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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Energie zu verteilen und über weite Strecken zu übertragen wird immer wichtiger. Genauso wichtig: wann wie und wo können neue Strommasten gebaut werden.
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Europäische Stromnetze
Projektinfo 15/2015

Die Grafik zeigt eine Übersicht des Basisszenarios. Eine blaue Einfärbung der Regionen steht für den Einsatz von Windenergie, gelb für Photovoltaik. In Nordafrika kommen beide Technologien zum Einsatz.
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Zu sehen ist die prozentuale Kostenverteilung im Basisszenario. Die Energieerzeugungskosten werden zu 30 % durch PV-Generation und zu 38 % durch Winderzeugung bestimmt. Speicher machen insgesamt 24 %, Netze 8 % der Kosten aus.
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Stromnetz mit starker DNA

Das Stromnetz ist dynamisch und träge zugleich. Einerseits verteilt es den Strom bei sehr schnell schwankenden Lasten. Bauliche Veränderungen benötigen hingegen lange, bis sie geplant und durchgeführt werden. Das hat nebentechnischen auch gesellschaftliche Gründe. Darum ist es wichtig, mit Simulationen künftige Szenarien zu bewerten. Das ermöglichen Wissenschaftler der RWTH Aachen mit ihrem Programm GENESYS.

Das Ziel von GENESYS ist es, ein Stromsystem zu simulieren und es auf möglichst geringe Gesamtkosten zu optimieren. Der Name steht für Genetische Optimierung eines europäischen Energieversorgungssystems. „Das Programm dient vor allem der weiteren Forschung. Zum Beispiel für Wissenschaftler, die ähnliche Vorhaben in anderen Gebieten berechnen möchten“, erklärt Projektleiter Christian Bussar. „Außerdem könnten Unternehmen die Prognosen nutzen, um zukünftige Strategien zu entwickeln.“ Der Einsatz und die Anwender unterscheiden sich, das Ziel bleibt: Kosten sparen.

Für ein Basisszenario gaben die Entwickler dem Programm vor, eine europäische Energieversorgung ausschließlich aus Wind- und Sonnenenergie zu gestalten. Die günstigsten Gesamtkosten erreichte ein Verhältnis der installierten Leistung von 40% Wind- zu 60% Sonnenenergie. Der Preis für eine Kilowattstunde lag bei weniger als 10 Cent. Aufgrund der Preisentwicklung nahmen die Entwickler Investitionskosten von 1.000 Euro für Windenergie- und 600 Euro für Photovoltaikanlagen pro Kilowatt installierter Leistung an. Die Abschreibedauer beträgt 18 (Wind) beziehungsweise 30 Jahre (Sonne), die jährlichen Wartungskosten liegen bei zwei Prozent der Investitionssumme. Diese Zahlen lehnen sich an Ergebnisse vorheriger Studien an.

Wenn Europas Stromversorgung aus Wind- und Sonnenenergie besteht, sind neben dem Ausbau der Energieerzeuger zwei Punkte unverzichtbar: ein gut ausgebautes Übertragungsnetz und marktfähige Energiespeicher. Das Übertragungsnetz soll in den Simulationen mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) die bestehende Wechselstrom-Technologie überlagern. Zudem werden werden kurz-, mittel- und langfristige Speicher benötigt. Sie können Energie für kurzfristige Fluktuationen im Netz oder windschwache und bewölkte Tage vorhalten. Mit diesen Daten kann das Programm dann ein Energiesystem errechnen, das den Anforderungen an die Versorgungssicherheit genügt und möglichst preiswert aufzubauen und zu betreiben ist.

