Integrierte Ressourcenplanung für Baden-Württemberg:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart
Univ., IER, Bibl.
2001
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| Schriftenreihe: | Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung <Stuttgart>: Forschungsbericht des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
77 |
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| Beschreibung: | Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2000 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
Seite
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis VII
Verzeichnis der Abkürzungen IX
Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes XIV
Kurzfassung XXI
Abstract XXII
1 Einleitung 1
2 Integrierte Ressourcenplanung und Energiedienstleistungskonzept 7
2.1 Konzept einer gesamtwirtschaftlichen Integrierten Ressourcenplanung 7
2.1.1 Begriffserläuterung 8
2.1.2 Energiedienstleistungskonzept 9
2.1.3 Theoretischer Hintergrund einer Integrierten Ressourcenplanung 10
2.1.4 Demand-Side Management 12
2.1.5 Supply-Side Management 16
2.1.6 Berücksichtigung von Umwelt- und Klimaaspekten 18
2.2 Historische Entwicklung von IRP und Übertragbarkeit auf Baden-Württem¬
berg 20
2.2.1 Historische Entwicklung der Integrierten Ressourcenplanung in den
USA 20
2.2.2 Aktueller Stand der Integrierten Ressourcenplanung in den USA 22
2.2.3 Übertragbarkeit des IRP-Ansatzes und zukünftige Herausforderungen
für die Energiewirtschaft von Baden-Württemberg 23
2.3 Entwicklungsphasen einer gesamtwirtschaftlichen Integrierten Ressourcen¬
planung 25
2.4 Anforderungskatalog an ein Analyseinstrument zur Durchführung einer Inte¬
grierten Ressourcenplanung aus gesamtwirtschaftlicher Perspektive 26
3 Der Modellgenerator IntE3GRAL als Analyseinstrument für eine gesamtwirt¬
schaftliche Integrierte Ressourcenplanung 29
3.1 Energiesystemmodelle als EDV-gestützte Planungsinstrumente 29
3.1.1 Begriffe und methodische Grundlagen 29
3.1.2 Mathematische Grundlagen der Optimierung 32
3.1.3 Vergleich ausgewählter Modellgeneratoren in Bezug auf die Anforde¬
rungen einer gesamtwirtschaftlichen Integrierten Ressourcenplanung 34
II Inhaltsverzeichnis
3.2 Der Modellgenerator IntE3gral 36
3.2.1 Konzept des INTE3GRAL-Modellschemas 37
3.2.2 Umsetzung der Anforderungen für eine gesamtwirtschaftliche Integrier¬
te Ressourcenplanung im INTE3GRAL-Modellschema 39
3.3 Das INTE3GRAL-Modellschema 49
3.3.1 Mengen des INTE3GRAL-Modellschemas 49
3.3.2 Attribute des INTE3GRAL-Modellschemas 49
3.3.3 Variablentypen des INTE3GRAL-Modellschemas 50
3.3.4 Gleichungstypen des INTE3GRAL-Modellschemas 51
3.4 Mathematische Formulierung der methodischen Erweiterungen im Hinblick
auf eine gesamtwirtschaftliche Integrierte Ressourcenplanung 79
3.4.1 Ganzzahliger Zubau von Neuanlagen 79
3.4.2 Externe Kosten 81
3.4.3 CO2-Äquivalent-Emissionen 82
3.4.4 DSM-Programme 83
4 Energiewirtschaftliche Ausgangssituation 85
4.1 Entwicklung wirtschaftlicher, demographischer und energiepolitischer Rah¬
menbedingungen 85
4.2 Struktur des Endenergieverbrauches in Baden-Württemberg 86
4.2.1 Endenergieverbrauch nach Energieträgern 86
