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Climate change and ambitious emission-reduction targets call for an extensive decarbonization of electricity systems, with increasing levels of Renewable Energy Sources (RES) and demand flexibility to balance the variable and intermittent electricity supply. A successful energy transition will lead to an economically and ecologically sustainable future with an affordable, reliable, and carbon-neutral supply of electricity. In order to achieve these objectives, a consistent and enabling market design is required. The Kopernikus Project SynErgie investigates how demand flexibility of the German industry can be leveraged and how a future-proof electricity market design should be organized, with more than 80 project partners from academia, industry, governmental and non-governmental organizations, energy suppliers, and network operators. In our SynErgie Whitepaper Electricity Spot Market Design 2030-2050 [1], we argued for a transition towards Locational Marginal Prices (LMPs) (aka. nodal prices) in Germany in a single step as a core element of a sustainable German energy policy. We motivated a well-designed transition towards LMPs, discussed various challenges, and provided a new perspective on electricity market design in terms of technological opportunities, bid languages, and strategic implications. This second SynErgie Whitepaper Electricity Market Design 2030-2050: Moving Towards Implementation aims at further concretizing the future German market design and provides first guidelines for an implementation of LMPs in Germany. Numerical studies –while not being free of abstractions –give evidence that LMPs generate efficient locational price signals and contribute to manage the complex coordination challenge in (long-term) electricity markets, ultimately reducing price differences between nodes. Spot and derivatives markets require adjustments in order to enable an efficient dispatch and price discovery, while maintaining high liquidity and low transaction costs. Moreover, a successful LMP implementation requires an integration into European market coupling and appropriate interfaces for distribution grids as well as sector coupling. Strategic implications with regard to long-term investments need to be considered, along with mechanisms to support RES investments. As a facilitator for an LMP system, digital technologies should be considered jointly with the market design transition under an enabling regulatory framework. Additional policies can address distributional effects of an LMP system and further prevent market power abuse. Overall, we argue for a well-designed electricity spot market with LMPs, composed of various auctions at different time frames, delivering an efficient market clearing, considering grid constraints, co-optimizing ancillary services, and providing locational prices according to a carefully designed pricing scheme. The spot market is tightly integrated with liquid and accessible derivatives markets, embedded into European market coupling mechanisms, and allows for functional interfaces to distribution systems and other energy sectors. Long-term resource adequacy is ensured and existing RES policies transition properly to the new market design. Mechanisms to mitigate market power and distributional effects are in place and the market design leverages the potential of modern information technologies. Arapid expansion of wind andsolar capacity will be needed to decarbonize the integrated energy system but will most likely also increase the scarcity of the infrastructure. Therefore, an efficient use of the resource "grid" will be a key factor of a successful energy transition. The implementation of an LMPs system of prices with finer space and time granularity promises many upsides and can be a cornerstone for a futureproof electricity system, economic competitiveness, and a decarbonized economy and society. Among the upsides, demand response (and other market participants with opportunity costs) can be efficiently and coherently incentivized to address network constraints, a task zonal systems with redispatch fail at. The transition to LMPs requires a thorough consideration of all the details and specifications involved in the new market design. With this whitepaper, we provide relevant perspectives and first practical guidelines for this crucial milestone of the energy transition.

