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

Integration erneuerbarer Energiequellen in das Schweizer Verteilnetz: Möglichkeiten von Microgrids

Die Literaturstudie wurde von den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) im Rahmen ihrer Hochschulförderung finanziell unterstützt.Microgrids sind eine vielversprechende Möglichkeit, die zunehmende Anzahl EE-Anlagen verhältnismässig kostengünstig in das bestehende Stromnetz zu integrieren. Viele technische Komponenten befinden sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und werden erst in der Zukunft wirtschaftlich einsetzbar sein. Trotzdem werden derzeit schon verschiedene grosse Microgrids in Pilotprojekten weltweit implementiert. Offiziell und langfristig ins Netz integriert wurden bisher meist nur kleine Microgrids, typischerweise zur rudimentären Stromversorgung oder auf Gebäude- oder Campus-Ebene. Die Rolle der Verteilnetzbetreiber wird sich mit der Einführung von Microgrids erheblich ändern und erweitern, da sie damit aktiver in das Stromgeschehen eingreifen können. In der Schweiz werden die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Einbindung von Microgrids momentan erst noch ausgearbeitet, welche die möglichen Implementierungen von Microgrids, beispielsweise über Vergütungsanreize, in den nächsten Jahren stark beeinflussen können

Infrastrukturelle Aspekte der Elektromobilität von morgen

Die vorliegende Arbeit stellt eine Erstanalyse hinsichtlich des nationalen Vorhabens „Elektromobilität“ dar und setzt den Schwerpunkt auf die größten infrastrukturellen Herausforderungen und die damit verbundenen Lösungsansätze. Diese werden in einem abschließenden Teil bewertet und in einem Gesamtfazit dargestellt. Die vorliegenden Informationen wurden aus wissenschaftlichen Quellen referenziert und entsprechend den Subthemen sortiert zusammengetragen. In einem ersten Schritt werden die Auswirkungen einer weiter fortschreitenden Elektromobilität auf das Stromnetz betrachtet. Hierzu werden der wachsende Markt der Erneuerbaren Energien und dessen zukünftige Herausforderungen erläutert. Des Weiteren werden intelligente Stromnetze sowie verschiedene Konzepte der Energiespeicherung veranschaulicht. Dazu wird ein Überblick über die grundlegend verschiedenen Konzepte der Ladungsarten, Abrechnungssystemen als auch Ladeorte gegeben. Mit der Elektromobilität gehen ebenfalls neue Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationssysteme einher, die für bisher automotive fremde Unternehmen ungeahnte Chance in der Branche eröffnen. Bevor dem Leser Geschäftsmodelle der alternativen Antriebstechnologie näher gebracht werden, widmet sich die vorliegende Ausarbeitung ebenfalls der Thematik „Smart Traffic“. Dabei wird der Gedanke der intelligenten Vernetzung der Energieinfrastruktur auf Aspekte der Verkehrsinfrastruktur übertragen. Somit kann das bisher klassische Bild der Elektromobilität vom reinen Individualverkehr zur vernetzten Intermodalität erweitert werden. Aus Sichtweise des Marketings werden mögliche Herangehensweisen, Kundenanforderungen und die damit einhergehenden Herausforderungen für eine erfolgreiche massenmarktfähige Elektromobilität dargestellt. Veränderungen innerhalb der Wertschöpfungskette der Automobilhersteller werden ebenso betrachtet wie das sich wandelnde gesellschaftliche Verständnis der Mobilität

Interaktives Gebäude-Energiemanagement

Im Rahmen der Arbeit wird das Energy Management Panel vorgestellt, das eine umfangreiche Anwendung für die Interaktion zwischen dem Nutzer und dem Gebäude-Energiemanagement darstellt. Der Building Manager erweitert ein konkretes Gebäude-Energiemanagementsystem zur Integration der Nutzerinteraktion. Durch die Kopplung dieser beiden Komponenten entsteht das Interaktive Gebäude-Energiemanagement, welches drei wesentliche Bausteine kombiniert: Visualisierung, Parametrisierung und Systemkonfiguration

Techniken zur Energiewende - studentische Fachkonferenz im Masterstudiengang Elektrische Systeme

