Tutorial Technologien der Energiewende 2 – Netze

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Quelle: unsplash.com – Fré Sonneveld

Die alte Energiewelt

Das konventionelle Stromnetz besteht aus elektrotechnischen Komponenten. Sie stellen eine elektrische Verbindung zwischen Erzeugern und Verbrauchern her. Ein Netz besteht nicht nur aus elektrotechnischen „passiven“ Teilen. Diese Abgrenzung soll zur Definition des Begriffes dienen.

Um die Jahrtausendwende in das 20. Jahrhundert wurden in europäischen Staaten Konzessionen [2] zum Aufbau von Stromnetzen vergeben. Die Monopolisten hatten Erzeugung und Netzbetrieb inne. Erst mit der Liberalisierung entstand ein freier Energiemarkt. Im Jahr 2009 trennten sich Erzeugung und Netzbetrieb. Ursache war das dritte Energiepaket der EU. Von 2010 bis 2012 wurde die formelle Trennung von Netzen und Erzeugung umgesetzt. Entstanden sind die Gesellschaften Tennet (ehemals E.on), 50Hertz (Vattenfall), Amprion (RWE) und TransnetBW (EnBW). Auch die Verteilnetzbetreiber sind von diesem „Unbundling“ betroffen.

Die heutige Energiewelt und die Spannungsebenen

Abbildung 1: Die Spannungsebenen des Stromnetzes (Quelle: Energy Brainpool)

Quelle: Energy Brainpool

Unser heutiges Stromnetz besteht aus Höchst-, Hoch-, Mittel-, Niederspannungsnetz. Auf jeder dieser Ebenen herrschen bei gleicher Frequenz von 50 Hertz andere Spannungen. Die zu übertragende elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Um Kosten gering zu halten, wird versucht, die Übertragungsverluste möglichst zu begrenzen. Das wird mit niedrigen Stromstärken erreicht. Die Spannung muss bei niedrigen Stromstärken jedoch möglichst hoch sein. So kann viel Leistung verlustarm übertragen werden. Große Kraftwerke speisen in der Höchstspannungsebene ein. Je kleiner die Kraftwerksleistung, desto niedriger wird die Einspeiseebene. Kleine Photovoltaikmodule, wie sie auf vielen privaten Dächern installiert sind, speisen auf der Niederspannungsebene in Verteilnetzen ein.

Die Netzfrequenz

Die Netzfrequenz im europäischen Verbundnetz beträgt 50 Hertz (Hz). Ist zu viel Strom im Netz, entsteht also ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch. Die Netzfrequenz kann somit schwanken. Beispielsweise erhöht sich durch die gleichzeitige Produktion von Windenergie und konventionellen Kraftwerken [3] die Frequenz. Zum Ausgleich von unvorhersehbaren Leistungsschwankungen kommt Regelleistung/Regelenergie zum Einsatz. Ist zu viel Energie im Netz, also ein Leistungsüberschuss, wird negative Regelenergie benötigt. Die Einspeisung von Kraftwerken wird gedrosselt oder Verbraucher entnehmen dem Netz kurzfristig Leistung. Bei zu wenig Energie im Netz, zum Beispiel bei einer nicht vorhersehbaren zu hohen Nachfrage, kommt positive Regelenergie zum Einsatz. Leistung wird dem Netz hinzugefügt, Kraftwerke erhöhen ihre Erzeugung oder Verbraucher reduzieren ihre Nachfrage.

Wer mehr dazu erfahren möchte eine Leseempfehlung:

Das Werk „Wer die Netzfrequenz stört“. Geschrieben wie ein Roman. Fesselnd und dennoch wird die Komplexität der Frequenzhaltung in den Energiewirtschaft beleuchtet.

