An empirical study of the desirability and usability of model-based scenarios for informing energy and low-carbon transitions

Abstract

Many energy and low-carbon transitions are underway around the World today, guided by strategies such as the Swiss Energy Strategy 2050, the European Green Deal, and the Paris Agreement. A key method to inform transition strategies is scenario analysis. Scenarios can highlight uncertainties, explore alternatives, or show how to reach specific targets. For energy and climate change mitigation topics, the story-and-simulation approach is usually followed, where scenario developers define storylines which are then quantified using modeling. Research has so far focused on improving models themselves, as well as the diversity and consistency of the analyzed scenarios. Nevertheless, significant challenges remain such as enhancing the inclusivity of transition stakeholders in scenario generation and ensuring the usability of scenario results. Energy and low-carbon transitions involve diverse stakeholders, including policymakers, industries, NGOs, and the wider public. However, it has been shown that even large scenario ensembles from multiple models and modeling organizations may focus on a relatively narrow range of views about the future. As citizen perspectives have been rarely used in scenario generation, it remains unclear whether energy technologies and other alternatives that are frequently included in scenarios are also desirable by the citizens. Nevertheless, incorporating citizen perspectives in scenario generation carries its own challenges, since these perspectives can be influenced by knowledge gaps, prior beliefs, or even demographics. Similarly, user characteristics such as numeracy can affect the usability of scenario information, especially in the case of more complex visualizations of large scenario ensembles. While interactive visualizations have been seen as a solution to show large scenario ensembles, it is unclear whether interactive visualizations outperform their static counterparts to merit the extra investment. In response to these research gaps, this thesis aimed to empirically evaluate large scenario ensembles that inform energy and low-carbon transitions in terms of desirability and usability. On desirability, the thesis assessed the representation of citizen perspectives in scenario ensembles that inform energy transitions. On usability, the thesis assessed the performance of various interactive and static formats for visualizing large scenario ensembles in terms of supporting the understanding and engagement of transition stakeholders. Methodologically, all evaluations were structured in five research studies (journal articles). The studies were based on data collected from large population surveys and workshops and almost all of the studies used a newly developed interactive scenario tool Riskmeter, both for collecting data and for evaluating its performance in terms of scenario communication. In terms of case studies, the thesis focused on the electricity supply transition until 2035 in Switzerland, the European Union, and the World, as the electricity sector is especially crucial for decarbonizing the energy system and it is prioritized in most transition strategies. The thesis showed that existing multi-organization, multi-model scenario ensembles for the electricity supply in 2035 in France, Germany, Poland, Switzerland, and the European Union are only narrowly representative of citizen perspectives. Compared to most model-based scenarios, most citizens preferred deeper decarbonization and/or denuclearization by 2035, increased efficiency and electricity savings, and an electricity supply based on domestic hydropower, solar photovoltaic, wind power, and biomass. Scenario preference patterns were affected by the knowledge level and the national context of the citizens but remained mostly similar among groups of citizens with different demographics, political orientation, and attitudes on the transition and its governance. In contrast, scenario usability was affected by the prior beliefs, age, education, and relevant abilities of the scenario users such as numeracy. In fact, user understanding and engagement with scenario visualizations was more strongly influenced by user characteristics than by different visualization formats. Among the five static visualization formats that were tested, none was consistently outperforming the rest, while no evidence was found that an interactive format was superior to a static alternative. Nevertheless, customizing formats to user characteristics was shown to allow to control adverse effects from these user characteristics. The outcomes of the thesis underline the need to explicitly consider informed and diverse citizen perspectives in scenario generation in order to improve the desirability of scenarios that inform transitions. For the examined countries and the European Union, findings indicate that more scenarios are needed with an early and ambitious deployment of renewable electricity. In terms of scenario communication, results suggest that no visualization format is perfect and that formats should be customized according to the needs and characteristics of different audiences. In all cases, empirical evaluation is key to ensure that methods for scenario generation and communication perform as intended. Future research should focus on integrating iterative empirical evaluations in all design phases of scenario visualizations and on investigating how to achieve a better trade-off between eliciting scenario preferences at scale and assuring that stakeholders are properly informed beforehand.

Πολλές ενεργειακές και πράσινες μεταβάσεις εξελίσσονται σήμερα σε όλο τον κόσμο, με γνώμονα στρατηγικές όπως η ελβετική Ενεργειακή Στρατηγική 2050, η Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία και η Συμφωνία του Παρισιού. Μια βασική μέθοδος χάραξης στρατηγικής είναι η ανάλυση σεναρίων. Τα σενάρια μπορούν να αναδείξουν αβεβαιότητες, να βοηθήσουν στη διερεύνηση εναλλακτικών λύσεων ή να οδηγήσουν στην επίτευξη συγκεκριμένων στόχων. Στα θέματα ενέργειας και αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής, συνήθως ακολουθείται η προσέγγιση «story-and-simulation», όπου οι αρμόδιοι για την ανάπτυξη σεναρίων καθορίζουν ιστορίες οι οποίες στη συνέχεια ποσοτικοποιούνται με τη χρήση μοντέλων. Η έρευνα έχει επικεντρωθεί μέχρι στιγμής στη βελτίωση των ίδιων των μοντέλων, καθώς και στην ποικιλομορφία και τη συνοχή των σεναρίων που αναλύονται. Παρόλα αυτά, παραμένουν σημαντικές προκλήσεις, όπως η ενίσχυση της συμμετοχικότητας στην παραγωγή σεναρίων και η διασφάλιση της χρηστικότητας των αποτελεσμάτων των σεναρίων. Οι ενεργειακές και πράσινες μεταβάσεις έχουν αρκετά ευρύ κοινό, συμπεριλαμβανομένων των κυβερνητικών φορέων, των βιομηχανιών, των ΜΚΟ, και των πολιτών. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί ότι ακόμη και σύνολα σεναρίων προερχόμενα από πολλαπλά μοντέλα και οργανισμούς μπορεί να εστιάζουν σε ένα στενό φάσμα απόψεων για το μέλλον. Καθώς οι απόψεις των πολιτών σπανίως χρησιμοποιούνται στη δημιουργία σεναρίων, παραμένει ασαφές το κατά πόσο οι ενεργειακές τεχνολογίες που περιλαμβάνονται στα σενάρια είναι επιθυμητές από τους πολίτες. Ωστόσο, η ενσωμάτωση των απόψεων των πολιτών στη δημιουργία σεναρίων ενέχει τις δικές της προκλήσεις. Οι απόψεις των πολιτών μπορεί να επηρεάζονται από κενά γνώσεων, προηγούμενες πεποιθήσεις ή ακόμη και από τα δημογραφικά χαρακτηριστικά τους. Παρομοίως, τα χαρακτηριστικά των πολιτών μπορούν να επηρεάσουν τη χρηστικότητα των σεναρίων, ιδίως στην περίπτωση σύνθετων οπτικοποιήσεων με πολλαπλά σενάρια. Παρόλο που οι διαδραστικές οπτικοποιήσεις έχουν θεωρηθεί ως πιθανή λύση για την παρουσίαση πολλαπλών σεναρίων, δεν είναι σαφές κατά πόσο υπερτερούν έναντι των αντίστοιχων στατικών οπτικοποιήσεων ώστε να αξίζουν την επιπλέον επένδυση χρόνου και κόστους. Ως απάντηση σε αυτά τα ερευνητικά κενά, η παρούσα διατριβή σκοπεύει στην εμπειρική αξιολόγηση σεναρίων για ενεργειακές και πράσινες μεταβάσεις ώστε να γίνουν αυτά τα σενάρια επιθυμητά και χρηστικά. Όσον αφορά την επιθυμητότητα, η διατριβή αξιολόγησε το κατά πόσο οι απόψεις των πολιτών αντιπροσωπεύονται στα υπάρχοντα σενάρια για ενεργειακές μεταβάσεις. Όσον αφορά τη χρηστικότητα, η διατριβή αξιολόγησε τις επιδόσεις διαδραστικών και στατικών μέσων οπτικοποίησης σεναρίων στο κατά πόσο κάνουν κατανοητά και ενδιαφέροντα τα σενάρια. Μεθοδολογικά, όλες οι αξιολογήσεις διαρθρώθηκαν σε πέντε ερευνητικές μελέτες (άρθρα σε επιστημονικά περιοδικά). Οι μελέτες βασίστηκαν σε εμπειρικά δεδομένα που συλλέχθηκαν με ερωτηματολόγια και εργαστήρια πολιτών, ενώ σχεδόν όλες οι μελέτες χρησιμοποίησαν ένα διαδραστικό εργαλείο σεναρίων με το όνομα Riskmeter, τόσο για τη συλλογή δεδομένων όσο και για την αξιολόγηση των επιδόσεών