place picture here VDE München, Vortrag, Dipl.-Ing. Volker Knack, 29. März 2012 Smart Grids Der aktuelle Stand

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1 place picture here VDE München, Vortrag, Dipl.-Ing. Volker Knack, 29. März 2012 Smart Grids Der aktuelle Stand

2 Die ABB-Kompetenz Führend in der Energie- und Automationstechnik Energietechnik- Produkte Energietechnik- Systeme Niederspannungsprodukte Prozessautomation Industrieautomation und Antriebe ABB weltweit Konzernsitz: Zürich, Schweiz Mitarbeiter in über 100 Ländern Auftragseingang 2011: 40 Milliarden USD Umsatz 2011: 38 Milliarden USD ABB in Deutschland Firmensitz: Mannheim Mitarbeiter Auftragseingang 2010: 3,7 Milliarden Euro Umsatz 2010: 3,0 Milliarden Euro Folie 2

3 Folie 3 Das Umfeld der elektrischen Energieversorgung

4 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 4

5 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 5

6 Übertragung und Verteilung von Strom Transportaufgabe Ausland Höchstspannung 380 kv und 220 kv Verbund u. Übertragung Hochspannung 110 kv Übertragung und Primärverteilung Mittelspannung 20 kv und 10 kv Sekundärverteilung Niederspannung 0,4 kv Verteilung Verteilaufgabe Folie 6

7 Verteilung Physikalische und kommerzielle Infrastruktur im Strommarkt Erzeugung Übertragung Erzeuger Übertragungsnetzbetreiber Verkauf Netznutzungsmanagement & Bilanzausgleich Handel Strombörsen Netznutzungsmanagement & Verbrauchserfassung Bilanzkreisverantwortung Verteilnetzbetreiber Finanzmarkt Lieferungen Geldfluss Energiedienstleister (ESP) Einkaufsgemeinschaft Kunde Folie 7

8 Problemstellung Energieversorgung im Wandel Steigender Energiebedarf Einsatz erneuerbarer Energien und dezentraler Erzeugung Verknappung konventioneller Energieressourcen Verbesserung der Energieeffizienz Smart Grid Begrenzung des Klimawandels Lastbeeinflussung und Netzzuverlässigkeit Folie 8

9 Stromverbraucher Standardisierungsgremien Smart Grid Einflussnehmer und Teilnehmer Politische Führung Smart Grid zum Erreichen politischer Ziele Ministerien und Parlament Regulierungsbehörden Energieversorgungsunternehmen Investitionsrahmen Technologieanbieter Folie 9

10 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 Folie 10

11 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 2010 Folie 11

12 Konsequenzen für die elektrische Energieversorgung

13 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 13

14 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 14

15 Überregionaler Ausgleich erneuerbarer Quellen Desertec Quelle: Desertec Foundation Folie 15

16 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 2008 Folie 16

17 Einfluss von Windenergie im 50Hertz Übertragungsnetz zwischen 1. und 31 Oktober 2010 Quelle: Vattenfall Folie 17

18 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 18

19 Alternativen zur Energiespeicherung 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 19

20 Vermehrte dezentrale Einspeisung und die Auswirkungen auf das elektrische Verteilungsnetz In der Vergangenheit Heute und zukünftig Fokus Quelle: Roland Berger Strategy Consultants Verteilnetze zur Versorgung der Last konzipiert Dezentrale Erzeugungsanlagen (DEA) z. T. lastfern errichtet Städtische Verteilnetze sind für DEA aufnahmefähiger Folie 20

21 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 21

22 Smart Grids betrifft die gesamte elektrische Energieversorgung 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 Folie 22

23 heute Herausforderungen durch Erneuerbare Energien Nötige Technologien und Lösungen Zeit Herausforderung Konsequenzen Priorität Starke Zunahme lastferner Erzeugung in großen Einheiten Bedarf an Fernübertragungskapazität überfällig Starke Zunahme dezentraler Erzeugung Neue Anforderungen an die Verteilnetze Spannungshaltung Kapazität Schutzkonzepte Fernüberwachung und -steuerung aktuell stark zunehmende Bedeutung Starke Zunahme fluktuierender Erzeugung Weitreichende Auswirkungen Diversifizierung nach Regionen und Quellen (z.b. Desertec-Konzept) Übertragungskapazität Lastbeeinflussung Speicherung Späterer Einfluss Folie 23

24 Exemplarische Lösungen und Technologien für das Smart Grid

25 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 25

26 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 Folie 26

27 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 27

28 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 Folie 28

29 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 29

30 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 Folie 30

31 Lösungsansätze für das Verteilnetz

32 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 32

33 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 Folie 33

34 Komplettlösung zur Spannungshaltung im MS- und NS-Netz von ABB: messen -> kommunizieren -> regeln + + leistungselekt. Spannungsregler Fernwirklösung Elektrische Komponenten Aktiver Spannungsregler ±10% bez. auf Nennspg. Radio und RTU Lösungen Hochverfügbare Fernwirktechnik Messwert Erfassung, Steuerung & Kommunikation zur Leitstelle MS/NS Transformator MS/NS Schaltfelder Leistungsschalter Lastschalter Alles aus einer Hand und in einem Produkt! Folie 34

