Kapitel 15 Integration von regenerativer dezentraler und nicht disponibler Erzeugungsanlagen in das bestehende Elektrizitätsversorgungssystem

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1 Netztechnik und Netzführung Vorlesung SS 2013 Kapitel 15 Integration von regenerativer dezentraler und nicht disponibler Erzeugungsanlagen in das bestehende Elektrizitätsversorgungssystem Themenübersicht 1. Einführung 2. Smart Grid als Lösungsansatz für die zunehmende dezentrale und stochastischen Netzeinspeisung 3. Komponenten eines Smart Grid Seite 1

2 1. Einführung Der von Politik und Gesellschaft geforderte Umbau der Elektrizitätsversorgung bekannt unter dem Stichwort Energiewende hat auch auf die Struktur und den Betrieb der Netze erhebliche Auswirkungen. Gemäß Energiewende soll ein erheblicher Anteil der Elektrizitätsversorgung von Großkraftwerken auf Basis Kernenergie und fossilen Energieträgern zunehmend auf Erzeugung aus regenerativen Energiequellen verlagert werden. Das Ziel der Bundesregierung ist ein Anteil der Erzeugung aus regenerativen Energien von 50% im Jahr Bereits im Jahr 2012 betrug der Anteil der Erzeugung aus regenerativen Quellen in den erste 3 Quartalen 25% der Gesamterzeugung (siehe nachfolgende Abbildung). Das Spezifikum der Erzeugung aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik und Wind ist, dass diese Energie volatil und mittelfristig nur stochastisch verfügbar und mit relativ geringer Energiedichte pro Flächeneinheit in elektrische Energie umwandelbar ist. Letzteres hat zur Folge, dass Elektrizitätserzeugung aus Wind und Photovoltaik in vielen Anlagen mit kleiner bis mittlerer Leistung stattfinden muss die dezentral an vielen Punkten der klassischen Verteilnetze (MS- und NS-Netz) angeschlossen werden und in diese Verteilnetze einspeisen. Die MS- und NS-Netze mutieren somit von reinen Verteilnetzen zu multifunktionalen Verteilund Übertragungsnetzen mit sehr dynamischen Lastflüssen.

3 1. Einführung 1. Einführung

4 1. Einführung Die Integration dieser Erzeugung in das bestehende Elektrizitätsversorgungssystem stellt 2 wesentliche Aufgaben: 1. Anpassung der Netzinfrastruktur an die dezentralen Einspeisungen (Netzausbau) und Berücksichtigung der Spezifika der dezentralen Einspeisung beim Betrieb von MS- und NS- Netzen. 2. Integration eines großen Anteils an stochastischer Erzeugungsleistung in die Aufgabe der Einhaltung der Systembilanz Anpassung der Erzeugungsleistung an die Differenz aus Verbraucherlast und Einspeisung der volatilen Erzeugung aus regenerativen Quellen. Diese Differenz wird als Residuallast bezeichnet. Bei hoher Verfügbarkeit von Leistung aus PV- und Windkraftwerken und gleichzeitiger geringer Elektrizitätsnachfrage kann die Residuallast auch negativ werden. Die Aufgabe Nr.1 fordert neben dem klassischen Netzausbau die Änderung der klassischen Netzführungsgrundsätze im MS- und NS-Netz. Die Summe der Lösungsansätze dazu wird mit dem Begriff Smart Grid intelligentes Netz bezeichnet.

5 Leistung in MW Leistung in MW Leistung in MW Leistung in MW 1. Einführung Netzlasten und Windeinspeisung in Deutschland 2008 Starkwindmonat Wasserkraft KWK-Anlagen Photovoltaik OffShore Wind OnShore Wind Residuallast Gesamtlast (DENA2) Netzlasten und Windeinspeisung in Deutschland Wasserkraft KWK-Anlagen Photovoltaik OffShore Wind OnShore Wind Residuallast Gesamtlast Jan Jan 15. Jan 22. Jan Netzlasten und Windeinspeisung in Deutschland Wasserkraft KWK-Anlagen Photovoltaik OffShore Wind OnShore Wind Residuallast Gesamtlast 29. Jan 01. Jan Schwachwindmonat Jan 15. Jan 22. Jan Netzlasten und Windeinspeisung in Deutschland Wasserkraft KWK-Anlagen Photovoltaik OffShore Wind OnShore Wind Residuallast Gesamtlast 29. Jan Mai 08. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai Mai 08. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5

