AK-Technikgeschichte Stromnetze - ein wesentlicher Baustein der Energiewende

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1 AK-Technikgeschichte Stromnetze - ein wesentlicher Baustein der Energiewende 1

2 Inhaltsverzeichnis Einführung Herausforderungen für das Übertragungsnetz Anschluss Offshore-Windparks Herausforderungen für das Verteilnetz Zusammenfassung 2

3 Einführung Geburtsstunde der Stromübertragung Gleichstrom-Fernübertragung Miesbach München 1882 erste Stromübertragung über eine längere Strecke (57 km) mit Gleichstrom durch Oskar von Miller und Marcel Deprez Übertragungsspannung 1,4 kv Übertragungsverluste 78 % Drehstrom-Fernübertragung Lauffen - Frankfurt 1891 erste Drehstromfernübertragung über 175 km ebenfalls durch Oskar von Miller Übertragungsspannung 15 kv Übertragungsverluste nur noch bei 25 % Drehstrom setzte sich weltweit als allgemeiner Standard zur Stromübertragung durch Quelle: Deutsches Museum, König/Weber - Technikgeschichte 3

4 Einführung Von regionalen Netzinseln zum europäischen Verbundnetz Entstehung erster regional begrenzter Versorgungsgebiete in Deutschland vor über 100 Jahren Einspeisung zumeist nur über ein Kraftwerk, bei Ausfall somit sofortiger Versorgungsausfall für alle angeschlossenen Verbraucher Mit steigendem Strombedarf und Forderung nach höherer Versorgungssicherheit zunehmende Vernetzung und immer höhere Spannungen Im Laufe der Zeit entstand so das "Deutsche Verbundnetz 1951 Zusammenschluss acht nationaler Netze zu einem synchron betriebenen zentral-europäischen Verbundnetz (UCTE-Netz), umfasst heute 35 Übertragungsnetzbetreiber in 24 Ländern Ausbildung von vier weiteren Netzverbünden in Europa Seit 2009 ENTSO-E als Dachverband der 42 europäischen ÜNB Verbundbetrieb reduziert Reserveleistungsbedarf, erhöht Versorgungssicherheit und ermöglicht Austausch von elektrischer Energie 4

5 Einführung Deutsches Stromnetz gliedert sich heute in zwei Ebenen Quelle: BDEW, BNetzA Übertragungsnetz Höchstspannung (380/220 kv) Länge: km Verkabelungsgrad 0,5 % 600 Letztverbraucher vier Netzbetreiber Verteilungsnetz Hochspannung (110 kv) Mittelspannung (10/20 kv) Niederspannung (0,4 kv) Länge: km Verkabelungsgrad 81% 48 Mio. Letztverbraucher über 800 Netzbetreiber Mit einer Verfügbarkeit von 99,995 % hat Deutschland europaweit die zuverlässigste Strominfrastruktur 5

6 Einführung Gebiete der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) Quelle: Übertragungsnetzbetreiber Amprion GmbH früher RWE-Transportnetz Strom GmbH heute 65 % Commerz-Real und 35 % RWE Transnet BW GmbH früher EnBW Transportnetze AG nach wie vor 100 %-Tochter der EnBW TenneT TSO GmbH früher E.ON Netz GmbH heute 100 % TenneT (niederländischer TSO) 50Hertz Transmission GmbH früher Vattenfall Europe Transmission GmbH heute 60 % Elia (belgischer TSO) und 40% IFM Die heute vier ÜNB wurden im Rahmen der Unbundling-Umsetzung aus den Unternehmen E.ON, EnBW, RWE und Vattenfall ausgegliedert 6

7 Einführung Wesentliche Aufgaben der Stromnetzbetreiber Frequenzhaltung (ÜNB) Vorhaltung von Regelleistung Spannungshaltung (ÜNB/VNB) Redispatch/Blindleistungsmanagement Netzverstärkung und Netzausbau Engpassmanagement (ÜNB/VNB) Redispatch und Einspeisemanagement Netzverstärkung und Netzausbau Netzwiederaufbau (ÜNB, VNB) Schwarzstartfähige Kraftwerke Netzbetreiber sind für die Stabilität des Stromversorgungssystems verantwortlich Quelle: 50Hertz-Transmission 7

8 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Übertragungsnetze vor ganz neuen Herausforderungen Historische Netzsituation Überkapazitäten Verbrauchsnahe Erzeugung in Großkraftwerken Übertragungsnetz kompensiert bei Störungen Transnet BW Hohe Nachfrage Zukünftige Netzsituation Ausbau der Windkraft im Norden und Wegfall konventioneller Kraftwerke im Süden/Südwesten Große Distanzen zwischen Stromerzeugung und Verbrauch Stark fluktuierende Einspeisungen von Windund Sonnenenergie Grenzüberschreitender Energiehandel Bestehende Übertragungsnetze sind nicht für die neuen Anforderungen dimensioniert und stoßen zunehmend an Kapazitätsgrenzen 8

