Das Stromnetz der Zukunft

Verbraucher werden zu Produzenten, Kohle- und Atomkraftwerke nach und nach durch erneuerbare Energien abgelöst. Wie wirkt sich dieser Wandel des Energieversorgungssystems auf das Stromnetz aus?

Deutschland verfügt über eines der zuverlässigsten Stromversorgungssysteme weltweit. Durch die Energiewende ändern sich die Aufgaben und die Architektur des Netzes jedoch grundlegend. Bisher wurde der von zentralen Großkraftwerken erzeugte Strom zum Verbraucher transportiert. Heute ist die Aufgabe viel komplexer, da viele Erneuerbare-Energien-Anlagen dezentral verteilt sind und in das Stromnetz einspeisen: Biogasanlagen auf dem Land, Solaranlagen auf Hausdächern oder Windparks entlang der Küste und im Meer. Manche Haushalte sind nicht mehr nur Verbraucher, sondern erzeugen auch selbst Strom und speisen diesen ein. Um diese Herausforderungen meistern zu können und das Stromnetz weiterhin fit für die Zukunft zu halten, wird es kontinuierlich weiterentwickelt und, wo erforderlich, ausgebaut.

Der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix in Deutschland soll bis 2050 auf 80 Prozent steigen. Welche Herausforderungen bringt das für das Stromnetz?

Wir haben noch einen weiten Weg vor uns. 2017 lag der Anteil des Ökostroms am Strommix bei etwas mehr als einem Drittel. Um die angestrebten 80 Prozent zu erreichen, muss er sich also nochmals mehr als verdoppeln. Aufgrund der Änderungen im Stromnetz entstehen neue Anforderungen an Netzausbau, Netzbetrieb, die Kommunikation zwischen zahlreichen Akteuren sowie die Flexibilität dieser einzelnen Akteure.  Denn zum einen wird der Strom zunehmend über niedrigere Spannungsebenen geleitet und dadurch werden andere Stromleitungen als heute belastet. Zum anderen muss im Stromnetz die schwankende, vom Wetter abhängige Stromproduktion aus Solarzellen und Windenergieanlagen ausgeglichen werden. Das bedeutet, das Stromnetz muss flexibel werden.

Was passiert bei Flaute oder Dunkelheit, wenn kein Ökostrom erzeugt wird?

Bislang sorgen noch Steinkohle-, Braunkohle- und Kernkraftwerke dafür, dass jederzeit der von den Kunden geforderte Strombedarf gedeckt wird. Lediglich in Spitzenlastzeiten werden kleinere, flexiblere Wasser- oder Gaskraftwerke zugeschaltet. Das Problem ist dabei oft nicht die Gesamtmenge des erzeugten Ökostroms, sondern die starken Schwankungen sowie die räumliche Verteilung der Erzeugungsanlagen. So gab es bislang sogar schon Stunden, in denen die gesamte Energie komplett regenerativ erzeugt wurde. Wenn jedoch die Sonne nicht scheint und gleichzeitig auch eine Windflaute herrscht, ist die regenerative Stromerzeugung fast gleich null. In diesen letzteren Fällen müssen dann wetterunabhängige Erzeugungsanlagen, die zum Beispiel mit Biomasse, Wasser oder konventionellen Energieträgern betrieben werden, den erforderlichen Strombedarf sicherstellen. Perspektivisch können auch Batteriespeicher zur zuverlässigen Stromversorgung beitragen.

Was passiert mit dem überschüssigen Ökostrom? Ist zu viel Strom ein Problem für das Netz?

Stromüberschüsse können zu problematischen Netzsituationen führen, wenn diese zum Beispiel im dünn besiedelten Nordosten Deutschlands, wo es große Windparks, aber wenig industrielle und private Abnehmer gibt, anfallen. Das Netz ist bislang nicht dafür ausgelegt, zu viel Strom beziehungsweise das Überangebot an Strom aufzunehmen und dorthin weiterzutransportieren, wo die Energie benötigt wird. Daher müssen in einem solchen Fall einige Erzeugungsanlagen abgeregelt werden. Das heißt, dass die Einspeisung reduziert oder sogar zeitweise unterbrochen wird. Damit sollen Überlastungen und Störungen vermieden werden. Um Abregelungen vorzubeugen, muss der Netzausbau weiter vorangetrieben werden: durch neue über- oder unterirdische Leitungen, zusätzliche Energiespeicher, die überschüssigen Ökostrom zwischenspeichern und durch eine stärkere Verknüpfung der Bereiche Strom, Wärme und Verkehr. Experten nennen letzteres auch Sektorkopplung.

»Eine immer wichtigere Rolle spielen auch Batteriespeicher, deren Kapazitäten allerdings bislang gering sind.«

Dr.-Ing. Ulrich Groß, VDE FNN-Experte

Welche Speichermöglichkeiten gibt es bislang?

