Multifunktionaler Einsatz von Energiespeichern in engpassbehafteten Verteilungsnetzen

In Deutschland findet ein Großteil des Ausbaus erneuerbarer Energien auf Verteilungsnetzebene statt. Da Investitionen in die Anpassung der Infrastruktur nicht mit dem dynamischen Wachstum erneuerbarer Erzeugungsanlagen Schritt halten konnten, stehen Verteilnetzbetreiber bereits heute vor großen Herausforderungen bei der Netzintegration erneuerbarer Energien. Vor dem Hintergrund der europäischen und nationalen Klimaziele ist eine weiter steigende Durchdringung dezentraler Erzeugungsanlagen auf Verteilungsnetzebene zu erwarten. Weiterhin werden die Anforderungen an die Flexibilität des Elektrizitätssystems zur Sicherstellung eines systemweiten Ausgleichs von Angebot und Nachfrage steigen. Zur Erhaltung der Frequenzstabilität wird von den Übertragungsnetzbetreibern dabei Regelleistung auktionsbasiert als Systemdienstleistung kontrahiert. Energiespeicher haben das Potential als ein Teil der Lösung für die Netzintegration und die Bereitstellung von Flexibilität auf Gesamtsystemebene, insbesondere von Regelleistung, zu fungieren. Ein wirtschaftlicher Einsatz ist trotz technologischem Entwicklungs- und Kostensenkungspotential aufgrund hoher Investitionskosten meist nur über die Nutzung mehrerer erlösgenerierender Speicherapplikationen möglich. Diese multifunktionale Nutzung ist zudem von der Gestaltung regulatorischer Rahmenbedingungen abhängig. Die Betrachtung von multifunktionalem Speichereinsatz erfordert deswegen neben einer realitätsnahen Modellierung technischer Randbedingungen und Markteigenschaften auch die Analyse und Diskussion des zukünftigen regulatorischen Rahmens, in dem Energiespeicher eingesetzt werden könnten. Das Hauptziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens für die technische und ökonomische Bewertung eines multifunktionalen Einsatzes von Energiespeichern für lokale Applikationen in der Verteilungsnetzebene bei simultaner Teilnahme am Elektrizitätsmarkt. Auf Basis einer technischen Analyse der Anforderungen von Verteilungsnetzen und der Eigenschaften von Speichertechnologien sowie einer energiewirtschaftlichen Analyse heutiger Märkte wird ein methodisches Vorgehen für die Untersuchung in einer beliebigen engpassbehafteten Netzregion abgeleitet. Ein besonderer Fokus wird dabei aufgrund des signifikanten Erlöspotentials und des für Speicher herausfordernden Marktdesigns auf die Partizipation in Regelleistungsmärkten gesetzt. Zunächst wird zur geeigneten Speicherauslegung in einer beliebigen Netzregion in einer Einsatzpotentialanalyse der Bedarf an Speicherdienstleistungen ermittelt. Dies dient als Input für die Erstellung und Allokation eines Speicherportfolios. Im Rahmen der Portfolioerstellung wird auf einen genetischen Algorithmus zurückgegriffen, der es ermöglicht, Portfolien verschiedener Speichertechnologien zu generieren und die Komposition je nach Anforderungen in der Region unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kriterien festzulegen. Der anschließende Einsatz der netzintegrierten Speicher als Hauptverfahrensbestandteil wird mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung und einer modellendogenen Betrachtung des Netzes durchgeführt. Dabei kann der Einsatz sowohl multifunktional als auch fokussiert auf einzelne Applikationen erfolgen. Der Kapitalwert aus einer rein marktorientierten Optimierung dient im Rahmen der Auswertung als Benchmark für die ökonomische Attraktivität lokaler Applikationen. Aus der erstmaligen detaillierten quantitativen Bewertung von applikationsübergreifenden Anwendungsmöglichkeiten von Energiespeichern lassen sich nicht nur Erkenntnisse für Speicherbetreiber und potentielle Investoren im Energiesektor ableiten, sondern auch für Endverbraucher, Verteilungsnetzbetreiber und Regulatoren. Es wird gezeigt, dass ein Speichereinsatz für lokale Applikationen im Rahmen einer multifunktionalen Betriebsweise unter bestimmten Bedingungen schon heute höhere Kapitalwerte erzielen kann als bei rein marktorientierter Fahrweise. Eine vollständige Vermeidung aller Netzengpässe durch Speicher erfordert jedoch eine überproportional hohe Speicherportfoliodimensionierung, die zu einer unwirtschaftlichen Investitionshöhe führt.