Energiewende in Deutschland Integrierte, regionale und überregional verbundene Energiesysteme für die Energiewende

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1 Energiewende in Deutschland Integrierte, regionale und überregional verbundene Energiesysteme für die Energiewende Positionen aus dem E-Energy-Projekt Modellstadt Manneim Mannheim, 13. Juli

2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS... 2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS... 2 WARUM BRAUCHEN WIR DIE ENERGIEWENDE... 3 GESELLSCHAFTLICHE ZIELSTELLUNGEN... 4 Bezahlbarer und gerechter Zugang zu Energie für Alle... 4 Umweltverträglichkeit auf Grundlage regionaler und zentraler Erneuerbarer Energien... 4 Versorgungssicherheit... 5 Wirtschaftlichkeit... 5 Energiedienste und Nutzerakzeptanz... 5 TECHNISCHE ZIELSTELLUNGEN... 6 Einbindung zentral und dezentral erzeugter Erneuerbarer Energie... 6 Erschließung von Flexibilisierungsoptionen... 7 Implementierung von Smart Grids... 8 Regulierung und Standardisierung FAZIT EMPFEHLUNGEN AUS DER SICHT VON MOMA Empfehlungen zu technischen Aspekten des Smart Grid Empfehlungen zur technischen Regulierung Empfehlungen zur marktnahen Regulierung SCHLUSSBEMERKUNG Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Zielstellungen und Zukunftssäulen des zukünftigen intelligenten Energieversorgungssystems...4 Abbildung 2: Paradigmenwechsel im Energieversorgungssystem...6 Abbildung 3: Wirkungsmatrix des Smart Grids...9 Abbildung 4: moma-konzeptbild

3 Warum brauchen wir die Energiewende Um die ökologischen und energiepoltischen Ziele umzusetzen, wird ein zügiger Ausbau Erneuerbarer Energien benötigt. Dabei muss das schwankende Angebot Erneuerbarer Energien sowie die dezentrale Erzeugung integriert und berücksichtigt werden, um im Gesamtenergiesystem langfristig Atom- und Kohlekraftwerke zu ersetzen. Um gleichzeitig Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit zu erhalten, wird im Vergleich zur gegenwärtigen Situation eine höhere Flexibilität anderweitiger Erzeugung und des Verbrauchs benötigt. Dabei ist auch das Engagement der Verbraucher gefragt, Energie bewusst und sparsam einzusetzen, was durch neue Energiedienstleistungen in Verbindung mit anderen Lebensbereichen gefördert werden kann. Das Bewusstsein für das Thema Energie wird auch wachsen, wenn Bürger, Kommunen und Regionen zunehmend als aktive Teilnehmer und Anbieter im Energiesystem mit klaren Nutzenaspekten aktiviert werden. Um einen kostengünstigen Ausbau zu erreichen, sind nicht nur neue zentrale Quellen z.b. offshore- Windenergie - zu erschließen, sondern auch die vielfältigen Formen dezentraler Stromerzeugung zu nutzen. Deshalb ist eine ausgewogene Mischung aus zentraler und dezentraler Erzeugung mit Erneuerbaren Energien zu entwickeln. Große Sicherheit der Energieversorgung verspricht eine Diversifizierung mit dezentraler Erzeugung und einem trotzdem verbundenen Netzwerk für den Energietransport und die Verteilung. Um die Erneuerbaren Energien in der beschriebenen und notwendigen Weise voranzubringen, werden intelligent gesteuerte Energienetzwerke benötigt. Diese Netzwerke funktionieren als territorial organisierte und sich selbst ausgleichende Einheiten mit Strom-, Gas- und Wärmeerzeugern, Energiespeichern und Energienutzern, die im Strombereich gleichzeitig die Vorgänge in anderen Regionen und den Transport zentralerer Quellen wie von offshore-windparks - berücksichtigen. Für diese Steuerung werden mehr Informationen über die aktuelle Energienutzung und Energieangebote benötigt. Deshalb sollten Smart Metering-Lösungen (intelligente Messsysteme) und Smart Grids (intelligente Energienetzwerke) vorangebracht werden. Ohne eine starke Förderung der dezentralen Erzeugung sowie intelligenter regionaler Energiesysteme wird der notwendige Ausbau der Erneuerbaren Energien sowie die Erreichung der Energieeffizienzziele und damit die Energiewende nicht erfolgreich voranzubringen sein. Die in diesem Dokument enthaltenen Aussagen stellen in komprimierter Form die wesentlichen Grundaussagen des moma-dokumentes zur Untersuchung des technischen, energiewirtschaftlichen und regulatorischen Rahmens dar. 1 1 [moma11] Kießling, Andreas (MVV); Malina, Alfred; Schumann, Detlef (IBM); Hauser, Eva; Klann, Uwe; Leprich, Uwe; Luxenburger, Martin (IZES); Rindchen, Markus; Schwendicke, Lars (PPC); Giebel, Carolina; Duscha, Markus; Bödeker, Jan (ifeu); Selzam, Patrick; Engel, Stephan (IWES); E Energy Projekt Modellstadt Mannheim (moma); Arbeitsschritt 5.5 Untersuchung des technischen, energiewirtschaftlichen und regulatorischen Rahmens; erschienen in moma; Mannheim;

