Stabilere Netze

Erzeuger und Verbraucher besser verknüpfen

Netze sind die Verkehrswege unseres Energiesystems. Sie sollten gut ausgebaut sein und allen Verkehrsteilnehmern ausreichend Platz bieten, damit es nicht zu Staus oder gar Unfällen kommt. Wenn eine Vielzahl dezentraler Erneuerbare-Energien-Anlagen die Versorgung übernimmt, müssen sich auch die Netze verändern. Schließlich wird das ursprünglich hierarchische Stromnetz damit auf den Kopf gestellt. Gleichzeitig wird die Verknüpfung mit Wärme- und Gasnetzen wichtiger. So können die Netze immer mehr Strom und Wärme von Verbrauchern aufnehmen, die selbst zu Erzeugern werden.

Auf einen Blick

  • Durch einen diskriminierungsfreien Zugang mit Vorrang für Erneuerbare Energien bieten Netze die notwendige Plattform für das Update unseres Energiesystems.
  • Für ein erfolgreiches Update muss insbesondere der Investitionsrückstand bei den Stromnetzen aufgeholt werden. Die Netze müssen auch räumlich neu gestaltet werden, da sich die Erzeugungsschwerpunkte verschieben.
  • Neben dem quantitativen Zubau von Stromleitungen ist ein qualitativer Netzausbau erforderlich, damit Erzeuger und Verbraucher sich besser abstimmen können. Strom-, Wärme- und Gasnetze müssen dafür enger mit Datennetzen verknüpft werden.
  • Strom-, Wärme- und Gasnetze wachsen stärker zusammen. Damit können sie Engpässe überwinden und das Update beschleunigen.

Wo Netze eine Rolle spielen

Netze überbrücken die Distanz zwischen Energiequelle, Erzeuger und Verbraucher. Mit dem Beginn der kommerziellen Stromerzeugung begann auch der Stromtransport per Kabel. Die Netzinfrastruktur richtete sich dabei immer nach den großen Erzeugungs- und Verbrauchsschwerpunkten. Da sich mit dem Ausbau vieler kleiner dezentraler Erneuerbare-Energien-Anlagen der Erzeugungsschwerpunkt verschiebt, benötigt auch das Netz als Verbindungselement eine Neugestaltung.

Je nach Spannung, Frequenz und geographischer Auslegung können Stromnetze alle Verbraucher stabil und zuverlässig versorgen – oder auch Engpässe verursachen. Kann die Energie nicht zum Verbraucher fließen, ist nicht nur die Versorgungssicherheit gefährdet. Auch für einen >funktionierenden Markt braucht es eine ausreichende Netzinfrastruktur, über regionale und nationale Grenzen hinweg. Wärmenetze sind zwar unverzichtbar, wenn es darum geht, mit Erneuerbaren Energien zu heizen. Bisher sind sie allerdings in Deutschland nur regional verbreitet.

Im Energiesystem der Zukunft werden die Netze für erneuerbaren Strom, für Wärme und Gas eine Vielzahl dezentraler Erzeuger und Verbraucher hochflexibel zusammenbringen. Diese Flexibilität kann nur erreicht werden, wenn alle Netznutzer jederzeit die richtigen Signale erhalten. Das können Hinweise auf wetterbedingte Schwankungen von Angebot und Nachfrage sein, Preissignale von den Energiemärkten oder Signale für Engpässe in den Netzen selbst. Die Energienetze werden daher stärker mit den Datennetzen verknüpft.

„Wir brauchen flexiblere, dezentrale Strukturen, auch auf regionaler Ebene. Digital gesteuerte Netze, durch die sich Stromangebot und Nachfrage flexibel aneinander anpassen.“

Prof. Dr. Claudia Kemfert, Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), Die Zeit, 20. April 2017.

Ziel ist ein immer engeres Zusammenspiel erneuerbarer Erzeuger und Verbraucher vor Ort. In solch intelligenten Netzstrukturen ergänzen sich alle Netznutzer möglichst dezentral für eine höhere Versorgungssicherheit.

