Es wird eng in den Strom-Verteilnetzen

Städtische Stromverteilnetze stehen vor einem erheblichen Ausbaubedarf. Ursache sind vor allem der steigende Strombedarf von Wärmepumpen und Elektromobilität sowie Rückspeisungen aus Photovoltaikanlagen. Gleichzeitig prüfen viele Kommunen den Aufbau von Fernwärmenetzen. Diese können den Strombedarf für Wärmepumpen verringern, sind aber selbst mit hohen Investitionen verbunden. Welche Lösung wirtschaftlicher ist, hängt von den örtlichen technischen, baulichen und finanziellen Rahmenbedingungen ab.

Die Untersuchung vergleicht anhand realer städtischer Netz- und Bebauungsstrukturen den künftigen Investitionsbedarf von Stromverteilnetzen mit und ohne Fernwärmeausbau. Im Mittelpunkt stehen vier Szenarien:

1. maximaler Leistungsbedarf durch Wärmepumpen

Für eine durchschnittliche 75-m²-Wohnung wird bei einer Leistungszahl 2,2 (Luft-WP, -7 °C) ein elektrischer Leistungsbedarf von 2,3 kW angesetzt. Er steigt mit Wohnfläche, Bebauungsdichte und energetischem Zustand. Steuerbare Wärmepumpen könnten im Engpass die Leistung reduzieren, schränken jedoch Wärmekunden ein.

2. Reduzierung des elektr. Leistungsbedarf durch den Aufbau von Wärmenetzen

Bei Anschlüssen an ein Wärmenetz in dicht bebaute Straßenzüge oder Stadtteile entfällt dort der zusätzliche elektrische Bedarf durch Wärmepumpen. Das entlastet das Stromnetz und reduziert dessen Investitionsbedarf. Der Fernwärmeausbau erfordert jedoch eigene Investitionen, die beim Leitungsbau häufig 10-mal so hoch sind.

3. E-Mobilität

Wallboxen mit bis zu 22 kW und zusätzliche Ladevorgänge können besonders in Niederspannungsnetzen neue Lastspitzen verursachen. Entscheidend ist die Gleichzeitigkeit des Ladens. Betrachtet werden Durchdringungen von 30 % (2030), 60 % (2035) und bis zu 80 % (2045 bzw. 2050). Ladeeinrichtungen und Wärmepumpen lassen sich im Engpass zwar auf 4,2 kW begrenzen, bei länger anhaltender Kälte wird aber voraussichtlich dennoch der Spitzenbedarf angefordert.

4. Photovoltaik und Speicher

Dachfläche, Neigung und Ausrichtung bestimmen die mögliche PV-Leistung je Gebäude. Speicher erhöhen den Eigenverbrauch; ohne Aufnahmekapazität entstehen Rückspeisespitzen. Da neue Anlagen oft mit Batteriespeicher kombiniert und große Anlagen voraussichtlich abregelbar sein müssen, ist die maximale Einspeisung für die Netzauslegung nur eingeschränkt maßgeblich, bleibt aber für die Netzbeurteilung wichtig.

Modellierung und Netzoptimierung

RZVN koppelt Gebäude-, Strom-, Wärme- und Gasnetzmodelle. Im CityCockpit werden unter anderem Wohnfläche, Energiebedarf, Sanierungszustand, Heizsystem, Wallboxen und PV-Ausstattung abgebildet. Daraus werden Anschlussleistungen ermittelt und Belastungssituationen simuliert. Überlastete Leitungen und Transformatoren werden durch passende Kabel, Transformatoren und vergrößerte Trafostationen ersetzt.

Kostenkurven zu Material, Verlegung, Transformatoren und Gebäudeerweiterungen ermitteln Maßnahmen und Investitionen je Szenario.

Analog werden Wärmenetze hydraulisch und kostenmäßig in Abhängigkeit von Ausdehnung und Belastung bewertet. So lassen sich Strom- und Fernwärmenetzstrukturen berechnen und gegeneinander vergleichen.

Abbildung 1 zeigt ein Stromnetz im Szenario maximaler PV-Einspeisung einer Kleinstadt mit überlasteten Leitungsabschnitten, die um unterschiedliche Stufen verstärkt werden.

Vergleich des Investitionsbedarfs bei groß- und kleinstädtischen Netzstrukturen

Der Vergleich der Materialkosten in Abbildung 2 (nur Kabel und Transformatoren) zeigt erhebliche Unterschiede. In der Großstadt verdoppeln Vollausbau mit Wärmepumpen und 80 % E-Mobilität nahezu die Materialkosten gegenüber dem Neubau des heutigen Netzes (Säule W+E-Mob). Ein Wärmenetz mit 30 % des innerstädtischen Wärmebedarfs kann den stromseitigen Investitionsbedarf deutlich senken (Vergleich der Säule WP gegenüber WP+FW).

In der Kleinstadt fallen die Mehrkosten eines WP-Vollausbaus mit 27 % vergleichsweise gering aus, weil das heutige Verteilnetz mit aktuellen Kabel- und Transformatorstandards bereits hoch dimensioniert ist. Für Groß- und Kleinstädte ist das Szenario Wärmepumpen-Vollausbau plus E-Mobilität entscheidend. Die relativen Mehrkosten für die Aufnahme der gesamten PV-Leistung sind in Kleinstädten deutlich höher als in Großstädten, dürften aber zukünftig niederschwellig bleiben, da PV-Leistung voraussichtlich abregelbar sein wird.

Fazit

Bestehende Nieder- und Mittelspannungsnetze erreichen bei den Lastzuwächsen durch Wärmepumpen, E-Mobilität und PV schnell ihre Belastungsgrenzen und müssen verstärkt werden. Entscheidend sind die Technologien in den Gebäuden und die Wärmeausbaustrategie der Stadt. Netzausbauplanung sollte daher die Entwicklung einzelner Gebäude abbilden und Strom- wie Wärmenetzberechnung miteinander koppeln. Notwendige Baumaßnahmen sind rechtzeitig einzuplanen und anzumelden. Da jede Leitungsbaumaßnahme benachbarte Versorgungsleitungen beeinflusst, ist ihr zeitlicher Ablauf zu koordinieren.

Wärmenetze vermeiden zwar zusätzliche Last durch Gebäude-Wärmepumpen, der Zuwachs durch E-Mobilität und nicht abregelbare PV-Anlagen bleibt jedoch bestehen. Auch dort ist eine Stromnetzverstärkung notwendig.

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