Driven by the climate conference in Paris in December 2015 countries worldwide are confronted with the question of how to shape their power system and how to establish alternative technologies to reduce harmful CO2 emissions. The German government plans that even before the year 2050, all electricity generated and consumed in Germany should be greenhouse gas neutral [1]. To successfully integrate renewable energies, a future energy system must be able to handle the intermittent nature of renewable energy sources such as wind and solar. One important means to address such electricity production variability is demand-side flexibility. Here, industry plays a major role in responding to variable electricity supply with adequate flexibility. This is where the Kopernikus project SynErgie comes in with more than 80 project partners from academia, industry, governmental, and non-governmental organizations as well as energy suppliers and network operators. The Kopernikus project SynErgie investigates how to best leverage demand-side flexibility in the German industry. The current electricity market design in Germany is not well suited to deal with increasing levels of re- newable energy, and it does not embrace demand-side flexibility. Almost 6 GW of curtailed power in 2019 provide evidence that changes are needed with respect to the rules governing electricity markets. These rules were designed at a time when electricity generation was concentrated on a few large and dispatchable conventional power plants and demand was considered inelastic. The SynErgie Cluster IV investigates how a future-proof electricity market design should be organized. The corresponding Work Package IV.3.1 more specifically deals with analyzing and designing allocation and pricing rules on electricity spot markets. The resulting design must be well suited to accommodate demand-side flexibility and address the intermittent nature of important renewable energy sources. This whitepaper is the result of a fruitful collaboration among the partners involved in SynErgie Cluster IV which include Germany’s leading research organizations and practitioners in the field. The collaboration led to an expert workshop in October 2020 with participation from a number of international energy market experts such as Mette Bjørndal (NHH), Endre Bjørndal (NHH), Peter Cramton (University of Maryland and University of Cologne), and Raphael Heffron (University of Dundee). The whitepaper details the key recommendations from this workshop. In particular, the whitepaper recommends a move to a locational, marginal price-based system together with new bidding formats allowing to better express flexibility. We argue in favor of a one-step introduction of locational, marginal prices instead of repeatedly splitting existing zones. Frequent zone splitting involves recurring political debates as well as short- and long-run instabilities affecting the basis for financial con- tracts, for example. Importantly, the definition of stable prize zones is very challenging with increasing levels of distributed and renewable energy sources. The recommendation is the outcome of an intense debate about advantages and downsides of different policy alternatives. However, such a transition to locational, marginal prices is not without challenges, and it is a call to arms for the research community, policymak- ers, and practitioners to develop concepts on how to best facilitate the transition and ensure a reliable and efficient electricity market of the future. We’d like to thank all the project partners and are grateful for the financial support from the Federal Ministry of Education and Research as well as the Project Management Jülich. Hans Ulrich Buhl (Cluster Lead) Martin Bichler (Work Package Lead)

To mitigate climate change, international agreements aim on decarbonization of energy supply. With electricity as pioneering energy sector, a promising option for the future decarbonized electricity system are renewable energy sources (RES), especially wind power and photovoltaics. Due to the weather-dependent, volatile feed-in of these energy sources, flexibility options are necessary to guarantee a stable electricity supply in the future, which includes flexible electricity supply, energy storage, flexible loads and electricity grid expansion. Insufficient and uncertain incentives for investments in liberalized electricity systems nevertheless impede the necessary expansion of these flexibility options. Thus, the aim of this doctoral thesis is to analyze different influencing factors on economic incentives for flexibility options and how information and communication technology, as well as information systems can improve these incentives. In six research articles, which provide deeper insights, an analysis is made which incentives are given by the regulatory framework and where information systems (IS) and information and communication technology (ICT) can act as a catalyst to improve market-based incentives for flexibility investments. The thesis illustrates various cases for IS and ICT enabled advantages by on different abstraction levels and highlights the importance of interdisciplinary cooperation in the domain of flexibility investment incentives.