Im Auftrag der Bundestagsfraktion von Bündnis 90/Die Grünen erstellte Ecofys ein konzeptuellen Bericht für ein Elektrizitätsnetz der Zukunft. Das Konzept gibt einen Überblick über verschiedene Technologien (smart grids, super grids, ect.), zeigt wichtige unterschiedliche Forschungsprojekte auf und identifiziert Abhängigkeiten zwischen einzelnen Technologien. Barrieren, die einen zeitnahen Einsatz dieser Technologien bremsen können, werden ebenso aufgezeigt wie der erforderliche Investitionsbedarf. Ergänzend werden politische Maßnahmen vorgestellt, die den Übergang von der heutigen Netzstruktur zu einem zukunftsfähigen Elektrizitätsnetz unterstützen. Der Schwerpunkt der Studie liegt dabei auf den Vorteilen einer unabhängigen Netzgesellschaft unter mehrheitlicher Beteiligung der öffentlichen Hand.
<p>Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger </p><p>Die Energiewende ändert die Zusammensetzung des deutschen Kraftwerksparks. Die Anzahl an Kraftwerken zur Nutzung erneuerbarer Energien nimmt deutlich zu. Kraftwerke mit hohen Treibhausgas-Emissionen werden vom Netz genommen. Gleichzeitig muss eine sichere regionale und zeitliche Verfügbarkeit der Stromerzeugung zur Deckung der Stromnachfrage gewährleistet sein.</p><p>Kraftwerkstandorte in Deutschland</p><p>Die Bereitstellung von Strom aus konventionellen Energieträgern verteilt sich unterschiedlich über die gesamte Bundesrepublik. Das <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a> stellt verschiedene Karten mit Informationen zu Kraftwerken in Deutschland zur Verfügung.</p><p>Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland, Stand August 2025.<br> Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.</p><p>Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland, Stand August 2025<br> Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.</p><p>Karte Kraftwerke und Windleistung in Deutschland, Stand Juni 2025<br> Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.</p><p>Karte Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland, Stand Juni 2025<br> Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.</p><p>Installierte Kraftwerksleistung in Deutschland 2024 (Stand: Januar 2025)<br> Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.</p><p>Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger</p><p>Der deutsche Kraftwerkspark beruhte vor der Energiewende vor allem auf konventionellen Erzeugungsanlagen auf Grundlage eines breiten, regional diversifizierten, überwiegend fossilen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). Die gesamte in Deutschland installierte Brutto-Leistung konventioneller Kraftwerke ist basierend auf Daten des Umweltbundesamtes in der Abbildung „Installierte elektrische Leistung von konventionellen Kraftwerken ab 10 Megawatt nach Energieträgern“ dargestellt. Die aktuelle regionale Verteilung der Kraftwerkskapazitäten ist in der Abbildung „Kraftwerksleistung aus konventionellen Energieträgern ab 10 Megawatt nach Bundesländern“ dargestellt.</p><p> </p><p>In den letzten Jahrzehnten hat sich die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien sehr dynamisch entwickelt. Gleichzeitig wurden mit dem im Jahr 2023 erfolgten gesetzlichen Ausstieg Deutschlands aus der Nutzung der Kernenergie und dem fortschreitenden Ausstieg aus der Braun- und Steinkohle konkrete Zeitpläne zur Reduktion konventioneller Kraftwerkskapazitäten festgelegt (siehe Tab. „Braunkohlen-Kraftwerke in Deutschland gemäß Kohleausstiegsgesetz“ im letzten Abschnitt). Unabhängig davon übt der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=CO2#alphabar">CO2</a>-Preis einen wesentlichen Einfluss auf die Rentabilität und insofern den Einsatz fossiler Kraftwerke aus.</p><p>Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien</p><p>Im Jahr 2024 erreichte der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland einen neuen Höchststand: In diesem Jahr wurden über 20 Gigawatt (GW) an erneuerbarer Kraftwerkskapazität zugebaut. Dieser Zubau liegt damit nochmals höher als die vorherige Ausbaurekord aus dem Jahr 2023. Insgesamt stieg damit die Erzeugungskapazität erneuerbarer Kraftwerke auf 188,8 GW. (siehe Abb. „Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“)</p><p>Getragen wurde der Erneuerbaren-Zubau in den vergangenen Jahren vor allem von einem starken Ausbau der <strong>Photovoltaik</strong> (PV). Seit Anfang 2020 wurden mehr als 50 GW PV-Leistung zugebaut, damit hat sich die installierte Leistung in den letzten fünf Jahren verdoppelt. Mit einem Zubau von über 16,7 GW wurde im Jahr 2024 darüber hinaus ein neuer Zubaurekord erreicht. Nach den Ausbaustarken Jahren 2011 und 2012 war der Photovoltaikausbau zunächst stark eingebrochen, seit etwa 10 Jahren wächst der Zubau aber kontinuierlich mit einer deutlichen Beschleunigung innerhalb der letzten fünf Jahre. Um das im EEG 2023 formulierte PV-Ausbauziel von 215 GW im Jahr 2030 zu erreichen, wurde ein Ausbaupfad festgelegt. Das Zwischenziel von 89 GW zum Ende des Jahres 2024 wurde deutlich übertroffen. In den Folgejahren bis 2030 bleibt allerdings ein weiterer Zubau von jährlich fast 20 GW zur Zielerreichung notwendig.</p><p>Auch wenn das Ausbautempo bei <strong>Windenergie</strong> zuletzt wieder zulegt hat, sind die aktuelle zugebauten Anlagenleistungen weit von den hohen Zubauraten früherer Jahre entfernt. Im Jahr 2024 wurden 3,4 GW neue Windenergie-Leistung zugebaut (2023: 3,3 GW; 2021: 2,4 GW). In den Jahren 2014 bis 2017 waren es im Schnitt allerdings 5,5 GW. Insgesamt lag die am Ende des Jahres 2023 installierte Anlagenleistung von Windenergieanlagen an Land und auf See bei 72,8 GW. Um die im EEG 2023 festgelegte Ausbauziele von 115 GW (an Land) und 30 GW (auf See) im Jahr 2030 zu erreichen, ist jeweils eine deutliche Beschleunigung des Ausbautempos notwendig.</p><p>Durch die Abhängigkeit vom natürlichen Energiedargebot unterscheidet sich die Stromerzeugung der erneuerbaren Erzeugungsanlagen teilweise beträchtlich. So kann eine Windenergieanlage die vielfache Menge Strom erzeugen wie eine PV-Anlage gleicher Leistung. Ein einfacher Vergleich der installierten Leistungen lässt deshalb noch keinen Schluss über die jeweils erzeugten Strommengen zu. Neben Photovoltaik- und Windenergieanlagen mit stark witterungsabhängiger Stromerzeugung liefern Wasserkraftwerke langfristig konstant planbaren erneuerbaren Strom, sowie Biomassekraftwerke flexibel steuerbare Strommengen. Beide Energieträger haben in Deutschland aber nur ein begrenztes weiteres Ausbaupotential.</p><p>Weitere Informationen und Daten zu erneuerbaren Energien finden Sie auf der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen">Themenseite „Erneuerbare Energien in Zahlen“</a>.</p><p>Wirkungsgrade fossiler Kraftwerke</p><p>Im <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Brutto-Wirkungsgrad#alphabar">Brutto-Wirkungsgrad</a> ist im Vergleich zum Netto-Wirkungsgrad der Eigenverbrauch der Kraftwerke enthalten. Insgesamt verbesserte sich der durchschnittliche Brutto-Wirkungsgrad des eingesetzten deutschen Kraftwerksparks seit 1990 um einige Prozentpunkte (siehe Abb. „Durchschnittlicher Brutto-Wirkungsgrad des fossilen Kraftwerksparks“). Diese Entwicklung spiegelt nicht zuletzt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerksparks und die damit verbundene Außerbetriebnahme alter Kraftwerke wider.</p><p>Der Brennstoffausnutzungsgrad von Kraftwerken kann durch eine gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) gesteigert werden. Dies kann bei Großkraftwerken zur Wärmebereitstellung in Industrie und Fernwärme, aber auch bei dezentralen kleinen Kraftwerken wie Blockheizkraftwerken lokal erfolgen. Dabei müssen neue Kraftwerke allerdings auch den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen, dies kann beispielsweise über die Kombination mit einem thermischen Speicher erfolgen.</p><p>Obwohl bei konventionellen Kraftwerken in den letzten Jahren technisch eine Steigerung der Wirkungsgrade erreicht werden konnte, werden die dadurch erzielbaren Brennstoffeinsparungen nicht ausreichen, um die erforderliche Treibhausgasreduktion im Kraftwerkssektor für die Einhaltung der Klimaschutzziele zu erreichen. Dafür ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung notwendig.</p><p>Kohlendioxid-Emissionen</p><p>Folgende Aussagen können zum Kohlendioxid-Ausstoß von Großkraftwerken für die Stromerzeugung getroffen werden:</p><p>Weitere Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks</p><p>Um die Klimaschutzziele zu erreichen, ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Kraftwerkskapazitäten notwendig.</p><p>Um den Herausforderungen der Energiewende begegnen zu können, wird es außerdem einen zunehmenden Fokus auf Flexibilisierungsmaßnahmen geben. Dabei handelt es sich um einen Ausbau von Speichern (etwa Wasserkraft, elektro-chemische Speicher, thermische Speicher) sowie um den Ausbau der Strominfrastruktur (Netzausbau, Außenhandelskapazitäten) und Anreize zur Flexibilisierung des Stromverbrauchs.</p>
Im Projekt MEDAILLON wird ein neuer offener meteorologischer Datensatz erstellt, welcher sich als Standarddatensatz für Anwendungen in der Energiewirtschaft etablieren soll. Der Datensatz soll Deutschland abdecken, eine räumliche Auflösung von 250m aufweisen und Zeitreihen ausgewählter meteorologischer Parameter (Wind, Globalstrahlung, Temperatur usw.) für einen Zeitraum von 15 Jahren in 15-minütiger Auflösung bereitstellen. Zusätzlich wird die Möglichkeit zur Integration des Datensatzes in einen europäischen Wetterdatensatz sowie eine Bereitstellung von Informationen zur zeitlichen und räumlichen Unsicherheit angestrebt. Durch eine frühzeitige Nutzereinbindung wird die Entwicklung des Datensatzes entsprechend der Nutzeranforderungen sichergestellt. Für die technische Umsetzung werden neue Ansätze aus dem Bereich der Wettermodell-Reanalyse-Ensembles, aber auch die Anwendung von strömungsmechanischen, statistischen und Machine-Learning-Verfahren eingesetzt. Das Fachgebiet Energiemanagement und Betrieb elektrischer Netze der Universität Kassel hat primär das Ziel, Methoden zu entwickeln, um in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IEE ein Multi-Modell- Ensemble zu erarbeiten und die Unsicherheit der Modelldaten räumlich und zeitlich abzubilden. Für die mit besonders großen Unsicherheiten behafteten Windklimata soll eine geografisch differenzierte Unsicherheitsabschätzung durchgeführt werden. Für die zeitreihen-basierte Unsicherheitsbestimmung sollen einerseits Reanalysen verschiedener Wettermodelle sowie auch die neue ICONbasierte Ensemble-Reanalyse hinsichtlich deren Streuung in Raum und Zeit untersucht werden. Außerdem sollen maschinelle Lernverfahren eingesetzt werden, um die Unsicherheit auf Basis von Messdaten zu erlernen. Die für den Wind erarbeiteten Ansätze sollen in Teilen auch auf die anderen meteorologischen Größen übertragen werden. Für beide Ansätze soll abschließend ein Verfahren entwickelt werden, um die Unsicherheit in die Fläche zu projizieren.
Im Rahmen des Reallabors Referenzkraftwerk Lausitz ist eine wissenschaftliche Begleitung eines Großprojekts, welches die Errichtung eines modernen Kraftwerks am Standort Spremberg im Industriepark Schwarze Pumpe beabsichtigt, geplant. In dem Kraftwerk werden ausschließlich erneuerbare Energien genutzt. Weiterhin werden Möglichkeiten der Sektorenkopplung erschlossen und neue Wertschöpfungspotentiale durch Systemdienstleistungen im elektrischen Netz der öffentlichen Versorgung aufgezeigt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das vorgestellte Konzept für ein vollständig systemrelevantes H2-Speicherkraftwerk in allen relevanten Details, die für die Errichtung und Inbetriebnahme sowie den Probebetrieb notwendig sind, zu erarbeiten und im Zusammenwirken des Gesamtprozesses zu optimieren. Hierbei wird die Funktionalität der Komponentenanordnung als Speicherkraftwerk demonstriert. Alle Einzelkomponenten sowie die zugehörige Regelung und Steuerung werden dazu dimensioniert, simuliert, implementiert und bei allen vorgesehen Betriebsarten erprobt. Die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) entwickelt hierbei in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IEG (Fh IEG) die Kraftwerksregelung, welche die Bereitstellung der Systemdienstleistungen am Netzkopplungspunkt sicherstellt. Außerdem liefert die BTU eine Analyse des potenziellen Beitrages der Wasserstoff-Rückverstromung zur Bereitstellung eines grundlastfähigen Portfolios aus erneuerbaren Energieanlagen und die Überführung in ein Betriebsführungskonzept.
Das Ökosystem der Stromnetze ist auf dem Weg zu einem dezentralisierten Energieversorgungs- und Verteilungssystem. Haushalte können mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren oder Windgeneratoren, als verteilte Energieressourcen (DERs - Distributed Energy Resources) bezeichnet, unabhängig von den Stromanbietern operieren und Energie zurück an das Hauptnetz verkaufen. Für die Realisierung dieser Transformation des Stromnetzes wird eine kompetente Kommunikationsinfrastruktur benötigt. Die Einführung des Standards 5G in Mobilfunknetze erleichtert die Entwicklung zukünftiger Energieverwaltungslösungen. Weiterhin ermöglichen neue Technologien die Entwicklung intelligenter Algorithmen für die Steuerung zukünftiger Stromnetze. Hierzu gehören das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), Vernetzung über Mesh-Netzwerke zur Fernüberwachung des Netzstatus und die Künstliche Intelligenz (KI) für Management und Koordination. In Dymobat wird ein Single-User-Controller für die Verwaltung der einzelnen DERs entwickelt. Anschließend wird eine zentrale Steuerungseinheit für die Synchronisierung und Optimierung des Netzbetriebs innerhalb einer kleinen Gruppe von DERs, Microgrid, entworfen. Im Anschluss werden Mobilitätsalgorithmen für die Nutzung von batterieelektrischen Fahrzeugen als mobile Energiespeicher entwickelt, die temporäre Selbstversorgung von Teilnetzen ermöglichen. Die entwickelten Algorithmen werden virtuell in einem Testbed-Modell anhand von realen Eingangsparametern erprobt, optimiert und validiert. Im zweiten Schritt wird ein reales Testfeld konzipiert, installiert und die Leistungsfähigkeit der modellhaft erprobten Algorithmen in einer realen Testumgebung bewertet und anhand des dadurch erarbeiteten Know-hows weiter verbessert. Das übergeordnete Ziel des Projektes DymoBat ist die Entwicklung von marktfähigen Lösungen für die zukünftige Stromnetzverwaltung zur Nutzung von verteilten Energieressourcen auf Basis der Anwendung von 5G-Technologien.