Netzplanung

Wie lassen sich energetische Netzinfrastrukturen gestalten und betreiben, damit eine resiliente, sichere und kostengünstige Versorgung sowohl heute als auch in einem zukünftig dekarbonisierten Energiesystem sichergestellt ist? 

Durch die Dekarbonisierung des Energiesystems und den Strukturwandel verändern sich Angebot und Nachfrage an Strom, Gas und Wärme. Das neue System ist geprägt von dezentralen Erzeugern, Speichern und Prosumern. Wärmepumpen, Elektrolyseure und BHKW bilden Kopplungspunkte zwischen den Sektoren. Aufgabenvielfalt und Aufgabenumfang in der Netzplanung sind in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Die Energiewende, neue Regularien, sich ändernde Förderbedingungen oder die Entwicklung von Speichermöglichkeiten und Sektorenkopplungen sind Unsicherheitsfaktoren bzgl. des Netzausbaubedarfs sowohl hinsichtlich des Ausmaßes als auch der zeitlichen Verteilung. Zudem führen neue Betriebsmittel wie regelbare Ortsnetztransformatoren oder neue Anforderungen beispielsweise durch E-Mobilität zu einem vergrößerten Lösungsraum mit erhöhter Komplexität. In Zukunft müssen daher zunehmend umfangreiche Planungsaufgaben bearbeitet bzw. bestehende Planungen angepasst und überarbeitet werden. 

Die Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Energieforschung unterstützen bei der Transformation der Energienetzinfrastruktur in den verschiedenen Planungsphasen: Von der ersten Potentialstudie bis zur konkreten Zielnetzplanung, bei der Implementierung im Pilotprojekt und der Überführung in den realen Betrieb.

Kompetenzen der Fraunhofer-Allianz Energie im Bereich Netzplanung

Asset Management: Netzausbau, -umbau und Instandhaltung

Die Integration volatiler Erzeuger wie auch die Mobilitäts- und Wärmewende bringen neue vielschichtige Herausforderungen nicht nur für den Netzbetrieb, sondern auch für den Netzausbau und -umbau mit sich. Ebenso wichtig wie das operative Asset Management, das unter anderem die Integration von Erzeugungsanlagen, zusätzlicher Verbraucher und die Instandhaltung bestehender Infrastrukturen umfasst, ist in Bezug auf Netzausbauplanungsmaßnahmen das strategische Asset Management. Die Herausforderung für Netzplaner ist sowohl das erhöhte Planungsaufkommen, als auch die Erhöhung der Planungskomplexität durch zusätzliche Technologien. Fraunhofer-Expertinnen und Experten unterstützen Kundinnen und Kunden entlang der gesamten Prozesskette von der Netzausbauplanung und Zielnetzplanung über die Definition von Versorgungsaufgaben und einen optimierten Netzausbau bis hin zu Evaluationstests. Dabei beschränken sich die Kompetenzen der Fraunhofer-Institute nicht auf die fokussierte Betrachtung von Stromnetzen, sondern beziehen auch (Fern-)Wärmenetze, Ladeinfrastruktur für Elektromobilität sowie Insel- und Mikronetze in eine ganzheitliche Betrachtung mit ein. Eine besondere Rolle auf dem Weg zur Klimaneutralität spielt auch der Aus- und Umbau der Gasnetze. Zum einen muss die dezentrale Einspeisung von Biogas erleichtert werden, zum anderen muss die Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung H2-ready gemacht werden, um so sowohl die regionale Industrie als auch die Wärmeversorgung der Haushalte zu dekarbonisieren.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

DiGO – Distribution Grid

Aufgrund der Energiewende ändern sich die Belastungen in den Stromnetzen. Es müssen Erzeugungsanlagen und zusätzliche Verbraucher integriert werden, womit sich der Bedarf an Netzausbauplanungsmaßnahmen erhöht.

 

ANaPlan - Autom. Netzausbauplanung

In Kooperation mit Partnern erstellt Fraunhofer IEE eine kostenminimierende Netzplanung für Verteilernetze.

 

pandapower: Werkzeuge für Netzplanung

Mithilfe verschiedener Werkzeuge unterstützt pandapower Netzplanungssysteme darin, quantitativen und qualitativen Anforderungen gerecht zu werden.

Szenarienentwicklung zukünftiger Versorgungsaufgaben

Die Energiewende – und vor allem die Sektorenkopplung – stellen Stadtwerke und kommunale Energieversorger vor strategische Investitionsentscheidungen bezüglich ihrer zukünftigen Strom-, Wärme- und Gasnetzinfrastruktur. Bisher werden diese Entscheidungen oft individuell und nach Sparten getrennt getroffen. Dadurch kann es zu Fehlinvestitionen kommen, die sich in höheren Energiepreisen niederschlagen können und damit den Kunden zu Lasten gelegt werden. Ausgehend von individuellen Daten erstellen Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher kundenspezifische Szenarien für zukünftige Versorgungsaufgaben und entwickeln mit innovativen Optimierungswerkzeugen optimale Netzstrukturen. Auch bei der Szenarienentwicklung zukünftiger Versorgungsaufgaben steht die technologieübergreifende Betrachtung mit dem Ziel einer spartenübergreifenden Infrastrukturplanung im Vordergrund.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

SzenarienDB

Um die Transparenz und Vergleichbarkeit zukünftiger Entwicklungen des Energieversorgungssystems zu ermöglichen, erstellt das Fraunhofer IEE gemeinsam mit Partnern eine Open Science Datenbank zur Bereitstellung von Energieszenarien.

 

Verteilnetzstudie Hessen 2024 – 2034

Das Fraunhofer IEE untersucht in einem Konsortium die Auswirkungen der Energiewende auf die Verteilnetze in Hessen und stellt Handlungsempfehlungen auf.

