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

Stromnetze für 65 Prozent Erneuerbare bis 2030

STROMNETZE FÜR 65 PROZENT ERNEUERBARE BIS 2030 Stromnetze für 65 Prozent Erneuerbare bis 2030 / Litz, Philipp (Rights reserved) ( -

Kostenoptimaler Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland

KOSTENOPTIMALER AUSBAU DER ERNEUERBAREN ENERGIEN IN DEUTSCHLAND Kostenoptimaler Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland (Rights reserved) ( -

Vollständig auf erneuerbaren Energien basierende Stromversorgung Deutschlands im Jahr 2050 auf Basis in Europa großtechnisch leicht erschließbarer Potentiale

VOLLSTÄNDIG AUF ERNEUERBAREN ENERGIEN BASIERENDE STROMVERSORGUNG DEUTSCHLANDS IM JAHR 2050 AUF BASIS IN EUROPA GROSSTECHNISCH LEICHT ERSCHLIESSBARER POTENTIALE Vollständig auf erneuerbaren Energien basierende Stromversorgung Deutschlands im Jahr 2050 auf Basis in Europa großtechnisch leicht erschließbarer Potentiale (Rights reserved) ( -

Untersuchungen zur Integration der fluktuierenden Windenergie in das System der Elektroenergieversorgung

Die Arbeit systematisiert Herausforderungen und beschreibt Lösungsansätze zur Integration der fluktuierenden Windenergie in das System der Elektroenergieversorgung Europas. Dazu werden u.a. Optimierungsmodelle zur Standortauswahl von Windenergieanlagen und darauf aufbauend zur Quantifizierung des weiträumigen Ausgleichseffekts der Windenergie auf Basis meteorologischer Daten vorgestellt. Die Windenergie kann demnach einen maßgeblichen Beitrag zur Bereitstellung elektrischer Energie leisten

Deutschland, ein Solarmärchen?: Die Zweite Phase der Energiewende zwischen Richtungsstreit und Systemintegration

Die fortgeschrittene Phase der Energiewende ist, neben einer zunehmenden Notwendigkeit zur Systemintegration, vor allem geprägt durch das Zutage treten grundsätzlicher Richtungsentscheidungen – der Schwerpunkt verschiebt sich also vom ‚Ob‘ zum ‚Wie‘. Heutige Infrastrukturentscheidungen begründen dabei ganz unterschiedliche Energiezukünfte, welche wiederum über sozio-technische Pfadabhängigkeiten auf Dauer gestellt werden. Die Arbeit rückt zunächst die hierfür maßgeblichen Stellschrauben in den Vordergrund und beleuchtet deren wirtschaftliche und technische Grundlagen sowie die Bandbreite konkurrierender politischer Steuerungsoptionen. Auf dieser Datengrundlage wird im Rahmen einer Clusteranalyse die Aktualisierung des politikfeldspezifischen Akteurskoalitionsmodells vorgeschlagen. Im Mittelpunkt steht dabei die strukturbildende Unterscheidung zwischen einer eher zentralen und einer eher dezentralen Energiezukunft. Die so skizzierte ‚Landkarte der Energiewende‘ ist weiterhin eingebettet in eine Untersuchung des Energiediskurses auf Akteurs- und Medienebene sowie durch eine Politikfeldanalyse, in der aktuelle steuerungspolitische Problemstellungen und Handlungsmuster auf Basis technologischer Fallbeispiele beleuchtet werden. Die Arbeit ist ein Ergebnis der Forschung im interdisziplinären Boysen-TU Dresden Graduiertenkolleg „Nachhaltige Energiesysteme – Interdependenz von technischer Gestaltung und gesellschaftlicher Akzeptanz.