9 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Stromerzeugung und Verbrauch in Deutschland in 2024 Erheblicher Erzeugungsüberschuss in den nördlichen und östlichen Bundesländern Deutliches Erzeugungsdefizit insbesondere in Bayern, Baden-Württemberg und Hessen Dort durch Abschaltung der Kernkraftwerke auch erhebliche Defizite bei der gesicherten Leistung Veränderte Erzeugungsstruktur führt regional zu deutlichen Unterschieden zwischen Erzeugung und Verbrauch Quelle: Netzentwicklungsplan 9

10 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Möglichkeiten zur Kapazitätserhöhung im Übertragungsnetz Netz- Optimierung Leistungsflusssteuerung Witterungsabhängiger Leitungsbetrieb NO Verstärkung Ausbau Spannungserhöhung (220 kv 380 kv) Zubeseilung von Stromkreisen Erhöhung der Übertragungsfähigkeit von Stromkreisen neue 380-kV-Leitungen neue Schaltanlagen Overlay-Netze (HGÜ) V A Quelle: Netzentwicklungsplan NOVA-Prinzip als Leitlinie für die Kapazitätserhöhung im Übertragungsnetz 10

11 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Einsatz von Erdkabeln im Höchstspannungsnetz Vorteile Nur geringe Beeinträchtigung des Landschaftsbildes Weniger anfällig gegen atmosphärische Störungen Nachteile Nur wenig Betriebserfahrung mit längeren Kabelstrecken Bei Drehstrom alle rd. 30 km Blindleistungskompensation Eingeschränkte landwirtschl. Nutzung im Trassenbereich Deutliche längere Reparaturdauer Halbe Lebensdauer im Vergleich zu einer Freileitung Deutliche höhere Kosten (Faktor 4-10) Trotz geringer Betriebserfahrungen und deutlich höherer Kosten sind Teilverkabelungen aus Umweltverträglichkeitsgründen in Erwägung zu ziehen Quelle: TenneT 11

12 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) Eine HGÜ besteht aus einer Umrichterstation, einer Transportleitung und einer weiteren Umrichterstation Energietransport in beide Richtungen möglich, aber hohe Kosten für Stromentnahme entlang der Trasse Ab etwa 600 km Länge sind HGÜ-Leitungen wirtschaftlicher als die Drehstromtechnik Rund 30-50% weniger Übertragungsverluste als bei vergleichbaren Drehstrom-Freileitungen Seekabelstrecken ab ca. 80 km nur mit HGÜ möglich, bei Drehstrom kommt ab dieser Leitungslänge praktisch keine Energie mehr an Quelle: TenneT Moderne Umrichtertechnik macht Gleichstrom für größere Übertragungsstrecken zunehmend interessant 12

13 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Erste Schritte beim Netzausbau im Übertragungsnetz Dena-Netzstudie I (02/2005) Netzausbaubedarf bis 2015 mit Ausblick bis km 380 kv-neubau, 400 km Umrüstung bestehender Leitungen Kosten 1,1 Mrd. Energieleitungsausbaugesetz (EnLAG) (08/2009) Festlegung von 24 vordringlichen Leitungsbauvorhaben km Leitungsneubau, davon 438 km bis Ende 2014 fertiggestellt Dena-Netzstudie II (11/2010) Netzausbaubedarf bis 2020 mit Ausblick bis km 380 kv-neubau zusätzlich zu Dena I Kosten 6 Mrd. Netzausbaubeschleunigungsgesetz (NABEG) (07/2011) Beschleunigung der Genehmigungsverfahren durch Bündelung der Zuständigkeiten bei der Bundesnetzagentur (BNetzA) Quelle: Dena Netzausbaubedarf im Übertragungsnetz seit Jahren bekannt, bislang jedoch nur sehr wenig umgesetzt 13

14 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Netzausbauplanung im Übertragungsnetz gemäß 12 EnWG Quelle: BNetzA Bei allen Schritten der Netzausbauplanung jeweils enge Einbindung der Öffentlichkeit 14

15 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Vom Netzentwicklungsplan (NEP) zum Bundesbedarfsplan Erster Bundesbedarfsplan im Juli 2013 mit Zustimmung aller Bundesländer verabschiedet Quelle: Netzentwicklungsplan, BNetzA Entwurf NEP km Neubau, km Umrüstung vier HGÜ-Korridore (2.100 km) 74 Maßnahmen Bestätigter NEP 2012 (Bundesbedarfsplan) km Neubau, km Umrüstung drei HGÜ Korridore (1.200 km) 51 Maßnahmen Erhöhung Übertragungskapazität Nord-Süd von 4 GW auf 11 GW Kosten ca. 15 Mrd. 15