4.2.2 Endenergieverbrauch nach Sektoren 88
4.3 Elektrizitäts- und Fernwärmeversorgung 90
4.3.1 Entwicklung der Stromerzeugung und Strombereitstellung 91
4.3.2 Struktur der Strom- und Wärmeerzeugung 93
4.4 Primärenergieverbrauch 101
4.5 Energiebedingte Emissionen von Luftschadstoffen und Klimagasen 103
4.5.1 Konventionelle Luftschadstoffe 104
4.5.2 Energiebedingte Treibhausgasemissionen 105
5 Entwicklungsmöglicbkeiten der Energiewirtschaft im Rahmen einer gesamt¬
wirtschaftlichen Integrierten Ressourcenplannng 1°9
5.1 Rahmenannahmen und Demandvektor für Baden-Württemberg 11°
5.1.1 Demographische und ökonomische Rahmenannahmen für Baden-
Württemberg HO
5.1.2 Demandvektor des Energiesystemmodelles für Baden-Württemberg 112
5.2 Portfolio von DSM-Programmen für Baden-Württemberg l22
5.2.1 DSM-Programme im Haushaltssektor l23
5.2.2 DSM-Programme im Kleinverbrauchersektor 131
5.2.3 DSM-Programme im Industriesektor 131
5.3 Portfolio von SSM-Maßnahmen für Baden-Württemberg 133
5.3.1 Kraftwerkstechniken 133
5.3.2 Emeuerbare Energiequellen 144
5.4 Externe Kosten 151
Inhaltsverzeichnis HI
6 Ergebnisse der Szenarien einer gesamtwirtschaftlichen Integrierten Ressour¬
cenplanung in Baden-Württemberg 153
6.1 Charakterisierung der Szenarien und szenariospezifische Annahmen 153
6.2 Trendszenario für Baden-Württemberg 156
6.2.1 Endenergieverbrauchsentwicklung 157
6.2.2 Struktur des Umwandlungssektors 159
6.2.3 Primärenergieverbrauchsentwicklung 161
6.2.4 Energiebedingte Emissionen 163
6.2.5 Einordnung der Ergebnisse des Trendszenarios zu anderen Studien 166
6.3 No-Regret-Szenario und Referenzszenario und für Baden-Württemberg 169
6.3.1 Endenergieverbrauchsenrwicklung 169
6.3.2 Struktur des Umwandlungssektors 171
6.3.3 Primärenergieverbrauchsentwicklung 174
6.3.4 Energiebedingte Emissionen 175
6.4 Energiebedingte Emissionen der IRP-Szenarien für Baden-Württemberg 178
6.4.1 Szenarienfamilie Kohleschutzpolitik 178
6.4.2 Szenarienfamilie Energiepolitische Barrieren 179
6.4.3 Szenarienfamilie Hemmnisabbau 181
6.5 Endenergieverbrauchsstruktur der IRP-Szenarien für Baden-Württemberg 183
6.5.1 Szenarienfamilie Kohleschutzpolitik 183
6.5.2 Szenarienfamilie Energiepolitische Barrieren 185
6.5.3 Szenarienfamilie Hemmnisabbau 187
6.6 Struktur der Strom- und Femwärmeerzeugung in den IRP-Szenarien 188
6.6.1 Szenarienfamilie Kohleschutzpolitik 188
6.6.2 Szenarienfamilie Energiepolitische Barrieren 190
6.6.3 Szenarienfamilie Hemmnisabbau 193
6.7 Primärenergieverbrauchsenrwicklung in den IRP-Szenarien 194
6.7.1 Szenarienfamilie Kohleschutzpolitik 195
6.7.2 Szenarienfamilie Energiepolitische Barrieren 196
6.7.3 Szenarienfamilie Hemmnisabbau 198
6.8 Entwicklung des End- und Primärenergieverbrauches, der Strom- und Fern¬
wärmeerzeugung sowie der energiebedingten Emissionen im Szenarienver¬
gleich 199
6.8.1 Endenergieverbrauchsentwicklung im Szenarienvergleich 199
6.8.2 Struktur der Strom- und Fernwärmeerzeugung im Szenarienvergleich 201
6.8.3 Struktur des Primärenergieverbrauchs im Szenarienvergleich 203
6.8.4 Struktur der energiebedingten Emissionen im Szenarienvergleich 204
6.9 CO2-und THG-Minderungskosten 207
