Erzeugungssicherheit und Wohlfahrt in gekoppelten Elektrizitätsmärkten

280 Pages·2017·2.51 MB·German

by  Philipp Ringler

Philipp Ringler
Erzeugungssicherheit und Wohlfahrt in
gekoppelten Elektrizitätsmärkten

Untersuchungen mithilfe eines agentenbasierten
Simulationsmodells für die Region Zentralwesteuropa
Erzeugungssicherheit und Wohlfahrt in gekoppelten
Elektrizitätsmärkten
Untersuchungen mithilfe eines agentenbasierten
Simulationsmodells für die Region Zentralwesteuropa

Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Wirtschaftswissenschaften

(Dr. rer. pol.)

von der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

genehmigte

DISSERTATION

von

Dipl.-Kfm. Philipp Ringler
______________________________________________________________

Tag der mündlichen Prüfung: 15.12.2016
Referent: Prof. Dr. Wolf Fichtner
Korreferent: Prof. Dr. Christof Weinhardt
Ein herzliches Vergelt’s Gott meinen Großeltern, deren
Bescheidenheit und Fleiß mir stets als Orientierung dienen.
Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Lehrstuhl für Energiewirtschaft / Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle
Produktion (IIP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Herrn Prof. Dr. Wolf Fichtner danke ich für die Betreuung der Arbeit, das entgegengebrachte
Vertrauen, die fachliche Förderung und die Schaffung einer konstruktiven Arbeitsatmosphäre
am Lehrstuhl. Bei Herrn Prof. Dr. Christof Weinhardt bedanke ich mich für die Übernahme
des Korreferats. Herzlicher Dank gebührt auch allen Kolleginnen und Kollegen des IIP für die
angenehme und anregende Zusammenarbeit. Mein besonderer Dank richtet sich an Andreas,
Axel, Dogan, Florian, Hans, Johannes, Joris, Manuel, Marian, Massimo, Robert, Rupert und
Ümit.

Besonders möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken. Sie haben die Grundsteine dafür
gelegt, dass ich diese Arbeit überhaupt erst habe anfertigen können. Schließlich gilt mein
innigster Dank meiner Frau Angelika, welche mich nicht nur auf den Gedanken einer
Promotion gebracht hat, sondern mich auch stets unterstützt und motiviert hat, die Arbeit
fortzuführen und abzuschließen.

