Neue Netzstrukturen

Kopernikus-Projekt ENSURE

Wie kann man das Stromnetz an eine unregelmäßige Versorgung anpassen?

Bisher wird Strom vor allem in zentralen Kraftwerken erzeugt, die auf den schwankenden Bedarf der Verbraucher reagieren können. Auch die momentane Netzstruktur ist auf diese Art der Stromerzeugung ausgelegt.

Erneuerbare Energie wird jedoch überwiegend dezentral erzeugt, vor allem in Solar- und Windenergieanlagen. Weil es damit viel mehr kleinere Erzeuger gibt, die ihren Strom in das Netz einspeisen, kann das in bestimmten Betriebssituationen problematisch werden, wenn sich die Richtung des Stromflusses in einzelnen Netzabschnitten umkehrt. Bei hohen Einspeiseraten kann es außerdem dazu kommen, dass die vorhandenen Transportkapazitäten des Netzes nicht ausreichen. Zudem ist es schwierig, die vom Wetter abhängige und damit schwankende Erzeugung erneuerbarer Energien mit dem fluktuierenden Verbrauch in Einklang zu bringen. Deshalb muss zunehmend mit Überlastungen und Ausfällen gerechnet werden.

Um den oben genannten Problemen zu begegnen, wird ein Netz gebraucht, das flexibel auch auf hohe Anteile von schwankender Erzeugung und sich ständig verändernden Verbrauch reagieren kann, damit die hohe Versorgungssicherheit erhalten bleibt.

Relativ unumstritten ist, dass der wachsende Ausbau erneuerbarer Erzeugung schon jetzt einen Netzausbau notwendig macht, wie er auch bereits geplant und stellenweise umgesetzt wird. Lesen Sie mehr dazu im Tagesspiegel-Artikel zu ENSURE: „Forscher steuern Verständigung über Energiewende“

"Wie viel Netz brauchen wir in Deutschland und wie können wir die optimale Netzstruktur bauen? Noch weiß keiner, wie diese Netzstruktur aussehen muss, wenn wir 80 bis 90 Prozent des Stroms aus Erneuerbaren Energien realisieren. Darauf sucht das Projekt ENSURE jetzt Antworten." Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei einer Rede am 13. Oktober 2016 in Jülich.

Forschungsansätze

Der Netzausbau ist im Zusammenhang mit den Energiespeichern zu betrachten: Je mehr Speicher verfügbar sind, desto weniger Netzausbau wird benötigt und umgekehrt.

Die Kopplung des Stromnetzes mit dem Wärmenetz (Power-to-Heat) und dem Gasnetz (Power-to-Gas) eröffnet neue Möglichkeiten zur Speicherung und zum flexiblen Transport großer Energiemengen. Diese Umwandlungsprozesse führen allerdings zu Effizienzverlusten, wodurch der Gesamtenergiebedarf steigt.

Manche Verbraucher sind bei ihrem Strombezug zeitlich flexibel (bestimmte Industrieprozesse, Wärmepumpen, Kühlanlagen) und können sich deshalb nach der fluktuierenden erneuerbaren Erzeugung und den Transportkapazitäten des Netzes richten (netzdienliches Verhalten). Die Zu- und Abschaltung von Verbrauchern kann marktbasiert (zeitabhängige Strompreise) oder zentral (vom Netzbetreiber) organisiert werden.

Die erneuerbare Erzeugung ist zum Großteil an das Verteilnetz (im Gegensatz zum Übertragungsnetz) angeschlossen. Bessere Verteilnetze erleichtern einerseits den Energietransport, andererseits wird die Netzsteuerung komplexer.

Neue elektrotechnische Komponenten, die entweder belastbarer sind (u. a. höhere Leistung, Stromfluss in zwei Richtungen) oder den Stromfluss besser beeinflussen können (Phasenschieber, UPFC = Unified Power Flow Controller) ermöglichen es, Energie von Erzeugern zu Verbrauchern zu transportieren. Die Hochspannungsgleichstromübertragung ist eine Technologie zum effizienten Stromtransport über lange Strecken.

Die räumlichen Diskrepanzen zwischen Erzeugung und Verbrauch innerhalb des europäischen Verbundnetzes werden größer. Um sie zu flexibilisieren, wird eine verlustarme Übertragung mittels Gleichspannung auf Übertragungsnetzebene immer wichtiger. Neue Technologien ermöglichen dabei einen effizienten und kostensparenden Energietransport innerhalb Europas.

