Räumlich‑zeitliche Gebotsstrategien für Multi‑Energiesysteme mit Photovoltaik‑Dominanz: eine szenariobasierte Stackelberg–Nash‑Spiel‑Formulierung

Warum intelligenter Energiehandel wichtig ist

Mit der Ausbreitung von Solarmodulen von einzelnen Dächern zu ganzen Quartieren wird unser Energiesystem sauberer – aber auch schwerer zu steuern. Sonnenschein kommt und geht mit dem Wetter, während Haushalte, Industrie und Verkehr zu jeder Stunde verlässliche Energie, Wärme und zunehmend Wasserstoff erwarten. Diese Arbeit untersucht, wie zahlreiche unabhängige Akteure, jeder mit eigenen Solarmodulen, Batterien und Umwandlungseinrichtungen, über Strom-, Wasserstoff‑ und Wärmemärkte so handeln können, dass die Versorgung gesichert, Kosten gesenkt und Verluste minimiert werden.

Vom Einbahnnetz zu einem Vielspieler‑Energiesystem

Traditionelle Stromsysteme waren um wenige große Kraftwerke herum aufgebaut, die Strom einseitig zu passiven Verbrauchern lieferten. Heute besitzen unzählige kleinere Akteure – etwa Gebäudeeigentümer, Gemeinschaften und Unternehmen – Solarmodule, Batterien und Anlagen, die Strom in Wasserstoff oder Wärme umwandeln. Diese Akteure konsumieren nicht nur, sie produzieren und handeln auch. Die Autorinnen und Autoren fokussieren auf diese neue „Multi‑Energy“-Welt, in der Entscheidungen in einem Bereich, etwa im Strommarkt, in anderen Bereichen wie der Wasserstoffversorgung oder der Fernwärme nachwirken. Sie argumentieren, dass vorhandene Planungsinstrumente, die von einem zentralen Entscheider mit perfekter Information ausgehen, nicht mehr ausreichen, wenn viele eigennützige Spieler gleichzeitig in mehreren Märkten unter unsicherer Sonneneinstrahlung und schwankenden Preisen bieten.

Ein faires Spiel für die Akteure ermöglichen

Um diese Komplexität zu erfassen, modelliert die Studie die Interaktionen als Spiel zwischen vielen Agenten und einem Marktbetreiber. Jeder Agent kann Strom, Wasserstoff und Wärme verkaufen oder Energie zwischen diesen Formen verschieben, etwa mit Batterien, Elektrolyseuren und Kesseln. Gleichzeitig muss ein unabhängiger Systembetreiber das physische Netz sicher und ausgeglichen halten. Die Autorinnen und Autoren verwenden eine Struktur, die als Stackelberg–Nash‑Spiel bekannt ist: Der Betreiber agiert als Führender, der Netz‑ und Marktregeln durchsetzt, während die Agenten als Folgende reagieren und Gebote wählen, die ihren eigenen Gewinn maximieren. Da Sonne und Nachfrage unsicher sind, planen die Agenten nicht für eine einzige Zukunft, sondern für eine Menge möglicher Szenarien, die sich über die Zeit entfalten.

Planung für viele mögliche Zukünfte

Statt sich auf eine einzelne Prognose zu verlassen, stellt das Modell Unsicherheit durch einen Szenariobaum dar – einen verzweigten Satz plausibler Pfade für Solarertrag, Nachfrage und Preise über den Tag. Jeder Agent entwickelt eine Gebotsstrategie, die sich über Zeit und über diese Verzweigungen erstreckt: wie viel in welchem Markt angeboten wird, wann Batterien geladen oder entladen werden und wann Strom in Wasserstoff oder Wärme umgewandelt wird. Das Rahmenwerk enthält Strafkosten für verschwendete Solarenergie, für ineffiziente Umwandlungen und für das Nichterfüllen zugesagter Lieferungen. Das motiviert die Agenten, flexible Ressourcen sinnvoll zu nutzen, die Schwankungen der Solarenergie zu glätten und gleichzeitig Gewinnchancen zu verfolgen.

Was passiert, wenn viele flexible Akteure interagieren

Die Autorinnen und Autoren testen ihr Modell an einem standardisierten Verteilnetz mit mehreren unterschiedlichen Akteuren. Manche besitzen große Solar‑ und Batteriesysteme; andere verfügen über stärkere Wasserstoff‑ oder Wärmeanlagen. Die Simulationen zeigen, dass Agenten widerstandsfähiger gegenüber Solarschwankungen und Preisschocks werden, wenn sie Energie zwischen Märkten und über die Zeit verschieben können. Gewinne werden stabiler, weniger Gebote werden abgelehnt und es geht weniger Energie verloren. Agenten mit ausgewogenen Portfolios – einer Mischung aus Speicherung und Umwandlungsgeräten – erweisen sich als besonders effektiv beim Arbitragegeschäft, stabilisieren Preise und fungieren als Brücken zwischen Energiesektoren. Zugleich benötigt das Gesamtsystem weniger teure Reserven zur Handhabung von Unsicherheit, wobei die Zuverlässigkeit erhalten bleibt oder sich verbessert.

Folgen für künftige Energiemärkte

Für nicht‑Spezialisten lautet die wichtigste Schlussfolgerung: Intelligente Koordinationsregeln und flexible Technologien können die Herausforderung variabler Solarenergie in einen Vorteil verwandeln. Indem Gebotsabgabe als strukturiertes Spiel unter Unsicherheit behandelt wird, zeigt das Konzept, wie viele unabhängige Akteure zugleich konkurrieren und kooperieren können – über Strom, Wasserstoff und Wärme hinweg. Werden Märkte so gestaltet, dass Umwandlungen und Speicherleistungen anerkannt werden, nutzt das System mehr der verfügbaren erneuerbaren Energie, gibt weniger Geld für Ersatzkapazitäten aus und verteilt wirtschaftliche Vorteile breiter unter den Teilnehmern. Kurz: Die Arbeit weist in Richtung Marktgestaltungen, in denen solardominierte, multi‑energetische Systeme nicht nur technisch machbar, sondern auch effizient, gerecht und robust sind.

Zitation: Qiao, H., Wen, S., Zhang, Y. et al. Spatiotemporal bidding for multi-energy systems with photovoltaic dominance: a scenario-based Stackelberg–Nash game formulation. Sci Rep 16, 14362 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41892-7

Schlüsselwörter: Märkte für mehrere Energieträger, Integration von Photovoltaik, strategische Gebotsabgabe, Kopplung von Wasserstoff und Wärme, Flexibilität von Energiespeichern