Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Ausbau der Versorgungsnetze im Kontext der Sektorkopplung

Erstellt am: 04.10.2018 | Stand des Wissens: 02.11.2021
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Wind- und Solarenergie werden nach Übereinstimmung der Forschungslandschaft künftig die Stromversorgung Deutschlands dominieren, vgl. die Übersicht in [AEE16]. Die Stromerzeugung aus diesen Energiequellen ist zwar fluktuierend, ihre Profile ergänzen sich aber jahres- und tageszeitlich. Für höhere Stromerzeugungskapazitäten aus erneuerbaren Energien ist ein Ausbau der entsprechenden Übertragungs- und Verteilnetze unumgänglich. Dabei sind räumliche Disparitäten zwischen Angebot und Nachfrage zu beachten, die über das Netz ausgeglichen werden müssen. So sind die Bedingungen für Windkraftanlagen im Norden Deutschlands besonders günstig, während die Verbrauchsschwerpunkte eher im Süden und Westen liegen.
Einerseits ermöglicht ein Ausbau der Stromnetze die Erschließung der kostengünstigsten Standorte zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Andererseits könnte durch eine stärkere europäische Vernetzung das erhebliche meteorologische Ausgleichspotential durch unterschiedliche Wetterbedingungen genutzt werden. Die Analysen von [ISI17, S. 13] ergeben für ihre Szenarien, dass das in Europa zu einem Zeitpunkt vorhandene Angebot an Erzeugungskapazitäten in den meisten Fällen ausreicht, um die Stromnachfrage im gesamten Gebiet zu decken. Ein Ausbau mit europäischer Vernetzung stellt somit eine Alternative zu anderen Flexibilitätsoptionen wie zusätzlichen Speichern, konventionellen Backup-Kraftwerken oder neuen flexiblen Stromerzeugungsanlagen für den bedarfsorientierten Betrieb (Biomasse-Anlagen und Gasturbinen) dar.
Neben dem Stromnetz spielt das Erdgasnetz Deutschlands bei Überlegungen zur stärkeren Sektorkopplung eine Rolle. Im Jahr 2020 existiert ein Rohrleitungsnetz von 492.500 km Länge mit zugehörigen Speicherkapazitäten in Form von Kavernen- oder Porenspeichern von rund 24,6 Mrd. Kubikmetern Gas, vgl. [EnBW21; BDEW21]. Daraus resultiert eine jährlich nutzbare Erdgasmenge von 230 Mrd. Kilowattstunden, also ca. 25% der 2018 in Deutschland verbrauchten Erdgasmengen, vgl. [EnBW21]. Dieses Netz kann auch als Transportinfrastruktur und Speicher für synthetisches Methan dienen. Mit Methan aus PtG-Prozessen oder Biomasse und dessen Speicherung im Gasnetz könnten künftig auch längere "kalte Dunkelflauten", d.h. Phasen mit wenig Sonne und Wind überbrückt werden. In solchen Fällen können Gase aus erneuerbaren Quellen in flexiblen Gaskraftwerken rückverstromt werden, wenn die Stromproduktion aus Wind und Sonne den Bedarf nicht decken kann und andere Speicheroptionen keine ausreichenden Kapazitäten bieten, vgl. z.B. [JaSa17, S. 15]. [ESYS17, S. 46] gehen davon aus, dass moderne Gaskraftwerke aus den 400 TWh gespeicherter Energie knapp 250 TWh Strom erzeugen. Bei rund 2000 TWh Endenergiebedarf im Jahr 2050, die sich in den Acatech-Szenarien ergeben, könnte so bis zu einem Achtel des zukünftigen jährlichen Endenergiebedarfs als Reserve im Gasnetz vorgehalten werden. Es wird deutlich, dass Strom- und Gasnetze künftig u.U. stärker als bisher interagieren, was bei entsprechenden Netzausbauplanungen zu berücksichtigen ist. So kann eine stärkere Nutzung des Gasnetzes den Ausbaubedarf der Stromnetze im Vergleich zu einem sehr weitgehend auf direkter Stromnutzung basierenden Gesamtversorgungssystem mindern, vgl. [ESYS17, ebd.]. Allerdings ist die Nutzung des Potentials des Gasnetzes als chemischer Langzeitspeicher erst nach 2030 bei Anteilen erneuerbarer Stroms von 60 bis 80% an der gesamten Erzeugung wahrscheinlich, vgl. [AEE16, S. 12]. Einige Studien wie [ISI17] sehen auch 2050 keinen Bedarf für diese Speicherform, weil andere Flexibilitätsoptionen und konventionelle Speicher wie Pumpspeicherkraftwerke ausreichend Ausgleichspotential bieten. 
Neben einer möglichen Backup-Funktion für das Stromsystem ist ein gut ausgebautes Gasnetz auch für die Verteilung von synthetischem Methan aus erneuerbaren Quellen für Industrieprozesse (hier vor allem zur Erzeugung von Prozesswärme), für die Versorgung des Schiffs- und ggf. Straßengüterverkehrs mit PtG sowie für die Belieferung von Raffinerien mit dem Ausgangsstoff zur Herstellung PtL-basierter Treibstoffe (z.B. Kerosin für den Luftverkehr) relevant. Darüber hinaus kann dem Erdgas / Methan des bestehenden Netzes 2-10% Wasserstoff zugemischt werden. Sollte Wasserstoff künftig als Energieträger in Industrieprozessen, der Verstromung oder für Brennstoffzellenantriebe eine größere Rolle im Energiesystem spielen, könnte der Transport eines Wasserstoff-Methan-Gemisches mit anschließender Trennung am Ort der Entnahme eine Alternative zum Aufbau einer eigenen Transportinfrastruktur für Wasserstoff darstellen, vgl. [ESYS17, S. 46].
Für einen bedarfsgerechten Ausbau der Strom- und Gasnetze hinsichtlich Umfang und Netzabdeckung sind erhebliche Investitionen in langlebige Infrastrukturen vonnöten. Die entsprechenden Planungen sind langfristig anzulegen; sie sollten mögliche Wechselwirkungen zwischen Strom- und Gasnetz berücksichtigen. In Deutschland sind die entsprechenden Planungsprozesse bei der Bundesnetzagentur angesiedelt, was grundsätzlich gute Möglichkeiten eröffnet, abgestimmte Gesamtlösungen für das Energiesystem der Zukunft zu realisieren. Abbildung 1 beschreibt diesen Prozess beispielhaft für den Stromnetzausbau, bei Investitionen in das Gasnetz läuft er analog.
Netzplanung_Strom_Bundesnetzagentur_2017_klein.pngAbb. 1: Verfahren zur Bedarfsermittlung und Feststellung des Ausbaubedarfs an Höchstspannungsleitungen (Quelle: [BNetzA17c, S. 8])
Das Verfahren ist prinzipiell als rollierende Planung durch die Übertragungsnetzbetreiber Amprion, TransnetBW, 50Hertz und TenneT unter Aufsicht der Bundesnetzagentur und Beteiligung der Öffentlichkeit in allen Prozessstufen angelegt. Zunächst stellen die Übertragungsnetzbetreiber einen Szenariorahmen auf, den die Bundesnetzagentur unter Öffentlichkeitsbeteiligung prüft, ggf. anpasst und genehmigt. Darauf basierend erstellen die Netzbetreiber einen Netzentwicklungsplan (NEP) für den Landbereich und einen für die Nord- und Ostsee, den sog. Offshore-Netzentwicklungsplan (O-NEP). Die von der Bundesetzagentur bestätigten Netzentwicklungspläne bilden zusammen mit dem Umweltbericht die Basis für den Bundesbedarfsplan mit einer Liste der benötigten Leitungsvorhaben, die der Gesetzgeber festlegt. Nachgeordnet finden die Detailplanungen von Trassenverläufen statt, die in das Planfeststellungsverfahren für Ausbauprojekte mündet.
Die Netzentwicklungspläne haben einen Zeithorizont von 12-15 Jahren und werden alle zwei Jahre aktualisiert. Dieses Zeitintervall ermöglicht eine gewisse Flexibilität, um auf neue Entwicklungen im Energiesystem zu reagieren; der vergleichsweise lange Planungshorizont bringt hingegen relative Planungssicherheit. Die umfangreiche Beteiligung der Öffentlichkeit mag die Dauer des Verfahrens erhöhen; sie sollte jedoch auch zu einer breiteren Akzeptanz von Netzausbauprojekten in der Bevölkerung führen. Diese Akzeptanz ist eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Anpassung der Netze an die Erfordernisse einer klimafreundlichen Energieerzeugung.
 
