c unter den GHD-Sektoren mit modelliert und nicht separat ausgewiesen.
• Separate Abbildung von Emissionsprojektionen für den Sub-Sektor 1.A.4.c in der CRF-Struktur des nationalen Treibhausgasinventars
• Abbildung von Energieverbräuchen sowohl in der Struktur der deutschen Energiebilanzen als auch der Struktur des deutschen Treibhausgasinventars
• Schließen von Modellierungslücken, da bisher die Entwickklung der energiebedingten Emissionen des Landwirtschaftssektors nicht separat modelliert werden konnten, sondern der Entwicklung des GHD-Sektors folgten. Durch das Modell wird nun eine separate Modellierung möglich, die auch auf Grund des KSG Zuschnitts erforderlich ist.
• Das LaWiEnMod ist ein Teilmodul des am Öko-Instituts genutzten Landwirtschaftsmodells LISE (Livestock and Soil Emissions). Das LaWiEnMod bildet den Energieverbrauch der landwirtschaftlichen Produktion für den stationären und den mobilen Bereich ab. Für den stationären Bereich wird der Wärmeverbrauch aus Gewächshäusern, Stallheizungen, Trocknungsanlagen und sonstigem (z.B. landwirtschaftliche Nutz- und Wohngebäude) berücksichtigt. Für den mobilen Bereich wird der Kraftstoffverbrauch des Landwirtschaftssektors, aber auch der Forstwirtschaft abgebildet. Im Bereich der Landwirtschaft wird dabei in den Kraftstoffverbrauch in der Innenwirtschaft und in der Außenwirtschaft unterschieden. Als 3. Sub-Sektor wird die Fischerei unter 1.A.4.c.iii berichtet.
• Mit dem LaWiEnMod kann die Entwicklung des Energieverbrauchs und die Auswirkungen der Änderungen in der Energieträgerstruktur auf die Emissionen abgebildet werden.
• Primäre Modellergebnisse sind
• Primärenergieverbrauch nach Energieträgern (TJ)
• Endenergieverbrauch nach Sub-Sektoren (1.A.4.c.i – iii) und Energieträgern (TJ)
• THG-Emissionen in CRF-Struktur (kt CO2e)
• THG-Emissionen in KSG-Struktur (kt CO2e)

Akteure

• LaWiEnMod verfolgt keinen akteurs- oder agentenbasierten Modellierungsansatz.

Dokumentation

• PID/URL zur Benutzerdokumentation: https://www.oeko.de//fileadmin/oekodoc/Modellbeschreibung_LISE.pdf
• PID/URL zum Git-Repositorium: Nicht vorhanden
• PID/URL zu einer Auswahl an Artikeln, in denen das Modell kritisch geprüft bzw. validiert wird (verpflichtende Angabe): Es gibt bisher keine Artikel, in denen das Modell explizit kritisch geprüft bzw. validiert wird, da das Modell bisher nur für die Auftragsforschung entwickelt und angewendet wurde (ggf. Link zu Beispielberichten). Für entsprechende Publikationen war in den bisherigen Projekten kein Budget kalkulierbar. Im Kontext der jeweiligen Projektarbeit wird das Modell regelmäßig sorgfältig überprüft.

Räumliche Abdeckung

• LaWiEnMod bildet die Energieverbräuche und Emissionen der Bundesrepublik Deutschland entsprechend dem in der nationalen Energiebilanz und dem nationalen Treibhausgasinventar ab (Territorialprinzip).

Zeithorizont

• LaWiEnMod deckt den Zeitraum von 1990 bis 2050 ab
• Startzeitpunkt (Basisjahr) ist ein Jahr vor dem Jahr, in dem die Modellierung stattfindet

Zeitliche Auflösung

• Jährliche Auflösung
• In der Regel entspricht ein Modelljahr auch der tatsächlichen Auflösung. Sofern Inputdaten nur in gröberen Auflösungen vorliegen (z.B. Fünfjahresschritte), so wird linear interpoliert.

