ENSURE
Lösungen für die komplexe Energieversorgung von morgen
Die Mission: das Stromnetz fit machen für die Energiewende. Denn in seiner heutigen Form ist es kommenden Herausforderungen nicht gewachsen. Deshalb entwickeln Forschende, Netzbetreibende, Herstellende und zivilgesellschaftliche Organisationen im Kopernikus-Projekt ENSURE modulare Ansätze für zukunftsfähige Netzstrukturen.
ENSURE erforscht innovative Lösungen, um das Stromnetz zukunftsfit zu machen; mehr zu den Herausforderungen hier. Dabei setzt ENSURE auf einen modularen Ansatz für zukünftige Netzstrukturen und denkt auch Sektorenkopplung mit. Kernaufgabe der Forschung ist, Technologien zu entwickeln und zu testen, die im Zuge anstehender Veränderungen eine Versorgungssicherheit gewährleisten. Die Ansprüche an die Energieversorgung von morgen sind dabei hoch: Sie muss zuverlässig, wirtschaftlich und nachhaltig sein, gleichsam muss die Gesellschaft sie in der Breite akzeptieren.
Grundlagenforschung hierzu dominierte die erste Projektphase, Planung der praktischen Umsetzbarkeit die zweite. In der dritten Phase wollen die Partner nun die bisher entwickelten Ansätze für ein zukunftsfähiges Energienetz im hybriden Realbetrieb in der Praxis demonstrieren. Digitalisierung und Automatisierung tragen dazu bei, in Zukunft Personalengpässe bei den Netzbetreibern zu vermeiden.
Baukasten-System mit hoher Übertragbarkeit
ENSURE erarbeitet einen Baukasten mit flexibel einsetzbaren Technologien für die Energiewende – mit Fokus auf Stromnetze. Jeder dieser Bausteine liefert einen eigenen Mehrwert und lässt sich auf die regionalen Gegebenheiten bezogen mit anderen kombinieren. Eine große Rolle spielt auch die Sektorenkopplung, die Strom-, Wärme- und Gasnetze unter Einbezug des Mobilitätssektors miteinander verbindet. Das Energienetz der Zukunft muss das mitdenken, damit es mehr kann als „nur“ Strom.
Bereits in der erfolgreich abgeschlossenen zweiten Phase ist es dem Projekt gelungen, ein Gesamtkonzept für die Energieversorgung zu entwerfen. Dieses ist in den bestehenden sozio-ökonomischen Rahmen eingebettet und gewährleistet eine Übertragbarkeit der Ergebnisse innerhalb Deutschlands und Europas. Tests von Stromnetzen mithilfe digitaler Zwillinge wie auch in ersten Pilotanlagen sind erfolgreich verlaufen.
Haupttreiber und Ziele von ENSURE
Bei der Forschung steht die Dekarbonisierung durch verteilte Einspeiser und Verbraucher stark im Fokus. Eine Umstellung auf erneuerbare Energiequellen geht damit einher, das Netz dezentral zu denken und dabei zu ermöglichen, dass an vielen vernetzten Stellen Energie ins Netz eingespeist wird.
Dieser wachsenden Komplexität des Systems steht ein Fachkräftemangel gegenüber. ENSURE will dieses Dilemma mit flexibleren und effizienteren Strukturen lösen. Im Zuge der im Projekt getesteten Lösungen sind daher auch Marktdesign und Regulierung ein großes Thema.
In der Zielsetzung fokussiert ENSURE vier zentrale Aspekte:
- Das Projekt strebt einen modularen und flexiblen Ansatz für zukünftige Netzstrukturen an. Dieses Baukasten-Prinzip will das Stromnetz anpassungsfähiger und widerstandsfähiger gegenüber sich ständig verändernden Anforderungen machen.
- Zudem konzentriert sich das Projekt auf die Entwicklung von Technologien, die die zukünftige Netzentwicklung vorantreiben. Innovative Lösungen, die die Integration erneuerbarer Energien erleichtern und gleichzeitig eine sichere Energieversorgung gewährleisten, spielen eine zentrale Rolle.
- Das Projekt hat sich vorgenommen, dass Ergebnisse in klaren Handlungsempfehlungen münden. Diese adressieren verschiedene Zielgruppen, darunter Industrie, Politik und Gesellschaft. Durch praxisnahe Leitlinien möchte das Projekt so eine Brücke zwischen wissenschaftlichen Erkenntnissen und deren Umsetzung schlagen.
- Last but not least ist eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der entscheidende Faktor für das Gelingen der Energiewende. Daher legt ENSURE bei seinen Zielen auch einen Schwerpunkt auf gesellschaftliche Befürwortung der vorgeschlagenen Lösungen.
Hybrides Konzept für Praxis-Tests
Seine bisherigen Erkenntnisse will ENSURE weiter in die Praxis überführen. Dies soll hybrid geschehen. Das heißt, Simulationen und physische Tests in risikominimierter Umgebung ergänzen einander. Vorteile sind geringere Kosten und eine potenziell schnellere Markteinführung, weil Praxistests auf diese Weise sofort mit Gesetzgebung und Regulatorik vereinbar sind.
Anlagen im realen Netz tragen zusätzlich dazu bei, die Modelle und Ansätze zu validieren. Hierbei will ENSURE einerseits das systemische Zusammenspiel der unterschiedlichen Bausteine überprüfen. Andererseits ist Ziel, die Maßnahmen so weiterzuentwickeln, dass einer deutschlandweiten Anwendung nichts im Weg steht.
Demonstrationsvorhaben in Phase drei
Durch die Möglichkeit, ins Übertragungsnetz einzuspeisen, kann das Kollektornetz Momentanreserve und Regelleistung bereitstellen und damit als regeneratives virtuelles Kraftwerk fungieren. Das Gleichspannungs-Netz soll sich hin zu einem multiterminalen System mit verschiedenen Spannungsebenen verändern.
Geplant ist, verschiedene Anwendungsfälle zu demonstrieren. Dies soll sowohl in virtuellen Hubs in verschiedener Konfiguration geschehen als auch in einem EE-Hub-Gas.
Die Kopplung von Laboren mehrerer Forschungseinrichtungen ermöglicht komplexe Analysen für die Beschleunigung der Energiewende. Dadurch lässt sich beispielsweise der Einsatz neuer Hardware erproben.
Anlagen und Konzepte, die im bisherigen Verlauf des Projekts untersucht und teilweise bereits als Pilotanlagen aufgebaut wurden, sind auch weiterhin auf der Test-Agenda. Dazu gehören unter anderem das digitale Umspannwerk, der Adaptiv-Netzschutz, Solid State Transformer, das digitale Ortsnetz, die dynamische Vermaschung und das HGÜ-Convertermanagement.
Die Projekt-Partner von ENSURE im Überblick
Projekthintergründe im Detail
Deutschland will bis 2045 klimaneutral sein: Dies ist ein Vorhaben, das sich aus den Zielen des Pariser Klima-Abkommens ableitet. Das bedeutet für die Stromversorgung, die im Kopernikus-Projekt ENSURE im Fokus ist, dass sie sich künftig ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen speisen soll.
Das geht mit Herausforderungen einher. Die Stromnachfrage ist relativ konstant. Derweil erzeugen Photovoltaik- und Windkraftanlagen jedoch mit großen Schwankungen Energie – Wind bläst nicht immer, die Sonne scheint nicht immer. Die bisherige Netzstruktur ist zudem darauf ausgelegt, Strom nur in eine Richtung zu transportieren: von Kraftwerken zu Verbrauchenden. Zunehmend viele Verbrauchende produzieren aber auch selbst Energie. Dies kann zum Beispiel mittels Solarmodulen auf dem Dach oder Biogasanlagen passieren. Ihren Überschuss könnten sie ins Netz einspeisen – wenn dieses „lernt“, in beide Richtungen zu transportieren.
In diesem Zusammenhang relevant ist, dass die Netze an Resilienz gewinnen. Der Begriff meint eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen und Ungleichmäßigkeiten. Um das zu erreichen, müssen die Knotenpunkte der Energieversorgung miteinander vernetzt sein und lernen, miteinander zu kommunizieren.
Ein Netzausbau ist grundsätzlich notwendig. Doch der Aufwand hierfür lässt sich reduzieren, wenn das vorhandene Netz optimaler ausgelastet ist. Wo zusätzliche Netzstrukturen entstehen, sollte die Priorität auf nachhaltigen Materialien zum Ausbau liegen. Zudem gilt es, die Kosten für die Energiewende fair zu verteilen. All diese Überlegungen und Perspektiven fließen in die Forschungsarbeit des Kopernikus-Projekts ENSURE ein.
In der finalen Projektphase will ENSURE Wege aufzeigen, wie Stromnetze sich künftig effizient, zuverlässig und nachhaltig betreiben lassen. Dabei ermöglichen die im Projekt entwickelten Konzepte und Bausteine enormes Einsparpotenzial: bis zu 30 Megatonnen CO2 und Investitionen in Milliardenhöhe.
Die Hochrechnung geht von einem Anschluss von P2X-Anlagen aus, von flexibilisierten Industrieverbrauchern entsprechend der Ariadne-Szenarien und der Einsparungen durch effizientes Einspeisemanagement von Erneuerbare-Energie-Anlagen. In die Kalkulationen eingeflossen ist zudem ein verringertes „Redispatch“. Der Begriff beschreibt Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken, um Leitungsabschnitte vor einer Überlastung zu schützen.
Die Verringerung von Redispatch bietet neben den reduzierten CO2-Emissionen noch den Vorteil der Kostenreduzierung: So können Kosten von bis zu 1 Milliarde Euro pro Jahr wegfallen. Überdies erarbeitet das Kopernikus-Projekt ENSURE auch Wege, den Netzausbau möglichst gering zu halten, wodurch sich bis 2050 Kosten von bis zu 5 Milliarden Euro vermeiden lassen.
Das hybride Testkonzept von ENSURE ermöglicht Analysen komplexer Szenarien ohne kostenintensive Installationen im realen Netz. Darüber hinaus lässt sich auch eine Kopernikus-übergreifende Demonstration umsetzen. ENSURE kann mit vereinten Kräften etwa die Daten einer Power-to-X-Anlage aus P2X oder einer energieflexiblen Fabrik aus SynErgie in die deutschlandweiten systemischen Betrachtungen integrieren.
Die fortschreitende Elektrifizierung zieht den logischen Schluss nach sich, dass das Stromnetz letztlich zum Möglichmacher vieler Technologien wird. Auch die soziale und politische Dimension, die sich in Studien und Analysen von Ariadne widerspiegelt, fließen in die Überlegungen ein. Die real aufgebauten Pilotanlagen, von denen einige bereits in wenigen Jahren als kommerzielle Produkte verfügbar sein sollen, runden das Portfolio ab.
Bisherige Projekterfolge
Bisher ist Deutschlands Energienetz sternförmig angelegt: Zentrale Kraftwerke liefern Energie in alle Teile Deutschlands. Wenn die Strahlen dieser Sterne in Zukunft wie Maschen eines Netzes miteinander verbunden werden, lässt sich die Energie auch auf vielen anderen Wegen ihrem Ziel zuführen – und das deutlich effizienter und bei verhältnismäßig geringen Netzausbau-Kosten. Die Ergebnisse aus ENSURE zeigen, dass eine solche Vermaschung über alle Spannungsebenen und Spannungsformen hinweg erfolgen kann, um den veränderten Anforderungen von Erzeugung und Verbrauch von Energie gerecht zu werden.
Blind- oder Regelleistung stellen künftig nicht mehr konventionelle Kraftwerke bereit. ENSURE zeigt Wege auf, wie dies auch über Erneuerbare-Energie-Anlagen im Verteilungsnetz zuverlässig erfolgen kann.
Um die Netzauslastung zu optimieren, hat ENSURE ein Schutzkonzept für den Netzbetrieb entwickelt. Das neue Konzept ist in der Lage, sich an die komplexen Einspeise- und Verbrauchssituationen anzupassen. Seine große Flexibilität ermöglicht eine bessere Netzauslastung. Mehr dazu gibt es hier.
Zuverlässige Sicherheitskonzepte sind für das zukünftige Stromnetz unverzichtbar. Im Rahmen von ENSURE wurde hierfür das Digital System Protection Design (DSPD) entwickelt, das die Planung und Anpassung von Schutzkonzepten und Schutzparametern in zukünftigen Netzstrukturen ermöglicht. Mithilfe von routinemäßigen und automatisierten Anpassungen der Schutzalgorithmen und Parameter lassen sich mit dem DSPD mit geringem Aufwand neue und flexible Betriebskonzepte realisieren.
Um das Stromnetz der Zukunft bauen zu können, sind auch neue Bauteile vonnöten. Bereits früh entwickelte das Projektteam innovative Umrichter, die den Wechsel von einer Spannung/Frequenz auf eine andere Spannung/Frequenz ermöglichen. Die Umrichter aus dem ENSURE-Projekt sind leichter, kleiner und günstiger als ihre Vorgänger.
Alle ENSURE- sowie die weiteren Kopernikus-Publikationen sind gesammelt und durchsuchbar in dieser Liste zu finden. Nachfolgend zudem eine Auswahl an wichtigen Infos aus dem Projekt.
