Eine zuverlässige Versorgung mit Energie aus erneuerbaren Quellen muss auch bei einer zunehmenden Elektrifizierung der Bereiche Wärme und Verkehr gewährleistet sein: Dies gehört zu den Kernaufgaben von ENSURE. Grundlagenforschung hierzu dominierte die erste Projektphase, Planung der praktischen Umsetzbarkeit die zweite. In der dritten Phase wollen die Partner nun die bisher entwickelten Ansätze für ein zukunftsfähiges Energienetz im hybriden Realbetrieb in der Praxis testen. Digitalisierung und Automatisierung sollen zudem dabei helfen, in Zukunft Personalengpässe bei den Netzbetreibern zu vermeiden.

Vielfältige Herausforderungen für die Energieversorgung

Deutschlands Klimaneutralität bis 2045 ist ein Vorhaben, das sich aus den Zielen des Pariser Klima-Abkommens ableitet. Für die Stromversorgung bedeutet dies, dass sie sich künftig ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen speisen soll. Das geht mit großen Herausforderungen einher. Die Stromnachfrage ist relativ konstant. Doch Photovoltaik- und Windkraftanlagen erzeugen mit großen Schwankungen Energie – Wind bläst nicht immer, die Sonne scheint nicht immer. Die bisherige Netzstruktur ist zudem darauf ausgelegt, Strom nur in eine Richtung zu transportieren: von Kraftwerken zu Verbrauchenden. Derweil produzieren aber immer mehr Verbrauchende selbst Energie. Dies kann zum Beispiel mittels Solarmodulen auf dem Dach oder Biogasanlagen passieren. Ihren Überschuss könnten sie ins Netz einspeisen – wenn dieses „lernt“, in beide Richtungen zu transportieren.

In diesem Zusammenhang relevant ist, dass die Netze an Resilienz gewinnen. Der Begriff meint eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen und Ungleichmäßigkeiten. Das lässt sich erreichen, indem in Zukunft die Knotenpunkte der Energieversorgung miteinander vernetzt sind und kommunizieren können. Ein Netzausbau ist grundsätzlich notwendig. Doch der Aufwand hierfür lässt sich reduzieren, wenn das vorhandene Netz optimaler ausgelastet ist. Wo zusätzliche Netzstrukturen entstehen, sollte die Priorität auf nachhaltigen Materialien zum Ausbau liegen. Zudem gilt es, die Kosten für die Energiewende fair zu verteilen. All diese Überlegungen und Perspektiven fließen in die Forschungsarbeit des Kopernikus-Projekts ENSURE ein.

Das Projekt erarbeitet einen Baukasten mit flexibel einsetzbaren Technologien für die Energiewende – mit Fokus auf Stromnetze. Jeder dieser Bausteine liefert einen eigenen Mehrwert und lässt sich auf die regionalen Gegebenheiten bezogen mit anderen kombinieren. ENSURE will im nächsten Schritt mittels Simulationen das Zusammenspiel mit echten Hardware-Komponenten nachweisen. Eine große Rolle spielt auch die Sektorenkopplung, die Strom-​, Wärme-​ und Gasnetze unter Einbezug des Mobilitätssektors miteinander verbindet. Das Energienetz der Zukunft muss das mitdenken, damit es mehr kann als „nur“ Strom.

In Förderphase drei: Fokus auf Demonstration

Bereits in der erfolgreich abgeschlossenen zweiten Phase ist es dem Projekt gelungen, ein Gesamtkonzept für die Energieversorgung zu entwerfen. Dieses ist in den bestehenden sozio-ökonomischen Rahmen eingebettet und gewährleistet eine Übertragbarkeit der Ergebnisse innerhalb Deutschlands und Europas. Tests von Stromnetzen mithilfe digitaler Zwillinge wie auch in ersten Pilotanlagen sind erfolgreich verlaufen.

Seine bisherigen Erkenntnisse will ENSURE weiter in die Praxis überführen. Dies soll hybrid geschehen. Das heißt, Simulationen und physische Tests in risikominimierter Umgebung ergänzen einander. Vorteil sind geringere Kosten und eine potenziell schnellere Markteinführung, weil Praxistests auf diese Weise sofort mit Gesetzgebung und Regulatorik vereinbar sind.