16 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Erzeugungsleistung und Last in Bayern im Jahr 2024 Installierte Leistung 30 GW davon ca. 50 % PV gesichert ca. 7 GW 5 GW Verbraucherlast ca. 12 GW Leistungsdefizit rund 5 GW Erzeugungsdefizit ca. 40TWh Quelle: ÜNB, BNetzA Nach Abschaltung der Kernkraftwerke kommt es in Bayern zu einem erheblichen Defizit an gesicherter Erzeugungsleistung 16

17 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Im Bayerischen Energiedialog diskutierte Optionen Ausbau der dezentralen Erzeugung durch KWK umweltverträglich und bürgerfreundlich alleine nicht in der Lage, die Stromversorgung in Bayern zu sichern Errichtung von Gaskraftwerken in Bayern könnte die Stromversorgung in Bayern sichern aber Anreizmechanismus und Ausbau des Gasnetzes erforderlich Erhöhung der Abhängigkeit von Erdgasimporten Gefahr einer Aufspaltung des Strommarktes in Deutschland in zwei Preiszonen Bedarfsgerechter Netzausbau ausreichende Sicherstellung der Stromversorgung in Bayern aber massive Widerstände in der Bevölkerung Verzicht auf bedarfsgerechten Netzausbau gefährdet das Ziel einer auch in Zukunft sicheren, wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Versorgung Quelle: Bayerischer Energiedialog 17

18 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Preisbildung an der Strombörse Marktpreis ohne Erneuerbare Marktpreis mit Erneuerbaren Nachfrage Quelle: DIHK Erneuerbare Energien verdrängen teure Erzeugung und reduzieren so den Börsenpreis 18

19 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Aufspaltung des Strommarkts in Deutschland Deutschland, Österreich und Luxemburg bilden heute eine gemeinsame Strompreiszone Kapazitätsengpässe im Übertragungsnetz durch Ausbau der Windkraft im Norden und Kraftwerksstilllegungen im Süden/Südwesten Drohende Aufspaltung in zwei Preiszonen ohne zügige Umsetzung des erforderlichen Netzausbaus Quelle: TU Dresden Deutlich günstigere Preise in der nördlichen Strompreiszone Aufspaltung des Strommarktes in Deutschland bedeutet für den Süden deutlich höhere Strompreise 19

20 Herausforderungen für das Übertragungsnetz Beispielrechnung zur Auswirkung von Netzengpässen Die Stromproduktion in Region A kostet 20 /MWh und in Region B 30 /MWh. Es bestehen keine Kapazitätsbeschränkungen bei der Stromproduktion. Die Nachfrage beträgt in jeder Region jeweils 100 MWh. Region A Region B Wie hoch wären die Gesamtkosten der Stromproduktion a) ohne Netzverbindung b) mit einer Übertragungskapazität von 50 MW c) mit uneingeschränkter Netzkapazität zwischen A und B Fall Produktion A Produktion B Gesamtkosten a) 100 MWh 100 MWh Quelle: Heuterkes, Pfaffenberger, Ströbele Energiewirtschaft b) 150 MWh 50 MWh c) 200 MWh 0 MWh Eingeschränkte Übertragungskapazitäten führen in der Regel zu höheren Erzeugungskosten 20

21 Anschluss Offshore-Windparks Offshore-Netzausbau Ausbauplanung Offshore seit 2013 auf Basis eines Offshore-Netzentwicklungsplanes (Offshore-NEP) Anbindung von Clustern ersetzt individuellen Anbindungsanspruch für jeden Offshore-Windpark Zubaubedarf bis 2024 laut Offshore-NEP (2. Entwurf) rund km zuzüglich sog. Startnetz mit km Anschlüsse in der Nordsee ausschließlich mit HGÜ, in der Ostsee in Drehstromtechnik Kosten inklusive Startnetz zwischen 15 und 20 Mrd. Offshore-Haftungsumlage zur Risikobegrenzung bei den Übertragungsnetzbetreibern Quelle: Offshore-Netzentwicklungsplan Auch der Anschluss der Offshore-Windparks führt zu Kosten im zweistelligen Milliardenbereich 21

22 Anschluss Offshore-Windparks Offshore-Windenergie - Deutschland und UK im Vergleich Ausbau Offshore-Windenergie in Deutschland deutlich anspruchsvoller und teuer als in anderen Ländern Quelle: TenneT 22

