Ein Pool-Modell für die schweizerische Elektrizitätswirtschaft

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Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung. Endbericht zum TA-Projekt

Gegenwärtig befindet sich das deutsche Energiesystem in einem Umbruchprozess historischen Ausmaßes. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien etwa die Hälfte und bis 2050 mindestens 80 % des Strombedarfs decken. Dies stellt teilweise völlig neue Anforderungen an die Stromnetze, sodass aktuell ein erheblicher Handlungsdruck erwachsen ist, die Netze aus- bzw. umzubauen sowie neue Betriebskonzepte zu entwickeln, damit eine zuverlässige und sichere Stromversorgung auch weiterhin gewährleistet werden kann. Der TAB-Bericht gibt einen breiten Überblick über den Stand des Wissens und der Diskussion zu vielen der mit dem Aus- und Umbau der Stromnetze verbundenen Fragestellungen. Dazu gehören neben dem Umfang des Aus- und Umbaubedarfs die Identifikation von modernen Technologien und Betriebsweisen für Stromnetze sowie die Beschreibung ihres Entwicklungsstands bzw. Forschungs- und Entwicklungsbedarfs. Da eine Fokussierung allein auf technologische Aspekte zu kurz greifen würde, wurde eine Reihe weiterer relevanter Einflussfaktoren und Themenbereiche in den Blick genommen. Dies betrifft zum einen ökonomische Aspekte, u. a. die Kosten und Nutzen des Einsatzes bestimmter Technologien, beispielsweise von sogenannten Smart Metern. Zum anderen werden aber auch Dimensionen der Folgewirkungen in den Blick genommen, insbesondere Datenschutzfragen in modernen Stromnetzen, die mehr und mehr mit Informationsnetzen verschmelzen (Smart Grid), sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bzw. die Gesundheit. Last but not least werden Fragen der öffentlichen Beteiligung und der Akzeptanz des Baus von Stromtrassen thematisiert, die in letzter Zeit enorm an Bedeutung gewonnen haben. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 9 I. EINLEITUNG 25 II. STROMNETZE UND STROMVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 33 1. Systemdienstleistungen 36 2. Trends und Treiber für die zukünftige Entwicklung der Netze 39 3. Smart Grid 41 4. Stromnetz im Verhältnis zu anderen Flexibilisierungsoptionen 47 III. AUS- UND UMBAUBEDARF DER STROMNETZE 49 1. Übertragungnetze 49 1.1 Kritik am Verfahren 52 1.2 Kritik an Annahmen und Ergebnissen 57 1.3 Schlussfolgerungen, diskutierte Lösungsvorschläge 59 2. Verteilnetze 61 3. Auswirkungen eines verzögerten Netzausbaus 68 IV. MODERNE TECHNOLOGIEN UND BETRIEBSWEISEN FÜR STROMNETZE 71 1. Übertragungsnetze 71 1.1 Freileitungsmonitoring 71 1.2 Hochtemperaturleiterseile 72 1.3 Erhöhung der Übertragungsspannung 73 1.4 Leistungselektronik zur Steuerung von Lastflüssen 73 1.5 Wide Area Monitoring Systems 74 1.6 Erdkabel 76 1.7 Phasenschiebertransformatoren 78 1.8 Hochspannungsgleichstromübertragung 79 1.9 Supraleitende Komponenten 81 1.10 Gesamtübersicht der Technologien und Verfahren 82 2. Verteilnetze 84 2.1 Regelbare Ortsnetztransformatoren 84 2.2 Einspeisenetze 86 2.3 Hochtemperatursupraleiterkabel 87 2.4 Technologien zur dezentralen Bereitstellung von Systemdienstleistungen 88 2.5 Sensorik im Netz/Automatisierung 90 3. Smart Meter 91 3.1 Warum Smart Meter? 92 3.2 Ordnungsrahmen 95 3.3 Kosten-Nutzen-Analyse 96 3.4 Ländervergleich 101 3.5 Datenschutz und Datensicherheit bei Smart Meter 102 V. ZUKUNFTSSZENARIEN FÜR DAS STROMNETZ 109 1. Europäisches Supergrid 109 2. Die Szenarien des Umweltbundesamtes 112 2.1 Szenario »International Grosstechnik« 113 2.2 Szenario »Regionenverbund« 113 2.3 Szenario »Lokal autark« 115 3. Betrieb des Stromnetzes in regionalen Zellen 117 3.1 Definition und Abgrenzung 118 3.2 Funktionalität und technische Umsetzung 119 3.3 Mögliche technische Varianten 121 3.4 Bewertung 123 3.5 Möglicher Regelungsbedarf 131 3.6 Fazit 134 4. Digital Grid 135 VI. ZUVERLÄSSIGKEIT UND SICHERHEIT 137 1. Kosten von Stromausfällen 138 2. Versorgungsqualität 141 2.1 Smart Grid: »safety« und »security« 144 2.2 Qualität der Stromversorgung als Produktmerkmal 151 VII. UMWELT- UND GESUNDHEITSAUSWIRKUNGEN 153 1. Auswirkungen auf die Umwelt 153 1.1 Freileitungen 154 1.2 Erdleitungen 161 1.3 Elektromagnetische Felder durch Freileitungen, Erdkabel und gasisolierte Leitungen 166 1.4 Fazit 171 2. Mögliche Risiken für die Gesundheit 171 2.1 Allgemeines zu Feldwirkungen und Grenzwerten 172 2.2 Wirkmodelle und Bewertung von Evidenz 173 2.3 Wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Bewertung biologischer Wirkungen 180 2.4 Grenzwertdiskussion 186 2.5 Forschungsbedarf 192 2.6 Strategien der Risikobewertung und des Risikomanagements 192 2.7 Fazit 193 VIII. AKZEPTANZ DES STROMNETZAUSBAUS 195 1. Konfliktfelder beim Netzausbau 196 2. Öffentliche Wahrnehmung und das Beteiligungsparadoxon 197 3. Bürgerbeteiligung bei der Planung des Netzausbaus 198 4. Erfolgsfaktoren für Bürgerbeteiligungsverfahren 201 5. Fazit 203 LITERATUR 205 1. In Auftrag gegebene Gutachten 205 2. Weitere Literatur 205 ANHANG 229 1. Tabellenverzeichnis 229 2. Abbildungsverzeichnis 23

