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Intelligente Marktplätze unterstützen intelligente Netze

Energiewende als Treiber
Die Energiewende wird die Welt der Energieversorgung erheblich umgestalten: Der rasante Ausbau der Erneuerbaren Erzeugung stellt die Netze vor sehr große Aufgaben. Zum einen ist der großräumige Transport vom Erzeugungsschwerpunkt im Norden zu den Verbrauchsschwerpunkten im Ruhrgebiet und im Süden zu bewältigen. Zum anderen gilt es, die dezentrale Erzeugung in die Verteilnetze aufzunehmen und abzutransportieren. Beides zwingt zum Ausbau der Netze in erheblichem Umfang, wie die einschlägigen Gutachten unzweifelhaft belegen.

Transformation zu Smart Grids
Der Abtransport der dezentralen Erzeugung bedeutet für die Verteilnetze eine große Umstellung, denn bei starker Erzeugung kehrt sich der Lastfluss um und Energie wird in die vorgelagerten Netze geliefert. Damit wandelt sich die eher statische Energieverteilung vom vorgelagerten Netz zu den Verbrauchern, zu einem hochdynamischen Wechsel zwischen Verteilung an die Verbraucher und Abtransport überschüssiger Erzeugung. Um dennoch einen sicheren und stabilen Netzbetrieb zu ermöglichen, sind zwei Dinge erforderlich: Erstens muss die aktuelle Situation beobachtet und beurteilt werden können, was eine erhebliche Erweiterung der Messung und der anschließenden Verarbeitung und Darstellung erfordert. Zweitens muss der Netzbetreiber in kritischen Situationen eingreifen können und Erzeuger oder Verbraucher einzeln oder in Gruppen beeinflussen und zur Not auch abschalten können; dazu müssen die entsprechenden Steuermöglichkeiten geschaffen werden. Kurz gesagt: Die Verteilnetze müssen "intelligent" werden.

Zusammenspiel zwischen Netzbetreiber und Netznutzer
Der Netzbetreiber ist Monopolist und nimmt eine neutrale und eher dienende Rolle ein; er stellt die erforderliche Transportkapazität, also die Leistung, bereit; dabei werden hier unter dem Begriff Transport sowohl die Übertragung als auch die Verteilung zusammengefasst. Zum "Smart Grid" wird das Netz, wenn es intelligent ausgebaut und geführt wird; anders ausgedrückt soll die Intelligenz die für den Transport zur Verfügung stehende Kapazität maximieren. Dem gegenüber finden Kauf und Verkauf von Energie am "Smart Market" statt, an dem neben der Energie auch andere Produkte wie Flexibilitäten oder Dienstleistungen gehandelt werden.
Allerdings sind "Smart Grid" und "Smart Market" nicht völlig unabhängig voneinander. Die Erneuerbare Erzeugung wird u. a. wegen der Förderung weiter schnell zunehmen, der erforderliche Netzausbau nimmt aber Geld und Zeit in Anspruch. Deshalb werden die Netze in nicht zu vernachlässigendem Umfang an ihre Belastungsgrenze betrieben werden; diese Grenzen werden nur zu bestimmten Zeiten und nur in bestimmten Netzteilen erreicht, aber sie werden den Energietransport einschränken und je nach Situation die Erzeugung oder den Verbrauch oder beide beeinflussen. Damit sich Erzeuger und Verbraucher auf diese Engpasssituationen einstellen und z. B. durch eine zeitliche Verlagerung auch darauf reagieren können, sollten die Netzbetreiber entsprechende Engpasssignale in den Markt geben. So "steuert" er die Marktteilnehmer diskriminierungsfrei im Sinne der Engpassvermeidung und der möglichst "intelligenten" Nutzung der vorhandenen Transportkapazität.

Zusammenspiel ist situationsabhängig
Das Zusammenspiel zwischen Netzbetreibern und Netznutzern über Engpasssignale ist allerdings nur sinnvoll, wenn die Belastung hoch, aber nicht zu hoch ist. Bei einer Überschreitung der Transportkapazität ist es zwingend erforderlich, das Transportvolumen durch Eingriffe in das Erzeugungs- oder das Verbrauchsverhalten innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten. Damit ergibt sich ein situationsbezogenes Zusammenspiel der Player, das sich am besten in Form einer Ampel darstellen lässt:

  • grün: Die Netzsituation ist entspannt.
    Der Transport ist ohne Einschränkungen möglich, der Netzbetreiber muss nicht eingreifen.
  • gelb: Die Netzsituation ist kritisch, Abschaltungen drohen.
    Die im Netz auftretende Last oder Einspeisung ist nicht weit davon entfernt, bestimmte (kritische) Betriebsmittel bis an deren Grenzen zu belasten. Der Netzbetreiber reagiert hierauf und sendet Engpasssignale in den Markt, um mit freiwilligen Reaktionen der Netznutzer eine Entlastung zu erreichen.
  • rot: Grenzen sind verletzt, der Netzbetreiber muss eingreifen.
    Das Netz (oder Teile des Netzes) sind überlastet. Um den Betrieb aufrecht zu erhalten, muss der Netzbetreiber die Belastung reduzieren und steuernd eingreifen. In diesem Fall muss der Netzbetreiber sicher sein, dass seine Steuerbefehle die erwarteten Reaktionen zur Folge haben. Deshalb sollten diese Steuermöglichkeiten vertraglich fixiert sein.

Im Falle einer grünen oder einer roten Ampel ist die Aufgabenteilung eindeutig: Im grünen Fall brauchen die Netzbetreiber nicht einzugreifen während sie im roten Fall aus Gründen der Systemsicherheit die alleinige Hoheit haben.

Besonders interessant ist der gelbe Netzzustand. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass einige Netzbetriebsmittel hoch belastet sind und durch nicht vorhersehbare, kurzfristige Schwankungen bei Erzeugung oder Verbrauch die Belastungsgrenzen überschritten werden können, dass der Zustand also in rot übergehen kann. Das Ziel im gelben Zustand ist, vorausschauend die Reduktion der Belastung über freiwillige Maßnahmen zu erreichen, um den roten Zustand mit Sicherheit zu vermeiden. Dazu tritt er idealerweise auf elektronischem Wege in einen standardisierten Dialog mit Marktpartnern, die in der Lage sind, Erzeugung oder Verbrauch zeitlich zu verschieben. Das sind zum Beispiel Industriebetriebe, die ihren Energieverbrauch bei Netzüberlastung drosseln können. Oder auch Wärmepumpen, die bei drohender Überproduktion Strom abnehmen und die erzeugte Wärme speichern bzw. bei drohender Überlast den Verbrauch drosseln und auf die gespeicherte Wärme zurückgreifen können. Durch den zeitlichen Vorlauf sind Verbraucher und Erzeuger in der Lage, zu planen und zu entscheiden, ob eine Verlagerung möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Verlagerungsprodukte und dynamische Netznutzungsentgelte als Steuerungsmechanismen
Hier schließt sich die Frage an, welche Engpasssignale sich zur Steuerung eignen. Zum einen sind dynamische Preissignale als Steuerungsinstrument denkbar, die vom Netzbetreiber an die Netznutzer gesendet werden und die wie eine Gebühr wirken, die der Netzbetreiber erhebt. Droht zum Beispiel bei starker Windeinspeisung durch den Abtransport der Energie eine Überlastung zwischen der aufnehmenden Netzzone und der benachbarten weitergebenden Zone (siehe Bild 1), sendet der Netzbetreiber in der aufnehmenden Zone negative Preise an die Verbraucher und positive Preise an die Erzeuger. Damit sinken die Verbrauchskosten, während die Erzeugungskosten steigen, was zu einer entsprechenden Verringerung der zu transportierenden Energiemenge und damit zur Entlastung des Engpasses führen sollte. Fasst man die dynamischen Preissignale und die Netznutzungsentgelte zusammen, erhält man dynamische Netznutzungsentgelte. Sind aber die Preise zu hoch, wird die verfügbare Kapazität nicht vollständig genutzt. Sind sie zu niedrig, tritt die Engpasssituation trotzdem ein. Preise steuern nur indirekt und treffen das Ziel deshalb nicht immer genau. Darüber hinaus bedeutet ein steuernder Eingriff oft die Verlagerung des Verbrauchs oder der Erzeugung in die Zukunft. So wird z. B. ein aktueller Minderverbrauch einer Wärmepumpe in der Zukunft zu einem Mehrverbrauch führen. Die Preissteuerung gibt jedoch keine Auskunft darüber, wie weit in die Zukunft die Verlagerung erfolgt.

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Eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit besteht, wenn der Netzbetreiber bei Erzeugern und Verbrauchern Verlagerungsmöglichkeiten – die man auch als Systemdienstleistungen bezeichnen könnte – anfragen kann, um gezielt Erzeugungs- und Verbrauchsspitzen abzufahren bzw. abzubauen und in Zeiten zu verlagern, in denen noch Transportkapazität frei ist. Diese Verlagerungen sind beispielhaft im Bild 2 dargestellt. Der Netzbetreiber fragt Erzeugungs- und Verbrauchverlagerungen auf dem smarten Marktplatz nach und wartet auf entsprechende Antworten der Netznutzer. Kontrahiert ein Netznutzer eine solche Verlagerung muss er – genauer gesagt der entsprechende Bilanzkreisverantwortliche – den zugehörigen Bilanzkreis wieder ins Gleichgewicht bringen.

