Stromnetze der Zukunft

So bleiben die Stromnetze sicher

Durch regenerative Energien und neuen Energieverbrauchern wie E-Autos und Wärmepumpen ändern sich die Anforderungen an die Stromnetze grundlegend. Alles, was an Maßnahmen sinnvoll ist, um die Netze zu entlasten, findet sich dabei im Konzept der Energiezelle:

  • Entschwendung*
  • Energie möglichst effektiv nutzen
  • Energie dort erzeugen, wo sie benötigt wird
  • Energie möglichst dann nutzen, wenn sie entsteht
  • Aufbau von lokalen Energiespeichern und Energielagern (Reserven), auch um Energie in Zeiten eines Überangebots zu „parken“.
  • Schaffung kleiner, autarker Einheiten in Form von Energiezellen, die nicht nur inselfähig sind, sondern auch einen Beitrag zur Netzstabilität leisten können. Die Stichworte sind hier „Micro Grid“1 „Smart Grid“2 und „Virtuelle Kraftwerke“3.

Worin alte und neue Herausforderungen genau liegen, können sie im Folgenden nachlesen.

1. Stromnetz der Zukunft: Ein Markt der vielen Millionen Stromerzeuger

Bereits heute und im Stromnetz der Zukunft noch viel mehr, treten an die Stelle von einer überschaubaren Anzahl an Großkraftwerken eine Vielzahl kleiner, dezentraler Anlagen in Form etwa von Photovoltaik- und Biogas-Anlagen oder Windrädern.

Dies führt zu völlig neuen Herausforderungen mit Blick auf die Überwachung und Steuerung der Netze. Es ist nicht nur zu erwarten, dass künftig mehr Knotenpunkte, Transformatoren und Leitungen an ihre Grenzen kommen werden (Netzengpässe). Es geht ab jetzt zudem um eine intelligente Verteilung von Stromflüssen auf den unteren Netzebenen, die in dieser Form bislang nicht notwendig war.

Energiezelle Mainz-Bingen - viel regenerative Energie

2. Zahl der Stromverbraucher steigt signifikant

Nicht nur die Anzahl der Stromerzeuger, sondern auch der Stromverbraucher steigen signifikant, denn zu den bekannten Verbrauchern kommen etwa eine steigende Zahl von E-Autos und Wärmepumpen sowie Anlagen zur Herstellung von grünem Wasserstoff oder grünem Gas. Hier lautet das Stichwort Sektorenkopplung4: Fossile Energieträger werden, wo immer möglich, durch regenerativ erzeugten Strom oder durch andere grüne Energieträger ersetzt.

Energiezelle Mainz-Bingen - mehr Stromverbraucher

Strom, Wärme und Mobilität werden dabei zusammen gedacht. Dadurch sinkt zwar der Gesamtenergieverbrauch. Der Stromverbrauch wird dadurch jedoch steigen und auch die Belastung der Netze, so dass Netzengpässe nicht nur auf Ebene der Hoch- und Höchstspannungsleitungen, sondern auch auf den unteren Ebenen zu erwarten sind oder aktuell schon existieren.

3. Neue Anforderungen an die Netze

Das elektrische Netz der Zukunft kann nur dann stabil betrieben werden, wenn auch künftig Frequenz, Spannung und thermische Belastung (Strom) im erforderlichen Maße und auf allen Netzebenen kontrollierbar sind. Aktuell ist dies nicht der Fall.

Hinzu kommt das Problem der sogenannten transienten Stabilität (Polradwinkelstabilität). Das gesamte europäische Stromnetz pulsiert von Portugal bis in die nordischen Staaten hinein synchron. Auch diese Synchronizität muss zu jeder Zeit erhalten bleiben und die Fähigkeit des elektrischen Systems trotz und nach schweren Störungen synchron zu arbeiten ist notwendig für eine stabile Versorgung5.