Anreizsysteme für Investitionen während der Regulierungsperiode

Durch die von der Bundesregierung beschlossene Energiewende entsteht in den nächsten Jahren ein erheblicher Um- und Ausbaubedarf der Energienetze. Der gegenwärtige Regulierungsrahmen, mit dem Ziel eines effizienteren Betriebs bestehender Netze, setzt dabei keine Anreize für steigende Investitionen. Diese sind jedoch für die Umsetzung der Energiewende unabdingbar. Der folgende Beitrag analysiert die aktuell vorhandenen Instrumente zur Förderung der Investitionstätigkeit gemäß der Anreizregulierungsverordnung (Erweiterungsfaktor, Pauschalierter Investitionszuschlag und Investitionsbudget) und stellt weitere optionale Konzepte zur Verbesserung der Investitionsbedingungen während der Regulierungsperiode vor

Solarstrom aus Nordafrika: Rahmenbedingungen und Perspektiven

'Die Idee, in der Wüste erzeugten Solarstrom nach Europa zu exportieren, ist bestechend - sowohl aus klima- und energiepolitischer Perspektive als auch mit Blick auf das von Europa verfolgte Ziel, die Kooperation mit den südlichen Nachbarstaaten zu intensivieren. Entsprechend haben der 2008 im Rahmen der Mittelmeerunion lancierte Solarplan für das Mittelmeer sowie die privatwirtschaftliche Desertec Industrial Initiative, die 2009 von einem Kosortium um die Münchener Rück ins Leben gerufen wurde, breites politisches und mediales Interesse geweckt. Aber die überaus ambitionierten Projekte werden sich nur umsetzen lassen, wenn es gelingt, nicht nur die nötigen finanziellen und energiewirtschaftlichen, sondern auch die politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen zu schaffen. Die Hürden sind zahlreich: Auf nationalstaatlicher Ebene wirken in der Energiepolitik Nationalismus und Strukturkonservatismus fort. Damit fehlt auch auf EU-Ebene der Wille zur Schaffung eines für die Kommerzialisierung der Projekte erforderlichen grünen Strommarktes. Im südlichen Mittelmeerraum wiederum sind die Investitionsbedingungen problematisch. Allerdings bieten sich wenig Alternativen und ist der Zeitpunkt günstig: In Europa, weil die Kraftwerkparks und die Stromnetze modernisiert werden müssen; in Nordafrika, weil die Staaten einen rapide wachsenden Stromkonsum haben und sich nach neuen Energiequellen umsehen. Aber die Weichen müssen jetzt gestellt werden - selbst, wenn der Strom erst 2050 fließen soll. Sinnvoll ist zunächst der zeitnahe Bau von symbolträchtigen Leuchtturmprojekten sowie die Abkehr vom physischen Export des Stroms und stattdessen die Einführung eines virtuellen Handels. Gleichzeitig ist die Politik gefragt, stabile rechtliche Rahmenbedingungen auf mehreren Ebenen zu befördern.' (Autorenreferat

