Smart Grids: Erfahrungen mit Pilotprojekten

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1 Dr.-Ing. Thomas Benz, VDE-Arbeitskreis Energietechnik, München, Smart Grids: Erfahrungen mit Pilotprojekten June 6, 2013 Slide 1

2 Neue Energie für Deutschland Ziele der Bundesregierung Quelle: Fortschritte für Deutschland. Halbzeitbilanz der Bundesregierung Entwicklung des Strommix Anteil an der Stromerzeugung in Prozent 100% Erneuerbare Energien 80% Fossile Brennstoffe Kernenergie 60% % 65 20% % June 6, 2013 Slide 2

3 Neue Energie für Deutschland VDE-Analyse des Energiekonzepts Leistung (GW) Bis 2020 muss das System zeitweise in der Lage sein, 100 % Lastdeckung aus erneuerbaren Energien zu ermöglichen. Erhöhung auf Energiekonzept andere Brennstoffe Geothermie Photovoltaik Biomasse Wind offshore Wind onshore Lauf- und Speicherwasser Lastspitze 2010 Mindestlast 2010 Quelle: VDE-Empfehlung Politische Handlungsfelder im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Elektrizitätsversorgung in Deutschland und Europa, Frankfurt/Main, 2011, Farbig: Weiß: Referenzszenario von Prognos/EWI/GWS geschätzte zusätzlich erforderliche, in Deutschland installierte Leistung zur Erreichung der Ziele aus dem Energiekonzept June 6, 2013 Slide 3

4 Neue Energie für Deutschland Die Lösung bis heute Drehstromsystem einfache Umwandlung von und in mechanische Energie einfache Spannungswandlung, Stromunterbrechung Frequenz als systemweite Führungsgröße Verbrauchsnahe Erzeugung wirtschaftlich: Primärenergietransport i.a. günstiger robust: kurze Leitungen, regionale Teilsysteme Lastführung des Versorgungssystems Erzeugung und Verbrauch müssen jederzeit ausgeglichen sein! Ausgleich fast ausschließlich auf der Erzeugungsseite Energiespeicherung bevorzugt auf Primärenergieseite June 6, 2013 Slide 4

5 Neue Energie für Deutschland Die wesentlichen Veränderungen Verbrauchsferne Erzeugung in großen Einheiten Windenergie, insbesondere Offshore Wasserkraft (Speicher) Alpen, Skandinavien Sonnenenergie Südeuropa, Nordafrika Dezentrale Erzeugung in kleinen Einheiten Photovoltaik Kraft-Wärme-Kopplung Volatile, dargebotsabhängige Erzeugung Windenergie Sonnenenergie Technische Auswirkungen in allen Bereichen: Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Anwendung, die letztlich zu einem grundlegend anderen Systemdesign führen werden. June 6, 2013 Slide 5

6 Neue Energie für Deutschland Konsequenzen für das Stromversorgungssystem Treiber konv. Erzeugung Verteilung Übertragung Betriebsführung Anwendung Lastferne Erzeugung FACTS 1 Ferntransporte Overlay-Netz/ HGÜ Stabilisierung mit FACTS 1 Dezentrale Erzeugung Automatisierung Spannungsregelung Kommunikation Steuerung virt. KW 2 Volatile, dargebotsabhängige Erzeugung Teillastfähigkeit Flexibilität überregionaler Ausgleich Overlay-Netz/ HGÜ Großspeicher dezentrale Speicher Lastmgmt. virt. KW 2 PMU/ WAMS 3 Speicher Lastmanagement Neue Verbraucher Ladeinfrastruktur Lastbeeinflussung June 6, 2013 Slide 6 1 FACTS: Flexible Drehstrom-Übertragungssysteme 2 virt. KW: virtuelle Kraftwerke 3 PMU/WAMS: Phasenmessung, Weitbereichsüberwachung