35 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 Folie 35

36 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 36

37 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 % Folie 37

38 Weitbereichs -Regelung Idee Üblich: Regelung auf konst. Spannungswert an der Sekundärseite des Transformators U-Regler U Weitbereichs -Regelung Spannungsmessung an mehreren kritischen Knoten Ziel: Führung der Spannungen aller kritischen Knoten im vorgegebenen Spannungsband U-Regler U U U Folie 38

39 Weitbereichs -Regelung Beispiel Netze für die Stromversorgung der Zukunft U U SST Reglereinheit U UW U U NS Ende Fiktive Last/Einspeisecharakteristik Lastprofil Einspeiseprofil Zeit Folie 39

40 Folie 40 Vermarktung von Strom aus EE mittels virtueller Kraftwerke

41 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 41

42 ABB Software für die Integration von EE Anwendungsfälle für virtuelle Kraftwerke 13 EnWG Vermarktung von Fahrplanenergie / Optimierung der Energiebeschaffung Bessere Deckung von Vertriebslasten durch die Kombination von Einheiten zu virtuellen Anlagen Teilnahme am Markt für Fahrplanenergie (Spot / Intraday) Gemeinsame optimierte Lastdeckung von Wärme und Strom Vermarktung von Systemdienstleistungen Teilnahme von Kleinanlagen an Märkten für Regelenergie durch virtuelle Anlagen mittels Skaleneffekten Steigerung der Rentabilität der Anlagen durch die Teilnahme am Regelenergiemarkt Ausregelung von Bezugsspitzen Ausgleich von kurzfristigen Schwankungen regenerativer Erzeugung Einsparung von Leistungspreisen und Netzentgelten durch die Ausregelung von Last- und Erzeugungsspitzen mit virtuellen Anlagen Ausregelung von Bilanzkreisabweichungen Verringerung des Bezuges von Ausgleichsenergie Beeinflussung des Marktpreises für elektrische Energie Reduktion der Abschaltung erneuerbarer Energiequellen Reduktion der Abschaltung von EEG-Anlagen durch geeignete Betriebsweise Folie 42

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

44 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 44

45 Smart Metering die Komponenten im Zusammenspiel Übertragungseinheit Wasserzähler Multi Utility Controller Gaszähler Stromzähler Heizkostenverteiler Folie 45

46 Elektronischer Haushaltszähler ehz Eigenschaften eines ehz gemäß VDN- Lastenheft, Version 1.02, 1.03, 2.01 Elektronische Haushaltszähler (ehz) Auslesung über RJ 10 Anschluss und SML Protokoll Anschluss von Messgeräten verschiedener Energiearten (Gas, Wasser, etc. und weiterer über das kabellose M-Bus Protokoll) Schaltausgang für die Fernabschaltung AES-128-Verschlüsselung bei M-Bus & PLC Übertragung Datentransport für Visualisierung im Haus mittels KNX RF Zwei ausschaltbare Ethernet-Ausgänge PLC und GSM (GPRS) Geräte Funktionen Folie 46

47 ABB Smart Metering Products Energy Data Gateway Multi Utility Communication-Controller (MUC-C) Funktionen Elektronische Haushaltszähler (ehz) Auslesung über RJ 10 Anschluss und SML Protokoll Anschluss von Messgeräten verschiedener Energiearten (Gas, Wasser, etc. und weiterer über das kabellose M-Bus Protokoll) Schaltausgang für die Fernabschaltung AES-128-Verschlüsselung bei M-Bus & PLC Übertragung Datentransport für Visualisierung im Haus mittels KNX RF Zwei ausschaltbare Ethernet-Ausgänge PLC und GSM (GPRS) Geräte Folie 47

48 Intelligente Verbrauchssteuerung Demand Side Management Steuerung von Verbrauchern Nutzung verbrauchsseitiger Speicher Wärme und Klimatisierung Elektrofahrzeuge Allerdings Entscheidungshoheit beim Verbraucher Keine Komforteinbußen Automation Interdisziplinäre Herausforderung: Energietechnik, Gebäudeautomation, IKT, Verbraucherverhalten Folie 48

49 Fazit Folie 49

50 Zusammenfassung der ABB Smart Grid Vision Smart Grids sind zentrale Voraussetzung zum erreichen politischer Ziele Implementierung von Smart Grids ist Evolution heute existierender Netze Viele Anforderungen wie verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit sind mit heute verfügbaren Produkten realisierbar Auf Zählerdaten basierendes Ausfallmanagement FACTS und HVDC Installationen Einige Anforderungen wie großflächige Integration von erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeuge erfordern neue im Rahmen von Pilotund Demoprojekten zu erarbeitende Lösungen: Energiespeicherung Lastmanagement Ladeinfrastruktur Industriestandards erforderlich Folie 50

51 Ihre Fragen? Kontakt: ABB AG Volker Knack Marketing Manager Smart Grids Tel Folie 51

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