4 Gesellschaftliche Zielstellungen Abbildung 1: Zielstellungen und Zukunftssäulen des zukünftigen intelligenten Energieversorgungssystems Bezahlbarer und gerechter Zugang zu Energie für Alle Um die Gründe für die Notwendigkeit der Energiewende zu verstehen, muss man sich zuerst vergegenwärtigen, dass die Energiefrage im Kern eine Gerechtigkeitsfrage ist, wie dies die Ethikkommission Sichere Energieversorgung der Bundesregierung feststellt. Letztendlich basieren menschliche Grundbedürfnisse auf dem Zugang zu Energie. Aus diesem Grunde ist die Diskussion zum Ausstieg aus der Kernenergie wichtig, aber auf keinen Fall im Rahmen der Aufgabendefinition für die Energiwende hinreichend vollständig. Ebenso geht es in einer globalen und vernetzten Welt nicht um eine egoistische nationale Sicht, sondern einen weltweiten gerechten Zugang zu Energie. Zwei Millarden Menschen haben heute keinen Zugang zur Elektrizität. Ihnen fehlt die Basis zur Entwicklung menschenwürdiger Lebensverhältnisse. Insoweit gilt es einen bezahlbaren und gerechten Zugang zu nachhaltiger Energie für alle Menschen zu gewährleisten, was auf Grundlage einer heutigen, sehr zentralisierten Energiewirtschaft sehr schwer zu erreichen ist. Deutschland als Technologienation kann bei der Lösung dieser Herausforderungen führend unterstützen. Umweltverträglichkeit auf Grundlage regionaler und zentraler Erneuerbarer Energien Die grundlegenden Ziele bezüglich der Umweltverträglichkeit bestehen in der Verringerung des Kohlendioxidausstoßes, im sorgsamen Umgang mit den begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern und im Ausstieg aus der Nutzung von Kernenergie. Die Energiegewinnung mittels erneuerbarer Energiequellen ist ein wesentlicher Bestandteil, um diese Ziele zu erreichen. Da viele erneuerbare Energien dezentral eingesetzt werden, gilt es mögliche regionale Akteure einzubinden, die Regionen zu vernetzen und gleichzeitig eine ausgewogene Mischung zwischen regional 4

5 und zentral erzeugenden Anlagen wie z.b. offshore-windkraft zu erreichen. Hierbei können dezentrale Steuerungssysteme eine wichtige Rolle spielen. Versorgungssicherheit Nicht zuletzt gilt es unter den neuen Bedingungen die Versorgungssicherheit zu erhalten. Mit der fortschreitenden Nutzung erneuerbarer Energien durch dezentrale Anlagen entwickelt sich ein bidirektionaler Energiefluss zwischen Transportnetzen und Verteilungsnetzen, aber auch zwischen Verteilungsnetzen und Netznutzern. Die Einbeziehung von Anlagen der Netznutzer zur Steuerung ihrer Lasten führt zu einer starken Zunahme der Komplexität. Die Reduktion von Komplexität kann wiederum durch regionale, autonomiefähige, selbst organisierende, aber gleichzeitig zum Gesamtsystem verbundene Strukturen erreicht werden. Damit entsteht ein intelligentes Energieversorgungssystem (Smart Grid) als Säule der zukünftigen Energiewirtschaft auf Grundlage einer verteilten Automatisierungslösung. Die Automatisierung mittels eigenständiger, aber verbundener Regelkreise soll zusätzlich die Verfügbarkeit des Energiesystems und damit die Versorgungssicherheit - bei ausfallenden Teilbereichen erhöhen. Da durch zellulare Ansätze in eigenständigen Regelkreisen und dezentral verteilte Automatisierungslösungen Netzbereiche zumindest temporär aufrechterhalten werden könnten, wenn angrenzende Bereiche ausgefallen sind, kann diese Automatisierung einen Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten. Wirtschaftlichkeit Der zuvor begründete, notwendige Umbau des Energieversorgungssystems kann nur gelingen, wenn betriebswirtschaftlich erfolgversprechende Geschäftsmodelle gefunden werden können. Deshalb besteht die Aufgabe, notwendige Veränderungen im legislativen und regulatorischen Rahmen zu finden, die die Einbeziehung des Energienutzers in die Funktion des intelligenten Energiesystems mit einer bidirektionalen Kommunikation zwischen den Akteuren im Energiemarkt und den Akteuren der Netzführung ermöglichen. Auf dieser Basis sind von den Akteuren neue, betriebswirtschaftlich erfolgversprechende Geschäftsmodelle der energiewirtschaftlichen Wertschöpfungskette unter den Bedingungen eines neuartigen intelligenten Energieversorgungssystems (Smart Grid) mit dezentraler Energiegewinnung, Speicherung und dezentralem Energiemanagement zu finden. Dies führt zu neuen Produkten und Prozessen. Für diese Prozesse sind Systemrollen und Verantwortlichkeiten zu untersuchen. Um die Kommunikation zwischen den Prozessschritten im Umfeld eines liberalisierten Marktes, eine Verbindung der Komponenten im Energiesystem, die Einbindung von Geräten beim Energienutzer sowie die diskriminierungsfreie Teilnahme aller Marktteilnehmer zu ermöglichen, steigen die Anforderungen an die standardisierte Kommunikation. Entsprechend stellt das Querschnittsthema Standardisierung einen Schwerpunkt in der Entwicklung des Smart Grids dar. Der Übergang zu einem neuen intelligenten Energiesystem (Smart energy system) als Verbindung von intelligenter Energieversorgung und intelligenten Energiediensten erfordert die Einbindung aller Beteiligten. Deshalb sind Anreize und Beteiligungsmöglichkeiten für die Akteure auf den Energiemärkten und bei der Netzführung bis hin zum Energienutzer zur Erlangung von Akzeptanz für die Energiewende zu untersuchen. Energiedienste und Nutzerakzeptanz Um die energiepolitischen Ziele zu erreichen, ist eine Erhöhung der Energieeffizienz über die gesamte energetische Wertschöpfungskette erforderlich. Maßnahmen dafür streben sowohl Änderungen im 5

