Der Ausbau Erneuerbarer Energien ist unverzichtbar, um eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung sicherzustellen. Ihre zunehmende Bedeutung in der Energieversorgung erfordert innovative Ansätze zur optimalen Integration von Wind- und Solarenergie in das Stromnetz. Insbesondere die Synergienutzung von Photovoltaik (PV) und Windenergie (WE) bei der Netzanschlussplanung bietet erhebliche Vorteile, um die Effizienz und Stabilität des Energiesystems zu steigern. Hybridkraftwerke, die diese Technologien kombinieren, bieten nicht nur technische und wirtschaftliche Vorteile, sondern können auch zur Lösung der Herausforderungen beitragen, die durch die begrenzten Kapazitäten der Netzanschlusspunkte entstehen. Eine Studie (1), welche der Bundesverband Erneuerbare Energie e. V. (BEE) gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) durchgeführt hat, zeigt nun jedoch, dass das bestehende Netz weitaus mehr Potenzial bietet als bisher angenommen.
Netzanschlüsse am Limit? Die steigende Hürde der Projektierung.
Die Netzanschlussplanung gestaltet sich bei Projektmitarbeitenden zunehmend als immer größer werdende Herausforderung. Grund hierfür sind die oftmals -laut Netzbetriebsgesellschaften- bereits voll ausgelasteten Netzanschlusspunkte. Das kann dazu führen, dass Projekte oftmals nicht den nächstgelegenen Anschlusspunkt bei ihrer Planung berücksichtigen können, sondern den erzeugten Strom über größere Distanzen zu einem anderen Netzanschlusspunkt befördern müssen. Dies resultiert häufig in sich weiter herauszögernden Genehmigungsplanungen und zusätzlichen Kosten für die Projektmitarbeitenden. Um diesem Problem entgegenzutreten, spielte bis dato die Notwendigkeit eines schnellen Netzausbaus eine maßgebliche Rolle, da die schwankenden Einspeiseleistungen der Erneuerbaren und die veränderte räumliche Verteilung der Stromerzeugung umfangreiche Anpassungen der Netzinfrastruktur erfordern (2).
In seiner Netzverknüpfungspunkte-Studie kam der BEE nun zu dem Ergebnis, dass viele Netzanschlusspunkte hinsichtlich ihrer Kapazitäten nicht optimal genutzt werden. Grund hierfür ist die Komplementarität der beiden Energieträger Wind und Sonne. Ihren Produktionspeak haben Windenergieanlagen (WEA) in den Wintermonaten, PV-Anlagen hingegen im Sommer. Auch tageszeitlich differieren die beiden Energieträger (3), da WEA in der Regel nachts mehr Strom produzieren, während PV-Anlagen tagsüber ihren höchsten Ertrag erzielen. Eine Überschreitung verfügbarer Netzkapazitäten stellt in der Theorie somit eine Seltenheit dar. Es wird deutlich, dass bei Projekten, die zum Beispiel sowohl WEA als auch PV mit jeweils 10 MW-Leistung umfassen, keine Netzkapazität von 20 MW erforderlich ist, welche von Netzbetriebsgesellschaften allerdings bisher gefordert wird. Sollte es jedoch in seltenen Fällen dazu kommen, dass zeitgleich viel Energie aus Sonne und Wind generiert wird, muss es dennoch nicht zum Blackout kommen. Eine Überlastung der Netze kann durch eine Speicherung der überschüssigen Energie in Batteriespeichern oder Elektrolyseuren verhindert werden. Der Wirkungsgrad von modernen Lithium-Ionen-Stromspeichern liegt bei ca. 90 bis 95 % (4). Da die Speichertechnologie aktuell je nach Speicherkapazität Kosten in Millionenhöhe verursachen kann (5) und somit nicht in jedem Projekt wirtschaftlich umsetzbar ist, können Erzeugungskapazitäten auch abgeschaltet werden. Der Hybridpark Berg-Espich (Abbildung 1) zeigt, dass eine Lösung ohne Batteriespeicher bereits jetzt möglich ist.