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Ökonomische Herausforderungen der Sektorkopplung (Stand des Wissens: 04.11.2021)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?490049
Literatur
[AEE16] Kirchner, A., Koziel, S., Mayer, N., Kunz, C. Metaanalyse: Flexibilität durch Kopplung von Strom, Wärme & Verkehr, 2016/04
[BDEW21] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (Hrsg.) Gasnetzentwicklung in Deutschland, 2021/01/19
[BNetzA17c] Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen (Hrsg.) Bedarfsermittlung 2017-2030: Zusammenfassung der Konsultationsergebnisse, 2017
[EnBW21] EnBW Energie Baden-Württemberg AG 2021 (Hrsg.) Erdgasspeicher: wichtiger Bestandteil des Gasnetzes, 2021
[ESYS17] Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, aca-tech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften (Hrsg.) Sektorkopplung - Optionen für die nächste Phase der Energiewende, 2017/11
[ISI17] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Technische Universität Wien, Consentec GmbH, M-Five, TEP Energy GmbH (Hrsg.) Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Modul 0: Zentrale Ergebnisse und Schlussfolgerungen, 2017/09
[JaSa17] Jansen , Malte, Sager-Klauß, Christina Das gekoppelte Energiesystem - Vorschläge für eine optimale Transformation zu einer erneuerbaren und effizienten Energieversorgung, 2017
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn  aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
CH4 = Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge. Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.) Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
Szenarien Ein Szenario ist ein Bild der Zukunft, das sich aus einer bestimmten Kombination von relevanten Einflussfaktoren und Rahmenbedingungen entwickelt. Das grundsätzliche Anliegen von Szenarien besteht darin, verschiedene Handlungsoptionen zu verdeutlichen und ihre Folgewirkungen transparent zu machen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?489920

Gedruckt am Samstag, 13. August 2022 05:28:35