Herausforderungen für die Energiewende: Digitalisierung und Volatilität

20. November 2017 | Kira Andre

© Uwe Schlick/Pixelio

Romanautoren wie Marc Elsberg (Blackout) und Michael Tietz (Rattentanz) zeichnen eine düstere Zukunft, in der die Menschheit nach einem Systemzusammenbruch ohne Strom ums Überleben kämpfen muss. Unser Leben ist tatsächlich so abhängig vom Stromsystem wie nie zuvor – und damit im gleichen Maße anfällig für Störungen.

Fachbeitrag von Kira Andre, EnergieAgentur.NRW

Die Energiewende stellt Deutschland vor immense Herausforderungen. Schon seitdem die volatilen Energieträger Solar- und Windenergie eine immer größere Rolle im Energiesystem einnehmen, wird darüber diskutiert, ob sie geeignet sind, sogenannte Systemdienstleistungen zu erbringen. Diese umfassen unter anderem die Spannungs- und Frequenzhaltung und sind zum reibungslosen Betrieb des Energiesystems unerlässlich. Sie werden bis heute überwiegend auf Abruf vom Übertragungsnetzbetreiber von konventionellen Kraftwerken erbracht.

Die Digitalisierung kann dazu beitragen, das Energiesystem zu flexibilisieren und stabilisieren, doch auch sie birgt Schwachstellen durch Sabotage oder Cyberangriffe. Die folgenden Punkte beantworten die aktuellen Fragen rund um die Themen der Versorgungssicherheit vor dem Hintergrund von Energiewende und Digitalisierung des deutschen Energiesystems.

Was bedeutet „volatile Energieerzeugung“?

Volatilität bezeichnet generell die Eigenschaft eines Systems, schwankend oder unstet zu sein. In Bezug auf die erneuerbaren Energien wird der Begriff verwendet, um darauf hinzuweisen, dass deren Einspeisung von äußeren Faktoren wie der Sonneneinstrahlung und dem Windangebot abhängt und somit nicht immer die gleiche Menge an Strom erzeugt wird. In diesem Zusammenhang fällt oftmals der Begriff der Dunkelflaute, der einen Zeitraum von mehreren Tagen oder Wochen bezeichnet, in dem Energie aus Sonne und Wind nur einen sehr kleinen Beitrag zur Stromversorgung leisten kann, wir berichteten.

Als simultane Entwicklung zum Ausbau der erneuerbaren Energien wird ein Teil des konventionellen Kraftwerksparks in den nächsten Jahren schrittweise stillgelegt, um den Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen zu verringern und die potentiellen Risiken der Kernenergie zu vermeiden. Zwischen 2017 und 2019 werden insgesamt fünf Kraftwerksblöcke von den in NRW befindlichen Braunkohlekraftwerken Frimmersdorf, Niederaußem und Neurath in die Sicherheitsbereitschaft überführt, nachdem Ende 2016 schon das Braunkohlekraftwerk Buschhaus (Niedersachsen) in diese so genannte stille Reserve verfahren wurde (§ 13g Energiewirtschaftsgesetz). Die Sicherheitsbereitschaft bedeutet die Stilllegung der Kraftwerke mit einer vierjährigen Übergangsfrist, in der sie nach zehntägiger Vorlaufzeit auf Anfrage durch die Übertragungsnetzbetreiber bei absehbaren Netzengpässen für einige Tage oder Wochen in Betrieb genommen werden können. Die vierjährige Übergangsfrist hat der Gesetzgeber auf Drängen der Übertragungsnetzbetreiber aufgenommen, da diese in Zeiten mit hohem Strombedarf Netzengpässe befürchten bis die Infrastruktur der erneuerbaren Energien in vier Jahren noch ausgebauter ist. Durch die zehntägige Vorlaufzeit können nicht absehbare Netzengpässe durch diese Regelung nicht ausgeglichen werden und müssen durch andere Sicherheitsreserven kompensiert werden. Nach der vierjährigen Sicherheitsreserve werden die Blöcke endgültig stillgelegt. Eine Rückkehr auf den regulären Energiemarkt ist grundsätzlich ausgeschlossen.

