36 1 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Die intelligente Stadt Die Auswirkungen des Klimawandels mit häufigeren Extremwetterereignissen wie Starkregen erfordern den Umbau der städtischen Wasser- und Energieinfrastruktur hin zu klimaresilienten Systemen. Um dabei dem Primat der Versorgungssicherheit Rechnung zu tragen, wird in der Infrastrukturpolitik und -planung auf steigende Spitzenlasten herkömmlich mit einem kapitalintensiven Ausbau der technischen Anlagen und Netze reagiert. Als Alternative ist ein Paradigmenwechsel hin zu mehr Flexibilität Mit Flexibilität zu resilienten Infrastrukturen? Wie digitale Anwendungen, Nudges und Blockchain die Klimaresilienz von Infrastrukturen verbessern können Flexibilität, Sektorkopplung, Blockchain, Digitalisierung, Nudges, Klimaresilienz Özgür Yildiz, Till Ansmann Die Flexibilisierung des Infrastruktur- und Ressourceneinsatzes zur Stärkung der Klimaresilienz von Versorgungsinfrastrukturen verspricht zum einen ökonomische Vorteile. Zum anderen wird die Rolle von Verbrauchern neu gedacht und ihre Handlungskapazitäten gesteigert, indem sie für die Probleme des Klimawandels sensibilisiert und bei der Behebung von Versorgungsengpässen eingebunden werden. Digitale Anwendungen, die Blockchain-Technologie und moderne verhaltensökonomische Ansätze wie Nudges sind dabei ein wichtiges Element, um vorliegende Flexibilitätspotenziale zu aktivieren. © pixabay THEMA Die intelligente Stadt 37 1 · 2018 TR ANSFORMING CITIES möglich. Kernidee ist dabei, den Infrastruktur- und Ressourceneinsatz durch Eingriffe in bestehende operative Prozesse und das Konsumverhalten zu flexibilisieren und hierdurch auf starke Fluktuationen und Netzbelastungen zu reagieren. Der Stromsektor nimmt seit einigen Jahren eine Vorreiterrolle im flexiblen Umgang mit Starken Lastschwankungen und der Spitzenlastproblematik ein. Unter den Schlagworten des „Smart Grid“ und „regionaler Smart Markets“ soll der schrittweise Wandel hin zur kommunikativen Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern und -verbrauchern (Netzkunden) auf regionaler Ebene vollzogen werden. Ziel ist es, eine so genannte „gelbe Phase“ als operatives Substitut zum kapitalintensiven Netzausbau einzurichten [1]. In der gelben Phase stellen Netzkunden Flexibilität in Erzeugung und im Verbrauch bereit, um mit extremen Angebots- und Nachfragespitzen, die beispielsweise aus wetterbedingten Extremsituationen wie Starkregen, Sturm oder Hitze- und Dürreperioden resultieren, besser umgehen zu können. Durch das Zusammenspiel von technischen Elementen und operativen Anpassungen auf der Betreiberseite und adaptiertem Verhalten der Netzkunden kann der Normalbetrieb der Bestandsinfrastruktur ausgeweitet und dadurch die Systemstabilität unter zunehmenden Lastspitzen gestützt werden. Zudem ermöglicht die Verbesserung der Flexibilität, Infrastrukturen wirtschaftlich effizienter zu betreiben, da Investitions- und Transformationskosten vergleichsweise gering sind, so dass Akteure im Stromsektor nicht nur die Systemsicherheit als Anreiz haben, sondern auch aus ökonomischen Gründen zum Wandel animiert werden [2]. In anderen Bereichen der städtischen Infrastrukturversorgung sind Ansätze der Flexibilisierung des Infrastruktur- und Ressourceneinsatzes aktuell im Anfangsstadium. Somit ist es Aufgabe, vom Stromsektor für andere leitungsgebundene Infrastrukturen zu lernen. Flexibilität im Bewirtschaftungsprozess wird dabei vornehmlich unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit diskutiert. Die Potenziale von Flexibilität im Infrastruktur- und Ressourceneinsatz für einen besseren Umgang mit den Folgen des Klimawandels finden sich in der Debatte bislang nicht wieder. Dieser Beitrag wird im Folgenden skizzieren, wie durch moderne Kommunikationsansätze, alternative Verhaltenssteuerungsansätze bei Netzkunden sowie operative Eingriffe auf der Betreiberebene die Flexibilität