Momentan überwiegend Pumpspeicherkraftwerke. Diese nehmen große Strommengen auf und können sie in Sekundenschnelle mit hohem Wirkungsgrad abgeben, wenn das hochgepumpte Wasser abfließt und über einen Generator Strom erzeugt. Derzeit gibt es bundesweit über zwei Dutzend solcher Wasserspeicher, die bei Stromüberschüssen das Netz stabilisieren. Dies reicht jedoch bei weitem nicht aus, insbesondere mit Blick auf den für 2050 angestrebten Anteil von 80 Prozent erneuerbarer Energien am Strommix.

Eine andere Möglichkeit ist das Power-to-Gas-Verfahren: zu viel produzierter Strom, etwa aus Windenergieanlagen oder Solarmodulen, wird per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und kann in großen Mengen über lange Zeiträume gespeichert werden. Dieser Wasserstoff wird entweder über eine Brennstoffzelle wieder verstromt oder kann bis zu einem gewissen Anteil auch in das Gasnetz eingespeist werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Methanisierung dieses Wasserstoffes zu synthetischem Gas, das dann von normalen Gasanwendungen, wie zum Beispiel einem Herd oder einer Heizung, genutzt werden kann. Diese sogenannten Power-to-Gas-Pilotanlagen gibt es inzwischen in großer Anzahl in Deutschland.

Eine immer wichtigere Rolle spielen auch Batteriespeicher, deren Kapazitäten allerdings bislang gering sind.

Spielen auch E-Autos als Speicher eine Rolle?

Mittel- und langfristig ja. Es gibt Pilotprojekte mit sogenannten Second-Life-Batterien: Akkus in E-Fahrzeugen, die nicht mehr die volle Leistung zum Fahren bringen, sich aber als stationäre Energiespeicher wiederverwenden lassen. Darüber hinaus aber können E-Fahrzeuge selbst die für die Energiewende benötigte Flexibilität im Energiesystem schaffen und es stützen. In kritischen Netzsituationen etwa, zum Beispiel im Falle eines großen Ungleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch, könnten Netzbetreiber Ladestationen für E-Fahrzeuge steuern und so dazu beitragen, das Stromnetz stabil zu halten. Es ist auch möglich, zu viel produzierten Strom in den Batterien der E-Fahrzeuge zwischenzuspeichern und sie bei Bedarf wieder ins Stromnetz einzuspeisen. Eine Variante, die heute schon getestet wird. Diese Flexibilitätsoptionen sind für die Netzbetreiber ein wichtiger Baustein, um die Herausforderungen der Energiewende zu meistern und dennoch den Ausbau des Netzes so gering wie möglich zu halten.

Anfang 2018 fuhren rund 54.000 E-Autos auf Deutschlands Straßen. Was wäre, wenn wir die von der Bundesregierung ursprünglich bis 2020 angestrebten eine Million E-Mobile schon hätten? Wäre das deutsche Stromnetz dafür gerüstet?

In Deutschland steht heute für die E-Mobilität mit dem allgemein verfügbaren Stromnetz ein zuverlässiges Backbone bereit. Grundsätzlich lässt sich die Herausforderung E-Mobilität damit beherrschen. Gleichwohl wird es „Hotspots“ dort geben, wo eine stärkere Nachfrage nach Ladesäulen mit hoher Leistung herrscht und das Stromnetz partiell ausgebaut werden muss. Das gilt besonders mit Blick in die Zukunft, wenn aus der Nische E-Mobilität ein Massenmarkt werden wird und in einer Reihenhaussiedlung künftig alle Bewohner nach Feierabend ihr E-Auto gleichzeitig aufladen wollen.

Wie müsste sich das Stromnetz für eine Million E-Fahrzeuge in Zukunft verändert haben und welche Konsequenzen hätte das für Verbraucher?

Punktuell müssten stärkere Leitungen verlegt, möglicherweise auch neue Transformatoren installiert werden. Für die Kabelarbeiten würden Straßen aufgerissen, was Unannehmlichkeiten und am Ende auch Mehrkosten verursachen würde. Der bessere Weg ist ein intelligentes Lademanagement: Es verhindert, dass zu viele E-Fahrzeuge gleichzeitig in einer Straße geladen werden und das lokale Netz überlasten. Eine solchermaßen „kluge“ Steuerung der Ladevorgänge verringert den Netzausbaubedarf. Es entstehen also weniger Bauarbeiten und damit auch geringere Kosten. Gleichzeitig stehen die E-Autos trotzdem geladen vor der Haustür, wenn sie benötigt werden.

Müssen Fahrer eines E-Autos ihren Hausanschluss umrüsten, wenn sie sich eine Ladestation installieren lassen?