Netze in der Praxis

Unser Energiesystem beruht nicht nur auf Stromnetzen, sondern auch auf Wärme- und Gasnetzen. Erdöl gelangt ebenfalls über eine Netzinfrastruktur, nämlich Pipelines, nach Deutschland. In geringerem Umfang bestehen Netze bzw. Leitungen für den Transport von Wasserstoff sowie Biogas. Nicht zuletzt ist die Fernsteuerung von Anlagen abhängig von Netzen, nämlich von Glasfaser- und Kupferverbindungen zur Datenübertragung, kurz vom Internet.

Je nach Spannung sind die Stromnetze in vier Netzebenen aufgeteilt, vom Niederspannungsnetz, an das Haushalte und kleine Photovoltaik-Anlagen angeschlossen sind, über das Mittelspannungs- und Hochspannungsnetz bis hin zum Höchstspannungsnetz, in das nur Großkraftwerke einspeisen. Das deutsche Höchstspannungsnetz mit rund 35.000 Kilometern Länge dient als Übertragungsnetz und wird von vier überregionalen Übertragungsnetzbetreibern gemanagt. Während dort große Strommengen über große Entfernungen wie auf einer Stromautobahn transportiert werden, fungieren die 1,7 Mio. Kilometer langen Netze mit geringerer Spannung als so genannte Verteilnetze. Sie sind weiter verästelt und werden von 866 regionalen oder lokalen Verteilnetzbetreibern betreut.

Ursprünglich dienten die Verteilnetze der bloßen Weiterverteilung vom Höchstspannungsnetz, der Stromautobahn, über Bundes- und Landstraßen sowie Feldwege „nach unten“. Tatsächlich hat sich diese Rolle stark verändert. Erneuerbare-Energien-Anlagen speisen fast ausschließlich dezentral in die Verteilnetze ein, womit sich der Stromfluss zumindest zeitweise in vielen Regionen immer häufiger umkehrt.

Im Gegensatz zu den Stromnetzen sind Wärmenetze nicht flächendeckend hierarchisch vernetzt, sondern als Inselnetze nur wenige Kilometer lang. Sie transportieren heißes Wasser bzw. Wasserdampf. Eine offizielle Abgrenzung zwischen Fernwärme und Nahwärme gibt es nicht. Von Nahwärme spricht man meist bei Heiz(kraft)werken bis zu wenigen Megawatt thermischer Leistung.

Als größtes, teilweise zusammenhängendes Fernwärmenetz Westeuropas gilt das Berliner Wärmenetz mit 1.875 Kilometern Rohrleitung, in das elf Heizkraftwerke, und fast 300 kleinere Anlagen einspeisen.

Das deutsche Gasnetz ist mit 500.000 Kilometer zwar deutlich kürzer als das Stromnetz, transportiert aber jährlich rund doppelt so viel Energie. Es verfügt über verschiedene Druckstufen. Wie im Stromnetz kann sich hier die Fließrichtung umdrehen, weil vermehrt Biomethan, synthetisches Methan oder Wasserstoff dezentral in das bestehende Gasnetz eingespeist wird. Bisher fließt im deutschen Gasnetz aber vor allem Erdgas, das zu 88 Prozent importiert wird. Es stammt überwiegend aus Russland, Norwegen und den Niederlanden.

Wie stabilere Netze beim Update unseres Energiesystems helfen

Wenn das Potenzial Erneuerbarer Energien vor Ort erschlossen werden soll, kommt unser Energiesystem an einem Ausbau der Netzinfrastruktur nicht vorbei. Schließlich sollen erneuerbarer Strom und Wärme ihren Weg zu den Verbrauchern finden. Diese werden gleichzeitig selbst immer häufiger immer mehr Energie in Netze einspeisen, so dass sich die Fließrichtung ändert.

Quantitativ und qualitativ müssen die bisherigen Verteilnetze für ihre neue Rolle als Sammelnetze für erneuerbaren Strom aufgerüstet werden. Netzengpässe sind weitgehend zu vermeiden, so dass wetterabhängiger Strom aus Wind- und Solaranlagen tatsächlich in die Netze fließen kann, wenn der Wind weht und die Sonne scheint. Das ökologisch und ökonomisch widersinnige Abregeln von erneuerbarem Strom ließe sich damit beenden oder zumindest stark einschränken.

