Energiewende

Das Übertragungsnetz für die Energiewende

Das Übertragungsnetz für die Energiewende

Entdecken Sie wie erneuerbare Energien, europäischer Strommarkt und die Stromflüsse im Übertragungsnetz zusammenhängen und erfahren Sie mehr darüber, welche Netzinfrastruktur notwendig ist, um die Energiewende erfolgreich umzusetzen und dabei Sicherheit und Stabilität des Stromversorgungssystems dauerhaft zu gewährleisten.

Neben dem historischen Wandel der Energielandschaft, stellen die hier gezeigten Daten auch die zukünftige Energiewelt dar. Diesen Blick in die Zukunft ermöglichen die Szenarien des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019). Sie zeigen die möglichen und wahrscheinlichen Entwicklungen der Stromerzeugung und des Verbrauchs im Jahr 2030. Die Szenarien A 2030, B 2030, und C 2030 unterscheiden sich dabei im angenommenen Innovationsgrad, d.h. zum Beispiel in Annahmen darüber, wie viele Elektroautos im Jahr 2030 fahren, wie viele Wärmepumpen es gibt und wie intelligent diese eingesetzt werden können. Auf Basis dieser Szenarien wird der Verstärkungs- und Ausbaubedarf des Strom-Höchstspannungsnetzes ermittelt, der in Teil III näher beleuchtet wird.

Der Wandel unseres Energiesystems, weg von fossilen Energieträgern und hin zu erneuerbaren Energien, schreitet voran und der europäische Strombinnenmarkt wächst immer weiter zusammen.

Auf der Klimakonferenz in Paris im Jahr 2015 hat sich die Weltgemeinschaft verpflichtet, die Erderwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Dies ist nur möglich, wenn der Ausstoß von Treibhausgasen wie CO2 weltweit stark reduziert wird.

Die Bundesregierung hat mit dem Klimaschutzplan 2050 den Weg vorgegeben, wie Deutschland das Ziel einer weitgehenden Treibhausgasneutralität bis 2050 erreichen will. Um diese Ziele zu erreichen, muss sich auch die Stromerzeugung grundlegend wandeln. In Zukunft wird fast der gesamte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne, Biogas oder Wasserkraft stammen. Heute beträgt der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch in Deutschland schon fast 40 Prozent.

Gleichzeitig wird auch die Zusammenarbeit in Europa wichtiger. Der gemeinsame Strombinnenmarkt ermöglicht den freien Handel von Strom in Europa. Dadurch sind wir in der Lage, die Herausforderungen der Energiewende in Europa gemeinsam und effizient zu lösen.

Treibhausgase und Klimawandel

Unsere Stromversorgung hängt historisch stark von fossilen Energieträgern ab. Doch dieses Zeitalter geht zu Ende: Soll der Klimawandel gebremst werden, muss der Ausstoß von Treibhausgasen, insbesondere von CO2, begrenzt werden. Dies ist eine globale Aufgabe, bei der Deutschland seinen Teil beiträgt, um Emissionen zu reduzieren. Insbesondere der Energiesektor in Deutschland hat hierbei bereits Fortschritte gemacht. Doch um die zukünftigen nationalen und europäischen Klimaschutzziele zu erreichen, sind noch weitere Anstrengungen nötig.

Die Entwicklung der CO2 -Konzentration in der Atmosphäre seit 1972 ist im ersten Diagramm dargestellt. Darunter findet sich die Entwicklung des CO2-Ausstoßes in Deutschland nach Sektor seit 1990 und die Ziele Deutschlands bis zum Jahr 2050.

