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AutGrid

Chancen und Risiken der Netzautarkie in Deutschland

Projektstatus
Begonnen
Deutschlandkarte mit verschiedenen Regionen, die in Zukunft Energieautark sein möchten.
Schematische Darstellung der Untersuchungen im Rahmen des AutGrid Projektes | ©Fraunhofer ISE

Die Energieversorgung in Deutschland befindet sich im Wandel, von einer bisher zentral geprägten hin zu einer dezentralen Struktur. Im Zuge des Wandels und einer Zunahme der dezentralen Erzeugungsanlagen wie Sonnen- und Windenergieanlagen gibt es auf regionaler Ebene, insbesondere in ländlichen Kommunen, Gemeinden und Landkreisen das Bestreben, den Energiebedarf durch eigen erzeugten regenerativen Strom selbst zu decken. 

Grafik der Energiesystemanalyse. Ausgehend von einem Basisszenario soll ein Simulationsmodell in ein Optimierungsmodell einen möglichst effizienten Netzausbau ermöglichen. Dieses Szenario kann mit einer integralen Opimierung verglichen werden.
Schematische Darstellung der Energiesystemanalyse; Die Autarkieszenarien werden mit einem kostenminimierenden Basisszenario verglichen | ©Fraunhofer ISE

Die Ziele sind meist in kommunalen Klimaschutzprogrammen festgehalten. Dies kann Ausbauziele für erneuerbare Energietechnologien, Effizienzsteigerungen, nachhaltige Verkehrsumstrukturierung, CO2-Emissionsminderungsziele oder andere zur Umsetzung notwendige Maßnahmen enthalten. Als Konsequenz findet innerhalb der 100ee Regionen aufgrund der Zielsetzung ein beschleunigter Ausbau der erneuerbaren Energieträger (EE) und damit eine verstärkte Nutzung der dezentralen Potenziale statt.

Es stellt sich die Frage, welche Auswirkungen sich durch Autarkiebestrebungen auf das Energiesystem ergeben. Werden die Potenziale der EE am besten ausgenutzt oder ergeben sich ggf. sogar zusätzliche Kosten, z.B. durch einen verstärkt benötigten Netzausbau, durch das Ausscheiden einzelner Regionen aus dem Netz. Dies ist insbesondere auch abhängig von dem Grad der Energieautarkie, der angestrebt wird. Bisherige Bestrebungen auf dezentraler Ebene gehen meist in Richtung einer bilanziellen Stromautarkie. Was passiert jedoch, wenn die Regionen einen Schritt weitergehen und hier auch vollständige Leistungsautarkie anstreben? In wie weit weichen solche Systeme von einem kostenoptimalen System ab? Welchen Einfluss auf die Gesamtsystemkosten hat die Größe der autarken Region? Und welche Chancen und Risiken ergeben sich durch Stromautarkie?

Darstellung des reduzierten deutschen Transportnetzes (159 Knoten, 262 Leitungen); das dargestellte Netz stellt die Basis für die Lastfluss- und Netzausbauberechnungen dar (Basis wird je nach Szenario mit geplanten Leitungen aus Netzentwicklungsplan 2014, 2. Entwurf (NEP) noch erweitert) | ©Fraunhofer ISE

In diesem Forschungsvorhaben wird – aufbauend auf dem bestehenden Energiesystem Deutschlands – der Stromnetzausbau, der mit einer Transformation der Energieversorgung hin zu einer verstärkt dezentralen erneuerbaren Stromerzeugung einhergeht, optimiert. Hierfür wird das Stromsystem Deutschlands in hoher regionaler Auflösung in einem Optimierungsmodell der Netzausbauplanung abgebildet und der Netzausbau und -betrieb unter der Wechselwirkung mit Faktoren auch außerhalb des technischen Systems in einem interdisziplinären Forschungsteam analysiert und bewertet.

