Modellierung europäischer Großhandelsstrommärkte
Wir untersuchen europäische Strommärkte mit eigens entwickelten, computergestützten Modellen. Im Zuge der Dekarbonisierung nutzen immer mehr Endverbrauchssektoren Strom. Unsere Strommarktmodelle erlauben daher die modulare Integration der Sektoren in die Modelle. Mit dem vom EWI entwickelten Gesamtenergiesystemmodell DIMENSION lassen sich die optimalen kurz- und langfristigen Bereitstellungskosten für Strom, Wärme und synthetische Brenn- und Kraftstoffe im europäischen Gesamtsystem sektorenübergreifend ermitteln. Dabei werden politische, regulatorische und technologische Rahmenbedingungen berücksichtigt. Ebenso wird die Wechselwirkung zum künftigen Wasserstoffsystem durch die Abbildung von Wasserstoffspeichern, Importinfrastruktur und Elektrolyseuren explizit berücksichtigt.
Auf Basis der fundamentalen Strommarktmodellierung erstellen wir auch Strompreisszenarien. Die Zeitreihen haben wahlweise eine stündliche oder viertelstündliche Struktur.
Das Stromnetz ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende. Das Übertragungsnetz transportiert Strom über weite Entfernungen, zum Beispiel aus Windkraft-Anlagen in der Nordsee in Richtung Süden. Das Verteilnetz integriert dezentrale Anlagen wie Photovoltaik. Die Produktion von Strom aus erneuerbaren Energien hängt jedoch von ihrem Standort sowie vom Wetter ab. Das EWI berechnet mit seinem Modell SPIDER den Einfluss begrenzter Übertragungskapazitäten auf das Stromsystem. Das Modell basiert auf einer hochaufgelösten DC-Lastflussrechnung des deutschen Übertragungsnetzes sowie auf knotenscharfen Daten zur Stromnachfrage, zu Erzeugungskapazitäten und zur Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien. Eine zentrale Komponente ist die Ausweisung von Redispatch-Mengen.
Begrenzte Netzanschlusskapazitäten spielen für Investitionsentscheidungen eine immer größere Rolle. Zudem wird durch Änderungen im Förderdesign die Überbauung von Netzanschlüssen angereizt. Investitionen in Erneuerbare-Energien-Anlagen werden durch assoziierte Netzausbaukosten, differenziert nach drei Netzgebietsklassen, beeinflusst. Mit dem Modell MELI kann das europäische Stromsystem unter besonderer Berücksichtigung von lokalen Netzeigenschaften abgebildet werden. Es können Systemeffekte durch verschiedene Anschlusskonfigurationen von PV, Wind und Speicher (Co-Location) und Netzanschlussgrößen gezeigt werden.
Erneuerbare Energien und Energiemeteorologie
Der Klimawandel verändert die Erzeugungsmöglichkeiten konventioneller Kraftwerke: Durch die trockenen Sommer der vergangenen Jahre führten Flüsse weniger, dafür aber überdurchschnittlich warmes Wasser. Thermische und nukleare Kraftwerke in Teilen Europas mussten ihre Leistung drosseln, da Kühlwasser aus Flüssen nur begrenzt verfügbar war.
Auf der Nachfrageseite verändern höhere Temperaturen den Strombedarf: Im Winter wird weniger geheizt, im Sommer aber mehr gekühlt. Die etablierten Lastprofile können sich dadurch verschieben. Wir erforschen den Übergang von einem kohlenstoffbasierten Energieverbrauch hin zu erneuerbaren Energien. Gemeinsam mit dem Hans-Ertel-Zentrum für Wetterforschung schätzen wir die Menge erneuerbarer Energieressourcen unter sich ändernden klimatischen Bedingungen. Außerdem untersuchen die beiden Partner die Verfügbarkeit von Solar- und Windkraft auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen.