7 Schlußbetrachtung 217
Literaturverzeichnis 227
Anhang: Ausgewählte Ergebnisse der Szenarioanalysen 239
IV Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Seite
Abb. 2-1: Wesentliche Planungsschritte einer Integrierten Ressourcenplanung 8
Abb. 2-2: Wege der Energie von der Primärenergie zur Energiedienstleistung 9
Abb. 2-3: Wirtschaftstheoretisches Prinzip der Integrierten Ressourcenplanung 11
Abb. 2-4: Beeinflussungsmöglichkeiten der Lastkurve 13
Abb. 2-5: Wesentliche Charakteristika des Demand-Side Managements in der Elek¬
trizitätswirtschaft 14
Abb. 2-6: Wesentliche Charakteristika des Supply-Side Managements in der Elektri¬
zitätswirtschaft 17
Abb. 3-1: Netzwerkstruktur der Energieflüsse in einem Optimierungsmodell 31
Abb. 3-2: Bedeutung der Zweige im Netzwerk 39
Abb. 3-3: Repräsentation der Lastkurve eines charakteristischen Tages in Gangli-
nien-und Dauerliniendarstellung 41
Abb. 3-4: Bestimmung der Zeitcluster für die Systemganglinie und die Verbrau-
cherganglinien aus der Systemdauerlinie 43
Abb. 3-5: Übergang von der Systemlastdauerlinie auf die Systemerzeugerdauerli-
nie eines charakteristischen Tages mittels der Relokation 45
Abb. 3-6: Beispiel eines Energiesystems in Dauerliniendarstellung 47
Abb. 3-7: Beispiel eines Energiesystems in Gangliniendarstellung 48
Abb. 3-8: Darstellung der Nebenprodukte im INTE3GRAL-Modellschema 55
Abb. 3-9: Darstellung der Hilfsstoffe im INTE3GRAL-Modellschema 56
Abb. 3-10: Darstellung der Marktallokationen im INTE3GRAL-Modellschema 57
Abb. 3-11: Darstellung der Produktallokationen im INTE3GRAL-Modellschema 58
Abb. 3-12: Darstellung der zeitlichen Dekomposition im INTE3GRAL-Modellschema 66
Abb. 3-13: Darstellung eines Speichers mit den zugehörigen Variablen im INT-
E GRAL-Modellschema in der Gangliniendarstellung 68
Abb. 3-14: Beispiel für die Modellierung eines DSM-Programmes im IntE3GRAL-
Modellschema 83
Abb. 4-1: Entwicklung des Endenergieverbrauchs nach Energieträgern in Baden-
Württemberg von 1973 bis 1994 87
Abb. 4-2: Endenergieverbrauch nach Sektoren in Baden-Württemberg 89
Abb. 4-3: Endenergieverbrauch in Baden-Württemberg nach Verbrauchssektoren
und Anwendungsbereichen im Jahr 1993 91
Abb. 4-4: Entwicklung der Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Baden-
Württemberg von 1973 bis 1994 92
Abb. 4-5: Brutto-Engpaßleistung nach Kraftwerkstypen in Baden-Württemberg in
den Jahren 1990 und 1994 93
Abb. 4-6: Femwärmeversorgung im Jahr 1990 und im Jahr 1994 in Baden-Würt¬
temberg 98
Abb. 4-7: Entwicklung des Primärenergieverbrauchs nach Energieträgern in Ba¬
den-Württemberg von 1973 bis 1994 102
Abb. 4-8: Entwicklung der energiebedingten SO2-Emissionen in Baden-Württem¬
berg von 1973 bis 1994 nach Emittentengruppen 104
Abb. 4-9: Entwicklung der energiebedingten NOx-Emissionen in Baden-Württem¬
berg von 1973 bis 1994 nach Emittentengruppen 105
Abbildungsverzeichnis V
Abb. 4-10: Entwicklung der energiebedingten CCVEmissionen in Baden-Württem¬
berg von 1973 bis 1994 nach Emittentengruppen 107
Abb. 5-1: Entwicklung der realen Importpreise ausgewählter Energieträger 112
Abb. 5-2: Effizienzverbesserungen ausgewählter Haushaltsgeräte 123
