ENSURE
Wie das Kopernikus-Projekt ENSURE das Stromnetz der Zukunft entwickelt
Fest steht: Mit dem Energienetz in seiner heutigen Form kann die Energiewende nicht bewältigt werden. Deshalb entwickeln Wissenschaftler, Industrieunternehmen und zivilgesellschaftliche Organisationen im Kopernikus-Projekt ENSURE das Energienetz der Zukunft. Seit 2016 in der Theorie, seit 2020 in einer Simulation und ersten Pilotanlagen und ab 2022 im Realbetrieb in der Praxis.
Um die Ziele des Pariser Klima-Abkommens zu erreichen, will Deutschland seine Stromversorgung bis 2045 weitestgehend auf erneuerbare Energien umstellen. Photovoltaik- und Windkraftanlagen produzieren Strom aber nicht kontinuierlich, sondern schwankend während die Stromnachfrage hingegen relativ kontinuierlich ist. Für diese Herausforderung braucht Deutschland ein an eine erneuerbare Energieerzeugung angepasstes Stromnetz. Auch deshalb, weil die heutige Netzstruktur darauf ausgelegt ist, Strom nur in eine Richtung zu transportieren. Nämlich von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Da aber immer mehr Verbraucher beispielsweise durch Photovoltaik-Anlagen selbst Strom produzieren, müssen die Netze Strom in beide Richtungen transportieren können.
Ein Netz, drei Sektoren
Ein neues Stromnetz ist also Voraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende. Denn Strom wird in der Zukunft auch Rohstoff für Gas, Wärme und Mobilität sein. Durch Power-to-X Technologien lässt sich Strom auch in andere Energieformen überführen. Power-to-Fuel beispielsweise wandelt Strom in Kraftstoffe um, Power-to-Gas in Gase und mit Power-to-Heat bezeichnet man die Umwandlung von Strom in Wärme.
Die Verbindung von Strom, Verkehr, Wärme und Gas nennen Wissenschaftler Sektorenkopplung. Deutschland braucht zukünftig ein Energienetz, das Sektorenkopplung möglich macht. Das Kopernikus-Projekt ENSURE erarbeitet, wie ein solches Netz und der Weg dorthin aussehen könnte – und berücksichtigt dabei alle Möglichkeiten. Bis 2019 legte das Projekt die theoretischen Grundlagen: Wie könnte die Zukunft der Energieversorgung aussehen? Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um ein solches Netz aufzubauen? Und welche Probleme könnten dabei auftreten?
Testlauf für das Energienetz der Zukunft
Im Februar 2020 begann ENSURE auf Grundlage der vorherigen Arbeiten, den Aufbau des Energienetzes der Zukunft auch in der Praxis vorzubereiten. Zum einen erarbeiten Netzbetreiber, Industrie und Wissenschaftler gemeinsam ein konkretes Konzept für eine Region, in der sie die im Projekt betrachteten Ansätze für ein zukunftsfähiges Energienetz ab 2022 testen wollen. Dieser Energiekosmos ENSURE liegt im Norden Deutschlands, wo besonders viele zukünftige Anforderungen schon heute getestet werden können. Aktuell untersucht ENSURE welche Voraussetzungen vor Ort gegeben sind und welche konkreten Technologien im Energiekosmos aufgebaut werden können. Berücksichtigt wird dabei auch, inwieweit eine Übertragbarkeit der Maßnahmen in andere Regionen Deutschlands möglich ist und wie es gelingen kann, das Energienetz deutschlandweit für die Zukunft zu rüsten. Ebenso beobachten Wissenschaftler auch weiterhin die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Energieversorgung. Alle neuen Ansätze für zukünftige Energienetze arbeitet ENSURE in die Konzeptionierung der Praxisphase mit ein.
Ziel: Ganzheitliches Konzept für Deutschlands Energieversorgung
Für den Betrieb des Zukunftsnetzes erforderlich sind innovative Betriebsmittel, die momentan allerdings noch nicht vorhanden sind. Deswegen entwickeln und testen die ENSURE-Partner solche Komponenten sowohl in Computersimulationen als auch in Form von ersten Pilotanlagen in der Praxis.
Ziel der zweiten Phase von ENSURE ist es, bis 2045 ein Gesamtkonzept für die Energieversorgung zu entwerfen, das in den bestehenden sozio-ökonomischen Rahmen eingebettet ist und eine Übertragbarkeit der Ergebnisse innerhalb Deutschlands und Europas sicherstellt. Auf dem Weg dorthin soll das Konzept für den geplanten Energiekosmos ENSURE finalisiert und sowohl als digitales Abbild wie auch in ersten Pilotanlagen getestet werden. Im Anschluss daran ist für die nachfolgende Projektphase auch die Erprobung des systemischen Zusammenspiels der bislang nur einzelnen getesteten Elemente im realen System vor Ort vorgesehen.
