Forschungsprojekte

Wir entwickeln Modelle und Lösungsverfahren, die es uns erlauben, strategische Angebotsentscheidungen von Unternehmen in Gasmärkten zu analysieren. Dies führt im Allgemeinen zu  Gleichgewichtsproblemen. Unser Fokus liegt dabei auf der Klasse der Multi-Leader-Follower-Games (MLFGs), bei denen eine Gruppe von Agenten in einem ersten Schritt (obere Ebene) Entscheidungen trifft, die die Entscheidungen einer anderen Gruppe von Agenten in einem zweiten Schritt (untere Ebene) vorwegnehmen. Unsere geplante Analyse in der dritten Phase ist durch die Beziehungen zwischen Versorgungsunternehmen und Verbrauchern motiviert, bei denen mehrere Versorgungsunternehmen zunächst die Details der angebotenen Lieferverträge auswählen und dann die Verbraucher einen Vertrag wählen und ihre Konsumentscheidungen treffen. Als wichtiges Merkmal in der dritten Phase planen wir, verschiedene Risikoaspekte einzubeziehen, die für die  Verbraucherentscheidungen auf der unteren Stufe von entscheidender Bedeutung sind.

Die Dekarbonisierung des Mobilitätssektors ist ein wichtiger Baustein im Kampf gegen den Klimawandel. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge können dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Besondere Herausforderungen stellen sich jedoch bspw. bei den Themenfeldern der Reichweite, Ladeinfrastruktur, Netzbelastung und im Schwerlastverkehr. Kurz- bis mittelfristig ist daher davon auszugehen, dass batterieelektrische Fahrzeuge durch den Einsatz synthetischer Kraftstoffe wie Wasserstoff ergänzt werden. Vor allem auf Grund des schwierigen Handlings und der geringen volumetrischen Energiedichte des Gases ist eine effiziente Logistik ein elementarer Baustein der Wasserstoffmobilität. Im Forschungsschwerpunkt „Effizient Wasserstofflogistik“ des Teilprojekts „Speicher B“ des EnCN2 befasst sich ein interdisziplinäres Team von Ingenieuren und ökonomen mit der Zukunft der Wasserstoffmobilität. Für die Logistik bieten sogenannte LOHCs (Liquid Organic Hydrogen Carrier) eine innovative Alternative zu Druckwasserstoff, kryogenem Wasserstoff oder der on-site Produktion durch Elektrolyse. Durch eine katalytische Hydrierung können die Wasserstoffmoleküle am flüssigen LOHC chemisch gebunden und anschließend als Flüssigkeit verlustfrei gelagert und transportiert werden. An der Tankstelle kann der Wasserstoff freigesetzt werden. Der  LOHC steht somit für eine erneute Beladung zur Verfügung. Durch mathematische Modelle werden die verschiedenen Technologien und Mobilitätskonzepte hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit, aber auch auf ihren Einfluss auf das Energiesystem, hin untersucht und eingeordnet.

Im Projekt „Energiemarktdesign“ des EnCN2 befasst sich ein Forscherteam aus ökonomen, Mathematikern und Juristen mit den wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen für die Transformation des Energiesystems. Ziel ist es, die Methoden der Energiemarktmodellierung weiterzuentwickeln und mit fundierten Analysen zum energiepolitischen Diskurs in Deutschland und Europa beizutragen. Im Bereich des Strommarkts liegen die Schwerpunkte insbesondere auf der Steuerungswirkung des Marktdesigns für regulierten Netzausbau und privatwirtschaftliche Investitionen, sowie der Identifikation von Rahmenbedingungen auf Verteilnetzebene, die Geschäftsmodelle regionaler Stakeholder als Flexibilitätsoptionen nutzbar zu machen. Zur Adressierung dieser komplexen ökonomischen Fragestellungen werden im Projekt „Energiemarktdesign“ auch die mathematischen Techniken entwickelt, um die Lösbarkeit der betrachteten Modelle zu gewährleisten. Eine weitere zentrale Fragestellung ergibt sich aus der wachsenden Bedeutung der Sektorkopplung. In dem Projekt sollen hierzu Modelle zur Bewertung des europäischen Gasmarktdesigns zur Anwendung kommen, die im SFB Transregio 154 zur mathematischen Modellierung, Simulation und Optimierung von Gasnetzwerken von den Projektpartnern entwickelt werden. Langfristiges Ziel der Arbeitsgruppe ist es, in einer integrierten Betrachtung änderungen am Strom- und Gasmarktdesign mit ihren Auswirkungen auf Investitionsentscheidungen untersuchen zu können

Ziel dieses Teilprojekts ist die Analyse der Beziehung zwischen (i) den Gleichgewichten in einfachen Wettbewerbsmodellen des Gasmarktes und (ii) der Lösung eines korrespondierenden einstufigen Wohlfahrtsmaximierungsproblems. Ein tiefgehendes Verständnis dieses Zusammenhangs ist eine zwingende Voraussetzung für eine Analyse des in Europa vorherrschenden Entry-Exit-Systems im Gashandel unter Einbeziehung der physikalischen Eigenschaften des Gasflusses. ähnliche Fragestellungen wurden bereits in der Strommarktliteratur ausführlich analysiert. Aufgrund der Komplexität der Modellierung von Gasflüssen im Netzwerk ist eine entsprechende Analyse von Gasmärkten jedoch von deutlich höherer Komplexität: Zum einen sind Gasflüsse in Netzwerken nicht konvex modellierbar aufgrund der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse. Dies impliziert, dass klassische Optimalitätsbedingungen nicht hinreichend sind. Zum anderen erfordert der Gastransport den Einsatz aktiver Elemente wie Schieber oder Kompressoren. Diese Elemente erfordern den Einsatz von Binärvariablen, die weitere Nicht-Konvexitäten in den zugrundeliegenden Gleichgewichtsproblemen implizieren.
Als Ergebnis des Projekts soll ein erstes Referenzmodell erarbeitet werden, das die Analyse der Gasphysik und die Analyse von Gasmärkten verbindet. Dieses Modell soll die Basis darstellen für die weitergehende Analyse mehrstufiger Modelle von Gasmärkten mit einem Entry-Exit System. Darüber hinaus erweitern die Resultate das Verständnis von binären Gleichgewichtsproblemen.

Vor dem Hintergrund der aktuellen Debatte um die Ausrichtung und Fortführung der Energiewende werden in diesem Forschungsprojekt Flexibilitätsoptionen sowie alternative Rahmenbedingungen am Strommarkt als Ergänzung bzw. Alternative zur Netzausbauplanung analysiert. Mit dieser Studie wird die Grundlage dafür geschaffen, das Verfahren des Netzausbaus systematisch weiter zu fassen und bisher wenig berücksichtigte methodische Ansätze und Flexibilitätsoptionen zu integrieren. Das Design der Studie und das darin verwendete Modell basiert auf dem FAU/EnCN-Gutachten für die Monopolkommission aus dem Jahr 2015, das erstmals eine integrierte Analyse von Netzausbauplanung und zukünftigen Rahmenbedingungen am Strommarkt erlaubt. Das dort verwendete Strommarktmodell wird in dieser Studie insbesondere um die Analyse zusätzlicher Flexibilitätsoptionen und die endogene Optimierung der Technologiewahl und der räumlichen Anordnung der erneuerbaren Energien erweitert.

Im Rahmen des Forschungsprojekts soll die Attraktivität von Geschäftsmodellen evaluiert werden, die auf die Flexibilisierung von großindustriellen Anlagen setzen. Durch die Flexibilisierung entstehen Kosten, die jedoch aufgewogen werden können durch die Möglichkeit, vorwiegend zu Zeiten niedriger Strompreise zu produzieren. Je stärker die Preisschwankungen, desto attraktiver sind derartige Geschäftsmodelle. Handelt es sich bei den Anlagen um Großverbraucher, so ist jedoch zu erwarten, dass die Anlagen selbst die Preisschwankungen im System abmildern und somit die Profitabilität derartiger Geschäftsmodelle für weitere Akteure reduzieren. Diese Effekte werden in dem  Projektvorhaben mit dem EnCN Strommarktmodell untersucht.

Seit der Liberalisierung des Energiemarktes liegen die verschiedenen Entscheidungen bezüglich der optimalen Energieversorgung in Deutschland nicht mehr in der Hand komplett integrierter Versorgungsunternehmen. Entscheidungen werden dezentral von vielen verschiedenen Marktteilnehmern getroffen. über die gesamtwirtschaftliche Optimierung des Zusammenspiels von Netzen, Erzeugern, Speichern und Verbrauchern bei der Planung von Smart Grids hinaus, spielt hier auch die Frage eine zentrale Rolle, inwiefern das momentan geltende Marktsystem zusammen mit wirtschaftspolitischen Steuerungsmechanismen (z.B. die im EEG getroffenen Regelungen) in der Tat zu einer Implementierung des optimalen Systems durch die einzelnen Akteure am Markt führt.
Als Kernstück der ökonomischen Analyse soll die Implementierung eines Smart Grid Systems durch die relevanten Marktteilnehmer unter verschiedenen politischen Rahmensetzungen quantitativ analysiert werden. Der Vergleich mit den im Bereich Optimierung und Simulation erhaltenen Optimal-Lösungen ermöglicht dann eine Identifikation der notwendigen vorzunehmenden änderungen am Marktumfeld und den gesetzlichen Rahmenbedingungen.