Zusätzlich wird zum Ende des Jahres 2022 das letzte deutsche Kernkraftwerk abgeschaltet (13. Gesetz zur Änderung des Atomgesetzes). Durch diese beiden Maßnahmen reduziert sich die unmittelbar verfügbare elektrische Leistung im deutschen Stromnetz bis 2022 im Vergleich zum Jahr 2010, bevor die ersten Kraftwerksblöcke abgeschaltet wurden, um insgesamt etwa 24,6 Gigawatt (2,8 GW Kohle + 21,8 GW Kernkraft). Zum Vergleich: am 31. März 2017 betrug nach Angaben der Bundesnetzagentur die gesamte Netto-Nennleistung thermischer deutscher Kraftwerke 107,8 Gigawatt, plus 97,9 Gigawatt Netto-Nennleistung von Erneuerbaren-Energien-Anlagen [1]. Die deutsche Spitzenlast im Winter wird von der Bundesregierung mit etwa 81 Gigawatt beziffert [2], Szenarien der Bundesnetzagentur gehen von einer über die kommenden Jahre konstanten Spitzenlast von 84 Gigawatt aus [3].

Ereignis

Leistung in [GW]

In die Sicherheitsbereitschaft verfahrene Leistung von Braunkohlekraftwerken 2016-2019 2,8
Abgeschaltete Leistung von Kernkraftwerken 2010-2022 21,8
Nach EEG 2017 geplanter jährlicher Leistungszubau von Erneuerbarer-Energien-Anlagen Ab 2017: 5,45
Ab 2020: 5,6
Ab 2021: 6,1
Netto-Nennleistung Deutschland gesamt 2010 156, davon etwa 100 thermisch [4]
Netto-Nennleistung Deutschland gesamt 2017 (31.03.2017) 206, davon 108 thermisch [1]
Installierte Leistung Deutschland voraussichtlich 2022 219, davon 89 thermisch [3]
Deutsche durchschnittliche Spitzenlast 81-84 [2][3]

Tab. 1: Leistungsangaben des deutschen Kraftwerkspark im Überblick

Wie kann die Digitalisierung bei der Energiewende helfen? Wo gibt es Schwachstellen?

Da zu jedem Zeitpunkt ebenso viel Energie in die Stromnetze eingespeist wie verbraucht werden muss, führt der Ausbau der volatilen Erzeugungseinheiten zu einem höheren Regelungsbedarf und zu einer größeren Abhängigkeit von digitaler Steuerungstechnik. Auch in den Haushalten hält die Digitalisierung Einzug, da jeder neben einem Energiekonsumenten auch zum Energieproduzenten werden kann – zum Beispiel über die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach. Es gilt aber auch, „je ‚digitaler und smarter‘ ein System, desto verwundbarer ist es für Hackerangriffe“ [5]. Insbesondere vernetze Haushaltstechnik ist weniger sicher als die Hochsicherheitsinfrastruktur von Übertragungsnetzbetreibern [5].

Hat der Gesetzgeber bereits auf die potentiellen Schwachstellen der Digitalisierung reagiert?
Gegen die Gefahr der Sabotage an digitalen Systemen hat der Gesetzgeber mit dem IT-Sicherheitsgesetz und der zugehörigen Verordnung von 2015 bereits einen ersten Schritt getan: Betreiber so genannter ‚Kritischer Infrastrukturen‘, womit unter anderem Unternehmen aus den Bereichen Energie, Wasser und Telekommunikation gemeint sind, müssen zum einen Sicherheitsstandards, die dem Stand der Technik genügen (§ 8a BSIG), für ihre IT gewährleisten. Mindestens alle zwei Jahren sind sie verpflichtet, die Erfüllung der Standards zu überprüfen (§ 8a BSIG). Außerdem gilt für sie beim Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) eine Meldepflicht für Cyber-Angriffe, die zu Störungen in der Verfügbarkeit der Infrastruktur führen (§ 8b BSIG).

