Wie leistungsfähig und flexibel ist unser Stromnetz? Klimawoche im Landkreis Traunstein Dr. Roland Hofer, Traunreut, 29.

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1 Wie leistungsfähig und flexibel ist unser Stromnetz? Klimawoche im Landkreis Traunstein Dr. Roland Hofer, Traunreut, 29. April 2013

2 Inhalt Einführung Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik Aktuelle Entwicklungen bei der Windenergie Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik Komponenten eines Smart Grid Fazit 2

4 Aufgabe des Stromnetzes Aufnahme der erzeugten Energie der Kraftwerke Transport der Energie in Richtung der Verbrauchsschwerpunkte Verteilung der Energie an jeden einzelnen Kunden 4

5 Struktur des heutigen Stromnetzes in Deutschland Großindustrie Kraftwerk 110/220kV 230/400V 110kV 110kV 20kV 20kV Schienenverkehr Industrie, Gewerbe, Büro- und Warenhäuser 400V Netz Übertragungsnetz: Höchstspannung 220 / 380 kv: km Verteilnetz: Hochspannung 110 kv: km Mittelspannung 20 kv u.a.: km Niederspannung 0,4 kv: km Quelle: BDEW 5 Kleinbetriebe Landwirtschaft Einzelhäuser

6 Dezentrale Erzeugung: Verteilnetze müssen Energie einsammeln Ausbau der Regenerativen Erzeugung kehrt den Lastfluss punktuell um und erfordert Netzausbau Das Netz ist ursprünglich dazu ausgelegt, Strom von zentralen Kraftwerken an Kunden zu verteilen Die dezentrale Erzeugung übersteigt in viele Regionen den Bedarf Der Lastfluss kehrt sich in diesen Netzregionen um Die Einspeisung übersteigt häufig die Kapazität der Netze Probleme mit der Spannungshaltung Überlastung von Betriebsmitteln 6

7 Energiepolitische Zielsetzung Politisches Ziel der Energiewende: Sichere Energieversorgung mit möglichst geringen CO 2 -Ausstoß bei gleichzeitigem Verzicht auf Kernenergie Schonung der endlichen Energieressourcen Lösungswege: Reduktion des Energieverbrauchs durch effizientere Energienutzung Reduktion des Brennstoffeinsatzes bei der Strom- und Wärmeerzeugung durch effizientere Energieumwandlung Verstärkte Nutzung regenerativer Energien Ausbau regenerativer Energien ist Ziel der EU und der Bundesregierung 7

8 Deutsche Bundesregierung hat sehr ambitionierte Ziele für den Ausbau erneuerbarer Energien THG-Reduktion (ggü. 1990) -40% -55% -70% -80 bis -95% Anteil EE (Bruttoendenergieverbrauch) Anteil EE (Bruttostromverbrauch) Primärenergieverbrauch (ggü. 2008) Steigerung Energieproduktivität bezogen auf Endenergieverbrauch (EEV) 18% 30% 45% 60% 35% 50% 65% 80% -20% -50% 2,1% p.a. Stromverbrauch (ggü. 2008) -10% -25% Reduktion EEV im Verkehr (ggü. 2005) -10% -40% 8

9 Bayerisches Energiekonzept: massiver Ausbau der Regenerativen ist politisches Ziel Steigerung insgesamt von 21,4 TWh/a (=23,3 %) auf 45,2 TWh/a (=52,9 %) bei stagnierendem Verbrauch von ca. 85 TWh/a Quelle: Bayerisches Energiekonzept Energie innovativ 5/2011 9

11 Ertrag in Deutschland Einstrahlung je nach Standort bei optimaler, fester Ausrichtung ca. 975 bis 1200 kwh/m²a Stromerzeugung etwa 100 bis 150 kwh/m²a günstigste Standorte im Süden Bayerns und Baden- Württembergs deshalb dort der am stärksten ausgeprägte Solarboom 11

12 Photovoltaik: Kontinuierlich sinkende Einspeisevergütung 12

13 Photovoltaik: Sinkende Anlagenkosten gewährleisteten bisher hohe Rendite trotz rückläufiger Einspeisevergütung 13

14 MW Bei E.ON Bayern rapider Ausbau der Photovoltaik Photovoltaik: hohe und sichere Rendite bewirkt starken Zubau: rund 50% des Weltmarkts in Deutschland, 20% in Bayern, 10% bei E.ON Bayern Installierte Anlagenleistung Installierte Anlagenanzahl (in Tausend) Anlagenzubau pro Arbeitstag (2011): 190 Anlagen (zu Spitzenzeiten > 350 Anlagen) 14

15 Einspeiseleistung in kw Photovoltaik-Anlagen haben ungleichmäßige, zyklische und wetterabhängige Einspeisung Stundenlastgang August 2008 PV-Anlage P N = 408 kw Stundenlastgang August 2008 PV-Anlage, P Nenn = 400 kw P Nenn August