CO2-Konzentration in der Atmosphäre

Maximale CO2-Konzentration in Atmosphäre in ppm (parts per million)
Minimale CO2-Konzentration in ppm

Quelle: Umweltbundesamt (Station Schauinsland)

Treibhausgasemissionen in Deutschland

Millionen Tonnen C02-Äquivalente

Quelle: Umweltbundesamt, Nationale Inventarberichte zum Deutschen Treibhausgasinventar 1990 bis 2017 (Stand 01/2019)

Erneuerbare Energien

Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch steigt stetig. 2018 betrug er bereits 37,8 Prozent. In einzelnen Stunden im Jahr wird rechnerisch bereits die gesamte Nachfrage von erneuerbaren Energien gedeckt. Windkraft liefert dabei den größten Anteil, gefolgt von Biomasse und Photovoltaik. Das Ziel der Bundesregierung ist es, bis 2050 mindestens 80 Prozent des benötigten Stroms aus erneuerbaren Quellen zu erzeugen.

Die Erzeugung erneuerbarer Energien und ihr Anteil am Bruttostromverbrauch sind hier dargestellt. Den Blick in die Zukunft ermöglichen die Szenarien des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019).

Erneuerbare Energien - Erzeugung und Anteil am Bruttostromverbrauch

Erzeugung erneuerbarer Energien (in GWh)

Quelle: Zeitreihen der AGEE-Stat (Stand Dezember 2018), Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019)

Europäischer Strommarkt

Strom kann frei in der EU gehandelt werden. Diese Zusammenarbeit im gemeinsamen Strombinnenmarkt wird immer wichtiger. Denn ein europäischer Strommarkt sorgt für eine effiziente Verteilung. Außerdem lassen sich lokale Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch besser ausgleichen, je größer das Gebiet ist, in dem Strom ausgetauscht werden kann.

Das lässt sich beispielhaft am Einsatz erneuerbarer Energien darstellen: Gibt es in Deutschland an einem stürmischen Tag mehr Windstrom als gebraucht wird, kann der Strom in die Nachbarländer transportiert und dort verbraucht werden. Umgekehrt kann Deutschland, wenn der Wind hier einmal nicht weht oder die Sonne nicht scheint, von seinen Nachbarn mit Strom, z.B. aus Wasserkraft, versorgt werden.

Die mit unseren Nachbarländern gehandelten Strommengen in den vergangenen Jahren und in den Szenarien des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019) sind in der Grafik dargestellt.

Europäischer Strommarkt

Importierte und exportierte Strommengen von und nach Deutschland in TWh

Import
Export

Quelle: Bundesnetzagentur: SMARD, Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019)

Der hohe Anteil erneuerbarer Energien im Stromnetz sorgt für viele Herausforderungen. Einerseits schwankt die Erzeugung stärker als früher, andererseits verlagern sich die Erzeugungszentren teilweise weg von den Verbrauchszentren.

Um die Netze stabil zu halten und die Systemstabilität gewährleisten zu können, müssen Stromerzeugung und -verbrauch jederzeit gleich hoch sein. Wind- und Sonnenenergie stehen aber dann zur Verfügung, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint - und nicht unbedingt dann, wenn der Strom gebraucht wird.

Außerdem wird ein großer Teil der erneuerbaren Energien, besonders die Windenergie, im Norden Deutschlands erzeugt. Gebraucht wird der Strom, insbesondere nach dem Ausstieg aus der Kernenergie, vor allem im Süden. Durch die erneuerbaren Energien wird die Stromerzeugung also teilweise verlagert, weiter weg von den Verbrauchszentren. Auf diese Verschiebung müssen wir unser Stromsystem einstellen.

Volatile Erzeugung

Strom aus Wind und Sonne wird dann erzeugt, wenn die Sonne scheint und der Wind weht. Doch das ist nicht immer dann der Fall, wenn der Strom gerade gebraucht wird: Wenn die Sonne nicht scheint, also beispielsweise in der Nacht oder im Winter, wird wenig oder kein Solarstrom erzeugt. Und wenn einmal Flaute herrscht, liefern die Windenergieanlagen keinen Strom. Umgekehrt passiert es auch, dass zum Beispiel bei Sturm sehr viel Strom erzeugt wird, manchmal mehr als gerade gebraucht wird.