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Das Programm reagiert flexibel auf veränderte Rahmenbedingungen

Die Annahmen für ein zukünftiges Stromnetz und die Kosten und Verfügbarkeiten einzelner Technologien kann jeder Anwender anders einschätzen. Darum haben die Entwickler GENESYS als Freeware programmiert. So steht es jedem Interessierten kostenlos zur Verfügung und Nutzer können die Rahmenbedingungen nach ihren Prognosen festlegen. Das besondere an dem Programm ist der Betrachtungszeitraum. Die Berechnungen decken mehrere Jahre in stündlicher Auflösung ab und optimieren daraufhin das Energiesystem auf der obersten Netzebene. Für die eingesetzten Langzeitspeicher ist das sinnvoll. Denn so kann das Programm eine genaue Dimensionierung vorschlagen.

GENESYS betrachtet in der Simulation einzelne Regionen als miteinander verbundene Einheiten. Die HGÜ-Technik ermöglicht es, hohe Leistungen verlustarm über weite Strecken zu transportieren. Einzelne HGÜ-Verbindungen kommen schon heute zum Einsatz. Zum Beispiel bei der Anbindung von Offhsore-Windenergieparks. Für eine funktionierende Vernetzung müssen Gleichstromkabel und Konverter weiterentwickelt werden. Dann kann das Overlay-Netz das Verteilnetz speisen. Von dort aus gelangt der Strom wie gewohnt zu den Verbrauchern. Im Szenario hatten die Verbindungen zwischen zwei Regionen eine maximale Kapazität von 50 Gigawatt, die meisten Trassen lagen mit bis zu 15 Gigawatt aber deutlich darunter. Im Projekt nahmen die Forscher Preise von 77 Cent pro Kilometer und Kilowatt für einen HGÜ-Neubau an. Sollten andere Techniken, wie eine großflächige Verlegung mit Erdkabeln, den Vorzug erhalten, würde sich der Preis entsprechend erhöhen. „Der Algorithmus würde auf höhere Installationskosten eingehen und das System anpassen. Das könnte zum Beispiel in einem stärkeren Speicherausbau oder mehr Überkapazitäten resultieren. Um die Flexibilitätsoptionen beizubehalten würde der Netzausbau nicht vollständig gestoppt“, so Christian Bussar. „Ein Preisanstieg wäre aber unvermeidbar.“

Nur wenn der Wind weht und die Sonne scheint, können die eingesetzten Anlagen Energie zur Verfügung stellen. Neben dem überregionalen Ausgleich durch das Übertragungsnetz übernehmen Energiespeicher in Zukunft den zeitlichen Lastausgleich. In GENESYS setzen die Entwickler vor allem auf Gasspeicher. Im Basisszenario errechnete das Programm mit 805 Terawattstunden rund 13 Prozent des jährlichen Gesamtstrombedarfs. „Wenn in der Simulation zusätzlich Geothermie- und Biomassekraftwerke simuliert werden, würde sich der Bedarf an Langzeitspeichern jedoch deutlich reduzieren“, erklärt der Projektleiter. Denn diese Kraftwerke sind regelbar. Dann muss weniger Energie für wetterbedingten Energiemangel vorgehalten werden. In südlichen Regionen mit hohem Anteil von Photovoltaik-Anlagen kommen außerdem Batteriespeicher zum Einsatz. Sie besitzen zwar eine geringe Kapazität, haben aber einen hohen Wirkungsgrad. Dadurch eignen sie sich, die unvermeidbare Tag-Nacht-Schwankung auszugleichen.

Auffällig sind die Zusammenhänge bei der relativen Verteilung von Wind- zu Sonnenenergie. Mit zunehmendem Anteil von Windenergie steigt das Netzmoment. Das ist das Produkt von Kapazität und Länge aller Verbindungsleitungen. Auf der anderen Seite erhöht sich die Kapazität von Kurzund Langzeitspeichern bei größerem Photovoltaik-Anteil. Das Netzmoment hingegen sinkt. Erst bei einem extremen Szenario mit 100 Prozent Photovoltaik steigt es wieder leicht an. Es erreicht aber bei weitem nicht den Wert einer reinen Versorgung mit Windenergie. Einfach ausgedrückt: Windkraft erfordert Netz-, Photovoltaik erfordert Speicherausbau.

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Projektinfo, 06/2015

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