Bewertung von Energiespeichern im Sinne des Realoptionsansatzes mittels dynamischer Programmierung unter Unsicherheit

Abstract

Der Ausbau von Wind und Photovoltaikenergie schreitet in Anbetracht der europäischen Energiepreiskrise und Erderwärmung in Österreich rasant voran. Durch die stochastische Erzeugungscharakteristik dieser zwei Energiequellen steigt die Notwendigkeit der Errichtung von Speicherkapazitäten. Im Zuge dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, wie eine detaillierte wirtschaftliche Betrachtung von Energiespeichern mit dem Fokus auf der Bewertung von Flexibilität durchgeführt werden kann und wie die damit einhergehende optimierte Strategie in einem Speicherinvestitionsprojekt in einem wirtschaftlich unsicheren Umfeld aussieht. In Verbindung mit dieser Fragestellung können Lithium-Ionen-Akkus als Technologie identifiziert werden, die vor allem aufgrund ihrer Modularität große Flexibilität in Bezug auf die Erweiterung und Schrumpfung der Speicherkapazität aufweist. Auch die Möglichkeit der Verzögerung der Investitionsentscheidung und der vollständigen Stilllegung eines Speicherprojektes werden analysiert. Um eine solche Bewertung adäquat durchzuführen, bedient man sich in dieser Arbeit dynamischer Programmierung nach Bellman im Sinne des Realoptionsansatzes, welche mittels R implementiert wird. Als konkretes Szenario wird die Kombination eines Lithium-Ionen-Akkus mit einer Photovoltaikanlage und der Möglichkeit der Ausnutzung von Preisspreads an der Strombörse am Day-Ahead-Markt betrachtet. Die Approximation der Entwicklung der zukünftigen unsicheren Erlöse, die mit dieser Bewirtschaftungsstrategie erzielt werden können, erfolgt als Mean-Reverting-Prozess in Form eines Binomialbaums. Die Ergebnisse zeigen, dass die hohe Volatilität bei der Erlösentwicklung vor allem die Option, die Investition zu verzögern, in vielen Zuständen vorteilhaft macht. Auch das Alter des schon im Besitz stehenden Speichers oder die Kapazität bei den zu wählenden Speichergrößen haben große Auswirkungen auf die Entscheidungsfindung im Sinne einer Optimierung des Kapitalwertes. In Bezug auf diese Erkenntnisse kann auch ein Blick auf die Förderpolitik für Energiespeicher in Österreich geworfen werden. Kritisch zu hinterfragen ist bei dieser, ob der reine Investitionszuschuss pro installierter kWh Speicherkapazität ausreicht, um einen schnellen und effizienten Ausbau unter den gegebenen Rahmenbedingungen voranzutreiben.

The expansion of wind and photovoltaic energy is progressing rapidly in Austria in view of the European energy price crisis and global warming. Due to the stochastic generation characteristics of these two energy sources, the need to build storage capacities is increasing. This thesis examines the question of how a detailed economic analysis of energy storage systems with focus on the evaluation of the value of flexibility can be carried out and what the associated optimized strategy for a storage investment project in an economically uncertain environment looks like. In relation to this question, lithium-ion batteries are identified as a technology that offers great flexibility in terms of expanding and shrinking storage capacity, primarily due to its modularity. The possibility of delaying the investment decision and the complete abandoment of a storage project are also analyzed. In order to carry out such an evaluation adequately, dynamic programming according to Bellman in the sense of the real-options approach is used in this work, which was implemented using R. The combination of a lithium-ion battery with a photovoltaic plant and the utilisation of price spreads on the day-ahead market on the electircitiy exchange is considered as a specific scenario. The approximation of the development of future uncertain revenues that can be achieved with this storage management strategy is carried out as a mean-reverting process in the form of a binomial tree. The results show that the high volatility of revenues makes the option of delaying the investment particularly advantageous in many states. The age of the already owned storage facility or the available storage capacities also have major impact on decision-making in terms of optimizing the net present value. With regard to these findings, a quick look can also be taken at the subsidy policy for energy storage systems in Austria. A critical question that need to be asked here is whether a simple investment subsidy per installed kWh of storage capacity is sufficient to promote rapid and efficient expansion under the given framework conditions.