Das Übertragungsnetz für die Energiewende

Wie wirken sich der Ausbau erneuerbarer Energien und die für das Ziel der Klimaneutralität 2045 erforderliche Transformation von Stromerzeugung und -verbrauch auf unser Übertragungsnetz aus? Welche Rolle spielt die europäische Zusammenarbeit bei unserer Stromversorgung? Wie läuft der notwendige Netzausbau an Land und auf See ab?

Hinweis: Die nachfolgenden Inhalte beziehen sich auf die politischen Zielsetzungen und Szenarien des Netzentwicklungsplans 2030 (2019) aus dem Jahr 2019 und können daher von den zuletzt veröffentlichten Daten im Netzentwicklungsplan abweichen.

Zu all diesen Fragen gibt eine Vielzahl an komplexen Antworten. Klar ist: Strom als Energieträger wird die zentrale Rolle spielen im Energiesystem der Zukunft. Und der Netzentwicklungsplan liefert die Bausteine dafür, auf welchen Wegen zukünftig Strom über große Entfernungen hinweg von den Erzeugungs- zu den Verbrauchszentren transportiert werden kann.  

In Teil I. erfahren Sie, wie der Ausbau erneuerbarer Energien und die europäische Zusammenarbeit eine klimaneutrale Zukunft bewältigen sollen. Verstehen Sie in Teil II. welche Herausforderungen die erneuerbaren Energiequellen an das Stromnetz stellen und erfahren Sie in Teil III. wie Netzverstärkung und Innovationen diese Aufgaben bewältigen.

Unser Energiesystem entwickelt sich fortwährend weg von fossilen Energieträgern und hin zu erneuerbaren Energien. Gleichzeitig wächst der europäische Strombinnenmarkt immer weiter zusammen.

Auf der Klimakonferenz in Paris im Jahr 2015 hat sich die Weltgemeinschaft verpflichtet, die Erderwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Deutschland strebt spätestens im Jahr 2045 die Klimaneutralität an. Dies ist nur möglich, wenn der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid stark reduziert wird. Um diese Ziele zu erreichen, muss sich auch die Stromerzeugung grundlegend wandeln. In Zukunft wird fast der gesamte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne, Biogas oder Wasserkraft erzeugt. Heute beträgt der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch in Deutschland bereits fast 50 Prozent.

Gleichzeitig wird auch die Zusammenarbeit in Europa wichtiger. Der gemeinsame Strombinnenmarkt ermöglicht den freien Handel von Strom in Europa. Dadurch sind wir in der Lage, die Herausforderungen der Energiewende in Europa gemeinsam und effizient zu lösen.

Unsere Stromversorgung hängt historisch stark von fossilen Energieträgern ab. Doch dieses Zeitalter geht zu Ende: Soll der Klimawandel gebremst werden, muss der Ausstoß von Treibhausgasen, insbesondere von CO2, begrenzt werden. Dies ist eine globale Aufgabe, bei der Deutschland seinen Teil beiträgt, um Emissionen zu reduzieren. Insbesondere der Energiesektor in Deutschland hat hierbei bereits Fortschritte gemacht. Doch um die zukünftigen nationalen und europäischen Klimaschutzziele zu erreichen, sind noch weitere Anstrengungen nötig.

Die Entwicklung der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre seit 1972 ist im ersten Diagramm dargestellt. Darunter findet sich die Entwicklung des CO2-Ausstoßes in Deutschland nach Sektor seit 1990 und die Ziele Deutschlands bis zum Jahr 2050.

Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch steigt stetig an in Deutschland. 2021 betrug er bereits 41,1 Prozent. In einzelnen Stunden im Jahr wird rechnerisch bereits die gesamte Nachfrage von erneuerbaren Energien gedeckt. Windkraft liefert dabei den größten Anteil, gefolgt von Biomasse und Photovoltaik. Das Ziel der Bundesregierung ist es, bis 2030 mindestens 80 Prozent des Bruttostromverbrauchs aus erneuerbaren Quellen zu erzeugen.