Kann das deutsche Energiesystem trotz der Herausforderungen durch die Energiewende stabil bleiben?

Die von der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, acatech und der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften 2013 gestartete Arbeitsgruppe ESYS widmet sich den Problemstellungen und Fragen des zukünftigen Energiesystems und zeigt errechnete und simulierte Lösungen und Maßnahmen für die Herausforderungen unseres Energiesystems auf, die schon heute bestehen und künftig  in einem noch erheblich größeren Umfang eine Rolle spielen werden. Die Arbeitsgruppe besteht aus rund 100 interdisziplinären Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Forschung. Sie untersuchen in zwei Projektphasen bis 2019 die Energiesysteme der Zukunft – so lautet auch der Projektname. In einem Zwischenbericht zum Ende der ersten Phase im Jahr 2016 stellten die beiden Professoren Sauer und Renn erste Ergebnisse vor [6].

„Die technische Machbarkeit einer Stromversorgung mit einer Reduktion von 80, 90 oder 100 Prozent CO2 ist machbar. Ich denke, das steht außer Frage. Die eigentlichen Fragen, die eben hier im Raum stehen, sind: Mit welchen Technologien? Welche Flexibilitätstechnologien brauchen wir dazu? Ist das zuverlässig? Ist das gewollt bzw. akzeptiert? Und natürlich was kostet das unterm Strich?“ Prof. Sauer, RWTH Aachen University, Jahresveranstaltung des Akademienprojekts „Energiesysteme der Zukunft“ (ESYS)

Die Wissenschaftler sehen im Bereich der Energieerzeugung durch erneuerbare Energien insbesondere drei Herausforderungen: Bedarfsspitzen, Angebotsspitzen und die Dunkelflaute.

Herausforderung 1: Bedarfsspitzen
Bedarfsspitzen entstehen zum Beispiel, wenn in den privaten Haushalten abends Elektrogeräte oder Beleuchtung eingeschaltet werden. An unterschiedlichen Wochentagen ergeben sich unterschiedliche Lastprofile: während unter der Woche schon früher als am Wochenende aufgestanden wird, wodurch eine Lastspitze um 8 Uhr zu sehen ist (roter Verlauf), verschiebt sich der Lastgang ans Samstagen und Sonntagen weiter zu späteren Uhrzeiten (grüne Verläufe). Die hohe Lastspitze an Sonntagen um 12 ergibt sich aufgrund der Vielzahl privater Elektroherde, die zum Kochen eingeschaltet werden.

Abbildung 1: Auf den Jahresverbrauch genormtes Lastprofil von Haushalten an exemplarischen Wochentagen im Winterhalbjahr © Wikiinger, basierend auf Daten des VDEW

Solche Standardlastprofile sind gut vorhersehbar und bekannt. Es kann aber auch zu schwierig vorhersehbaren und unerwarteten Erzeugungsengpässen kommen, beispielsweise wenn Gaskraftwerke zukünftig wegen einer Störung spontan heruntergefahren und andere Erzeuger einspringen müssen. Um auch solche Bedarfe auf der Grundlage eines auf volatiler Energieerzeugung basierenden Energiesystems zu decken, sehen die Wissenschaftler Flexibilitäten liefernde Gaskraftwerke (Biogas, Wasserstoff) und Batteriespeicher als geeignet an. Diese können innerhalb von Sekunden regulierend in das Stromsystem eingreifen und es stabilisieren. Dieser Vorgang wird Primärregelung genannt. Außerdem können mit stromintensiven Unternehmen Verträge ausgehandelt werden, die es dem Netzbetreiber erlauben, zu bestimmten Zeiten weniger oder mehr Leistung für sie bereitzuhalten oder sie sogar kurzfristig ganz vom Stromsystem zu trennen (Verordnung für abschaltbare Lasten). Solche Demand Side Management Maßnahmen, durch die steuerbare Lasten dem bereitgestellten Stromangebot angepasst und zeitlich verschoben werden, tragen einen weiteren Teil dazu bei, das Energiesystem zu entlasten und Spitzen abzufedern. Die große und stromintensive Aluminiumindustrie in NRW ist für solche Maßnahmen optimal geeignet und schon lange daran beteiligt. Die ganze Möglichkeitsfülle des Demand Side Managements ergibt sich allerdings erst durch die Digitalisierung des Energiesystems, da das gesamte Potential von Energieerzeugern und -abnehmern nur digital überblickt und verwaltet werden kann.