Dieser Ansatz hat zum Ziel, das Stromnetz so zu konstruieren, dass einzelne Regionen sich vollständig selbst mit Energie versorgen können. Dazu werden recht hohe Speicherkapazitäten benötigt, allerdings wird die Steuerung einfacher und die Regionen werden immun gegen Stromausfälle und Netzstörungen an anderen Orten.

Das Konsortium ENSURE

Kopernikus-Projekt „Neue Netzstrukturen“: Neue EnergieNetzStruktURen für die Energiewende (ENSURE)

Die im Rahmen der Energiewende ausgegebenen Zielstellungen bis zum Jahr 2050 können nur erreicht werden, wenn die Anzahl und Leistung der installierten Erneuerbare-Energien-Anlagen erheblich zunimmt. Um die Versorgungssicherheit weiterhin gewährleisten zu können, sind weitreichende Veränderungen des Elektrizitätsversorgungssystems erforderlich. Dies beinhaltet sowohl den weiteren Ausbau eines zentralen Energieverteilsystems, als auch die Schaffung dezentraler Strukturen auf regionaler Ebene. Alle Maßnahmen zur Optimierung der Energieversorgung werden durch die fortschreitende Digitalisierung der gesamten Energiewirtschaft und eine zunehmende Verknüpfung der verschiedenen Sektoren (Strom, Gas, Wärme, Verkehr) begleitet und vorangetrieben.

Was ist das Ziel des Kopernikus-Projekts?

Die Forschungsarbeiten werden dazu beitragen, die Energiewende wirtschaftlich erfolgreich zu gestalten. Aus den konkreten Vorschlägen des Projektes für zukünftige Strukturen und Betriebsführungsstrategien wird die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Gesamtsystems gesteigert, wodurch Kostenreduktionen für die Betreiber als auch für die Endkunden angestrebt werden.

Um die elektrische Energieversorgung an die mit der Energiewende einhergehenden Veränderungen anzupassen, soll eine sinnvolle Struktur aus zentraler und dezentraler Versorgung identifiziert werden. Das Vorhaben ist durch die Untersuchung neuer Systemstrukturen, stabiler Systemführungsmechanismen und der Integration neuer Technologien in das Versorgungssystem in drei Schwerpunkte aufgeteilt. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die anschließende Realisierung und Erprobung des ganzheitlichen Energieversorgungssystems in Form eines großtechnischen Netzdemonstrators. Alle Arbeiten werden durch eine umfassende Analyse der sozioökonomischen Einflüsse begleitet. Dieser Teil bindet alle Stakeholder inklusive Prosumer ein und flankiert die zuvor genannten Schwerpunktthemen.

Was macht das Konsortium so attraktiv?

ENSURE ist ein interdisziplinär zusammengesetztes Konsortium, welches aus etablierten Partnern der Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft besteht. Die Leitung des Vorhabens wird durch sechs Kernpartner übernommen, welche zu den renommiertesten Akteuren auf den relevanten Forschungs- und Anwendungsgebieten zählen. Durch 17 weitere, prominente Partner, u. a. aus der Zivilgesellschaft, spiegelt sich der breit angelegte Forschungsansatz in dem ausgewählten Konsortium wider. Die 23 Verbundpartner organisieren sich in einer flexiblen Struktur, welche die Integration weiterer Partner explizit vorsieht. Dieser organisatorischen Ausrichtung entspricht die Wahl eines Projektsprechers, der in Abhängigkeit von den thematischen Schwerpunkten im Projektverlauf bestimmt wird. Als Sprecher des Gesamtkonsortiums innerhalb der ersten Projektphase fungiert Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka, der Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie.

Beitrag zum Energiesystem

Das Vorhaben ENSURE leistet einen substantiellen Beitrag zu einer Optimierung des zukünftigen Energiesystems, da die Forschungsergebnisse Fehlinvestitionen verhindern und bestehende Infrastrukturen gezielt ausgebaut werden können. Laut des aktuellen Netzentwicklungsplans (NEP 2025) werden allein die Investitionskosten für den erforderlichen Netzausbau bis zum Jahr 2025 mit bis zu 34 Milliarden Euro angegeben, wodurch der enorme wirtschaftliche Hebel dieses Vorhabens ersichtlich wird. Eine gesteigerte Systemeffizienz bietet ebenfalls ökologische Vorteile, da die eingesetzte Primärenergiemenge reduziert werden kann.

Ansprechpartner:

Karlsruher Institut für Technologie, Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka