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11 | 2015

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Special Die Energieversorgung Deutschlands Energieeffizienz und Flexibilität der Kunden als Grundlage innovativer Geschäftsmodelle Evaluation von Geschäftsmodellen im liberalisierten Energiemarkt SIMULATIONSMODELL | Die Trans - formation des Energiesystems setzt das Geschäftsmodell klassischer Energieversorger zunehmend unter Druck. Die Flexibilität der Kunden, die frei aus Angeboten auf dem Strommarkt wählen können, lässt sich kaum in die heutige Unternehmensplanung einbeziehen. Das Schweizer Versorgungsunternehmen IWB Industrielle Werke Basel setzt deshalb auf ein inno - vatives Modellkonzept und will sich zu einem Anbieter und Dienstleister von Energiemanagement weiterentwickeln. IWB ist Dienstleister für erneuerbare Energie und Energieeffizienz und versorgt Haushalte und Unternehmen in der Region Basel. Durch die schrittweise Liberalisierung des Schweizer Strommarktes können Unternehmen seit 2014 ihren Lieferanten frei wählen. Ab 2018 sollen alle Endverbraucher frei aus Angeboten auf dem europäischen Strommarkt wählen können. Der erwartete Wettbewerb veranlasst IWB, das bisherige Geschäftsmodell kritisch zu prüfen und durch wissenschaftliche Expertise in eine neue Form der Kundenorientierung zu überführen. An der Umsetzung dieser Vision arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern des Instituts für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM) der Universität Leipzig, des Fraunhofer-Zentrums für Internationales Management Autoren M.Sc. Fabian Scheller, Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft (FKE), Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM), Universität Leipzig. i scheller@wifa.uni-leipzig.de Dipl.-Ing. Krischan Keitsch und Dipl.-Kfm. Hendrik Kondziella, beide Fraunhofer Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie, Leipzig. M.Sc. David Georg Reichelt, Dipl.-Inf. Steffen Dienst, und Dr. Stefan Kühne, alle Institut für Angewandte Informatik e. V. (InfAI), Leipzig. Prof. Dr. rer. nat. Thomas Bruckner, Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft (FKE), Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM), Universität Leipzig sowie Fraunhofer Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie, Leipzig. Netze Erzeugung Photovoltaik Windkraft Laufwasser Pumpspeicher Müllverbrennung Kraft Wärme Kopplung und Wissensökonomie, Leipzig, und des Instituts für Angewandte Informatik, Leipzig. Die Energiewirtschaftler und Informatiker aus Leipzig fokussieren sich im Rahmen ihrer Forschungsschwerpunkte auf die Optimierung dezentraler und kommunaler Energieversorgungssysteme. Für die Identifikation zukünftiger Geschäftsmodelle in dynamischen Märkten eignet sich das Zusammenspiel zwischen qualitativen und quantitativen Methoden [1]. Die gemeinsam mit den Anwendern entwickelte Software „IRPsim“ (Integrierte Ressourcen-Planung und Simulation) zur Evaluation von Geschäftsmodellen im liberalisierten Energiemarkt wird im Folgenden skizziert. Modellbasierte Unternehmensplanung in der Energiewirtschaft Handel Erdgasmarkt Regelenergiemarkt Stromspotmarkt Elektrische Last der Kundengruppe Thermische Last der Kundengruppe Bezugs- / Einspeisetarif Vertrieb Kunden Photovoltaik Elektrischer Speicher Elektrischer Boiler Wärmepumpe Erdgas Boiler Thermischer Speicher Bild 1 Energieflussdiagramm und schematischer Aufbau des Modells. Abbildung der Unternehmens-, Kunden- und Marktstruktur Der Aufbau des Modells ist durch fachliche Module gekennzeichnet, die über die Wechselwirkungen der Energie- und Finanzströme miteinander verbunden sind. Eine schematische Darstellung der Energieflüsse ist in Bild 1 wiedergegeben. Darüber hinaus wird in der Modellierung des Versorgungsunternehmens eine Matrixstruktur aus Geschäftspartnern (Strom, Fernwärme, Biogas-Erdgas, Services) und Wertschöpfungsstufen (Kraftwerke, Netze, Handel, Vertrieb, Kunden) umgesetzt, die als Basis für die Visualisierung der Finanzströme dient. Im Zentrum des Modells stehen die zu definierenden Kundengruppen des Unternehmens, die durch ihre Lastgänge in viertelstündlicher Auflösung für Strom und Wärme sowie bestimmte Tarife charakterisiert sind. Vor der Optimierung werden den so genannten IRP-Kunden vom Anwender nach Bedarf dezentrale Energietechnologien zugewiesen. Auf der zentralen Erzeugungsseite wird die Einspeisung des bestehenden Kraftwerks - parks per Fahrplan vorgegeben. Im Teilmodul Handel kann Energie über den Markt verkauft beziehungsweise bezogen werden. In der Netzsparte werden sämtliche Energieflüsse gebündelt, so dass die Netznutzungsentgelte für Strom, Biogas- Erdgas und Fernwärme anhand der Tarife sofort ermittelt werden können. Auf der Vertriebsseite laufen die Energieerlöse zusammen, die durch die Versorgung der Kunden generiert werden. Für die energiewirtschaftliche Beschreibung wurde eine Programmierung in GAMS/CPLEX (General Algebraic Modeling System) gewählt, die eine Lösung gemischt-ganzzahliger Probleme in hoher 24 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11