Für ein wirkungsvolles Update muss dieser Stromnetzausbau nicht nur mit den nächsthöheren Netzebenen koordiniert sein, sondern auch mit Wärme- und Gasnetzen. Die Verknüpfung der verschiedenen Netze ist eine Grundlage für die notwendige Flexibilität des Energiesystems der Zukunft. Wird beispielsweise kurzfristig mehr Strom aus einem Biogas-Blockheizkraftwerk zum Ausgleich einer Windflaute benötigt, fällt gleichzeitig mehr Wärme an. Diese sollte dann von einem ausreichend dimensionierten Wärmenetz aufgenommen werden können. Soll ein zeitlich begrenztes Überangebot von Windstrom dagegen per Elektrolyse in Wasserstoff bzw. synthetisches Methan umgewandelt werden, muss auch ein aufnahmefähiges Gasnetz bereitstehen. Eine Verknüpfung und intelligente Steuerung der Netze kann damit auch deren jeweiligen Ausbaubedarf verringern.

Werden Wärmenetze ausgebaut, können sie dazu beitragen, räumlich verteilte Potenziale erneuerbarer Wärme zu erschließen. Kleine Solarthermie-Anlagen auf Mehrfamilienhäusern alleine können vor Ort wegen der begrenzten Dachfläche oft nur einen kleinen Teil des ungleich größeren Wärmebedarfs im Gebäude decken. Durch ein angepasstes Wärmenetz kann dann die Wärme einer großen Solarthermie-Anlage vor den Toren der Stadt zu den Haushalten gebracht werden. Wetterbedingte und jahreszeitliche Schwankungen gleicht die Abwärme eines Biogas-BHKWs oder eines Klärgas-BHKWs, alternativ eine Erdwärmepumpe im Wärmenetz aus.

Auch die Koppelung mit dem Verkehrssektor gelingt nur mit angepasster Netzinfrastruktur. So muss das Stromnetz um Ladestationen für Elektrofahrzeuge ergänzt und dazu auch punktuell verstärkt werden. Das Gasnetz muss um Tankstellen für Biomethan bzw. synthetisches Methan erweitert werden. Je nach Technologieentwicklung können auch ganz neue Infrastrukturen, etwa für Wasserstoff, die bestehenden Energieleitungen ergänzen.

Herausforderungen für stabilere Netze

Das Update unseres Energiesystems erfordert eine umfangreiche Modernisierung der Netze. Beim quantitativen Ausbau der Stromnetze ging es bisher in Deutschland nur mühsam voran. Seit den 1990er Jahren hatten viele Netzbetreiber kaum noch in Unterhalt und Modernisierung investiert. Die räumliche Verschiebung der Stromerzeugung ist in den bestehenden Netzstrukturen damit noch kaum abgebildet. Der Bau neuer Leitungen ist zudem mit umfangreichen Planungsverfahren verbunden. Neue Strommasten stoßen immer wieder auch auf Ablehnung von Anwohnern. Bei bestimmten Netzabschnitten und -technologien haben daher nun Erdkabel Vorrang.

Bei der qualitativen Aufrüstung der Stromnetze sind vor allem bessere Informationen über die Netznutzung gefragt. Intelligente Stromzähler können Verbrauchsdaten in Echtzeit weitergeben. Können Netzbetreiber, Erzeuger und Verbraucher auf einer gemeinsamen Plattform kommunizieren, erleichtert das Verhaltensanpassungen zur Stabilisierung der Netze, beispielsweise durch Eigenverbrauch. Sind diese Interaktionen standardisiert und digitalisiert, spricht man auch von „Smart Grids“ oder intelligenten Netzen. Ohne eine bessere Verknüpfung über die Netze werden sich Erzeuger und Verbraucher nicht flexibilisieren. Durch die Gestaltung der Netzentgelte und das Energiemarktdesign könnten sie stärker dazu angeregt werden, ihr Verhalten an der Netzstabilität auszurichten.

