Kombikraftwerk: Ist eine 100% regenerative Stromversorgung technisch möglich?

Transkript

1 Kombikraftwerk: Ist eine 100% regenerative Stromversorgung technisch möglich? Dipl.-Ing. Kaspar Knorr Simulation zukünftiger Energieversorgungssysteme Fraunhofer IWES Kombikraftwerk 1 & 2 Bad Nenndorf

2 Rückblick Kombikraftwerk1 Kommunikationstechnische Verknüpfung von erneuerbaren Anlagen zu einem Kombikraftwerk. Import/Exp ort Total Wind Solar Biogas Pumpspeicher Anlagenanzahl Nennleistung [MW] Energieertrag [GWh/a] simuliert simuliert / / (43.5) Energieanteil [%] Anlagenverhältnisse entsprechend Potenzialabschätzungen für Deutschland.

3 Rückblick Kombikraftwerk1 GW MW Demonstration: Deckung von 1/ des deutschen Stromverbrauchs zu jedem Zeitpunkt. time Ergebnis: Der Stromverbrauch kann komplett und jederzeit durch die erneuerbaren Energien und Speicher gedeckt werden. Versorgungszuverlässigkeit! Offene Frage: Ist eine 100% erneuerbare Stromversorgung auch technisch sicher/stabil? Versorgungsqualität? = Versorgungszuverlässigkeit + Netzstabilität

4 Spannung Kombikraftwerk2: Netzstabilität Untersuchung: Ist eine 100% erneuerbare Stromversorgung auch technisch sicher/stabil? Schwingungsdauer: 20 ms Frequenz: 50 Hz Die Frequenz spiegelt die Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch im Gesamtsystem wider Die Spannung ist hingegen lokal unterschiedlich und vom Netz abhängig Frequenz und Spannung müssen jederzeit im Toleranzbereich liegen: hierzu die Systemdienstleistungen Frequenz- und Spannungshaltung Wird es genügend Regelleistung geben? Sind EE schnell genug regelbar? Wird es genügend Blindleistung geben? Wie wird die Stromversorgung geographisch aussehen?

5 Geographische Potenzialbestimmungen Verbrauch (601TWh) Haushalte Industrie div. Lastmanagement Speicherungs- und Netzverluste

6 Angesetzter Energiemix zur Deckung des Stromverbrauchs Windenergie Photovoltaik (PV) Bioenergie Geothermie Primäre Energieerzeugung Wasserkraft

7 Szenarienkarte Deutschland mit Überschüssen ohne Netz- und Speicherungsverluste

8 Szenarienkarte Landkreis Schaumburg und Umgebung

9 Szenarienkarte Landkreis Schaumburg

10 Potenzielle Standorte für Windenergieanlagen nach BWE-Studie Potenzial der Windenergienutzung an Land

11 Heutige Windenergieanlagen in Schaumburg 68 Windkraftanlagen

12 Windenergieanlagen des Szenarios Angenommene, absehbare Anlagengrößen Standort Wiesen & Wald Wiesen & Wald offshore Felder Felder Windverhältnisse Starkwind Starkwind Schwachwind Schwachwind offshore Nennleistung 5 MW 5 MW 5 MW 5 MW 10 MW Rotordurchmesser 129 m 129 m 149 m 149 m 160 m Nabenhöhe 120 m 155 m 150 m 175 m 110 m

13 Zeitliches Verhalten & Übertragungsnetz Windgeschwindigkeit [m/s] Sonneneinstrahlung [W/m²] Wetterabhängige Erzeuger Hochaufgelöste historische Wettermodelldaten des Jahres 2007 vom deutschen Wetterdienst (DWD) Physikalische Modelle, bspw. Anlagencharakteristiken, gegenseitige Abschattungseffekte (Wind), Ausrichtungen, Neigungswinkel (PV) Verbrauch Historische Lastzeitreihen Standardlastprofile Lastmanagement-Strategien Übertragungsnetzmodell Netzknoteneinzugsgebiete (links) Heutiges Netz Offshore Anschlüsse dena1 + NEP2012 Eigener Zubau

