Interaktiver Transformationsatlas zeigt Zusammenspiel von Strommarkt und Stromnetz durch steigende Elektromobilität

Die Stromnachfrage wird durch Elektromobilität und Wärmepumpen steigen. Damit muss auch die Zahl der Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen wachsen. Was bedeutet das für die Stromnetze, auch mit Blick auf Lastspitzen und die Wetterabhängigkeit der Erzeugungsanlagen? Das untersuchen das Fraunhofer IEE und die Universität Kassel jetzt in dem vom BMWK geförderten Projekt “Dekarbonisierung Verkehr – Rückkopplung Energiesystem” (DeV-KopSys-2) mit Fokus auf den Mobilitätssektor. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellen ihre Ergebnisse in einem räumlich und zeitlich hochaufgelösten, interaktiven Transformationsatlas dar. Damit sind auch individuelle Abfragen unter diesem Link kostenfrei möglich.

© Fraunhofer IEE
Stündlich aufgelöste Erzeugungs- und Verbrauchszeitreihen im Strommarkt – Beispiel für ein Extremereignis mit maximaler Windeinspeisung in Deutschland für das Jahr 2045.
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Darstellung des Netzengpassmanagements (aufsummierter positiver und negativer Redispatch) je Übertragungsnetzknoten für Deutschland im Jahre 2045 unter Berücksichtigung von verschiedenen Flexibilitätsoptionen.

„Die Zukunft des Verkehrs ist elektrisch – vor allem mit direktelektrischen Antrieben auf der Straße, aber auch mit strombasierten PtX-Kraftstoffen im Flug- und Schiffsverkehr. Und auch in den anderen Sektoren ersetzen Strom sowie grüner Wasserstoff und seine PtX-Folgeprodukte die fossilen Energieträger“, erklärt Maximilian Pfennig, Projektleiter beim Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in Kassel. „Wir haben untersucht, welche Herausforderungen damit für die Netze entstehen und wie sich diesen begegnen lässt. Damit schaffen wir eine Wissensbasis für die ganzheitliche, abgestimmte Planung unseres künftigen Energiesystems.“

Bei der aktuellen Fassung des Transformationsatlasses haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunächst auf die Situation in Deutschland beschränkt, unter Berücksichtigung der Schnittstellen des heimischen Energiesystems mit dem europäischen Strommarkt. Im weiteren Projektverlauf wird das Fraunhofer IEE und die Universität Kassel auch den europäischen sowie den globalen Umbau der Energiesysteme untersuchen.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) finanzierte Projekt DeV-KopSys-2 knüpft an den „Global PtX Atlas“ an, den das Fraunhofer IEE 2021 im Vorgängerprojekt DeV-KopSys veröffentlicht hat. Darin wurde im Detail untersucht, wie groß die jeweiligen Potenziale für die nachhaltige Produktion von grünem Wasserstoff sowie synthetischen Kraft- und Brennstoffen in denjenigen Regionen außerhalb Europas sind, die dafür die besten Bedingungen bieten.

Transparenz bei der Transformation

Für die Analysen wurden detaillierte szenariobasierte Modellierungen durchgeführt, mit einer zeitlich wie räumlich hochaufgelösten Darstellung der jeweiligen Erzeugungs-, Last- und Netzsituationen. Nutzerinnen und Nutzer des Transformationsatlasses haben die Möglichkeit, deren Zusammenspiel interaktiv nachzuvollziehen und eigene Auswertungen vorzunehmen.

Konkret bietet der Transformationsatlas des Fraunhofer IEE unter anderem verschiedene Szenarien bis 2045 mit jeweils einem ganzen Wetterjahr in stündlicher Auflösung, eine Darstellung des Leistungszuwachses und der Energiebilanzen auf Bundesländer- und später auch auf Landkreisebene sowie Stromnetzkarten mit der notwendigen Netzausbauplanung und Bewirtschaftung von verbleibenden Engpässen (Redispatch). Ebenso stellt der Atlas dar, welchen Beitrag Flexibilitätsoptionen zur Beseitigung von Netzengpässen leisten können.

Dabei macht der Atlas im Detail deutlich, wie sich neue Erzeuger und Verbraucher in räumlicher Hinsicht auf das Stromnetz auswirken – etwa leistungsstarke Elektrolyseure, Großspeicher, die Offshore-Windenergie oder die Elektromobilität. Auch zeigt er, welche Folgen eine regional sehr hohe Photovoltaik-Einspeisung sowie der europäische Stromhandel für die Netze haben.

„Auf den Punkt gebracht: Wir zeigen mit dem Transformationsatlas, was im Markt und im Netz passiert, wenn neue Erzeuger und Verbraucher integriert werden müssen“, sagt Fraunhofer-Forscher Lukas Jansen. „So schaffen wir Transparenz – und tragen dazu bei, die Komplexität bei der direkten und indirekten Elektrifizierung des Verkehrs- wie auch der anderen Sektoren beherrschbar zu machen.“

Potenziale dezentraler Flexibilitäten nutzen

So geht aus den Analysen zum Beispiel hervor, dass der Netzausbau allein vielerorts nicht genügt, um die Distanzen zwischen den neuen Erzeugungs- und Lastschwerpunkten zu überbrücken. Hier können etwa dezentrale Flexibilitäten Abhilfe schaffen. Allen voran die Elektromobilität: Die netzdienliche Aufnahme und Abgabe von Strom in die oder aus den Batterien der Fahrzeuge („Vehicle to Grid“, kurz V2G) kann dazu beitragen, Netzengpässe zu beseitigen und so die Abregelung von Windrädern oder Photovoltaik-Anlagen zu vermeiden. Auch ist es damit möglich, den Einsatz regelbarer thermischer Kraftwerke zu reduzieren. Solche Anlagen sind auch künftig unverzichtbar – sie springen ein, wenn die erneuerbaren Energien wetterbedingt nicht genug Strom liefern.

Auch freie Kapazitäten von Photovoltaik-Speichern können für netzdienliche Leistungen herangezogen werden, wie sich aus dem Atlas ersehen lässt. Vor allem im Herbst und Winter bieten sie häufig viel ungenutztes Redispatch-Potenzial, also der Anpassung der Einspeiseleistung bei Netzengpässen auf Anforderung der Übertragungsnetzbetreiber.

Integration der europäischen und globalen Ebene

Das Team aus Kassel wird ihre Atlanten in den nächsten Jahren noch deutlich erweitern. Steht in der jetzt veröffentlichen Fassung das deutsche Energiesystem – samt den Effekten der Rückkopplung mit dem europäischen Strommarkt – im Mittelpunkt, so werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im nächsten Schritt noch stärker die Ursache-Wirkungs-Beziehungen auf europäischer Ebene berücksichtigen. So planen sie zum Beispiel, das künftige länderübergreifende Wasserstoffnetz zu visualisieren.

Zu einem späteren Zeitpunkt werden auch die Transformationspfade der globalen PtX-Exportländer samt deren Energiesysteme modelliert. Auch werden weitere Forschungsinhalte aufgenommen und den Nutzerinnen und Nutzern noch mehr Möglichkeiten zum interaktiven Abruf von Informationen gegeben, etwa durch zeitreihenbasierte Elemente auf Landkreisebene.

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