Berliner Eergietage, Vortrag, Dipl.-Ing. Volker Knack, 25. Mai 2012

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1 place picture here Berliner Eergietage, Vortrag, Dipl.-Ing. Volker Knack, 25. Mai 2012 Smart Grids- Lösungsbeitrag für ein nachhaltiges Energiesystem 6/6/2012 Enter filename via "View - Header and Footer...". Apply to all. 1

2 Das Umfeld der elektrischen Energieversorgung Folie 2

3 Anforderungen an die Elektrizitätsversorgung Entwicklung in Deutschland im 20. Jahrhundert Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Zuverlässigkeit ausreichend (Energie, Kapital) gesellschaftspolitisch vertretbar Kernkraftausstieg Verbundbildung, neue Verbraucher zuverlässig preisgünstig Großkraftwerke, europäisches Höchstspannungsnetz Kernkraftausbau umweltfreundlich primärenergieschonend Folie 3

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

5 Die Evolution zum Smart Grid Traditionelles Netz Zentrale Stromerzeugung Eine Lastflussrichtung Lastgeführter Erzeugungsbetrieb Top-down-Planung des Betriebs Betriebsplanung mit historischen Daten Smart Grid Zentrale und dezentrale Erzeugung Multi-direktionaler Lastfluss Verbrauch in Systemführung integriert Betriebsplanung mit Echtzeitdaten Folie 5

6 Stromverbraucher Standardisierungsgremien Erneuerbare Energien und Smart Grid Einflussnehmer und Teilnehmer Politische Führung Smart Grid zum Erreichen politischer Ziele Ministerien und Parlament Regulierungsbehörden Energieversorgungsunternehmen Investitionsrahmen Technologieanbieter Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 6

7 Ausbau erneuerbarer Energiequellen in Deutschland Grundlegende Veränderung im Erzeugungsmix 29 GW Windleistung < Ende 2011 > 25 GW PV-Leistung Lastspitze: MW Ziel: über 35 % des Strom in Deutschland aus erneuerbaren Quellen im Jahr 2020 erzeugen Stand Juni 2011: ca. 20 % (Quelle: BDEW) Bayern : PV Anlangen in mit 7000 MW Leistung Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 7

8 Erwartete Entwicklung der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis zum Jahr 2030 nach Sparten Quelle: Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, Juni Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 8

9 Konsequenzen für die elektrische Energieversorgung Folie 9

10 Die deutsche Energiewende Veränderungen in der Stromerzeugung 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 Erzeugung Windenergie Sonnenenergie Folie 10

11 Netzanschluss von Offshore-Windenergieanlagen in der deutschen Nord See Geplante und zukünftige HVDC Projekte BorWin2 (800MW) DolWin1 (800MW) SylWin HelWin1(576MW) BorWin HelWin SylWin1 ( MW) BorWin3 (800 MW)) HelWin2 ( MW) DolWin2 ( MW DolWin BorWin 4 ( MW) Sylwin 2 ( MW) DolWin 3 ( MW) Folie 11

12 Überregionaler Ausgleich erneuerbarer Quellen Desertec Quelle: Desertec Foundation Folie 12

13 Erneuerbare Energie aus volatilen Quellen Lösungsansatz Energiespeicher? Lastverlauf Windleistung (Prognose) Pumpspeicher in Deutschland MW MWh Quelle: IfR, TU Braunschweig (aus VDE-Studie) Situation im Übertragungsnetz der Vattenfall Europe im Februar Folie 13

14 Einfluss von Windenergie im 50Hertz Übertragungsnetz zwischen 1. und 31 Oktober 2010 Quelle: 50Hertz Folie 14

15 Auswirkungen der Windenergie im Netz 1. Abweichungen der Erzeugung von der Prognose 2. Fluktuation, z.b. Flaute 3. Gradient der Erzeugungsänderung 4. Erzeugung größer als Verbrauch Folie 15

16 Nachhaltige Integration und Nutzung Erneuerbaren Energien im Energiesystem Netzausbau (lokal) Netzausbau auf europäischer Ebene zur Verbindung von Last- und Erzeugungszentren (inkl. Nordafrika) Lastmanagement (insbesondere Nutzung thermischer Speicherkapazitäten) Erzeugungsmanagement (auch bei KWK-Anlagen) Mitnutzung von Speichern in Anwendungen, in denen sie ohnehin benötigt werden, z.b. thermische Speicher: Heizung, Klimatisierung, Industrieprozesse Batterien in Elektroautos Smart Grids Folie 16

17 Steigerung der Nachhaltigkeit mittels Auswahl optimaler Smart Grid Technologien und Lösungen Herausforderung konv. Erzeugung Übertragung Verteilung Betriebsführung Anwendung Verbrauchs -ferne Erzeugung Fernübertragung Overlay-Netz Dezentrale Erzeugung Fernüberwachung & -steuerung Spannungshaltung Kommunikationsinfrastruktur Steuerung Fehlerortung Volatile Erzeugung Höhere Flexibilität Teillastfähigkeit Überregionaler Ausgleich Overlay-Netz Großspeicher Verteilte Speicher Lastbeeinflussung Virtuelle Kraftwerke Anwendungsnahe Speicher Lastbeeinflussung Flexible Stromtarif Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 17

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19 Exemplarische Lösungen und Technologien für das Smart Grid Folie 19

20 Lastferne Erzeugung Stromautobahnen mit Gleichstrom 10 GW X X X 3 GW Drehstrom: + günstig, bekannte Technologie - Freileitungen, Blindleistungsbedarf Gleichstrom: + geringe Übertragungsverluste, - Umrichter benötigt, teurer Quelle: BMU, ETG X X X X X HGÜ-Umrichter (IGBT-basiert): 1200 MW, 320 kv schwarzstartfähig Leistungsschalter: niedrige Impedanz -> schnelle Schaltzeit Strom-Nulldurchgang erzeugen Folie 20

21 Klassische HGÜ Projektbeispiel UHVDC-Verbindung Xiangjiaba Shanghai, China Nutzung der Wasserkraft zur Stromerzeugung in großer Entfernung von den Verbrauchszentren (Shanghai). Kompaktheit: 40 % weniger Landverbrauch als bei einer Drehstromübertragung 1-Phasen-Umrichter- Transformator. Nennscheinleistung: S N = 297 MVA Nennspannungen: U N = 515/158 kv Abmessungen: 10,85 x 3,5 x 4,85 m (L x B x H) Gewicht: 260 t 12 Stck. pro Pol km Kapazität: MW Ausführung: bipolare Übertragung DC-Spannung: ±800 kv DC-Strom: A Distanz: km Verluste: < 7 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ: Große Übertragungsdistanz Große Übertragungsleistung Folie 21

22 ABB HVDC-Light Technologie z.b. für die Netzanbindung von Offshore-Windparks HVDC-Lightz um verlustarmen Stromtransport über weite Strecken und unter Wasser Umweltfreundliche, da ölfreie VPE- Gleichstromkabel ABB HVDC Light Technolgie : Netzanbindung BorWin1: 125 km vor der Küste 400 MW Leistung mit ± 150kV Netzanbindung DolWin1 800 MW Leistung Spannung ± 320kV Netze unterschiedlicher Frequenz können verbunden und Instabilitäten entkoppelt werden Schlüsseltechnologie z.b. für Desertec Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 22

23 Smart Grids erfordern Flexibilität Lastfluss überwachen und steuern Wide-Area Monitoring Systeme (WAMS): Übertragung der Informationen über den Netzzustand an die Netzleitwarte z. B. via GPRS Rechtzeitiges Eingreifen bei Überlastungen des Netzes und Stromausfällen, wenn z.b. zu viel Windenergie eingespeist wird Flexible Wechselstrom-Übertragungs-Systeme (FACTS) ermöglichen optimalen elektrischen Energietransport. Bis zu 100% Steigerung der übertragenden Wirkleistung in bestehenden Netzen. Unterdrückung von Störungen und Steigerung der Netzstabilität Verbesserung der Spannungsqualität beim Verbraucher Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 23

24 Energiespeicher für Erneuerbare Energien z.b. DynaPeaQ SVC Light with Energy Storage Energiespeicher sind wichtig für die verlässliche Einbindung erneuerbarer Energien ins Stromnetz. Es kann überschüssige Energie zwischengespeichert und dann ins Netz eingespeist, wenn sie gebraucht wird. Blindleistungskompensation und Filterung von harmonischen Schwingungen Inselbetrieb Scharzstartfähigkeit DynaPeaQ Anwendungsbereich: 5 bis 60 Minuten 5 bis 50 MW Typisches Layout für 20 MW in 15 min +/- 30 Mvar kontinuierlich Folie 24

25 Energiespeicher im Smart Grid Versorgungsendpässe nahtlos überbrücken Energiespeicher sind wichtig für die verlässliche Einbindung erneuerbarer Energien ins Stromnetz Es kann überschüssige Energie zwischengespeichert und dann ins Netz eingespeist, wenn sie gebraucht wird. ABB lieferte das weltgrößte Speichersystem für elektrische Energie an Haushalte für 15 Minuten PCS and Battery Enclosures 500 kw PQ (30 seconds) 100 kw (720 kwh) Peak Shaving BESS Fairbanks, Alaska MW / 15 minutes 46 MW / 5 minutes Spinning Reserve Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 25

