Skip to main content

Modellgestützte Bewertung von Netzausbau im europäischen Netzverbund und Flexibilitätsoptionen im deutschen Stromsystem im Zeitraum 2020–2050

Modell based analysis of grid-development within the European grid and options providing flexibility within the German electricity system from 2020 to 2050

Zusammenfassung

In diesem Beitrag werden die Rolle des europäischen Netzverbundes und der Beitrag von nicht-netzseitigen Flexibilitätsoptionen für die Systemintegration erneuerbarer Energien (EE) im deutschen Stromsystem im Rahmen einer Szenarienanalyse für den Zeitraum 2020 bis 2050 modellgestützt analysiert. Der Bedarf an Flexibilität steigt dabei mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien an.

Dem europäischen Netzverbund kommt in allen Phasen der Systemtransformation eine entscheidende Rolle als Flexibilitätsoption beim Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch zu. Während in der Übergangsphase die Nutzung von innerdeutschen EE-Überschüssen im Ausland im Vordergrund steht, profitiert Deutschland vor allem bei einem EE-Anteil größer 60 % sowohl von ausländischen konventionellen Kraftwerken als auch von dem Import von EE-Strom. Wichtig sind dafür eine bessere Nutzung der heute schon bestehenden Netzkapazitäten (z. B. mittels lastflussbasierter Marktkopplung), der Ausbau der Kuppelleitungen sowie die Stärkung des europäischen Binnenmarktes.

Darüber hinaus können Lastmanagement und Speicher als nicht-netzseitige Flexibilitätsoptionen einen relevanten Beitrag zur Bereitstellung von Erzeugungskapazität leisten. Die Flexibilisierung von Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. von Biogas-Blockheizkraftwerken (BHKW) führt zudem zu einer verbesserten Nutzung von EE-Überschüssen in Deutschland. Ab dem Szenario-Jahr 2030 treten relevante EE-Überschüsse auf, die größtenteils von Power-to-Heat und Power-to-Gas in Wärme oder Wasserstoff bzw. synthetisches Methan umgewandelt werden und somit fossile Brennstoffe im Wärme- oder Gassektor ersetzen.

Abstract

This paper analyses the effect of the European grid and other flexibility options on system integration of renewable energy sources (RES) in the German electricity system for the scenario horizon 2020–2050 based on a modelling exercise. The need for flexibility within the electricity system increases with rising shares of RES.

The European grid is the key player within all phases of the system transformation process in order to balance production and demand. Until higher shares of RES are reached, the efficient use of RES-surplus in other countries is the main benefit from the use of the grid as a flexibility option. With RES-shares up to 60 % Germany also profits from the use of conventional power plants in the neighbouring countries as well as RES import. To realize these benefits from the European grid it is important to optimize the usage of the existing grid capacities, to increase the grid connection points if necessary and also reinforce the European single market.

Additionally demand side management and storage systems offer a relevant contribution to supply production capacities. Making combined cycle power plants and biogas power plants more flexible through heat storage or gas storage leads to an increased use of RES-production in Germany. From the year 2030 onwards, Power to Heat and Power to Gas can convert surplus electricity from RES into heat, hydrogen or synthetical methane and replace fossil fuels in the heating or gas sector.

This is a preview of subscription content, access via your institution.

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7

Notes

  1. 1.

    Investitionsabhängige Kosten werden in der Zielfunktion nicht berücksichtigt, werden jedoch im Projekt in einer separaten Analyse betrachtet.

  2. 2.

    Das eingespeiste Gas wird direkt in anderen Sektoren verbraucht und die Größe des Gasspeichers bzw. des Erdgasangebots wird als nicht bindend betrachtet.

  3. 3.

    Eine sektorübergreifende Bilanzierung wird derzeit in dem vom BMWi geförderten Projekt „Einbindung des Wärme- und Kältesektors in das Strommarktmodell PowerFlex zur Analyse sektorübergreifender Effekte auf Klimaschutzziele und EE-Integration“ (2014–2016) umgesetzt.

  4. 4.

    Gaskraftwerke 30a, Steinkohlekraftwerke 40a und Braunkohlekraftwerke 50a.

  5. 5.