der leitungsgebundenen Infrastruktursysteme von Wasser, Abwasser, Strom und Wärme hin zu klimaresilienteren Systemen erhöht werden kann. Moderne Ansätze der Kommunikation zwischen Betreibern und Verbrauchern Der Informationsfluss, dem Menschen in ihrem Alltag ausgesetzt sind, hat sich durch die Entwicklung digitaler Technologien und Kommunikationsmöglichkeiten erheblich erhöht. Auf der anderen Seite schränken kognitive und attentive Grenzen die Informationsverarbeitung ein. Folglich bedarf es eines tiefen Verständnisses des Prozesses der menschlichen Informationsverarbeitung und darauf abgestimmten Kommunikationsformen, um Inhalte erfolgreich zu übermitteln [3]. Für das Ziel, flexibles Verhalten der Netzkunden bei Extremwetter zu realisieren, bieten sich digitale Kommunikationskanäle wie Apps, E-Mails oder Social Media aufgrund der hohen Informationsgeschwindigkeit sowie möglicher Multiplikationseffekte besonders an. Ein Weg um dabei die Aufmerksamkeit für übermittelte Informationen zu erhöhen, ist die Personalisierung der Inhalte. Sie schafft Aufmerksamkeit und kann hierdurch Verhaltensänderungen initiieren [4]. Anwendungen aus der digitalen Welt wie Big Data ermöglichen ein großes Spektrum an Datengewinnung und -verarbeitung, um Informationen über ein Individuum oder dessen Umgebung zu gewinnen und diese beispielsweise bei Starkregenereignissen oder Hitze- und Dürreperioden für die gezielte, wirkungsvolle Ansprache zu verwenden. Im Bereich des Nutzerverhaltens bei Strom gibt es bereits Ansätze, die über personalisierte Informationen und Benachrichtigungen versuchen, das Verhalten des einzelnen Netznutzers zu beeinflussen. Ein Beispiel für einen analogen Ansatz ist der im Zuge der Verbrauchsabrechnung oftmals beigefügte Abgleich des eigenen Verbrauchs mit dem Verbrauch von Haushalten vergleichbarer Größe. Ein digitales Fallbeispiel sind Smartphone-Apps, die gekoppelt mit einem Smart-Meter den Verbrauch in einem Haushalt gerätegenau darstellen. Diese Ansätze gilt es im Hinblick auf die Verbesserung der Flexibilität des Netzkunden unter Extremwetterereignissen auch in anderen leitungsgebundenen Sektoren weiterzuentwickeln, in dem zum Beispiel erläutert wird, ob eine Person besonders viel Strom, Wasser oder Wärme in Zeiten geringer Produktion verbraucht und somit zur Verstärkung etwaiger Probleme in der Versorgung (geringfügig) beiträgt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch den Einsatz visueller Techniken die Personalisierung zusätzlich verbessert werden kann. Die einfachste Form visueller Personalisierung sind Bilder, die abstrakte Konsequenzen von Entscheidungen sichtbar machen. Bilder helfen, dass Individuen sich der Konsequenzen ihrer Entscheidungen bewusst werden 38 1 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Die intelligente Stadt und erhöhen somit die Wahrscheinlichkeit einer Verhaltensanpassung. So könnte einem Netzkunden, der sich unter Extremwettersituationen nicht systemkonform verhält, über Bilder ein Ausblick auf einen Systemausfall vermittelt werden. Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes stellen personalisierte Videos dar, die kompakt und zielgerichtet die Informationen vermitteln. Hier gibt es ebenfalls erste Versorgungsunternehmen, die mit personalisierten Videos experimentieren. Nudges als Steuerungsinstrument zur Aktivierung von Flexibilitäten Informationen sind ein zentraler Baustein, um flexibles Verhalten beim Netzkunden anzuregen. Ein weiteres Instrument, das in diesem Zusammenhang regelmäßig diskutiert wird, sind dynamische Tarife, die den Verbrauch von Strom, Wärme oder Wasser in Zeiten großer Netzbelastung aufgrund von extremen Wetterereignissen höher bepreisen, um systemunterstützendes Verhalten zu fördern. Neben Informationen und ökonomischen Anreizen kann flexibles Netzkundenverhalten bei Extremwettereignissen ebenfalls durch sogenannte Nudges erreicht werden. Bei