6 Kundenverhalten als auch verringerte Verluste bei der Energieumwandlung sowie beim Transport an. Eine Verringerung von Transportverlusten kann durch eine dezentrale Energiegewinnung nahe am Verbrauchsort erreicht werden. In der zukünftigen Energiewirtschaft wird deshalb das Energiemanagement mit regionalem Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch wichtig. In dieses dezentrale Energiemanagement wird der Prosumer in Vereinigung der Rollen des Erzeugers und des Energienutzers (Producer + Consumer) z.b. über regionale Energiemarktplätze eingebunden. Dies eröffnet die Möglichkeit vielfältige neue Energiedienste anzubieten, die z. B. die Verbindung des Smart Grid mit einem gesamthaften Gebäude- Energiemanagement umfassen oder die Verbindungen verschiedener Lebensbereiche erlauben. Diese Entwicklung ermöglicht es, den Energienutzer als energetisch aktiven und eigenständig handelnden Teilnehmer zu etablieren. Die intelligente Vernetzung aller Komponenten im Energieversorgungssystem zum Smart Grid bietet die Gelegenheit auch spartenübergreifend die Energieeffizienz zu steigern, insbesondere in der Verbindung von Strom und Wärme bzw. Kälte. Zu betonen ist, dass das Thema Wirtschaftlichkeit auch unter der Sicht der gerechten Teilhabe am wirtschaftlichen Ergebnis eines neuen Energiesystems betrachtet werden muss. Damit kann Akzeptanz für den Umbau bei der Bevölkerung entstehen. Nur mit der Beteiligung aller gesellschaftlicher Gruppen werden die Energie- und Netznutzer in breiter Weise die neuen Informations- und Handlungsmöglichkeit aktiv nutzen und damit die Flexibilisieungs- und Effizienzpotentiale erschlossen. Insoweit ist das Thema Akzeptanz und Beteiligung eines der Kernthemen bei der Energiewende. Technische Zielstellungen Einbindung zentral und dezentral erzeugter Erneuerbarer Energie Die Energiewende erfordert einen Paradigmenwechsel von der zentralen Erzeugung, basierend auf fossilen und nuklearen Brennstoffen, hin zu zentralen und dezentralen Erzeugern, die erneuerbare Ressourcen nutzen. Eine reine Konzentration auf Großanlagen ist auf den ersten Blick verlockend, würde aber deutlich höhere Investitionen in die Transportnetze erfordern, um die lastfern erzeugte Energie zu den Verbrauchern zu transportieren. Dezentrale Erzeuger stellen ihre Energie nutzungsnah zur Verfügung, die Transportnetze werden weniger belastet und Transportverluste verringert. Eine Mischung aus zentraler und dezentraler Erzeugung basierend auf erneuerbaren Ressourcen ist demnach anzustreben. Abbildung 2: Paradigmenwechsel im Energieversorgungssystem 6

7 Weitere Schlüsseltechnologien wie zentrale und dezentrale Energiespeicherung und die Entwicklung des intelligenten Energieversorgungssystems müssen vorangetrieben werden, um den Paradigmenwechsel im Energieversorgungssystem sicher und komfortabel zu ermöglichen. Folgende Ziele sollten dabei insbesondere verfolgt werden: Erschließung von zentralen und dezentralen Konzepten zur Nutzung erneuerbarer Energien Erschließung von zentralen und dezentralen Energiespeichern Verteilte Automatisierung in regionalen Netzzellen für die Netzführung und dezentrale Erzeugung Erzeugungsnaher Verbrauch zur Verringerung von Netzausbau und Transportverlusten Erschließung von Flexibilisierungsoptionen Die oben skizzierte Energiewende erfordert insbesondere die Einbindung dargebotsabhängiger Erzeugung in das Stromsystem. Dabei sollte aus ökologischen Gründen unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit ein möglichst großer Anteil der dargebotsabhängigen Erzeugung genutzt werden. Hierzu ist eine Flexibilisierung anderer Komponenten des Systems erforderlich, wofür sowohl technische als auch energiewirtschaftliche und -rechtliche Voraussetzungen untersucht und geschaffen werden müssen. Neben einer Flexibilisierung des fossilen Kraftwerksparks könnten langfristig u.a. folgende Mittel zu einer Flexibilisierung beitragen: Kombinierter Ausbau zentraler und dezentraler Erzeugung Erhöhung der Reservepotentiale durch zentrale und dezentrale Energiespeicher Last- und Erzeugungsverschiebung durch anreizbasierte Systeme mit variablen Tarifen sowie mit Formen der Direktsteuerung, wobei möglichst auf eine Drosselung oder Abregelung der dargebostabhängigen Erzeugung verzichtet werden sollte Flexibiltität des Netzes durch zellulare Strukturen und eigenständige aber gleichzeitig verbundene Regelkreise mit automatisierter Steuerung Flexibilität durch integrierte, spartenübergreifende Strom-, Gas- und Wärmesysteme Ob, inwieweit und ab welchem Zeitpunkt einzelne dieser Mittel zu einer erforderlichen Flexibilisierung beitragen, und welche Stellung ihnen wann im zukünftigen Energiesystem zuzumessen ist, ist zukünftig zu analysieren. Dabei ist auch ein volkswirtschaftlicher Ansatz erforderlich, der die Versorgungssicherheit beinhaltet und sowohl die Wahrscheinlichkeit großflächiger als auch kleinräumlicher Ausfälle berücksichtigt. Denn eine stärkere Flexibilisierung und Ausschöpfung möglicher Reserven erhöht zwar die Versorgungssicherheit, dürfte aber gleichzeitig zu höheren Kosten führen. Insoweit ist die gewünschte Versorgungssicherheit zu diskutieren, wobei auch erwogen werden könnte, dass Verbraucher vertraglich unterschiedliche Niveaus an Versorgungssicherheit angeboten werden könnten. Insoweit wird eine formularisierte Erfassung der Risiken notwendig. Für den erforderlichen Umbau des Erzeugungsparks hin zu einem hohen Anteil dargebotsabhängiger Erzeugung muss auch eine Risikobewertung erfolgen, in die als Parameter u.a. die anteilige Nutzung verschiedener Energiequellen sowie Verteilungsmodelle zentraler und dezentraler Erzeugung eingehen. Ebenso sollte der Umbau des 7