Vorstellen kann man sich dies wie eine Reihe von Kindern, die synchron – also genau in einer Reihe – schaukeln. Schaukelt plötzlich eines der Kinder zu langsam (Frequenzabfall), fällt es hinter die anderen Kinder zurück. Es muss dann nicht nur versuchen, wieder auf dasselbe Schaukeltempo wie die anderen Kindern zu kommen (gleiche Frequenz). Es muss die anderen Kinder auch wieder einholen. Erst dann können alle Kinder erneut in genau einer Reihe schaukeln.

4. Was tun mit zu viel Strom?

Die Abhängigkeiten der Energieversorgung vom Wetter erhöht sich enorm. Man spricht hier von einer volatilen oder fluktuierenden, also schwankenden Energieerzeugung, denn Sonne und Wind stehen nicht immer in gleichem Maße zur Verfügung. Einerseits ermöglicht dieses gelegentliche Überangebot an Strom, diesen ins Ausland zu exportieren. Zugleich ist das Abregeln etwa von Windkraftanlagen, um eine Überlastung der Stromnetze zu vermeiden, heute schon üblich, während Deutschland weiterhin auch auf Energieimporte aus dem Ausland angewiesen bleibt. Eine Lösung besteht unter anderem in der Schaffung von regionalen Energielagern und Energiespeichern, die dann auch bei Stromlücken genutzt werden können.

Aktuell verhindern politische Rahmenbedingungen, dass sich der Aufbau von Speichern in Form von Pumpspeicherwerken oder auch Quartiersspeichern lohnt. Hier könnte es eine sinnvolle Maßnahme sein, etwa die doppelten Netzentgelte für Speicher endgültig zu streichen oder diese als systemrelevant einzustufen.6 Parallel dazu erfolgt der Netzausbau. Hilfreich könnte zudem eine Reform des Strommarktes sein, die es einzelnen ermöglicht, regenerativen Strom auch vom Nachbarn, d.h. in der Region zu kaufen.7 Hier lautet ein bekanntes Stichwort Energy Sharing8.

5. Was tun bei zu wenig Strom?

Eine volatile Stromerzeugung kann jedoch nicht nur zu einem „zu viel“ an Strom führen, sondern auch zu einem „zu wenig“. Steigt der Strombedarf künftig, steigt das Risiko von Stromlücken: Dies gilt zum Beispiel für den Fall einer mehrwöchigen trockenen Dunkelflaute bei sehr tiefen Temperaturen und anderen Extremwettersituationen. Man spricht in diesem Fall von einer ungedeckten Residuallast, denn Energie aus erneuerbaren Energien und Speichern steht nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung. Dies macht den Aufbau von weiteren Reserven notwendig. Auch deshalb ist es geboten, die politischen Rahmenbedingungen so zu ändern, dass etwa dem Bau von weiteren Pumpspeicherwerken nichts mehr im Wege steht.

Quellen:

  1. https://www.dke.de/de/arbeitsfelder/energy/microgrids ↩︎
  2. https://www.vde.com/de/etg/arbeitsgebiete/informationen/smartgrid-microgrid ↩︎
  3. https://www.next-kraftwerke.de/wissen/virtuelles-kraftwerk ↩︎
  4. Mehr zum Thema Sektorenkopplung bei Energiesysteme der Zukunft und bei Wärmewende ↩︎
  5. https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Fachthemen/ElektrizitaetundGas/Versorgungssicherheit/Netzengpassmanagement/Studie/start.html ↩︎
  6. Netzentgeltbelastung für zwischengespeicherten Strom dauerhaft beseitigen. Positionspapier des BVES – Bundesverband Energiespeicher Systeme e.V. (Download als PDF) ↩︎
  7. https://www.tagesschau.de/wirtschaft/energie/strommarkt-stromleitungen-plusminus-100.html ↩︎
  8. https://www.bee-ev.de/service/publikationen-medien/beitrag/eckpunkte-eines-energy-sharing-modells ↩︎