Das Stromangebot aus erneuerbaren Energien und ihr Anteil am Bruttostromverbrauch sind hier dargestellt.

Strom kann frei in der EU gehandelt werden. Diese Zusammenarbeit im gemeinsamen Strombinnenmarkt wird im Zuge der angestrebten Klimaneutralität immer wichtiger. Denn der europäischer Strommarkt sorgt für eine effiziente Verteilung der Energie, die in Zukunft in vielen Ländern überwiegend aus nachhaltigen Quellen stammen soll. Lokale Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch lassen sich besser ausgleichen, wenn der Strom in ganz Europa ausgetauscht werden kann.

Das lässt sich beispielhaft am Einsatz erneuerbarer Energien darstellen: Gibt es in Deutschland an einem stürmischen Tag mehr Windstrom, als gebraucht wird, kann der Strom in die Nachbarländer transportiert und dort verbraucht werden. An einem grauen Tag mit wenig Wind kann Deutschland im Gegenzug von seinen Nachbarn beispielsweise mit Strom aus Wasserkraft versorgt werden.

Die folgende Grafik zeigt die mit unseren Nachbarländern gehandelten Strommengen in den vergangenen Jahren und in den Szenarien des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019).

Der hohe Anteil erneuerbarer Energien stellt das Stromnetz vor große Herausforderungen. Einerseits schwankt die Erzeugung stärker als früher, andererseits verlagern sich die Erzeugungsorte weg von den Verbrauchszentren.

Um die Netze stabil zu halten, müssen Stromerzeugung und -verbrauch jederzeit im Gleichgewicht sein. Wind- und Sonnenenergie stehen aber nicht zwangsläufig dann ausreichend zur Verfügung, wenn der Strom gebraucht wird. Somit wird das Ausbalancieren von Erzeugung und Verbrauch und das Zuschalten regelbarer Kraftwerksleistung komplexer und erfordert mehr Übertragungskapazitäten als früher. Auf diese Veränderungen müssen die Übertragungsnetzbetreiber unser Stromsystem einstellen.

Strom aus Wind und Sonne wird dann erzeugt, wenn die Sonne scheint und der Wind weht. Doch das ist nicht immer dann der Fall, wenn der Strom gerade gebraucht wird: Beispielsweise in der Nacht oder im Winter wird wenig oder kein Solarstrom erzeugt. Und wenn einmal Flaute herrscht, liefern die Windenergieanlagen keinen Strom. Umgekehrt passiert es auch, dass etwa bei Sturm mehr Strom erzeugt wird, als gerade benötigt wird.

Im Gegensatz zu dieser wetterabhängigen Stromgewinnung folgt der Stromverbrauch einem regelmäßigen Muster und ist zum Beispiel morgens, wenn alle Menschen aufstehen und die Maschinen in Fabriken anlaufen, besonders hoch. Diese Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch müssen für eine stabile Stromversorgung zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden.

Im Diagramm ist für das Szenario B 2030 des Netzentwicklungsplans Strom 2030 (Version 2019) die Erzeugung aus erneuerbaren Energien dem Verbrauch für jede Stunde des Jahres 2030 gegenübergestellt. Beim Verbrauch wurden bereits zahlreiche neue Stromanwendungen wie Elektromobilität, Wärmepumpen sowie Flexibilitäten berücksichtig. Unter Flexibilitäten versteht man unter anderem Batteriespeicher, Power-to-Gas-Anlagen oder den Einsatz des Demand-Side-Management (DSM).

Die Annahmen zur Erzeugung basieren auf einer Hochrechnung des Wetterjahres 2012. Die Werte sind also beispielhaft dafür, wie die Erzeugung aus erneuerbaren Energien schwanken kann. Die sogenannte Residuallast beschreibt die noch fehlende Last, die aus anderen Quellen zur Deckung der Nachfrage erzeugt werden muss. Erzeugen die erneuerbaren Energien mehr Strom als benötigt wird, ist die Residuallast negativ.

