Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung. Endbericht zum TA-Projekt

Gegenwärtig befindet sich das deutsche Energiesystem in einem Umbruchprozess historischen Ausmaßes. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien etwa die Hälfte und bis 2050 mindestens 80 % des Strombedarfs decken. Dies stellt teilweise völlig neue Anforderungen an die Stromnetze, sodass aktuell ein erheblicher Handlungsdruck erwachsen ist, die Netze aus- bzw. umzubauen sowie neue Betriebskonzepte zu entwickeln, damit eine zuverlässige und sichere Stromversorgung auch weiterhin gewährleistet werden kann.
Der TAB-Bericht gibt einen breiten Überblick über den Stand des Wissens und der Diskussion zu vielen der mit dem Aus- und Umbau der Stromnetze verbundenen Fragestellungen. Dazu gehören neben dem Umfang des Aus- und Umbaubedarfs die Identifikation von modernen Technologien und Betriebsweisen für Stromnetze sowie die Beschreibung ihres Entwicklungsstands bzw. Forschungs- und Entwicklungsbedarfs. Da eine Fokussierung allein auf technologische Aspekte zu kurz greifen würde, wurde eine Reihe weiterer relevanter Einflussfaktoren und Themenbereiche in den Blick genommen. Dies betrifft zum einen ökonomische Aspekte, u. a. die Kosten und Nutzen des Einsatzes bestimmter Technologien, beispielsweise von sogenannten Smart Metern. ... mehrZum anderen werden aber auch Dimensionen der Folgewirkungen in den Blick genommen, insbesondere Datenschutzfragen in modernen Stromnetzen, die mehr und mehr mit Informationsnetzen verschmelzen (Smart Grid), sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bzw. die Gesundheit. Last but not least werden Fragen der öffentlichen Beteiligung und der Akzeptanz des Baus von Stromtrassen thematisiert, die in letzter Zeit enorm an Bedeutung gewonnen haben.

INHALT
ZUSAMMENFASSUNG 9
I. EINLEITUNG 25
II. STROMNETZE UND STROMVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 33
1. Systemdienstleistungen 36
2. Trends und Treiber für die zukünftige Entwicklung der Netze 39
3. Smart Grid 41
4. Stromnetz im Verhältnis zu anderen Flexibilisierungsoptionen 47

III. AUS- UND UMBAUBEDARF DER STROMNETZE 49
1. Übertragungnetze 49
1.1 Kritik am Verfahren 52
1.2 Kritik an Annahmen und Ergebnissen 57
1.3 Schlussfolgerungen, diskutierte Lösungsvorschläge 59
2. Verteilnetze 61
3. Auswirkungen eines verzögerten Netzausbaus 68

IV. MODERNE TECHNOLOGIEN UND BETRIEBSWEISEN FÜR STROMNETZE 71
1. Übertragungsnetze 71
1.1 Freileitungsmonitoring 71
1.2 Hochtemperaturleiterseile 72
1.3 Erhöhung der Übertragungsspannung 73
1.4 Leistungselektronik zur Steuerung von Lastflüssen 73
1.5 Wide Area Monitoring Systems 74
1.6 Erdkabel 76
1.7 Phasenschiebertransformatoren 78
1.8 Hochspannungsgleichstromübertragung 79
1.9 Supraleitende Komponenten 81
1.10 Gesamtübersicht der Technologien und Verfahren 82
2. Verteilnetze 84
2.1 Regelbare Ortsnetztransformatoren 84
2.2 Einspeisenetze 86
2.3 Hochtemperatursupraleiterkabel 87
2.4 Technologien zur dezentralen Bereitstellung von
Systemdienstleistungen 88
2.5 Sensorik im Netz/Automatisierung 90
3. Smart Meter 91
3.1 Warum Smart Meter? 92
3.2 Ordnungsrahmen 95
3.3 Kosten-Nutzen-Analyse 96
3.4 Ländervergleich 101
3.5 Datenschutz und Datensicherheit bei Smart Meter 102

V. ZUKUNFTSSZENARIEN FÜR DAS STROMNETZ 109
1. Europäisches Supergrid 109
2. Die Szenarien des Umweltbundesamtes 112
2.1 Szenario »International Grosstechnik« 113
2.2 Szenario »Regionenverbund« 113
2.3 Szenario »Lokal autark« 115
3. Betrieb des Stromnetzes in regionalen Zellen 117
3.1 Definition und Abgrenzung 118
3.2 Funktionalität und technische Umsetzung 119
3.3 Mögliche technische Varianten 121
3.4 Bewertung 123
3.5 Möglicher Regelungsbedarf 131
3.6 Fazit 134
4. Digital Grid 135

VI. ZUVERLÄSSIGKEIT UND SICHERHEIT 137
1. Kosten von Stromausfällen 138
2. Versorgungsqualität 141
2.1 Smart Grid: »safety« und »security« 144
2.2 Qualität der Stromversorgung als Produktmerkmal 151
VII. UMWELT- UND GESUNDHEITSAUSWIRKUNGEN 153
1. Auswirkungen auf die Umwelt 153
1.1 Freileitungen 154
1.2 Erdleitungen 161
1.3 Elektromagnetische Felder durch Freileitungen, Erdkabel und gasisolierte Leitungen 166
1.4 Fazit 171
2. Mögliche Risiken für die Gesundheit 171
2.1 Allgemeines zu Feldwirkungen und Grenzwerten 172
2.2 Wirkmodelle und Bewertung von Evidenz 173
2.3 Wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Bewertung biologischer Wirkungen 180
2.4 Grenzwertdiskussion 186
2.5 Forschungsbedarf 192
2.6 Strategien der Risikobewertung und des Risikomanagements 192
2.7 Fazit 193

VIII. AKZEPTANZ DES STROMNETZAUSBAUS 195
1. Konfliktfelder beim Netzausbau 196
2. Öffentliche Wahrnehmung und das Beteiligungsparadoxon 197
3. Bürgerbeteiligung bei der Planung des Netzausbaus 198
4. Erfolgsfaktoren für Bürgerbeteiligungsverfahren 201
5. Fazit 203

LITERATUR 205
1. In Auftrag gegebene Gutachten 205
2. Weitere Literatur 205
ANHANG 229
1. Tabellenverzeichnis 229
2. Abbildungsverzeichnis 230