16 Beispiel für erforderlichen Netzausbau: Belastung eines Umspannwerks durch PV-Einspeisung 16

18 Mittlere Windstärke in Deutschland beste Windgeschwindigkeiten an den Küsten auch im Alpenbereich und in den Mittelgebirgen ausgedehnte Flächen mit ausreichenden Windgeschwindigkeiten wegen der starken Abhängigkeit der Leistung von der Windgeschwindigkeit muss der Standort sorgfältig ausgewählt werden 18

19 Förderung hat auch bei der Windenergie starkes Wachstum zur Folge 19 Quelle: Bundesverband Windenergie

20 Offshore Windkraftanlagen erfordern Offshore- Netzanbindungen Cluster BorWin Bard Offshore 1 Cluster DolWin Alpha Ventus OWP Riffgat Cluster SylWin Cluster HelWin UW Diele UW Jardelund UW Büttel Offshore-Windenergie in Deutschland politisch gewollt Planungen überwiegend in der Nordsee, aber auch in der Ostsee Ehrgeizige Ziele: Bis MW, derzeit bereits MW genehmigt und MW im Genehmigungsverfahren Bisher aber erst 320 MW realisiert Entfernung der Nordsee-Windparks zur Küste bis zu 200 km Finanzbedarf für Netzanbindung ca. 15 Mrd. 20

21 Offshore-Netzanbindungen stellen hohen technischen Aufwand dar Bild links: Umspannwerk-Plattform des Windparks alpha ventus Offshore-Kabel werden 1 3 m tief in den Meeresgrund eingegraben und bestehen aus besonders widerstandsfähigem Material 21

22 Windenergie weist starke, nicht zyklische Schwankungen auf 22

23 Windenergie: Hoher Netzausbaubedarf Nord - Süd EEG-Zubau bis in Niedersachsen und Schleswig-Holstein: von rd. 9 GW auf 25 GW Wegfall KKW in Süddeutschland durch Moratorium: 5 GW (weitere 8 GW bis KKW-Ausstieg in 2022) Erzeugungsdefizit Erzeugungsüberschuss Quelle: TenneT Zubau von Windkraftanlagen in Norddeutschland bei Verbrauchsschwerpunkten im Süden: Massiver Ausbau des Übertragungsnetzes erforderlich 23

25 Allein im Netz der E.ON Bayern AG sind in 2012 Investitionen von ca. 260 Mio. Euro notwendig 2012: EEG-bedingte Gesamtaufwendungen von rund 90 Mio. für den Bau eines neuen Umspannwerkes (Roßbach), den Einbau von 600 zusätzlichen und den Austausch von Ortsnetztrafos, die Neuverlegung von 500 km 20-kV-Kabel usw. Ausblick auf die nächsten fünf Jahre: Bau von 15 Umspannwerken Verlegung von km neuer Leitungen (MS/NS) Errichtung von neuen Ortsnetzstationen Aufrüstung von Ortsnetztrafos 25

26 EEG-bedingte UW-Neubauprojekte Hofheim Zubau nicht mehr last- Seßlach geführt, sondern EEGbedingt Integrierte Netzplanung über mehrere Netzebenen notwendig Eslarn Waldmünchen Falkenstein Mainburg Roßbach Fürstenzell Inbetriebnahme 2011 Inbetriebnahme 2012 Inbetriebnahme 2013 geplant Inbetriebnahme 2014 geplant Zeiling Haunersdorf Bodenkirchen Hörbering Taufkirchen/Vils 26

27 27 Ausbaubedarf der deutschen Stromverteilnetze bis 2030

28 Paradigmenwechsel im Bereich der Netze Bisher: Verbraucher ohne nennenswerte Beeinflussung ihres Lastverhaltens, Ausnahmen z. B. Speicherheizungen und Wärmepumpen Erzeuger werden gesteuert, damit sich Erzeugung und Verbrauch die Waage halten Netze werden so dimensioniert, dass ihre Kapazität dem Verbrauch entspricht Künftig: Große Leistung an ungesteuerten dezentralen Erzeugern im Netz vorhanden Potentiell steuerbare dezentrale Erzeuger müssen gesteuert werden Verbraucher müssen im größeren Umfang gesteuert werden Speicher sind erforderlich, um verbleibende Ungleichgewichte auszugleichen trotzdem Netzausbau in großem Umfang erforderlich 28

