Herausforderungen bei der Integration von hohen PV-Leistungen ins Stromnetz

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1 Herausforderungen bei der Integration von hohen PV-Leistungen ins Stromnetz Dr. Günther Ebert Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Freiburg München,

2 Inhalt n Stand und Perspektiven der Stromerzeugung aus Photovoltaik n Herausforderungen bei der Netzintegration von PV-Strom n Maßnahmen zur Verbesserung der Netzintegration

3 Beitrag der EE zur Strombereitstellung in Deutschland Beitrag der erneuerbaren Energien zur Strombereitstellung in Deutschland [GWh] Wasserkraft Biomasse * Windenergie Photovoltaik Novelle BauGB: November 1997 EEG: April 2000 EEG: August 2004 EEG: Januar ,1% 5,2% StromEinspG: Januar März ,6% * Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 3,2% Summe 20% Quelle: BMU

4 Stromproduktion: Woche 21, 21. bis 27. Mai 2012 Tatsächliche Produktion MW Anzeigewoche: KW 21; Mo Di Mi Do Fr Sa So Legende: Konventionell > 100 MW Wind Solar n Solar: max. 22,4 GW n Summe Mai: > 4 TWh entspr. 10% des mtl. Stromverbrauchs (BDEW) n Steigerung um 40% ggü. Vorjahr Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE; Daten: Leipziger Strombörse EEX

5 EE-Perspektive Leitstudie GWp install. (3-3,5 GW p.a.)

6 Perspektive der Photovoltaik Ziel der Bundesregierung / Energiekonzept: 2020: 35% EE, 2030: 50% EE, 2050: 80% EE (100% möglich) bis 2020 n Leitstudie eher konservativ (PV-Strom wird immer billiger) n Netzentwicklungsplan Szenario A nur 34 GW! nach 2020 n n Leitstudie sieht kaum noch weiteren Ausbau vor PV-Strom sollte dann schon auf fossilem Niveau sein n Ausbau der Windkraft off-shore, on-shore? n Entwicklung des Stromverbrauchs? n Energiemix bei Einbezug von Wärme und Gas? langfristig sinnvoller PV-Anteil eher zwischen 20 und 30%

7 Herausforderungen spätestens 2050: über 200 GW fluktuierende Erzeugung Last GW!!! Erzeugung und Verbrauch zeitweise im extremen Ungleichgewicht Erzeugte Energie kann wegen nicht angepassten Netzen nicht verteilt werden Frequenz- und Spannungsinstabilitäten Verteilung des erzeugten Stroms Fluktuationen in der Erzeugung

8 Elemente des zukünftigen elektrischen Energiesystems Netzausbau Netzsteuerung Transnationales SuperGrid Demand Side Management Energie-Mix Speicher Virtuelle Kraftwerke Elektro- Fahrzeuge

9 Erforderlicher PV-bedingter Netzausbau n n n Ø Für Photovoltaik nur moderater Netzausbau nötig Ausbau vorwiegend im Verteilnetz Ecofys-Studie: bis 70 GW PV (2020) etwa 1,1 Mrd. EUR Ø Voraussetzung sind Optimierungsmaßnahmen im Verteilnetz Ø Netzentgelte steigen dabei nur um 0,4% n n Jährliche Wartungskosten etwa 1 Mrd. EUR Ausbau sollte ohne Akzeptanzprobleme vonstatten gehen

10 Maßnahmen zur Reduzierung des Netzausbaubedarfs im Verteilnetz siehe Vortrag Prof. Engel

11 Das Netz wird intelligent Smart Grids Beispiel Lastverschiebung n Eine Steuerung schaltet Verbraucher in Abhängigkeit des Strompreises an und aus: z.b. Industrieprozesse, Kühlhäuser, Schwimmbäder, Geschirrspülmaschinen, Wärmepumpen, Beladung Elektromobile n Stromtarife werden der Verfügbarkeit des Stroms angepasst n Stromerzeuger und Verbraucher sind über ein Datennetz verbunden