Nudges handelt es sich um Eingriffe in die Gestaltung und Präsentation der Rahmenbedingungen für Entscheidungen („Choice Architecture“), die das Verhalten von Individuen in vorhersagbarer Weise beeinflussen können. Im Gegensatz zu einer Informationsdarbietung oder dem Einsatz eines monetären Anreizes, die beide jeweils hauptsächlich auf Entscheidungen im Zuge eines bewussten Reflexionsprozesses abzielen, adressiert ein Nudge intuitive Entscheidungen und Handlungen bzw. setzt im intuitiven Bereich einen Reiz für das Einleiten eines bewussten Reflexionsprozesses. Wichtig ist dabei immer, dass die Auswahlmöglichkeiten und die Entscheidungsfreiheiten von Individuen nicht beschränkt werden [5]. Ein bekanntes Beispiel für einen Nudge im Alltag ist das Modell eines Fußballtores oder eine aufgezeichnete Fliege im Pissoir, um die Hygiene zu verbessern. Der Einsatz von Nudges in Ergänzung zur Informationsdarbietung und anderen Maßnahmen ist insofern von Bedeutung, als dass viele Entscheidungen und Handlungen im alltäglichen Umgang mit Wasser und Energie eher intuitiv und unbewusst geschehen. Beispiele für den konkreten Einsatz von Nudges, um unter Extremwetterereignissen Flexibilitätspotenziale auf der Verbraucherseite zu generieren und für die Verbesserung der Resilienz von Infrastrukturen einzusetzen, könnten darin bestehen, atmosphärische Aspekte (zum Beispiel Beleuchtung und die Farbe von (Haushalts-)Geräten), sensorische Eigenschaften, die visuelle Erscheinung oder funktionelle Aspekte einer Umgebung oder eines Produkts zu ändern. Smarte Waschmaschinen könnten bei Belastungen wie Starkregen automatisch ein rotes (Warn-)Signal im Display einschalten, um über das atmosphärisch-visuelle Signal der Farbe Rot einen intuitiven Reiz zu setzen, die Waschmaschine nicht zum Zeitpunkt von Starkregen zu bedienen und hierdurch systemfreundliches Nutzerverhalten zu fördern. Sektorkopplung und Blockchain als Lösung für mehr operative Flexibilität? Das Bewusstsein für Wechselwirkungen und die stärkere Verzahnung zwischen den Sektoren Strom, Wärme und Wasser nimmt stetig zu. Die Vielfalt neuer technologischer Optionen führt dazu, dass Ansätze der Sektorkopplung zur Diversifizierung der netzgebundenen Versorgungsdienstleistungen und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit eine immer größere Rolle spielen. Ein Beispiel an der Schnittstelle zwischen den Sektoren Strom und Wärme für integrale und systemübergreifende Ansätze ist unter anderem die Flexibilisierung von Stromerzeugung und -verbrauch durch den bedarfsgerechten Einsatz von KWK-Anlagen oder den lastabhängigen Betrieb von Wärmepumpen [6]. Auch an der Schnittstelle zwischen (Ab-)Wasser und Strom werden durch die Implementierung von intelligenten Steuerungen Bewirtschaftungsprozesse in beiden Sektoren miteinander verknüpft. Operative Ansätze auf der Kläranlage sind unter anderem der flexiblere Betrieb von Blockheizkraftwerken in Interaktion mit verschiedenen Energiespeichern der Klärschlammbehandlung wie Rohschlamm-, Substrat- und Faulgasspeicher [7]. Beide Beispiele werden hauptsächlich von ökonomischen Motiven getrieben, können jedoch bei Der Verbrauch im Haushalt lässt sich gerätegenau darstellen und flexibel anpassen. © pixabay THEMA Die intelligente Stadt 39 1 · 2018 TR ANSFORMING CITIES Gefährdung der Versorgungssicherheit durch Extremwetter auch zur Systemstabilisierung eingeplant und zielgerichtet verwendet werden. Im Zuge der stetig wachsenden Ansätze zur Vernetzung von vormals sektoralen Bewirtschaftungsprozessen bedarf es weiterer Konzepte, die die Informationsübermittlung und Transaktionsabwicklung sicher gewährleisten. Die Blockchain-Technologie vermittelt genau dieses Versprechen, indem es als eine Art digitale Datenbank, deren identische Datensätze dezentral bei verschiedenen Netzwerkteilnehmern hinterlegt sind, sicherstellt, dass Netzwerkaktivitäten wie zum Beispiel Transaktionen