Die Elektrizitätssysteme benötigen immer mehr Flexibilität, um den zunehmenden Anteil an variabler erneuerbarer Elektrizität zu integrieren und einen kostspieligen Netzausbau zu vermeiden. Die Nachfrageseite - d. h. die Stromendverbraucher - wird der Schlüssel zur Bereitstellung einer relativ kostengünstigen Flexibilität sein. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, ist es entscheidend, über die technischen Aspekte hinauszugehen und insbesondere die sozialen und regulatorischen Herausforderungen anzugehen. Es müssen wirksame Ausgleichsmechanismen für die Bereitstellung von Flexibilität und Beschaffungsstrategien für verschiedene Dienstleistungen, insbesondere auf der Ebene des Verteilernetzes, geschaffen werden, wobei die Beteiligung kleiner Flexibilitätsanbieter ermöglicht werden muss.
Die Notwendigkeit von Flexibilität und warum die Nachfrageseite entscheidend ist
Beschleunigung des Einsatzes von variabler Wind- und Sonnenenergie und Elektrifizierung von Verkehr und Heizung erhöht die Herausforderung, sicherzustellen, dass das Angebot die Nachfrage befriedigen kann zu jeder Zeit. Zum Beispiel ist die Stromerzeugung aus Sonnenenergie in der Mittagszeit am höchsten, während Elektrofahrzeuge (EVs) den Stromverbrauch am Abend erhöhen können. Spitzennachfrage (Abbildung 1). Um Stromangebot und -nachfrage auszugleichen, ist ein zunehmendes Maß an Flexibilität erforderlich, was eine der wichtigsten Herausforderungen für den Übergang zu einem kohlenstofffreien Stromsystem darstellt. Flexibilität ist die Veränderung von Einspeisung oder Entnahme von Strom, die unterschiedliche Leistungen erbringen können. Beispiele für Flexibilitätsdienstleistungen sind Übertragungsnetzdienstleistungen, z. B., Aufrechterhaltung der NetzfrequenzVerteilernetzdienste, z. B., Spannungsregelung oder Engpassmanagementoder Dienstleistungen für Energieversorger, z.B., Einschränkung der Verfügbarkeit.
Abbildung 1: Die Herausforderung des Ausgleichs von Stromangebot und -nachfrage bei steigendem Anteil an variablen erneuerbaren Energien (links) und Elektrifizierung (rechts). Der Scheitelpunkt der Angebots- (links) und Nachfragekurve (rechts) ist um einige Stunden verschoben (kurzfristige Flexibilität). Daten für das Angebot von Smard.de; Daten für die Nachfrage (eigene Darstellung)
Diese Dienstleistungen können erbracht werden von vier Hauptquellen Abbildung 2 zeigt ihre relativen Kosten und den maximalen Anteil der variablen erneuerbaren Stromerzeugung. Künftige Elektrizitätssysteme erfordern wahrscheinlich einen Mix aus diesen Flexibilitätsquellen, da sie sich gegenseitig ergänzen können.
– Flexibilität auf der Nachfrageseite zeichnet sich durch seine relativ geringe Kosten und können die hochvariable erneuerbare Elektrizitätsversorgung, indem sie kurzfristige Flexibilität bieten. Zum Beispiel können E-Fahrzeuge ihre Aufladung verlagern zur Mittagszeit oder Einspeisestrom aus ihren Batterien zu Zeiten hoher Nachfrage durch den Einsatz von Vehicle-to-Grid (V2G). Niedrige Infrastrukturkosten (z. B. Digitalisierung der Netze, intelligente Zähler) führen zu einem Vorteil gegenüber anderen Flexibilitätsquellen, z. B. Speichertechnologien. Während Industrie seit Jahrzehnten an der nachfrageseitigen Flexibilität beteiligt ist, wird die zunehmende Verbreitung von EVs und Wärmepumpen führt zu einem hohen Flexibilitätspotenzial für Privat- und Gewerbekunden, das die Integration eines hohen Anteils an variablem Strom aus erneuerbaren Energien unterstützt.
- Die Flexibilität auf der Nachfrageseite wird zunehmend wertvoller, da flexible Erstellung nimmt als traditionelle Flexibilitätsquelle ab, da in einem System mit einem zunehmenden Anteil an erneuerbaren Energien weniger flexible Kraftwerke eingesetzt werden. Was die Kosten betrifft, so sind flexible Kraftwerke derzeit zu relativ niedrigen Kosten verfügbar, werden aber niedrigere Belastungsfaktoren in einem System mit einem hohen Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien, der erhöht die Kosten. Außerdem ist die Einschränkung der Wind- oder PV-Stromversorgung kostenintensiv und können die Emissionen erhöhen. Daher ist die flexible Erzeugung ein zunehmend wirtschaftlich und ökologisch unattraktiv Quelle der Flexibilität.