Im Gegensatz zu dieser wetterabhängigen Erzeugung folgt der Stromverbrauch einem regelmäßigen Muster und ist zum Beispiel morgens, wenn alle Menschen aufstehen und Maschinen in Fabriken angeworfen werden, besonders hoch. Die Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch müssen für eine stabile Stromversorgung zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden.

Im Diagramm ist für das Szenario B 2030 des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019) die Erzeugung aus erneuerbaren Energien dem Verbrauch für jede Stunde des Jahres 2030 gegenübergestellt. Beim Verbrauch wurden gegenüber heute bereits zahlreiche neue Stromanwendungen wie Elektromobilität und Wärmepumpen sowie Flexibilitäten (kleine und große Batteriespeicher, Power-to-Gas, Demand-Side-Management (DSM)) berücksichtigt.

Die Annahmen zur Erzeugung basieren auf einer Hochrechnung des Wetterjahres 2012. Die Werte sind also als beispielhaft dafür zu verstehen, wie die Erzeugung aus erneuerbaren Energien schwanken kann. Die sogenannte Residuallast beschreibt die noch fehlende Last, die aus anderen Quellen zur Deckung der Nachfrage erzeugt werden muss. Erzeugen die erneuerbaren Energien mehr Strom als benötigt wird, ist die Residuallast negativ.

Erzeugung und Verbrauch im Zeitverlauf

Erzeugung der erneuerbaren Energien und Verbrauch für das Jahr 2030 (in GW)

Windenergie (Land)
Windenergie (See)
Photovoltaik
Biomasse
Laufwasser
Sonstige EE
Verbrauch
Residuallast

Quelle: Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019)

Regionale Verteilung

Im alten Energiesystem haben Kraftwerke den benötigten Strom in der Nähe der Verbrauchszentren produziert. In der neuen Energielandschaft, mit vielen dezentralen Erzeugungsanlagen, wird der Strom dort erzeugt, wo die besten wirtschaftlichen Bedingungen für die jeweilige Energieform herrschen.

Windenergie wird so vor allem im Norden erzeugt, während auf Grund der höheren Sonneneinstrahlung Photovoltaikanlagen im Süden besonders effizient arbeiten. Das führt zu regionalen Erzeugungsüberschüssen oder Defiziten. In Norddeutschland wird häufig wesentlich mehr Strom erzeugt, als dort verbraucht wird, während im Süden Deutschlands, insbesondere nach Abschaltung der letzten Kernkraftwerke bis Ende 2022, oft ein Erzeugungsdefizit herrscht.

Die im Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) für das Jahr 2030 angenommenen Erzeugungs- und Verbrauchsmengen in den Bundesländern in den verschiedenen Szenarien sind hier dargestellt. Durch Auswahl der Bundesländer in der Grafik werden die Erzeugungsarten angezeigt.

Regionale Verteilung von Erzeugung und Verbrauch

Stromerzeugung und Verbrauch nach Bundesländer für das Jahr 2030 (in GWh)

Erzeugung
Verbrauch
Anteile verschiedener Stromerzeugungsarten (in GWh)
Konventionelle Energiegewinnung
Wind (Land und See)
Biomasse
Wasser
Photovoltaik
Sonstige EE

Quelle: Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019)

Netzeingriffe und Redispatch

Wenn nicht genügend Strom vom Erzeugungsort zum Verbraucher transportiert werden kann, weil die Übertragungskapazitäten nicht ausreichen, müssen die Übertragungsnetzbetreiber in das Netz bzw. in den Strommarkt eingreifen.



So können Änderungen des Schaltzustands des Übertragungsnetzes Transportengpässe vermeiden und Leitungsüberlastungen beheben. Diese setzen die Ingenieure der Übertragungsnetzbetreiber zuerst ein, um genügend Transportkapazität bereitstellen zu können.