 

StraZNP – Strategische Zielnetzplanung

Das Fraunhofer ISE entwickelt im Projekt ein Planungstool, das Vorschläge für kostenoptimalen Netzausbau bei gegebenen und zu erwartenden Netzbelastungen berechnet. 

Netzintegration dezentraler Erzeugungsanlagen, Speicher und Verbraucher

Zukünftig wird Strom durch eine Vielzahl dezentraler Erzeuger bereitgestellt. Dies stellt für die Gewährleistung der Netzstabilität und Versorgungssicherheit eine besondere Herausforderung dar. Dezentrale Versorgungskonzepte können dazu beitragen, Netzverluste zu reduzieren, indem ein möglichst großer Teil des lokal erzeugten Stroms dort genutzt wird, wo er entsteht. Voraussetzung hierfür ist eine intelligente Vernetzung von Erzeugungsanlagen, Speichern und Verbrauchern. Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Energieforschung entwickeln Anlagenkonzepte für Industrie, Gewerbe und Kommunen auf Basis erneuerbarer Energieträger. Das Portfolio reicht von neuen Konzepten der Kraft-Wärme-Kopplung über hybride Ortsspeichernetzen bis hin zu funktionstragenden Strukturkomponenten für weitgehend energieautarke Gebäude und Siedlungen. Auch die stetige Weiterentwicklung innovativer Speichertechnologien, z. B. von Redox-Flow-Batterien und deren Netzintegration spielt eine wichtige Rolle im Rahmen von neuen Anlagenkonzepten. Mit der Entwicklung und Implementierung von Energiemanagementsystemen für Hybridsysteme leisten unsere Expertinnen und Experten darüber hinaus einen wichtigen Beitrag zur Netzintegration dezentraler Erzeuger.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

MAPSEN

Das Fraunhofer ISE untersucht mithilfe von Simulationsmodellen, welchen Einfluss eine Ausbreitung von Prosumern auf die Erzeugung und das Stromnetz im deutschen Energiesystem hat.

 

OwnPV-Outlook

Das Fraunhofer IEE untersucht die Einbindung und Entwicklung von PV-Eigenstromsystemen in das zukünftige Energiesystem, um mögliche Ausgestaltungen der zukünftigen Rahmenbedingungen zu identifizieren.

 

»Windheizung 2.0: Langzeit-Speicher«

Überschusstrom aus Windkraftanlagen soll dazu genutzt werden, den Heizwärmebedarf von Gebäuden zu decken (power-to-heat).

 

MobiGrid

Das Fraunhofer IESE untersucht gemeinsam mit Partnern, wie der Einsatz dezentraler Flexibilitätspotentiale (z. B. Batterien von E-Fahrzeugen) die Integration von Elektromobilität unterstützen kann. 

 

eGon

Gemeinsam mit Partnern untersucht das Fraunhofer IEE die Kopplung des bisherigen Stromnetzmodells mit Bedarfen und Flexibilitäten aus dem Energiesektor. Dabei werden sektorübergreifende Synergien für das Energiesystem der Zukunft berücksichtigt.

Netzstabilität und Netzwiederaufbau

Gerade der neuartige Aufbau des Netzes mit dezentralen Erzeugungsanalagen, Speichern und Verbrauchern kann zur Netzstabilität beitragen und Spannungs- und Frequenzschwankungen kleinteilig ausgleichen. Dennoch ist die Fähigkeit Netzzustände vorherzusagen eine Kernherausforderung der zukünftigen Netzführung im deutschen Stromnetz. Das wichtigste Ziel: Netzengpässe verhindern, bevor sie entstehen. Die Institute der Fraunhofer-Energieforschung unterstützen ihre Kunden mit genauen Einspeise- und Verbrauchsprognosen als zentrales Element einer optimierten Netzbetriebsführung. Übergeordnetes Ziel ist es dabei, resiliente Netze zu schaffen und so Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Resilienz ist dabei definiert als die Fähigkeit eines Systems, seine Funktionsfähigkeit unter Belastungen – zumindest eingeschränkt – aufrechtzuerhalten, beziehungsweise diese in kurzer Zeit wiederherzustellen. Sollte es doch zu einem BlackOut kommen, muss das Netz neu hochgefahren werden. Bisher übernahmen dies spezielle zentrale Kraftwerke. Bei einer hohen Anzahl dezentraler Erzeuger bedarf es allerdings neuer Konzepte. Diese beinhalten bereits in der Netzplanung die Installation von Anlagen wie Batterien oder BHKWs, die dezentral helfen können Teilnetze aufzubauen.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

OVRTuere

»OVRTuere (Over Voltage Ride Through – Zeitweilige Überspannungen und abgeleitete Regeln für einen effizienten und sicheren Netzbetrieb)« analysiert die technischen Ursachen für großräumige kritische Überspannungen im Stromnetz.

 

GFM Benchmark

Im Projekt »GFM Benchmark« führt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern einen Realitätsscheck von netzbildenden Wechselrichtern durch und entwickelt das Testverfahren dadurch weiter.

 

Q-REAL

Um Herausforderungen hinsichtlich der Komplexität des spannungsebenenübergreifenden Blindleistungsmanagements zu bewerkstelligen, muss das System von der Komponenten- über die Planungs- bis hin zur Netzführungsebene untersucht werden.

 

Verteilnetz 2030+

Gemeinsam mit Partnern untersucht das Fraunhofer IEE im Projekt »Sicherer und stabiler Betrieb des stromrichter-dominierten Verteilnetzes - Verteilnetz 2030+«, wie der Betrieb mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien beherrschbar bleibt.