In der Regel nicht, denn die Hausanschlüsse reichen meist aus. Private Ladestationen, sogenannte Wallboxen, haben eine Ladeleistung von bis zu 22 Kilowatt (kW) und können, wie ein Elektroherd, an Drehstrom mit 400 Volt angeschlossen werden. Möglicherweise kommt die Hausinstallation aber an ihre Leistungsgrenzen. Deshalb sollte aus Sicherheitsgründen ein Elektrofachbetrieb die Hausinstallation auf jeden Fall vorher überprüfen. Ladestationen mit mehr als 3,6 kW müssen außerdem beim zuständigen Netzbetreiber angemeldet werden, mit mehr als 12 kW sind sie dort auch auf Grund der höheren Leistung zustimmungspflichtig. Diese Anmeldung nimmt der Installationsbetrieb für die Kunden vor.  

Kann ich mein E-Auto nicht einfach an der Haushaltssteckdose aufladen?

Das ist bequem, aber schlecht für das Stromnetz und vor allem langsam. Je nach Ladeleistung und Batteriekapazität des Autos kann es viele Stunden dauern, bis die Akkus wieder voll aufgeladen sind – eine Wallbox kann die Ladezeit auf wenige Stunden reduzieren. Generell sind Haushaltssteckdosen nicht für diese hohen und lang andauernden Leistungen ausgelegt, weshalb darüber nicht geladen werden sollte.
Zu empfehlen ist daher auf jeden Fall eine eigene Wallbox, um eine sichere und zügige Ladung des E-Autos zu gewährleisten.

Gibt es genug öffentliche Ladesäulen oder müssen Fahrer Angst haben, mit dem E-Auto liegen zu bleiben?

Die Reichweiten von E-Autos sind in den vergangenen Jahren erheblich gestiegen. Viele Modelle kommen aktuell mit einer Akkuladung über 300 Kilometer weit. Es gibt inzwischen in den meisten Städten und oft auch in kleineren Orten Ladesäulen, aber sicherlich ist eine Langstreckenfahrt manchmal noch eine Herausforderung. Der Bund fördert jedoch den Bau neuer Stromtankstellen: Zwischen 2017 und 2020 sollen mindestens 15.000 zusätzliche Ladesäulen entstehen. Ergänzend zu den Möglichkeiten zu Hause oder am Arbeitsplatz zu laden, ist dies sicherlich ein sehr wichtiger Ansatz.  

»Je nach Ladeleistung und Batteriekapazität des Autos kann es viele Stunden dauern, bis die Akkus wieder voll aufgeladen sind – eine Wallbox kann die Ladezeit auf wenige Stunden erheblich reduzieren.«

Dr.-Ing. Ulrich Groß, VDE FNN-Experte

Über E-Autos wird gesagt, sie seien gut für die Umwelt. Aber wie kann ich wissen, ob ich mein E-Auto mit erneuerbarer Energie lade?

Wer zu Hause lädt, entscheidet durch die Wahl seines Stromtarifs, wie viel Prozent Ökostrom er bezieht und somit auch darüber, mit wie viel Prozent Ökostrom er sein E-Auto betankt.

Mit einer Solaranlage auf dem Dach etwa lässt sich zudem selbst erneuerbare Energie erzeugen und zum Laden des eigenen E-Autos nutzen. Bei den öffentlichen Ladesäulen ist der Strommix der gelieferten Energie abhängig vom jeweiligen Betreiber.

Manche Haushalte speisen heute schon selbst erzeugten Strom ins Netz ein. Kann zu viel Strom zu einer Überlastung führen?

Die Stromverbraucher werden selbst zu Produzenten, erzeugen Strom und speisen ihn ins Netz ein. Auf Grund dessen wird der Betrieb des Netzes dynamischer und damit anspruchsvoller. Viele kleine Einspeiser mit ihren jeweiligen Daten müssen koordiniert werden. Diese Herausforderung wird von den Netzbetreibern gemeistert.
Zunehmend verändert sich auch der Strombedarf. Inzwischen ist in etwa die Hälfte der neu installierten Solaranlagen auch mit Speichern ausgestattet, womit die Kunden ihren Eigenverbrauch optimieren. Auch die E-Mobilität bedingt neue Anforderungen an das Stromnetz der Zukunft.
So steigt mit jeder neuen Erzeugungsanlage, jedem neuen Speicher, jeder neuen Ladesäule die Zahl der aktiven Teilnehmer im Stromnetz – und damit auch die Anzahl der Schnittstellen. Digitale Vernetzung und standardisierte Kommunikation werden deswegen immer wichtiger. Dadurch können die vielen Akteure optimal zusammenwirken und das Netz kann zum effizienten System entwickelt werden.

Welche Aufgabe übernimmt das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (VDE FNN) in diesem Prozess?

VDE FNN treibt den Wandel des Stromnetzes hin zu einem Gesamtsystem mit verschiedenen Teilnehmern voran. Hierzu legen eine Vielzahl von engagierten Experten die technischen Anforderungen fest. So funktioniert das Energieversorgungssystem als eine wesentliche Basis unserer Gesellschaft auch zukünftig sicher und zuverlässig, wie wir es bisher gewohnt sind.