Reicht die Übertragungskapazität trotzdem nicht mehr aus, müssen zunächst konventionelle Kraftwerke und, wenn dies nicht reicht, auch noch erneuerbare Energien wie Windenergieanlagen im Norden herunter geregelt oder ganz abgeschaltet werden. Gleichzeitig werden im Süden, wo der Strom gebraucht wird, Kraftwerke hochgefahren. Die Abregelung und das Hochfahren konventioneller Kraftwerke auf Grund von Netzengpässen nennt man Redispatch, die Abregelung erneuerbarer Energien nennt man Einspeisemanagement.

Durch diese und andere notwendige netzstabilisierende Maßnahmen kann das Potenzial der erneuerbaren Energien nicht voll genutzt werden und es entstehen hohe Kosten für die Stromkunden.

Die durch Redispatch und Einspeisemanagement verursachten Kosten und die Mengen seit 2013 sind in der folgenden Grafik dargestellt.

Netzeingriffe und Redispatch

Menge (in GWh) und Kosten (in Mio. €) von Redispatch und Einspeisemanagement

Menge Redispatch (in GWh)
Kosten Redispatch (in Mio. €)
Menge Einspeisemanagement (in GWh)
Kosten Einspeisemanagement (in Mio. €)

Quelle: Bundesnetzagentur: Quartalsberichte zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen

Neue und verstärkte Stromleitungen werden benötigt, um Strom von dort, wo er erzeugt wird, zu den Verbrauchern zu bringen. Netze sorgen so für eine sichere Stromversorgung, auch bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien.

Das bestehende Wechselstromnetz wird hierzu verstärkt und ausgebaut. Neue Gleichstromverbindungen bringen den Strom über weite Distanzen dorthin, wo er gebraucht wird. Diese Verbindungen werden zu einem großen Teil als Erdkabel gebaut. Umspannanlagen werden errichtet, um den regenerativ erzeugten Strom regional aufzunehmen und zum Verbraucher transportieren zu können. Phasenschieber und Kondensatoranlagen tragen zur Spannungsregelung im Netz bei.

Neben der Verstärkung und dem Ausbau des Netzes bieten auch die Sektorenkopplung und moderne Technologien neue Möglichkeiten, das Netz stabil zu halten. So können Elektroautos, Speicher und Power-to-X-Technologien, wenn sie netzdienlich eingesetzt werden, zu einem stabilen Stromsystem beitragen.

Verstärkung und Ausbau des Netzes (On- und Offshore)

Die Verstärkung und der Ausbau des Übertragungsnetzes sind nötig, um große Mengen erneuerbarer Energien in das Stromnetz zu integrieren und eine zuverlässige und sichere Stromversorgung zu gewährleisten. Außerdem wird durch den Ausbau der Offshore-Anbindungen sichergestellt, dass der in den Windparks in Nord- und Ostsee erzeugte Strom zu den Verbrauchern transportiert werden kann. Im Netzentwicklungsplan Strom (NEP) beschreiben die Übertragungsnetzbetreiber den Verstärkungs- und Ausbaubedarf, der bis zum jeweiligen Zieljahr des NEPs für ein bedarfsgerechtes und weitestgehend engpassfreies Stromnetz nötig wird. Ein Teil der im NEP ausgewiesenen Maßnahmen wird nach einer intensiven Prüfung von der Bundesnetzagentur (BNetzA) bestätigt. Die durch die BNetzA bestätigten Projekte umfassen jedoch nicht alle Maßnahmen, die für ein engpassfreies Übertragungsnetz bis ins Jahr 2030 nötig wären.

Hier sind die Längen der im Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) in den verschiedenen Szenarien ermittelten Maßnahmen zur Verstärkung und zum Ausbau des Netzes dargestellt. Außerdem sind die Längen der schon gesetzlich im Energieleitungsausbaugesetz (EnLAG) und dem Bundesbedarfsplan (BBP) festgeschriebenen Maßnahmen sowie die bereits von der Bundesnetzagentur im vorherigen NEP bestätigten Maßnahmen aufgeführt.