Konzeptionelle Gestaltungsprinzipien

• Das LaWiEnMod bildet die Entwicklung des Energieverbrauchs der Landwirtschaft ab. Als Inputdaten werden die Aktivitätsdaten aus der Landwirtschaftsmodellierung aus der Capri-Modellierung des Thünen-Instituts zu Grunde gelegt. Dazu zählen vor allem die Entwicklung der Tierzahlen und die Flächenbelegung (Ackerfrüchte, Ökolandbau, Biodiversitätsflächen). Zusätzlich können Maßnahmen zur Energieeffizienz und einem Brennstoffwechsel abgebildet werden.
• Das Modell kann die Auswirkungen von Energieeffizienz-Maßnahmen und einem Energieträgerwechsel in Bezug auf den Energieverbrauch und die Entwicklung der THG-Emissionen abbilden. Daneben wird auch der Einfluss der Entwicklung der Aktivitätsdaten (Rückgang Tierbestände – Verringerung der beheizten Stallfläche etc.) abgebildet. Durch Angaben zu Förderhöhen können Maßnahmen zur Energieeffizienz etc. abgebildet werden. Die Änderung des Energieträgermixes erfolgt in Anlehnung an die Entwicklung in den Sektoren GHD und Verkehr. Zusätzlich erfolgt eine Anpassung der Entwicklung an die Spezifika des Landwirtschaftssektors, da beispielsweise die großflächige Elektrifizierung der schweren Landmaschinen nicht möglich ist und hier eine andere Entwicklung als im Verkehrssektor vorausgesetzt wird. Sofern Annahmen dazu aus der Literatur verfügbar sind (z.B. KTBL 2023) werden diese übernommen und eigene Annahmen zur Entwicklung in der Zeitreihe getroffen.

• Die Abbildung von Elastizitäten, z.B. eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs infolge steigender Kraftstoffpreise, ist theoretisch möglich. Derzeit fehlen allerdings Daten zu Elastizitäten für den Kraftstoffeinsatz in der Landwirtschaft. Eine aktuelle Zeitreihe für den Kraftstoffeinsatz von 1990 bis 2022 liegt vor (UBA 2024). Der Kraftstoffverbrauch schwankt aber unabhängig von den Preisen auch auf Grund von Überschneidungswirkungen durch Witterung, Erntemengen und zudem der Berücksichtigung des Krafstoffeinsatzes in der Forstwirtschaft.

• Literaturquellen:

  • KTBL 2023: Verwendung erneuerbarer Antriebsenergien in landwirtschaftlichen Maschinen. KTBL. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (Hg.). Darmstadt. Online verfügbar unter https://www.ktbl.de/fileadmin/user_upload/Artikel/Energie/Antriebsenergien/12643_Antriebssysteme
  • UBA 2024: CRF Tabellen 1990-2022 (EU submission) https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/treibhausgas-emissionen

Methodischer/mathematischer Ansatz

LawiEnMod ist ein Bottom-up-Modell, Bottom-up-Abbildung der Energieeinsätze für den stationären Wärmeverbrauch

1. Stallheizungen,
2. Trocknungsanlagen,
3. Gewächshäuser und
4. Sonstiges (landwirtschaftliche Wohn- und Nutzgebäude), sowie des mobilen Kraftstoffverbrauchs in der
5. Außenwirtschaft und in der
6. Innenwirtschaft.

Die Entwicklung der Energiesätze wird über die Änderungen der Aktivitätsdaten berechnet.

\[ \text{Energieverbrauch gesamt} = \text{Aktivitätsdaten y} \times \text{Energieverbrauch pro Aktivität y} \]

Zudem wird die Energieeffizienz über jährliche Durchdringungsraten und die Energieeinsparung auf Ebene der sechs verschiedenen Kategorien berechnet.

\[ \text{Energieeinsparung gesamt} = \text{Jährlicher Durchdringungsfaktor Aktivität y} \times \text{Energieeinsparung pro Aktivität y} \]

Der jährliche Durchdringungsfaktor wird auf Basis der verfügbaren Fördersummen ermittelt oder folgt der Entwicklung in anderen Sektoren (z.B. Sanierungsrate für landwirtschaftliche Nutz- und Wohngebäude in Abhängigkeit von Sanierungsrate im GHD-Sektor). Die Entwicklung der erneuerbaren Energien wird auf Basis der Anteile am gesamten Endenergieverbrauch berechnet. Die Entwicklung der Anteile orientiert sich an der Entwicklung im GHD- (Wärmeverbrauch), Verkehrs- (Kraftstoffeinsatz) und Stromsektor (Biogas).