– Übertragungsnetze können Strom in verschiedene Gebiete transportieren und so Angebot und Nachfrage in verschiedenen Gebieten ausgleichen, auch zwischen Ländern mit Verbundnetzen. Die Nutzung der bestehenden Übertragungsnetze kann zwar verbessertDie Expansionskosten können hoch sein, wären aber dennoch viel niedriger als ein Überangebot an erneuerbaren Energien und Energiespeichern, um die gleichen Dekarbonisierungsziele zu erreichen. Bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien in benachbarten Gebieten kann es jedoch gleichzeitig zu Stromüberschüssen kommen, wodurch das Potenzial der Übertragungsnetze als Flexibilitätsquelle eingeschränkt wird.
- Die Speicherung kann zentralisiert erfolgen (z. B., Pumpspeicherkraftwerk) oder dezentraler (z. B. Batteriespeicher in Privathaushalten) Flexibilität. Die Batteriespeicherung im Netz wird zunehmend für den kurzfristigen Ausgleich genutzt. Obwohl die Speicherung wichtig sein wird, ist ihr Umfang und damit verbundene Kosten von der Nutzung anderer Flexibilitätsquellen abhängen, insbesondere von der nachfrageseitigen Flexibilität, die auch als verteilte Speicher dienen kann.
Abbildung 2: Flexibilitätsquellen in Elektrizitätssystemen. Die Flexibilität auf der Nachfrageseite ist mit relativ geringen Kosten verbunden und kann einen hohen Anteil an variabler Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ermöglichen. Die relative Reihenfolge ist nur konzeptionell und die tatsächlichen Kosten und die Verfügbarkeit können davon abweichen. Angepasst von NREL und IEA.
Insgesamt zeigt die Nachfrageseite ein hohes Potenzial für die Bereitstellung kurzfristiger Flexibilität zu niedrigen Kosten für Systeme mit einem hohen Anteil an variabler Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und übertrifft damit mehrere andere Flexibilitätsquellen. Warum also wird die nachfrageseitige Flexibilität über Pilotprojekte hinaus noch nicht in großem Umfang eingesetzt?
Herausforderungen für die nachfrageseitige Flexibilität und Schritte nach vorn
Bei der Förderung der nachfrageseitigen Flexibilität von Haushalten gibt es zwei große Herausforderungen: soziale und regulatorische. Beide können jedoch mit gezielten Maßnahmen überwunden werden:
- Soziale Herausforderung: Flexibilität auf der Nachfrageseite hängt vom Nutzerverhalten abdie nicht vollständig kontrolliert werden können. Da die Reaktion auf Preissignale unsicher ist, weil die Nutzer ihr Verhalten nicht ändern aufgrund einer wahrgenommenen UnannehmlichkeitenGewohnheiten oder persönlichen Vorlieben halten die Netzbetreiber die nachfrageseitige Flexibilität für unzuverlässig. Wären Sie bereit, Ihr Elektrofahrzeug laden und entladen zu lassen, wenn Sie es nicht brauchen? Zur gleichen Zeit, Justizbelange entstehen, da einkommensschwache Haushalte von der Flexibilitätsregelung und den damit verbundenen finanziellen Vorteilen ausgeschlossen sein können.