Im alten Energiesystem haben konventionelle Kraftwerke den benötigten Strom in der Nähe der Verbrauchszentren produziert. In der neuen Energielandschaft mit vielen dezentralen Erzeugungsanlagen aus erneuerbaren Quellen wird der Strom dort erzeugt, wo die besten wirtschaftlichen, topografischen und klimatischen Bedingungen für die jeweilige Energieform herrschen.

Windenergie wird deshalb vor allem im Norden erzeugt, während Photovoltaikanlagen aufgrund der höheren Sonneneinstrahlung im Süden besonders effizient arbeiten. Das führt zu regionalen Erzeugungsüberschüssen oder Defiziten. In Norddeutschland wird häufig wesentlich mehr Strom erzeugt, als dort verbraucht wird, während im Süden und Westen Deutschlands, insbesondere nach Abschaltung der letzten Kernkraftwerke, oft ein Erzeugungsdefizit herrscht. Das Stromnetz muss deshalb genug Übertragungskapazitäten haben, um diese regionalen Unterschiede bei Erzeugung und Verbrauch auszugleichen.

Die im Netzentwicklungsplan Strom 2030 (Version 2019) angenommenen Erzeugungs- und Verbrauchsmengen in den Bundesländern sind hier dargestellt. Grundlage sind die drei verschiedenen Szenarien des NEP Strom 2030. Durch Klicken der einzelnen Bundesländer werden die jeweiligen Erzeugungsarten angezeigt.

Immer häufiger reichen die Übertragungskapazitäten im Netz nicht aus, um genügend Strom vom Erzeugungsort zum Verbraucher zu transportieren. In diesem Fall müssen die Übertragungsnetzbetreiber in das Netz bzw. in den Strommarkt eingreifen.

So können Änderungen des Schaltzustands des Übertragungsnetzes Transportengpässe vermeiden und Leitungsüberlastungen beheben. Diese setzen die Fachleute in den Leitwarten der Übertragungsnetzbetreiber zuerst ein, um genügend Transportkapazität bereitstellen zu können.

Reicht die Übertragungskapazität trotzdem nicht aus, müssen Erzeugungsanlagen vor dem Netzengpass herunter geregelt oder ganz abgeschaltet werden. Gleichzeitig werden im Süden, wo der Strom gebraucht wird, Kraftwerke hochgefahren. Diese künstlichen Eingriffe in den Markt und die Fahrpläne von Erzeugungsanlagen nennt man Redispatch. Zukünftig sollen in diesen Prozess viele tausend Kleinanlagen das erforderliche Ausbalancieren effizienter gestalten.

Durch diese und andere netzstabilisierende Maßnahmen kann das Potenzial der erneuerbaren Energien nicht voll genutzt werden und es entstehen hohe Kosten für die Stromkunden. Damit Redispatch möglichst selten zum Einsatz kommt, muss das vorhandene Übertragungsnetz stetig ausgebaut und verstärkt werden, damit jederzeit genügend Transportkapazität zur Verfügung steht.

Die folgende Grafik zeigt den Umfang und die Kosten von Redispatch und Einspeisemanagement seit 2013.

Neue und verstärkte Stromleitungen sind nötig, um den Strom zuverlässig vom Erzeugungsort in die Verbrauchszentren zu transportieren. Unsere moderne Stromnetzinfrastruktur sorgt für eine sichere Stromversorgung, auch bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien. Damit das auch in Zukunft so bleibt, überprüfen die Übertragungsnetzbetreiber permanent, wo Verstärkung oder Ausbau erforderlich ist.