8 Erzeugungsparks in spartenübergreifender Integration betrachtet werden. Bisher fehlt aber noch ein solcher Ansatz zur Bewertung von Flexibilisierungspotentialen. Der Vorschlag zur Netzführung in einer zellularen Struktur mit eigenständigen aber verbundenen Regelkreisen stellt einen Beitrag zur Erhöhung der Flexibilisierungspotentiale dar. Der Grund wird aus folgender systemtheoretischer Überlegung ersichtlich: Flexibilisierung erreicht man physikalisch durch die Entkopplung verbundener Parameter. Wenige zentrale Energiequellen, zentrale Energiespeicher und eine zentrale Netzführung mit zentralen Ausgleichmechanismen können in idealisierter Betrachtung als ein physikalisches Gesamtsystem betrachtet werden, das als ein einziger großer Regelkreis zum Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch wirkt. Wird nun dieses Gesamtsystem in kleinere Strukturen, also Netzregionen oder Zellen, als eigenständige aber verbundene Regelkreise zerlegt, wirkt die Summe aller dieser Teilsysteme mit höherer Flexibilität. Inwieweit die Flexibilität tatsächlich zunimmt, müssen empirische Studien zeigen. Implementierung von Smart Grids Das fluktuierende Angebot von erneuerbaren Energiequellen in der Verbindung von zentralen und dezentralen Anlagen erfordert ein Smart Grid, das neue Transport- und Speichermöglichkeiten für Energie verbunden mit einer intelligenten Steuerung und Regelung des gesamten Energieversorgungssystems realisiert. Der Begriff Smart Grid umfasst die Vernetzung und Steuerung von Erzeugern, Speichern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -Verteilnetzen mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT). Ziel ist es, auf Basis eines transparenten energie- und kosteneffizienten sowie sicheren und zuverlässigen Systembetriebs eine nachhaltige und umweltverträgliche Energieversorgung sicherzustellen. Smart Grids als Bestandteil intelligenter Energiesysteme weisen den Weg in eine energiewirtschaftliche Zukunft, die nachhaltig, effizient und sicher ist sowie regionale und zentrale Aspekte des Energiesystems verbindet. Wie in Abbildung 3 gezeigt bildet die Vernetzung der genannten Komponenten zum Smart Grid die Grundlage für neue Geschäftsprozesse auf Energiemarktplätzen und bei der Netzführung innerhalb eines intelligenten Energiesystems. 8

9 Abbildung 3: Wirkungsmatrix des Smart Grids Nachfolgend werden die grundlegenden Eigenschaften eines intelligenten Energiesystems aufgeführt, welche sich bei der Einführung als vorteilhaft gegenüber den jetzigen Strukturen darstellen können: Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie mit Automatisierungstechnik und deren Einsatz im Energieversorgungsnetz mit diskriminierungsfreiem Betrieb entsprechender notwendiger Infrastrukturen Sicherstellung der Netzstabilität und Senkung von Transportverlusten durch intelligente Energiesysteme als Antwort auf die zunehmende Komplexität in der Steuerung in den Verteilungsnetzen im Umfeld einer dezentraleren Erzeugung Einbindung von volatiler Erzeugung und intelligenter Speicherung bei stetig sinkendem Anteil fossiler und nuklearer Erzeugung Einbindung von Netznutzerobjekten (Wohnbereich, Gewerbe, Industrie und Mobilität) mit eigenen Energiemanagementsystemen zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Erhöhung der Flexibilität des Energiesystems Beitrag zum Erhalt der Versorgungssicherheit durch Diversifizierung mit dezentralen Strukturen bei der Energiegewinnung in Verbindung mit zentralen Strukturen. Realisierung der Verbindung von Energielieferung und Energiedienstleistung mit anderen Lebensbereichen zur Erschließung neuer Geschäftsmodelle 9