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes „Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung (SynErgie)“. Als eines der „Kopernikus-Projekte für die Energiewende“ hat das Forschungsprojekt SynErgie das Ziel, die energieintensiven Industrien in Deutschland dazu zu befähigen, ihre Stromnachfrage dem zunehmend fluktuierenden Stromangebot anzupassen. In der Vergangenheit waren Stromsysteme in der Regel dahingehend ausgelegt, dass die Erzeugungsseite des Marktes an das zeitliche Verhalten des Verbrauchs angepasst war. Durch den verstärkten Ausbau volatiler erneuerbarer Energien unterliegt die Stromerzeugung jedoch unkontrollierbaren, wetterabhängigen Schwankungen, weshalb eine Flexibilisierung des Gesamtsystems zunehmend an Bedeutung gewinnt. Weil die Erzeugerseite benötigte Flexibilitäten nur in Form einer Reduzierung der Einspeisung anbieten kann, ergibt sich eine sogenannte Flexibilitätslücke. Wie am 14. Dezember 2018 und am 10. Januar 2019 deutlich wurde, bringt diese Flexibilitätslücke das Stromsystem bereits heute an seine Grenzen der Stabilität. Nur durch den Einsatz vieler Ausgleichsmechanismen bzw. Flexibilisierungsoptionen konnte die Versorgungssicherheit an diesen Tagen gerade noch aufrechterhalten werden. Die in SynErgie betrachteten Industrieprozesse stellen dabei eine Teilmenge potenzieller Flexibilisierungsoptionen dar und können zur Lastanpassung an schwankende Erzeugung sowie zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen und Entlastung der Netze beitragen. In einem liberalisierten, wettbewerblichen Strommarkt sind im Hinblick auf die Erschließung der Potenziale der Nachfrageflexibilität die marktlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen von hoher Relevanz. Diese Studie beschreibt daher zunächst die Grundlagen des Strommarktdesigns und des konstituierenden gesetzlichen Rahmens. Auf aktuelle Diskussionen über das grundlegende Preissystem (Einheitspreissystem vs. zonales System vs. nodales System) wird dabei nicht eingegangen. Die Aufarbeitung dieser Diskussionen sowie die spezifische Analyse der Auswirkungen des Preissystems auf Nachfrageflexibilität ist Inhalt der in SynErgie II anstehenden Arbeitspakete des Clusters IV „Markt- und Stromsystem“. Die vorliegende Studie arbeitet deshalb vielmehr potenzielle Hemmnisse der Partizipation flexibler Nachfrageprozesse auf und nimmt dabei stets Bezug zur Anwendung auf Industrieprozesse. Die Analyse bildet die Grundlage für die zukünftige Arbeit im Cluster IV und dient der clusterübergreifenden Information über den Status Quo der Marktstrukturen und regulatorischen Rahmenbedingungen. Neben der systematischen Aufarbeitung des marktlichen Rahmens werden die wissenschaftliche Literatur sowie bereits publizierte Studien zum Thema Nachfrageflexibilität (Demand Side Management und Demand Response) in einer Metastudie analysiert und zusammengefasst.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung (SynErgie). Ziel des Forschungsprojektes ist die Befähigung der energieintensiven Industrien in Deutschland, die Stromnachfrage dem zunehmend fluktuierenden Stromangebot anzupassen. In der Vergangenheit waren Stromsysteme in der Regel dahingehend ausgelegt, dass die Erzeugungsseite des Marktes an das zeitliche Verhalten des Verbrauchs angepasst war. Durch den verstärkten Ausbau volatiler erneuerbarer Energien unterliegt die Stromerzeugung jedoch unkontrollierbaren, wetterabhängigen Schwankungen, weshalb eine Flexibilisierung des Gesamtsystems zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die in SynErgie betrachteten Industrieprozesse stellen dabei eine Teilmenge potenzieller Flexibilisierungsoptionen dar und können zur Lastanpassung an schwankende Erzeugung sowie zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen und Entlastung der Netze beitragen. In einem liberalisierten, wettbewerblichen Strommarkt sind im Hinblick auf die Erschließung der Potenziale der Nachfrageflexibilität die marktlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen von hoher Relevanz. Diese Studie beschreibt daher zunächst die Grundlagen des Strommarktdesigns und des konstituierenden gesetzlichen Rahmens. Dabei wird stets der Bezug zur Anwendung auf Industrieprozesse genommen und potenzielle Hemmnisse der Partizipation flexibler Nachfrageprozesse aufgearbeitet. Die Analyse bildet den Ausgangspunkt für die folgenden Arbeitspakete im Cluster IV und dient der clusterübergreifenden Information über den Status Quo der Marktstrukturen und regulatorischen Rahmenbedingungen. Neben der systematischen Aufarbeitung des marktlichen Rahmens werden die wissenschaftliche Literatur sowie bereits publizierte Studien zum Thema Nachfrageflexibilität (Demand Side Management und Demand Response) in einer Metastudie analysiert und zusammengefasst.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung (SynErgie). Ziel des Forschungsprojektes ist die Befähigung der energieintensiven Industrien in Deutschland, die Stromnachfrage dem zunehmend fluktuierenden Stromangebot anzupassen. In der Vergangenheit waren Stromsysteme in der Regel dahingehend ausgelegt, dass die Erzeugungsseite des Marktes an das zeitliche Verhalten des Verbrauchs angepasst war. Durch den verstärkten Ausbau volatiler erneuerbarer Energien unterliegt die Stromerzeugung jedoch unkontrollierbaren, wetterabhängigen Schwankungen, weshalb eine Flexibilisierung des Gesamtsystems zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die in SynErgie betrachteten Industrieprozesse stellen dabei eine Teilmenge potenzieller Flexibilisierungsoptionen dar und können zur Lastanpassung an schwankende Erzeugung sowie zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen und Entlastung der Netze beitragen. In einem liberalisierten, wettbewerblichen Strommarkt sind im Hinblick auf die Erschließung der Potenziale der Nachfrageflexibilität die marktlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen von hoher Relevanz. Diese Studie beschreibt daher zunächst die Grundlagen des Strommarktdesigns und des konstituierenden gesetzlichen Rahmens. Dabei wird stets der Bezug zur Anwendung auf Industrieprozesse genommen und potenzielle Hemmnisse der Partizipation flexibler Nachfrageprozesse aufgearbeitet. Die Analyse bildet den Ausgangspunkt für die folgenden Arbeitspakete im Cluster IV und dient der clusterübergreifenden Information über den Status Quo der Marktstrukturen und regulatorischen Rahmenbedingungen. Neben der systematischen Aufarbeitung des marktlichen Rahmens werden die wissenschaftliche Literatur sowie bereits publizierte Studien zum Thema Nachfrageflexibilität (Demand Side Management und Demand Response) in einer Metastudie analysiert und zusammengefasst.