Abb. 5-3: Verbesserung der jährlichen Stromverbräuche von Neugeräten für unter¬
schiedliche Haushaltsanwendungen in den Jahren 1990 und 2020 124
Abb. 5-4: Einsparpotentiale und Einsparkosten für Haushaltselektrogeräte in Ba¬
den-Württemberg im Jahr 2020 125
Abb. 5-5: Logistischer Zusammenhang der Teilnehmerrate und der variablen Um¬
setzungskosten für ein DSM-Programm „Kühlschrank 126
Abb. 5-6: Einsparpotential und Einsparkosten für Maßnahmen an der Gebäudehül¬
le von Wohngebäuden bis zum Jahr 2020 in Baden-Württemberg 128
Abb. 5-7: Entwicklung der Nutzungsgrade von Öl- und Gas-Zentralheizungen ver¬
schiedener Kesseltypen bei einem durchschnittlichen Ein- und Mehrfa¬
milienhaus 130
Abb. 5-8: Kosten-Potential-Kurve der Energieeinsparung für den Brennstoffver¬
brauch der Industrie in Baden-Württemberg im Jahr 2020 134
Abb. 5-9: Kosten-Potential-Kurve der Energieeinsparung für den Stromverbrauch
der Industrie in Baden-Württemberg im Jahr 2020 134
Abb. 5-10: Schaltbild eines Kombi-Kraftwerkes 136
Abb. 5-11: Schaltbild eines Verbund-Kraftwerkes 137
Abb. 5-12: Nutzung, Erschließungspotentiale und technische Potentiale regenerati¬
ver Energien in Baden-Württemberg 145
Abb. 6-1: Endenergieverbrauch nach Sektoren (SEK) und nach Energieträgern (ET)
im Trendszenario in Baden-Württemberg 157
Abb. 6-2: Nettostrombereitstellung nach Energieträgern im Trendszenario in Baden-
Württemberg 160
Abb. 6-3: Primärenergieverbrauch nach Energieträgem im Trendszenario in Ba¬
den-Württemberg 163
Abb. 6-4: Energiebedingte CCh-Emissionen nach Sektoren im Trendszenario in
Baden-Württemberg 164
Abb. 6-5: Energiebedingte NOX-, SO2-, CH4- und N2O-Emissionen im Trendszena¬
rio in Baden-Württemberg 165
Abb. 6-6: Primärenergieverbrauch des Trendszenarios für Baden-Württemberg im
Vergleich zu anderen Studien 167
Abb. 6-7: Endenergieverbrauch nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szena¬
rienvergleich (T - N - R) 170
Abb. 6-8: Nettostrombereitstellung nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Szenarienvergleich (T - N - R) 172
Abb. 6-9: Anteile ausgewählter Kraftwerkstypen an der Nettostromerzeugung in
Baden-Württemberg im Jahr 2020 173
Abb. 6-10: Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Szenarienvergleich (T - N - R) 175
Abb. 6-11: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szenarien¬
vergleich (T - N - R) 176
Abb. 6-12: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Vergleich
der Szenarienfamilie „Kohleschutzpolitik (T - R - I1C - I1G - I1E) 179
VI Abbildungsverzeichnis
Abb. 6-13: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Vergleich
der Szenarienfamilie „Energiepolitische Barrieren (T - R - I2C - I2G -
I2E) 180
Abb. 6-14: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Vergleich
der Szenarienfamilie „Hemmnisabbau (T - R - DC - DG - I3E) 182
Abb. 6-15: Endenergieverbrauch nach Sektoren in Baden-Württemberg im Ver¬
gleich der Szenarienfamilie „Kohleschutzpolitik (T - R - HC - HG -
I1E) 184
Abb. 6-16: Endenergieverbrauch nach Sektoren in Baden-Württemberg im Ver¬
gleich der Szenarienfamilie „Energiepolitische Barrieren (T - R - I2C -
I2G - I2E) , 186
Abb. 6-17: Endenergieverbrauch nach Sektoren in Baden-Württemberg im Ver¬
gleich der Szenarienfamilie „Hemmnisabbau (T - R - I3C - I3G - I3E) 187
Abb. 6-18: Nettostrombereitstellung nach Energieträgem in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie .JKohleschutzpolitik (T - R - I1C - HG -
HE) „ 189
Abb. 6-19: Nettostrombereitstellung nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie „Energiepolitische Barrieren (T - R -
I2C - I2G - I2E) 191
Abb. 6-20: Nettostrombereitstellung nach Energieträgem in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie ..Hemmnisabbau (T - R - I3C - I3G -
BE) 193
Abb. 6-21: Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie „Kohleschutzpolitik (T - R - HC - HG -
HE) . ;. 195
Abb. 6-22: Primärenergieverbrauch nach Energieträgem in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie „Energiepolitische Barrieren (T - R -
I2C - I2G - I2E) „ 197
Abb. 6-23: Primärenergieverbrauch nach Energieträgem in Baden-Württemberg im
Vergleich der Szenarienfamilie „Hemmnisabbau (T - R - DC - DG -
BE) * 198
Abb. 6-24: Zusatzkosten für eine Minderung der energiebedingten THG-Emissionen
in Baden-Württemberg im Szenarienvergleich (T - N - R - I1C - HG -
I1E - I2C - I2G - I2E - I3C - I3G - DE) 209
Abb. 6-25: Primärenergieverbrauch nach Energieträgem in Baden-Württemberg im
Szenarienvergleich (I1E - IIS - I2E - I2S - DE - I3S) 213
Abb. 6-26: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szenarien¬
vergleich (I1E - IIS - I2E - I2S - I3E - I3S) 214
Tabellenverzeichnis VII
Tabellenverzeichnis
Seite
Tabelle 2-1: Abschätzung des direkten Treibhauspotentials einiger klimarelevanter
Spurengase 20
Tabelle 3-1: Vergleichskriterien zur Bewertung von Modellgeneratoren bezüglich
ihrer Anwendung für eine gesamtwirtschaftliche Integrierte Ressourcen¬
planung 35
Tabelle 4-1: Kernkraftwerke zur unmittelbaren Stromversorgung in Baden-Württem¬
berg 94
Tabelle 4-2: Eingesetzte Kraftwerke in und für Baden-Württemberg zur Stromerzeu¬
gung in der Mittel- und Spitzenlast für die Jahre 1990 und 1994 95
Tabelle 4-3: Nennleistung der Antriebsmaschinen in der baden-württembergischen
Industrie (über 1000 kVA) nach Maschinenarten für die Jahre 1990 und
1994 100
Tabelle 4-4: Übersicht über die Blockheizkraftwerke in Baden-Württemberg im Jahr
1994 102
Tabelle 4-5: Energiebedingte Emissionen von direkten Treibhausgasen (CO2, CH4,
N2O) in Baden-Württemberg 107
Tabelle 5-1: Annahmen über die wichtigsten demographischen Rahmendaten für Ba¬
den-Württemberg 111
Tabelle 5-2: Annahmen über die wichtigsten ökonomischen Rahmendaten für Baden-
Württemberg 111
Tabelle 5-3: Entwicklung der Wohnflächen in Baden-Württemberg 114
Tabelle 5-4: Durchschnittliche Nutzenergiekennzahlen der Gebäudeklassen in Baden-
Württemberg für die Jahre 1990,2005 und 2020 115
Tabelle 5-5: Nutzenergiebedarf für Warmwasser in Baden-Württemberg für die Jahre
1990,2005 und 2020 117
Tabelle 5-6: Demandvektor für die Energiedienstleistungen im Bereich der Haus¬
haltsanwendungen 118
Tabelle 5-7: Entwicklung der Nutzflächen in Baden-Württemberg im Kleinverbrau-
chersektor 119