Ausbau der Stromnetze. TAB-Brief Nr. 45

Die neue Ausgabe des TAB-Briefes beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit verschiedenen relevanten technischen Aspekten sowie den Beteiligungsmöglichkeiten beim Umbau der Stromnetze vor dem Hintergrund der Energiewende in Deutschland. Anlass sind insbesondere auch die im Abschluss befindlichen TAB-Projekte »Handlungsmöglichkeiten für Kommunikation und Beteiligung beim Stromnetzausbau« sowie »Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung«. Für die Entwicklung der Stromnetze existieren durchaus Spielräume, für deren Ausgestaltung gesellschaftlich zu definierende Präferenzen die Leitlinien vorgeben sollten. Beispiele hierfür sind etwa Fragen danach, ob Wert auf eine Vielfalt der Lösungsansätze und Akteure, auf Eigenständigkeit (z. B. Autarkie, Verringerung der Importabhängigkeit) oder auf Kooperation und Nutzung von Synergieeffekten gelegt wird. Eine wesentliche Gestaltungsoption betrifft den Aspekt, auf welcher geographischen Einheit das Netz organisiert wird, bzw. konkret der Gegensatz »zentral-dezentral«. Das Spektrum der Ansätze reicht dabei von der ausschließlichen Nutzung lokal verfügbarer Ressourcen bis hin zu einem transeuropäischen Verbund mit Nutzung der ergiebigsten Standorte für Erneuerbare Energien (z.B. skandinavische Wasserkraft und Solarstrom aus Südeuropa). Aber nicht nur auf dieser konzeptionellen Ebene sind gesellschaftliche und politische Gestaltungsoptionen vorhanden, sondern auch bei der Frage, welche Technologien eingesetzt werden sollen. Hier bestehen Wahlmöglichkeiten von hoher gesellschaftlicher Relevanz, nicht zuletzt deshalb, weil der Bau von Netzinfrastruktur in der Regel mit (zum Teil tiefgreifenden) Eingriffen in das Lebensumfeld von Menschen und/oder die Umwelt verbunden ist. Die Schwerpunktbeiträge des TAB-Briefs beleuchten sowohl die Gestaltungsoptionen des zukünftigen Stromsystems als auch die Möglichkeiten einer öffentlichen sowie politischen Beteiligung beim Aus- und Neubau der Stromleitungen. Im ersten Schwerpunktbeitrag berichtet Reinhard Grünwald über die teils völlig neuen Herausforderungen, die die Energiewende an die Stromnetze stellt. Der Aus- und Umbaubedarf der Übertragungs- und Verteilnetze wird umrissen und gleichzeitig werden die Schwierigkeiten dargestellt, diesen Bedarf auch für Laien schlüssig und nachvollziehbar zu begründen. Zur Bewältigung der Herausforderungen für die Netze werden innvovative Technologien und Betriebsweisen sowie zunehmend dezentrale Versorgungskonzepte diskutiert, da der konventionelle Netzausbau nicht zuletzt bei der Frage der öffentlichen Akzeptanz mehr und mehr an seine Grenzen stößt. Viele Bürger nehmen Erdkabel als eine eher akzeptable Alternative wahr. Daher werden in dem Beitrag die Umweltauswirkungen von Freileitungen und Erdkabeln im Vergleich skizziert. Der gemeinsame Beitrag von Peter Ahmels, Judith Grünert, Reinhard Grünwald und Christoph Revermann stellt »Optionen für Bundestagsabgeordnete betroffener Wahlkreise zur Gestaltung des Interessenausgleichs beim Stromnetzausbau« ins Zentrum. Bei Netzausbauvorhaben erfüllen Abgeordnete mehrere erfolgskritische Funktionen, zum einen als zentrale Ansprechpartner, zum anderen als Vermittler zwischen bundespolitischen Zielen und