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Der große Vorteil solcher Verlagerungsprodukte ist, dass sie genau planbar sind. Der Netzbetreiber weiß genau, wie sich die Netznutzung verändert, und kann genauso viele Verlagerungen nachfragen, wie zur Entlastung des Engpasses notwendig sind. Und jeder Verbraucher und Erzeuger kann entscheiden, ob das Angebot passt, also zeitlich realisierbar und finanziell attraktiv ist. Umgekehrt können natürlich auch Verbraucher und Erzeuger Verlagerungen anbieten.

Beispiel für Verlagerungsprodukte und Verlagerungen
In dem im Bild 1 skizzierten Beispiel hat der Netzbetreiber das Netz so in Zonen unterteilt, dass innerhalb einer Zone der Energietransport immer uneingeschränkt möglich ist. So kann er mit den Netznutzern auf einfache Weise bezüglich der temporär auftretenden Engpässe kommunizieren. In den einzelnen Netzzonen sind die Lieferanten A und B tätig, die je Zone einen Subbilanzkreis führen, um jederzeit das Saldo des Subbilanzkreises und damit den Beitrag zum Transport über die potentielle Engpassstelle zu kennen.
In diesem Beispiel ist der Abtransport zwischen den Zonen 3 und 4 zur Mittagszeit des kommenden Tages aufgrund der hohen Photovoltaikeinspeisung in den Zonen 1, 2 und 3 nicht uneingeschränkt möglich. Wie im Bild 2 dargestellt, ist die Kapazitätsgrenze überschritten, am Engpass steht die Ampel auf rot. Um den Engpass zu umgehen, fragt der Netzbetreiber bei den Netznutzern Energieverlagerungen über den "Smart Market" an. Diese Verlagerungen zielen darauf ab, in den Zonen 1, 2 oder 3 Verbrauch in die Mittagszeit zu ziehen oder Erzeugung aus der Mittagszeit abzuziehen. Unterstellen wir, dass die Netznutzer auf die angefragten Verlagerungen eingehen, hat der Netzbetreiber sein Ziel erreicht, der Transport über die Engstelle konnte auf ein unkritisches Niveau abgesenkt werden, die Ampel steht wieder auf grün. Im skizzierten Beispiel erreichen die Erzeuger in der Zone 3 dies durch die Speicherung der Energie während die Verbraucher in der Zone 2 ihre Wärmepumpen nicht in der Mittagszeit sondern nachmittags betreiben.
Im Zusammenspiel der Netznutzer erscheint es sinnvoll, dass der Lieferant die Verlagerung für seine Kunden als Dienstleistung vereinbart, weil er dann unmittelbar die Auswirkungen auf seinen Bilanzkreis berücksichtigen kann. In jedem Fall müssen nach der Verlagerung die Bilanzkreise (nicht die Subbilanzkreise) der beiden Lieferanten A und B wieder ins Gleichgewicht gebracht werden, was nicht in den Zonen 1, 2 und 3 geschehen darf, weil sonst der Engpass erneut belastet würde.

Fazit: Smart Markets sind ein vielversprechender Lösungsansatz
Zusammenfassend wird deutlich, dass die "Smart Marktes" als intelligente dezentrale Marktplätze eine gute Lösung sein könnten, um Erzeugung und Verbrauch unter Beachtung der Netzengpässe optimal aufeinander abzustimmen. Dazu muss das smarte Marktdesign entsprechend ausgestaltet werden und auch der Ordnungsrahmen muss intelligent werden. Wie auch immer diese Weiterentwicklung des Ordnungsrahmens konkret ausgeprägt wird, es sind erhebliche Änderungen gegenüber dem heutigen erforderlich. Deshalb lösen sich die obigen Gedanken weitgehend vom heutigen Regelwerk.
SOPTIM bereitet sich darauf vor, die "Smart Markets" zu unterstützen, indem die Produkte um Komponenten ergänzt werden, mit denen einerseits solche Marktplätze betrieben werden können und die andererseits die Teilnahme an diesen Marktplätzen ermöglichen (siehe Bild 3). Dies umfasst die flexible Definition von Produkten und Preisbildungsmechanismen, elektronische Kommunikation zwischen Marktplatz und Marktteilnehmern, die Möglichkeit zur Automatisierung der Prozesse, damit auch Agenten am Marktplatz operieren können, und vieles mehr.

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