Das Verteilnetz

Über 1,8 Mio. Kilometer Elektrizitätsnetz existieren in Deutschland. Allein 1,1 Mio. Kilometer [4] entfallen davon auf das Verteilnetz (Haushalte sind hier bspw. angeschlossen) und lediglich 36.000 auf das Übertragungsnetz (Hier u.A. größere Kraftwerke ein). Die Anzahl der Zählpunkte im Übertragungsnetz beträgt 537 und im Verteilnetz über 50. Mio. Insgesamt existieren vier Übertragungsnetzbetreiber und 829 Verteilnetzbetreiber im Jahr 2017 Monitoring-Bericht BNetzA 2017 [5]. Im Jahr 2016 betrug laut Bundesnetzagentur [6] die Anzahl EEG-geförderter Anlagen 1,6 Mio. 95 Prozent [7] dieser Erneuerbaren-Energien-Anlagen befanden sich im Verteilnetz. Das Verteilnetz gewinnt also an Bedeutung.

Der Netzausbau

Seit April 2000 ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz [8] in Kraft. Der Ausbau “grüner Energieträger” (erneuerbare Energien – eE) im Stromsektor war in den letzten beiden Jahrzehnten im Fokus der Energiewende. Die Tendenz ist nach den Ausbauzielen der Bundesregierung [9] bis 2050 steigend.

Ausfallarbeit EinsMan in GWh (Quelle: Energy Brainpool)

Quelle: Energy Brainpool

Durch den starken Ausbau erneuerbarer Energien auf untere Netzebenen verlagert sich die Einspeisung. Ein ausschließlicher Top-Down-Fluss des Stromes wie zu Beginn der Elektrifizierung, von den Höchstspannungsleitungen hin zu den Verteilnetzen, existiert so nicht mehr. Die Netze erfahren einen Stresstest. Einige Folgen sind, dass manchmal erneuerbare Erzeuger abgeregelt werden und die Übertragungsnetzbetreiber Eingriffe in das Netz durch Einspeisemanagement-Maßnahmen (EinsMan) vornehmen. 2017 betrugen die Kosten für Redispatch- und Einspeisemanagement-Maßnahmen 1,4 Mrd. Euro. Die alten Strukturen des Energienetztes werden ausgebaut, erneuert und mit Informations- und Kommunikationstechnologien „intelligent“ gemacht. Der weitere Ausbau erneuerbarer Energien könnte diese Tendenz steigen lassen mit dem Ziel, durch den Netzaus- und umbau die Eingriffe in die Erzeugung zu reduzieren. Die Bundesnetzagentur und die Netzbetreiber stellen im Szenariorahmen [10] die wahrscheinlichsten Entwicklungen im Energiemarkt und Netz dar.

Die neue Energiewelt „Smart-Grid“ – die Digitalisierung erhält Einzug in die Energiewirtschaft

Die Digitalisierung verändert alle Branchen. Neue Herausforderungen und Chancen entstehen für die Energiewirtschaft. Dezentrale Erzeuger und Verbraucher verbinden sich durch IK-Technologien. Das Smart-Meter ist nur ein wichtiges Element eines zukünftigen intelligenten Netzes (im Englischen Smart-Grid). 2050 soll der Anteil erneuerbarer Energien im Stromsektor 80 Prozent betragen. Ein Großteil der nachhaltigen Energieträger speisen über das Verteilnetz ein, sodass viele dezentrale Einspeiser intelligent vernetzt werden [11] müssen. Wenn viele fluktuierende Energien (Wind- und PV-Anlagen) Strom erzeugen und nicht gleichzeitig Verbraucher Strom abnehmen, kann das die Netzfrequenz erhöhen.

Warum ein intelligentes Netz?

Das zukünftige Stromversorgungssystem muss weiterhin das Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch herstellen. Intelligente Technik löst das Problem. Datennetze flankieren existierende Stromnetze. Ein Smart-Grid verbindet Stromerzeuger, Stromverbraucher, speichernde Netzkomponenten und Netzknotenpunkte durch Kommunikationstechnik miteinander. Treten unvorhersehbare Ereignisse (z.B. mehr Wind als prognostiziert) kann das System flexibel auf Schwankungen reagieren. Die IKT ermöglicht Informationen in Echtzeit. Die Folge: Eine konstante Netzspannung, Früherkennung von Überlastungen und schnellstmögliche Steuerung von Gegenmaßnahmen lassen sich sofort erkennen und steuern.

Wie sieht ein Smart-Grid aus?