Entscheidungen (Klimaschutz, Energiewende, Netzumbau) und den lokalen Ansprüchen der Betroffenen. Gleichzeitig sind Abgeordnete, deren Arbeitsschwerpunkte nicht in den Bereichen Energie- oder Umweltpolitik liegen, selbst auch nur Laien, was viele der komplexen Fragestellungen rund um Energiewende und Netzausbau anbelangt. Daher hat das TAB ein Praxishandbuch für Abgeordnete erarbeitet (TAB-Hintergrundpapier Nr. 20; im Erscheinen), das Handlungsmöglichkeiten für erfolgreiche Kommunikation und Bürgerbeteiligung aufzeigt. Christine Henseling, Michaela Evers-Wölk, Carolin Kahlisch, Britta Oertel und Michael Opielka berichten über die im Rahmen des neuen TAB-Schwerpunkts »Diskursanalyse und Dialog mit gesellschaftlichen Akteuren« durchgeführten Aktivitäten zum Aufbau eines »Stakeholder Panels TA« und einer ersten online-Befragung zum Thema »Ausbau der Stromnetze im Rahmen der Energiewende«. Das Stakeholder Panel TA soll Dialogprozesse zum zukünftigen Bedarf wissenschaftlich-technischer Entwicklungen anregen, sowie die Sichtweisen unterschiedlicher gesellschaftlicher Gruppen in die Arbeit des TAB einbringen. Die hier präsentierten Ergebnisse der online-Befragung stellen generelle Einstellungen der Stakeholder zum Ausbau der Stromnetze im Kontext der Energiewende sowie die Bewertung ausgewählter Maßnahmen ins Zentrum. Der Gastbeitrag von Pia-Johanna Schweizer, ZIRIUS, Universität Stuttgart, befasst sich schließlich mit einer Analyse der Grundlagen der Partizipation von Bürgern aus sozialwissenschaftlicher und philosophischer Perspektive. Diese zur Beratungspraxis des TAB komplementäre grundlagenorientierte Sichtweise liefert erhellende Einblicke beispielsweise in den Zusammenhang zwischen den Zielsetzungen, die mit Partizipationsverfahren angestrebt werden, und den philosophischen Konzepten, vor deren Hintergrund - explizit oder implizit - die Verfahren durchgeführt werden

Freileitungen oder Erdkabelleitungen?: eine Metastudie über die Kriterien und Ergebnisse von Untersuchungen zum Netzausbau

In der Vorbereitungs- und Bewilligungsphase von Netzausbaumaßnahmen im Übertragungsnetz werden verschiedene Technologieoptionen auf sehr unterschiedlichen inhaltlichen Ebenen diskutiert. Im Fokus der Diskussion steht dabei der Vergleich zwischen Freileitungen und Erdkabelleitungen. In diesem Zusammenhang sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von Untersuchungen und Publikationen angefertigt worden, die sich in allgemeiner Weise und auch bezüglich konkreter Ausbauvorhaben der Problematik des Technologievergleichs annehmen. Durch eine Analyse dieser Primäruntersuchungen und Projekte wird in der vorliegenden Metastudie der vorhandene Erkenntnisstand zum Thema Freileitungen und Erdkabelleitungen aufgearbeitet und zusammenfassend dargestellt. Untersucht wurden dazu Studien zum Netzausbau im Höchstspannungs-Übertragungsnetz (220kV und 380kV), die im Zeitraum 2000 bis Anfang 2011 im europäischen Raum durchgeführt und publiziert wurden. Dazu wurde ein Kriterienkatalog verwendet, der sowohl technische, ökonomische, ökologische, gesundheitliche als auch soziale Faktoren mit einbezieht. In der Publikation werden die Befunde zu den einzelnen Kriterien zusammenfassend dargestellt und für Freileitungen und Erdkabelleitungen gegenübergestellt