    Das Kraftwerk Vianden in Luxemburg ist elektrisch an das deutsche HS-Netz angebunden und wird daher Deutschland zugewiesen.

Literatur

  1. 50Hertz Transmission GmbH; Amprion GmbH; TenneT TSO GmbH & TransnetBW GmbH (2013) Einflussgrößen auf die Netzentwicklung. Sensitivitätenbericht 2013 der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber aufgrund des Genehmigungdokuments der Bundesnetzagentur. – Az.: 6.00.03.04/12-11-30/Szenariorahmen 2012 (50hertz, amprion, Tennet & TransnetBW GmbH, Hrsg). Bayreuth. http://www.netzentwicklungsplan.de/system/files/documents/20130701_Sensitivit%C3%A4tenbericht.pdf. Zugegriffen: 10. Okt. 2014

  2. Ackermann T, Untsch S, Koch M, Rothfuchs H (2014) Verteilnetzstudie Rheinland-Pfalz (Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung Rheinland-Pfalz (MWKEL), Hrsg). energynautics GmbH; Öko-Institut e. V., Bird & Bird LLP. Zugegriffen: 29. Sept. 2014

  3. Agora Energiewende (2014) Stromspeicher in der Energiewende. Untersuchung zum Bedarf an neuen Stromspeichern in Deutschland für den Erzeugungsausgleich, Systemdienstleistungen und im Verteilnetz (Agora Energiewende, Hrsg). Berlin. http://www.agora-energiewende.de/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/Speicher_in_der_Energiewende/Agora_Speicherstudie_Web.pdf. Zugegriffen: 10. Okt. 2014

  4. Agricola A-C, Peters S, Teichmann M, Völker J, Weber A (2013) Trendstudie Strom 2022. Metastudienanalyse und Handlungsempfehlungen. dena-Berichtsteil (Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Hrsg). Bundesverband der deutschen Industrie, Berlin. http://www.dena.de/fileadmin/user_upload/Projekte/Energiesysteme/Dokumente/Trendstudie_Strom_2022_-_dena-Berichtsteil.pdf. Zugegriffen: 10. Okt. 2014

  5. B.A.U.M. Consult GmbH (Hrsg) (2012) Smart Energy made in Germany. Zwischenergebnisse der E-Energy-Modellprojekte auf dem Weg zum Internet der Energie, München. http://www.e-energy.de/documents/E-Energy_Erkenntnisse_2012_6_2b_web.pdf. Zugegriffen: 8. Sept. 2014

  6. BDEW (2013) Kraftwerksplanungen und aktuelle ökonomische Rahmenbedingungen für Kraftwerke in Deutschland. Kommentierte Auswertung der BDEW-Kraftwerksliste 2013 (BDEW, Hrsg). Berlin. https://www.bdew.de/internet.nsf/id/A4D4CB545BE8063DC1257BF30028C62B/$file/Anlage_1_Energie_Info_BDEW_Kraftwerksliste_2013_kommentiert_Presse.pdf. Zugegriffen: 19. Jan. 2015

  7. Bialek JW (1997) Topological generation and load distribution factors for supplement. IEEE Trans Power Syst 12(3):1185–1193

  8. Brischke L-A, Pehnt M, Mellwig P, Herbert F (2012) Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien in Wärmeanwendungen (Nr. 0), Heidelberg

  9. Bundesregierung (Bundesregierung, Hrsg) (2014) Maßnahmen im Überblick: Das Zeitalter der erneuerbaren Energien so schnell wie möglich erreichen und gleichzeitig den Preis für Strom bezahlbar halten, Bundesregierung. http://www.bundesregierung.de/Content/DE/StatischeSeiten/Breg/Energiekonzept/0-Buehne/ma%C3%9Fnahmen-im-ueberblick.html. Zugegriffen: 24. Nov. 2014

  10. Bünger U, Crotogino F, Donadei S, Gatzen C, Glaunsinger W, Kleinmaier M, Könemund M, Landinger H, Lebioda TJ, Leonhard W, Sauer D, Weber H, Wenzel A, Wolf E, Woyke W, Zunft S (2009) Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger. Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf (Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG), Hrsg). Frankfurt a. M. Zugegriffen: 10. Sept. 2014