Abbildung 3: Visualisierung eines Smart-Grids (Quelle: BMWi)

Quelle: BMWi

Der Schlüssel für ein Smart-Grid basiert auf dezentral verteilter Intelligenz. Das alte Stromnetz überträgt nur die Leistung. Die neue Kombination aus Strom- und Datennetz transportiert zusätzlich eine große Menge an Informationen aus der komplexen Sensorik.

Das obige Bild des BMWi  [12] stellt ein zukünftiges Smart-Grid dar. Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verbindet Windkraftanlagen (2) Photovoltaikanlagen (3) und Stromspeicher (5) mit Verbrauchern wie Wohnhäusern (6), Kühlhäusern, und Industrieanlagen (10).

Das „Smart-Home (6)“ ist quasi ein eigenes kleines Smart-Grid. Denn das intelligente Heimsystem steuert die Stromerzeugung der PV-Anlage. Wird zu viel Strom erzeugt als benötigt, kommen Speicher zum Einsatz.  Mittels eines intelligenten Messsystems (mit Smart-Meter-Gateway) vernetzen sich innerhalb eines Hauses Stromverbraucher. Lastmanagement passt den Verbrauch an die Erzeugung an.  Das System steuert die Speicherung intelligent. Der eigens erzeugte Strom wird so in einem stationären Batteriespeicher oder bei entsprechender technischer Eignung in der Batterie des Elektroautos gespeichert.

Im dritten Teil der Serie “Tutorial Technologien der Energiewende” erfahren wir mehr über die dezentrale Erzeugung durch erneuerbare Energien.

 

Quellenverzeichnis:

[1] BNetzA: „Smart Grid“ und „Smart Market“. Link: https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Energie/Unternehmen_Institutionen/NetzzugangUndMesswesen/SmartGridEckpunktepapier/SmartGridPapierpdf.pdf?__blob=publicationFile&v=2 (abgerufen am 21.03.2019)

[2] Duden: Konzessionen. Link: https://www.duden.de/rechtschreibung/Konzession

[3] Tutorien Energy Brainblog: Konventionelle Erzeugung. Link: https://blog.energybrainpool.com/?s=Thermische+Kraftwerke (abgerufen am 21.03.2019)

[4] Statista: Länge des Stromnetzes in Deutschland nach Spannungsebene im Jahresvergleich. Link: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/37962/umfrage/laenge-der-stromnetze-in-deutschland-in-1998-und-2008/ (abgerufen am 21.03.2019)

[5] Bundeskartellamt/BNetzA: Monitoring-Bericht 2017. Link: https://www.bundeskartellamt.de/SharedDocs/Publikation/DE/Berichte/Energie-Monitoring-2017.pdf?__blob=publicationFile&v=5 (abgerufen am 21.03.2019)

[6] BNetzA: Zahlen, Daten, Informationen zum EEG. Link: https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/ErneuerbareEnergien/ZahlenDatenInformationen/zahlenunddaten-node.html (abgerufen am 21.03.2019)

[7] BDEW: Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken (2017). Link: https://www.bdew.de/media/documents/Awh_20170710_Erneuerbare-Energien-EEG_2017.pdf (abgerufen am 21.03.2019)

[8] BMWi: Das Erneuerbare Energien Gesetz. Link: https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Dossier/eeg.html

[9] Bundesregierung: Das Energiekonzept 2050. Link: https://www.bundesregierung.de/resource/blob/997532/778196/8c6acc2c59597103d1ff9a437acf27bd/infografik-energie-textversion-data.pdf?download=1 (abgerufen am 21.03.2019)

[10] BNetzA: Szenariorahmen 2019-2030. Link: https://www.netzausbau.de/bedarfsermittlung/2030_2019/szenariorahmen2019-2030/de.html (abgerufen 21.03.2019)

[11] Verbraucherzentrale: Intelligente Stromzähler. Link: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/umwelt-haushalt/wohnen/die-neuen-stromzaehler-kommen-13275 (abgerufen am 21.03.2019)

[12] BMWi: E-Energy. Link: https://www.digitale-technologien.de/DT/Navigation/DE/Service/Abgelaufene_Programme/E-Energy/e-energy.html

 

Der Beitrag wurde für Energy Brainpool erstellt. Erstmalig wurde der Beitrag auf dem Energy Brainblog veröffentlicht.

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