Die studentische Fachkonferenz im Rahmen des Seminars im Masterstudiengang Elektrische Systeme in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik wird zum sechsten Mal veranstaltet. Alle Studierenden erarbeiten unter dem vorgegebenen Rahmenthema eigene Beiträge, recherchieren, ergänzen, stellen die aktuellen Erkenntnisse zu wissenschaftlichen Publikationen zusammen. Die Energiewende ist seit einigen Jahren ein heiß diskutiertes Thema. Die dezentrale Energieversorgung unter Anwendung erneuerbarer Quellen, insbesondere Wind- und Solarkraft, ist langfristig gesehen die einzige Antwort auf die Ausbeutung der Erde und Zerstörung der Umwelt durch Gewinnung nichtregenerativer Energien, insbesondere Öl, Erdgas und Uran. Allerdings gibt es noch viele Bereiche, die intensive wissenschaftliche und entwicklungstechnische Arbeiten benötigen. Wie aus dem Titel durch Verwendung des Wortes „zur“ anstatt „der“ schon erkennbar, werden in dieser Fachtagung weniger die Techniken betrachtet, die schon zum Einsatz kommen, sondern zukünftige Techniken, die gedanklich auf Papier gebracht wurden, oder inzwischen das Stadium der Machbarkeitsstudie erreicht haben. Das Thema Energiewende beinhaltet ein sehr breites Feld von Techniken. Daher haben sich die Teilnehmer auf nur wenige, wichtige Gebiete konzentriert: Regenerative Energiegewinnung, Elektromobilität, Speichertechnologien und Smart Grid. Durch das intensive Befassen mit diesen Themen haben sich die Studierenden zum ersten Mal richtig mit den Problemen der Energiewende vertraut gemacht. Sie haben dabei erkannt, dass für die Ingenieure der Fachrichtungen Elektrotechnik und Informationstechnik überaus vielfältige, spannende und auch aus gesellschaftspolitischer Sicht notwendige und lohnende Aufgaben auf sie warten

Kalte Winter und die globale Erwärmung

Immer wieder fragen sich viele Menschen, wie es angehen kann, dass trotz des gemessenen Anstiegs der Erdtemperatur seit Beginn des 20. Jahrhunderts immer noch recht kalte Temperaturen, Schnee und Eis auftreten können. Andererseits kann man auch des Öfteren alarmierende Stimmen vernehmen, die praktisch jedes Wetterextrem als Beleg für eine sich anbahnende Katastrophe sehen. Die Verwirrung ist groß. Das wäre aber nicht nötig, wenn man sich ein paar fundamentale Zusammenhänge rund ums Wetter und das Klima klarmacht

e-Energy

In dieser Arbeit werden mittels einer SWOT-Analyse die Stärken, Schwächen, Chancen und Gefahren der Informations- und Kommunikationstechnologien in der Energiewirtschaft von Morgen dargestellt. Ziele der zukünftigen Energieversorgung sind die Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit der Stromversorgung zu sichern. Die Chancen zur Realisierung und in weiterer Folge zur Einhaltung dieser definierten Ziele liegen in den Potenzialen des Internets und der laufenden dynamischen Entwicklung neuer Informations- und Kommunikationstechnologien. Zukünftig soll mittels intelligenter Netzwerke - Smart Grids – die Interaktion innerhalb der energiewirtschaftlichen Wertschöpfungskette flexibler und dezentralisierter abgehandelt werden können. In der Energieerzeugung entsteht dank des vermehrten Einsatzes von IKT und der Vernetzung virtueller Kraftwerke ein insgesamt verbesserter Informationsstand in allen Bereichen des Systems. Kundenseitig liegt der wesentliche Nutzen in der transparenteren Gestaltung des tatsächlichen Energieverbrauchs. Grundvoraussetzung ist die flächendeckende Einführung neuer, digitaler IKT-Standards

Zukünftige Themen der Innovations- und Technikanalyse : Methodik und ausgewählte Ergebnisse (KIT Scientific Reports ; 7605)

Präsentation der Ergebnisse und Methodik des Projekts ITA-Monitoring" zur Identifizierung zukünftiger Themen der Innovations- und Technikanalyse für das BMBF und die Herausarbeitung ihrer jeweils besonderen Fragestellungen. Neben dem Thema "Elektromobilität" werden die Fragestellungen "Smart Grids", "Nichtmedizinische Anwendungen der Neurowissenschaften" und "Klebrige Informationen" dargestellt

Aspekte der Anreizkompatibilität im energiepolitischen Regulierungsrahmen: Ein Beitrag zu den Auswirkungen der Energiewende aus der Perspektive der Stromverteilnetze

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Aspekte der Anreizkompatibilität im energie-politischen Regulierungsrahmen aus der Perspektive der Stromverteilnetze. Ausgehend von der theoretischen Einordnung und den konkreten Auswirkungen der Energiewende auf die Stromverteilnetze als Plattform ihrer Umsetzung erfolgte die Entwicklung des konzeptionellen Modells der Anreizkompatibilität. Es ermöglicht im Regulierungsrahmen der Energiewende Regulierungselemente, die auf verschiedenen Wertschöpfungs-stufen wirken, zu erfassen und ihre Wechselwirkung zu analysieren. Ein konkretes Bei-spiel ist das EEG auf der Erzeugungsseite und die Anreizregulierungsverordnung im Netzbereich. Beide Vorgaben beeinflussen die jeweiligen Akteure, sind aber nicht auf-einander abgestimmt. So stehen sich Kapazitätserweiterung in der Erzeugung und Kosteneffizienz im Netzbereich als konträre Sachziele gegenüber. Im Ergebnis ist durch die Hinzuziehung der Anreizkompatibilität als Regulierungskriterium eine bessere Abstimmung der Maßnahmen möglich und schafft die Voraussetzung einer effizienten energiepolitischen Zielerreichung.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis VIII Anlagenverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abkürzungsverzeichnis XII Verzeichnis über verwendete Symbole und Variablen XIV 1 Überblick über Aufbau und Argumentationsfolge 1 1.1 Hintergrund und Problemstellung 1 1.2 Ziel und Struktur der Arbeit 4 2 Netzökonomische Grundlagen 8 2.1 Stromnetze in Deutschland 8 2.1.1 Aufbau, Anordnung und Stromnetzbetrieb 8 2.1.2 Einflussgrößen auf die Netzauslegung 10 2.1.3 Charakteristisches Verhalten der Einspeisung, Verbrauch und Speicher 11 2.2 Ökonomische Eigenschaften von Stromnetzen 17 2.2.1 Einordnung der Verteilnetze in die Wertschöpfung der Stromversorgung 17 2.2.2 Gesamtwirtschaftliche Einordnung 19 2.2.3 Betriebswirtschaftliche Einordnung 25 3 Energiepolitik in Deutschland – Stromsektor im Fokus 28 3.1 Das energiepolitische Zieldreieck 28 3.2 Beispiele ausgewählter energiepolitischer Wegmarken 30 3.3 Ziele und Instrumente im deutschen Energiekonzept 32 3.4 Begriffliche Einordnung der Energiewende im Stromsektor 36 4 Empirische Analyse zur Erzeugungs- und Verbrauchslastentwicklung 39 4.1 Vorgehensweise und Datenbasis 40 4.2 Methodische Einordnung, Aufbau und Aggregationsebenen 42 4.3 Annahmen und Zeitdimension der Szenarien 45 4.3.1 Szenarien Über- und Untererfüllung Ausbaukorridor EEG 2014 46 4.3.2 Entwicklung der installierten Leistung der EE 47 4.3.3 Entwicklung der Verbrauchslast 51 4.4 Ausgewählte Ergebnisdarstellung zur zeitlichen Verteilung von Einspeisung und Verbrauch 52 4.4.1 Fallbeispiel: Starke Wind- und PV-Einspeisung und schwache Verbrauchslast 52 4.4.2 Fallbeispiel: Schwache Wind- und PV-Einspeisung und starke Verbrauchslast 56 4.5 Ausgewählte Ergebnisdarstellung zur räumlichen Verteilung der installierten Erzeugungskapazität 59 4.5.1 Fallbeispiel: Erneuerbare Erzeugungsleistung 59 4.5.2 Fallbeispiel: Anteil EE-Stromerzeugung am Letztverbraucherabsatz 61 4.6 Sensitivitätsanalyse: Fortschreitender Ausbau der PV-Erzeugung und Überschusspotentiale für Speicher 64 5 Konkrete Auswirkungen der Energiewende auf die Stromverteilnetze 69 5.1 Veränderungen im Stromverbrauch 69 5.2 Veränderungen in der Erzeugung 72 5.2.1 Treiber der Energiewende in der Stromerzeugung 72 5.2.2 Merkmale der Energiewende im Erzeugungsbereich 75 5.3 Zusammenarbeit der Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber 81 5.4 Integration von Stromspeichern 83 5.5 Aufgabenentwicklung der Verteilnetzbetreiber 84 5.6 Ausgewählte Untersuchungen zur Netzentwicklung 87 5.6.1 dena: Verteilnetzstudie 2012 88 5.6.2 Netzentwicklungsplan Strom 2013 91 5.6.3 Plattform Energienetze: Verteilernetzstudie 2014 92 5.6.4 Agora Energiewende: Stromspeicher