6 1. Einführung Die Lösungsansätze für Smart Grid wirken zum Teil auch in Richtung eines reduzierten Netzausbaubedarfes. Es kann aber auch zu Zielkonflikten zwischen Netzentlastung und Einhaltung der Systembilanz kommen z.b. wenn Eingriffe in die Verbraucherlast bzw. in die dezentrale Erzeugung dem Residuum der aktuellen Systembilanz entgegen wirken. Die Netzstruktur und der Netzbetrieb werden durch folgende Fakten beeinflusst: dezentrale Erzeugung bewirkt eine Umkehr des klassischen Lastflusses von den höheren zu den niederen Spannungsebenen, wozu weder Netzstruktur noch Netzbetrieb ausgelegt sind. die klassischen MS- und NS-Netzführungskonzepte sind unzureichend (z.b. Spannungshaltung) die dezentrale Einspeisung erfordert häufig eine Erhöhung der Übertragungskapazitäten der Netze die dezentrale Erzeugung übersteigt in vielen Regionen den regionalen Bedarf, wodurch Verteilnetze temporär zu Übertragungsnetzen werden (Übertragung der Einspeisung zu entfernten Verbraucherregionen.

7 1. Smart Grid als Lösungsansatz für die zunehmende dezentrale und stochastische Netzeinspeisung Struktur des heutigen Stromnetzes in Deutschland Großindustrie Kraftwerk 230/400V 110/220kV 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 Kleinbetriebe Landwirtschaft Einzelhäuser Quelle: BDEW 7

8 1. Smart Grid als Lösungsansatz für die zunehmende dezentrale und stochastische Netzeinspeisung Regionale Diskrepanz zwischen Erzeugung und Bedarf erfordert Netzausbau im Transportnetz Erzeugungsüberschuss im Norden und Osten Übertragungskapazitäten reichen an verschiedenen Orten nicht mehr aus Leitungsneubauten sind erforderlich, scheitern aber oft an Bürgerprotesten Bedarf ca km Neubau und 4200 km Ertüchtigung lt. Netzentwicklungsplan 2012 im HöS-Netz 8 Quelle: dena-netzstudie II, Netzentwicklungsplan

9 1. Smart Grid als Lösungsansatz für die zunehmende dezentrale und stochastische Netzeinspeisung Umbau zum Smart Grid soll Netzausbaubedarf reduzieren 9

10 1. Smart Grid als Lösungsansatz für die zunehmende dezentrale und stochastische Netzeinspeisung Paradigmenwechsel im Bereich der Netze Bisher: Verbraucher ohne nennenswerte Beeinflussung ihres Lastverhaltens, Ausnahmen z. B. Speicherheizungen und Wärmepumpen Erzeuger werden so gesteuert, damit sich Erzeugung und Verbrauch die Waage halten Netze werden so dimensioniert, dass ihre Kapazität dem Verbrauch entspricht Einfache Netzführung im MS- und NS-Netz da Lastfluss aus Einspeisung von HS nur in Richtung der MS- und NS-Netzanschlüsse gerichtet. Spannungshaltung im MS- und NS-Netz durch lastfluss-abhängige Regelung der Mittelspannung am Transformator HS MS; Künftig: Insgesamt hoher Leistungsanteil von nicht disponiblen dezentralen Erzeugern im MS und NS- Netz angeschlossen; Disponible Erzeugung muss die Differenz zwischen dezentraler volatiler Erzeugungsleistung und Verbraucherleistung (=Residuallast) ausregeln. Neue Herausforderungen für die Führung der MS- und NS-Netze, wegen stark schwankendem Lastfluss auf MS-Leitungen durch den Einfluss der dezentralen stochastischen Erzeugung; 10

11 2. Komponenten eines Smart Grid steuerbare Verbraucher steuerbare Betriebsmittel Energiespeicher Smart Grid steuerbare Erzeuger Mehr Informationen aus MS-Netz 11

12 2.1 Steuerbare Betriebsmittel Spannungshaltung im NS-Netz durch regelbare MS-NS-Transformatoren Quelle: M. Bendrat und Maschinenfabrik Reinhausen Einspeisespannung ins Niederspannungsnetz kann abhängig von der Belastung des MS-NS- Transformators gesteuert werden Damit ist die Einhaltung der Spannungsbänder auch bei variabler Einspeisung und variablen Lasten möglich 12

