Die Anforderungen an den Betrieb der Stromnetze im Zuge der fortschreitenden Dekarbonisierung der Energiesysteme steigen stetig an. Immer mehr dezentral installierte erneuerbare Energiequellen tragen zur Energieversorgung bei und verursachen höhere Transportbedarfe in den Stromnetzen. Da der hierfür notwendige Netzausbau sowohl aus Akzeptanzgründen stockt und große Kosten verursacht, als auch zeitlich nicht mit der notwendigen Geschwindigkeit durchgeführt wird, um die Ziele des Pariser Klimaschutzabkommen einhalten zu können, sind die Übertragungsnetzbetreiber und Regulierungsbehörden angewiesen, innovative Konzepte zu entwickeln, um eine höhere Netzauslastung zu ermöglichen. Eine Möglichkeit hierfür ist der Wechsel vom präventiven n-1 sicheren Netzbetrieb zu einem kurativ n-1 sicheren. Um einen solchen Wandel zu ermöglichen, werden betriebliche Freiheitsgrade benötigt, die aus verschiedenen Quellen stammen können.

In dieser Arbeit wird untersucht, ob und wie Anlagen in Verteilnetzen Flexibilität bereitstellen können, die für eine kurative Netzbetriebsführung genutzt werden kann. Dabei werden die Fahrpläne der verteilt installierten Anlagen so verändert, dass die daraus resultierenden Lastflussänderungen zu Entlastungen von Engpässen im Übertragungsnetz führen. Diese verteilten Anlagen können Stromerzeuger wie Windkraft- oder Photovoltaikanlagen sein, aber auch flexible Lasten, wie zum Beispiel Power-to-Heat Anlagen oder Wärmepumpen.

Zwei Kernfragen dieses Konzepts werden dabei analysiert: Erstens, gibt es in den deutschen Verteilnetzen genügend Flexibilität, um jene für einen kurativen Übertragungsnetzbetrieb zu nutzen? Und zweitens, wie kann ein Verteilnetzbetreiber die Flexibilität seines Netzes berechnen, die sicher bereitgestellt werden kann? Beide Fragen werden methodisch unabhängig voneinander bearbeitet, da es bei der ersten um eine Potentialabschätzung in zukünftigen Energiesystemen geht, bei der zweiten aber um die tatsächliche Anwendung in bereits real existierenden Stromnetzen.

Um die erste Kernfrage zu erforschen, wird ein Energiesystemmodell für Deutschland im Jahr 2030 erstellt und die verfügbare Flexibilität für den kurativen Übertragungsnetzbetrieb berechnet. Dabei werden Zeitpunkte ausgewählt, in denen ein Ausfall von Übertragungskapazität zu kritischen Zuständen im Netz führt und die verfügbare Flexibilität in den an den kritischen Korridor angrenzenden Regionen berechnet.

Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere Power-to-Heat wertvolle Flexibilität in den Situationen bieten kann, in denen Übertragungskapazitätsverluste zu kritischen Zuständen führen. Zusammen mit Flexibilität aus Windkraft reicht die von beiden Technologien bereitgestellte Leistung, um in 40 % dieser Situationen die Netzbelastung wieder auf sichere Werte zu reduzieren. In den übrigen 60 % der Situationen muss entweder die für eine kurative Netzbetriebsführung notwendige Flexibilität aus anderen Quellen ergänzt werden oder das Netz weniger stark ausgelastet werden.

Die zweite Kernfrage wird durch die Entwicklung eines schnellen und robusten Optimierungsansatzes zur Netzbetriebsführung ergründet. Durch die Optimierung werden die Flexibilitäten der einzelnen Erzeuger und Lasten so eingesetzt, dass ein sicherer Zustand im Flexibilität bereitstellenden Verteilnetz gewährleistet ist. Die hierbei hergeleitete analytische Lösung der Netzrandbedingungen die einen sicheren Netzzustand garantieren, kann als untergeordnetes Problem der Optimierung eingebunden werden, sodass ein großer Teil des Gesamtproblems bereits vor Optimierung berechnet werden kann. Die Robustheit des Ansatzes zeigt sich dabei nicht nur durch die garantierte Einhaltung von Randbedingungen, sondern auch durch ein stabiles Konvergenzverhalten. Diese Methode wird sowohl auf einem einfachen Testnetz als auch einem realen Verteilnetz erfolgreich getestet.

Diese Arbeit zeigt, dass Flexibilität aus den Verteilnetzen sowohl in den für den kurativen Netzbetrieb relevanten Größenordnungen vorhanden ist, als auch für einen solchen genutzt werden kann. Der hier entwickelte Ansatz zur Berechnung und Bereitstellung von Flexibilität kann auf realen Netzen zur Anwendung gebracht werden und bietet durch die inhärenten Robustheitsbedingungen die notwendige Sicherheit und Geschwindigkeit, um in einer kurativen Netzbetriebsführung genutzt zu werden.