The economic value of load flexibility and its viability as a substitute for grid expansion

Das Stromnetz ist das unsichtbare Nervensystem des modernen Lebens, ein riesiges Netzwerk aus Leitungen und Transformatoren, das Energie von dort, wo sie erzeugt wird, dorthin liefert, wo sie benötigt wird. Jahrzehntelang war dieses System darauf ausgelegt, einen vorhersehbaren Rhythmus zu bewältigen: Menschen wachen auf, schalten Lichter und Geräte ein, und die Nachfrage erreicht am Abend Spitzenwerte, bevor sie in der Nacht wieder abflacht. Um das Licht am Leuchten zu halten, bauten Ingenieure das Netz mit zusätzlicher Kapazität, um sicherzustellen, dass es die geschäftigsten Momente des Jahres bewältigen kann, ohne auszufallen. Doch die Welt verändert sich. Während sich die Gesellschaft in Richtung Elektrofahrzeuge, Wärmepumpen und Solaranlagen auf Hausdächern bewegt, wird der Rhythmus der Stromnutzung chaotisch. Elektroautos ziehen enorme Mengen an Strom, wenn sie eingesteckt werden, oft gleichzeitig mit den Nachbarn, während Solaranlagen das Netz plötzlich mit mehr Energie überfluten können, als die lokale Nachbarschaft gebrauchen kann. Diese Verschiebungen erzeugen neue, scharfe Spitzen in der Nachfrage und unerwartete Anstiege in die entgegengesetzte Richtung, was die Gefahr einer Überlastung der lokalen Ausrüstung birgt. Die traditionelle Lösung besteht darin, größere, stärkere Kabel und Transformatoren zu bauen, aber dies ist unglaublich teuer und erfordert das Aufreißen von Straßen und die Installation neuer Infrastruktur überall.

Diese steigenden Kosten für den Netzausbau haben die Suche nach einem anderen Ansatz angestoßen: Flexibilität. Könnten wir, anstatt mehr Hardware zu bauen, die Menschen einfach bitten, ihren Strom etwas zu anderen Zeiten zu nutzen? Wenn ein Hausbesitzer das Laden seines Autos um eine Stunde verzögern könnte oder wenn eine Fabrik während eines Spitzenwertes eine Maschine pausieren könnte, würde die Belastung des Netzes nachlassen. Diese Idee ist als Lastflexibilität bekannt. Die zentrale Frage für politische Entscheidungsträger und Ökonomen ist nicht nur, ob Flexibilität funktioniert, sondern wie viel sie wert ist. Wenn die Regierung die Menschen bezahlen möchte, ihren Verbrauch zu verschieben, wie viel sollte sie zahlen? Wenn die Zahlung zu hoch ist, ist es günstiger, einfach ein neues Kabel zu bauen. Wenn sie zu niedrig ist, wird sich niemand die Mühe machen, seine Gewohnheiten zu ändern. Das Finden des exakten Kipppunkts, an dem die Bezahlung von Menschen für das Verschieben ihrer Last eine bessere Investition ist als der physische Netzausbau, ist ein komplexes Rätsel, das weitgehend ungelöst geblieben ist.

Ein Forschungsteam der Johannes Kepler Universität Linz in Österreich hat dieses Rätsel gelöst, indem es einen neuen Weg entwickelt hat, den wahren wirtschaftlichen Wert der Flexibilität zu berechnen. Anstatt darauf zu schauen, wie viel Energie insgesamt verschoben wird, konzentrierten sie sich auf die spezifischen Momente, in denen das Netz am stärksten belastet ist. Ihr Ansatz beginnt mit einer einfachen, aber kraftvollen Erkenntnis: Das Netz ist gebaut, um seine schlimmsten Momente zu überleben, nicht seine durchschnittlichen. Selbst wenn eine Nachbarschaft im Laufe eines Jahres viel Strom verbraucht, muss das Netz nur dann verstärkt werden, wenn einige spezifische Stunden extremer Nachfrage drohen, es zu beschädigen. Die Forscher entwickelten ein Framework, das zukünftige Szenarien simuliert, in denen die Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Solaranlagen drastisch zunimmt. Sie stellten dann eine kritische Frage: Wenn wir perfekt vorhersagen könnten, wann diese gefährlichen Spitzen auftreten würden, und wenn wir die Menschen perfekt davon überzeugen könnten, ihren Verbrauch in diesen Zeiten zu verschieben, wie viel Geld würden wir sparen, indem wir den Bau neuer Netzkapazitäten vermeiden?

Um dies zu beantworten, nutzte das Team Realdaten von über 1.200 Haushalten in Oberösterreich, die ihren Stromverbrauch alle fünfzehn Minuten aufzeichneten. Sie bauten Computermodelle, um zu projizieren, wie diese Nachbarschaft in der Zukunft unter verschiedenen Szenarien der Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Solaranlagen aussehen würde. Dann führten sie ein Prognoseelement ein, in der Anerkennung, dass wir die Zukunft in der realen Welt nicht mit perfekter Genauigkeit vorhersagen können. Das Modell musste raten, wann eine Spitze auftreten würde, und manchmal lag es falsch. Die Forsntcher verfolgten zwei Arten von Fehlern: das komplette Übersehen einer Spitze, was bedeutet, dass das Netz dennoch überlastet wird, und das Vorhersagen einer Spitze, die nie eintritt, was bedeutet, dass Menschen bezahlt werden, um ihre Last zu verschieben, ohne dass ein Grund vorliegt. Durch das Durchführen dieser Simulationen konnten sie genau berechnen, wie viel Netzkapazität vermieden werden konnte, und diese Ersparnis in ein maximales Budget für die Bezahlung flexibler Konsumenten umrechnen.

Die Ergebnisse ihrer Simulationen zeichnen ein ernüchterndes, aber klares Bild. Die Forscher fanden heraus, dass der wirtschaftliche Wert der Flexibilität überraschend gering ist, wenn man ihn durch die Linse der Netzausbaukosten betrachtet. Selbst in einem Szenario, in dem das Prognosesystem perfekt ist und jede einzelne Spitzenereignis im Voraus vorhersagt, liegt der maximale Betrag, der gerechtfertigt werden könnte, um eine Kilowattleistung zum Verschieben zu bezahlen, bei nur etwa drei Cent. In realistischeren Szenarien, in denen die Prognose nicht perfekt ist und einige Spitzen übersehen werden, sinkt die gerechtfertigte Zahlung auf weniger als einen Cent pro verschobener Kilowattstunde. Dies deutet darauf hin, dass Flexibilität zwar ein nützliches Werkzeug ist, aber kein magisches Mittel, das die Notwendigkeit von Netzinvestitionen vollständig ersetzen kann. Die Forscher argumenten, dass das Netz dennoch so gebaut werden muss, dass es die wenigen Momente bewältigt, die die Flexibilität verpasst, weslich die Gesamtersparnis begrenzt ist. Folglich ist auch das Budget, das zur Bezahlung der Menschen für ihre Flexibilität zur Verfügung steht, begrenzt.

Die Studie stellt explizit die Idee in Frage, dass Flexibilität basierend auf dem Gesamtvolumen der verschobenen Energie bewertet werden kann. In der Vergangenheit könnten einige Analysen untersucht haben, wie viele Kilowattstunden von Spitzenzeiten in Nebenzeiten verschoben wurden, und davon ausgegangen haben, dass dies einen hohen Wert darstellt. Dieses Paper argumentiert, dass ein solcher Ansatz irreführend ist, weil das Netz sich nicht um die gesamte Energie kümmert; es kümmert sich um den maximalen Druck, dem es zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgesetzt ist. Wenn eine flexible Lastverschiebung es versäumt, diesen maximalen Druck zu reduzieren, hat sie dem Netzbetreiber kein Geld gespart, ungeachtet dessen, wie viel Energie verschoben wurde. Die Forscher betonen, dass die Unsicherheit der entscheidende Faktor ist. Jedes Mal, wenn eine Prognose eine Spitze nicht vorhersagt, muss der Netzbetreiber dennoch die physische Kapazität installieren, um diese zu bewältigen. Dieser „restliche“ Bedarf an Kapazität reduziert direkt den Betrag, der eingespart werden kann, und damit auch den Betrag, der als Anreiz ausgezahlt werden kann.