13 2.1 Steuerbare Betriebsmittel Spannungshaltung im NS-Netz durch Blindleistungseintrag mittels Wechselrichter am Anschlusspunkt von PV-Anlagen; Quelle: G. Kerber Wechselrichter beaufschlagt NS-Leitungen mit Blindleistung womit eine Absenkung der Niederspannung zur Einhaltung des zulässigen Spannungsbandes (400 V +/- 10%) bewirkt wird. Das wird erkauft durch zusätzliche Belastung des Wechselrichters und zusätzliche Netzverluste im NS-Netz;

14 2.2 Steuerbare dezentrale Erzeugung Ein weiterer Baustein von Smart Grid ist der steuernde Eingriff in die Leistung der dezentralen Erzeugung. Als Voraussetzung dafür wurde der Einspeisevorrang des EEG bei der Novellierung in 2012 dahingehend angepasst, dass die Netzanschlusskapazität von PV-Anlagen grundsätzlich nur auf 70% der installierten Leistung ausgelegt ist. Damit gilt ein permanentes Einspeisemanagement für PV-Anlagen. Leistungsspitzen > 70% der Anlagenleistung werden somit konsequent gekappt. Das ist gerechtfertigt, da solche Leistungsspitzen bei den einzelnen PV-Anlagen nur geringe Benutzungsstunden aufweisen und durch die Kappung nur etwa 3 5% des Jahresdargebotes an Erzeugung aus PV-Anlagen nicht genutzt werden können. Im Gegenzug bewirkt diese Maßnahme eine erhebliche Reduzierung des Netzausbaubedarfes. Das Netz muss nicht mehr für die wenigen Leistungsspitzen der PV- Anlagen ausgelegt werden. Besteht die Gefahr einer Netzüberlastung durch dezentrale Einspeisung, dann dürfen die Netzbetreiber die Leistung der PV- und Windkraftwerke bis hin zur Abschaltung reduzieren. Je nach Stand des Netzausbaus müssen die Netzbetreiber dann allerdings die dadurch verursachten Erzeugungsverluste den Anlagenbetreibern vergüten. Eine weitere Möglichkeit der gezielten Reduktion der Erzeugungsleistung dezentraler Anlagen ergibt sich, wenn diese Anlagen im Rahmen eines Erzeugerpools am Regelleistungsmarkt teilnehmen (negative Regelleistung) oder in die Erzeugungsoptimierung eingebunden werden.

15 2.2 Steuerbare dezentrale Erzeugung Beispiel: Virtuelle Kraftwerke Nutzung des stromgeführten Betriebes von BHKWs Erzeugung von Strom zu Zeiten hoher Preise durch zeitliche Verlagerung der Stromerzeugung Zentrale Steuerung oder Schwarmintelligenz Ziele: Ausgleich von Handelsmengen Bereitstellung von Regelleistung Netzentlastung 15

16 2.2 Steuerbarer Verbrauch und Speicherung beim Verbraucher Die Kombination eines Verbrauchers mit einer dezentralen Erzeugungsanlage und zusätzlichem Speichermodul eröffnet mehrere Optimierungsmöglichkeiten und zwar: Eigenverbrauchsoptimierung; dabei wird der Leistungsbezug des Verbrauchers aus dem öffentlichen Netz durch Steuerung der Verbrauchslast und zusätzlicher Ein- bzw. Ausspeicherung von Energie minimiert. Damit sind auch die mit dem Energiebezug aus dem öffentlichen Netz verbundenen Kosten zu minimieren. Netzentlastung; dabei wird die Netzeinspeisung der dezentralen Erzeugung gezielt durch Verbraucherlasterhöhung und/oder Speicherung der erzeugten Energie reduziert. Energiewirtschaftliche Optimierung; Steuerung der Verbraucherlast und der Speicherung so, dass bei hohen Preisen auf dem Elektrizitätsmarkt Einspeisung maximiert bzw. Bezug minimiert und bei geringen Preisen auf dem Elektrizitätsmarkt Bezug maximiert bzw. Einspeisung minimiert werden. Bereitstellung von Regelleistung; dabei werden Last und Speicherung entsprechend einem Abrufsignal von Regelleistung gesteuert. Eine einzelne Anlage kann nur in Kombination mit vielen solcher Anlagen am Regelleistungsmarkt mitwirken, da Regelleistung in einer individuellen Anlage nicht immer verfügbar ist und die bereitstellbare Leistung in der Regel die Mindestangebotsgröße unterschreitet.