Kopernikus-Projekt ENSURE: Bisherige Erfolge
Wer das Energienetz der Zukunft entwickeln will, muss dazu zunächst wissen, wie die Zukunft aussehen könnte. Dazu hat ENSURE bis 2019 vier mögliche Storylines entwickelt. Sie stellen – zunächst qualitativ – mögliche und zu erwartende Entwicklungen des Energiesystems dar und sollen ein verbessertes Verständnis für gesellschaftliche, ökonomische und technische Zusammenhänge liefern.
- Storyline A (Referenz) basiert auf dem „Netzentwicklungsplan 2030“. Sie sieht bis 2030 eine Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen um 52 Prozent gegenüber 1990 vor.
- Storyline B ist die ambitionierteste: Sie folgt dem Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 und beschreibt notwendige Veränderungen, um die globale Erwärmung auf 1,5 Grad zu beschränken. Storyline Bsieht eine Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen um 78 Prozent bis 2030 vor.
- Storyline C beschreibt eine europäisch umgesetzte Energiewende – mit dem Ziel dem Mindestanspruch des Pariser Klimaabkommens zu entsprechen. Die Treibhausgas-Emissionen müssten in diesem Fall um 67 Prozent sinken.
- Das gleiche Ziel gilt für Storyline D. Sie geht jedoch von einer dezentral umgesetzten Energiewende aus, also einer in kleinen regionalen Einheiten organisierten Energiewende.
Bisher ist Deutschlands Energienetz sternförmig-organisiert: Zentrale Kraftwerke liefern Energie in alle Teile Deutschlands. Wenn die Strahlen dieser Sterne in Zukunft wie Maschen eines Netzes miteinander verbunden werden, lässt sich die Energie auch auf vielen anderen Wegen ihrem Ziel zuführen – und das deutlich effizienter und bei verhältnismäßig geringen Netzausbau-Kosten. Die Ergebnisse aus ENSURE zeigen, dass eine solche Vermaschung über alle Spannungsebenen und Spannungsformen hinweg erfolgen kann, um den veränderten Anforderungen von Erzeugung und Verbrauch von Energie gerecht zu werden.
ENSURE hat analysiert, für welche Anwendungsfälle (Use Cases) das Energienetz der Zukunft gewappnet sein muss, wenn sich Deutschlands Energieversorgung in den kommenden Jahrzehnten entsprechend den Annahmen in den Szenarien verändert. Insgesamt 99 solcher Fälle analysierte das Projekt. Im Anschluss unterteilten die Projektpartner die Bundesrepublik in Cluster: In welcher Region Deutschlands wird in Zukunft welcher Energie-Mix herrschen, welcher Stromverbrauch und welche Stromproduktion? Anders ausgedrückt: In welcher Region Deutschland muss das Energienetz für welche Anwendungsfälle gewappnet sein? Auf Grundlage dieser Analyse wählten die Projekt-Partner eine Region aus, in der sie möglichst viele Anwendungsfälle für das Netz der Zukunft praktisch testen können.
Zuverlässige Sicherheitskonzepte sind für das zukünftige Stromnetz unverzichtbar. Für das Energienetz der Zukunft müssen diese erst entwickelt werden. Im Rahmen von ENSURE wurde hierfür das Digital System Protection Design (DSPD) entwickelt, das die Planung und Anpassung von Schutzkonzepten und Schutzparametern in zukünftigen Netzstrukturen ermöglicht. Mit Hilfe von routinemäßigen und automatisierten Anpassungen der Schutzalgorithmen und Parameter lassen sich mit dem DSPD mit geringem Aufwand neue und flexible Betriebskonzepte realisieren.
Um das Stromnetz der Zukunft bauen zu können, sind auch neue Bauteile von Nöten. In der ersten Phase von ENSURE entwickelte das Projektteam unter anderem innovative Umrichter. Umrichter sind nötig, um den Wechsel von einer Spannung/Frequenz auf eine andere Spannung/Frequenz zu ermöglichen. Die Umrichter aus dem ENSURE-Projekt sind leichter, kleiner und günstiger als ihre Vorgänger.
Das sind die Partner im Projekt ENSURE
Infomaterial aus ENSURE
Forschungsergebnisse aus ENSURE