23 Herausforderungen für das Verteilnetz Auch die Verteilungsnetze stoßen an Kapazitätsgrenzen In der Vergangenheit Stromfluss nur in einer Richtung von den zentralen Erzeugungsstandorten zu den Verbrauchern Verbrauch als Dimensionierungsgröße für Netzausbau Heute und in Zukunft Zunehmende dezentrale Einspeisung durch massiven Ausbau von Photovoltaik, Windkraft und Biomasse Über 90 % der Anlagen speisen in die Verteilungsnetze Umkehr der bisherigen Energieflussrichtung Spannungsprobleme und Betriebsmittelüberlastungen Dezentrale Erzeugung bestimmt Netzausbau Integration der Erneuerbaren Energien erfordert auch in den Stromverteilungsnetzen umfangreiche Netzausbau/-umbaumaßnahmen 23

24 Herausforderungen für das Verteilnetz Veränderung der Trafobelastung (110/20 kv) Lieferung (max. 15 MW) Rückspeisung (max. 55 MW) In Regionen mit hoher dezentraler Einspeisung übersteigt die Rückspeisung den Verbrauch zu gewissen Zeiten mittlerweile deutlich Quelle: Bayernwerk 24

25 Herausforderungen für das Verteilnetz Ergebnisse der Dena-Verteilnetzstudie vom Dezember 2012 Netzausbaubedarf (km) Netzausbau/-umbaukosten Niederspannung 3,6 Mrd Mittelspannung 7,8 Mrd. Hochspannung 16,1 Mrd. Hoch- HS Mittel- MS Nieder- NS spannung spannung spannung Quelle: Dena-Verteilnetzstudie Netzausbau/-umbaukosten im Verteilnetzbereich von über 25 Mrd. in den nächsten 10 Jahren 25

26 Herausforderungen für das Verteilnetz Potenziale/Auswirkungen alternativer Maßnahmen gemäß Dena Lastreduktion Konventioneller Netzausbau Laststeuerung Dezentrale Speicher Abregelung Regelbare Ortsnetztrafos Intelligente Wechselrichter Hochtemperaturseile Innovative Technologien 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% Innovative Technologien, Abregelung und dezentrale Speicher mit großem Potenzial zur Reduzierung des konventionellen Netzausbaus Quelle: Dena-Verteilnetzstudie 26

27 Herausforderungen für das Verteilnetz Ergebnisse BMWi-Verteilernetzstudie vom September 2014 Ausbaukosten von Mrd. je nach Szenario bis 2032 bei konventionellem Netzausbau zusätzliche Leitungskilometer 70 % des identifizierten Netzausbaubedarf bereits in den nächsten 10 Jahren erforderlich Mittelspannung 7,8 Mrd. Halbierung des konventionellen Netzausbaubedarfs durch intelligente Technologien und innovative Planungsmethoden, Senkung der Gesamtkosten um bis zu 20 % Hochspannung 16,1 Mrd. Erzeugungsmanagement mit größtem Potential Quelle: BMWi-Verteilernetzstudie BMWi-Verteilernetzstudie bestätigt die Dena-Ergebnisse und konkretisiert diese 27

28 Zusammenfassung Kosten für den Stromnetzausbau bis 2030 Übertragungsnetz Mrd. Offshore-Anschlüsse Mrd. Verteilungsnetz Mrd. Die Netzausbaukosten von bis zu 70 Mrd. werden über die Netzentgelte auf den Strompreis umgelegt Quelle: NEP, Dena, BMWi 28

29 Zusammenfassung Massiver Widerstand gegen Übertragungsnetzausbau Klares Bekenntnis der Politik als ganz wichtiger Erfolgsfaktor für die Realisierung des Netzausbaus im Übertragungsnetz 29

30 Zusammenfassung Zusammenfassende Betrachtung Übertragungsnetze Leistungsstarke Stromautobahnen für den Stromtransport in den Süden und Südwesten Deutschlands notwendig Begrenzung des Netzausbaus durch möglichst viel verbrauchsnahe Erzeugung möglichst umweltverträgliche Umsetzung unter Einbindung aller Beteiligten Verzicht auf Netzausbau führt zu volkswirtschaftlich ineffizienten Strukturen und gefährdet Klimaschutzziele Verteilungsnetze Integration dezentraler Erzeugungsanlagen erfordert auch massiven Aus-/Umbau der Verteilungsnetze Ausbaubedarf lässt sich durch innovative Technologien und innovative Planungsmethoden erheblich reduzieren Für eine erfolgreiche Energiewende ist ein Gesamtkonzept unerlässlich. Ein bedarfsgerechter Netzausbau ist ein wesentliches Element. 30