Herausforderung 2: Angebotsspitzen
Das zeitweise hohe Überangebot von Strom auf dem deutschen Regelenergiemarkt kann aufgrund der Notwendigkeit, dass Strom zu dem Zeitpunkt erzeugt werden muss, an dem er auch verbraucht wird, nicht ohne weitere Maßnahmen durch das Energiesystem abgefedert werden. Ein solches zeitweiliges Überangebot an Strom entsteht zum Beispiel wenn mittags die Sonne scheint und zusätzlich starker Wind weht. Oft werden in diesem Zusammenhang die Windenergieanlagen im Norden Deutschlands zum Thema, die aufgrund mangelnder Transportkapazitäten in den Süden zeitweise abgeschaltet werden müssen. In der Zukunft sehen die Wissenschaftler solche Überschüsse als geeignet, um beispielsweise Gasspeicher zu füllen. Mithilfe von Elektrolyseuren kann durch den überschüssigen Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und der Wasserstoff dann entweder ins Gasnetz oder in eigens dafür geschaffene Speicher eingespeist werden. Zusätzlich kann zum Beispiel mithilfe von Wärmepumpen und Maßnahmen in der stromintensiven Industrie das Netz weiter entlastet werden – wie es in NRW durch die Aluminium und Stahlbranche bereits geschieht. Erst im letzten Schritt müssen Anlagen zukünftig abgeschaltet werden.

Herausforderung 3: Dunkelflaute
Die Dunkelflaute ist ein häufig herangezogenes Beispiel von Kritikern der Energiewende um zu zeigen, dass von Sonne und Wind abhängige Technologien ungeeignet seien, eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Dieser Punkt wurde von den Wissenschaftlern aufgegriffen und analysiert. Ihren Szenarien nach ist die Überbrückung von Dunkelflaute-Perioden möglich, indem zwischengespeichertes Methan und Wasserstoff, das bei einem Überangebot in Elektrolyseuren bzw. per Methanisierung generiert wurde, durch flexible konventionelle Gaskraftwerke wieder in Strom umgewandelt wird. In Xanten und Epe befinden sich unterirdische Erdgasspeicher, die schon heute über die Sommermonate große Mengen Erdgas für den Winter einspeichern. In Zukunft werden weitere Großspeicher, zum Beispiel auch für Druckluft, das vorhandene Angebot ergänzen und eine sichere Überbrückung von Dunkelflauten ermöglichen.

Wie wird das Energiesystem weniger anfällig?

Neben den Beanspruchungen des Energiesystems durch die volatiler Energieerzeugung haben sich die ESYS Wissenschaftler auch mit der Digitalisierung und den aus ihr erwachsenden Herausforderungen beschäftigt. Tatsächlich ist die Digitalisierung des Energiesystems und eine damit einhergehende Bedrohung durch Sabotage und Terroranschläge wie im Roman von Marc Elsberg beschrieben nur eines von mehreren möglichen Szenarien, die im Zuge der ESYS Arbeitsgruppe untersucht werden. Weitere denkbare, das Energiesystem belastende Szenarien ergeben sich aus klimawandelbedingten Naturgefahren, der Knappheit von bestimmten für das Energiesystem notwendigen Rohstoffen und einer durch fehlgeleitete Investitionsanreize ungeeigneten Energieinfrastruktur, die keine Versorgungssicherheit gewährleisten kann [5].

Die von der Arbeitsgruppe vorgeschlagenen Lösungen gehen aus dem ganzheitlichen Ansatz hervor, das Energiesystem resilient, also weniger anfällig für Störungen von innen und außen zu gestalten. Dazu dienen beispielsweise die unten erläuterten Maßnahmen aus der Risikoanalyse, die schon heute in Kraftwerken aber auch dem ganzen Energiesystem angewendet werden.