Verstärkung und Ausbau des Netzes (On-und Offshore)

Bestätigte Verstärkung und Ausbau des Netzes (in km)

EnLAG
BBPIG
Bestätigt Onshore (inkl. EnLAG + BBP)
Bestätigt Offshore

Im NEP 2030 (Version 2019) ausgewiesene Verstärkung und Ausbau des Netzes (in km)

Onshore
Offshore

Quelle: Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019)

Interkonnektoren

Die Einbindung in den europäischen Strombinnenmarkt wird im Zuge der Energiewende immer wichtiger. Der europäische Strombinnenmarkt ermöglicht einen freien Handel mit Strom in Europa und verringert so die Kosten für alle Stromkunden. Damit dieser Handel reibungslos funktioniert, müssen die Übertragungskapazitäten zu unseren europäischen Nachbarn ausgebaut werden. Diese grenzüberschreitenden Leitungen werden Interkonnektoren genannt. Sie sind ein wichtiger Baustein der Energiewende.

Hier sind die Kapazitäten der Interkonnektoren (sogenannte Net Transfer Capacities (NTCs)) zu unseren europäischen Nachbarn, die für den Handel im Jahr 2030 zur Verfügung stehen sollen, dargestellt. Aufgrund der jeweiligen Netzsituation in den einzelnen Ländern und dem sogenannten Flow-Based Market Coupling, stehen zu jedem Zeitpunkt jedoch unterschiedliche Kapazitäten für den Handel zur Verfügung. Die hier dargestellten Net Transfer Capacities bilden dabei eine Annäherung an die tatsächlich zur Verfügung stehenden Kapazitäten ab.

Interkonnektoren

Übertragungskapazitäten für den Stromhandel

Handelskapazität

Quelle: Übertragungsnetzbetreiber

Sektorenkopplung: Flexibilität und Speicher

In Zukunft werden die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr sehr viel stärker zusammenwachsen. Vor allem im Verkehrs- und Wärmesektor wird mehr Strom eingesetzt. Das sorgt zunächst für eine höhere Stromnachfrage. Jedoch können neue Stromanwendungen auch genutzt werden, um das Netz zu stabilisieren und mehr Flexibilität im Stromsystem bereitzustellen. So könnten beispielsweise Elektroautos durch intelligentes Lastmanagement dann geladen werden, wenn gerade viel Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Wärmepumpen und dezentrale Speicher könnten, intelligent gesteuert, ebenfalls einen Beitrag zur Stabilisierung des Netzes leisten. Die Weiterentwicklung und die Ausbreitung von Power-to-X-Technologien, zum Beispiel die Umwandlung von Strom in Wärme oder von Strom in Wasserstoff, kann, bei entsprechender regionaler Verteilung und Betriebsweise, perspektivisch die Flexibilität des Stromsystems erhöhen. Allerdings gibt es hier noch Forschungsbedarf und es ist noch nicht absehbar, in welchem Umfang diese Innovationen netzdienlich eingesetzt werden können.

Speicher ermöglichen den Ausgleich der schwankenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Steht zum Beispiel zu einer bestimmten Zeit mehr Strom zur Verfügung als benötigt wird, können Speicher gefüllt werden. Wird mehr Strom benötigt als gerade erzeugt wird, kann dieser Strom wieder ins Netz eingespeist werden. Speicher stellen also wichtige Flexibilität im Stromsystem zur Verfügung, indem sie Schwankungen in der Erzeugung ausgleichen.