Regenerative Energieträger zur Sicherung der Grundlast in der Stromversorgung. Endbericht zum Monitoring

Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung Deutschlands steigt in den letzten Jahren mit beeindruckender Geschwindigkeit: er beträgt bereits über 20 %, davon etwa die Hälfte aus fluktuierenden Quellen – vor allem Windkraft und Photovoltaik. Langfristig (bis 2050) wird die Zielsetzung einer nahezu Vollversorgung mit erneuerbaren Energien verfolgt. Damit wird deutlich, dass das System der Stromversorgung in den nächsten Jahrzehnten einem Umbruch historischen Ausmaßes unterliegen wird. Der TAB-Bericht geht der Frage nach, wie unter diesen Bedingungen die Grundlast in der Stromversorgung weiterhin gesichert werden kann. Diese Frage kann nur in einer Systemperspektive angegangen werden, die alle Ebenen umfasst: von der Erzeugung über den Transport und die Verteilung bis hin zum Verbrauch von Elektrizität. Daher erweitert sich die Fragestellung dahingehend, wie eine gesicherte Versorgung insgesamt organisiert werden kann. Es zeigt sich, dass das Stromsystem wesentlich flexibler als bisher auf unterschiedliche Einspeise- und Nachfragesituationen reagieren können muss. Optionen zur Steigerung der Flexibilität existieren in vielen Bereichen: > Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Netze > Flexibilisierung des konventionellen Kraftwerksparks und dessen Betriebsweise > stärkere Orientierung der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien an der Nachfrage > Lastmanagement, sowie nicht zuletzt Errichtung von zusätzlichen Speichern In allen diesen Handlungsfeldern werden im TAB-Bericht Handlungsoptionen identifiziert, wie die öffentliche Hand bzw. die energiepolitischen Akteure in Exekutive und Legislative durch Gestaltung von Rahmenbedingungen dazu beitragen können, dass der anstehende Umbau der Stromversorgung gelingen kann. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 5 I. EINLEITUNG 19 II. ELEKTRIZITÄTSVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 23 1. Ausbauziele und Szenarien für RES-E 25 2. Grundlast und gesicherte Versorgung 29 III. STROMNETZE 39 1. Erweiterung der Netzkapazität 39 1.1 Optimierung des Netzbetriebs 39 1.2 Massnahmen zur Netzverstärkung 40 1.3 Netzausbau 42 2. Netzausbaubedarf und Kosten 44 2.1 Deutschland 45 2.2 Europäische Perspektive 54 2.3 Transeuropäisches Supergrid 56 IV. SPEICHER UND WEITERE FLEXIBILISIERUNGSOPTIONEN 63 1. Speicher 64 1.1 Speicherbedarf 66 1.2 Speicherkosten 68 1.3 Speichertechnologien 70 2. Weitere Flexibilisierungsoptionen 83 2.1 Biogas 83 2.2 Wärme als Stromsenke – Verbindung zum Wärmesektor 86 2.3 Lastmanagement 88 2.4 Ausbau des Stromaustausches mit Norwegen 92 2.5 Regenerative Kombi-/Hybridkraftwerke 94 3. Speicher und weitere Flexibilisierungsoptionen: Zwischenfazit 97 V. SZENARIENANALYSE 99 1. Vorgehensweise 99 2. Bestimmung der Einspeiseprofile im Referenzjahr 100 3. Szenariodarstellung 101 4. Situation des Stromversorgungsystems ohne Flexibilisierungsoptionen 103 5. Begrenzungen und Flexibilisierungsoptionen 106 5.1 Systemdienstleistungen 107 5.2 Bestehende Flexibilisierungsoptionen 108 5.3 Geplanter Ausbau der bestehenden Flexibiliersungsoptionen bis 2020 109 6. Parametrisierung der Flexibilisierungsoptionen 111 6.1 Beschreibung des Modellierungsansatzes 112 6.2 Ergebnisse zur Glättung der Residuallast 113 6.3 Ergebnisse zur Glättung der RES-E-Einspeisung 115 6.4 Netzengpässe als weitere Begrenzung 118 7. Kernergebnisse der Analyse 118 VI. INTERNATIONALE ERFAHRUNGEN 121 1. Dänemark 122 2. Iberische Halbinsel 124 3. Vergleich mit Deutschland 125 VII. HANDLUNGSFELDER UND HANDLUNGSOPTIONEN 129 1. Netzengpässe und Netzausbau 129 2. Konventionelle Kraftwerke 131 3. Flexibilisierungsoptionen 133 4. Regelmarkt 137 5. Strommarktdesign 138 6. Europäische Kooperation 138 VIII. LITERATUR 139 1. In Auftrag gegebene Gutachten 139 2. Weitere Literatur 139 IX. ANHANG 153 1. Tabellenverzeichnis 153 2. Abbildungsverzeichnis 15