¶ Systemlogik fossiler Energiesysteme
Historisch gewachsene Energiesysteme basieren auf klar definierten strukturellen Prinzipien, die maßgeblich durch die Eigenschaften fossiler Energieträger geprägt sind.
Diese Systemlogik bestimmt sowohl den Aufbau der Infrastruktur als auch die Art der Systemführung und Koordination.
¶ Zentrale Strukturprinzipien
Fossile Energiesysteme sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- Zentrale, steuerbare Erzeugung
- Trennung der Sektoren (Strom, Wärme, Mobilität)
- Lastausgleich auf der Erzeugerseite
- Energiepreise basierend auf Brennstoffkosten
Diese Prinzipien bilden die Grundlage für ein stabiles und gut steuerbares Gesamtsystem.
¶ Zentrale, steuerbare Erzeugung
Die Energieerzeugung erfolgt überwiegend in großen, zentralen Anlagen:
- Kraftwerke mit fossilen Energieträgern (Kohle, Gas, Öl)
- Hohe Planbarkeit der Erzeugung
- Anpassung der Produktion an die Nachfrage
Diese Struktur ermöglicht eine direkte Steuerung des Systems über die Erzeugungsseite.
¶ Trennung der Sektoren
Die verschiedenen Energiesektoren sind weitgehend unabhängig organisiert:
- Stromsystem
- Wärmesystem
- Mobilitätssystem
Zwischen diesen Sektoren bestehen nur geringe Kopplungen, wodurch die Komplexität reduziert wird.
¶ Lastausgleich auf der Erzeugerseite
Die Systembalance wird primär durch Anpassung der Erzeugung erreicht:
- Nachfrage gilt als gegeben
- Erzeugung wird entsprechend hoch- oder heruntergefahren
- Systemstabilität wird zentral koordiniert
Diese Logik setzt steuerbare und jederzeit verfügbare Energiequellen voraus.
¶ Preisbildung auf Basis von Energieträgerkosten
Die ökonomische Struktur basiert auf den Kosten der eingesetzten Energieträger:
- Preise orientieren sich an Brennstoffkosten
- Grenzkosten (die Kosten der Bereitstellung einer zusätzlichen Einheit) bestimmen den Einsatz von Kraftwerken
- Märkte sind auf planbare Erzeugung ausgelegt
Der Einsatz von Kraftwerken wird über Preissignale koordiniert, wobei Kraftwerke als Produzenten 'Verkaufsgebote' an der Strombörse abgeben. Diese Gebote bestehen aus einer Preis-Mengenkombination und geben an, ab welchem Preisniveau die jeweiligen Kraftwerke zu produzieren bereit sind. In Kombination mit einer starren Nachfrage lässt sich der Markt grafisch in Form einer Angebots- und Nachfragekurve darstellen
Der ‚marginale Produzent‘ bestimmt den Preis
- Gleichgewichtspreis wird durch die Grenzkosten des ‚letzten‘ Produzenten bestimmt
- Grenzkosten sind die Kosten für eine zusätzliche Erzeugungseinheit
Interpretation Markt als Optimierungsproblem
- Gleichgewichtslösung (Preis, Menge) maximiert gesamtwirtschaftliche Wohlfahrt (Konsumenten + Produzentenrente)
- Annäherung für perfekt kompetitiven/transparenten Markt
¶ Systemverhalten
Durch die Kombination dieser Eigenschaften ergibt sich ein weitgehend deterministisches Systemverhalten:
- Hohe Planbarkeit
- Klare Verantwortlichkeiten
- Zentrale Steuerbarkeit
- Geringe systemische Komplexität
Das System kann durch wenige zentrale Akteure stabil betrieben werden.
¶ Optimale Kapazitätsbestimmung: Screening Curve Model
- Das Screening Curve Model ist einfaches Modell zur Bestimmung des optimalen Kraftwerksparks
- Paper & Bleistift Technik, Grafische Lösung
- Verständnis für Spitzenlastbepreisung
- Untersuchung der Auswirkung von Preis-Schocks
- Untersuchung von Zunehmenden Erneuerbaren
Die Abbildung zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Nachfrage (z.B. stündlich) über ein Jahr. Diese Nachfrage lässt sich auch als Dauerlinie darstellen.
Zur Verfügung stehen drei verschiedene Technologien zur Deckung der Last
- Gas: niedrige Fixkosten, hohe variable Kosten
- Kohle: mittlere Fixkosten, mittlere variable Kosten
- Kernkraft: hohe Fixkosten, niedrige variable Kosten
Gesucht ist der kostengünstigste Kapazitätsmix, um die Nachfrage in allen Stunden zu decken. Der optimale Kapazitätsmix kann demnach wie folgt bestimmt werden: Reihung der verschiedenen Technologien nach
- Hohen Fixkosten, geringen variablen Kosten
- Niedrigen Fixkosten, hohen variablen Kosten
Kombiniert man die zu deckende Nachfrage als Dauerlinie mit den zur Verfügung stehenden Technologien und ihren Kosten, ergibt sich folgendes Bild
Das Ergebnis der 'Optimierung' lautet
- Grundlast: Technologie mit niedrigsten variablen Kosten und höchsten Fixkosten bekommt längste Einsatzzeit
- Spitzenlast: Technologie mit höchsten variablen Kosten (und niedrigsten Fixkosten) bekommt kürzeste Einsatzzeit
Intuitive Herleitung Optimum
Bezogen auf eine Leistung ist für x Stunden Gas die günstigste Technologie
Zwischen A und B ist Kohle die günstigste Technolgie
¶ Grenzen des Systems
Die beschriebenen Eigenschaften führen jedoch auch zu strukturellen Einschränkungen:
- Abhängigkeit von kontinuierlich verfügbaren Energieträgern
- Geringe Flexibilität auf der Nachfrageseite
- Kaum Integration zwischen Sektoren
- Begrenzte Anpassungsfähigkeit an neue Rahmenbedingungen
Diese Grenzen werden im Kontext der Transformation zu erneuerbaren Energiesystemen zunehmend relevant.