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Blockchain technology in the future Swedish electricity system

An exploratory study and multi-level perspective analysis of blockchain in the energy transition in Sweden

Written by S. Carle, V. V. Nilsson

Paper category

Master Thesis

Subject

Business Administration>Management

Year

2020

Abstract

Masterarbeit: Blockchain, eine Distributed-Ledger-Technologie, wurde mit der Einführung der Kryptowährung Bitcoin im Jahr 2009 öffentlich bekannt. Als der finanzielle Wert von Kryptowährungen stieg, wuchs das Interesse an der Blockchain, was andere Branchen dazu veranlasste, zu untersuchen, ob die Blockchain auch in anderen Bereichen eingesetzt werden könnte. Einer dieser Bereiche war der Energiesektor, wo die Technologie den Markt durch den Wegfall von Zwischenhändlern mit Hilfe des Peer-to-Peer-Stromhandels verändern sollte. Heute gibt es nur wenige erfolgreiche kommerzielle Blockchain-Projekte, und der Blockchain-Hype scheint nachzulassen. Es ist jedoch unklar, ob dies ein natürlicher Teil des Innovationsprozesses ist, der dem Hype-Zyklus von Gartner folgt, oder ob der Energiesektor die Technologie ablehnen wird. Ziel dieser Arbeit ist es, die Werteigenschaften von Blockchain im Elektrizitätssystem zu untersuchen und festzustellen, ob diese einen Mehrwert für das zukünftige Elektrizitätssystem in Schweden darstellen können. Zur Beantwortung dieser Frage wird zunächst eine Literaturanalyse durchgeführt, um zu untersuchen, wie Blockchain in früheren Studien im Elektrizitätssektor angewandt wurde und welchen Wert die Technologie bietet. Zweitens wurde eine Interviewstudie mit 28 Teilnehmern durchgeführt, um zu verstehen, wie das Elektrizitätssystem in Schweden in Zukunft aussehen wird und wie der Energiesektor die Blockchain-Technologie versteht. Die Literatur kam zu dem Schluss, dass Blockchain vor allem die folgenden fünf Wertmerkmale bieten könnte: 1) Transparenz 2) Dezentralisierung 3) Unveränderlichkeit 4) Rückverfolgbarkeit und 5) P2P-Interaktion. Darüber hinaus ergab die Interviewstudie eine mehrstufige perspektivische Analyse und schlug vor, dass das Elektrizitätssystem in Schweden vor einer Umgestaltung steht, die durch den Druck der Landschaft angetrieben wird und aus Elektrifizierung, Digitalisierung, Dekarbonisierung und einem potenziellen Atomausstieg besteht. Darüber hinaus wurde in dieser Studie festgestellt, dass das schwedische Elektrizitätssystem vor einem Regimewechsel von einem zentralisierten System mit stabiler Erzeugung und verbrauchsabhängiger Produktion zu einem dezentralisierten System mit intermittierender Erzeugung und produktionsabhängigem Verbrauch steht, der neue Herausforderungen mit sich bringt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde festgestellt, dass Blockchain den größten Nutzen für das Elektrizitätssystem erbringen kann, indem es als Governance-Ebene für einen potenziellen lokalen Flexibilitätsmarkt fungiert. Die Flexibilität wird dezentralisiert sein und sowohl von den Verbrauchern als auch von der Industrie angeboten werden. Die Akteure benötigen folglich ein Authentifizierungsverfahren, um zu bestätigen, dass die Flexibilitätsanbieter zu einem bestimmten Zeitpunkt Flexibilität anbieten können. Die fünf Wertmerkmale haben folglich das Potenzial, eine Lösung für diese spezifische Herausforderung zu bieten. Die Arbeit kommt jedoch zu dem Schluss, dass sowohl der Flexibilitätsmarkt, die neuen Geschäftsmodelle als auch die Blockchain-Technologie heute noch nicht ausgereift genug sind. Dementsprechend ist es noch zu früh, um zu entscheiden, ob Blockchain die am besten geeignete Technologie ist, um diesen Zweck zu erfüllen, auch wenn die Wertmerkmale auf Potenzial hindeuten. Kapitel 1 des Berichts führt in das Thema und die Studie ein, indem es die Problemstellung, den Zweck und die Forschungsfrage sowie den Forschungsbeitrag, die Abgrenzungen und die Grenzen der Studie darlegt. Das Kapitel schließt mit einer Kurzdarstellung des Berichts ab. Die treibende Kraft der Energiewende ist die Innovation. Die Technologien für erneuerbare Energien werden von Jahr zu Jahr besser und effizienter. In den letzten Jahren sind erneuerbare Energien für mehrere Länder zur ersten Wahl geworden, wenn es darum geht, eine zuverlässigere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Energieversorgung zu erreichen (IRENA, 2019b). Technologische Übergänge erklären, wie Innovationen entstehen und an die Gesellschaft angepasst werden. Schließlich werden