26 Lösungsansätze für das Verteilnetz Folie 26

27 Dezentrale Erzeugung Die Verteilebene ein Baustein im Smart Grid Höchstspannungsnetz 220 / 380 kv Dezentrale Erzeugung: Lastflussumkehr Hochspannungsnetz 60 / 110 kv Mittelspannungsnetz 10 / 20 / 30 kv Niederspannungsnetz 230 / 400 V Verteilnetz: Ansteuerung Erzeuger Kenntnis über Netzzustand Spannungshaltung konventioneller Lastfluss EE Lastfluss Folie 27

28 Im Smart Grid wird das Verteilnetz intelligenter Automatisierung von Ortsnetzstationen Unterstützung des Verteilnetzmanagements durch umfassende Überwachung und Automatisierung Übertragung von Daten zwischen den Fernwirkgeräten und dem Netzleitsystem in der Leitwarte Fehler-Früherkennung, Fehlerbehebung und übergreifender Schutz Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 28

29 Ertüchtigungspaket bestehende Stationen Messen und Fernmelden Ortsnetzstation (ONS) MS NS Diese Lösung trägt zur Optimierung der Betriebsmittel und zur Versorgungssicherheit bei: Innovative Messkonzepte zur einfachen und wirtschaftlichen Nachrüstung der bestehenden Stationen Wissen über die Netzauslastung erlaubt optimale Nutzung der Infrastruktur Schnelle Fehlererkennung und -ortung reduziert Ausfallzeiten Überwachter Betrieb der Kommunikationsstrecke zwischen Fernwirktechnik und Netzleitstelle Group März 2012 Folie Seite 29 29

30 Lösungen zur Spannungshaltung Übersicht Konventionell Netzverstärkung-, ausbau Spannungsregler Elektr. U-Regler vs. Stufenschalter Weitbereichs - Regelung Indirekt mittels Blindleistungsmanagement Cos - Regelung mittels DEA Statische Kompensationsanlagen P Q(U) G 3~ U U Folie 30

31 Innovative Lösung zur Spannungshaltung Elektronischer Spannungsregler Elektronischer Spannungsregler (Prinzipschaltbild) stationären Über- und Unterspannungen Niederspannungsanwendung (Ausführungsbeispiel) Schneller, flexibler Spannungsregler ohne Stufenschaltung für Mittel- und Niederspannungsnetze Basierend auf industriell erprobten Spannungsreglern mit IGBT-Technik Ausregelung von Spannungsunsymmetrien kurzzeitigen Spannungseinbrüchen Wirkungsgrad > 99 % January 8, 2012 Folie Slide 31 31

32 Vermarktung von Strom aus EE mittels virtueller Kraftwerke Folie 32

33 Virtuelles Kraftwerk - ABB Software zur Vermarktung dezentraler Erzeugungsanlagen Erzeugung Betriebsgrenzen der Anlagen Anfahrverhalten Thermische Last bei KWK-Einspeisung Bereits vermarktete Leistung EMS Nachfrage / Demand Side Management Anteil nicht verschiebbarer Last Zeitbeschränkungen der Lastverschiebung Deckung von Mindestnachfragen Freiheitsgrade Betriebspunkte der Anlagen Ausnutzung der Lastverschiebung Teilnahme an unterschiedlichen Märkten für Fahrplan- und Regelenergie Folie 33

34 Smart Home und die Rolle des Verbrauchers (auch in der Industrie) Folie 34

35 neue Verbindung in Smart Grids Kurzfristiger Ausgleich von Last und Erzeugung Smart Grid und Smart Home wachsen zusammen Smart Grid Smart Home Gebäudeautomation ABB Gateway Visualisierung, Aktorik elektronischer Zähler Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) Energietechnik Gebäudeautomatisierung Folie 35

36 Smart Metering die Komponenten im Zusammenspiel Übertragungseinheit Wasserzähler Multi Utility Controller Gaszähler Stromzähler Heizkostenverteiler Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 36

37 Zusammenfassung Smart Grids sind zentrale Voraussetzung zum erreichen eines nachhaltigen Energiesystems Implementierung von Smart Grids ist Evolution heute existierender Netze Viele Anforderungen wie verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit sind mit heute verfügbaren Produkten realisierbar Nachhaltigkeit wird den flexiblen, optimierten Einsatz der vorgestellten Technologien, Produkten und Lösungen erfordern. Ein Standardlösung wird nicht zu optimalen Ergebnissen führen Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 37

38 Ihre Fragen? Kontakt: ABB AG Volker Knack Marketing Manager Smart Grids Tel Smart Grid - Die nächste Evolutionsstufe der elektrischen Energieversorgung Folie 38

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