17 2.2 Steuerbarer Verbrauch und Speicherung beim Verbraucher Mögliche technische Ausführung PV modules PV converter = = Battery converter = = inverter ~ = Z1 Last z.t. steuerbar Z2 Z3 grid L 3 L 2 L 1 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 Ausgleich von Handelsmengen Bereitstellung von Regelleistung (Mindestleistung 1 MW) 17

18 2.2 Steuerbarer Verbrauch und Speicherung beim Verbraucher Übersicht über die Optimierungsmöglichkeiten 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 Netzentlastung Ziel: positive oder negative Leistung abhängig von Netzbelastung bzw. Netzspannung Steuerungsgröße: Netzbelastung bzw. Netzspannung Messaufwand: sehr hoch Reaktionszeit: Sekunden, kurze Reaktion erforderlich, um mit geringer Kapazität Netzentlastung zu erreichen Volkswirtschaftlicher Nutzen: hoch, Reduktion der Kosten für Netzausbau Ausgleich von Handelsmengen 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 18

19 2.2 Steuerbarer Verbrauch und Speicherung beim Verbraucher Beispiel für Steuerung der Verbraucherleistung in Kombination mit Speicherung Nutzung der Batterie von geparkten Elektroautos analog zum stationären Speicher mit Laden und Entladen, Batterie voll zu vorgegebenem Zeitpunkt Reduzierte Form: gesteuertes Laden, aber kein Entladen Doppelnutzung der Investition in die Batterie Einschränkung der flexiblen Nutzung des Fahrzeugs (spontane Fahrten) und stärkere Beanspruchung der Batterie 19

20 2.2 Steuerbarer Verbrauch und Speicherung beim Verbraucher Beispiel für steuerbare Verbraucher: 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 20

21 2.3 Kombination verschiedener Steuermöglichkeiten Beispielprojekt: Smart Local Generation von E.ON Bayern E.ONs SLG steuert den momentan günstigsten Einsatz von Strom- und Gaslieferung und lokaler KWK-Erzeugung zur kostengünstigsten Deckung des benötigten Strom- und Wärmebedarfs anhand aktueller Stromhandelspreise und der Einspeise- bzw. Lastsituation des Netzes Realisierung: mit 4 Anlagen in Osterhofen, elektrische Leistung 1 kw, 5 kw und 20 kw 21

22 2.4 Mehr Informationen aus dem MS-Netz In Kapitel 5 unter Punkt 3.2 wird aufgezeigt, dass die Übertragung von Online-Informationen aus den MS-Netzen in die zentralen Leitwarten auf Anlagen mit Einspeisung aus dem HS-Netz und aus direkt angeschossenen zentralen Kraftwerken begrenzt ist. Wegen der Schaltung der MS- Netze als Strahlennetz war dies in der Vergangenheit nicht erforderlich. Mittlerweile kann es sinnvoll sein, Online-Übertragungen von Messwerten des Stromes und der Spannung aus ausgewählten Knoten eines MS-Leitungsstranges in die zentralen Leitwarten zu installieren. Damit kann die Netzführung durch gezielte Beobachtung von Messwerten entsprechende betriebliche Maßnahmen zur Netzentlastung bzw. Einhaltung der Spannungsbänder ergreifen und somit das Netz entlasten. E.ON Bayern entlastet das MS-Netz bei Bedarf z.b. dadurch, dass ländliche MS-Netzgebiete mit überwiegend Freileitungsverbindungen mit städtischen Netzgebieten mit überwiegend Erdkabelverbindungen kombiniert werden. Die städtischen Verbraucher beziehen somit direkt über das MS-Netz den Einspeisedirekt dem Elektrizitätsbedarf im Stadtnetz. Die Kosten einer Online-Erfassung und Übertragung von Messwerten sind dann gerechtfertigt, wenn die damit ermöglichten Netzentlastungsmaßnahmen eine Netzverstärkung entbehrlich machen. Damit ist auch die Ausstattung der Netze mit mehr Online-Information ein wesentlicher Baustein eines Smart Grid