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System-Studie 11.1.2016

Wert des Speicherinhaltes ist abhängig vom (stochastischen) Strompreis und dem Speicherfüllstand zu einem bestimmten Zeitpunkt und die daraus abgeleitete optimale Strategie (Laden, Entladen oder Füllstand halten) in Anlehnung an die stochastische Kontrolltheorie.
© EWL/LEF

Energiespeicher auf dem wirtschaftlichen Prüfstand

Lohnen sich Energiespeicher wirtschaftlich eigentlich? Dieser Frage gingen Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen in einer Analyse auf den Grund. Dafür kombinieren sie Methoden aus der Finanzmathematik mit energieökonomischen und stochastischen Modellen. Das Vorgehen soll deutlich zuverlässiger sein als die herkömmlichen deterministischen Modelle.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Projektlaufzeit November 2012 bis Dezember 2015

Je mehr Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen eingespeist wird, je schwieriger gestaltet sich der Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage auf dem Strommarkt. Eine wichtige Rolle wird Energiespeichern zugeschrieben, die Strom in Zeiten großen Angebots aufnehmen und bei hoher Nachfrage wieder abgeben können. Neben natur- und ingenieurswissenschaftlichen Fragen der Entwicklung möglichst leistungsstarker und kostengünstiger Energiespeicher stellt sich auch die Frage nach der ökonomischen Vorteilhaftigkeit von Speichern im Energiesystemen von Morgen. Nicht zuletzt sollten sie auch im Vergleich zu alternativen Backup-Systemen, wie etwa Gasturbinen, betrachtet werden. 

Im Projekt StoBeS entwickeln Wissenschaftler neue Methoden zur Analyse des Beitrags von Energiespeichern zu einer zukunftsfähigen Energie- und insbesondere Stromversorgung. StoBeS steht für „Stochastische Methoden zur Bewirtschaftung und Bewertung von zentralen und dezentralen Speichern im Kontext des zukünftigen deutsche Energiesystems“. Mit Blick auf die entwickelten Szenarien (2030 bis 2050) modellieren die Forscher der Universität Duisburg-Essen die stochastischen Eigenschaften der Einspeisung von Wind sowie Photovoltaik. Aufbauend auf dieser Charakterisierung bewerten sie dann die Flexibilitätspotenziale, die Speicher bieten. Diese entwickelten Bewertungsansätze sollen schließlich dazu dienen, um ausgewählte Speicher-Konfigurationen zu bewerten. Beispiele dafür sind dezentrale Batteriespeicher in Verbindung mit Photovoltaik-Anlagen, größere Druckluftspeicher zur Zwischenspeicherung von Windstrom in Norddeutschland oder mit Power-to-Gas. Zudem sollen weitere Ansätze genutzt werden, um sogenannte Target Costs (Zielkostenrechnung) für Speichertechniken abzuleiten und die Auswirkungen unterschiedlicher Regulierungsvorgaben, um  beispielsweise Kapazitätsmärkte oder die Behandlung von Eigenverbrauch auf die Wirtschaftlichkeit von dezentralen und zentralen Speichern zu untersuchen.

  • Die Grafik zeigt die Übersicht relevanter Inputdaten für die stochastische Bewertung von Speichern. © EWL/LEF
  • Zu sehen sind die Vergleichmäßigungseffekte bei Aggregation mehrerer Einzelanlagen (Photovoltaik). © EWL/LEF
  • Die Skalierung zeigt die Photovoltaik-Einspeisung mit Hilfe eines Clear-Sky-Modells. © EWL/LEF
  • Die Analyse stellt den stündlichen Schwankungen der Windeinspeisung (Frequenzfilter durch Fourier-Transformation) dar. © EWL/LEF
  • Wert des Speicherinhaltes ist abhängig vom (stochastischen) Strompreis und dem Speicherfüllstand zu einem bestimmten Zeitpunkt und die daraus abgeleitete optimale Strategie (Laden, Entladen oder Füllstand halten) in Anlehnung an die stochastische Kontrolltheorie. © EWL/LEF

Energiespeicher in sechs Dimensionen bewerten

Die Modellierung der Stochastik erneuerbarer Energieeinspeisung im Hinblick auf zeitliche und räumliche Interdependenz-Strukturen wurde verbessert, indem die Windeinspeisung durch Fourier-Transformation in wöchentliche, halbtägige und stündliche Frequenzen aufgeteilt worden ist. Für die solare Einspeisung wurden Clear-Sky-Modelle herangezogen, die die Relation zur maximal möglichen Einstrahlung betrachten. Zwecks Bewertung von Energiespeichern sind zwei Algorithmen numerisch implementiert worden, die bereits eine Komplexität von fünf Dimensionen  umfassen: Preis, Inhalt, Speicherfahrweise, Zeit und Wertfunktion.

