BMWi-Projekt MEO: Stresstest am digitalen Netzmodell

06.09.2019 – Welche Auswirkungen hat der Zubau von Solarstromanlagen auf die Stabilität und Qualität des Stromnetzes? Diese und weitere Fragen will das BMWi-Projekt MEO mithilfe von rein synthetischen Verteilnetznachbildungen beantworten.

Die Verteilnetze in Deutschland wandeln sich mit hoher Dynamik. Grund dafür ist unter anderem der stetige Photovoltaik-Zubau in der Bundesrepublik. Nach Zahlen, die die Bundesnetzagentur im Januar 2019 veröffentlichte, hat sich der Zubau im Jahr 2018 im Vergleich zum Vorjahr um insgesamt 68 Prozent gesteigert. Darüber hinaus berechnete die Bundesnetzagentur eine Gesamtleistung von 2.960 Megawatt für die zugebauten PV-Anlagen.

Im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts MEO analysieren Forscher synthetische Verteilnetze im Hinblick auf die Auswirkungen von beispielsweise Elektromobilität und den Zubau von Solarstromanlagen.

Im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts MEO analysieren Forscher synthetische Verteilnetze im Hinblick auf die Auswirkungen von beispielsweise Elektromobilität und den Zubau von Solarstromanlagen.

Neben den positiven Effekten auf die Klimabilanz stellen derartige Entwicklungen jedoch auch eine Herausforderung für die Netze dar: Bei hoher Stromeinspeisung können Leitungen und Transformatoren an ihre Belastungsgrenzen gelangen und Probleme mit der Spannungshaltung auftreten. Manch ein Marktakteur mahnt daher zeitnahe Anpassungen an, viele Netzbetreiber sehen aber eher langfristigen Handlungsbedarf. Für einige Unternehmen spielt das Thema Netzstabilität sogar nur eine nachgeordnete Rolle. Fakt ist: Die künftigen Auswirkungen, die der Photovoltaik-Zubau, aber auch andere Entwicklungen wie etwa der Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektroautos wirklich auf die Stromnetze haben, hängt von vielen unterschiedlichen Parametern ab.

Modelle für die Systemanalyse

Im BMWi-geförderten Projekt „Modellexperimente in der operativen Energiesystemanalyse“ (MEO) werden die oben genannten und weitere Fragestellungen anhand von mathematischen Modellen untersucht. Dazu vergleichen neun deutsche Forschungsinstitute acht Modelle aus der operativen Energiesystemanalyse durch die Berechnung unterschiedlicher Szenarien miteinander. Hierdurch sollen einerseits die Stärken der einzelnen Modelle herausgearbeitet werden. Andererseits soll durch den Vergleich ermittelt werden, wo die Optimierungspotenziale liegen. Ziel von MEO ist es, geeignete Modelle für verschiedene Szenarien zu identifizieren. „Wir wollen am Ende eine Empfehlung geben können, welches Modell sich für welche Anforderungen am besten eignet“, fasst Jan-Philip Beck, Mitarbeiter des Instituts für Automatisierungstechnik an der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg, zusammen.

Synthetische Netze als realitätsnahe Nachbildung

Das MEO-Projekt fokussiert sich dabei auf Niederspannungsnetze. „Weil das Versorgungsnetz in Städten jedoch zumeist stabil ist, gibt es für uns hier nur wenige Analysemöglichkeiten hinsichtlich Grenzwert- und Spannungsbandverletzungen. Daher nutzen wir ein sogenanntes halbstädtisches Niederspannungsnetz – also eine Mischung aus dem stabilen, urbanen und dem weniger stabilen, ländlichen Versorgungsnetz“, beschreibt Beck. Dieses Netz wird dann in alle acht Modelle eingebunden.

Die MEO-Forscher untersuchen jedoch keine realen Stromnetze, sondern lediglich solche, die es in der Realität so geben könnte. Beck dazu: „Zwar könnten wir auch einfach ein reales Verteilnetz analysieren, allerdings fehlen uns dafür häufig aus datenschutzrechtlichen Gründen die notwendigen Voraussetzungen.“ Im Rahmen von MEO wird daher mit sogenannten synthetischen Netzen gearbeitet. Das sind, vereinfacht gesagt, digitale Nachbildungen ausgewählter realer Netze. Hierin sind nicht nur alle Verbraucher, Erzeuger, Netzkomponenten und -anlagen, sondern beispielsweise auch räumliche Koordinaten enthalten. „Unsere synthetischen Netze sind so nah an der Wirklichkeit angelehnt, dass wir zuverlässige Aussagen über Netzqualität und -stabilität treffen können“, erklärt Beck.

Den Baukasten für die synthetischen Netze liefert SimBench, ein ebenfalls durch das BMWi gefördertes Vorgängerprojekt. „In SimBench wurden Benchmark-Netze auf mehreren Ebenen – also der Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannung – entwickelt. Diese Datensätze sind als Open Data frei verfügbar und lassen sich gut für unser Vorhaben nutzen”, so Beck.

Operative Energiesystemanalyse

Anhand der digitalen Netznachbildungen spielen die Forscher anschließend verschiedene Szenarien durch. „Wir simulieren so beispielsweise den Zubau von Solarstromanlagen oder den Ausbau der Ladeinfrastruktur in unterschiedlicher Ausprägung. Die Fragen, die wir uns dabei stellen, sind vielfältig: Bis zu welchem Grad an Photovoltaik-Zubau ist das Stromnetz stabil? Wie hoch ist die maximale Auslastung des Netzes? Besteht die Gefahr einer Spannungsbandverletzung bei zu großer Belastung durch Ladesäulen oder Solarstromanlagen?”, beschreibt Beck.

Das MEO-Projekt ist Teil des thematischen Verbundes MODEX (Modellexperimente) des BMWi. Insgesamt werden hier in sechs Verbundvorhaben mit 39 Partnern und 40 Modellen Modellexperimente zu aktuellen und systemanalytischen Fragestellungen durchgeführt. Anders als die anderen fünf MODEX-Projekte stehen bei MEO jedoch nicht die strategischen Fragestellungen der klassischen Energiesystemanalyse im Mittelpunkt. „Die klassische Energiesystemanalyse interessiert sich beispielsweise für die Ermittlung von kostenoptimalen Ausbaupfaden zur Reduktion von Treibhausgasemissionen”, erklärt Beck und führt aus: „Wir bei MEO wollen wissen, was das Stromnetz überhaupt noch aushalten kann, ohne beeinträchtigt zu werden. Daher analysieren wir das Netz hinsichtlich Qualität und Stabilität in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung als die anderen MODEX-Projekte.”

Das Projekt MEO wird koordiniert durch das Institut für Automatisierungstechnik der Helmut-Schmidt Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg. Zu den Verbundpartnern zählen darüber hinaus die Universität Duisburg-Essen, die Universität Kassel, die Bergische Universität Wuppertal, die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V., das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V., das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik, die Hochschule Offenburg und OFFIS – Institut für Informatik. Gemeinsam leisten die Partner von Januar 2019 bis Dezember 2021 einen Beitrag zum Voranschreiten der operativen Energiesysteme und somit zum Gelingen der Energiewende. (jr)

www.energieforschung.de

 

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