Insbesondere Batteriespeicher werden für die Bereitstellung dieser Flexibilität eine immer wichtigere Rolle spielen. Im Szenariorahmen zum Netzenwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) wird davon ausgegangen, dass die installierte Leistung von PV-Batteriespeichern, die zum Beispiel in Häusern mit Solaranlage zum Einsatz kommen, von heute 0,3 GW auf bis zu 10,1 GW im Jahr 2030 ansteigt (Szenario C 2030).

Auch Großbatteriespeicher werden bis 2030 in größerem Umfang zur Verfügung stehen und voraussichtlich vor allem zur Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden. Die installierte Kapazität wird laut Szenariorahmen von heute 0,1 GW auf bis zu 2,4 GW in 2030 anwachsen (Szenario C 2030).

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden eine immer größere Rolle im Verkehrssektor spielen. Im Szenario A des Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) wird angenommen, dass es bis 2030 eine Million Elektroautos mit einem Nettostromverbrauch von 2,5 Terawattstunden (TWh) gibt. Im Szenario B wird von 6 Millionen und im Szenario C von 10 Millionen E-Autos mit einem Stromverbrauch von 15 bzw. 25 TWh ausgegangen. Insgesamt erhöhen Elektroautos also zunächst den Stromverbrauch. Sie können aber auch Lastspitzen abfedern, wenn sie intelligent geladen werden. So können Elektroautos z.B. dann geladen werden, wenn gerade große Mengen erneuerbarer Energien in der Region zur Verfügung stehen oder die Nachfrage insgesamt niedrig ist. In der Zukunft kann sogar Energie wieder in das Netz zurückgespeist werden, um das Netz zu stabilisieren, wenn das Auto gerade nicht benötigt wird. Diese intelligente Steuerung der Ladeprozesse ist in den nächsten Jahren eine große Herausforderung für die Forschung.

Wärmepumpen nehmen unter Aufwendung von Arbeit Wärmeenergie aus der Umgebungsluft auf und geben sie als Nutzwärme ab. Elektrische Wärmepumpen koppeln den Strom- mit dem Wärmesektor und beeinflussen so die Stromnachfrage.
Im Szenariorahmen für den Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) wird in Szenario A für das Jahr 2030 von 1,1 Millionen installierten Wärmepumpen ausgegangen, im Szenario B von 2,6 Millionen und in Szenario C sogar von 4,1 Millionen Wärmepumpen.

Auch Wärmepumpen erhöhen, wie Elektroautos, zunächst die Stromnachfrage insgesamt, können aber auch, wenn sie intelligent gesteuert werden, dann eingesetzt werden, wenn gerade in der Region besonders viel Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. So können sie die Flexibilität im Stromsystem erhöhen.

Neben der direkten Sektorenkopplung z.B. mit Elektroautos können die Sektoren auch indirekt gekoppelt werden. Diese sogenannten Power-to-X-Technologien wandeln Strom zum Beispiel in Wärme und Kälte oder in Gas um.

Gas aus Power-to-Gas Anlagen kann, wenn es mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde, als CO2-neutraler Brennstoff weiterverwendet werden. Hierzu wird mit Hilfe von Strom Wasserstoff oder Methan hergestellt.

Diese Technologien lohnen sich insbesondere in Gebieten, in denen große Erzeugungsüberschüsse aus erneuerbaren Energien bestehen. Für das Jahr 2030 werden im Netzentwicklungsplan Strom installierte Leistungen von 3,3 GW Power-to-Heat, zwischen 0,2 bis 0,6 GW Power-to-Methan und zwischen 0,8 und 2,4 GW Power-to-Hydrogen angenommen.

Netzentwicklungsplan

Der Netzentwicklungsplan

Der Netzentwicklungsplan Strom wird alle zwei Jahre von den Übertragungsnetzbetreibern erstellt und zeigt die für ein bedarfsgerechtes Netz nötigen Netzverstärkungs- und Ausbaumaßnahmen. Alle Informationen zum Netzentwicklungsplan Strom findest du auf der Webseite www.netzentwicklungsplan.de

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