München, Dezember 2016
Philipp Ringler
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................................ i
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. vi
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................... x
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................. xi
1 Einleitung .......................................................................................................................... 1
1.1 Ausgangslage und Problemstellung .................................................................... 1
1.2 Zielsetzung .......................................................................................................... 3
1.3 Aufbau der Arbeit ............................................................................................... 4
2 Struktur und Entwicklung der deutschen sowie europäischen Elektrizitätswirtschaft ..... 6
2.1 Organisation und Funktionsweise von Strommärkten ........................................ 6
2.1.1 Grundlegender Aufbau von Elektrizitätssystemen und Aufgaben des
Strommarktdesigns ........................................................................................ 6
2.1.2 Strommärkte auf nationaler Ebene............................................................... 12
2.1.2.1 Spotmarkt für elektrische Energie ...................................................... 14
2.1.2.2 Kapazitätsmechanismen ..................................................................... 18
2.1.3 Schaffung eines europäischen Strombinnenmarktes ................................... 20
2.2 Operationalisierung ausgewählter energiepolitischer Ziele ............................. 22
2.2.1 Erzeugungssicherheit ................................................................................... 23
2.2.1.1 Definition und Abgrenzung ................................................................ 23
2.2.1.2 Bewertungsansätze ............................................................................. 26
2.2.1.3 Umsetzung in der Praxis ..................................................................... 30
2.2.2 Wohlfahrt in Strommärkten ......................................................................... 32
2.2.2.1 Energy-only-Markt ............................................................................. 33
2.2.2.2 Kopplung von Energiemärkten........................................................... 38
2.2.2.3 Strategische Reserve ........................................................................... 41
2.3 Grenzüberschreitender Handel von Elektrizität ............................................... 44
2.3.1 Engpassmanagement in Elektrizitätssystemen ............................................ 44
2.3.2 Umsetzung in Europa ................................................................................... 49
2.3.2.1 Grundlegende Prinzipien .................................................................... 49
2.3.2.2 Überblick über wesentliche Entwicklungen ....................................... 50
2.3.2.3 Ausgestaltung des Day-Ahead Market Coupling ............................... 52
i
Inhaltsverzeichnis
2.4 Investitionen in konventionelle Kraftwerke ..................................................... 56
2.4.1 Eigenschaften von Kraftwerksinvestitionen ................................................ 56
2.4.2 Realoptionen in der strategischen Kraftwerksplanung ................................ 60
2.4.2.1 Definition und Implikationen ............................................................. 60
2.4.2.2 Regulatorischer Rahmen für Kraftwerksstilllegungen in
Deutschland ........................................................................................ 63
2.5 Überblick über den Stand der Forschung ......................................................... 66
2.5.1 Wechselwirkungen in einem europäischen Elektrizitätssystem .................. 66
2.5.2 Untersuchung von Kraftwerksstilllegungen ................................................ 70
2.6 Zusammenfassung ............................................................................................ 72
3 Modellierung von Elektrizitätssystemen und Kraftwerksinvestitionen .......................... 74
3.1 Anforderungen an die Untersuchungsmethode ................................................ 74
3.2 Modellgestützte Analyse von Elektrizitätssystemen ........................................ 77
3.2.1 Überblick über Energiesystemmodelle ........................................................ 77
3.2.2 Kopplung von optimierenden und simulierenden Modellansätzen ............. 79
3.2.3 Weitere Modellklassen................................................................................. 80
3.3 Einführung in die agentenbasierte Modellierung und Simulation als
Modellierungsrahmen ....................................................................................... 81
3.3.1 Definition des Untersuchungsobjektes ........................................................ 81
3.3.2 Zentrale Konzepte der Agent-based Computational Economics ................. 83
3.3.3 Elektrizitätssysteme als komplexe, adaptive Systeme ................................. 84
3.3.4 Agentenbasierte Modellierung und Simulation von
Elektrizitätssystemen ................................................................................... 84
3.4 Ansätze zur Modellierung von Kraftwerksinvestitionen .................................. 86
3.5 Zusammenfassung ............................................................................................ 91
4 Agentenbasierte Simulation von gekoppelten Strommärkten und
Kraftwerksinvestitionen .................................................................................................. 93
4.1 Weiterentwicklung eines agentenbasierten Strommarktsimulationsmodells ... 93
4.1.1 Modellgrundlage .......................................................................................... 93
4.1.2 Überblick über das weiterentwickelte Simulationsmodell .......................... 96
4.1.3 Definition zentraler Modellkonzepte ........................................................... 98
4.1.4 Informationstechnische Umsetzung ........................................................... 101
4.2 Abbildung der Spotmärkte für elektrische Energie einschließlich ihrer
Kopplung ........................................................................................................ 102
ii
Inhaltsverzeichnis
4.2.1 Übersicht über wesentliche Simulationsschritte ........................................ 102
4.2.2 Gebotserstellung durch Agenten ................................................................ 104
4.2.2.1 Allgemeines Vorgehen ..................................................................... 104
4.2.2.2 Kraftwerksbetreiber .......................................................................... 105
4.2.2.3 Andere Marktteilnehmer .................................................................. 108
4.2.3 NTC-basiertes Market Coupling ................................................................ 108
4.2.4 Schätzung der erwarteten Preiseffekte einer Marktkopplung .................... 111
4.3 Simulation der Investitionsplanung ................................................................ 114
4.3.1 Übersicht über wesentliche Simulationsschritte ........................................ 114