10 Schaffung der technischen Grundlagen zur Beteiligung der Bürger, der Kommunen und der Wirtschaft als eigenständig handelnde Teilnehmer im Energiemarkt Integrierte spartenübergreifende Energiesysteme für Strom, Wärme, Kälte und Gas mit zusätzlichem Flexibilisierungs- und Effizienzpotentialen Regulierung und Standardisierung Die Entwicklung intelligenter Energiesysteme erfordert neben der reinen technischen Weiterentwicklung eine Anpassung des energiewirtschaftlichen und regulatorischen Rahmens. Smart Grids benötigen einen zeitnahen und diskriminierungsfreien Datenaustausch auf Basis vereinbarter Standards und Normen. Sie benötigen aber ebenso entsprechende Sicherheits und Schutzmechanismen. Die Definition einer gemeinsamen Architektursicht ist Grundlage für die breite Umsetzung der Bestandteile eines intelligenten Energiesystems im nationalen sowie internationalen Rahmen. Dafür wurden innerhalb des europäischen Standardisierungsmandates 490 zu Smart Grids die Arbeitsgruppe Referenzarchitektur sowie innerhalb der deutschen Plattform Zukunftsfähige Netze beim BMWi innerhalb des Arbeitskreises Smart Grid / Smart Metering / Verteilungsnetze das Fachforum technische Ausstattungen / Systemempfehlungen aufgesetzt. Umfangreiche Arbeiten in nationalen und internationalen Gremien und Verbänden der Energiewirtschaft der Informations- und Kommunikationstechnik-Industrie (IKT-Industrie) sowie der Politik definieren die Rahmenbedingungen für den Umbauprozess zur Erfüllung dieser Anforderungen. Die intensiven weltweiten Aktivitäten in hoher Intensität und engen Zeithorizonten machen deutlich, dass es kein in Deutschland definiertes Smart Grid geben wird, sondern dass sich europäische Aktivitäten umfassend verzahnen und mit internationalen Entwicklungen, insbesondere in den USA, Japan und China, abgleichen. Fazit Klar ist, dass die Themen Ressourcenzugriff, Zentralität und Regionalität, Umweltverträglichkeit, Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz in einem Spanunngsverhältnis stehen. Es ist also Aufgabe der Politik, das Verhältnis auszutarieren. Eine rein wirtschaftliche Betrachtung beim Wandel zu erneuerbaren Energien droht den zentralen Weg zum Beispiel für offshore-wind zu befördern. Dies führt aber zu neuen Abhängigkeiten. Betrachtet man den Aspekt der Versorgungssicherheit auch im Hinblick auf Katastrophensituationen oder veränderte politische Verhältnisse wird deutlich, dass es zum Beispiel sowohl eine Förderung von zentralen offshore-windanlagen als auch von regionalen onshore-windanlagen geben muss. Dies trifft ebenso auf das Verhältnis von kleinen Photovoltaik-Anlagen zu großen zentralen solarthermischen Kraftwerken zu. Während die notwendigen legislativen und regulatorischen Veränderungen mehr aus Sicht der Schwerpunktthemen Umweltverträglichkeit und Versorgungssicherheit heraus definiert werden, lenkt das Schwerpunktthema Wirtschaftlichkeit die Aufmerksamkeit mehr auf Geschäftsmodelle und Anreizsysteme für einen eigenverantwortlichen Umgang mit Energie. 10

11 Empfehlungen aus der Sicht von moma Empfehlungen zu technischen Aspekten des Smart Grid Das bisher passive Energieversorgungssystem ist mit einem Energieinformationssystem aus Kommunikationssystem und Automatisierungssystem zu verbinden. Es entwickelt sich das intelligentes Energieversorgungssystem (Smart Grid) als Netzwerk aller Komponenten. Das Smart Grid interagiert mit einer Diensteebene für die elektronische und automatisierte Abwicklung von Prozessen auf Energiemärkten und bei der Netzführung zur Abwicklung des Austausches von Energie. Folgende Empfehlungen zu technischen Aspekten eines intelligenten Energiesystems werden aus den bisherigen Ergebnissen des moma-projekt abgeleitet: Verbundene dezentrale und zentrale Erzeugung und Steuerung im Energiesystem Rein zentrale Erzeugungs- und Steuerungsansätze bieten wenige Chancen zur Umgestaltung der Märkte und wenige Flexibilisierungsoptionen. Sie besitzen jedoch durch den Mangel an Diversifizierung und eine komplexe zentrale Steuerung ein höheres Systemrisiko für großflächige Ausfälle. Rein dezentrale Erzeugungs- und Steuerungsansätze besitzen die Risiken des Zerfallens in Inselnetze und von Versorgungsengpässen. Zudem bieten sie weniger Chancen für integrierte, spartenübergreifende Energiesysteme. Aus diesem Grund wird ein hoher Anteil dezentraler Erzeugung und Steuerung mit spartenübergreifendem Energiesystem in Verbindung mit zentraler Erzeugung und Steuerung empfohlen. Dies dient der Erhaltung einer hohen Versorgungssicherheit, der Erschließung höherer Flexibilisierungspotentiale, der Vermeidung von Transportverlusten und der Verringerung von Netzausbau. Ebenso können die Chancen für Energieeffizienz und Energieeinsparung aus integrierten Energiesystemen und vielfältigen Energiedienstleistungen besser genutzt werden. Zellulare Grundstruktur des Energiesystems Die zunehmend schwankendere Erzeugung mit Erneuerbaren Energien, dezentralere Strukturen, die Einbindung des Netznutzers in regionale Markt- und Ausgleichsmechanismen bis hin in die Netzführung führen zu einer zunehmenden Komplexität des Gesamtsystems. Die zentrale Steuerung stößt unter diesem Gesichtspunkt an ihre Grenzen. Aus diesem Grund werden verteilte Automatisierungslösungen in zellularer Netzstruktur zur Beherrschung zukünftiger Komplexität und zur Erhaltung der Versorgungssicherheit empfohlen. Dabei wird die Regelung einer Vielzahl von Elementen im Energieversorgungssystem im Übertragungsnetz oder im Verteilungsnetz durch vorrangig zentrale Netzführungsmethoden in eine weniger komplexe Regelung innerhalb einer Zelle des Energieversorgungssystems mit einer Teilmenge der genannten Elemente überführt. Die Regelung soll derartig erfolgen, dass autonome Operationen innerhalb der Zelle verbunden sind mit externen Randbedingungen, die das Zusammenwirken der Netzzellen zu einem gesamthaften Netz bewirken. Dies erfordert die Erstellung eines Systemmodelles für eine Energiezelle, international als Microgrid bezeichnet, innerhalb eines verbundenen Gesamtsystems zur Energieversorgung. Neue Rolle im Energiesystem Kommunikationssystem- und IKT-Infrastrukturbetreiber Die flächendeckende Kommunikation im Energiesystem zur Kopplung und Steuerung entlang der gesamten energetischen Wertschöpfungskette ist die Basisinfrastruktur von Smart Grids. Die darauf basierende IKT- 11

