Nachhaltiges Energiemanagement und Mobilität

Um den Herausforderungen der Energiewende gerecht zu werden, muss das Strommarktdesign entsprechende Entwicklungen zielgerichtet unterstützten. Der Forschungsbereich »Nachhaltiges Energiemanagement und Mobilität« analysiert deshalb energiepolitische Anreize und Stellschrauben im Rahmen des Marktdesigns bzw. der zugrundeliegenden Energiepolitik, um Zusammenhänge zu identifizieren und zielgerichtete Handlungsempfehlungen abzuleiten.

Unsere Expertise in diesem Bereich liegt in der Entwicklung von Geschäftsmodellen unter Berücksichtigung volatiler Einspeiseprofile von erneuerbaren Energien (v.a. Wind und Solar). Betreiber von Energieerzeugungsanlagen stehen heute vor allem vor der Herausforderung, im Spannungsfeld zwischen starker Regulatorik (z.B. EEG-Förderung) und neuen Marktsituationen (z.B. negative Strompreise) wirtschaftlich sinnvoll zu agieren. Vor diesem Hintergrund entwickelt der Forschungsbereich »Nachhaltiges Energiemanagement und Mobilität« unter anderem innovative Lösungen zum wirtschaftlichen Betrieb (inkl. Wartung) von Energieerzeugungsanlagen sowie neuartige und digitale Geschäftsmodelle, die den Betrieb von Anlagen auch unter herausfordernden Rahmenbedingungen wirtschaftlich machen können.

Durch die Energiewende wird insbesondere die Stromnetzinfrastruktur vor besondere Herausforderungen gestellt. Der ursprüngliche Weg der Stromübertragung von wenigen zentralen Großkraftwerken als Stromerzeuger hin zu den Abnehmern mit standardisierten Verbrauchsprofilen wird durch die dynamische Interaktion vieler dezentraler Einheiten als Stromerzeuger und Stromverbraucher abgelöst. Durch das Konzept des Smart Grids wird die Steuerung der Stromflüsse zukünftig zielgerichteter (digital) gesteuert, sowie die notwenigen Flexibilitäten wie Batterien in das Stromsystem eingebunden. Daneben bietet die Option der Sektorenkopplung die Möglichkeit der Nutzung weiterer Infrastrukturen, wie dem Gasnetz oder auch Kommunikationsnetzwerke, um etwaige Stromüberschüsse zu transportieren oder zu speichern. In diesem Themenfeld untersuchen wir unter anderem Tarifsysteme zur Steuerung der Nachfrage oder das Potenzial für Lastverschiebungen über Kommunikationsnetze und Rechenzentren. Auf einer übergeordneten Ebene werden zudem Fragen untersucht, inwieweit das Stromnetz durch eine Neugestaltung der Strommärkte besser ausgelastet werden kann.

Seit der Liberalisierung des Strommarktes in Deutschland wurde der Stromhandel kontinuierlich weiterentwickelt. Inzwischen findet der Stromhandel bis zu fünf Minuten vor Lieferung an mehreren Strombörsen statt, die einen stetig steigenden Anteil des Stromhandelsvolumen abwickeln. Auch hier ergeben sich durch die Energiewende weiterhin Herausforderungen, da die Stromeinspeisung immer dynamischer wird und dies auch im Handel abgebildet werden muss, damit die Systemstabilität nicht gefährdet wird. Um diese Herausforderungen zu adressieren, bedarf es einer Weiterentwicklung des Stromhandels in verschiedenen Bereichen: Wir decken dabei eine große Bandbreite von allgemeinen Fragen der Gestaltung von Strommärkten, über die Gestaltung von Produkten bis hin zur Untersuchung konkreter Handelsstrategien für flexible Stromverbraucher ab.

Im Haushaltssektor beschäftigen wir uns insbesondere mit den Dimensionen Strom, Wärme und Verkehr. In der Dimension Strom untersuchen wir z.B., wie Haushalte mithilfe von intelligenten Stromzählern, sog. Smart Metern, und zeitvariablen Stromtarifen ihre Stromkosten durch eine Verschiebung ihres Stromverbrauchs dauerhaft senken können. In der Dimension Wärme prognostizieren wir mittels datengetriebener Methoden und anhand von Gebäudecharakteristika den Wärme-Energieverbrauch von Haushalten, um Unsicherheiten abzubauen und somit die Hemmschwelle für Energieeffizienzmaßnahmen zu senken. In der Dimension Verkehr untersuchen wir Smart Charging-Ansätze, um die Ladung von Elektroautos zu Hause z.B. nach dem verfügbaren Stromangebot bzw. nach den Strompreisen zu steuern. Im Kontext der Sektorenkopplung erforschen wir ganzheitlich die Schnittstelle zwischen den drei Dimensionen, indem wir nicht nur die Potenziale für einzelne Häuser/Wohneinheiten beleuchten, sondern sogenannte Quartiere integriert betrachten. Dadurch lassen sich Konzepte und Geschäftsmodelle entwickeln, die Sanierungsmaßnahmen, effiziente und flexible Strom- und Wärmeversorgung, sowie neue Mobilitätskonzepte berücksichtigen.