in der Energiewende 2014 94 5.6.5 dena: Einführung von Smart Meter in Deutschland 2014 96 5.6.6 Studiensynopse Netzausbau und kritische Würdigung der Untersuchungsergebnisse 98 5.7 Zwischenfazit 101 6 Anreizregulierung und Ausgestaltung der Netzentgelte in Deutschland 106 6.1 Begriff und Ziele der Regulierung 106 6.2 Grundlegende Regulierungsansätze 108 6.2.1 Gegenstand und Zeitpunkt des Regulierungseingriffes 108 6.2.2 Systematisierung grundlegender Regulierungsansätze 110 a. Kostenbasierte Regulierungsansätze 111 b. Performancebasierte Regulierungsansätze 112 c. Kombinierte Regulierungsansätze 113 6.3 Anreizstrukturen und Zielverfolgung der Erlösobergrenzenregulierung 114 6.3.1 Wirkungsweise der Anreizregulierung in den ersten beiden Regulierungsperioden 114 6.3.2 Beschreibung der Elemente der Regulierungsformel 118 6.3.3 Veränderte Anreize für die dritte Regulierungsperiode 123 a. Veränderte EOG-Formel 123 b. Wirkungsweise Kapitalkostenabgleich 124 6.3.4 Effizienzvergleich 126 6.4 Ausgestaltung der Netzentgelte in Deutschland 128 6.4.1 Rechtlicher Rahmen 128 6.4.2 Aktuelles Verfahren zur Ermittlung der Netznutzungsentgelte 129 7 Anreizkompatibilität im Regulierungsrahmen der Energiewende und der Entgeltregulierung 134 7.1 Terminologie und Begriffszusammenhänge der Anreizkompatibilität 134 7.2 In die Regulierung involvierte Akteure und ihre Ziele 137 7.2.1 Exkurs: Ebenen der Gesamtbetrachtung 137 7.2.2 Betrachtung ausgewählter Akteure 138 7.2.3 Zielgegenüberstellung der gesetzgebenden Organe, Netzbetreiber und Netznutzer 141 7.2.4 Diskussion zum Regulierungsrahmen ausgewählter Akteure 145 c. Technische Lösungsmöglichkeiten 146 d. Wirtschaftlich-rechtlicher Regulierungsrahmen 147 7.3 Anreizkompatibilität im Regulierungsrahmen 150 7.3.1 Zielkonflikt zwischen Energiewende und Anreizregulierung 150 7.3.2 Auswirkungen der Unbundling-Vorschriften 153 7.3.3 Technologieeinführung intelligenter Messsysteme 155 a. Derzeitige Regelungen im EnWG 156 b. Gesetzesentwurf Messstellenbetriebsgesetz mit Einführung einer Preisobergrenze 156 7.3.4 Regulatorischer Rahmen für Stromspeicher 160 7.4 Sachverhalte zur Anreizkompatibilität innerhalb der Wertschöpfungskette 162 7.4.1 Privilegierter Netzanschluss von EEG- und KWK-Anlagen 162 7.4.2 Abschaltung von EEG- und KWK-Anlagen 164 7.4.3 Direktvermarktung und Steuerungsbedarf in den Verteilnetzen 167 7.4.4 Netzentgelte, netzdienliches Verbrauchsverhalten und Lastflexibilität 169 7.5 Ergebnisüberblick und Bewertung der Anreizkompatibilität 173 8 Fazit und Perspektiven 176 8.1 Reformbedarf der Anreizregulierung 176 8.2 Grenzen der Regulierung 177 8.3 Resilienz durch Priorisierung im energiepolitischen Dreieck 179 8.4 Paradigmenwechsel in der Betrachtung der Regulierung – integrierte Anreizsysteme für Flexibilitätsoptionen 180 8.5 Entwicklungsoptionen in der Abstimmung von Erzeugung und Verbrauch 181 8.6 Abschließendes Resümee 183 Bibliographie CXCII Rechtsquellenverzeichnis CCXVI Wissenschaftlicher Werdegang des Verfassers CCXIX Bibliographische Beschreibung CCXXI Selbstständigkeitserklärung CCXXI

Architekturmodelle und Datenkonzepte im multimodalen Energiesystem

Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der Sichtung und Bewertung existierender Beschreibungen und Architekturen des Systems Energie/IKT sowie Vorschläge zu nötigen Erweiterungen gemäß Task 3.1 „Architekturmodelle des Energiesystems“ und zu bestehenden und zukünftigen Datenflüssen gemäß Task 3.2. „Kommunikationsarchitekturen“ zusammen. Dazu werden zunächst eine Beschreibung sowie eine Analyse der relevanten Architekturbestandteile und der beteiligten Rollen und Akteure durchgeführt. Darauf aufbauend wird dann ein Überblick existierender Anwendungsfälle von IKT im Kontext Smart Grid gegeben und exemplarisch einzelne Fälle detaillierter analysiert