In ihrer Analyse des österreichischen Niederspannungsnetzes fanden die Forscher, dass prognosebasierte Flexibilität den Bedarf an neuer positiver Kapazität um zwischen 2,3 % und 19,6 % senken kann, je nachdem, wie aggressiv das System Spitzenereignisse adressiert. Diese Reduktion ging jedoch mit einem Preis einher: Die für die Anreize erforderlichen Zahlungen waren bescheiden. Unter realistischen Prognosebedingungen läge das jährliche Budget für Anreize bei etwa 5 bis 25 Euro pro Haushalt. Selbst unter dem idealen Szenario der perfekten Vorhersage, in dem jede Spitze erfasst und verschoben wird, würde der Anreiz pro Haushalt auf zwischen 34 und 131 Euro jährlich steigen. Obwohl diese Zahlen gering erscheinen mögen, merken die Forscher an, dass sie die absolute Obergrenze darstellen, die wirtschaftlich vertretbar ist. Wenn die tatsächlichen Kosten für die Bezahlung der Menschen für die Lastverschiebung diese Figuren übersteigen, ist es für die Gesellschaft effizienter, einfach die neue Netzinfrastruktur zu bauen.

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass Flexibilität mit derselben kapazitätsbasierten Logik bewertet werden sollte, die auch die Entscheidungen zum Netzausbau steuert. Es reicht nicht aus zu sagen, dass Flexibilität gut ist; es muss gezeigt werden, dass sie billiger als die Alternative ist. Die Studie zeigt, dass Flexibilität zwar eine Rolle in einem kosteneffizienten Energiewandel spielt, ihr Wert jedoch streng durch die physische Realität der Spitzenlasten des Netzes begrenzt ist. Die Forscher schlagen vor, dass für die Flexibilität, um ein tragfähiger Ersatz für den Netzausbau zu sein, die angebotenen Anreize mit diesen berechneten Grenzen übereinstimmen müssen. Wenn politische Entscheidungsträger Zahlungen anbieten, die zu hoch sind, verschwenden sie im Wesentlichen Geld, das für notwendige Infrastruktur hätte ausgegeben werden können. Wenn sie zu niedrig sind, scheitern sie möglicherweise daran, die notwendigen Verhaltensänderungen auszulösen, um das Netz zu glätten. Das vom Team aus Linz entwickelte Framework bietet einen transparenten Weg, um dieses Gleichgewicht zu finden und sicherzustellen, dass der Übergang zu einem sauberen Energiesystem finanziell nachhaltig bleibt.

Letztendlich verschiebt die Arbeit die Diskussion von der Frage, wie viel Energie wir bewegen können, hin zu der Frage, wie viel Stress wir aus dem System nehmen können. Sie verdeutlicht, dass die Zukunft des Netzes nicht durch eine einzige Technologie oder Politik gelöst wird, sondern durch eine sorgfältige Berechnung von Kosten und Risiken. Flexibilität ist ein wertvolles Werkzeug, aber sie ist kein Ersatz für die physischen Kabel und Transformatoren, die das Licht anhalten. Durch das Verständnis des präzisen wirtschaftlichen Wertes der Lastverschiebung können Regulierungsbehörden Anreizprogramme gestalten, die sowohl effektiv als auch erschwinglich sind, um sicherzustellen, dass das Netz die Anforderungen einer dekarbonisierten Zukunft bewältigen kann, ohne das Budget zu sprengen. Die Ergebnisse dienen als Erinnerung daran, dass in der komplexen Welt der Energiesysteme die effizienteste Lösung oft diejenige ist, welche die physischen Grenzen der Infrastruktur respektiert und gleichzeitig das menschliche Verhalten optimal nutzt.