12 Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeuge zur Netzstabilisierung Batteriekapazitäten 8-30 kwh Zu > 90% sind unsere Autos Stehzeuge Batterien können zur Netzstabilisierung verwendet werden Anzahl EVs & PHEVs in Deutschland (alle Fahrzeuge 45 Mio) Jahr Anzahl in Mio Anteil in % Speicherkapazität GWh Entladezeit h , , ,16

13 Beispielhafter Speicherbedarf bei hoher fluktuierender Erzeugung 650 GWh

14 Heutige Speicherkapazität in Deutschland Speicherkapazität in Deutschland (Pumpspeichertechnologie): Speicherleistung: ~ 7,3 GW Speicherkapazität: ~ 38 GWh Typische Energieverbrauch pro Tag: ~ 2 TWh Versorgungsspanne 30 min Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal

15 Most attractive Storage Technologies for Grid Support mechanical electrochemical chemical Pumped storage hydroelectricity Compressed air energy storage; CAES Batteries PB/ NiCd/NIMH/Li-Ion HT Batteries NaS/ NaNiCl Flow batteries Redox or Hybrid flow Hydrogen Fuel Cell Methane from Hydrogen & CO2

16 Kleine Hausspeicher zur Ergänzung von PV-Anlagen n Erhöhung des Eigenstromanteils n Netzentlastung n Mittelfristig Kostengünstig

17 Kleine Hausspeicher zur Ergänzung von PV-Anlagen Quelle: IWES n Erhöhung des Eigenstromanteils n Netzentlastung n Mittelfristig Kostengünstig

18 Kleine Hausspeicher zur Ergänzung von PV-Anlagen Typische Daten n Li-Ionen-Technologie n Kapazität: 5 kwh n Nennspannung: 48 V n Zyklenlebensdauer: 7000 Vollzyklen n Kalendarische Lebensdauer: 20 Jahre n Integriertes Batteriemanagement n Mittelfristiges Kostenziel 350 Euro/kWh

19 Ebenen der Speicherimplementierung Netzbetrieb Energiemanagement Verteilnetz (NEMS) NEMS Wind MS- Netz DEMS Energiemanagement Ortsnetz DEMS (DEMS) NS- Netz Energiemanagement Haushalt (HEMS) HEMS HEMS Haushalte PV-Anlagen, BHKW, Wärmepumpen, Energiespeicher HEMS HEMS HEMS Haushalte PV-Anlagen, Wärmepumpen, Energiespeicher Fraunhofer IOSB-AST

20 Speicherung auf Gas-Basis für saisonale Speicherung (Power-to-Gas)

21 Optimierungsaufgabe: Konzeption einer kostenoptimierten Versorgungsstruktur unter Einbeziehung der Wärme- u. Gasseite Erzeugungs- Mix Speicher Netzausbau

22 Zusammenfassung Ø Die Photovoltaik ist auf dem Weg zu einer der günstigsten Energiearten. Der Ausbau sollte deshalb beschleunigt und nicht gebremst werden. Ø Der weitere Ausbau der Photovoltaik erfordert jedoch mittelfristig eine Reihe von Begleitmaßnahmen zur Verbesserung der Netzintegration. Ø Die beschleunigte Aufrüstung unserer Verteilnetze zu Smart Grids, der moderate Ausbau dieser Netze und die Integration von elektrischen Speichern sind solche geeignete Maßnahmen. Ø Bei hohen Anteilen der PV an der Stromerzeugung müssen preiswerte Lösungen zur saisonalen Speicherung geschaffen werden. Ø Um die leidige Diskussion um die teure Photovoltaik zu beenden brauchen wir neue Szenario-Rechnungen, die Energiemix, Netzausbau und Speicherbedarf gleichzeitig betrachten und das globale Kostenminimum analysieren. Hierzu müssen auch die Wärme- und Gasseite einbezogen werden. Am Ende sollte der optimierte Erzeugungsmix ermittelt werden.

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme ISE Günther Ebert