Derzeit werden die Ergebnisse zur Wind- und Solareinspeisung unter Berücksichtigung von Vergleichmäßigungseffekten zusammengeführt und die Algorithmen sollen noch um eine weitere Dimension erweitert werden, um das Charakteristikum der Zyklenfestigkeit bei Batteriespeichern abbilden zu können.

Mit Finanzmathematik und Stochastik ans Ziel

In diesem Projekt werden Methoden der Finanzmathematik und Stochastik mit energieökonomischen Ansätzen verknüpft, um damit innovative Ansätze zur Bewertung von Energiespeichern bereitzustellen. Bei den zu bewertenden Flexibilitätspotenzialen von Energiespeichern handelt es sich aus finanzmathematischer Sicht um Optionalitäten, die mit entsprechenden Verfahren der Optionsbewertung bewertet werden können. Im energiewirtschaftlichen Kontext ist dabei jedoch zu berücksichtigen, dass der Wert nicht nur in Abhängigkeit von einem gegebenen Preisprozess zu ermitteln ist, sondern dass energiewirtschaftliche Restriktionen, wie verfügbare Netz- oder Erzeugungskapazitäten, den Wert maßgeblich beeinflussen können. Dadurch entstehen Bewertungsprobleme mit speziellen Strukturen von Optionalitäten, die sich so in der Literatur nicht wiederfinden und neue Analysemethoden erfordern.

Methode zuverlässiger als deterministische Modelle

Das geplante Vorhaben ist eine systemische Studie zum Umbau des Energiesystems bei der explizit der Beitrag von Speichern zu zukünftigen Energiesystemen in den Mittelpunkt gerückt wird. Außerdem wird, im Gegensatz zu üblichen Systemstudien, dezidiert der stochastische Charakter der fluktuierenden Einspeisung von Wind- und Solarenergie berücksichtigt. Darüber hinaus werden stochastische Optimierungsverfahren zur Bestimmung der optimale Bewirtschaftung von Speichern entwickelt. Damit kann der mögliche Beitrag von Energiespeichern deutlich fundierter beleuchtet werden als auf der Basis von deterministischen Modellen, selbst wenn diese detailliert Jahresverläufe analysieren. Die Studie trägt somit eindeutig zum besseren Verständnis des systemischen Zusammenhangs zwischen Ausbau der Erneuerbaren Energien, Netzrestriktionen und Speichernutzung bei.

Wirtschaftlichkeit von Speichertechniken im Markt realistisch bewerten

Für die energieökonomische Forschung werden neue Möglichkeiten der Bewertung von Energiespeichern erschlossen. Diese liefern einen wichtigen Input für systemische Analysen zur Transformation des Energiesystems und stellen auch international innovative Beiträge zur interdisziplinären ingenieurswissenschaftlichen und ökonomischen Energieforschung dar. Die entwickelten Methoden sind auch für die Anwendung von erheblicher Bedeutung, da sie genutzt werden können, um die Wirtschaftlichkeit von Speichertechniken im Markt realistisch zu bewerten. Damit wird ein wichtiger Beitrag für fundierte Investitionsentscheidungen im Rahmen der Energiewende gelegt. Indem eine detaillierte Analyse der Wechselwirkungen von stochastischer Einspeisung, Energiespeicherung und Netzrestriktionen durchgeführt wird, wird auch für die Netzentwicklung ein bedeutsamer Input geliefert, der es ermöglicht, fundierter die Abwägung zwischen Netzerweiterung und anderen Methoden der Netz- und Systembewirtschaftung zu treffen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

9. November 2017
Netzgekoppelte PV/Batteriespeicher-Anlagen

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.