Die Energiewende stellt vor allem Industrieunternehmen vor entscheidende Herausforderungen, da steigende Stromkosten in den letzten Jahren die Wettbewerbsfähigkeit vieler Unternehmen beeinträchtigen. Allerdings nutzen bislang nur wenige Unternehmen die Chancen, die durch die Energiewende für Unternehmen entstehen können. Für das Stromsystem kann der Industriesektor aufgrund seiner Stromintensität über eine Flexibilisierung der Nachfrage einen entscheidenden Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. Für Unternehmen selbst ist die Flexibilisierung gleichzeitig ökonomisch vorteilhaft: Stromkosten (inkl. Netzentgelte) können erheblich gesenkt werden. Wir können dabei mit unserer Expertise zur Flexibilisierung des Strombedarfs mithilfe von Informationstechnik- und Kommunikationstechnik unter Berücksichtigung der relevanten technischen wie auch ökonomischen Rahmenbedingungen die Zukunft mitgestalten. Auf der Basis von mehrjähriger Arbeit können wir auf einen enormen Erfahrungsschatz und Expertenwissen zurückgreifen: von der Analyse vorhandener Flexibilitätspotenziale, die Bestimmung der Wirtschaftlichkeit dieser Potenziale, den Aufbau der notwendigen IT-Infrastruktur und Optimierungen zur Erschließung bis hin zur Entwicklung von neuen Geschäftsmodellen.

Elektromobilität kann einen großen Beitrag zum Erreichen der Energiewende und damit auch zur Reduktion von CO2 Emissionen leisten. Die Elektrifizierung des Verkehrs und insbesondere das damit verbundene Laden von Elektroautos birgt großes Potenzial, bringt jedoch auch neue technische und wirtschaftliche Herausforderungen mit sich. Auf der einen Seite ermöglicht es eine Vielzahl an neuen Geschäftsmodellen, auf der anderen Seite ist das Problem die Wirtschaftlichkeit von Ladeinfrastruktur in der Markthochlaufphase zu gewährleisten. Profitabilitätsanalysen unter Anwendung von Ladeprognosen sind dabei unsere Kernansätze. Insbesondere zu Peak Zeiten wird durch viele, gleichzeitige Ladevorgänge das Stromnetz enorm belastet. Hierfür entwickeln wir Smart Charging Ansätze, durch die das Laden intelligent gesteuert wird und die dabei helfen, Lastspitzen zu glätten und die Ladeleistung auf die ladenden Autos zu verteilen.

Um zukünftig das Stromangebot aus erneuerbaren Energien mit der inelastischen Stromnachfrage vereinen zu können, ist eine große Mengen an Nachfrage- und Erzeugungsflexibilität nötig. Stromspeicher können hier ein Lösungsbaustein sein, da sie flexibel dimensionierbar sind, viel Energie in kurzer Zeit laden bzw. entladen können und über längere Zeiträume große Mengen Energie zur Verfügung stellen können. Um die erforderliche Menge an Stromspeichern zu erreichen, ist noch ein deutlicher Ausbau nötig, welcher aufgrund der aktuellen Wirtschaftlichkeit von Speicherprojekten nur geringfügig durchgeführt wird. Für die integrierte ökonomische Optimierung des Speicherbetriebs ist unter anderem die Modellierung des Stromnetzes und die Berücksichtigung der technischen Restriktionen relevant. Die Wirtschaftsinformatik hilft hier, indem sie die marktliche Betrachtung mit den technologischen Aspekten kombiniert betrachtet, und trägt dadurch zur Energieforschung entscheidend bei.

Der Gebäudebestand in Deutschland macht aktuell ca. 35 Prozent des Endenergieverbrauchs und ca. 30 Prozent der CO2-Emissionen aus. Aus diesem Grund wird im Haushaltssektor bereits an unterschiedlichen Stellschrauben geforscht und gedreht. Allerdings ist jede Technologie und jeder Fortschritt nur dann erfolgreich, wenn die Bewohner*innen und Anwender*innen miteinbezogen werden. Damit ist das Einbinden und Aktivieren jener Personengruppen zwingend erforderlich, um das erwünschte Verhalten anzustoßen und die Energiewende voranzutreiben. Im Bereich Nachhaltiges Energiemanagement und Mobilität untersuchen wir daher aktuell die Akzeptanz von Bewohner*innen hinsichtlich neuer Technologien und Services im Haushaltssektor, um Bedürfnisse der Bewohner*innen bei der Entwicklung von Geschäftsmodellen zu berücksichtigen und Erkenntnisse für andere Forschungsbereiche ableiten zu können.