14 Das Ausgleichssystem für wetterabhängige Erneuerbare Bestimmung der Lokalisierungen, Kapazitäten und Einspeisungen durch verlustminimierende Auslegungs- und Einsatzsrechnungen. Batterien in Haushalten mit PV, Eigenverbrauchsoptimierung Bioenergie BHKW für feste Biomasse, Vor-Ort-Verstromung von Biogas, Biomethanerzeugung Power-to-gas Gas-/Methan- Kraftwerke Erneuerbares Methan und Biomethan Pumpspeicher & CAES Im- & Exporte Nur bei Bedarf und Überschüssen, Saldo 0

15 Leistungsflussanimation (auch auf

16 Jahresenergieertrag [TWh] installierte Leistung [GW] Jahresvolllaststunden [h] Anteil an der Stromerzeugung [%] Jahresenergieverbrauch [TWh] installierte Leistung [GW] Jahresvolllaststunden [h] Anteil am Stromverbrauch [%] Szenarienkennwerte für ganz Deutschland Erzeugung Verbrauch Import 11, Export 11,5 Überschuss 58,5 onshore Wind 213,9* ** 35,58 offshore Wind 108,7* ** 18,08 Photovoltaik 119,7* 133,7 909** 19,91 knv. Verbrauch ,85 Bioenergie vor-ort 34,5 17, ,74 Wärmepumpen 20,7 3,44 Biomethan 26 *** 4,33 Klimatisierung 10,1 1,68 Geothermie 41 4, ,82 Elektroautos 42,8 7,12 Wasserkraft 25 4, ,16 Netzverluste 8,7 1,45 Pumpspeicher 11,1 12, ,85 Pumpspeicher 14,8 11, ,46 Batterien 2,7 55 (3,3) 49 0,45 Batterien 3,2 55 (6,7) 58 0,53 Methankraftwerke 18,5 53,8 (42,6) 828*** 3,08 Power2Gas 50,9 13, ,47 601, ,2 100

17 Netzgebundene Stabilitätsberechnungen: Spannungshaltung & Netzengpassmanagement

18 Blindleistungsbedarf Last Transportnetz Saldo MVAr im Mittel + = Ausgleichseffekte zwischen dem Blindleistungsbedarf der Last und des Transportnetzes Steigender Transport erhöht induktiven Blindleistungsbedarf des Transportnetzes im Leerlauf benötigt das (ausgebaute) Netz kapazitive Blindleistung Da HGÜs den großen landesweiten Leistungstransport übernehmen, wird der induktive Blindleistungsbedarf gemindert. reduzierter Blindleistungsbedarf durch HGÜs

19 Blindleistungserbringung (Simulierte Spannungshaltung) Durch eine passende Blindleistungseinspeisung kann das Spannungsband von ±10% an allen Netzknoten zu allen Zeitpunkten sicher eingehalten werden.

20 Frequenzstabilität

21 Dynamischer Regelleistungsbedarf (Primärregelleistung) 50 f in Hz 49 klassischer Frequenzverlauf Maximal zulässiger Frequenzeinbruch t in s P Pges in MW 500 klassische Heutige Primärregelleistung Anforderung an Primärregelleistung t in s

22 Frequenzverläufe des Szenarienjahres bei heutiger Regelleistungserbringung Reduzierte Trägheit des Netzes durch fehlende Schwungmasse -> Steigungsänderung des Frequenzverlaufs

23 Änderungsvorschlag zu Anforderungen an Primärregelleistungserbringung 50 f in Hz 49 Vorschlag zum Ausgleich der reduzierten Schwungmasse der EE t in s P Pges in MW 500 Windenergie Methan, Methan-, PSW Biomasse-, PV, Elektrolyseure, Bat, Elec Pumpspeicherkraftwerke Batterien t in s

24 Verbesserung des Frequenzverlaufs erreicht Hauptanteil der PRL: PV, Elektrolyseure, Batterien Hauptanteil der PRL: Wind Hauptanteil der PRL: Methan, PSW

25 Projektergebnisse

26 Die Berechnungen zeigen: Eine sichere und stabile Stromversorgung Deutschlands aus 100% erneuerbaren Quellen ist zukünftig technisch möglich, wenn erneuerbare Erzeugung, Speicher und Backupkraftwerke mit erneuerbarem Gas intelligent zusammenwirken.

27 Um die Netzsicherheit zu gewährleisten müssen auch dezentrale Erneuerbare Energien-Anlagen mit sicheren und leistungsfähigen Kommunikationsstandards überwacht und gesteuert werden können. Durch die Verknüpfung in Kombikraftwerken erweitert sich dabei der Handlungsspielraum.

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit