Wie können wir ein zukunftsfähiges Stromnetz aufbauen?

Viele der bestehenden nationalen Stromnetze wurden für das Zeitalter der Kohle konzipiert, entworfen und gebaut. Diese Ära geht nun zu Ende. Wie schaffen wir den Übergang zu einem Stromnetz, das für die Zukunft gerüstet ist?

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wie On- und Offshore-Windkraft und Photovoltaik steht jedes Land vor der Notwendigkeit, sein Stromnetz radikal zu modernisieren, um die Vorteile dieser neuen Energiequellen für die Dekarbonisierung von Wärme, Verkehr und Industrie nutzen zu können. Das Stromnetz von morgen birgt ein unglaubliches Versprechen, ein nationales Energiesystem zu schaffen, in dem Anbieter und Verbraucher aktive Teilnehmer in einem zunehmend dynamischen elektrischen Ökosystem sind.

Das Energieteam von Arup steht bei dieser Entwicklung an vorderster Front. Das Ausmaß des Vorhabens ist verständlicherweise groß. Allein in den nächsten sechs Jahren wird das britische Programm zur Modernisierung des Übertragungsnetzes fünfmal mehr Strominfrastruktur aufbauen als in den letzten 30 Jahren. Es ist eine Gelegenheit, nicht nur die bestehende Energieinfrastruktur anzupassen, sondern das Stromsystem als Ganzes neu zu konzipieren.

Überall auf der Welt müssen die Stromversorgungsunternehmen ähnliche Netzmodernisierungen vornehmen, daher möchten wir unsere bisherigen Erkenntnisse über diesen Prozess weitergeben.

1. Fortschritt erfordert einen zentralen Dirigenten und intensive Zusammenarbeit

Die Notwendigkeit eines beschleunigten, systemischen Wandels im Energiesystem erfordert eine mutige, von der Regierung unterstützte Führung und Transparenz unter einer Vielzahl von Interessengruppen und Nutzern der Branche. Dies bedeutet Klarheit über Rollen, Verantwortlichkeiten, Investitionsquellen und Zeitpläne. Das Engagement für eine ehrgeizige Vision ist für die Energieunternehmen von entscheidender Bedeutung, da der Netzausbau und die Digitalisierung die Flexibilität des Geschäftsmodells zu erhöhen und ihre Investitionen in erneuerbare Energien zu entschärfen versprechen.

Angesichts des erforderlichen Systemwandels erfordert die Entwicklung eines Masterplans für ein neues Stromnetz die frühzeitige Einbeziehung privater Akteure wie Energieunternehmen, Technologieanbieter und digitale Plattformen sowie eine wirksame Kommunikation mit der Öffentlichkeit über den bevorstehenden Wandel. Für die Regierungen und ihre Energiebehörden handelt es sich um eine einmalige Entwicklung, die auch einen effektiven Dirigenten im Zentrum erfordert, um die Entwicklungen in großem Maßstab zu koordinieren.

Die Koordinierung ist nur die halbe Miete, die Zusammenarbeit ist die andere Komponente. Traditionell wird die Energieinfrastruktur in einer sehr linearen, sequentiellen Arbeitsweise entwickelt. Aber das dauert zu lange für die existenziellen Fristen, die der Klimawandel mit sich bringt. Unser Ansatz besteht darin, Lösungen in Zusammenarbeit zu entwickeln und alle Akteure der Branche zusammenzubringen, um gemeinsame Ziele für die gesamte Planungs-, Bau- und Betriebskette zu definieren. Das Ergebnis ist eine radikal schnellere Einführung.

Erfahren Sie mehr über unsere Arbeit: Arup und AECOM gründen Joint Venture, um das Great Grid Upgrade voranzutreiben

2. Eine Netzmodernisierung erhöht die allgemeine Widerstandsfähigkeit der Energieversorgung

Die heutigen Energienetze sind mit einer Reihe von Risiken konfrontiert: alternde Infrastruktur, steigende Nachfrage, zunehmende Wetterereignisse, Cyber-Bedrohungen und menschliches Versagen. Eine Studie des CDRI schätzt, dass allein die Energieinfrastruktur im Wert von weit über 100 Milliarden Dollar den Auswirkungen des Klimawandels ausgesetzt ist. Mit der zunehmenden Elektrifizierung der Gesellschaft steigt auch die Abhängigkeit der Menschen vom Stromnetz für ihre individuelle Widerstandsfähigkeit. Die Investition in ein zukunftsfähiges Stromnetz bietet die Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen.