4.3.2 Umsetzung der langfristigen Strompreisprognose ..................................... 118
4.3.3 Optimierung der strategischen Kraftwerkszustände und -aktionen ........... 121
4.3.4 Auswahl der Investitionspläne ................................................................... 124
4.3.5 Berücksichtigung von Preiseffekten aufgrund geplanter Investitionen ..... 126
4.3.6 Weitere Modelleigenschaften .................................................................... 127
4.3.6.1 Investorensichtweise, Kapitalkosten und Finanzierung ................... 127
4.3.6.2 Stochastische Abbildung von Fundamentalfaktoren der
Strompreisbildung ............................................................................ 127
4.4 Implementierung einer strategischen Reserve ................................................ 129
4.4.1 Grundsätzliche Umsetzung ........................................................................ 129
4.4.2 Grenzüberschreitende Effekte .................................................................... 131
4.5 Messung von Erzeugungssicherheit ............................................................... 133
4.5.1 Implementierung der ausgewählten Indikatoren ........................................ 133
4.5.2 Ablauf der probabilistischen Bestimmung von Erzeugungssicherheit
(Monte-Carlo-Simulation) ......................................................................... 134
4.6 Simulation stochastischer Zeitreihen .............................................................. 136
4.6.1 Stromnachfrage .......................................................................................... 136
4.6.2 Stromeinspeisung aus Windkraftanlagen ................................................... 142
4.6.3 Stromeinspeisung aus PV-Anlagen............................................................ 144
4.6.4 Verfügbarkeit von konventionellen Erzeugungsanlagen ........................... 146
4.7 Zusammenfassung .......................................................................................... 150
5 Untersuchungsaufbau und Datenbasis .......................................................................... 151
5.1 Überblick über untersuchte Fallstudie und Szenarien .................................... 151
5.1.1 Festlegung des grundlegenden Rahmens ................................................... 151
iii
Inhaltsverzeichnis
5.1.2 Szenariendefinition .................................................................................... 152
5.2 Datenstrukturierung ........................................................................................ 153
5.3 Datenbasis der untersuchten Fallstudie .......................................................... 154
5.3.1 Ableitung einer Referenzentwicklung ....................................................... 155
5.3.2 Konventioneller Kraftwerkspark ............................................................... 155
5.3.3 Residualnachfrage ...................................................................................... 161
5.3.4 Grenzüberschreitende Übertragungskapazitäten ....................................... 164
5.3.5 Übersicht über Datenquellen und -umfang ................................................ 165
5.4 Zusammenfassung .......................................................................................... 167
6 Ausgewählte Ergebnisse zur Untersuchung des CWE Market Coupling bis 2030 ...... 168
6.1 Validierung und Verifikation des entwickelten Simulationsmodells ............. 168
6.1.1 Einführung in die Validierung und Verifikation von
Simulationsmodellen.................................................................................. 168
6.1.2 Bestehende Validierungen der Modellbasis............................................... 170
6.1.3 Validierung und Verifikation ausgewählter Modellkonzepte .................... 171
6.1.4 Modellvalidierung anhand historischer Daten ........................................... 173
6.2 Untersuchung von Wohlfahrtseffekten ........................................................... 183
6.2.1 Entwicklung der Gesamtwohlfahrt einschließlich ihrer Verteilung .......... 183
6.2.2 Auswirkungen eines Interkonnektorneubaus ............................................. 188
6.2.3 Diskussion der langfristigen Wohlfahrtswirkungen einer
Marktkopplung ........................................................................................... 191
6.3 Entwicklung von Erzeugungssicherheit ......................................................... 192
6.3.1 Veränderung des konventionellen Kraftwerksparks .................................. 192
6.3.2 Deterministische Untersuchungsergebnisse ............................................... 196
6.3.3 Stochastische Simulation für das Marktgebiet Deutschland ...................... 199
6.4 Grenzüberschreitende Effekte bei der Einführung einer strategischen
Reserve ........................................................................................................... 201
6.5 Zusammenfassung .......................................................................................... 204
7 Schlussfolgerungen und Ausblick ................................................................................ 205
7.1 Schlussfolgerungen aus der Modellentwicklung und -anwendung ................ 205
7.1.1 Schaffung eines europäischen Strommarktes ............................................ 205
7.1.2 Methodische Ansätze zur Modellierung von Strommärkten ..................... 209
7.2 Kritische Würdigung und Grenzen des eingesetzten Simulationsmodells ..... 211
iv
Inhaltsverzeichnis
7.2.1 Modellkonzept ........................................................................................... 211
7.2.2 Geographischer Untersuchungsrahmen ..................................................... 214
7.2.3 Eingangsdaten ............................................................................................ 215
7.3 Ausblick auf zukünftige Modellanwendungen und -erweiterungen ............... 216
7.3.1 Weitere Anwendungsgebiete des bestehenden Modellrahmens ................ 216
7.3.2 Erweiterungen des Simulationsmodells zur Untersuchung dezentraler
Elektrizitätssysteme ................................................................................... 217
7.3.3 Weiterentwicklungen des Modellkonzepts ................................................ 220
8 Zusammenfassung ........................................................................................................ 223
Anhang ................................................................................................................................... 226
A.1 Mikroökonomische Wohlfahrtseffekte in Strommärkten ............................... 226
A.2 Kraftwerksstilllegungsanzeigenliste der Bundesnetzagentur ......................... 227
A.3 Vereinfachte Schemata zum Jahresabschluss der
Kraftwerksbetreiberagenten ............................................................................ 229
Notation .................................................................................................................................. 231
Literaturverzeichnis ................................................................................................................ 237