Anlagen im realen Netz tragen zusätzlich dazu bei, die Modelle und Ansätze zu validieren. Hierbei will ENSURE einerseits das systemische Zusammenspiel der unterschiedlichen Bausteine überprüfen. Andererseits ist Ziel, die Maßnahmen so weiterzuentwickeln, dass einer deutschlandweiten Anwendung nichts im Weg steht. Aktuelle technische Entwicklungen beobachten die Forschenden dabei kontinuierlich und integrieren diese bei Bedarf in ihre Konzepte. Das spiegelt sich zum Beispiel in der Aktualisierung von Szenarien wieder.

Zu den Bausteinen, die in der dritten Förderphase demonstriert werden sollen, gehören:

• MVDC-Kollektornetz im netzbildenden Betrieb
  Durch die Möglichkeit, ins Übertragungsnetz einzuspeisen, kann das Kollektornetz Momentanreserve und Regelleistung bereitstellen und damit als regeneratives virtuelles Kraftwerk fungieren. Das Gleichspannungs-Netz soll sich hin zu einem multiterminalen System mit verschiedenen Spannungsebenen verändern.

• Virtuelle Energy-Hubs
  Geplant ist, verschiedene Anwendungsfälle zu demonstrieren. Dies soll sowohl in virtuellen Hubs in verschiedener Konfiguration geschehen als auch in EE-Hub-Gas.

• Europas größter Simulationsverbund für Energieinfrastrukturen
  Die Kopplung von Laboren mehrerer Forschungseinrichtungen ermöglicht komplexe Analysen für die Beschleunigung der Energiewende. Dadurch lässt sich beispielsweise der Einsatz neuer Hardware erproben.

• Pilotanlagen
  Anlagen und Konzepte, die im bisherigen Verlauf des Projekts untersucht und teilweise bereits als Pilotanlagen aufgebaut wurden, sind auch weiterhin auf der Test-Agenda. Dazu gehören unter anderem das digitale Umspannwerk, der Adaptiv-Netzschutz, Solid State Transformer, das digitale Ortsnetz, die dynamische Vermaschung und das HGÜ-Convertermanagement.

Dies alles ermöglicht Analysen komplexer Szenarien ohne kostenintensive Installationen im realen Netz. Darüber hinaus lässt sich auch eine Kopernikus-übergreifende Demonstration umsetzen. ENSURE kann mit vereinten Kräften etwa die Daten einer Power-to-X-Anlage aus P2X oder einer energieflexiblen Fabrik aus SynErgie in die deutschlandweiten systemischen Betrachtungen integrieren. Die fortschreitende Elektrifizierung zieht den logischen Schluss nach sich, dass das Stromnetz letztlich zum Möglichmacher vieler Technologien wird. Auch die soziale und politische Dimension, die sich in Studien und Analysen von Ariadne widerspiegelt, fließen in die Überlegungen ein. Die real aufgebauten Pilotanlagen, von denen einige bereits in wenigen Jahren als kommerzielle Produkte verfügbar sein sollen, runden das Portfolio ab.

Optimiertes Stromnetz = optimierte Kosten

In der finalen Projektphase will ENSURE Wege aufzeigen, wie Stromnetze sich künftig effizient, zuverlässig und nachhaltig betreiben lassen. Dabei ermöglichen die im Projekt entwickelten Konzepte und Bausteine enormes Einsparpotenzial: bis zu 30 Megatonnen CO₂ und Investitionen in Milliardenhöhe.

Die Hochrechnung geht von einem Anschluss von P2X-Anlagen aus, von flexibilisierten Industrieverbrauchern entsprechend der Ariadne-Szenarien und der Einsparungen durch effizientes Einspeisemanagement von Erneuerbare-Energie-Anlagen. In die Kalkulationen eingeflossen ist zudem ein verringertes „Redispatch“. Der Begriff beschreibt Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken, um Leitungsabschnitte vor einer Überlastung zu schützen.

Die Verringerung von Redispatch bietet neben den reduzierten CO₂-Emissionen noch den Vorteil der Kostenreduzierung: So können Kosten von bis zu 1 Milliarde Euro pro Jahr wegfallen. Überdies erarbeitet das Kopernikus-Projekt ENSURE auch Wege, den Netzausbau möglichst gering zu halten, wodurch sich bis 2050 Kosten von bis zu 5 Milliarden Euro vermeiden lassen.

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