innovative Technologien, die einst radikal waren, zur Norm und bestimmen die heutige Gesellschaft. Innovative Technologien sind ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung hin zu einer nachhaltigeren Zukunft, wobei es jedoch schwierig sein kann, vorherzusehen, welche Innovationen Teil der Gesellschaft werden und welche nicht. Wenn eine neue potenzielle Technologie auf den Markt kommt, machen Medien und Unternehmen oft einen Hype um die Technologie und geben kühne Versprechungen darüber ab, wie die Technologie in einer bestimmten Branche zum Allheilmittel werden wird. Nach dem Gartner-Hype-Zyklus wird der Hype nach einer gewissen Zeit abflauen, und die Technologie durchläuft das so genannte Tal der Ernüchterung: Das Interesse an der Technologie nimmt ab, wenn die Umsetzung nicht gelingt, und Investitionen werden in der Regel nur dann fortgesetzt, wenn die Anbieter das Produkt zur Zufriedenheit der Early Adopter verbessern können. In dieser Phase werden viele Produktinnovationen wieder eingestellt. Dennoch kommt irgendwann der Punkt, an dem der Nutzen und die Vorteile der Technologie klarer definiert sind und die Technologie mehr und mehr zum Mainstream wird (Gartner, 2020).Der Einsatz von Technologien für erneuerbare Energien hat in den letzten zehn Jahren zugenommen, wobei die weltweite Erzeugung aus erneuerbaren Energien von 3.804 TWh im Jahr 2008 auf 6.674 TWh im Jahr 2018 gestiegen ist (Dudley, 2019).Dieser Übergang ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) wird die Transformation des Energiesektors durch drei Hauptfaktoren vorangetrieben: Elektrifizierung, Dezentralisierung und Digitalisierung. Damit einher geht die Notwendigkeit von Synergien zwischen verschiedenen Innovationen, um vielversprechende Lösungen zu schaffen, wobei eine der vorgeschlagenen Grundlagentechnologien Blockchain ist (IRENA, 2019b). Blockchain kann kurz als dezentralisiertes, kryptografisches, unveränderliches, verteiltes Hauptbuch beschrieben werden, das die Notwendigkeit des Vertrauens in eine zentrale Autorität beseitigt. Das Interesse an der Blockchain erreichte zwischen 2016 und 2017 mit dem Aufstieg von Bitcoin1 seinen Höhepunkt. Der Technologie wurde nachgesagt, sie könne "die Weltwirtschaft revolutionieren" (McKinsey, 2016), und mehrere Unternehmen aus verschiedenen Wirtschaftszweigen stürzten sich auf die Technologie, entschlossen, Blockchain in ihr Geschäft zu integrieren, um nichts zu verpassen. Dennoch gibt es nur wenige1Bitcoin ist eine Kryptowährung, die die Blockchain-Technologie nutzt, um verifizierte P2P-Transaktionen ohne eine Zentralbank oder eine einzelne Institution durchzuführen. Der Begriff Bitcoin bzw. Blockchain wurde von Satoshi Nakamoto in dem Papier Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System geprägt. 11 Jahre später ließ der Hype um die Blockchain nach, da die Pilotprojekte nicht erfolgreich waren und die Technologie sich in der Tat im Tal der Ernüchterung befand (Kietzmann & Archer-Brown, 2019). Heute ist die Blockchain-Technologie immer noch relativ unausgereift; sie bewegt sich jedoch auf die Phase der Erleuchtung des Hype-Zyklus zu, in der sich die Vorteile der Technologie herauszukristallisieren beginnen und Produkte der zweiten und dritten Generation entstehen (Gartner, 2020).Es gibt noch einige Unwägbarkeiten mit der Technologie, und in einigen Branchen ist die Blockchain relevanter als in anderen, aber die Technologie könnte in jeder Branche eingesetzt werden, aber die Frage ist nicht, ob sie eingesetzt werden kann, sondern ob ein Bedarf für die Blockchain besteht. 1.1ProblemstellungSchweden hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2045 frei von fossilen Brennstoffen zu sein, was zu einer stärkeren Durchdringung des Stromsystems mit erneuerbaren Energien (EE) und einer Zunahme von Elektrofahrzeugen (EV) führt (Regeringskansliet, 2018). Dezentralisierung und Elektrifizierung haben die Bedeutung der Digitalisierung im Energiesektor erhöht und sind nun eine Notwendigkeit für Schweden, um das Ziel eines fossilfreien Schweden bis 2045 zu erreichen (IVA, 2020). Einer der digitalen Technologietrends in Schweden ist neben der künstlichen Intelligenz (KI) und dem Internet der Dinge (IoT) die Blockchain (NEPP, 2019), doch während KI und IoT bereits umgesetzt werden, wurde das Potenzial der Blockchain noch nicht ausgeschöpft. Es gibt eine Vielzahl von Start-ups, Piloten, Versuchen und Forschungsprojekten in Bezug auf Blockchain, und in einem zwei Jahre alten Geschäftsbericht