OpenSource

• LaWiEnMod ist eine proprietäre Eigenentwicklung des Öko-Instituts und derzeit nicht offen lizensiert. Das Öko-Institut unterstützt und fördert zudem die Prinzipien von Open Data und Open Modelling. Für weitere Informationen, siehe oben (PowerFlex).

Parameter

Die wichtigsten Parameter in LaWiEnMod umfassen die Energieverbräuche und die Energieträgereinsätze, die aus den nationalen Energiebilanzen und den Treibhausgasinventar als Zeitreihen für die historischen Jahre vorliegen. Für sind die landwirtschaftlichen Aktivitätsdaten wie die Tierbestände und Flächenbelegung relevante Parameter im Modell. Diese werden aus der CAPRI-Modellierung übernommen.

Programmiersprache

Das Modell verwendet nur Standard-Excel-Funktionen ohne VBA-Funktionen oder Makros.

Programmtechnische Gestaltungsprinzipien

• Das Modell LaWiEnMod deckt den CRF-Sub-Sektor 1.A.4.c Landwirtschaft/Forstwirtschaft/Fischerei ab. Der Großteil des Energieeinsatzes ist auf die Landwirtschaft zurückzuführen. Die Teilmodule entsprechen den CRF-Kategorien 1.A.4.c.i = stationärer Energieverbrauch, 1.A.4.c.ii = mobiler Energieeinsatz, 1.A.4.c.iii = Fischerei.
• Schnittstellen zu anderen Modellen sind die Aktivitätsdaten aus der Landwirtschaftsmodellierung (z.B. Tierbestände, Flächenentwicklung) sowie die Entwicklung der Energieträgeranteile im GHD- und Verkehrssektor.
• Die Schnittstelle für Input- und Outputdaten stellen in der Regel Excel-Dateien dar, in einigen Fällen auch andere Formate (z.B. CSV).
• Schnittstellen zu anderen Modellen werden über sogenannte Interface-Dateien im Excel-Format realisiert.
• In LaWiEnMod sind eine Vielzahl von Kontrollrechnungen implementiert, die Daten- und Berechnungsfehler aufzeigen. Dazu zählen:
  • Checksummen und -differenzen, die sicherstellen, dass keine Daten in einzelnen Verarbeitungsschritten verloren gehen.
  • Checks auf negative Werte bei Differenzenbildung.
  • Checks der Zeitreihen durch visuelle Darstellungen in Graphiken

Räumliche Auflösung

• LaWiEnMod bildet Deutschland als Ganzes ab, ohne weitere räumliche Unterteilung. Die Modellierungsregion entspricht daher NUTS: DE.

Sektoren

• LaWiEnMod kann die Energie- und Emissionsdaten des GHD-Sub-Sektors 1.A.4.c abbilden
• Unter 1.A.4.c sind 3 weitere Sub-Sektoren abgebildet, die in der folgenden Tabelle dargestellt werden: Tabelle : Sub-Sektoren in LaWiEnMod CRF-Sektor KSG-Sektor Detailgrad CRF 1.A.4.c.i: Stationär Landwirtschaft Detaillierung entsprechend der CRF-Tabellen (CO₂, CH₄, N₂O) CRF 1.A.4.c.ii: Mobil Landwirtschaft Detaillierung entsprechend der CRF-Tabellen (CO₂, CH₄, N₂O) CRF 1.A.4.c.iii: Fischerei Landwirtschaft Detaillierung entsprechend der CRF-Tabellen (CO₂, CH₄, N₂O) CRF: Common Reporting Format, genutzt in den Treibhausgasinventaren Quelle: Eigene Darstellung Öko-Institut,

Software

• LaWiEnMod ist in Microsoft Excel implementiert.

Techniken

• LaWiEnMod bildet nicht einzelne Techniken ab, sondern Kategorien als Ganzes. Die Energieeinsparungen in den einzelnen Kategorien ((1.) Stallheizungen, (2.) Trocknungsanlagen, (3.) Gewächshäuser und (4.) Sonstiges (landwirtschaftliche Wohn- und Nutzgebäude), sowie des mobilen Kraftstoffverbrauchs in der (5.) Außenwirtschaft und in der (6.) Innenwirtschaft) stehen stellvertretend das Energieeinsparpotenzial verschiedener Techniken wie z.B. Wärmerückgewinnung durch Wärmetauscher, doppellagiger Energieschirm, Reifendruckanlage etc. welche über die Ergebnisse der Leuchttumrprojekte aus dem Bundesprogramm Energieeffizienz und CO2 Einsparung in Landwirtschaft und Gartenbau abgeleitet wurden.