  11. DENA (2010) Dena-Netzstudie II – Integration erneuerbarer Energien in die deutsche Stromversorgung im Zeitraum 2015-2020 mit Ausblick 2025 (Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) – Energiesyssteme und Energiedienstleistungen, Hrsg) (Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse durch die Projektsteuerungsgruppe)

  12. EnBW Energie für Baden-Württemberg AG (2012) Potentialstudie zu Pumpspeicherstandorten in Baden-Württemberg. Zusammenfassung (EnBW Energie für Baden-Württemberg AG, (Hrsg)). Karlsruhe. Zugegriffen: 10. Sept. 2014

  13. ENTSO-E (2014) Ten-Year Network Development Plan 2014 draft. – Report to be improved based on the stakeholders’ comments after the public consultation; Consultation period: 10 July–20 September (European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E), Hrsg). Zugegriffen: 9. Sept. 2014

  14. Europäisches Parlament (2009) Directive 2009/72/EC of the European Parliament and of the Council of 13 July 2009 concerning common rules for the internal market in electricity and repealing Directive 2003/54/EC. L 211/55. Off J Eur Un (L 211/55). http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:211:0055:0093:EN:PDF. Zugegriffen: 9. Sept. 2014

  15. European Commission (Hrsg) (2011) Energy roadmap 2050. Impact assessment and scenario analysis, Commission staff working paper, accompanying the document: Communication from the Commission tho the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions, Brussels. Zugegriffen: 24. Sept. 2014

  16. Fichtner W, Genoese M, McKenna R, Schäfer S, Büchelmaier A, Ringler P, Cail S, Ziegahn F (2012) Die Weiterentwicklung der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis 2025 unter Berücksichtigung der Liefer- und Preissicherheit, Karlsruhe

  17. Glotzbach L, Tröster E, Ackermann T, Fürsch M, Hagspiel S, Jägemann C, Nagl S, Lindenberger D (2011) Roadmap 2050 – a closer look. Cost-efficient RES-E penetration and the role of grid extensions. Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (EWI): energynautics GmbH. Zugegriffen: 27. Nov. 2014

  18. Grein A, Duscha M, Pehnt M, Kellerbauer H (2009) Modellstadt Mannheim. Nutzung von thermischen Speichern als Energiespeicher (AS 1.06). Entwurf, Version 1.0 (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Hrsg). Mannheim

  19. Haberkern B, Maier W, Schneider U (2006) Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen. Umwelttbundesamt Texte 11/08:1–226

    Google Scholar 

  20. Hacker F, Harthan R, Kasten P, Loreck C, Zimmer W (2011) Marktpotenziale und CO2-Bilanz von Elektromobilität. Arbeitspakete 2 bis 5 des Forschungsvorhabens OPTUM: Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen. Anhang zum Schlussbericht im Rahmen der Förderung von Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilität des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Berlin. http://www.oeko.de/uploads/oeko/oekodoc/1338/2011-002-de.pdf. Zugegriffen: 9. Sept. 2014

  21. Hacker F, Blank R, Hülsmann F, Kasten P, Loreck C, Ludig S, Motschall M, Zimmer W (2014) eMobil 2050. Szenarien zum möglichen Beitrag des elektrischen Verkehrs zum langfristigen Klimaschutz. Berlin. http://www.oeko.de/oekodoc/2114/2014-670-de.pdf. Zugegriffen: 19. Jan. 2015

  22. Hartkopf T, Scheven A von, Prelle M (2012) Lastmanagementpotenziale der stromintensiven Industrie zur Maximierung des Anteils regenerativer Energien im bezogenen Strommix. Darmstadt. Zugegriffen: 3. Juli 2014

  23. Hartmann T, Oschatz B, Ußner M (2013) Begleitung von Modellvorhaben zum Austausch von Nachtstromspeicherheizungen (Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), Hrsg). http://www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/Veroeffentlichungen/BMVBS/Online/2013/ON012013.html. Zugegriffen: 7. Okt. 2014

  24. Höflich B, Kreutzkamp P, Peinl H, Völker J, Kühne M, Kuhn P, Tzscheutschler P, Hermes R, Krahl S, Meisa K (2010) Analyse der Notwendigkeit des Ausbaus von Pumpspeicherkraftwerken und anderen Stromspeichern zur Integration der erneuerbaren Energien. Abschlussbericht. (Schluchseewerk AG, Hrsg). dena - Deutsche Energie Agentur, Berlin