Die zunehmende Dynamik in den Netzen mit niedriger Spannung und hoher Einspeisung von Wind- und Solarstrom kann auch durch regelbare Ortsnetztrafos abgefangen werden. Statt den notwendigen Ausgleich auf die Übertragungsnetze zu verschieben, können sich die Erneuerbaren Energien untereinander nun ebenso in den bisherigen Verteilnetzen ausgleichen. Das wäre nicht zuletzt wegen der lokalen Verknüpfung mit Wärme- und Gasnetzen sinnvoll.

Je nach den örtlichen Bedingungen und den energiewirtschaftlichen Erfordernissen kann sich der Ausbau bestimmter Netze letztlich als günstiger im Vergleich zu alternativen Optionen für Flexibilität erweisen. In Wechselwirkung mit >höherer Flexibilität und >mehr Speichern können bestimmte Netzausbaumaßnahmen aber möglicherweise auch eingespart werden oder kleiner dimensioniert und damit kostengünstiger ausfallen.

Politischer Rahmen für stabilere Netze

Um Konkurrenz und Kostensenkungen zu fördern, wurde der Zugang zu den Netzen seit den 1990er Jahren weitgehend für Wettbewerber geöffnet. Erzeugung, Netzbetrieb und Vertrieb müssen getrennt werden, damit nicht jene Kraftwerksbetreiber, denen Netze gehören, konkurrierenden Anbietern den Zugang zu Kunden verbauen können. Verbraucher sollen aus einer Vielzahl unabhängiger Konkurrenten wählen können.

Noch genießen Erneuerbare-Energien-Anlagen einen Einspeisevorrang für das Stromnetz. Auch können Erzeuger von Biomethan weitgehend problemlos in bestehende Gasnetze einspeisen. Noch nicht liberalisiert ist jedoch der Zugang zu Wärmenetzen. Die Betreiber von Wärmenetzen können konkurrierende Anbieter, die beispielsweise Solarwärme einspeisen wollen, beim Netzzugang weiterhin diskriminieren. Jüngste Richtlinienentwürfe der Europäischen Kommission deuten an, dass Erneuerbare Energien ihren Einspeisevorrang fürs Stromnetz verlieren, gleichzeitig aber Wärmenetze für Wettbewerber geöffnet werden.

Betrieb und Ausbau von Stromnetzen sind sowohl auf Bundes- als auch EU-Ebene stark reguliert. Das Energieleitungsausbaugesetz (EnLAG) legte 2009 die wichtigsten Ausbauvorhaben für das Höchstspannungsnetz fest, deren Verzögerungen durch das Netzausbaubeschleunigungsgesetz von 2011 behoben werden sollen. Der Bundesbedarfsplan führt 43 Vorhaben mit 2.550 Kilometern neu zu errichtender Höchstspannungsleitungen auf. Bestehende Stromleitungen sollen auf 3.100 Kilometern verstärkt werden. Mit bis zu 380.000 Kilometern ist der Ausbaubedarf in den Verteilnetzen jedoch um ein Vielfaches größer.

Verbraucher finanzieren über die Netzentgelte unter Aufsicht der Bundesnetzagentur den Unterhalt und Ausbau von Strom- und Gasnetzen. Eine politische Herausforderung ist dabei die Entscheidung, für welche Maßnahmen welche Netzentgelte bzw. Renditen auf die Ausbaumaßnahmen berechnet werden können. Schließlich soll finanzielle Sicherheit für einen ausreichenden Netzausbau geschaffen werden, ohne dabei jedoch Netzbetreibern unnötig teure Investitionen und überdimensionierte Gewinne zu erstatten.

 Energie-Update mit stabileren Netzen

So tragen Erneuerbare-Energien-Anlagen, Quartier und Regionen zum Update bei:

Wir stellen in >Portraits die Anlagen, Quartiere und Regionen vor, die schon heute das Energie-Update gemacht haben.

Stand: September 2017

Weiterführende Informationen

Aktuelle Publikationen zum Thema:

Forschungsradar-Zusammenfassung:

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