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Teil II: Netzeinspeisung

Die Verfügbarkeit von Windenergie weist zeitliche Schwankungen auf, hauptsächlich in Abhängigkeit von den meteorologischen Bedingungen, die Änderungen innerhalb von Sekunden bis hin zu Jahren unterliegen können. Die Kenntnis dieser Schwankungen und ihre Vorhersagbarkeit besitzen für die Einspeisung von Windenergie in das Stromnetz und ihre optimale Nutzung höchste Priorität. Diese Aspekte werden in den Kapiteln II.1 und II.2 erläutert. Elektrizitätsversorgungsnetze sind durch Schwankungen im Hinblick auf Angebot und Nachfrage gekennzeichnet. Sie sind jedoch so ausgelegt, dass diese Schwankungen über Auslegung, Steuerungssysteme und Verbund effektiv abgefangen werden.

Zur Verringerung von Schwankungen sollte die Leistung von Windkraftanlagen im größtmöglichen Umfang gebündelt werden, denn eine solche geografisch zusammengefasste Leistung von Windparks reduziert nicht nur Schwankungen, sondern führt außerdem zu einem Anstieg der stabilen Windenergiekapazität im Netz. Die Vorhersagbarkeit ist ein Schlüsselelement für den Umgang mit den Schwankungen der Windkraft. Die Genauigkeit von Gesamtvorhersagen für gesammelte Windenergie steigt mit der Größe der Fläche und wirkt sich positiv auf die Menge der erforderlichen Regelenergiereserven auf, insbesondere, wenn bei den Gate-Closure-Zeiten des Stromhandels die machbare Genauigkeit der Prognosen berücksichtigen.

Zu dem Vorteil der Reduzierung von Schwankungen gesellt sich bei der geografischen Zusammenfassung der Leistung von Windparks eine stabilere Windenergiekapazität im Netz.

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Abbildung S.5 Beispiel für den Glättungsfaktor je nach geografischer Streuung

Anmerkung: In der Abbildung wird die Windenergieleistung pro Stunde für vier Situationen verglichen. Die Berechnung erfolgte auf Grundlage von simulierter Windenergie. Die Simulationen erfolgten anhand der Windgeschwindigkeiten im Dezember 2000 und der für das Jahr 2020 geschätzten Windenergiekapazitäten.

Quelle: www.trade-wind.eu

Die Integration von Windenergie in großem Maßstab wird in Abhängigkeit von der Prognose betrachtet, dass diese einen wesentlichen Anteil des zukünftigen Strombedarfs in Europa decken wird. Während die Windenergie im Jahr 2008 rund vier Prozent des Strombedarfs deckte, liegen die EWEA-Zielvorgaben dieses Anteils für die Jahre 2020 und 2030 in Abhängigkeit des zukünftigen Strombedarfs bei 12 bis 14 bzw. 21 bis 28 Prozent.

Planung und Betrieb von Stromnetzen

Die zum Abfangen von Schwankungen in Angebot und Nachfrage festgelegten Verfahren und Netzreserven sind für den Ausgleich der vergrößerten Schwankungsbreite bei Windenergieanteilen von bis zu 20 Prozent mehr als ausreichend, selbst wenn der genaue Anteil von der Art des jeweiligen Netzes abhängt. Die Schätzungen der zusätzlich erforderlichen Stromreserven belaufen sich bei einem Anteil von 10 Prozent Windenergie auf 2 bis 4 Prozent der installierten Windenergiekapazität, je nach Netzflexibilität, Qualität der kurzfristigen Prognosen und Gate-Closure-Zeiten der Energiemärkte. Bei höheren Anteilen könnten Änderungen der Netze und ihrer Betriebsart erforderlich werden, damit die Einspeisung von Windenergie weiterhin möglich ist. Dieses Thema wird in Kapitel II.3 behandelt. Zur Senkung von Kosten und Aufwand für die Einspeisung muss die Auslegung der Stromnetze flexibler werden. Diese Flexibilität kann durch die Kombination von anpassungsfähigen Kraftwerken, Speichersystemen, einer beweglichen Nachfrage, verfügbaren Verbundkapazitäten und elastischeren Regelwerken für den Stromhandel hergestellt werden.

Tabelle S.1 bietet einen detaillierten Überblick und eine Klassifizierung der Auswirkungen von Windenergie auf das Stromnetz.

Tabelle S.1 Auswirkungen von Windenergie auf Stromnetze, die Einspeisungskosten verursachen

	Auswirkung oder beeinflusstes Element	Gebiet	Zeitlicher Rahmen	Beitrag der Windenergie
Kurzfristige Auswirkungen	Spannungs-regelung	lokal/regional	Sekunden/ Minuten	Windparks können (dynamische) Spannungs-unterstützung (in Abhängigkeit von der Auslegung)
Produktions-effizienz von Wasser- und Wärmeenergie	Netz	1-24 Stunden	Je nach Anteil können Windparks zu zusätzlichen Investitionskosten oder Erträgen führen. Durch räumlich verteilte Windenergie können Netzverluste reduziert werden
Regelenergie-reserven	Netz	Zwischen einigen Minuten und Stunden	Windenergie kann Teilbeitrag zu Primär- und Sekundärregelung leisten.
Überschüssige (Wind)energie	Netz	Stunden	Verfügbare Windenergie übersteigt möglicherweise die Menge, die das Netz bei hohen Anteilen aufnehmen kann.
Langfristige Auswirkungen	Netz-zuverlässigkeit (ausreichende Erzeugung und Übertragung)	Netz	Jahre	Windenergie kann Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten (Kapazitätseffekt).

Quelle: EWEA

Abbildung S.6 stellt die verschiedenen Auswirkungen der Windenergie auf das Stromnetz grafisch dar. Sie bietet eine klare Darstellung der lokalen und netzweiten Auswirkungen sowie der kurz- und langfristigen Auswirkungen auf die verschiedenen betroffenen Aspekte des Stromnetzes, unter anderem die Netzinfrastruktur, die Netzreserven und die Netzzuverlässigkeit.

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Abbildung S.6 Auswirkungen von Windenergie auf das Stromnetz

Anmerkung: Aspekte, die unter Task 25 fallen, sind rot markiert.

Quellen: IEA Wind Task 25; Holtinnen (2007)

Aufrüstung der Netzinfrastruktur

Windenergie ist eine räumlich gestreute Energiequelle mit schwankender Leistung und erfordert daher Investitionen in die Infrastruktur und die Einführung neuer Technologie- und Netzregelungskonzepte, die in Kapitel II.4 vorgestellt werden. Die Einspeisung von Windenergie in großem Maßstab setzt eine deutliche Vergrößerung der Übertragungskapazität und andere Aufrüstungsmaßnahmen voraus, grenzübergreifend ebenso wie in den einzelnen Mitgliedstaaten der EU. Durch Netzoptimierung und andere "weiche" Maßnahmen können erhebliche Verbesserungen erzielt werden. Dennoch wird auch die Errichtung neuer Leitungen notwendig sein. Gleichzeitig müssen angemessene und gerechte Regelungen für den Netzzugang der Windenergie auch bei begrenzter Netzkapazität entwickelt werden. Ein grenzübergreifendes Offshore-Netz würde nicht nur den immensen Offshore-Ressourcen diesen Zugang ermöglichen, sondern auch den zwischenstaatlichen Energiehandel verbessern und Engpässe bei den vorhandenen Verbindungsleitungen abbauen. Für die Verbesserung der europäischen Netze müssen die Koordinierung der Netzplanung auf europäischer Ebene und die Zusammenarbeit aller beteiligten Parteien, insbesondere Stromnetzbetreiber, verstärkt werden. Auf Verteilungsebene ist eine aktivere Rolle bei der Netzregelung erforderlich. Es liegt im Interesse der Windbranche und des Elektrizitätsbinnenmarktes, die Eignung des Netzes für die regionale und grenzübergreifende Stromübertragung zu steigern.

Die Abbildungen S.7 bis S.9 zeigen drei Beispiele für Offshore-Netzkonfigurationen in der Nordsee:

[!Abbildungen S.7 bis S.9 einfügen!]

Abbildung S.7 Entwurf eines Hochspannungs-Supernetzes für die Übertragung von Windenergie in ganz Europa

Quelle: Dowling und Hurley (2004)

Abbildung S.8 Statnett-Vorschlag für ein Offshore-Netz

Quelle: Statnett (2008)

Abbildung S.9 In der Greenpeace-Studie analysiertes Offshore-Netz

Quelle: Woyte (2008)

Bedingungen des Netzanschlusses

Die einzelnen technischen Anforderungen der Grid Codes in Bezug auf Toleranz, Regelung von Wirk- und Blindleistung, Schutzvorrichtungen und Stromqualität befinden sich in einem Revisionsprozess, weil der Anteil der Windenergie steigt und so weitere Kraftwerksleistungen hinzukommen, z. B. die Bereitstellung von Regelenergie oder die Lieferung von Unterstützungsdiensten für Stromnetze (Kapitel II.5). Möglicherweise wird es auch zu einer Entwicklung von Märkten für Steuerungsdienstleistungen anstelle der Erfüllung von Pflichtanforderungen kommen. Wirtschaftlich wäre dies prinzipiell sinnvoll, denn so würde der für die Erbringung der Dienstleistung am besten geeignete Generator den Zuschlag erhalten.

In dem Maß, in dem der Anteil der Windenergie wächst, steigt auch die Notwendigkeit für die Entwicklung einer abgestimmten Reihe von Grid-Code-Anforderungen. Windenergiebranche und Netzbetreiber müssten sich gemeinsam darum bemühen.

Beitrag der Windenergie zur Versorgungssicherheit

Bei geringen Anteilen von Windenergie entspricht ihr relativer Kapazitätseffekt (der Anteil der "gesicherten Leistung" an der gesamten installierten Windenergiekapazität) ungefähr der durchschnittlichen Erzeugungsleistung (Lastfaktor) für einen gegebenen Zeitraum, normalerweise den Moment der größten Nachfrage. Für die nordeuropäischen Länder beläuft sich diese Zahl an Land gewöhnlich auf 25 bis 30 Prozent und für Offshore-Projekte auf 50 Prozent. Mit steigenden Windenergieanteilen im Stromnetz verringert sich der relative Kapazitätseffekt. Daraus folgt jedoch nicht, dass weniger herkömmliche Kraftwerksleistung ersetzt wird, wie in Kapitel II.6 erläutert wird, sondern nur, dass der Energieanteil für eine Windkraftanlage, die neu an ein Netz mit hohen Windenergieanteilen angeschlossen wird, weniger herkömmliche Kapazitäten als die bereits an das Netz angeschlossenen Anlagen übernimmt.

Marktmodelle

Im Interesse der wirtschaftlich rentablen Integration der Windenergie sind Änderungen der Marktregelungen in ganz Europa erforderlich, damit die Märkte schneller und mit kürzeren Gate-Closure-Zeiten arbeiten (meist 3 Stunden oder weniger im Voraus). Dadurch werden Prognoseunsicherheit und Regelenergiebedarf mit sehr kurzen Fristen verringert. Erhebliche weitere wirtschaftliche Vorteile werden durch die räumliche Ausdehnung des Marktes und der Regelenergie leistenden Gebiete sowie durch entsprechende Marktregelungen für den grenzübergreifenden Stromhandel erwartet.

Wirtschaftlichkeit der Einspeisung von Windenergie

Die Einspeisung großer Mengen an Windenergie in die Stromnetze zieht eine Reihe positiver und negativer wirtschaftlicher Konsequenzen nach sich. Die Kosten der Einspeisung von Windenergie leiten sich hauptsächlich aus zwei Faktoren ab: der Regelenergiebedarf und die Netzinfrastruktur (Kapitel II.7). Die zusätzlichen Kosten für die Regelenergie im Stromnetz ergeben sich aus der grundsätzlich veränderlichen Natur der Windenergie. Dadurch werden Änderungen für andere Generatoren erforderlich, damit unerwartete Diskrepanzen zwischen Angebot und Nachfrage abgefangen werden können. Auf nationaler Ebene durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass diese Zusatzkosten jeweils nur einen kleinen Anteil der Kosten für die Erzeugung von Windenergie und der Gesamtkosten für die Regelenergie des Stromnetzes darstellen.

Abbildung S.10 stellt die Kosten dar, die in verschiedenen Studien in Abhängigkeit vom Anteil der Windenergie ermittelt wurden. Die Kosten für Regelenergie steigen linear mit dem Anteil der Windenergie, wobei die absoluten Beträge gering bleiben und bei einem Anteil von 20 Prozent in jedem Fall unter 4 €/MWh liegen (meist unter 2 €/MWh).

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Abbildung S.10 Ergebnisse von Schätzungen für die durch die Windenergie verursachte Erhöhung der Kosten für Regelenergie und Betrieb

Quelle: Holttinen (2007)

Die Kosten für die Netzaufrüstung ergeben sich aus dem Anschluss der Windenergieanlagen an das Netz und aus der zusätzlichen Kapazität, die für die Übertragung der erhöhten Leistungsflüsse in den Übertragungs- und Verteilungsnetzen erforderlich ist. Darüber hinaus müssen die Stromnetze für eine verbesserte Spannungsregelung aufgerüstet werden, und um die Vorteile, die der kontinentale Maßstab der Windenergie bietet, voll ausschöpfen zu können, sind größere grenzübergreifende Verbundkapazitäten vonnöten. Jede Verbesserung der Infrastruktur, die diesen Bedarf erfüllt, verhilft den Stromnetzen zu einer ganzen Reihe an Vorteilen. Daher sollten diese Kosten nicht ausschließlich von der Windenergieerzeugung getragen werden müssen.

Die Kosten für die Anpassung von Stromnetzen mit einem hohen Windenergieanteil wachsen fast linear zur Erhöhung dieses Anteils. Die Bestimmung eines entsprechenden "wirtschaftlichen Optimums" ist keine leichte Aufgabe, da die Kosten auch Vorteile mit sich bringen, unter anderem erhebliche Senkungen des Verbrauchs fossiler Treibstoffe und Kostensenkungen durch geringere Energieabhängigkeit. Diese positiven Effekte sind bereits als Preissenkungen an denjenigen Strombörsen spürbar, an denen große Mengen von Windenergie angeboten werden. Aus den bisher durchgeführten Studien geht bei einer Hochrechnung der Ergebnisse auf hohe Windenergieanteile klar hervor, dass die Einspeisung von mehr als 20 Prozent Windenergie in das Stromnetz der EU wirtschaftlich vorteilhaft wäre.

Sowohl Untersuchungen als auch Erfahrungen zeigen eindeutig, dass die Einspeisung der vorgesehenen Windenergiekapazität in Europa für 2020, 2030 und danach machbar ist, und bieten entsprechende Lösungen an. Die aktuell dringendste Frage stellt sich in erster Linie nach der wirtschaftlichsten Lösung der Probleme bei Auslegung und Betrieb von Energieerzeugungssystemen, Aufrüstung von Stromnetzen, Regelungen für den Netzanschluss und Modellen für den Stromhandel.

Eine der Herausforderungen ist die Schaffung angemessener Marktregelungen, zu denen auch Anreize zur Entwicklung der Energieerzeugung und -übertragung in Richtung auf die Fähigkeit zur Abfederung schwankender Leistung und dezentralisierter Generierung zählen, insbesondere durch eine erhöhte Flexibilität und größere Verbundkapazitäten. Für die Erarbeitung einer technischen und wissenschaftlichen Grundlage zu den Aspekten Netzaufrüstung und Marktregelung sind Studien auf europäischer Ebene erforderlich.