12 Infrastruktur zur Daten- und Dienstevermittlung zwischen allen Akteuren sowie den Komponenten im Energiesystem bildet die Grundlage für den zukünftigen Energiemarktplatz und neue verteilte Automatisierungsmechanismen zur Netzführung. Um Aufbau und Betrieb der dazu notwendigen Infrastruktur zu ermöglichen, muss die Zuordnung der Rolle zu einem natürlichen Akteur mit der Möglichkeit zu Delegation erfolgen. Es wird hier empfohlen, diese Rolle dem Verteilungsnetzbetreiber (VNB) zuzuschlagen, da eine derartige Infrastruktur diskriminierungsfrei allen Akteuren im Energiesystem zur Verfügung stehen muss und der VNB bereits gesetzlich zur diskriminierungsfreien Bereitstellung seiner Infrastruktur verpflichtet ist. Hinzu kommt, dass der VNB unmittelbaren und schnellen Zugriff auf alle für den stabilen und sicheren Netzbetrieb relevanten Daten benötigt, um in der Fläche eine sichere Energieversorgung zu gewährleisten. Zur Übernahme einer derartigen Rolle beim VNB ist zu prüfen, inwieweit die notwendigen Investitionen als notwendige Sondermaßnahmen zur Erweiterung und Umstrukturierung im Rahmen der Anreizregulierung anerkannt werden sollen, da sie der Stabilität und Zukunftsfähigkeit des Gesamtsystems dienen. Datenschutz grundlegend sichern Datenschutz und Informationssicherheit sind nicht nur in Deutschland sondern international zunehmend ein wichtiges Akzeptanzkriterium. Die Möglichkeit, Verbrauchsdaten ohne Zustimmung des Energieproduzenten/Energieabnehmers (Prosumer) zu speichern und zu übertragen, muss schon in den Geräten bzw. im Design der Dienste und durch vorgegebene Standardeinstellungen ausgeschlossen werden. Weiterhin ist in der Nutzung von Datenschutzklassen Transparenz und strikte Einhaltung der Zweckbindung erforderlich, um die Nutzerrechte zu schützen. Nur der Vertragsnehmer von Energielieferanten und Energiedienstleistern sollte durch vorgegebene Standardeinstellungen Zugriff auf personalisierte und haushaltsbezogene Daten haben. Darüber hinaus sollte die Möglichkeit bestehen, dass Prosumer bewusst und informiert jederzeit darüber entscheiden können, wer darüber hinaus in welcher Rolle und zu welchem Zweck Zugriff auf schützenswerte Daten hat. Smart Grid Informationssicherheit (SGIS) und Verbraucherschutz (Ende-zu-Ende) Informationssicherheit ist eine entscheidende Grundlage bei der Vernetzung einer kritischen Infrastruktur und wird durch technische aber auch durch organisatorische Maßnahmen definiert, um die Erfassung, Nutzung, Verarbeitung, Speicherung, Übertragung und Löschung aller Informationen auf dem der einzelnen Datenschutzklasse und dem Dienst entsprechenden Niveau zu schützen. Dies ist Grundlage für die Konformität zu allen rechtlichen Anforderungen aber auch für die Interoperabilität im Smart Grid. Anforderungen und Implementierungen gemäß Sicherheitsniveau müssen nachhaltig auf den jeweils aktuellen Stand der Technik ein- und nachgeführt werden. Die Regulierung sollte bezüglich der Smart Grid Informationssicherheit die grundlegenden Anforderungen (primäre Schutzziele) definieren und Systemvorgaben machen. Darüber hinaus sind zudem übergeordnete Überwachungs- und Sofortmaßnahmen notwendig, um Fehlanwendungen und Missbrauch zu erkennen und abzuwehren. Empfehlungen zur technischen Regulierung Die Entwicklung des Smart Grids bedarf neben der rein technischen Lösung auch Änderungen im Kontext der technischen Regulierung. Die Normung spielt eine ebenso große Rolle wie der gezielte Einsatz neuer Technologien. Hier kann und muss die technische Regulierung ansetzen, um die Grundlagen für eine schnelle Realisierung der Smart Grids zu schaffen. 12