29 Ziele der Steuerung von Systemen Energiepreisoptimierung (Erzeugung, Handel und Vertrieb) Zu- und Abschalten von Erzeugern und Verbrauchern in Abhängigkeit vom Energieangebot auf den Handelsmärkten, also in Abhängigkeit vom Stromhandelspreis Lokale Netzentlastung (Verteilnetzbetreiber) Zu- und Abschalten von Erzeugern und Verbrauchern in Abhängigkeit von der Situation im lokalen Verteilnetz zur Vermeidung von Überlastung und zur Spannungsstabilisierung Erzeugung von Regelleistung (Übertragungsnetzbetreiber) Zu- und Abschalten von Erzeugern oder Verbrauchern um auf Anforderung kurzfristig positive oder negative Leistungssprünge für die Sicherstellung der Systemstabilität zu erzeugen Eigenverbrauchsoptimierung (Endkunde) Zu- und Abschalten von Verbrauchern, um einen möglichst großen Anteil des eigenerzeugten Stroms selbst nutzen zu können 29

30 Zukunftsthemen im Bereich der Netze 30

32 Komponenten des Smart Grid steuerbare Verbraucher steuerbare Betriebsmittel Smart Grid steuerbare Erzeuger Energiespeicher Steuerungsinfrastruktur 32

33 Regelbarer Ortsnetztrafo: Spannungsstabilisierung im Niederspannungsnetz Quelle: M. Bendrat und Schneider Electric Einspeisespannung ins Niederspannungsnetz kann gesteuert werden Damit Einhaltung der Spannungsbänder auch bei variabler Einspeisung und variablen Lasten möglich 33

34 Blindleistungsregelung: Spannungsstabilisierung durch Blindleistung im Netz Quelle: G. Kerber Wechselrichter beaufschlagt Leitung mit Blindleistung Spannungsanhebung durch die PV-Anlage wird reduziert aber: zusätzliche Belastung des Wechselrichters, zusätzliche Leitungsverluste 34

35 Einspeisemanagement: Reduktion der Einspeiseleistung im Überlastfall Einspeiseleistung von Regenerativen- und KWK-Anlagen wird im Überlastfall reduziert Ziel: Sicherstellung der Versorgungssicherheit bei gleichzeitig größtmöglicher Einspeisung von Strom aus Erneuerbaren-Energien-Anlagen unter Berücksichtigung der betriebs- und volkswirtschaftlich geringsten Kosten Kommt nur in Ausnahmesituationen zum Einsatz, da das Netz unverzüglich entsprechend der Einspeisesituation ausgebaut wird Permanentes Einspeisemanagement könnte den Netzausbaubedarf deutlich reduzieren, die Verluste an eingespeister Energie wären dabei relativ gering z. B. Einspeiseverluste 3 5% bei einer Abregelung bei 70% 35

36 Dezentrale Energiespeicher PV modules PV converter = = Battery converter = = inverter ~ = domestic loads Z1 Z2 Z3 grid L1 L2L3 Zu Zeiten von Energieüberschuss wird Energie in den Speicher geleitet Zu Zeiten von Energiemangel wird Energie aus dem Speicher entnommen Speicher kann mehreren Zwecken dienen: Eigenverbrauchsoptimierung Netzentlastung Energieausgleich Bereitstellung von Regelleistung (Mindestleistung 1 MW) 36

37 Steuerung von Speichern beim Kunden Eigenverbrauchsoptimierung Ziel: möglichst viel erzeugten Strom selbst nutzen Steuerungsgröße: Leistung am eigenen Hausanschluss Messaufwand: gering Reaktionszeit: unkritisch, zu langsame Reaktion hat nur nicht ganz optimalen Betrieb zur Folge Volkswirtschaftlicher Nutzen: keiner, nur Eigenoptimierung bei entsprechendem Vergütungsmodell Lokale Netzentlastung Ziel: positive oder negative Leistung abhängig von Netzspannung Steuerungsgröße: Netzspannung am kritischen Punkt im gleichen Strang Messaufwand: sehr hoch Reaktionszeit: Sekunden, kurze Reaktion erforderlich, um mit geringer Kapazität Netzentlastung zu erreichen Volkswirtschaftlicher Nutzen: hoch, Reduktion der Kosten für Netzausbau Energiepreisoptimierung Ziel: Ein- und Ausspeichern in Abhängigkeit vom Strompreis Steuerungsgröße: Börsenpreis Messaufwand: keiner Reaktionszeit: unkritisch, Daten (Energiepreise) können vorab per Internet verfügbar gemacht werden Volkswirtschaftlicher Nutzen: hoch, Verbesserte Ausnutzung der Erzeugungskapazitäten 37

38 Virtuelle Kraftwerke Bild: Viessmann Nutzung des stromgeführten Betriebes von BHKWs Erzeugung von Strom zu Zeiten hoher Preise durch zeitliche Verlagerung der Stromerzeugung Zentrale Steuerung oder Schwarmintelligenz Ziele: Energieausgleich Bereitstellung von Regelleistung (Mindestleistung 1 MW, auch aus Anlagengruppe darstellbar) Netzentlastung 38