• Literaturquelle: BLE: Leuchtturmprojekte, https://www.ble.de/DE/Projektfoerderung/Foerderungen-Auftraege/Bundesprogramm_Energieeffizienz/Leuchtturmprojekte/leuchtturmprojekte_node.html

Treibhausgasemissionen

• Kohlendioxid (CO₂)
• Methan (CH₄)
• Distickstoffoxid/Lachgas (N₂O)

Unsicherheit

• Es werden keine Unsicherheiten im Modell abgebildet. Sofern notwendig kann die Abbildung von Unsicherheiten über Sensitivitätsrechnungenerfolgen.

Visualisierung des Modells und dessen Funktionsweisen

Modellierungsprozess

Datenflüsse im Kontext des Modellierungsprozesses von LaWiEnMod

Dieser Graph zeigt woher (und wieviele) Datensätze direkt oder indirekt in LaWiEnMod fließen.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
lawienmod["LaWiEnMod"]
click lawienmod href "/Modell/lawienmod/"
style lawienmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
capri["CAPRI"]
click capri href "/Modell/capri/"
invert_ee_lab__lawienmod(["2"])
click invert_ee_lab__lawienmod href "/Modellierungsprozess/invert_ee_lab__lawienmod/"
forecast_tertiary["FORECAST-Tertiary"]
click forecast_tertiary href "/Modell/forecast_tertiary/"
invert_ee_lab["Invert/EE-Lab"]
click invert_ee_lab href "/Modell/invert_ee_lab/"
capri__lawienmod(["1"])
click capri__lawienmod href "/Modellierungsprozess/capri__lawienmod/"
parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2025 (Datentabelle)"])
click parametrisierungstabelle href "/Datensatz/parametrisierungstabelle/"
lawienmod__output(["14"])
click lawienmod__output href "/Modellierungsprozess/lawienmod__output/"
input__lawienmod(["35"])
click input__lawienmod href "/Modellierungsprozess/input__lawienmod/"
input(("Eingangsdaten"))
forecast_tertiary__lawienmod(["2"])
click forecast_tertiary__lawienmod href "/Modellierungsprozess/forecast_tertiary__lawienmod/"
powerflex["PowerFlex"]
click powerflex href "/Modell/powerflex/"
lawienmod__enusem(["7"])
click lawienmod__enusem href "/Modellierungsprozess/lawienmod__enusem/"
lawienmod__powerflex(["9"])
click lawienmod__powerflex href "/Modellierungsprozess/lawienmod__powerflex/"
powerflex__lawienmod(["6"])
click powerflex__lawienmod href "/Modellierungsprozess/powerflex__lawienmod/"
enusem["ENUSEM"]
click enusem href "/Modell/enusem/"
output(("Ergebnisdaten"))
invert_ee_lab__lawienmod --> lawienmod
input__lawienmod --> lawienmod
capri__lawienmod --> lawienmod
forecast_tertiary__lawienmod --> lawienmod
powerflex --> powerflex__lawienmod
powerflex__lawienmod --> lawienmod
invert_ee_lab --> invert_ee_lab__lawienmod
lawienmod --> lawienmod__enusem
lawienmod --> lawienmod__output
lawienmod --> lawienmod__powerflex
parametrisierungstabelle --> lawienmod
capri --> capri__lawienmod
lawienmod__output --> output
lawienmod__powerflex --> powerflex
lawienmod__enusem --> enusem
forecast_tertiary --> forecast_tertiary__lawienmod
input --> input__lawienmod