Was heute schon im Kraftwerksbereich und bei vielen anderen Systemen angewendet wird, die ausfallsicher funktionieren müssen, wird auch die Sicherheit eines zukünftigen Energiesystems gewährleisten, das verschiedenen Belastungen und Herausforderungen trotzen muss. Die drei Schlagwörter Diversität, Redundanz und Dezentralität spielen bei sicheren Systemen eine entscheidende Rolle.

Resilienzmaßnahme 1: Redundanz
Eine auf Redundanz beruhende Auslegung technologischer Systeme zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, dass Funktionen im System doppelt übernommen werden. Frei nach dem Motto „doppelt hält besser“ verhindern redundant ausgelegte Dieselgeneratoren, so genannte Notstromaggregate, beispielsweise einen Blackout in Krankenhäusern – auch wenn einer der Generatoren gerade Anlaufschwierigkeiten hat. Dieses Konzept der Redundanz wird heute schon im Stromsystem als so genanntes (n-1)-Kriterium angewendet. Es bedeutet, dass immer eine Einheit mehr verfügbar ist als mindestens zur Erfüllung der Systemaufgaben benötigt wird.

Auf ein digitalisiertes und volatiles Energiesystem übertragen könnte Redundanz ein Überangebot von Elektrolyseuren meinen, die mithilfe von Strom Wasser in Wasserstoff spalten, der dann in Speichern bevorratet werden kann. So bleibt gewährleistet, dass auch bei Ausfällen zu Zeiten von Angebotsspitzen kein Strom und damit keine Erneuerbare-Energien-Anlage abgeregelt werden muss.

Resilienzmaßnahme 2: Diversität
Redundanz alleine macht Systeme jedoch noch nicht ausfallsicher. Was passiert, wenn eine Software-Störung alle Elektrolyseure gleichzeitig ausfallen lässt? Dann können die Mitarbeiter des Verteilnetzes den Strom zum Beispiel in Pumpspeicherkraftwerken speichern solange bis die Störung behoben ist. Ein solches System ist divers ausgelegt, da das Funktionieren derselben Systemfunktionen von unterschiedlichen Technologien gewährleistet wird. Eine sehr naheliegende Diversifizierung ist im zukünftigen Energiesystem sowieso schon angelegt: durch die vielen kleinen und unterschiedlichen Erzeugungseinheiten wird eine Sabotage des gesamten Energiesystems erschwert – solange nicht alle Informations- und Kommunikationstechnologien am selben Knotenpunkt zusammenlaufen, was das letzte Kriterium der Dezentralität begründet.

Resilienzmaßnahme 3: Dezentralität
Die physische Dezentralität eines auf Erneuerbare Energien ausgelegten Energiesystems ist zwar schon ein natürlich begründeter Vorteil dieses Systems, wodurch zum Beispiel Naturkatastrophen immer nur einem kleinen Anteil der Anlagen schaden können. Die Trennung der Software-Infrastruktur muss jedoch ebenso gewährleistet werden, damit das System ausfallsicher bleibt. Eine solche Trennung kann und sollte zum einen physisch geschehen. Eine weitere beispielhafte Möglichkeit, die auch von den ESYS Wissenschaftlern beschrieben wird [6], ist die Verwendung unterschiedlicher Software oder Betriebssysteme, wodurch wieder Diversität geschaffen wird. Die drei Kriterien ergänzen sich also.

Resilienzmaßnahme 4: Datenerfassung und Monitoring
Ein ständiges Erfassen, Überwachen und Auswerten von Daten, auch Monitoring genannt, ermöglicht es, Abweichungen und Manipulationen des Systems frühzeitig zu erkennen und wenn notwendig, Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Diese Art der Systemüberwachung ergänzt die drei Grundsätze von Redundanz, Diversität und Dezentralität. Wetter- und Klimadaten, die schon heute gesammelt und ausgewertet werden, liefern Informationen über die Stromeinspeisung durch Solar- und Windenergieanlagen. Daten der Energieinfrastruktur und der Anlagen selbst (Condition Monitoring) geben Auskunft darüber, in welchem Leistungs- und allgemeinen Zustand sich die Anlagen befinden, die übertragene Energiemenge und mögliche Leistungsreserven im System. Ergänzt werden diese Maßnahmen durch eine automatische und lernfähige Datenauswertung, die selbstständig Fehler bemerkt und Regelungsentscheidungen treffen kann.