Abbildung 1: Der seit 2013 bestehende Windpark Berg-Espich wurde 2023 um einen PV-Park mit einer Leistung von 10 MWp erweitert. Der PV-Park nutzt die bereits bestehende Infrastruktur sowie den selben Netzanschlusspunkt wie der Windpark. Die Kapazität des Hybridparks liegt bei 46 MW, wobei nur maximal 32 MW eingespeist wurden.
Hybridkraftwerke – sichere Stromerzeugung der Zukunft?
Immer häufiger wird auf die kombinierte Nutzung von Wind- und Solarenergie in Form von Hybridkraftwerken gesetzt. Hybridkraftwerke ermöglichen dabei nicht nur die gemeinsame Nutzung von Umspannwerken und Netzanschlüssen, sondern auch von weiteren Infrastrukturen wie bestehenden Zuwegungen. Derzeit werden verschiedene Projekte in Deutschland, den Niederlanden und Griechenland bereits realisiert, bei denen diese Synergien und gemeinsame Netzanschlusspunkte genutzt werden.
Weitere Untersuchungen zur Netzintegration von Wind und PV (6) zeigen, dass der Netzanschluss bei PV zu vielen Stunden des Jahres nahezu ungenutzt bleibt. WE nutzt den Netzanschluss im Stundendurchschnitt weniger intensiv, dafür jedoch konsistent ganzjährig (Abbildung 2).
Abbildung 2: Durchschnittliche Auslastung der Anschlusskapazität pro Stunde und pro Monat für Standalone PV- oder Windsysteme. Die Daten wurden zur Verfügung gestellt von Aurora und analysiert von Galileo (eigene Übersetzung und Darstellung nach (7) )
Ein Hybridsystem aus beiden Technologien, wie in Abbildung 3 zu sehen ist, kann den Netzanschluss daher deutlich effektiver nutzen. In dem abgebildeten Szenario wurde von 20 MW Wind, 36 MWp PV und einem Netzanschluss mit einer Kapazität von 20 MW ausgegangen.
Abbildung 3: Durchschnittliche Auslastung der Anschlusskapazität pro Stunde und pro Monat eines exemplarischen Hybridsystems. Die Daten wurden zur Verfügung gestellt von Aurora und analysiert von Galileo (eigene Übersetzung und Darstellung nach (7))
Trotz dieser Vorteile gehen Netzbetriebsgesellschaften in Deutschland immer noch sehr konservativ mit Hybridanlagen um und fordern, dass jede angeschlossene Anlage jederzeit ihre jeweilige Maximalleistung in das Netz einspeisen können muss. Zwar kann in den meisten Fällen ein Regelungs- und Schutzkonzept, welches die Nutzung der Kapazitäten des Netzanschlusses optimal steigern soll, die Netzbetreibenden von der Integration solcher Hybridvorhaben überzeugen (6), allerdings wird zunehmend gefordert Rechtssicherheit zu schaffen. So fordert der BEE, dass das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) um einen Paragraphen erweitert wird, welcher die Möglichkeiten einer solchen Überbauung klar definiert.
Anpassung des EEG mit einem Anspruch auf Überbauung
Um einen Anspruch auf Überbauung geltend zu machen, schlägt der BEE vor das EEG durch einen neuen § 8a EEG zu ergänzen. Dieser soll die „Mitnutzung von bestehenden Netzanschlüssen“ rechtlich absichern und gleichzeitig die Überbauung von Netzanschlusspunkten erleichtern. Parallel dazu wird vorgeschlagen, § 11 Abs. 1 EEG zu ergänzen. Besagter Paragraph regelt bisher die Abnahmepflicht von Netzbetriebsgesellschaften. Der Vorschlag hierbei lautet, einen neuen Satz 3 zu ergänzen, welcher klarstellt, dass der Anspruch auf Abnahme nicht steigt, wenn zusätzlich eine Anlage im Rahmen der Überbauung, nach dem neuen § 8a EEG, angeschlossen wird (1). Der Netzbetrieb soll somit die Sicherheit erlangen, dass er nur so viel Strom abnehmen muss, wie es vor dem Anschluss der neuen Anlage bereits der Fall war. Eine wesentliche Voraussetzung bleibt jedoch, dass die betreibende Firma einer bereits angeschlossenen Anlage trotz Anpassung des EEG der Überbauung zustimmt und dies dem Netzbetreibenden mitgeteilt wird. In einem Überbauungsvertrag müssen zudem die Einzelheiten der Vereinbarungen festgehalten werden, einschließlich des Verzichts des neuen Anlagebetreibenden auf die Einspeisung einer höheren Leistung als der am Netzanschlusspunkt verfügbaren Eingangsleistung.
Potenziale einer Überbauung
Die BBE-Studie zeigt, dass die durchschnittliche Nutzung eines Netzanschlusspunktes bei PV-Anlagen bei ca. 13 % und bei modernen WEA bei etwa 33 % liegt. Mit einer gemeinsamen Nutzung des Netzanschlusspunkts ließe sich die durchschnittliche Ausnutzung auf bis zu 53 % im Mittel über Deutschland steigern und somit teilweise fast verdoppeln (8), was zusätzlich auch die Wirtschaftlichkeit der Transformatoren steigern würde. Die Überbauung von Netzanschlusspunkten ermöglicht somit eine optimalere Nutzung der Kapazitäten, wodurch die Kosten für die Projektentwicklung wiederum sinken, da sich die Netzanschlussplanung deutlich vereinfacht.
Simulierte Szenarien der Überbauung für ganz Deutschland
Diese Szenarien, die jeweils eine Wind-dominierte, eine PV-dominierte und eine ausgeglichene Überbauung betrachten, untersuchen die Auswirkungen einer Überbauung von 150 % und 250 %, insbesondere in Bezug auf die Kapazitätsauslastung und das Auftreten von Überschüssen.
Die Überbauung von 150 % der Eingangsleistung der Transformatoren wird vom BEE in jedem Fall und für jedes der kalkulierten Szenarien empfohlen. Die simulierten Modelle zeigten hierbei, dass es nur bei einer sehr geringen Anzahl von Standorten mit starker Windhöffigkeit (Küstenstandorte), zu Überschüssen kommt (1). Durchschnittlich liegen die Überschüsse bei einer Überbauung von 150 % bei unter einem Prozent und bei windstarken Standorten bei ca. zwei Prozent des Netzeinspeisungs-Potenzials. Der Nutzen von Speichersystemen bei einer Überbauung von 150 % ist daher begrenzt.
250 %-Überbauung
Eine starke Überbauung der Netzanschlusspunkte von bis zu 250 % kann insbesondere in Kombination mit einer sinnvollen Integration von elektrischen Speichern zu einer optimierten Netznutzung beitragen. Bei einer derart intensiven Überbauung liegen die Überschüsse in Deutschland je nach Szenario durchschnittlich zwischen fünf (PV-dominiert) und neun Prozent (winddominiert) des potenziellen Netzeinspeisungsvolumens. Es ist jedoch zu beachten, dass sich die Überschüsse innerhalb der Standorte stark unterscheiden können. So wurden an windstarken Standorten in Schleswig-Holstein bei einer wind-dominierten Überbauung von 250 % Überschüsse von bis zu 20 % kalkuliert (1). Insbesondere für Standorte mit derart hohen Überschüssen wäre eine Kopplung der Erzeugungsanlagen mit Speichersystemen essenziell. Je Standort könnte abgewogen werden, welche Technologie bei der Überbauung vorrangig eingesetzt werden soll, um potenzielle Energieüberschüsse zu steuern. Grundsätzlich wird in der Studie jedoch empfohlen, einen ausgewogenen Überbau von Wind- und PV-Anlagen mit jeweils 125 % zu verfolgen, um Überschüsse in der Energieproduktion zu minimieren und gleichzeitig die Effizienz sowie Flexibilität der Energieträger zu maximieren. Die somit generierten Überschüsse liegen im Mittel über Deutschland zwischen zwei und sechs Prozent.
In Abbildung 4 wurde das potenzielle Einspeiseverhalten eines Netzanschlusspunkts bei einer stark winddominierten Überbauung von 250 % (zusammensetzend aus 200 % Wind- und 50 % Solarenergie) an einem Standort in Schleswig-Holstein über einen Zeitraum von einer Woche kalkuliert.
In der Grafik werden die Einspeisungen der beiden Energieträger Wind (blaue Linie) und PV (orangene Linie) dargestellt. Zudem werden das Einspeisepotenzial (grün), sowie die tatsächliche Netzeinspeisung (braun) gezeigt. Energieüberschüsse entstehend aus der Überbauung sind in Rot dargestellt.
Die Grafik veranschaulicht deutlich die Möglichkeiten einer komplementären Nutzung eines Einspeisepunkts, da die tatsächliche Einspeisung häufig unter ihrem Potenzial bleibt. Es wird klar, dass die Energieproduktion aus Wind sehr schwankend ist und Perioden hoher Windenergieerzeugung oft von Phasen mit geringeren Windgeschwindigkeiten abgelöst werden. Leider kommt es in diesem Szenario auch häufiger zu Überschüssen. Ohne ein zusätzliches Speichersystem müssten die Anlagen in solchen Momenten heruntergefahren werden, wodurch potenziell erzeugter Strom verloren ginge. Das verdeutlicht zum einen noch einmal, dass eine ausgewogenere Überbauung sinnvoll ist und eine regionale Steuerung, wie bereits beschrieben, zur Optimierung der Netzanschlusskapazitäten genutzt werden kann.
Abbildung 4: Kalkuliertes Einspeisungsverhalten eines Standorts in Schleswig-Holstein bei einem stark winddominierten Ausbau (1)
Fazit
Die Betrachtung der Synergien von Wind- und Solarenergie innerhalb eines Netzanschlusspunktes zeigt deutlich, dass eine optimierte Nutzung bestehender Kapazitäten nicht nur möglich, sondern auch dringend notwendig ist, um die Effizienz des Energiesystems zu steigern. Die Integration von Hybridkraftwerken, bei denen Wind- und Solarenergie gemeinsam genutzt werden, kann erheblich zur Lösung der aktuellen Herausforderungen beitragen, indem sie die Netzkapazitäten besser ausschöpfen und gleichzeitig den Ausbau Erneuerbarer Energien vorantreiben. Wie die Untersuchung des BEE und des IEE zeigt, bietet eine Überbauung von Netzanschlusspunkten, insbesondere in Kombination mit Speichersystemen, eine zukunftsweisende Möglichkeit, die Netzstabilität zu erhöhen und überschüssig produzierten Strom effizient zu nutzen. Die vorgeschlagenen Anpassungen des EEG könnten hierbei den rechtlichen Rahmen schaffen, um die Umsetzbarkeit solcher Projekte zu erleichtern und die Akzeptanz bei den Netzbetreibenden zu steigern.
Ein solches Vorgehen würde nicht nur zu einer schnelleren Realisierung neuer Vorhaben führen, sondern auch die Netzanschlusskosten senken, da weniger neue Transformatoren benötigt werden und der Netzausbau langsamer vorangetrieben werden müsste, was die Notwendigkeit des weiteren Netzausbaus jedoch nicht ersetzt. Zudem würde dies zu einem gleichmäßigeren Einspeisungsverhalten und einer besseren Ausnutzung der Netzanschlüsse führen, was eine stabilere Energieversorgung sicherstellen könnte. Die Kostenreduktion für Projektmitarbeitende und Netzbetriebsgesellschaften wäre signifikant, da die IBN von Neuprojekten beschleunigt und die Netzbetriebsführung für die Netzbetreibenden vereinfacht würde.
Die Studie empfiehlt eine Überbauung von 150 % der Eingangsleistung der Transformatoren in jedem Fall, da die Überschüsse bei einer solch moderaten Überbauung minimal sind. Eine ausgeglichene Überbauung der Energieträger zu jeweils 125 % bei einer Gesamtkapazitätserhöhung auf 250 % des ursprünglichen Netzeinspeisungs-Potenzials in Kombination mit Speichersystemen wird ebenfalls als sehr empfehlenswert angesehen, da sich die Überschüsse in einem akzeptablen Rahmen halten und gleichzeitig das Potenzial der Netzanschlusspunkte effizienter genutzt wird. Eine solche Entwicklung ist entscheidend, um den Übergang zu einer nachhaltigen und stabilen Energieversorgung weiter voranzutreiben.
Autor: Utz Drechsler
QUELLEN:
(1) Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. Netzverknüpfungspunkte-Studie. Verfügbar unter: https://www.bee-ev.de/fileadmin/Redaktion/Dokumente/Meldungen/Studien/2024/20240310_BEE_Studie_NVP.pdf (abgerufen am 19.08.2024).
(2) Umweltbundesamt. Netzausbau. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/energieversorgung/netzausbau#Netzausbau (abgerufen am 26.08.2024)
(3) 100 prozent erneuerbar stiftung (2014). Ungleichzeitigkeit und Effekte räumlicher Verteilung von Wind- und Solarenergie in Deutschland. Verfügbar unter: https://100-prozent-erneuerbar.de/wp-content/uploads/2014_Langfassung_Ungleichzeitigkeit_und_Effekte_raeumlicher_Verteilung.pdf (abgerufen am 19.08.2024).
(4) EEAktuell (2024). Wie Batteriespeicher die Energiewende voranbringen: Alle Infos + häufige Fragen. Verfügbar unter: https://erneuerbare-energien-aktuell.de/solarenergie/photovoltaik/batteriespeicher-energiewende/ (abgerufen am 28.08.2024).
(5) RWE Generation SE (2023). RWE startet den Bau von Batteriespeicher-Großprojekt an zwei Standorten in Nordrhein-Westfalen. Verfügbar unter: https://www.rwe.com/presse/rwe-generation/2023-05-31-rwe-startet-bau-von-batteriespeicher-grossprojekt/ (abgerufen am 28.08.2024).
(6) Windenergie in Deutschland (2023). Gute Ergänzung – Hybridkraftwerke stabilisieren die Energieerzeugung. Verfügbar unter: https://www.windindustrie-in-deutschland.de/fachartikel/gute-ergaenzung-hybridkraftwerke-stabilisieren-die-energieerzeugung (abgerufen am 19.08.2024).
(7) Galileo Energy (2024). Sharing grid access points: Implementation and opportunities for hybrid wind and PV. Download unter: https://energie-fr-de.eu/de/veranstaltungen/leser/konferenz-zur-netzintegration-von-windenergie-und-photovoltaik.html?file=files/ofaenr/02-conferences/2024/240515_Netzintegration/Presentations/07_Viviane_Laborde_Galileo_OFATE_DFBEW.pdf (abgerufen am 19.08.2024).
(8) Fraunhofer IEE (2024). Studie zeigt ungenutzte Kapazitäten für den Netzanschluss von Erneuerbaren-Kraftwerken. Verfügbar unter: https://www.iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/2024/ungenutzte-kapazitaeten-fuer-netzanschluss-von-erneuerbaren.html (abgerufen am 19.08.2024).