"Die Bilder der Massenflucht von etwa 1,5 Millionen Ruandern im April 1994 aus ihrer Heimat in die Nachbarländer Zaire und Tansania sind immer noch präsent: Endlose, erschöpfte Menschenschlangen, die den mit Leichen angefüllten Grenzfluß zu Tansania überqueren und schließlich in einer hügeligen, spärlich besiedelten Landschaft angehalten werden, wo sie kampieren und mit Nothilfe versorgt werden sollen. Daraus entstanden die eng beieinander liegenden Flüchtlingslager für ca. 500.000 Personen in Ngara und Karagwe, die bis zu ihrer gewaltsamen Räumung im Dezember 1996 mehr Fragen an die Konzeption der Flüchtlingshilfe stellen würden, als daß sie Antworten bereithielten. Schon 1995 wurden die Lager von den Regierungen der Geberländer als nicht mehr tragbar angesehen, denn für die ruandischen Flüchtlinge in Zaire und Tansania mußten zusammen mehr als 2 Mio. Dollar pro Tag ausgegeben werden. Man hatte von Beginn an einen 'camp approach'jverfolgt: Eine große Zahl von Menschen wird auf einer kleinen, abgegrenzten Fläche zusammengehalten und ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt. Dies dient zwar der effizienten Logistik, der Registrierung und schnellen Versorgung mit Nahrungsmitteln und Medikamenten, die in der ersten Phase der Nothilfe eine hohe Priorität haben. Je länger die Situation andauert und je mehr sich der gesundheitliche Zustand der Flüchtlinge verbessert, um so stärker machen sich jedoch negative Entwicklungen bemerkbar. Umweltschäden, Verslumung, Beschäftigungslosigkeit und vieles mehr. Es gibt über die Nothilfe hinaus keine Entwicklungsperspektiven. Die Erfindung des abgegrenzten Lagers, in dem Flüchtlinge als passive Empfänger von Hilfsleistungen gelten, erweist sich als Illusion, weil sie die Handlungsfähigkeit und die vielfältige soziale und wirtschaftliche Interaktion der Flüchtlinge mit ihrer Umgebung außer acht läßt. Derartige Lager müssen deshalb in ihrem Entwurf von vornherein auf eine möglichst kurze Zeitspanne und damit auf eine baldige Rückkehr der Flüchtlinge in ihre Heimat angelegt sein. Dabei bleibt anzumerken, daß Lager die Politisierung der Flüchtlinge, die von vielen als das entscheidende Hindernis für eine freiwillige Rückkehr angesehen wurde, geradezu in idealer Weise fördern. In Zaire, aber auch in Tansania, wurden die Flüchtlinge in der Regel nach ihren Herkunftsgemeinden gruppiert, so daß oftmals auch die alten lokalen Autoritäten in der neuen Umgebung ihre Macht behielten. Die Diskussion über die Bedingungen der Rückkehr und die Fluchtursachen erhalten bei diesem Konzept dann ein zweitrangiges Gewicht." (Textauszug)