v
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1 Abschätzung der durchschnittlichen Wirtschaftlichkeit
verschiedener konventioneller Kraftwerkstypen in Deutschland
(2007-2015) ............................................................................................... 2
Abbildung 2-1 Schema der physischen Bereitstellungskette von Elektrizität ................... 6
Abbildung 2-2 Chronologischer Ablauf der Strommärkte in Deutschland ..................... 13
Abbildung 2-3 Räumung des Spotmarktes für elektrische Energie ................................ 16
Abbildung 2-4 Markträumung in einer Knappheitssituation ........................................... 17
Abbildung 2-5 Prinzip der Leistungsbilanz ..................................................................... 28
Abbildung 2-6 Grundmodell eines isolierten EOM ........................................................ 35
Abbildung 2-7 EOM mit Preisobergrenze ....................................................................... 35
Abbildung 2-8 EOM bei einem Ausfallereignis .............................................................. 36
Abbildung 2-9 Abregelung der Einspeisung aus erneuerbaren Energien ........................ 37
Abbildung 2-10 Wohlfahrt bei fehlender Übertragungsleistung ....................................... 38
Abbildung 2-11 Wohlfahrt bei einem unendlich großen Interkonnektor .......................... 39
Abbildung 2-12 Wohlfahrt bei einem ausgelasteten Interkonnektor ................................. 40
Abbildung 2-13 Kurzfristiger Wohlfahrtseffekt einer strategischen Reserve ................... 43
Abbildung 2-14 Einteilung grundlegender Engpassmanagementmethoden...................... 47
Abbildung 2-15 Schematischer Ablauf des Market Coupling ........................................... 53
Abbildung 2-16 Strategische Realoptionen und Kraftwerkszustände (deterministisch) ... 63
Abbildung 3-1 Generischer Ablauf der ABMS ............................................................... 83
Abbildung 3-2 Klassifizierung von Ansätzen zur Modellierung von
Multiagentensystemen im Elektrizitätsbereich ....................................... 85
Abbildung 4-1 Schematischer Überblick über das entwickelte
Strommarktsimulationsmodell ................................................................ 97
Abbildung 4-2 Beziehungen zwischen den Modellkonzepten ........................................ 98
Abbildung 4-3 Beispielhafte Verteilung von Anfahrkosten auf Energiemarktgebote
für den Folgetag .................................................................................... 107
Abbildung 4-4 Vergleich einer mit dem RLS-Algorithmus geschätzten und einer
simulierten Zeitreihe des Preiseffekts einer Marktkopplung ................ 113
Abbildung 4-5 Schematische Übersicht über die Simulationsschritte der globalen
Investitionsplanung ............................................................................... 115
Abbildung 4-6 Schematische Übersicht über die Simulationsschritte der
individuellen Investitionsplanung ......................................................... 117
vi