  25. IAEW – RWTH Aachen & Consentec (2011) Bewertung der Flexibilitäten von Stromerzeugungs- und KWK-Anlagen. Zugegriffen: 24. Nov. 2014

  26. Kleimaier M, Schwarz J (2009) Elektro-Speicherheizung – neue Anwendung statt Verbot. Sonderdruck. Energiewirtschaftliche Tagesfragen 59(5):60–62

    Google Scholar 

  27. Klobasa M, Focken U (2011) Kurz- bis Mittelfristig realisierbare Marktpotenziale für die Anwendung von Demand Response im gewerblichen Sektor

  28. König H, Henning H-M, Kalz D, Krause M, Schweigler C (Hrsg) (2012) Effiziente Kältetechnik und solare Kühlung

  29. Krzikalla N, Achner S, Brühl S (2013) Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien (Bundesverband Erneuerbare Energien e. V. (BEE), Hrsg). Zugegriffen: 19. Aug. 2014

  30. Moser P (März 2012) Druckluftspeicher. Druckluftspeicher als neue Option zur Deckung des zukünftigen Speicherbedarfs. Technik-Dialog 2012 der Bundesnetzagentur „Speichertechnologien“, Bundeskunsthalle Bonn. http://www.netzausbau.de/SharedDocs/Downloads/DE/Veranstaltungen/2012/TechnikdialogSpeicher/VortragMoser.pdf?__blob=publicationFile. Zugegriffen: 11. Sept. 2014

  31. Müller-Syring G, Henel M, Köppel W, Mlaker H, Sterner M, Höcher T, Kaesler H, Linke G, Löffler T, Mlaker H, Marewski U, Nitschke-Kowsky P, Oehsen A, Reimann T, Reinhold M, Schley P, Schollmeyer H-J, Steiner K, Sterner M, Trost T, Zenner M, Zschocke A (2013) Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz. Management Summary. http://www.dvgw-innovation.de/fileadmin/dvgw/angebote/forschung/innovation/pdf/g1_07_10.pdf. Zugegriffen: 9. Sept. 2014 Zugegriffen: 09. Sept. 2014

  32. Nabe C, Seefeldt F (2011) Potenziale der Wärmepumpe zum Lastmanagement im Strom Strommarkt und zur Netzintegration erneuerbarer Energien. Ecofys., Berlin

    Google Scholar 

  33. Nitsch J, Pregger T, Scholz Y, Naegler T, Sterner M, Gerhardt N, Oehsen A, Pape C, Wenzel B (2010) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. „Leitstudie 2010“ (BMU, Hrsg). DLR; Fraunhofer IWES; IfnE. http://elib.dlr.de/69139/1/Leitstudie_2010.pdf

  34. Nitsch J, Pregger T, Naegler T, Heide D, Tena DL De, Trieb F, Scholz Y, Gerhardt N, Sterner M, Trost T, Schwinn R, Pape C, Hahn H (2012a) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global – Datenanhang II zum Schlussbericht

  35. Nitsch J, Pregger T, Naegler T, Heide D, Tena DL De, Trieb F, Scholz Y, Nienhaus K, Gerhardt N, Sterner M, Trost T, Oehsen A, Schwinn R, Pape C, Hahn H, Wickert M, Wenzel B (2012b) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. Schlussbericht (Bundesministerium für Umwelt Naturschutz und Reaktorsicherheit, Hrsg). http://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/bilder/portal/portal_2012_1/leitstudie2011_bf.pdf. Zugegriffen: 9. Sept. 2015

  36. Öko-Institut e. V (2014) Energiewirtschaftliche Modellierung: Wie wirken Klimaschutzmaßnahmen? http://www.oeko.de/forschung-beratung/themen/energie-und-klima/energiewirtschaftliche-modellierung/. Zugegriffen: 28. Nov. 2014

  37. Pape C (2014) ROADMAP SPEICHER SPEICHERBEDARF FÜR ERNEUERBARE ENERGIEN – SPEICHERALTERNATIVEN – SPEICHERANREIZ – ÜBERWINDUNG RECHTLICHER HEMMNISSE. Kurzzusammenfassung, Kassel