Tabelle 5-8: Nutzenergiekennzahlen von Altbauten im Kleinverbrauchersektor 119
Tabelle 5-9: Endenergienachfrage der restlichen Anwendungen im Sektor der raum-
wärmeintensiven Kleinverbraucher 120
Tabelle 5-10: Bruttowertschöpfung in den Branchen der prozßwärmeintensiven Klein¬
verbraucher 120
Tabelle 5-11: Annahmen über die Nettoproduktionsentwicklung in den Sektoren des
Verarbeitenden Gewerbes für Baden-Württemberg 121
Tabelle 5-12: Entwicklung der Verkehrsleistung im Personennah- und Personenfem-
verkehr sowie im Güterverkehr in Baden-Württemberg 122
Tabelle 5-13: Trendentwicklung der bezogenen Brennstoffverbräuche (inkl. Fern¬
wärme) und Stromverbräuche in den Industriesektoren von Baden-Würt¬
temberg 132
Tabelle 5-14: Charakteristische Daten derzeitig verfügbarer Kraftwerkskonzepte 138
Tabelle 5-15: Charakteristische Daten zukünftig verfügbarer Kraftwerkskonzepte (frü-
heste Inbetriebnahme im Jahr 2005) 139
Tabelle 5-16: Charakteristische Kenndaten typischer KWK-Anlagen 143
Vin Tabellenveizeichnis
Tabelle 5-17: Charakteristische Kenndaten des EPR 144
Tabelle 5-18: Technische und ökonomische Daten von Referenzanlagen sowie deren
technische Stromerzeugungspotentiale in Baden-Württemberg für unter¬
schiedliche Windgeschwindigkeitsklassen und Referenzjahre 147
Tabelle 5-19: Referenzsysteme für Photovoltaik-Anlagen in Baden-Württemberg (So¬
larzellenmaterial polykristallines Silizium) 149
Tabelle 6-1: Charakterisierung der Szenarien 154
Tabelle 6-2: Ausschöpfung der Einsparpotentiale nach Sektoren im Szenarienver¬
gleich (T - N - R) 171
Tabelle 6-3: Ausschöpfungstiefe der Einsparpotentiale in den IRP-Szenarien gegen¬
über dem Trendszenario im Jahr 2005 und 2020 200
Tabelle 6-4: Portfolio-Matrix ausgewählter Kraftwerkstypen in Baden-Württemberg
in den Szenarien T, R, IIC, I2C und I3C im Betrachtungszeitraum von
1990 bis 2020 202
Tabelle 6-5: NOx-Emissionen und SO2-Emissionen in Baden-Württemberg im Szena¬
rienvergleich (T - R - I1C - HG - I1E - I2C - I2G - I2E - I3C - I3G - I3E).... 205
Tabelle A-l: Energieverbrauchsstmktur in Baden-Württemberg im Szenarienvergleich
(Trend - Referenz - I1C - I2C - I3C) 239
Tabelle A-2: Energieverbrauchsstruktur in Baden-Württemberg im Szenarienvergleich
(Trend - Referenz - HG - I2G - I3G) 240
Tabelle A-3: Nettostrombereitstellung nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Szenarienvergleich (Trend - Referenz - I1C - I2C - I3C) 241
Tabelle A-4: Nettostrombereitstellung nach Energieträgern in Baden-Württemberg im
Szenarienvergleich (Trend - Referenz - HG - I2G - DG) 242
Tabelle A-5: CO2-Emissionen nach Energieträgern und nach Sektoren in Baden-Würt¬
temberg im Szenarienvergleich (Trend - Referenz - I1C - I2C - I3C) 243
Tabelle A-6: CCVEmissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szenarienver¬
gleich (Trend - Referenz - I1G - I2G - I3G) 244
Tabelle A-7: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szenarien¬
vergleich (Trend - Referenz - I1C - I2C - I3C) 245
Tabelle A-8: THG-Emissionen nach Sektoren in Baden-Württemberg im Szenarien¬
vergleich (Trend - Referenz - HG - I2G - I3G) 246
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