Direkte Datenflüsse zu LaWiEnMod

Dieser Graph zeigt an, welche Datensätze direkt in LaWiEnMod fließen oder durch LaWiEnMod ausgegeben werden.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
interface_1a4a_ghd_gesamt_mms(["MMS Interface zwischen ENUSEM, Invert/EE-Lab und FORECAST-Tertiary"])
click interface_1a4a_ghd_gesamt_mms href "/Datensatz/interface_1a4a_ghd_gesamt_mms/"
lawienmod_output_thg_emissionen_projektion(["Interface THG-Emissionen Energieverbrauch Landwirtschaft"])
click lawienmod_output_thg_emissionen_projektion href "/Datensatz/lawienmod_output_thg_emissionen_projektion/"
lawienmod_input_ktbl_betriebsdaten_landwirtschaftliche_aktivitaeten(["Betriebsplanung Landwirtschaft 2022/2023"])
click lawienmod_input_ktbl_betriebsdaten_landwirtschaftliche_aktivitaeten href "/Datensatz/lawienmod_input_ktbl_betriebsdaten_landwirtschaftliche_aktivitaeten/"
lawienmod["LaWiEnMod"]
click lawienmod href "/Modell/lawienmod/"
style lawienmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
lawienmod_nrg_bal_c_solarthermie(["NRG_BAL_C: Solarthermie & Strom"])
click lawienmod_nrg_bal_c_solarthermie href "/Datensatz/lawienmod_nrg_bal_c_solarthermie/"
lawienmod_input_ble_evaluation_bundesprogramm_energieeffizienz(["Evaluation Bundesprogramm Energieeffizienz CO2 Einsparungen aus Maßnahmen"])
click lawienmod_input_ble_evaluation_bundesprogramm_energieeffizienz href "/Datensatz/lawienmod_input_ble_evaluation_bundesprogramm_energieeffizienz/"
powerflex_in_kraftwerkspark_deutschland_res(["Kraftwerkspark Deutschland - RES"])
click powerflex_in_kraftwerkspark_deutschland_res href "/Datensatz/powerflex_in_kraftwerkspark_deutschland_res/"
parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2025 (Datentabelle)"])
click parametrisierungstabelle href "/Datensatz/parametrisierungstabelle/"
lawienmod_input_ble_energieeinsparungen_beispiele(["Bundesprogramm Energieeffizienz Leuchtturmprojekte"])
click lawienmod_input_ble_energieeinsparungen_beispiele href "/Datensatz/lawienmod_input_ble_energieeinsparungen_beispiele/"
enusem_ageb_auswertungstabellen(["Auswertungstabellen zur Energiebilanz Deutschland. Daten für die Jahre von 1990 bis 2023"])
click enusem_ageb_auswertungstabellen href "/Datensatz/enusem_ageb_auswertungstabellen/"
interface_1a_power_mms(["MMS Interface zwischen ENUSEM und PowerFlex"])
click interface_1a_power_mms href "/Datensatz/interface_1a_power_mms/"
capri_lw_umfaenge_tierzahlen(["LW Umfänge Tierzahlen"])
click capri_lw_umfaenge_tierzahlen href "/Datensatz/capri_lw_umfaenge_tierzahlen/"
enusem_zse_gapfilling(["Ausspielung ZSE für PSz 1990-2023_gapfilling"])
click enusem_zse_gapfilling href "/Datensatz/enusem_zse_gapfilling/"
lawienmod_output_energieverbrauch_energietraeger_projektion(["Interface Energieverbrauch Landwirtschaft"])
click lawienmod_output_energieverbrauch_energietraeger_projektion href "/Datensatz/lawienmod_output_energieverbrauch_energietraeger_projektion/"
enusem_zse_gapfilling --> interface_1a4a_ghd_gesamt_mms
enusem_zse_gapfilling --> lawienmod
enusem_zse_gapfilling --> interface_1a_power_mms
interface_1a4a_ghd_gesamt_mms --> lawienmod
lawienmod_input_ble_evaluation_bundesprogramm_energieeffizienz --> lawienmod
lawienmod_input_ble_energieeinsparungen_beispiele --> lawienmod
lawienmod --> lawienmod_output_thg_emissionen_projektion
lawienmod --> lawienmod_output_energieverbrauch_energietraeger_projektion
interface_1a_power_mms --> lawienmod
lawienmod_input_ktbl_betriebsdaten_landwirtschaftliche_aktivitaeten --> lawienmod
powerflex_in_kraftwerkspark_deutschland_res --> lawienmod
capri_lw_umfaenge_tierzahlen --> lawienmod
lawienmod_nrg_bal_c_solarthermie --> lawienmod
enusem_ageb_auswertungstabellen --> lawienmod
enusem_ageb_auswertungstabellen --> interface_1a4a_ghd_gesamt_mms
parametrisierungstabelle --> lawienmod