39 Power to Gas: Grundprinzip Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom, evtl. Umwandlung in synthetisches Erdgas, Einspeisung ins Erdgasnetz Nutzung der Speicherkapazität des Erdgasnetzes für die Speicherung von überschüssigem Strom, Rückverstromung oder Erzeugung von Wärme aber: hohe Verluste bei der Energieumwandlung 39

40 Power to Gas: Prozess und Wirkungsgrade 1. Elektrolytische Herstellung von Wasserstoff mit überschüssigem Strom: 2H 2 O 2H 2 + O 2 Wirkungsgrad η bis ca. 80% 2. Methanisierung von CO 2 und H 2 O (Sabatier-Prozess) CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Wirkungsgrad η rund 80% 3. Nutzung des Gases 3.1. Rückverstromung mittels GUD (η 60%) oder Brennstoffzelle (η 80%): Gesamtwirkungsgrad unter 50% 3.2. Nutzung als Brennstoff: Wirkungsgrad rund 60% bei erheblichem Exergieverlust Vorteil: Hohe Speicherkapazität, im deutschen Erdgasnetz rund 210 TWh 40

41 Steuerbare Verbraucher: Beispiel Wärmepumpe Energiewirtschaftliche Optimierung: Zuschalten der Wärmepumpe bei drohender Netzüberlastung durch Einspeiser, Speicherung der Wärme Verlagern der Wärmepumpen-Laufzeit in Zeiten mit billigem Stromangebot, Vermeiden von Laufzeiten zu Hochpreisphasen Relativ hohe Potentiale: 1 1,5 Mio. Wärmepumpen werden im Jahr 2020 in Betrieb sein, beeinflussbarer Stromverbrauch 7 9 TWh/a (Quelle: BWP) Weiteres Potential: Kühl- und Gefriergeräte mit Latentwärmespeicher Lastverlagerung hat gleichen Effekt wie Wärmespeichrung Ersatz von Stromspeichern durch billige Wärmespeicher Erfolgversprechend im Markt nur, wenn Kunde nicht im Komfort eingeschränkt wird 41

42 Hausinterne Vernetzung: Nutzen für den Kunden Vernetzung im Haus verfolgt mehrere Zwecke: Smart-Grid-Aufgaben: Steuerung von Energieerzeugern und energieverbrauchenden Geräten aus Smart-Grid-Gründen (s. o.) Smart Home, Vernetzung mit der Zielsetzung: Komfort Sicherheit Assisted Living Datenkommunikation zwischen Geräten (Computer, Drucker, Sat-Receiver, Fernseher etc.) Vernetzungstechnologien müssen kompatibel sein, Parallelnetze sind nicht sinnvoll 42

43 Vielzahl von Vernetzungstechniken im Feld vorhanden KNX: Standardbus der Gebäudeautomatisierung, Vielzahl von Sensoren und Aktoren verfügbar, Kommunikation über Twisted Pair, Funk, Powerline und LAN ZigBee: Funkstandard zur Kommunikation zwischen Geräten, wird in USA als Standard für Smart Grid etabliert (ZigBee Smart Energy Profile 2.0) LAN/WLAN: In Haushalten weit verbreitet zur Vernetzung von Computern, Drucker, Routern, Netzwerkspeichern und zunehmend auch Geräten der Unterhaltungselektronik Vernetzungstechnologie muss Gerätebestand bestmöglich integrieren 43

44 Lösungsansatz EEBus Ermöglicht die Vernetzung verschiedenster Gerätekategorien Baut auf bestehenden Systemen auf und kann entsprechende Geräte einbinden Stellt die Verbindung zum EVU her Ist noch kein standardisiertes System 44

46 Fazit Die Anforderungen an die Netze (bisher reine Versorgungsnetze) verändern sich durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien gravierend Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss das Übertragungsnetz erheblich ausgebaut und zudem der Umbau der Verteilungsnetze zu intelligenten Netzen (Smart Grids) konsequent vorangetrieben werden Zum Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage müssen steuerbare Erzeuger (z. B. BHKWs) und steuerbare Verbraucher im Smart Grid gezielt eingesetzt werden Das erfordert Engagement der Bürger, die Elektromobile, BHKWs etc. in ihrem Bereich einsetzen müssen Dennoch werden darüber hinaus umfangreiche zusätzliche Speicherkapazitäten benötigt Wesentliche Voraussetzung für einen erfolgreichen Wandel unseres Energiesystems sind eine realistische Erwartungshaltung, verlässliche politische Rahmenbedingungen und eine breite Bürgerakzeptanz E.ON Bayern leistet verlässliche Beiträge in allen Bereichen der Energiewende 46