13 Heutige Lücken und Hindernisse im technisch-regulatorischen Umfeld wurden im Rahmen des moma- Projekts erkannt. Dabei wurden folgende Empfehlungen als erste Handlungsansätze identifiziert: Schlanke technische Regulierung - Nutzung technologieneutraler Normung mit Vermutungswirkung zur Detaillierung Zur Realisierung und schnellen Penetration von Technologien, Systemkomponenten und Dienstleistungen zur Entfaltung des intelligenten Energiesystems sind neue Rahmenbedingungen erforderlich. Es sind entsprechende schlanke Regulierungsrahmen zu schaffen, welche den schnellen Veränderungen von Verfahren und dem Stand der Technik Rechnung tragen. Deshalb wird empfohlen, nur grundlegende Anforderungen in Gesetzestexten zu beschreiben und durch Normen mit Vermutungswirkung zu detaillieren. Dies ist im Energiewirtschaftsgesetz heute bereits enthalten und ermöglicht so eine schnellere Harmonisierung, Interoperabilität und Austauschbarkeit von Systemkomponenten und Diensten für einen offenen Markt. Europaweite Referenzarchitektur Die Entwicklung eines komplexen Systems verschiedener Interessenträger in verschiedenen Wirkungsdomänen bringt die Anforderung mit sich, eine gemeinsame Architektur und Begriffssysteme des intelligenten Energiesystems zu definieren. Dieser Aufgabe widmet sich innerhalb des europäischen Smart Grid-Normungsmandates M490 der Arbeitskreis Referenzarchitektur. Um die Wettbewerbsfähigkeit und Exportkraft der deutschen Wirtschaft im Rahmen der Umsetzung intelligenter Energiesysteme zu sichern, wird eine intensive Beteiligung deutscher Gremienvertreter an der Definition einer europäischen Referenzarchitektur zur Ableitung von Systemempfehlungen für das intelligente Energiesystem empfohlen. Dazu sollte auf den Terminologiearbeiten aus dem ITG-Positionspapier und dem DKE Wiki Terminologie Smart Grids / E-Energy zur Vereinheitlichung der Diskussion zu Smart Grids aufgebaut werden, um entsprechende Vorschläge einzureichen. Beschleunigung der Verbreitung von kommunikativen, fernauslesbaren Messeinrichtungen EnWG 21b Absatz 3a und 3b, der unter bestimmten Bedingungen den Einbau von Basiszählern vorschreibt, sollte auch auf turnusmäßige Wechsel von Zählern ausgeweitet werden. Dazu soll die Widerspruchsmöglichkeit des Anschlussnutzers bezüglich des Einbaus eines elektronischen Zählers aufgehoben werden, sofern für den Nutzer durch den neuen Zähler keine Mehrkosten entstehen. Zudem sollte die Definition des Basiszählers im EnWG so erweitert werden, dass die Zähler Smart-Grid-geeignet sind. Messtechnische Erfassung der Powerqualität im Niederspannungsbereich Aufgrund zukünftig vielfältiger dezentraler Erzeugungsanlagen und Energiespeicher im Niederspannungsbereich wird eine umfassende messtechnische Erfassung und Überwachung der Powerqualität durch den Verteilungsnetzbetreiber notwendig. Mit dem Einsatz von beim Einspeiser und Energienutzer angesiedelter Messtechnik (Smart Meter) und Nutzung der erhältlichen Daten (mit Kundeneinverständnis) zur Powerqualität in die automatisierte Netzführung können die Ausbaukosten des Verteilungsnetzes bei der Smart Grid-Entwicklung begrenzt werden. Deshalb wird empfohlen, die Rahmenbedingungen zu definieren, wie der VNB Daten zur Powerqualität aus Smart Metering-Systemen zukünftig nutzen kann. 13

14 Empfehlungen zur marktnahen Regulierung Die Entwicklung des intelligenten Energiesystems bedarf wirtschaftlicher Kräfte, die Interesse an entsprechenden Investitionen haben, aber ebenso einer Klärung der Frage, wie eine erweiterte Infrastruktur finanziert werden soll. Die Weiterentwicklung des Energiesystems benötigt natürlich auch eine Weiterentwicklung der bisherigen Energiemärkte und ihrer Mechanismen. Insoweit besteht mit dem Paradigmenwechsel im Energiesystem von einer linearen Wertschöpfungskette mit zentraler Erzeugung, passiven Verteilungsnetzen und passiven Kunden als Netznutzer hin zu einem Wertschöpfungsnetzwerk mit aktiven regionalen Netzen und energetisch selbständig agierenden Netznutzern als Energieanbieter und Energienutzer die Herausforderung darin, die Rahmenbedingungen entsprechend zu gestalten. Auf Grundlage dieser Schwerpunkte wurden heutige Hindernisse im energiewirtschaftlichen und regulatorischen Umfeld identifiziert. Dabei wurden folgende Empfehlungen als erste Handlungsansätze identifiziert: Abkehr von der verpflichtenden Nutzung von Standardlastprofilen Die Verwendung vorgegebener zeitlicher Nachfrageprofile (Standardlastprofile) für Nutzer kleinerer Energiemengen behindert die Einführung und Wirkung von zeit- oder lastvariablen Tarifen. Deshalb wird empfohlen, für diese Kunden zu einer Zählerlastgangmessung überzugehen, die den tatsächlichen Verbrauch zeitlich aufgelöst erfasst. Um die Datenmenge handhabbar zu gestalten, können Kunden zu Gruppen zusammengefasst werden oder Hochrechnungen auf Basis einer Stichprobe von Kunden verwendet werden. Auch auf der Seite der Einspeisung sollte für PV-Anlagen die tatsächliche, zeitlich aufgelöste Einspeisung verwendet werden. Stromkennzeichnungspflicht Aus Sicht der Stromkennzeichnung kann konstatiert werden, dass die gegenwärtigen Rahmenbedingungen nur schwerlich ermöglichen, regionale und ökologische Produkte zu entwicklen und auf dem E-Energy-Markt zu handeln. Ein Fortschritt wäre die Möglichkeit, einzelne Eigenschaften von Herkunftsnachweisen verwenden zu können und nur diese Eigenschaft dann auch in den Herkunftsnachweisen zu löschen. Dadurch könnten regionale Eigenschaften verwendet werden und auf regionaler Erzeugung basierende Produkte vermarktet werden. Für die Ökostromproduktion besteht das bekannte Dilemma, zwischen Förderung durch EEG-Vergütung und anderweitiger Vermarktung von Ökostromeigenschaften zu wählen, die dann auch noch in Ergänzung zum EEG einen zusätzlichen Ausbau von erneuerbaren Energien bewirken sollte. Gegenwärtig wird EEG-geförderter Strom aufgrund des vorgeschriebenen Verkaufs durch die Übertragungsnetzbetreiber an der Börse in grauen Strom verwandelt. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, den Lieferanten auf Basis ihrer Bezahlung der EEG-Umlage zu erlauben, EEG- Strom in ihrer Produktkennzeichnung auszuweisen. Eine solche Regelung würde aber nichts daran ändern, dass ein auf dem E-Energy-Markt gehandeltes Ökostromprodukt nur dann einen Zubau von EE-Anlagen über die durch das EEG bewirkte Menge hinaus bewirken kann, wenn ein entsprechendes Zertifizierungsmodell z.b. das Fondsmodell nach ok-power - gewählt wird. Flexibilisierung des Regelenergiemarktes Die Festlegungen der Bundesnetzagentur zu den Regelenergiemärkten sollte weiter gelockert werden, um die Einbindung kleiner Anlagen zu vereinfachen: - Die Mindestlosgrößen könnten auf allen Regelenergiemärkten weiter reduziert werden. 14