Diese Verbindungen werden zu einem großen Teil als Erdkabel realisiert. Auch werden neue Umspannanlagen errichtet, um regenerativ erzeugten Strom regional aufzunehmen und zum Verbraucher zu transportieren. Phasenschieber und Kondensatoranlagen tragen zur Spannungsregelung bei und sichern so die Stabilität des Netzes und einen möglichst reibungslosen Transport.

Neben der Verstärkung und dem Ausbau des Netzes bieten auch die Sektorenkopplung und moderne Technologien neue Möglichkeiten, das Netz stabil zu halten und so viele erneuerbare Energien wie möglich in das Gesamtsystem zu integrieren. So können Elektroautos, Speicher und Power-to-X-Technologien ebenfalls zu einem stabilen Stromsystem beitragen.

Die Verstärkung und der Ausbau des Übertragungsnetzes sind nötig, um große Mengen erneuerbarer Energien in das Stromnetz zu integrieren und eine zuverlässige und sichere Stromversorgung zu gewährleisten. Gerade der starke Ausbau der Offshore-Windenergie erfordert einen Netzausbau auch an Land, der den Strom aus Nord- und Ostsee in die Verbrauchszentren transportiert.

Im Netzentwicklungsplan Strom (NEP) beschreiben die Übertragungsnetzbetreiber den Verstärkungs- und Ausbaubedarf für das jeweilige Zieljahr des NEP. Ein Teil der im NEP ausgewiesenen Maßnahmen wird nach einer intensiven Prüfung von der Bundesnetzagentur (BNetzA) bestätigt.

Hier ist die Länge der im NEP 2030 (Version 2019) ermittelten Maßnahmen zur Verstärkung und zum Ausbau des Netzes dargestellt. Außerdem zeigt die Grafik die Länge der Maßnahmen, die im Energieleitungsausbaugesetz (EnLAG) und dem Bundesbedarfsplan (BBP) festgelegt sind. Auch die bereits im vorherigen NEP bestätigten Maßnahmen sind aufgeführt.

Die Einbindung Deutschlands in den europäischen Strombinnenmarkt wird im Zuge der angestrebten Klimaneutralität immer wichtiger. Der europäische Strombinnenmarkt ermöglicht einen freien Handel mit Strom in Europa und verringert so die Kosten für alle Stromkunden. Damit dieser Handel reibungslos funktioniert, müssen die Übertragungskapazitäten zu unseren europäischen Nachbarn ausgebaut werden. Diese grenzüberschreitenden Leitungen werden Interkonnektoren genannt.

Hier sind die Kapazitäten der Interkonnektoren, sogenannte Net Transfer Capacities (NTCs), dargestellt, die für den Handel im Jahr 2030 zur Verfügung stehen sollen. Aufgrund der jeweiligen Netzsituation in den einzelnen Ländern und dem sogenannten Flow-Based Market Coupling stehen zu jedem Zeitpunkt jedoch unterschiedliche Kapazitäten für den Handel zur Verfügung. Die hier dargestellten NTCs bilden eine Annäherung an die tatsächlich verfügbaren Kapazitäten ab.

In Zukunft werden die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr sehr viel stärker zusammenwachsen. Vor allem im Verkehrs- und Wärmesektor wird mehr Strom eingesetzt. Das sorgt zunächst für eine höhere Stromnachfrage. Neue Anwendungen können allerdings auch genutzt werden, um das Netz zu stabilisieren und das Stromsystem flexibler zu machen.

So können beispielsweise Elektroautos durch intelligentes Lastmanagement dann geladen werden, wenn gerade viel Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Wärmepumpen und dezentrale Speicher können, intelligent gesteuert, ebenfalls einen Beitrag zur Stabilisierung des Netzes leisten. Eine weitere Möglichkeit für ein flexibleres Stromsystem sind die Power-to-X-Technologien, wie etwa die Umwandlung von Strom in Wärme oder von Strom in Wasserstoff. Dazu müssen die Technologien jedoch weiterentwickelt und regional ausgebaut werden.