  38. Paulus M, Borggrefe F (2011) The potential of demand-side management in energy-intensive industries for electricity markets in Germany. Appl Energy 88(2):432–441. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306261910000814. Zugegriffen: 9. Sept. 2015

  39. Ritter D, Bauknecht D, Koch M, Heinemann C (2014, Februar). Auswirkung einer Sockellastreduktion auf den Flexibilitätsbedarf im deutschen Stromsystem. 13. Symposium Energieinnovation, Graz. Zugegriffen: 27. Nov. 2014

  40. Roon S, Gobmaier T (2010) Demand Response in der Industrie Status und Potenziale in Deutschland. München

  41. Schaber K, Steinke F, Mühlich P, Hamacher T (2012) Parametric study of variable renewable energy integration in Europe: advantages and costs of transmission grid extensions. Energy Policy 42: 498 –508

  42. Schaber K, Steinke F, Hamacher T (2012) Transmission grid extensions for the integration of variable renewable energies in Europe: Who benefits where? Energy Policy 43:123–135

    Article  Google Scholar 

  43. Schill W-P (2014) Residual load, renewable surplus generation and storage requirements in Germany. Energy Policy 73:65–79

    Article  Google Scholar 

  44. Schmid S, Schaarschmidt L, Bretschneider P, Rüttinger H, Kißauer S, Hesse P, Meister J (2012) Pumpspeicherkataster Thüringen. Ergebnisse einer Potenzialanalyse. (Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie, Hrsg), Erfurt. http://www.thueringen.de/imperia/md/content/tmwta/aktuelles/v3_pumpspeicherkataster.pdf. Zugegriffen: 10. Sept. 2014

  45. Schröder A, Gerbaulet C, Oei PY, Hirschhausen C von (2012) In Ruhe planen: Netzausbau in Deutschland und Europa auf den Prüfstand. DIW-Wochenbericht 79(20):3–12

    Google Scholar 

  46. Stamminger R (2008) Synergy potential of smart appliances. Bonn

  47. Teske S (2014) [r]oadmap for europe. Energy [R]evolution: a sustainable and independent energy supply for Europe. report for the EU 28 (Greenpeace International, Hrsg). Zugegriffen: 16. Okt. 2014

  48. Tiedemann A, Srikandam C, Kreutzkamp P, Roth H, Gohla-Neudecker B, Kuhn P (2008) Untersuchung der elektrizitätswirtschaftlichen und energiepolitischen Auswirkungen der Erhebung von Netznutzungsentgelten für den Speicherstrombezug von Pumpspeicherwerken (Vattenfall Europe Transmission GmbH, Hrsg). Berlin. http://www.dena.de/fileadmin/user_upload/Publikationen/Energiedienstleistungen/Dokumente/Pumpspeicherstudie.pdf. Zugegriffen: 13. Aug. 2014

  49. Tröster E, Kuwahata R, Ackermann T (2011) European Grid Study 2030/2050. Darmstadt/Langen, Germany

  50. VDE (2012) Energiespeicher für die Energiewende. Speicherungsbedarf und Auswirkungen auf das Übertragungsnetz für Szenarien bis 2050 (VDE, Hrsg). Frankfurt a. M. Zugegriffen: 25. Sept. 2014

Download references

Danksagung

Das Projekt „Systematischer Vergleich von Flexibilitäts- und Speicheroptionen im deutschen Stromsystem zur Integration von Erneuerbaren Energien“ (2011–2014) wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vom Öko-Institut e. V. in Freiburg in Zusammenarbeit mit der Energynautics GmbH in Darmstadt bearbeitet.

Author information

Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Matthias Koch.

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Koch, M., Bauknecht, D., Heinemann, C. et al. Modellgestützte Bewertung von Netzausbau im europäischen Netzverbund und Flexibilitätsoptionen im deutschen Stromsystem im Zeitraum 2020–2050. Z Energiewirtsch 39, 1–17 (2015). https://doi.org/10.1007/s12398-015-0147-2

Download citation

Schlüsselwörter

  • Europäischer Netzverbund
  • Flexibilitätsoptionen
  • Strommarktmodellierung