Hierbei werden Leistungs- und Energieautarkie von Netzregionen in Deutschland analysiert und hinsichtlich ihrer systemrelevanten Auswirkungen bewertet. Vor allem die Analyse des Netzausbaus, -betriebs und der Versorgungssicherheit sowie die Auswirkungen auf das Gesamtelektrizitätssystem und die Quantifizierung der Kosten stehen dabei im Fokus. Zudem werden projektbegleitend mittels einer Cross-Impact-Bilanzanalyse verschiedene konsistente Szenarien generiert und die Plausibilität der Entwicklung unterschiedlicher Autarkieformen sowie ihre Wechselwirkungen auch mit sozialen und ökologischen Faktoren qualitativ bewertet. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Netzausbau und -betrieb zusammen mit dem Technologiemix aus erneuerbaren, konventionellen und Speichern durch Optimierung zu quantifizieren. Zudem werden die Auswirkungen einer Leistungs- und Energieautarkie – für unterschiedlich räumliche Ausprägungen – auf das deutsche Stromsystem, die Versorgungssicherheit und die Systemkosten umfassend bewertet. Zusammenfassend werden dann die Chancen und Risiken einer Zunahme von stromautarken Regionen im Zuge der Energiewende in Deutschland für das Gesamtsystem, insbesondere für das Übertragungsnetz, ermittelt.

Bisher konnte im Projektverlauf ermittelt werden, wo die Regionen zum heutigen Stand lokalisiert sind, welche Ziele diese bis wann verfolgen und wie diese gefördert werden. Die Ergebnisse hierzu sind in Senkpiel et al: “Concept of evaluating chances and risks of grid autarky”, EEM Porto 2016   veröffentlicht.

Das lineare Optimierungsmodell wurde so weit entwickelt, dass die Kosten für Technologieausbau (EE, konventionelle Erzeugung, Speicher und Netze) sowie deren Betrieb minimiert werden. Die geschaffene Datenbank ermöglicht es, Regionen bis zur Auflösung auf Landkreisebene in dem Modell abzubilden, diese aber auch flexibel zu aggregieren, um das Lösungsproblem zu verkleinern. Dazu wurde neben dem Optimierungsmodell ein Algorithmus entwickelt, welcher das Übertragungsnetz je nach ausgewählten Modellregionen reduzieren kann (siehe Abbildung 4). Der Einfluss dieser Netzreduktion wird derzeit quantitativ bewertet. Erste Testläufe für Baden-Württemberg konnten bereits erfolgreich berechnet werden.

Zusätzlich wurde ein separater Lastflusslöser und Netzausbauoptimierer entwickelt, sodass die Ergebnisse des Gesamtoptimierungsmodells mit der separaten Netzplanung verglichen werden können. Derzeit wird daran gearbeitet, unterschiedliche Netzausbaumöglichkeiten, unterschiedlicher Detailtiefe in das Modell zu integrieren, um das beste Verhältnis aus Genauigkeit und Laufzeit des Optimierungsproblems zu identifizieren.

Des Weiteren wurden Experteninterviews mit Vertretern erneuerbarer Energieregionen geführt, um die Faktoren zu identifizieren, die für die Zielsetzung in den Regionen einen Einfluss haben. Diese wurden in einem Expertenworkshop diskutiert und in eine Reihenfolge gebracht, um die wichtigsten Faktoren herausarbeiten  zu können.

Darstellung des reduzierten deutschen Transportnetzes mittels des entwickelten Reduktionsalgorithmus. | ©Fraunhofer ISE

Das Projekt wird von dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) sowie dem Zentrum für interdisziplinäre Risikoforschung (ZIRIUS) der Uni Stuttgart durchgeführt. Das Fraunhofer ISE ist dabei für die Energiesystemanalyse sowie die Netzflussberechnung und Netzausbauoptimierung zuständig. Das ZIRIUS ermittelt mittels des CIB Ansatzes plausible Autarkie Szenarien, die in die Optimierung des Fraunhofer ISE eingehen.

Projektlaufzeit

05/2015 – 04/2018

Kontakt

Charlotte Senkpiel
Verbundkoordinator
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg im Breisgau
+49 761 4588-5078
+49 761 4588-9078

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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