zwischen Netzwerkteilnehmern mit einem Höchstmaß an (Daten-)Sicherheit dokumentiert und ohne die Möglichkeit manipulativer Eingriffe von Außen ausgeführt werden können [8]. Die Blockchain-Technologie ermöglicht es für den erforderlichen Umbau der urbanen Versorgungsinfrastrukturen hin zu mehr Klimaresilienz, dass Großverbraucher und Haushalte immer stärker in die Rolle eines Bereitstellers von Flexibilitätskapazitäten rücken können. Hierfür bietet sich erneut der Stromsektor als Ausgangspunkt an. Durch die aktive Teilnahme am Marktgeschehen von Netzkunden über kleinteilige Transaktionen können mittels der Blockchain-Technologie entweder im wetterbedingten Bedarfsfall die Lastspitzen im Netz ausgeglichen oder die Allokation von Flexibilitäten jeder Größe, zum Beispiel für den Handel an den kurzfristigen Stromhandelsmärkten der EPEX oder für den Regelenergiemarkt der Übertragungsnetzbetreiber, effizient organisiert werden. Die Blockchain-Technologie ist dabei das Medium, das den direkten Handel von Flexibilität zwischen Marktakteuren über Smart Contracts automatisch abwickelt [9]. Fazit Abschließend bleibt festzuhalten, dass die vielseitige Verwertbarkeit von Flexibilität ein entscheidender Vorteil ist, um Themen wie Klimaresilienz in der Praxis, insbesondere bei Betreibern von leitungsgebundenen Versorgungsinfrastrukturen, auf die Agenda zu setzen. Die Kernbotschaft ist dabei, dass in Anbetracht der Herausforderungen durch den Klimawandel mit immer häufiger auftretenden Extremwetterereignissen zukünftig der Zeitpunkt des Infrastruktur- und Ressourceneinsatzes entscheidender für eine effiziente und ressourcenschonende Infrastrukturversorgung ist als die bloße Menge, die eingespeist oder verbraucht wird. Die übergeordnete Zielstellung für die Zukunft könnte lauten, die „gelbe Phase“ aus energiewirtschaftlichen Ampelkonzepten für die leitungsgebundene Infrastrukturversorgung als Ganzes zu denken und intersektoral auszugestalten, um zentrale Themen für die Modernisierung der Infrastrukturen anzuschieben. LITERATUR [1] BDEW - Bundesverband der Energieund. Wasserwirtschaft e. V.: Smart Grids Ampelkonzept - Ausgestaltung der gelben Phase. BDEW, Berlin, 2015. [2] Ecofys und Fraunhofer IWES: Smart-Market-Design in deutschen Verteilnetzen. Studie im Auftrag von Agora Energiewende. Agora Energiewende, Berlin, 2017. [3] Thesmann, S.: Menschliche Informationsverarbeitung. In: Thesmann, S. [Hrsg.]: Interface Design. Springer Fachmedien, Wiesbaden, (2016), S. 13-41. [4] Cordova, D. I., Lepper, M. R.: Intrinsic motivation and the process of learning: Beneficial effects of contextualization, personalization, and choice. In: Journal of educational psychology, 88(4), (1996) S. 715-730. [5] Michalek, G., Meran, G., Schwarze, R., Yildiz, Ö.: Nudging as a new „soft“ tool in environmental policy. An analysis based on insights from cognitive and social psychology. In: Zeitschrift für Umweltpolitik & Umweltrecht (ZfU), 39(2-3), (2016) S.169-207. [6] Berlo, K., Wagner, O.: Wärmewende in den Städten des Ruhrgebietes: wie Stadtwerke die Sektoren Strom, Wärme und Gas verbinden können. In: Transforming Cities, 2 (2), (2017) S. 43-47. [7] Ansmann, T. et al.: Kläranlagen im Spannungsfeld der Energiewirtschaft - Analysen | Ergebnisse | Impulse. ERWAS-Verbundprojekt ESiTI, Darmstadt/ Berlin, 2017. [8] Schlatt, V., Schweizer, A., Urbach, N, & Fridgen, G.: Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale. Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik (FIT), Bayreuth, 2016. [9] INEWI: Blockchain in der Energiewirtschaft - Potenziale für Energieversorger. BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V., Berlin, 2017. AUTOREN Dr. Özgür Yildiz Projektmanager und Postdoktorand inter 3 Institut für Ressourcenmanagement Kontakt: yildiz@inter3.de Dr. Till Ansmann Prokurist und Projektmanager inter 3 Institut für Ressourcenmanagement Kontakt: ansmann@inter3.de