Publikation

Klimaresilienz im Energiebereich

Eine stärker dezentralisierte Stromversorgung hat das Potenzial, die Widerstandsfähigkeit des Systems zu erhöhen, wenn sie durch die Art der Erzeugung, die geografische Lage und die Anbindung in Form von Verbindungsleitungen ausreichend diversifiziert ist. Die Abhängigkeit von erneuerbaren Energiequellen führt jedoch zu einem größeren Bedarf an multidisziplinären Erkenntnissen in Bereichen wie Klima, Meteorologie und Küstenschutz, und zwar vom Planungsprozess bis hin zum täglichen Netzbetrieb.

Neben der Robustheit kann der Aufbau eines reflektierenden Stromsystems auch die Widerstandsfähigkeit erhöhen. Die digitale Überwachung verbessert das Verständnis für die Auswirkungen interner und externer Bedingungen auf das System und unterstützt so die Entscheidungsfindung und Reaktionsbereitschaft. Auch wenn automatisierte Systeme Fehler reduzieren können, wird das zukunftsfähige Stromnetz weiterhin in hohem Maße auf gut ausgebildete Menschen angewiesen sein, um Systemunterbrechungen zu verhindern und darauf zu reagieren.

3. Die Zukunft derElektrifizierung ist digital vernetzt

Die Digitalisierung ist von zentraler Bedeutung für die Struktur, die Funktionalität und das effiziente Management eines zukunftsfähigen Stromnetzes. Den Übergang zur Digitalisierung zu konzipieren und zu realisieren ist eine komplexe, aber wichtige Anfangsaufgabe.

Seit 2021 unterstützt Arup den National Electricity System Operator (NESO) Großbritanniens bei seinem Programm für ein virtuelles Energiesystem, das den Datenaustausch, datengesteuerte Entscheidungen und die Überwachung des gesamten Systems fördern und gleichzeitig ein effizientes und zuverlässiges Energiesystem gewährleisten soll. In dieser Arbeit haben wir 14 soziotechnische Schlüsselfaktoren in den Bereichen Menschen, Prozesse, Daten und Technologie identifiziert, die für die Verwirklichung des Virtuellen Energiesystems der NESO entscheidend sein werden. Das Ergebnis ist ein Weg zur gemeinsamen Entwicklung der Governance, der Datenstandards, der Zugangsrichtlinien, der Sicherheit, der Fähigkeiten und der breiteren Unterstützung, die erforderlich sind, um das Spektrum der Anwendungsfälle, die ein funktionierendes virtuelles Energiesystem ausmachen, effizient umzusetzen.

Die Einführung von echtem Datenaustausch und Interoperabilität in der Energiewirtschaft wird im Laufe der Zeit wahrscheinlich zu allen möglichen anderen Innovationen auf dem Energiemarkt führen - ein Phänomen, das wir beobachten konnten, als sich die britische Bankenbranche zur Open-Banking-Initiative zusammenschloss. Über Nacht traten neue Marktteilnehmer auf den Plan, die den Verbrauchern neue Finanzprodukte und -dienstleistungen anboten. Die digitale Energie hat das gleiche Potenzial.

4. Höhere Netzleistung erfordert fortschrittliche Technik

Obwohl die materiellen Elemente des Stromnetzes - Stromkreise, Stromleitungen, Umspannwerke - für die Vergangenheit konzipiert und konstruiert wurden, bieten sie eine gute Grundlage für eine zunehmend elektrifizierte Zukunft. Die Modernisierung des Systems, damit es seinen Zweck erfüllen kann, erfordert moderne Technologie, einen erweiterten Planungshorizont und vorausschauende Investitionen, die uns bis 2050 und darüber hinaus bringen werden.