Die Energieversorgung Deutschlands Special Bild 2 Darstellung des jährlichen Stromverbrauchs der Haushalts - kunden im IWB-Versorgungsgebiet in Abhängigkeit von Tageszeit und Monat. zeitlicher Auflösung mit einer hinreichenden Performance ermöglicht [2]. Für optimale Lastdeckung stehen zwei Optionen zur Verfügung: > Optimierung aus Unternehmenssicht: Kraftwerke und Kundenanlagen werden gegenüber dem Markt (Spot- und Reservemarkt) gewinnmaximierend eingesetzt, > Optimierung aus Kundensicht: Kundenanlagen werden gegenüber dem Tarif kostenminimierend eingesetzt. Eine Kombination der Optimierungsmit den Abrechnungsvarianten ermöglicht die vielfältige Abbildung und Evaluation von Geschäftsmodellen. Auswertung von Kunden- und Unternehmensdaten Zur Identifikation von Kundengruppen wurden anonymisierte Unternehmensdaten der Vertriebsstatistik mit Smart-Meter-Lastgängen verknüpft. Die Analyse folgt dem Cross Industry Standard Process for Data Mining (Crisp). Dieser beinhaltet das Clustering von rund 38 000 anonymisierten Smart-Meter-Profilen in viertelstündlicher Auflösung mit dem k-means-Verfahren zur Bestimmung von Standard-Lastprofilen. Auf Basis des Lastverlaufs wurden so verschiedene Kundengruppen identifiziert und mit einem Standard-Lastprofil sowie einem Wärmelastprofil versehen. Je nach Konfiguration und Fragestellung kann das Modell die elektrische Nachfrage und die Wärmelast mit unterschiedlichen Technologien decken. In Bild 2 ist beispielhaft der elektrische Verbrauch von Haushaltskunden dargestellt. Deutlich erkennbar ist die starke Saisonalität des Verbrauchs. Während in den Wintermonaten ein hoher elektrischer Bedarf zu verzeichnen ist, nimmt dieser mit steigenden Temperaturen und zunehmender Tageslänge im Sommer ab. Literatur [1] Osterwalder, A.; Pigneur, Y.: An eBusiness model ontology for modeling eBusiness. 15 th Bled Electronic Commerce Conference Proceedings, 2002. http:// aisel.aisnet.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1047& context=bled2002 (Zugriff: 31.5.2015). [2] GAMS: The GAMS System, 2015. http://gams.de/ docs/intro.htm (Zugriff: 31.5.2015). Bild 3 Ausschnitt aus der grafischen Benutzeroberfläche der IRPsim-Webanwendung. Integration von Energiesystemmodell und Daten in einer Anwendersoftware Um langfristige Einsetzbarkeit von IRPsim zu gewährleisten, wurde Wert auf die Qualitätsmerkmale Benutzerfreundlichkeit, Kompatibilität, Effizienz und Skalierbarkeit gelegt. Hierzu wurde das zuvor beschriebene energiewirtschaftliche Modell in eine Server-Client-Architektur eingebettet. Diese besteht aus einem Web- Front end (Client) und einem Backend (Server), das vom Frontend über eine Rest- Schnittstelle angesprochen wird. Die Webanwendung (Bild 3) erstellt automatisiert die Ein- und Ausgabeoberfläche gemäß den Modellvorgaben, verwaltet die Eingabe von Parametern, informiert über den Ablauf des Optimierungsprozesses und übernimmt die Darstellung von Zwischen- und Endergebnissen. Das Backend ermöglicht die Parametrisierung des Gams-Modells, die Datenhaltung und verwaltet den Optimierungsprozess. Fazit Der zentrale Einsatzzweck des IRPsim- Systems stellt die interaktive Evaluation von neuen Geschäftsmodellen in einem sich stetig ändernden Marktumfeld dar. Die flexible und modulare Struktur des Modells ermöglicht es, potenzielle Geschäftsmodelle sowohl aus Unternehmens- als auch aus Kundensicht zu bewerten. Hierbei liegt ein besonderer Fokus auf einer optimalen Nutzung der Flexibilität des Kunden. Inwieweit die Einbeziehung von Kundengruppen und deren Ausstattung mit dezentralen erneuerbaren Erzeugungstechnologien in das Gesamtenergiesystem zu einer energieeffizienteren Zukunft führt, stellt eine immanente Fragestellung dar. Potenzielle Lernkurveneffekte der innovativen Technologien aber auch Änderungen der Rahmenbedingungen im Wettbewerbsumfeld werden durch Simulationszeiträume von bis zu 20 Jahren adressiert. Daneben kann IRPsim auch Auswirkungen veränderter Kundenstrukturen auf den Betrieb des Kraftwerksparks beziehungsweise die traditionelle Erlösstruktur, die Bewertung von dezentralen Technologie-Contracting sowie Fragestellungen hinsichtlich Unbundling-Bestrebungen untersuchen. Der innovative Modellansatz ermöglicht zudem die Analyse von Auswirkungen einzelner Maßnahmen auf die Wertschöpfungsstufen bei IWB (Handel, Vertrieb, Netze, Kraftwerke). Mit dem Simulationsmodell IRPsim steht ein Planungswerkzeug zur Verfügung, das die zahlreichen Fragestellungen im Rahmen von Strategieprozessen in der Energiewirtschaft beantworten kann. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11 25

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