Gibt es schon funktionierende Beispiele für das Gelingen der Energiewende?

Obwohl Deutschland im großen Maßstab eine Vorreiterrolle bei der Energiewende einnimmt, gibt es für das Gelingen der Energiewende im Kleinen schon gute Beispiele. Im August 2017 bewies eine Forschungsgruppe bestehend aus Unternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen in der Allgäuer Stadt Wildpoldsried die Schwarzstartfähigkeit eines quartiersweiten Energiesystems ohne konventionelle Großerzeuger und nur auf der Basis von Erneuerbarer-Energien-Anlagen und Batterien. Schwarzstartfähig sind Energiesysteme, die ohne Zugang zum öffentlichen Stromnetz angefahren werden können. Die Forschergruppe hat bewiesen, dass Energiesysteme, die auf erneuerbaren Energien und Speichertechnologien beruhen, nach einem Blackout selbstständig sich selbst und das Energiesystem wieder hochfahren können. Schwarzstartfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft für das Energiesystem, über die konventionelle Kraftwerke zum Teil nicht verfügen. Sie können dann ohne Zugang zum öffentlichen Stromnetz nicht hochgefahren werden, da zum Beispiel Pumpen und Steuerungssysteme nicht selbstständig anlaufen können.

Fazit
Das Energiesystem ist unbestreitbar neuen Herausforderungen ausgesetzt. Neben dem erhöhten Anteil von Strom, der von wetterabhängigen Anlagen erzeugt wird, wird das System zusätzlich immer mehr digitalisiert. Denn nur durch die Digitalisierung kann das kleinteilige Netz aus virtuell zusammengefassten Einheiten gesteuert und verwaltet werden. Die Digitalisierung macht das System somit nicht nur effizienter, sondern die Energiewende im großen Stil erst möglich.

Experten wie die Wissenschaftler des ESYS Projekts verfolgen und durchdenken die Thematik seitdem der Wille zur Energiewende in Deutschland erstmals aufgekommen ist. Sie decken potentielle Schwachstellen im Energiesystem auf und entwickeln Strategien, das Energiesystem der Zukunft resilient, also widerstandsfähig und sicher, zu machen.

Mithilfe diverser Hard- und Softwarelösungen gelingt es schon heute, die Herausforderungen einer volatilen und teildigitalisierten Energieversorgung zu lösen. In Zukunft werden bewährte Maßnahmen durch innovative Ansätze ergänzt, um ein System nicht nur ohne Treibhausgase sondern auch ohne Stromausfälle zu verwirklichen.

Literatur

[1] Kraftwerksliste. Bundesnetzagentur. Stand: 19.04.2017

[2] Spitzenlast. Energie-Lexikon. Presse- und Informationsamt der Bundesregierung.

[3] Genehmigung des Szenariorahmens für den Netzentwicklungsplan (NEP) 2022. Az.: 8121-12/Szenariorahmen 2011. Bundesnetzagentur 2011.

[4] Installierte Netto-Leistung zur Stromerzeugung in Deutschland. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Datenquelle: AGEE, BMWi, Bundesnetzagentur. 02.11.2017.

[5] Das Energiesystem resilient gestalten. Maßnahmen für eine gesicherte Versorgung. Hrsg.: acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V.; Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina e. V.; Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e. V. Stellungnahme Mai 2017.

[6] Energiesysteme der Zukunft. Sichere Stromversorgung 2050. In: Sendereihe „Wie bleibt die Energieversorgung in Deutschland auch in Zeiten der Energiewende gesichert?“ Alpha ARD Bildungskanal. 12.03.2016

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