Asset-Bewertung und Investitionsentscheidungen
Für die Betreiber und Investoren von Energie-Assets wird es immer komplexer, zu entscheiden, in welche Assets investiert und wie diese eingesetzt werden sollten. Das liegt zum einen daran, dass die Erzeugung auf nahezu allen Netzebenen schwankt. Zum anderen wird durch Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge mehr Strom nachgefragt. Geschäftsmodelle aus der „alten Energiewelt“, die lange Zeit verlässliche Renditen versprochen haben, sind nicht mehr zukunftssicher.
Unternehmen müssen ihre Assets korrekt bewerten, um strategisch zu planen und Entscheidungen zu treffen – unabhängig von der Systemebene oder Größe der Assets. Auch können Unternehmen so risikobasierte, vorausschauende Strategien zur Instandhaltung erstellen oder Entscheidungen über Repowering – also den Weiterbetrieb alter Anlagen – treffen. Zur Asset-Bewertung nutzen wir das Modell EASE, mit dem die Vermarktungsentscheidungen über verschiedene Erlösmöglichkeiten optimiert werden können. Dabei können verschiedene Szenarien und regulatorische Rahmenbedingungen, beispielsweise auf dem Regelenergiemarkt, berücksichtigt werden.
Einige Geschäftsmodelle, insbesondere von Speichern, zielen auf die Generierung von Erlösen durch Arbitrage-Geschäfte im Day-Ahead- und Intraday-Markt ab. Projektierer und Speicherbetreiber müssen dafür einschätzen, wie hoch Erlöse in verschiedenen Szenarien ausfallen könnten. Dazu modelliert DAISY den Intraday-Handel fundamental, basierend auf Strompreisen, der Einspeisung von Erneuerbaren Energien und Kraftwerkseinsätzen aus dem Day-Ahead-Handel und Prognosefehlern für erneuerbare Energien und Nachfrage. Das Modell optimiert den Einsatz von Flexibilitätstechnologien, um Prognosefehler zu kompensieren und die Kosten für den Ausgleich dieser Fehler zu minimieren. Dabei wird auch der Einfluss des untertägigen Speichereinsatzes auf die Preise selbst berücksichtigt.
Modellierung von Verteilnetzen
Der Hochlauf von Elektrofahrzeugen und Wärmepumpen führt zu einem Anstieg der Spitzenlast und erhöhen das Risiko von Engpässen in den Verteilnetzen. Um kritische Netzsituationen zu vermeiden und kostspielige Netzerweiterungen zu umgehen, gibt es zahlreiche Optionen, beispielsweise dynamische Netzentgelte oder Eingriffsrechte von Verteilnetzbetreibern. Wir untersuchen dazu, wie sich Anpassungen in Stromtarifen oder in der Netzregulierung auf die Lastflüsse im Verteilnetz sowie die Strombezugskosten verschiedener Akteure auswirken.
Zusammenarbeit mit den anderen Research Areas des EWI
Gemeinsam mit dem Team der Research Area Regulation untersuchen wir Marktdesign-Fragen im Stromsektor, unter anderem durch den Einsatz von quantitativen Modellen. Mithilfe des EWI-eigenen Modells DIMENSION können wir so beispielsweise Auswirkungen der nationalen und europäischen Klimapolitik im Energieversorgungssystem modellieren. Verschiedene Gebotszonenkonfigurationen im Kontext des europäischen flow based market couplings können mit dem EWI-eigenen Modell SPIDER untersucht werden.
Gemeinsam mit dem Team aus dem Bereich Energy Commodities untersuchen wir unter anderem die Bereitstellung von Wasserstoff für das künftige Stromsystem und die optimale Co-Lokalisation von Wasserstoffkraftwerken, Elektrolyseuren und erneuerbaren Energien.
Im Rahmen des Forschungsprogramms Integriertes Strommarktdesign widmet sich das EWI, gefördert durch die Gesellschaft zur Förderung des EWI e.V., umfassenden Fragen zur effizienten Gestaltung der Energiewende. Da der Ausbau erneuerbarer Energien und Stromnetze hohe Investitionen erfordert, untersuchen wir, wie ein passendes Marktdesign Investitions- und Betriebsentscheidungen optimieren kann.