15 - Die Ausschreibungszeiträume könnten weiter verkürzt werden. Daneben ist zu prüfen, inwieweit eine Änderung des EEG wünschenswert und erforderlich ist, um EEGgeförderten Anlagen den Zugang zu den Regelenergiemärkten zu ermöglichen. Auch die technischen Präqualifikationsanforderungen sollten auf ihre Notwendigkeit hin überprüft werden. Anreize für Marktakteure zur Mitwirkung bei der direkten Steuerung und bei der regionalen Erzeugungs- und Verbrauchsprognose im Verteilungsnetz In der derzeitigen Netzbetriebsführung findet eine Steuerung zur Nutzung des öffentlichen Energieversorgungsnetzes praktisch nur auf der Seite großer, zentraler Energieeinspeiser statt. Diese fossile und nukleare Stromerzeugung soll auch weiter maximal geregelt und gegebenenfalls gedrosselt werden. Zukünftig kann es darüber hinaus notwendig werden auch andere, kleinere Erzeuger und Verbraucher zu steuern. Diese sollen zukünftig mit Hilfe von Smart Grids die Möglichkeit erhalten, an Steuerungsmaßnahmen zur Netzführung teilzunehmen. Deshalb empfehlen wir im Rahmen der Novellierung des EnWG sowie des EEG Anreize zu definieren, damit sich die dezentralen Einspeiser auch im Bereich der Kleinanlagen - unter Beachtung des Vorrangs von Strom aus erneuerbaren Energien - sowie auch die Energienutzer an Steuerungsmechanismen beteiligen. Aus diesem Grund wird weiterhin empfohlen, dass der VNB zukünftig dem Netznutzer (Einspeiser, Energienutzer, Lieferanten) Anreize bieten kann, seine Anlagen direkt steuern zu lassen sowie sich an Mechanismen zur Erzeugungs- und Verbrauchsprognose mit dem Ziel des regionalen Ausgleiches von Erzeugung und Verbrauch zu beteiligen. Anreize über Netzentgelte zur Beeinflussung erwarteter Einspeisungen und Verbräuche Bei der Steuerung dezentraler Einspeiser sowie der Steuerung von Geräten und Anlagen bei Energienutzern sind Maßnahmen vor dem Leistungsfluss im Prognose- und Bilanzierungsprozess (SOLL) sowie Maßnahmen zur direkten Steuerung während des Leistungsflusses bei Abweichungen vom erwarteten Wert (IST) zu unterscheiden. Mit beiden Mechanismen gilt es die Flexibilität des Energiesystems im Umfeld einer schwankenden Erzeugung zu erhöhen. Um den Bedarf schon mit den Prognose- und Bilanzierungsprozessen zu beeinflussen, wird unter der Annahme, dass die Energielieferanten progressive variable Tarife gemäß EnWG 40 Abs. 3 anbieten, zur Netzsteuerung bei erwarteten Überlastsituationen ein Anreizsystem mit variablen Netzentgelten zur Erprobung empfohlen. Durch dessen Einführung soll die Reduzierung von Lastspitzen erreicht werden, um Investitionen in Netzausbau mit dem Ausbau dezentraler erneuerbarer Energiequellen zu minimieren. Zudem sollen die Integration Erneuerbarer Energien verbessert und Abschaltungen vermieden werden. Mit der Einführung variabler Netzentgelte sind tiefgreifende Änderungen in der StromNEV und damit in der heutigen Netzentgelt-Systematik notwendig. Um diese Änderungen transparent und für alle Beteiligten Netzbetreiber und Netznutzer nachvollziehbar vornehmen zu können, erscheint es notwendig diesen Paradigmenwechsel in mehreren Stufen vorzunehmen. Anreizsetzung für die Verteilungsnetzbetreiber die vorgelagerten Netzebenen zu entlasten Gegenwärtig können Verteilungsnetzbetreiber sämtliche Kosten aus der Nutzung vorgelagerter Netze unmittelbar auf die Netznutzungsentgelte umlegen. Damit haben sie keinen Anreiz darauf hinzuwirken, die vorgelagerte Netzebene zu entlasten und langfristig deren Kosten zu reduzieren. Es sollten Möglichkeiten geprüft werden, ob und gegebenenfalls wie die Regelung geändert werden kann, um einen solchen Anreiz zu geben 15

16 Schlussbemerkung Aufgrund der aktuellen Ergebnisse dieses und der anderen E-Energy-Projekte ist absehbar, dass eine Bewertung der künftigen Chancen von vernetzten Energiesystemen nicht abschließend auf der Bewertung von einzelnen Geschäftsmodellen unter heutigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedinungen erfolgen kann. Die möglichen volkswirtschaftlichen Effekte eines flächendeckenden Smart Grid-Ansatzes lassen sich durch die Betrachtung jeweils einzelner Modellprojekte nicht hinreichend darstellen. Auch im Rahmen der Fachgruppenarbeit innerhalb der Begleitforschung konnte noch kein integrativer Ansatz modelliert werden, der die Einzelergebnisse und mögliche absehbare Entwicklungen in einem Gesamtmodell abbildet, um ökonomische und ökologische Chancen systematisch zu analysieren. Daher empfehlen wir ein solches Gesamtmodell zu entwickeln, um daraus belastbare Empfehlungen an die Politik abzuleiten. Dabei müssen unserer Einschätzung nach Szenarien zugrundegelegt werden, die verschiedene wirtschaftlich-technische Optionen mit denkbaren politisch-instrumentellen Pfaden verzahnen. 16

17 Abbildung 4: moma-konzeptbild 17