Stromnetzanalyse bei hohem PV-Zubau

Ausgangslage

Der Photovoltaik-Zubau nimmt in der Schweiz kontinuierlich zu und erfolgt überwiegend dezentral auf der Niederspannungsebene (Netzebene 7). Im Kanton Basel-Stadt wird diese Entwicklung durch die politisch lancierte «Solaroffensive» zusätzlich beschleunigt, die einen massiven Ausbau der solaren Stromerzeugung bis 2037 anstrebt. Die bestehenden Verteilnetze wurden ursprünglich für einen lastdominierten Betrieb ausgelegt und sind zunehmend durch zeitlich konzentrierte Einspeisespitzen gefordert. Dies führt zu veränderten Belastungsmustern der Netzkomponenten und stellt den Verteilnetzbetreiber IWB vor neue netztechnische Herausforderungen. Bisher war eine detaillierte zeitliche Transparenz der Netzkomponentenbelastung auf der Netzebene 7 nicht erforderlich; konservative Planungsannahmen und eine tendenziell grosszügige Dimensionierung der Komponenten gewährleisteten die Betriebssicherheit. Mit dem wachsenden PV-Anteil ist jedoch eine realitätsnahe Abbildung zukünftiger Netzzustände unerlässlich, um zielgerichtete Massnahmen ableiten zu können. Ein rein ausbauorientierter Ansatz ist technisch und wirtschaftlich ineffizient – alternative Massnahmen gemäss dem NOVA-Prinzip (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau) gewinnen deshalb an Bedeutung.

Ziele

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Netzbelastung in zwei städtischen Netzgebieten des Verteilnetzbetreibers IWB mittels Lastflussanalyse zu quantifizieren und technische Massnahmen zur Reduktion dieser Belastung zu bewerten. Der Ist-Zustand 2024 wird mit einem zukünftigen Szenario für 2037 unter Annahme eines flächendeckenden PV-Dachanlagenzubaus gemäss der Solaroffensive verglichen. Auf dieser Grundlage werden Massnahmen simuliert, die Spannungsverletzungen und thermische Überlastungen reduzieren und damit konventionelle Netzverstärkungen vermindern oder vermeiden. Die entwickelte Methodik soll die massnahmenorientierte Verteilnetzplanung unterstützen und eine quantifizierte Bewertung zukünftiger Netzstrategien ermöglichen.

Vorgehen

Die Untersuchung basiert auf stationären, zeitdiskreten Lastflussrechnungen mit 15-Minuten-Auflösung über ein volles Kalenderjahr. Die Simulationen werden in PowerFactory auf Basis realer Netzmodelle der IWB durchgeführt. Als Eingangsdaten dienen Smart-Meter-basierte Last- und Einspeisezeitreihen aus dem Jahr 2024 sowie modellierte PV-Einspeisezeitreihen für 2037, die mithilfe der Python-Bibliothek PVlib auf Grundlage meteorologischer Daten erzeugt werden. Das Potenzial der Dachnutzungsflächen für PV wird gebäudescharf bestimmt und den jeweiligen Netzanschlusspunkten zugewiesen. Die Netzperformance wird anhand von Spannungs- und Auslastungskennwerten sowie Energieverlusten bewertet. Untersucht werden folgende Massnahmen: Einspeiselimitierungen, Batteriespeichersysteme mit verschiedenen Regelalgorithmen, Lastverschiebung, Blindleistungsregelungen am Wechselrichter, Anpassungen des Transformatorübersetzungsverhältnisses sowie partielle Netzverstärkungen. Abschliessend werden Kombinationen dieser Massnahmen hinsichtlich ihrer Gesamtwirkung bewertet.

Lösung

Im Ist-Zustand 2024 treten in beiden untersuchten Netzgebieten keine Grenzwertverletzungen auf. Im Szenario 2037 hingegen kommt es während der PV-Erzeugungsspitzen zu signifikanten Spannungsüberhöhungen und thermischen Überlastungen von Transformatoren und trafonahen Netzkomponenten.

Ohne Massnahmen wäre zur Einhaltung der Auslastungsgrenze von 80 % eine Kabelverstärkung von rund 30 % der gesamten Kabellänge erforderlich. Einspeiselimitierungen erweisen sich als wirksamste Massnahme zur Reduktion der Auslastung: Bei einer Limitierung zwischen 30 und 40 % der DC-Spitzenleistung treten keine Grenzwertverletzungen mehr auf. Eine 40-%-Limitierung verursacht jedoch Energieverluste von rund 18 % der jährlichen PV-Erzeugung. Batteriespeicher entfalten ihre Wirkung nur in Kombination mit geeigneten Regelalgorithmen (z. B. netzorientierte Spitzenkappung), während eigenverbrauchsoptimierte Algorithmen keine Netzentlastung bringen. Blindleistungsregelungen und Anpassungen des Transformatorübersetzungsverhältnisses reduzieren Spannungsverletzungen, können jedoch zu höheren Auslastungen und Verlusten führen. Die wirksamste Lösung ist eine gezielte Kombination mehrerer Massnahmen, die sowohl Spannungs- als auch Auslastungsprobleme adressiert und so den konventionellen Netzverstärkungsbedarf deutlich reduziert.