του εργαλείου στην επικοινωνία σεναρίων. Όσον αφορά τις περιπτωσιακές μελέτες, η διατριβή επικεντρώθηκε στη μετάβαση του συστήματος παροχής ηλεκτρικής ενέργειας έως το 2035 στην Ελβετία, την Ευρωπαϊκή Ένωση και παγκοσμίως, καθώς ο τομέας της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ιδιαίτερα κρίσιμος για τις περισσότερες πράσινες μεταβάσεις και τις στρατηγικές τους. Η διατριβή έδειξε ότι τα υφιστάμενα σενάρια για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας το 2035 στη Γαλλία, τη Γερμανία, την Πολωνία, την Ελβετία και την Ευρωπαϊκή Ένωση δεν είναι ιδιαίτερα αντιπροσωπευτικά των απόψεων των πολιτών, παρόλο που αυτά τα σενάρια δημιουργήθηκαν από ποικίλους οργανισμούς και μοντέλα. Σε σύγκριση με τα περισσότερα σενάρια, οι περισσότεροι πολίτες προτίμησαν ταχύτερη απεξάρτηση από τον άνθρακα και/ή αποπυρηνικοποίηση έως το 2035, αυξημένη εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και ένα μίγμα ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο στην εγχώρια υδροηλεκτρική ενέργεια, τα φωτοβολταϊκά, την αιολική ενέργεια και τη βιομάζα. Η προτίμηση των πολιτών επηρεάστηκε περισσότερο από το επίπεδο γνώσεων και την εθνικότητά τους και λιγότερο από τα δημογραφικά χαρακτηριστικά, τον πολιτικό προσανατολισμό και τις στάσεις τους σχετικά με τη μετάβαση και τη διακυβέρνησή της. Αντίθετα, η χρηστικότητα των σεναρίων επηρεάστηκε από τις πεποιθήσεις των χρηστών, την ηλικία, την εκπαίδευση και άλλες σχετικές ικανότητες, όπως η αριθμητική ικανότητα. Συνολικά, η κατανόηση και το ενδιαφέρον των χρηστών για τις οπτικοποιήσεις σεναρίων επηρεάστηκε περισσότερο από τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά των χρηστών παρά από τις διαφορετικές μορφές οπτικοποίησης. Μεταξύ των πέντε στατικών μέσων οπτικοποίησης που δοκιμάστηκαν, καμία δεν υπερείχε σταθερά έναντι των υπολοίπων, ενώ δεν βρέθηκε καμία ένδειξη ότι ένα διαδραστικό μέσο οπτικοποίησης ήταν ανώτερο από ένα αντίστοιχο στατικό. Παρ' όλα αυτά, η προσαρμογή των οπτικοποιήσεων στα χαρακτηριστικά του χρήστη βοήθησε στον περιορισμό δυσμενών επιδράσεων από αυτά τα χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα της διατριβής υπογραμμίζουν την ανάγκη συμπερίληψης απόψεων πολιτών στη δημιουργία σεναρίων, προκειμένου να βελτιωθεί η επιθυμητότητα των σεναρίων για ενεργειακές και πράσινες μεταβάσεις. Για τις εξεταζόμενες χώρες και την Ευρωπαϊκή Ένωση, τα ευρήματα δείχνουν ότι χρειάζονται περισσότερα σενάρια με έγκαιρη και φιλόδοξη ανάπτυξη της ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Όσον αφορά την επικοινωνία των σεναρίων, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι καμία μορφή οπτικοποίησης σεναρίων δεν είναι τέλεια και ότι η οπτικοποίηση θα πρέπει να προσαρμόζεται ανάλογα με τις ανάγκες και τα χαρακτηριστικά του ακροατηρίου. Σε κάθε περίπτωση, η εμπειρική αξιολόγηση είναι το κλειδί για να διασφαλιστεί ότι οι μέθοδοι δημιουργίας και επικοινωνίας σεναρίων αποδίδουν. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στη χρήση επαναληπτικών αξιολογήσεων σε όλες τις φάσεις σχεδιασμού οπτικοποίησεων σεναρίων και σε μεθόδους ενσωμάτωσης πολλών και καλά ενημερωμένων απόψεων πολιτών στην ανάπτυξη σεναρίων.