wurde festgestellt, dass die Technologie das Potenzial hat, energiebezogene Produkte und Waren zu stören (PWC, 2018). Wie jedoch im vorherigen Kapitel erwähnt, hat der Hype um Blockchain in letzter Zeit nachgelassen, und es ist daher unklar, welchen Wert Blockchain für die Transformation des schwedischen Elektrizitätssystems haben könnte, oder ob die Technologie überhaupt ein Teil davon sein wird.1 .2Zweck und ForschungsfrageAusgehend vom heutigen schwedischen Elektrizitätssystem und der Problemstellung soll in dieser Arbeit untersucht werden, welche Chancen und Herausforderungen sich dem Elektrizitätssystem bei der Umstellung auf die Abschaffung fossiler Brennstoffe bis 2045 bieten und ob Blockchain bei dieser Umstellung eine unterstützende Technologie sein wird.Es soll untersucht werden, welche Kräfte die Entwicklung antreiben und welche sie behindern. Die Hauptforschungsfrage lautet: Wird die Blockchain im zukünftigen schwedischen Elektrizitätssystem einen Wert schaffen? Um die Hauptforschungsfrage zu beantworten, wurden außerdem drei Unterfragen identifiziert: - Wie wird das zukünftige schwedische Elektrizitätssystem konfiguriert sein? Was sind die wertschöpfenden Merkmale von Blockchain?- Können diese Merkmale potenziell einen Wert für das zukünftige Elektrizitätssystem schaffen? 121.3ForschungsbeitragVorangegangene Studien haben verschiedene potenzielle Anwendungsfälle für Blockchain untersucht, indem sie die Technologie untersuchten und dann einen Anwendungsfall im Energiebereich fanden, in dem Blockchain möglicherweise eingesetzt werden könnte. Der schwedische Energiesektor könnte ein potenzieller Anwender der Blockchain-Technologie sein, aber die bisherige Forschung zeigt nicht, dass die Probleme und Möglichkeiten für die Implementierung von Blockchain im Energiesektor in den verschiedenen Ländern unterschiedlich sein können, da Gesetze, Vorschriften, Kultur und Politik unterschiedliche Voraussetzungen schaffen. Um eine umfassende und nuancierte Analyse zu erstellen, wurden Interviews mit Akademikern, Start-ups, Beratungsunternehmen, etablierten Unternehmen und Behörden geführt. Das Ergebnis dieser Arbeit soll den Akteuren des schwedischen Elektrizitätssystems ein Verständnis dafür vermitteln, vor welchen Herausforderungen und Chancen das System steht und ob Blockchain in diesem sich entwickelnden System einen Mehrwert schaffen kann.1 .4GrenzwerteGrenzwerte werden durch Grenzen und Implikationen gebildet, die außerhalb der Kontrolle dieses Berichts liegen. Dieser Bericht ist sowohl zeitlich als auch ressourcenmäßig begrenzt. Darüber hinaus werden in dieser Studie Personen in einem wettbewerbsintensiven Markt befragt, was das Risiko birgt, dass die Befragten voreingenommen sind oder nicht bereit sind, alle Aspekte des Wissens ihres Unternehmens zu teilen. Da es sich um eine neuartige Technologie handelt, besteht die Gefahr, dass das Wissen über die Technologie sowohl in der Literatur als auch bei den Befragten begrenzt ist (siehe Kapitel 5.6 Forschungsqualität, Validität und Reliabilität).1.5 EinschränkungenDie Einschränkungen zielen darauf ab, den Umfang der Studie zu begrenzen. Erstens wird sich diese Studie ausschließlich auf das Elektrizitätssystem konzentrieren; daher bezieht sich der Begriff "Energie" in diesem Bericht auf Elektrizität und schließt Wärme, Öl und Gas aus. Die Studie konzentriert sich hauptsächlich auf das schwedische Elektrizitätssystem, da die überwiegende Mehrheit der Befragten entweder auf dem schwedischen Elektrizitätsmarkt tätig ist oder über Kenntnisse über das schwedische Elektrizitätssystem verfügt. Aus zeitlichen Gründen ist die Anzahl der Interviews begrenzt, und bei den meisten Interviews wird nur eine Person pro Unternehmen befragt.Bei der Analyse der Blockchain werden nur die Merkmale und die potenziell wertschöpfenden Anwendungen der Technologie in den Bewertungen berücksichtigt. In Anbetracht der Neuartigkeit der Technologie wurde beschlossen, technische Vergleiche zwischen verschiedenen Distributed-Ledger-Technologien (DLT) sowie die Rentabilität und die finanziellen Ergebnisse auszuschließen. 131.6AufteilungDie Studie ist in vier Hauptabschnitte unterteilt: Einleitung, Konzept, Ergebnisse und Analyse. Die Gliederung der Arbeit ist in Abbildung 1 zu sehenAbbildung 1: Gliederung der ArbeitKapitel 2, Das Elektrizitätssystem stellt das aktuelle Elektrizitätssystem in Schweden vor und beschreibt die wichtigsten Teile und Funktionen des Systems. Das Kapitel endet mit einem Ausblick auf zukünftige Trends und Vorhersagen.Kapitel 3, BlockchainErklärt die zugrundeliegenden Komponenten, Konzepte und Technologien, die für Blockchain einzigartig sind. Anschließend konzentriert sich dieses Kapitel ausschließlich auf die Blockchain und lässt das Stromsystem außen vor.Kapitel 4, Theoretischer Rahmenbeschreibt den mehrstufigen perspektivischen Rahmen, den die Arbeit in den Analysekapiteln angewandt hat. Der Rahmen wird als Ganzes beschrieben, und die verschiedenen Abschnitte des Kapitels bieten ein umfassendes Verständnis dafür, wie der Rahmen angewandt wird.Kapitel 5, Methodik bietet ausführliche Erklärungen und Motivationen für die gewählten Methoden, die in der Studie verwendet wurden, sowie eine Bewertung der Qualität, Gültigkeit und Zuverlässigkeit der Forschung.Kapitel 6, Erkenntnisse aus der Literaturrecherche stellt die Erkenntnisse aus der Literaturrecherche in Bezug auf Blockchain im Stromsystem dar. Dieses Kapitel beginnt mit einer Untersuchung EinleitungKonzeptFundstückeAnalyse2.DasElektrizitätssystem3.Blockchain4.TheoretischerRahmen5.Methodik6.FundstückeausderLiteraturübersicht7.EmpirischeFundstücke8.Analyse&Diskussion9.Schlussfolgerung10.VorschlägefürkünftigeArbeiten 14 der Werteigenschaften von Blockchain und endet mit einer Zusammenfassung der systematischen Literaturübersicht über die Anwendung von Blockchain auf das Elektrizitätssystem in früheren Studien.Kapitel 7, Empirische Erkenntnisse, beschreibt die Erkenntnisse aus den qualitativen Interviews, Berichten und der quantitativen Umfrage. Kapitel sechs und sieben bilden die Grundlage für die Analyse in den folgenden Kapiteln.Kapitel 8, Analyse und Diskussion, führt die qualitativen und quantitativen Ergebnisse zusammen und bewertet die Ergebnisse anhand des theoretischen Rahmens.Kapitel 9, Schlussfolgerungen, fasst die Ergebnisse der Studie zusammen und zieht eine Schlussfolgerung über das Wertschöpfungspotenzial von Blockchain im zukünftigen schwedischen Elektrizitätssystem.Kapitel 10, Vorschläge für künftige Arbeiten, schließt die Studie mit Vorschlägen zu Themen ab, die für eine weitere Analyse und Untersuchung interessant wären.2 Das ElektrizitätssystemKapitel 2 stellt den aktuellen Zustand des Elektrizitätssystems in Schweden dar und beschreibt die wichtigsten Teile und Funktionen des Systems. Das Kapitel endet mit einem Ausblick auf künftige Trends und Prognosen.2.1Wertschöpfungskette der ElektrizitätDie Wertschöpfungskette der Elektrizität kann in sechs aufeinanderfolgende Prozesse unterteilt werden: Erzeugung, Handel, Übertragung, Verteilung, Messung und schließlich Verbrauch. Die drei zentralen Austauschprozesse in der elektrischen Wertschöpfungskette sind: Physischer Fluss (Strom/Energie), Informationsfluss und Geldfluss. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, verläuft der physische Fluss stromabwärts, während der Geldfluss stromaufwärts verläuft. Der physische Fluss und die Wertschöpfungskette beginnen mit der Stromerzeugung, bei der Strom von Stromerzeugern in das Netz eingespeist wird. Dies geschieht hauptsächlich durch große Energieerzeuger, die Strom in das nationale Übertragungsnetz einspeisen. Die Erzeugung kann auch in kleinerem Maßstab auf der Verteilungsebene erfolgen, z. B. durch Windparks, Wärmekraftwerke und Solaranlagen. Der Stromtransport erfolgt über das Übertragungs- und Verteilungsnetz, das die Verbraucher mit Strom versorgt. Der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) und der Verteilernetzbetreiber (VNB) sind jeweils für den Transport des Stroms von der Erzeugungsquelle bis zum Endverbraucher verantwortlich und haften folglich für Stromverluste, wenn diese auftreten. Sowohl die ÜNB als auch die VNB sind auch für die Messung verantwortlich, was bedeutet, dass sie den Verbrauch und die Erzeugung aller an ihr Netz angeschlossenen Verbraucher und Erzeuger messen müssen (Söder & Amelin, 2011). Sie können den Strom entweder selbst produzieren und später an ihre Endkunden verkaufen oder als Einzelhändler fungieren und den Strom von den Erzeugern kaufen und dann an ihre Endkunden verkaufen. Der Endkunde kann seinen Stromlieferanten frei wählen, wobei die Wahl auf 1) den von den Lieferanten angebotenen Preisen (fest oder variabel) und 2) der Höhe der Strompreise oder der Art des Stroms (grün oder grau) beruht. Die Stromversorger fungieren folglich als Bindeglied zwischen Produktion und Verbrauch 15 und sorgen so dafür, dass sich die Geldströme in der Wertschöpfungskette umgekehrt zum Strom bewegen (Amber, 2017). Historisch gesehen haben sich die Strom- und Geldströme immer linear und in eine Richtung bewegt, wie Abbildung 2 zeigt.Abbildung 2: Wertschöpfungskette Strom (modifiziert aus (Edeland und Mörk, 2018))2.2StrommarktDas Ziel des Stromhandels ist es, zu gewährleisten, dass die Verbraucher für die genaue verbrauchte Strommenge zahlen und die Erzeuger für den von ihnen erzeugten Strom wirtschaftlich entlohnt werden. Da elektrische Energie nicht im Netz gespeichert werden kann (ohne technologische Lösungen wie Batterien oder Staudämme), muss das System immer ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last aufweisen (wobei das Angebot der Nachfrage entspricht).Außerdem sind die Netzakteure gezwungen, Netztarife zu zahlen, um die Investitions- und Instandhaltungskosten des Netzes zu decken.Da das Stromsystem zu einem großen Teil von automatischen Kontrollsystemen betrieben wird, die jede Sekunde große Mengen an Transaktionen verarbeiten, können die Zahlungen nicht in Echtzeit erfolgen. Um dieses Problem zu lösen, können Handelsperioden mit beliebiger Länge gewählt werden, und für jede dieser Perioden wird der Strompreis festgelegt. In Schweden beträgt die Handelsperiode eine Stunde, aber die Periode unterscheidet sich von Land zu Land, in Australien beträgt die Handelsperiode nur fünf Minuten (IRENA, 2019a). Folglich gibt es in Schweden 24 verschiedene stündliche Strompreise (Spotpreis in Cent/kWh), die auf vier verschiedene geografische Preiszonen aufgeteilt sind, was zu 96 verschiedenen Spotpreisen pro Tag an der Strombörse führt (Söder & Amelin, 2011).Der Strommarkt ist dynamisch, und das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage bestimmt den Preis. Verschiedene Faktoren wie das Wetter oder Kraftwerke, die nicht mit voller Kapazität Strom erzeugen, wirken sich folglich auf den Preis aus. Etwa 85 % des gesamten Stroms, der in den nordischen Ländern verbraucht wird, wird an der Energiebörse Nordpool gehandelt. Wenn die Energie nicht an einer Börse gehandelt wird, kann sie bilateral über Makler im so genannten Over-the-Counter-Handel gehandelt werden. Auf dem Energiemarkt gibt es mehrere Produkte, von denen die gängigsten sind: der Day- 16ahead-Markt, der Intraday-Markt, der langfristige Markt und der Ausgleichsmarkt. Für langfristige Verträge werden finanzielle Vereinbarungen in Form von Terminderivaten in der Regel an der Nasdaq OMX gehandelt (EI, 2017). Da weder Verbraucher noch Erzeuger im Voraus wissen, wie viel Strom sie verbrauchen bzw. produzieren werden, ist es mehr oder weniger unvermeidlich, dass der über das Netz übertragene Strom von der ursprünglichen Prognose abweicht. Diese Abweichungen werden durch den Netzbetreiber und automatische Regelsysteme physikalisch ausgeglichen, die Abweichungen müssen jedoch ökonomisch berücksichtigt werden. Der für diesen finanziellen Ausgleich verantwortliche Akteur wird als Bilanzkreisverantwortlicher (BRP) bezeichnet, und alle Marktteilnehmer am Stromhandelsmarkt müssen einen BRP haben. Für Privathaushalte ist es üblich, dass ihr Einzelhändler die Bilanzverantwortung übernimmt, da es für einen durchschnittlichen Privathaushalt schwierig wäre, seine Bilanz zu verwalten (Söder & Amelin, 2011). In Abbildung 3 ist eine Visualisierung eines vereinfachten Strommarktes dargestellt.Abbildung 3:Strommarkt (Söder & Amelin, 2011)2.3Übertragung und VerteilungDas Stromnetz wird häufig in zwei Kategorien unterteilt: Übertragung und Verteilung. In Schweden ist das Netz jedoch in drei hierarchische Top-down-Kategorien unterteilt: Übertragung, regionales und lokales Netz, wobei das regionale und lokale Netz als Verteilungsnetz fungiert. Das Übertragungsnetz ist mit den großen Energieerzeugern verbunden und hat die höchste Spannung, die zwischen 220 kV und 400 kV liegt, und überträgt den Strom über weite Strecken. Das Übertragungsnetz wird von dem schwedischen Übertragungsnetzbetreiber Svenska kraftnät (SVK) unterhalten. Die Hauptaufgaben von SVK bestehen darin, die Stromversorgung jederzeit sicherzustellen und die Netzstabilisierung zu gewährleisten (Svenska Kraftnät, 2020). Das regionale Netz verbindet das Übertragungsnetz mit den lokalen Netzen, den Erzeugungsanlagen (wie Wärmekraftwerken, Wasserkraftwerken und Windparks) und den größeren stromintensiven Industrien (z. B. Papierfabriken, Schmelzhütten und Bergbau). Das regionale Netz funktioniert hauptsächlich 17zwischen 20 kV und 130 kV, und der Großteil des regionalen Netzes befindet sich im Besitz der drei Verteilernetzbetreiber: E.ON, Vattenfall und Ellevio (PWC, 2018). Das lokale Netz überträgt Strom aus dem regionalen Netz an die Endverbraucher, z. B. Wohnhäuser und Büros. Auch Strom aus relativ kleinen Produktionsstätten kann über das Ortsnetz übertragen werden, sofern die Spannung zwischen 20 kV und 0,4 kV liegt. In Schweden gibt es 170 DSOs, die Eigentümer und Betreiber der regionalen und lokalen Netze sind, wobei 129 dieser Unternehmen kommunale Unternehmen sind (IVA, 2017). Die VNB sind für die Wartung des regionalen und lokalen Netzes sowie für die Übertragung des Stroms vom Übertragungsnetz zum Endverbraucher verantwortlich. Der Begriff Verteilnetz wird im weiteren Verlauf des Berichts verwendet und umfasst dementsprechend sowohl das regionale als auch das lokale Netz. 2.4FrequenzregelungDa elektrische Energie nicht als Strom im Netz gespeichert werden kann, muss immer ein Gleichgewicht zwischen dem Stromverbrauch (Last) und der Stromerzeugung im Stromnetz bestehen. Um dieses Gleichgewicht zu gewährleisten, werden automatische Steuerungen eingesetzt, die diese Ungleichgewichte umgehend (innerhalb von Sekunden) ausgleichen. In einer Synchronmaschine ist in den Rotoren, die mit der Turbinenwelle verbunden sind, Rotationsenergie gespeichert; wenn also der Stromverbrauch steigt, wird die Rotationsenergie genutzt, um die erhöhte Last zu kompensieren. Wenn die Rotationsenergie zur Energieerzeugung verwendet wird, verlieren die Rotoren an Geschwindigkeit, und die Frequenz in der Maschine und im Netz sinkt. Solange die Erzeugung geringer ist als die Last, wird die Frequenz weiter sinken, da die Rotationsenergie in Strom umgewandelt wird. Wenn die Erzeugung gleich der Last ist, d. h. ein Gleichgewicht besteht, stabilisiert sich die Frequenz, d. h. sie sinkt auf ein niedrigeres Niveau als ursprünglich. Es besteht eine starke Korrelation zwischen der Frequenz und der Rotordrehzahl von Synchronmaschinen, d. h. alle Synchronmaschinen haben die gleiche Rotordrehzahl und die Frequenz ist im gesamten Synchronnetz gleich (Söder & Amelin, 2011).Wenn die Stromerzeugung aufgrund eines Stromausfalls sinkt oder ein Windstillstand auftritt (bei Windkraftanlagen), kommt es zu demselben Vorgang: Die Frequenz sinkt und stabilisiert sich später auf einem niedrigeren Niveau als dem ursprünglichen. Anschließend würde die Frequenz im Netz ansteigen, wenn der Wind plötzlich zunimmt oder wenn die Stromlast abnimmt. Die Frequenz würde weiter ansteigen, bis das System insgesamt weniger Strom erzeugt und schließlich so viel Strom erzeugt wie die Last, d. h. wenn das Angebot der Nachfrage entspricht. In Schweden ist die SVK für die Frequenzregelung zuständig, wobei eine Frequenz von genau 50 Hz angestrebt wird. Im Normalbetrieb liegt die Frequenz zwischen 49,9-50,1 Hz und die Störungsreserve zwischen 49,5-49,9 Hz. Wenn die Frequenz von 50 Hz abweicht, ist die SVK verpflichtet, das Stromsystem auszugleichen und Reserven von der BRP zu kaufen. Diese Reserven können sich entweder aus Produktionseinheiten oder aus Einheiten zusammensetzen, die ihren Stromverbrauch anpassen können. Die BRP stellen sicher, dass die Stromlieferanten so viel Strom liefern, wie ihre Kunden verbrauchen. Allerdings gelingt es den BRP nur selten, Angebot und Nachfrage in jeder Sekunde auszugleichen, so dass die SVK in diesen Fällen eingreifen muss. Um das System zu stabilisieren, kauft oder verkauft die SVK Um das System zu stabilisieren, kauft oder verkauft SVK Strom, um ein Gleichgewicht herzustellen, und die Partei, die das Ungleichgewicht verursacht, muss SVK die Kosten für die Wiederherstellung des Gleichgewichts im Rahmen einer so genannten Ausgleichszahlung zahlen (Svenska Kraftnät, 2016).2.5StrommixDie Stromerzeugung in Schweden besteht hauptsächlich aus Wasser- und Kernkraft, mit kleineren Anteilen an Windkraft und abfall- oder biomassebetriebener Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sowie einem kleinen, aber wachsenden Anteil an Solarenergie. Im Jahr 2018 setzte sich der schwedische Strommix aus 41 % Kernkraft, 39 % Wasserkraft, 10 % Windkraft, 10 % KWK und 0,3 % Solarenergie zusammen. Der Anteil fossiler Brennstoffe ist gering, da sie in Reservekraftwerken vorgehalten werden, die vor allem zur Deckung von Spitzenlasten an kalten Wintertagen eingesetzt werden. Schwedens Stromerzeugung verursacht daher relativ geringe CO2-Emissionen (Schwedische Energieagentur, 2020).Abbildung 4: Stromerzeugung in Schweden 2018 in TWh (SCB, 2020)Der Strom in Schweden wird am NordPool Spot gehandelt, wo er auch grenzüberschreitend gehandelt werden kann. Das Netz ist mit sechs anderen Ländern verbunden: Finnland, Norwegen, Dänemark, Polen, Deutschland und Litauen, und der Strom kann direkt über alle diese Grenzen hinweg und in beide Richtungen gehandelt werden (Olsson, 2019). Schweden ist auf jährlicher Basis ein Nettoexporteur von Strom, und im Jahr 2018 exportierte das nationale System 11 % des gesamten erzeugten Stroms (SCB, 2020). Der derzeitige Strommix in Schweden bietet eine sichere und flexible Erzeugung. Die Kernkraftwerke können zu jeder Tageszeit eine bestimmte Strommenge erzeugen, und mit Ausnahme von Kraftwerksausfällen kennt das System genau die Strommenge, die pro Sekunde erzeugt wird. Die Erzeugung in Wasserkraftwerken kann schnell angepasst werden, um dem Netz Flexibilität zu verleihen. Wenn die Last steigt oder die Windenergie nachlässt, können Wasserkraftwerke ihre Produktion schnell erhöhen, um das Stromsystem auszugleichen. Die Energie aus Wasserkraft kann auch gespeichert und später genutzt werden, wenn die Produktion aus anderen Kraftwerken die Nachfrage im Moment deckt (Huuki et al., 2020). 192.6 Zukünftige StromtrendsDas derzeitige schwedische Stromnetz ist für die Energieerzeugung in großem Maßstab ausgelegt. In den 1950er Jahren wurde das Netz ausgebaut, um den Ausbau der Wasserkraft zu bewältigen, und in den 1980er Jahren wurde die Kernenergie in das Netz aufgenommen, so dass die beiden Stromquellen heute etwa 80 % der gesamten Stromerzeugung in Schweden ausmachen. Beide Stromquellen bieten eine großtechnische Erzeugung und Größenvorteile an den Produktionsstandorten. Aufgrund der ökologischen und topografischen Bedingungen ist die Wasserkraft im nördlichen Teil Schwedens angesiedelt, während die Kernkraft an den Küsten im Zentrum des Landes zu finden ist (IVA, 2016). Zukünftige Trends deuten auf einen Anstieg der Stromnachfrage, eine verstärkte Erzeugung aus erneuerbaren Energien wie Wind-, Solar- und Biostrom sowie auf eine Dezentralisierung des Systems und eine stärkere Einbeziehung digitaler Werkzeuge in das Netz hin (Lezhniuk et al., 2019).2.6.1 Perspektive der KernenergieIm Jahr 2016 einigten sich fünf Parteien im schwedischen Parlament auf eine langfristige Energiepolitik (Energiöverenskommelsen), die besagt, dass die schwedische Stromerzeugung bis 2045 zu 100 % aus erneuerbaren Quellen stammen soll. Eines der Ziele des Energiöverkommelsen war der Ausstieg aus der Kernkraft in Schweden (Regeringskansliet, 2016). Ende 2019 beschlossen jedoch zwei Parteien des schwedischen Parlaments, aus der Vereinbarung auszusteigen, da es Unstimmigkeiten über den Ausstieg aus der Kernenergie gab (Vattenfall, 2019). Da die Kernenergie heute einen großen Anteil an der gesamten Stromerzeugung hat, ist die Frage nach dem Fortbestand der Kernenergie von Bedeutung, wenn es darum geht, die Zukunft der Stromerzeugung vorherzusagen (SCB, 2020). 2.6.2DekarbonisierungZwischen 2000 und 2018 ist die installierte Windkraft in Schweden um 7.059 MW gestiegen, was einem Wachstum von mehr als 2.900 % entspricht (Energimyndigheten, 2019). In einem Bericht des North European Energy Perspectives Project (NEPP) und Energiföretagen Sverige aus dem Jahr 2019 wurden drei Zukunftsszenarien für die schwedische Stromerzeugung modelliert (zentralisierte erneuerbare Energien, dezentralisierte erneuerbare Energien und erneuerbare Energien und Kernkraft). Der Bericht kam zu dem Schluss, dass selbst wenn Schweden seine Kernkraftwerke beibehalten würde, der Ausbau von Windkraftanlagen weiterhin erforderlich wäre. 20Abbildung 5: Installierte Windkraft in Schweden (Energimyndigheten, 2019)Erneuerbare Energien wie Windkraft und Photovoltaik ermöglichen den Übergang zu einem fossilfreien Stromsystem. EE sind intermittierend, was bedeutet, dass das System seine Erzeugung nicht steuern kann, da sie wetterabhängig ist. Der Aufbau eines Systems, das sich auf erneuerbare Energien stützt, ist daher eine Herausforderung, da diese immer unbeständiger werden. Die intermittierende Erzeugung macht es schwieriger, das Stromangebot vorherzusagen, und kann zu schwankenden Preisen führen. Im Winter 2020 wurde der Strompreis auf dem schwedischen Strommarkt Nord Pool negativ, da das Stromangebot in diesen vier Stunden aufgrund eines Sturms größer war als die Nachfrage, so dass die Akteure für den Stromverbrauch bezahlt wurden (Nord Pool, 2020). Das Risiko niedrigerer Strompreise kann langfristig die Rentabilität von Kraftwerken verringern und sogar Investitionen in neue Anlagen für erneuerbare Energien verhindern (IVA, 2015). Andererseits können die Strompreise an kalten und bewölkten Tagen, an denen es an Wind mangelt, höher werden. Die zunehmende Durchdringung des Systems mit erneuerbaren Energien erhöht den Bedarf an flexiblen Lösungen, die die Stromversorgung unterstützen können, wenn die Erzeugung aus erneuerbaren Energien gering ist. Potenzielle Flexibilitätslösungen können entweder flexible Produktionsstandorte (z. B. Gasturbinen und Wasserkraft), Energiespeicher (z. B. Staudämme und Batterien) oder eine flexible Nachfrage (Demand Response) sein (NEPP, 2019).2.6.3ElektrifizierungDie Entwicklung des Stromverbrauchs beeinflusst das schwedische Elektrizitätssystem auf verschiedene Weise und wird hauptsächlich von der Industrie und der Elektrifizierung des Transportsektors angetrieben. Eine Prognose von Sweco, IVL und Profu zeigt, dass die Stromnachfrage in Schweden aufgrund des Elektrifizierungstrends bis zum Jahr 2045 um 32 % steigen wird (NEPP, 2019).Installierte Windkraft in Schweden (MW)Installierte MW020004000600080002000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018 21Tabelle 1:Strombedarf in TWh ohne Verluste in verschiedenen Sektoren in Schweden für den Zeitraum 2020-2045 (NEPP, 2019)202020252030203520402045Wohngebäude222324242424Gewerbe343638394143Heizung201918171615Industrie546063667576Verkehr4507101519Summe1341881501561711772. 6.3.1VerkehrssektorDie Elektrifizierung des Verkehrssektors bedeutet, dass die Zahl der batteriebetriebenen Fahrzeuge oder der Fahrzeuge, die über elektrifizierte Straßen kontinuierlich mit Strom versorgt werden, steigt. Elektrifizierte Straßen würden eine neue Infrastruktur entlang der schwedischen Straßen erfordern, während die Entwicklung batteriebetriebener Fahrzeuge einen Ausbau der Ladeinfrastruktur durch die Bereitstellung von Ladestationen im Land erfordern würde. Mit mehr E-Fahrzeugen im Verkehrssektor könnte sich die primäre Energiequelle von Benzin und Diesel auf Strom verlagern, und da Strom aus fossilfreien Energiequellen erzeugt wird, würden die Kohlenstoffemissionen sinken (Fridell et al., 2019). 2.6.3.2 Industrie Schwedens Industrie wird sich ebenfalls auf das Netz auswirken. Schweden lockt derzeit ausländische Unternehmen an, indem es die Möglichkeit bietet, Rechenzentren einzurichten, die mit billigem und fossilfreiem Strom versorgt werden. Mehrere Industriezweige arbeiten auch an der Elektrifizierung ihrer Produktionsprozesse, wobei das Projekt HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) eines der bekanntesten ist. Das HYBRIT-Projekt zielt darauf ab, fossilfreien Stahl mit Wasserstoff zu produzieren, was den Stromverbrauch um 15 TWh/Jahr erhöhen würde, was 11 % des gesamten schwedischen Stromverbrauchs 2018 entspricht (NEPP, 2019).2.6.3.3UrbanisierungWie aus Tabelle 1 ersichtlich, wird die Stromnachfrage für Wohngebäude nicht stark ansteigen.Wie viele Teile der Welt nimmt Schweden am Urbanisierungstrend teil. Die Bevölkerung konzentriert sich hauptsächlich auf Stockholm, Göteborg und Malmö und deren Vororte. Ende 2018 lebten 87 % der schwedischen Bevölkerung in einem städtischen Gebiet, und in den letzten 100 Jahren ist die Bevölkerung in nicht-städtischen Gebieten um 900.000 zurückgegangen (SCB, 2019). 2.6.4DigitalisierungDigitale Technologien gewinnen jedes Jahr an Bedeutung und werden in verschiedene Bereiche der Gesellschaft integriert. Im Elektrizitätssystem können digitale Technologien in mehrfacher Hinsicht hilfreich sein, u. a. durch einen verbesserten Betrieb, die Überwachung und Wartung von EE-Anlagen in Echtzeit, die Umsetzung neuartiger Marktdesigns und die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle.IRENA stellt fest, dass die drei 22Digitale Technologien: Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und Blockchain gehören zu den interessantesten Technologien für die Integration erneuerbarer Energien (IRENA, 2019c).Im Fall von Blockchain ist die am häufigsten genannte Fähigkeit, die die Technologie bieten kann, die Möglichkeit, ein dezentrales Peer-to-Peer (P2P)-Handelssystem zu schaffen sowie Daten auf effiziente, sichere und transparente Weise zu speichern. Die Technologie hat folglich das Potenzial, die Betriebskosten zu minimieren, indem sie den Zwischenhändler ausschaltet und eine neue Einnahmequelle für Prosumenten bietet (Verbraucher, die ihren eigenen Strom verkaufen und produzieren können, indem sie beispielsweise eine Photovoltaikanlage auf dem Dach haben). Read Less