Nachhaltiger Betrieb von Multi-Energie-Systemen unter kooperativen und nicht-kooperativen Strategien

Warum das Teilen lokaler sauberer Energie wichtig ist

Mit der Zunahme von Photovoltaik auf Dächern, Batteriespeichern und kleinen Windturbinen verändern sich unsere Stromnetze schrittweise. Statt einseitig von einigen großen Kraftwerken zu fließen, können nun Tausende kleiner „Microgrids“ Energie erzeugen, speichern und handeln. Diese Studie untersucht, wie diese Microgrids in Kooperation mit dem lokalen Versorger intelligenter und fairer zusammenarbeiten können – um Kosten zu senken, Energieverschwendung zu vermeiden und die Versorgung zu sichern, insbesondere wenn Gebäude auch Wärme benötigen.

Vom Einbahnstrom zum zweiseitigen Nachbarschaftsmarkt

Traditionell kauft ein einzelner lokaler Betreiber – der Verteilnetzbetreiber (Distribution System Operator, DSO) – Strom am Großhandelsmarkt und verkauft ihn an die Kunden weiter. In der hier betrachteten Welt agiert dieser DSO weiterhin als Mittler, trifft es nun aber mit erneuerungsbasierten Microgrids statt mit passiven Verbrauchern zu tun. Jedes Microgrid bündelt Solarmodule, Windanlagen, kleine Motoren, Brennstoffzellen, Batterien und lokale Heizanlagen für einen Gebäudecluster. Der DSO kann auch Wärme und Strom mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Kesseln und Wärmespeichern erzeugen und beides an die Microgrids verkaufen. Die zentrale Frage ist: Wie sollten Preise und Energiegeschäfte gestaltet werden, damit der Versorger Gewinne erzielt und zugleich die Microgrids ihre Kosten minimieren?

Microgrids zusammen verhandeln lassen

Die meisten früheren Modelle gehen davon aus, dass jedes Microgrid einzeln mit dem DSO verhandelt. Das lässt viel Macht beim DSO: Er setzt unterschiedliche Preise für jedes Microgrid und konzentriert sich vor allem auf die Stromversorgung, wobei Wärmebedarf oft nur nachrangig betrachtet wird. Diese Studie dreht den Ansatz um, indem sie den Microgrids Kooperation erlaubt. Bilden Microgrids eine Koalition, können sie Angebote vergleichen, untereinander Energie handeln und gegenüber dem DSO geschlossen auftreten. Die Autoren entwickeln ein mathematisches „zwei‑Ebenen“-Modell, in dem der DSO auf der oberen Ebene entscheidet, wie viel er am Großhandelsmarkt kauft und wie er Energie für die Microgrids bepreist, während die Microgrids auf der unteren Ebene bestimmen, wie sie lokale Erzeuger, Speicher und mögliche Lastreduktionen einsetzen, um die täglichen Kosten zu minimieren.

Wärme in das Puzzle sauberer Energie einbeziehen

Was den Rahmen besonders macht, ist die gleichzeitige Behandlung von Wärme und Strom. Gebäude benötigen nicht nur Strom für Licht und Geräte, sondern auch Warmwasser und Raumheizung. Eine effiziente Wärmeversorgung beeinflusst wiederum, wie viel Strom aus dem Netz benötigt wird. Das Modell erlaubt dem DSO zu entscheiden, wann sein Kessel läuft, wann Kraft‑Wärme‑Kopplungsanlagen betrieben werden, die sowohl Wärme als auch Strom erzeugen, und wann elektrische sowie thermische Speicher geladen oder entladen werden. Durch die Abstimmung dieser Entscheidungen mit Echtzeit‑Preisen für die Microgrids kann das System erneuerbare Energie besser nutzen, unnötigen Brennstoffeinsatz vermeiden und „nicht gelieferte Energie“ – Perioden, in denen die Nachfrage nicht vollständig gedeckt wird – verringern.

Was passiert, wenn Microgrids sich zusammentun

Die Autoren testen ihren Ansatz an einem Beispielnetz mit einem DSO und vier erneuerbaren Microgrids, die jeweils unterschiedliche Mischungen aus Solar, Wind, Brennstoffzellen und Mikroturbinen sowie eigene Leistungs- und Wärmebedarfsprofile haben. Zuerst untersuchen sie den nicht-kooperativen Fall, bei dem Microgrids nur beim DSO kaufen können. Danach erlauben sie Kooperation, sodass Microgrids untereinander handeln und gegenüber dem DSO als ein einziger, größerer Nachfrager auftreten können. Die Ergebnisse sind eindrucksvoll: Kooperation senkt die Betriebskosten der Microgrids um etwa 9 Prozent und reduziert die nicht gelieferte Energie um mehr als ein Drittel. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, sieht sich der DSO gezwungen, die Einzelhandelspreise gegenüber dem nicht‑kooperativen Fall zu senken, besonders in Nachfragespitzen, in denen Microgrids sonst stärker auf eigene Ressourcen oder Nachbarn zurückgreifen könnten.

Resiliente Märkte bei schwankenden Preisen

Die Studie untersucht außerdem das Verhalten des Systems bei unsicheren Großhandelspreisen. Anhand einer Bandbreite möglicher Preisszenarien und einer robusten „Worst‑Case“-Einstellung zeigen die Autoren, dass Kooperation die Microgrids beständig begünstigt, selbst wenn Strom aus dem größeren Netz teurer wird. Unter schwierigeren Bedingungen schrumpft der Gewinn des DSO, weil er mehr für Strom zahlen muss, aber die Einzelhandelspreise nicht übermäßig anheben kann, ohne Kundschaft an lokale Erzeugung und Peer‑to‑Peer‑Handel zwischen Microgrids zu verlieren. Das legt nahe, dass die Stärkung lokaler Energiegemeinschaften das gesamte System flexibler macht und weniger anfällig für Preisschocks.

Was das für den alltäglichen Energieverbraucher bedeutet

Für Nicht‑Fachleute ist die Schlussfolgerung einfach: Wenn kleine saubere Energiesysteme in Stadtteilen Energie teilen und gemeinsam verhandeln dürfen, profitieren in der Regel alle außer dem Monopolverkäufer. Haushalte und Betriebe können niedrigere Rechnungen und weniger Ausfälle erleben; der lokale Versorger erzielt immer noch Einnahmen, muss dafür aber vernünftigere Preise anbieten; und das Energiesystem insgesamt nutzt Brennstoffe und Anlagen effizienter – einschließlich der Wärmeversorgung. Mit mehr installierten Solarmodulen, Batterien und intelligenten Steuerungen weisen Modelle wie das in diesem Papier auf eine Zukunft hin, in der lokale Kooperation ebenso wichtig ist wie neue Hardware, um ein saubereres und zuverlässigeres Stromnetz zu schaffen.

Zitation: Karimi, H. Sustainable operation of multi-energy systems under cooperative and non-cooperative strategies. Sci Rep 16, 6177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36536-9

Schlüsselwörter: Microgrids, erneuerbare Energien, Energie­märkte, Fernwärme, Peer-to-Peer-Energiehandel