Tritt vor: Pilotprojekte haben gezeigt, dass Ausgleich ist wichtig für eine breite Beteiligung an der nachfrageseitigen Flexibilität. Daher sollten geeignete Preissignale entwickelt werden, die einfach genug um ihre Einführung zu unterstützen und dabei Kompromisse zwischen Flexibilitätsdiensten auf den Ebenen der Übertragung, Verteilung und Erzeugung zu berücksichtigen. Aufgrund der unterschiedlichen Nutzer und Verhaltensweisen gibt es ist vielleicht keine Einheitslösung Anreize für nachfrageseitige Flexibilität zu schaffen und einkommensschwache Gruppen zu berücksichtigen, ist von entscheidender Bedeutung. Experimentieren mit Opt-in (die Nutzer müssen sich für die Teilnahme entscheiden) und Opt-Out-Konzepten (die Nutzer müssen sich gegen die Teilnahme entscheiden) könnten weitere Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie die Wahlmöglichkeiten der Nutzer bei gleichzeitiger Maximierung der nachfrageseitigen Flexibilität maximiert werden können. Die Zuverlässigkeit der nachfrageseitigen Flexibilität zu erhöhen, Portfolios verschiedener Technologien (z. B. E-Fahrzeuge und Wärmepumpen) und unterschiedlicher Nutzertypen (z. B. verschiedene soziodemografische Gruppen, gewerbliche und private Nutzer) können die Schwankungen bei der Bereitstellung von Flexibilität durch verschiedene Nutzer ausgleichen. - Regulatorische Herausforderung: Selbst wenn die Nutzer bereit wären, sich in großem Umfang an der nachfrageseitigen Flexibilität zu beteiligen, müssen rechtliche Hindernisse beseitigt werden, um die Beteiligung der Nachfrageseite zu ermöglichen. Zwei Haupthindernisse sind die eingeschränkte Beteiligung kleiner Anbieter und die Entwicklung von Beschaffungsstrategien für verschiedene Flexibilitätsdienste. Kleine Anbieter sind möglicherweise nicht in der Lage, die Anforderungen des Flexibilitätsmarktes zu erfüllen, wie z. B. die Bereitstellung einer bestimmten Energiemenge für eine bestimmte Dauer, z. B. 1 MW für 4 Stunden. Während die Beschaffung von Flexibilität auf der Übertragungsebene seit langem etabliert ist, ist sie unklar wie Flexibilität auf der Vertriebsebene erreicht werden kann.
Tritt vor: Um die Teilnahme kleiner Anbieter zu ermöglichen, können Aggregatoren mehrere kleine Flexibilitätsanbieter zusammenschließen, um gemeinsam an den Märkten teilzunehmen. Einige Länder haben die Laufzeiten bereits verkürzt, z. B. auf 4 Stunden auf dem Markt für Frequenzbeschränkungen in Dänemark und Deutschland. Wo die Märkte noch nicht etabliert sind, werden derzeit verschiedene Optionen in PilotprojekteMärkte, zeitvariable Strompreise, Auktionen oder Ausschreibungen, z. B. die Flexibilitätsplattform piclo. Start hinter dem Zähler z. B. durch die Optimierung des Aufladens von Elektrofahrzeugen mit PV-Dachanlagen, können die Netzschnittstelle umgehen und gleichzeitig Lösungen für andere Flexibilitätsdienste entwickeln.
Die Flexibilität auf der Nachfrageseite hat das Potenzial, eine wirksame und kostengünstige Möglichkeit zur Integration variabler erneuerbarer Energien und zur Vermeidung von Netzausbaubedarf zu sein. Um das Potenzial zu nutzen, muss der Schwerpunkt jedoch über die technischen Komponenten hinausgehen, um die starke Abhängigkeit von sozialen Aspekten zu erkennen und regulatorische Hindernisse zu beseitigen. Entscheidende nächste Schritte sind daher die Entwicklung wirksamer Ausgleichsmechanismen für verschiedene Flexibilitätsdienste und unterschiedliche Nutzer sowie die Festlegung von Beschaffungsstrategien für die Flexibilität kleiner Anbieter, insbesondere auf der Verteilungsebene.
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Eine einfache marktbasierte Lösung sind zeitlich variierende Strompreise für alle Verbraucher. Denn über einen Anpassungszeitraum werden die Nutzer alle anderen hier genannten Maßnahmen selbst durchführen, wie z.B. das Laden von Fahrzeugen zur Mittagszeit (bei niedrigen Strompreisen). Über einen längeren Zeitraum hinweg wird es sogar Kühlschränke oder Wärmepumpen geben, die nur in Zeiten niedriger Strompreise aktiv sind.
Aber es muss auch Anreize für Fernleitungen geben, da die Übertragung über große Entfernungen billiger ist als die Speicherung von Strom in Form von Wasserstoff. Die Fernübertragung ist hilfreich, wenn die Windenergie dominiert (und das wird sie in Nordeuropa), da effiziente Windparks an wenigen Orten stehen, z.B. an der Atlantikküste oder in Nordskandinavien. Das Problem dabei ist: Wer bezahlt den Bau solcher Übertragungsleitungen und wer kann die regulatorischen und rechtlichen Hürden für solche Übertragungsleitungen beseitigen oder überwinden.