7 Konsequenzen für das Übertragungsnetz June 6, 2013 Slide 7

8 Herausforderung verbrauchsferne Erzeugung Wie kommt der Strom in den Süden? Installierte Erzeugungsleistung Wind (Offshore): MW bis 2022 Quelle: Netzentwicklungsplan Strom 2012 der Übertragungsnetzbetreiber 2022 Szenario B splan.de Bild: dena-netzstudie-ii, Bild: TenneT TSO GmbH Download: Bild: 50Hertz Offshore GmbH shore/de Download: June 6, 2013 Slide 8

9 Wie kommt der Strom in den Süden? Kapazitätserhöhung und -ergänzung Engpassbehebung im bestehenden Netz Blindleistungskompensation Phasenschieber-Transformatoren Leiterseiltemperatur-Monitoring Hochtemperaturleiterseile Situationsabhängige Lösungen, die Zeit bis zum Ausbau überbrücken können, den Ausbau aber nicht ersetzen. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Bewährte Technik für Leistungs-Ferntransporte Wirtschaftlich bei großen Entfernung (Basiskosten der Umrichterstationen) Mit Freileitungen und Kabeln einsetzbar Lösung für die Ergänzung der Übertragungsnetze à See, Ferntransporte (Overlay-Netz, Supergrid) June 6, 2013 Slide 9

10 Netzentwicklungsplan 2012 Bestätigte HGÜ-Trassen Nord-Süd-Übertragungskapazität: ~10 GW Quellen: Netzentwicklungsplan Strom 2012 der Übertragungsnetzbetreiber splan.de BNetzA, Bestätigung Netzentwicklungsplan Strom 2012, Emden/Borßum Osterath (320 km, 2 GW) Osterath Philippsburg (340 km, 2,4 GW) Ultranet (Amprion und TransnetBW), geplante Inbetriebnahme: 2017 Brunsbüttel Großgartach (770 km, 3,9 GW) Korridor C (TenneT TSO und TransnetBW), geplante Inbetriebnahme: Wilster Grafenrheinfeld Korridor C (TenneT TSO und TransnetBW), geplante Inbetriebnahme: Lauchstädt Meitingen (450 km, 2 GW) Korridor D (50Hertz Transmission und Amprion), geplante Inbetriebnahme: June 6, 2013 Slide 10

11 Konsequenzen für die Verteilungsnetze June 6, 2013 Slide 11

12 Konsequenzen für die Verteilungsnetze Übernahme bekannter Lösungen? Änderungen im Mengengerüst < Kraftwerke Þ > dezentrale Anlagen» automatisierte Stationen Þ Ortsnetzstationen wenig Lastbeeinflussung Þ bis zu Haushalte Funktionale Flexibilität Bisher: statisches, einfaches Funktionsmodell Zukünftig: sich entwickelnde Funktionalität Solar-Wechselrichter Lastmanagement dezentrale Speicher? Hier wird ein lernfähiges (erweiterbares) System mit möglichst geringem manuellem Pflegeaufwand benötigt. June 6, 2013 Slide 12

13 Konsequenzen für die Verteilungsnetze Umfassende Automatisierung erforderlich In der Vergangenheit: Spannungsanpassung zwischen Übertragung, Regional- und Primärverteilung Sekundärverteilung für wenige Lastfälle ausreichend Zukünftig: Dezentrale Erzeugung mit hohen Spitzen und niedriger Auslastung Möglicherweise viele mobile elektrische Verbraucher Konsequenzen für die Sekundärverteilung: Auslegung auf Spitzenlast unwirtschaftlich Spannungsregelung in der Sekundärverteilung Überwachung und Regelung erforderlich Wegen des Mengengerüsts ist das eine sehr grundlegende Änderung! June 6, 2013 Slide 13

14 Erfahrungen aus der Praxis Smart Grids Pilotprojekte mit ABB-Beteiligung in Deutschland ) Econnect Trier 2) Green2Store Oldenburg 3) GRID4EU Reken 4) MeRegio Freiamt ü 5) Smart Country Bitburg ü 6) RiesLing Wechingen 7) Smart Area Aachen ü abgeschlossen 4 June 6, 2013 Slide 14

