STROM
Neue elektrische Verbraucher wie Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge mit ihrer Ladeinfrastruktur sowie Erzeugungsanlagen wie Windenergie- und Photovoltaikanlagen führen nicht nur zu einer höheren Belastung der Verteilnetze, sondern verändern auch ihre Struktur. Da sich Verbrauch und Erzeugung parallel verändern, reicht ein einzelner Netzzustand auf Basis des finalen Szenariojahres als Planungsgrundlage nicht mehr aus. Gefragt ist ein Zielnetz, das über einen ganzen Entwicklungspfad hinweg trägt.
Als Teil des bayerischen Forschungsverbunds „Energie – SekToRkOpplung und Micro-grids“ (kurz: STROM) hat die OTH Regensburg gemeinsam mit den Stadtwerken Forchheim und Waldmünchen eine technisch und wirtschaftlich nachhaltige Netzplanung für städtische Verteilnetzstrukturen erarbeitet. Der Forschungsverbund vereinte rund 30 Partner aus Wissenschaft und Industrie. Im Mittelpunkt stand die Kopplung der Sektoren Strom, Verkehr und Wärme.
Ausgewählte Projektergebnisse
- Ein automatisiert aufgebautes digitales Netzmodell eines realen Verteilnetzes. Aus den Daten der Stadtwerke Forchheim entstand ein leitungs- und knotenscharfes Modell des Mittelspannungsnetzes und aller daran angeschlossenen Niederspannungsnetze.
- Automatisiert eingebettete Entwicklungspfade. Die Entwicklung elektrischer Verbraucher und Erzeuger wird aus den Zahlen des Netzentwicklungsplans abgeleitet, auf das Netzmodell regionalisiert und um regionale Entwicklungen und das Wissen des Netzbetreibers ergänzt.
- Sektorenübergreifende Bewertung. Untersucht wurde, wie stark der Ausbau eines Fernwärmenetzes den Verstärkungsbedarf im Stromnetz senkt und wie sich der Sanierungsfortschritt im Gebäudebestand darauf auswirkt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Advances in Applied Energy veröffentlicht und wurden mit dem ETG-Literaturpreis 2026 der Energietechnischen Gesellschaft im VDE ausgezeichnet.
- Weiterentwickelte Netzplanungsmaßnahmen und Planungsstrategien. Die Algorithmen aus CrossEnergy wurden weiterentwickelt und es wurden zusätzliche Maßnahmen wie die Trennstellenoptimierung und der Netzausbau für Neubaugebiete in einer ersten Version umgesetzt. Neben Planungsstrategien, die Maßnahmen in fester Reihenfolge nach dem NOVA-Prinzip einsetzen (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau), wurde auch ein ganzheitlicher, optimierungsbasierter Ansatz untersucht und in begleitenden Arbeiten an einem synthetischen Modellnetz erprobt.
Ausführliche Projektbeschreibung
Grundlage aller Untersuchungen ist ein digitales Modell des gesamten Forchheimer Verteilnetzes. Die dafür nötigen Daten liegen beim Netzbetreiber verteilt vor: Geodaten der Leitungen, Stationen und Hausanschlüsse, Betriebsmitteldaten, Schaltzustände, Verbrauchsdaten und die Liste der Erzeugungsanlagen. Ein am FENES entwickeltes Verfahren führt sie automatisiert zu einem rechenfähigen Netzmodell zusammen (Abbildung 1). Die größte Hürde dabei: Die Geodaten zeigen, wo eine Leitung liegt, aber teilweise nicht, womit sie elektrisch verbunden ist. Diese Verbindungen und die Trennstellen im Netz leitet das Verfahren über eigene Algorithmen ab. Validiert wurde das Modell gemeinsam mit den Stadtwerken, unter anderem anhand von Messungen am Umspannwerk. Liegen neue Daten vor, lässt es sich mit geringem Aufwand neu erzeugen.
Auf diesem Netzmodell werden Entwicklungspfade nicht einzeln von Hand, sondern automatisiert gerechnet. So lassen sich verschiedene Entwicklungen im Stromnetz selbst und in den anderen Sektoren berücksichtigen. Dafür wurde das in CrossEnergy entwickelte Netzplanungstool weiterentwickelt: Es spielt die Szenarien für jedes Stützjahr ein, erkennt künftige Netzengpässe und bestimmt mit entsprechenden Netzplanungsmaßnahmen das Zielnetz (Abbildung 2).
Wie groß der Einfluss der Sektorenkopplung auf die Stromnetzplanung ist, zeigt die Untersuchung zum Fernwärmeausbau am Beispiel Forchheim. Primärer Treiber der Netzverstärkungen im Zielnetz 2045 sind die Wärmepumpen. In einem Szenario mit einer jährlichen Gebäudesanierungsrate von einem Prozent senkt ein Fernwärmenetz die Kosten für Netzverstärkungen um bis zu 71 Prozent. In einem ambitionierten Szenario mit zwei Prozent Sanierungsrate sind es nur noch 35 Prozent, weil die energetische Sanierung die Spitzenlast dort bereits so weit reduziert hat, dass für die Fernwärme wenig Entlastungspotenzial übrig bleibt. Abbildung 3 zeigt für das Szenario mit einem Prozent Sanierungsrate, wie die verstärkten Leitungen im Forchheimer Netz mit steigendem Fernwärmeanteil zurückgehen.
Gesamtwirtschaftlich betrachtet ist ein Fernwärmenetz im Szenario mit geringerer Sanierungsrate bis zu einem Versorgungsanteil von rund 70 Prozent konkurrenzfähig gegenüber gebäudeindividuellen Wärmepumpen, im Szenario mit höherer Sanierungsrate bis etwa 40 Prozent. Diese sektorenübergreifende Gesamtbetrachtung ist entscheidend, denn die eingesparten Netzverstärkungskosten allein rechtfertigen ein Fernwärmenetz nicht.
Für die Netzplanung folgt daraus eine grundsätzliche Erkenntnis: Wie stark ein Verteilnetz verstärkt werden muss, entscheidet sich zu einem erheblichen Teil außerhalb des Stromnetzes, nämlich in der kommunalen Wärmeplanung und im Sanierungsgeschehen des Gebäudebestands. Wer die Sektoren getrennt plant, plant am tatsächlichen Bedarf vorbei.
Die Erkenntnisse werden derzeit im Rahmen eines Promotionsvorhabens in Kooperation mit der Technischen Universität München vertieft. Vorgesehen ist, mehrere Entwicklungspfade zu einem Szenarienraum aufzuspannen, um der Unsicherheit einzelner Szenarien zu begegnen. So sollen Planungsstrategien über mehrere mögliche Zukünfte verglichen und Aussagen zu ihrer Robustheit getroffen werden.
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl
Projektlaufzeit: 04/2021 - 09/2024
Fördersumme: ca. 1,93 Mio. €