Planungs‐ und Betriebsgrundsätze für städtische Verteilnetze: Leitfaden zur Ausrichtung der Netze an ihren zukünftigen Anforderungen

Im Rahmen der Transformation der gesamten Energieversorgung können für das elektrische Energiesystem mehrere grundsätzliche technologische Entwicklungen identifiziert werden. Neben einer Veränderung von wenigen großen zentralen hin zu einer Vielzahl an kleinen dezentralen Erzeugungseinheiten drängen auch zunehmend weitere Akteure verstärkt in das elektrische Energiesystem. Insbesondere eine Verschiebung von Verbrennungsmotoren hin zu Elektromotoren im Bereich der Mobilität sowie eine Elektrifizierung der Gebäudewärme finden immer schneller ihren Zugang zum Energiesystem und stellen dabei vor allem an die Verteilnetze zentrale Herausforderungen dar. Ländliche Verteilnetze sind dabei hinsichtlich elektrischer Leistung zumeist die „Quellen“. Im Gegensatz dazu werden städtische Verteilnetze zukünftig als „Senken“ elektrische Energie aufnehmen, da die Anschluss- und Lastdichte bedeutend größer als im ländlichen Raum ist. Um die möglichen Netzoptimierungs- bzw. Netzausbaumaßnahmen aus konventioneller und innovativer Sicht unter Berücksichtigung der fortschreitenden Entwicklungen zu analysieren, ist es notwendig, die enormen Investitionsvolumina für den Umbau des Energiesystems zielgerichtet einsetzen und die Infrastrukturen auf ihre zukünftigen Anforderungen früh genug ausrichten zu können. Daher zielt das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Forschungsvorhaben mit der Grundlage konventioneller und innovativer Planungsprämissen und entsprechender Betriebsmittel und Technologien der Jahre 2018 bis einschließlich 2021 auf die Ableitung neuer Planungs- und Betriebsgrundsätze für städtische Verteilnetze von der Niederspannungs-, über die Mittelspannungs- bis hin zur Hochspannungsebene ab. Diese von der Bergischen Universität Wuppertal und der Siemens AG erarbeiteten neuen und generalisierten Grundsätze basieren auf vereinheitlichten Datensätzen der assoziierten Projektpartner und verfolgen dabei den Ansatz, mit der Zielsetzung einer volkswirtschaftlichen Gesamtkostenoptimierung ohne Beachtung des aktuellen Regulierungsrahmens für den überwiegenden Teil aller städtischen Verteilnetze gültig zu sein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die entwickelten Grundsätze auf den getroffenen Prämissen beruhen. Das bedeutet, dass nicht alle netzbetreiberspezifischen Szenarien, Netzsituationen, Strategien und Investitionsplanungen abgedeckt werden und teilweise von Analysen der Netzbetreiber abweichen können. Unabhängig davon dienen die verallgemeinerten Aussagen vor dem Hintergrund einer in Zukunft regelmäßigen Überprüfung aufgrund sich weiter verändernder Rahmenbedingungen zur unternehmenseigenen Aktualisierung und Ergänzung sowie ggf. zur Standardisierung bestehender Planungs- und Betriebsgrundsätze. Der vorliegende Leitfaden und die herausgearbeiteten grundsätzlichen Erkenntnisse zu städtischen Verteilnetzen stellen so – gemeinsam mit dem bereits veröffentlichten Leitfaden für ländliche Verteilnetze (Neue Energie aus Wuppertal, Band 8) – eine Basis zur Ableitung oder Aktualisierung unternehmensspezifischer Planungs- und Betriebsgrundsätze dar