15 Herausforderung dezentrale volatile Erzeugung Auswirkungen und Lösungen U DU nur Verbraucher mit dezentraler Einspeisung l Auswirkungen Größere Bandbreite an Betriebszuständen durch dezentrale Einspeisung Spannungshaltung in ländlichen Netzen zunehmend schwierig Erzeugung und Verbrauch nicht immer im Gleichgewicht Lösungen Spannungsregelung Sekundärverteilungsüberwachung Erzeugungs- und/oder Lastmanagement Speicher June 6, 2013 Slide 15

16 Spannungsregelung im Verteilungsnetz Pilotprojekt RiesLing Intelligente Ortsnetzstation, Wechingen (EnBW ODR), Einweihung am Netzleitstelle Messung von Betriebsgrößen Spannungen, Ströme Wirk- und Blindleistung Regeln und Fehlererkennung Spannungsregelung Schnelle Isolierung von Fehlern und Wiederherstellung der Versorgung June 6, 2013 Slide 16

17 Spannungsregelung im Verteilungsnetz Pilotprojekt Smart Country Elektronischer Spannungsregler (Prinzipschaltbild) stationären Über- und Unterspannungen, Niederspannungsanwendung (Ausführungsbeispiel) Schneller, flexibler Spannungsregler ohne Stufenschaltung für Mittel- und Niederspannungsnetze Einspeisung einer Zusatzspannung, z.b. auf der Sekundärseite eines Ortsnetztransformators Basierend auf IGBT-Technik Ausregelung von Spannungsunsymmetrien und kurzzeitigen Spannungseinbrüchen Wirkungsgrad > 99 % June 6, 2013 Slide 17

18 Spannungsregelung im Verteilungsnetz Messwerte an einer Ortsnetzstation Quelle: Projekt Smart Country, RWE Bezogene Phasenspannung [p.u.] 1,03 1,02 1,01 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 Eingangs- und ausgangsseitige Phasenspannung Eingang L1 Ausgang L Zeit [h] 24 June 6, 2013 Slide 18

19 Sekundärverteilungsüberwachung E-Energy-Projekt MeRegio Netzüberwachung und vorausschauender Netzbetrieb: Visualisierung der Verletzung der oberen Spannungsgrenze. Online-Zustandsschätzung für das Mittel- und Niederspannungsnetz auf Basis konventioneller Messungen und von Daten elektronischer Zähler Vorhersage von Knotenerzeugung und -verbrauch Engpasserkennung Identifizierung von Knoten mit höchster Engpasswahrscheinlichkeit, Klärung mit Hilfe eines Marktplatzes Visualisierung der Verletzung der unteren Spannungsgrenze. June 6, 2013 Slide 19

20 Lastmanagement Optionen für Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch ACHTUNG: Residuallast 1 kann bei hohem Anteil dargebotsabhängiger Einspeisung negativ werden! 1 Restnachfrage, die von regelbaren Kraftwerken gedeckt werden muss. Zeitbereich < 30 Sek. < 15 Min. 1 3 Tage Wochen Monate Aufgabe Momentanreserve, Ausgleich kurzfristiger Schwankungen Minutenreserve, Ausgleich kurzfristiger Schwankungen Ausgleich des Tagesgangs der Residuallast 1 Ausgleich des Jahresgangs der Residuallast 1 traditionelle Lösungen rotierende Masse der Kraftwerke Wasserkraftwerke Kraftwerke am Netz schnellstartbare KW Pumpspeicher Kraftwerke (Brennstofflager) Kraftwerke (Brennstofflager) Wasserspeicher (natürlicher Zufluss) zukünftige Lösungen Batteriespeicher EE-Anlagen? Lastmanagement? wie bisher Lastmanagement Batteriespeicher Pumpspeicher Lastmanagement (ausgewählte Anwendungen) Wasserspeicher (natürlicher Zufluss) Überregionaler Ausgleich June 6, 2013 Slide 20

21 Lastmanagement in der (Pilot-)Praxis E-Energy-Projekt MeRegio Unbeeinflusster Lastgang Lastgang mit Lastmanagement* Haushalte Industrie Handel LG1 LG2 LG3 Haushalte Industrie Handel LG1 LG2 LG Last [kw] Last [kw] Spitzenlast-Reduktion *Zwei Ansätze für Lastmanagement untersucht: Manuelle Beeinflussung auf Basis von Tarifinformationen Automatische Lastverschiebung mit Steuerbox und angeschlossenen Geräten (z.b. smarte Geschirrspüler oder stationäre Batterien) June 6, 2013 Slide 21

22 Lastmanagement in der (Pilot-)Praxis E-Energy-Projekt MeRegio, Forts. Prozentuale Lastreduzierung bei Wechsel der Preisstufe Verglichene Preisstufen Nach erster Begeisterung nimmt Lastverlagerungsbereitschaft ab, pendelt sich aber auf nennenswertem Niveau ein. Rechtliche und technische Hemmnisse: Keine dynamischen Tarife bei Haushaltskunden Standardlastprofile Kunden in den ersten drei Monaten Kunden nach drei Monaten Grün gegen rot % 7-12 % Grün gegen gelb % 4-7 % Gelb gegen rot 3-15 % 2-4 % Keine geeignete Kommunikationsinfrastruktur June 6, 2013 Slide 22

23 Lastmanagement Potentialschätzungen Quelle: VDE-Studie Ein notwendiger Baustein der Energiewende: Demand Side Integration. Lastverschiebungspotentiale in Deutschland, Frankfurt/Main, 2012, 1 GHD: Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Technisch nutzbares Potential in Deutschland (VDE, 2012): Haushalte GHD Leistung (GW) 2,6 1,4 Energie (TWh/a) 8,0 5, Leistung (GW) 3,8 1,7 Energie (TWh/a) 12,4 5, Leistung (GW) 6,0 1,8 Energie (TWh/a) 32,3 9,7 Zum Vergleich: Lastspitze ca. 80 GW, Jahresverbrauch rund 600 TWh Zunahme wg. Elektromobilität, Wärme, Klimatisierung Technische und rechtliche Rahmenbedingungen müssen angepasst werden Potential für Spitzenlastsenkung in den USA (EPRI): MW = 8 % im Jahr MW = 16 % im Jahr 2030 June 6, 2013 Slide 23

24 Dynamische, dezentrale Speichersysteme Beispiel: VSC-SVC mit Batteriespeicher (Prinzipschaltbild) Ausgleich bei fluktuierender Einspeisung (z.b. Wind- und Solarstrom ) Wirk- und Blindleistungsbereitstellung Spitzenlastabdeckung Spannungsregelung Ausführungsbeispiel (Quelle: ABB) Notstromversorgung bzw. Erhöhung der Versorgungssicherheit z.b. von Industriebetrieben und Server-Zentralen Inselbetrieb Schwarzstartfähigkeit June 6, 2013 Slide 24

25 Dynamische, dezentrale Speichersysteme Pilotprojekt Green2Store Marktdaten Akteure Energy Storage Cloud Wirtschaftliche Vermarktung des Speichers Meldung der Speicherfahrweise Wetterdaten Netzinformationen Lokale Messungen Prognose des Netzzustands Freie Speicherkapazität Netzbetriebsplanung, Ermittlung des erforderlichen Speichereinsatzes June 6, 2013 Slide 25

26 Smart Grids: Erfahrungen mit Pilotprojekten Fazit Traditionelle Netze Smart Grids Smart Grids sind der Schlüssel für die Energiewende in Deutschland Smart Grids bedeuten Beobachtbarkeit des gesamten Netzes bis zum Endverbraucher Einbeziehung der Last in die Systembetriebsführung Flexibilität in Übertragungs- und Verteilungsnetzen Smart Grids entwickeln sich durch umfassende Überwachung, Steuerung und Regelung Pilotanwendungen zur Entwicklung und Erprobung neuer Lösungen Aber: Rechtliche Rahmenbedingungen zur Finanzierung der Umbaumaßnahmen sind noch anzupassen June 6, 2013 Slide 26

27 VDE-Studien zum Thema Quelle: June 6, 2013 Slide 27

28 June 7, 2013 Slide 28