Vielerorts wird sich die Entfernung zwischen Stromerzeugungspunkten und Nachfragezentren vergrößern - dies ist der Fall in Großbritannien, wo sich die Windressourcen größtenteils im Norden und die Nachfragezentren im Süden befinden. Hier können Hochspannungs-Gleichstrom-Leitungen (HGÜ) als Stromübertragungs-Superautobahnen dienen, die die Verluste begrenzen und gleichzeitig die Anzahl der erforderlichen Stromkreise verringern können. Im gesamten Netz kann durch den verstärkten und ausgefeilten Einsatz von Sensoren die Nutzung bestehender und neuer Systemelemente erhöht werden, um so effizient wie möglich zu sein. Wo die Temperaturen schwanken, kann die dynamische Leitungsauslegung die Temperaturen in Echtzeit (und die vorhergesagten) berücksichtigen, um die Kapazität der Übertragungsleitungen zu maximieren. Die Nachfrage in den Umspannwerken kann kontinuierlich verfolgt werden, und Nachfragespitzen können durch eine marktbasierte Reaktion der Verbraucher gesteuert werden. Ein digitales Netz wird sich auf diese intelligente, kontinuierliche und vorausschauende Überwachung stützen.

Der Aufbau eines zukunftsfähigen Stromnetzes erfordert die Installation neuer Stromnetzinfrastrukturen sowie die Stilllegung einiger bestehender Infrastrukturen. Das heißt, es muss gegraben, gebaut, entsorgt, recycelt und emissionsintensive Materialien wie Stahl, Kupfer und Zement benötigt werden. Im Hinblick auf das übergreifende Ziel der Netto-Null-Stromerzeugung ist es unerlässlich, dass bei allen Aspekten des Baus nachhaltige und naturnahe Praktiken angewandt werden, um die negativen Auswirkungen des Baus des künftigen Stromnetzes zu begrenzen.

Erfahren Sie mehr über unsere Arbeit an der Entwicklung einer Infrastruktur für den Austausch von Energiedaten für Großbritannien

5. Flexibilität und Innovation werden den Energiemarkt umgestalten

Sobald es in Betrieb ist, wird das Stromnetz der Zukunft als Ökosystem fungieren, das Innovationen und "Flexibilitätsmärkte" freisetzt. In dieser neuen Situation wird ein breiteres Spektrum von Akteuren Anreize erhalten, kritische Netzdienstleistungen wie Speicherung, Frequenzreaktion oder Nachfragereduzierung zu erbringen und von den Marktkräften zu profitieren, um den Ausgleich und den effizienten Betrieb des Stromsystems zu optimieren.

Flexibilitätsmärkte versprechen den Netzbetreibern auch eine Reihe von Instrumenten zur Steuerung der Nachfrage, mit dynamischen Preisen und Echtzeitanreizen, um den Stromverbrauch der Verbraucher zu beeinflussen. Hier hat ein wirklich durchgängig digitalisiertes Stromnetz die größte Wirkung, denn es macht die Kosten von Entscheidungen für alle Verbraucher im System spürbar. Beim Erreichen von Netto-Null geht es nicht nur darum, fossile Brennstoffe aus der Energieerzeugung zu entfernen, sondern auch darum, die Systemtransparenz zu verringern oder zu schaffen, um die Anreize für den Verbrauch zu ändern.

Erfahren Sie mehr über die Arbeit von Arup bei der Gestaltung zukünftiger, flexibler Märkte für Energie in Großbritannien.

Was ist jetzt zu tun?

Das Stromnetz eines jeden Landes befindet sich in einem bestimmten Entwicklungsstadium, mit einer unterschiedlichen Mischung aus alten Technologien und Infrastrukturen, auf denen aufgebaut werden muss, und einem unterschiedlichen Maß an zukünftiger Nachfrage, die es zu decken gilt. Wie wir gesehen haben, ist die Umstellung eine komplexe Herausforderung, die die Bereiche Planung, Technologie, betriebliche Zusammenarbeit, Governance und technische Innovation umfasst. Unser Energieteam hilft Ländern, Netzbetreibern und Energieunternehmen dabei, die wichtigsten und greifbarsten ersten Schritte zu identifizieren und herauszufinden, wo Innovationen und Investitionen getätigt werden müssen, um das Endziel, ein zukunftsfähiges Stromnetz, zu erreichen.