Frequenz-Leistungs-Regelung mittels Batterie-Energiespeicher im Inselnetz von West-Berlin

Transkript

1 Frequenz-Leistungs-Regelung mittels Batterie-Energiespeicher im Inselnetz von West-Berlin Klaus G. Krämer Goslar,

2 Agenda Ausgangssituation Inselnetzbetrieb Konventionelle Frequenz-Leistungs-Regelung Notwendigkeit zusätzlicher Frequenzregelleistung Grundsatzstudie Forschungsprojekt Konzeption der Grossanlage Bau und Inbetriebsetzung Oktober 1986 Betriebserfahrungen Stilllegung Ende 1984 Energie-Museum Berlin

3 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Trennung der Netze durch Ost-Berlin am Grund: Störungen im Stromversorgungssystem der DDR

4 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Trennung der Netze durch Ost-Berlin am Grund: Störungen im Stromversorgungssystem der DDR Inselbetrieb in West-Berlin

5 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Trennung der Netze durch Ost-Berlin am Grund: Störungen im Stromversorgungssystem der DDR Inselbetrieb in West-Berlin Ausfall der Stromlieferungen der HEW an die BEWAG

6 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Trennung der Netze durch Ost-Berlin am Grund: Störungen im Stromversorgungssystem der DDR Inselbetrieb in West-Berlin Ausfall der Stromlieferungen der HEW an die BEWAG Extremer Leistungsmangel in West-Berlin

7 Inselnetzbetrieb in West-Berlin

8 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Probleme

9 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Probleme Versorgungsqualität Spannung, Frequenz Einhaltung des normierten Spannungsbandes Einhaltung der Netzfrequenz 50 Hz Minimierung der Synchronzeit-Abweichungen

10 Inselnetzbetrieb in West-Berlin Probleme Versorgungsqualität Spannung, Frequenz Einhaltung des normierten Spannungsbandes Einhaltung der Netzfrequenz 50 Hz Minimierung der Synchronzeit-Abweichungen Versorgungszuverlässigkeit Leistungsbereitstellung Sekundenschnelle Beherrschung von Ausfällen Blockgrössen-Restriktionen

11 Leistungsregelung im Inselnetz Regelkraftwerke Nennleistung 50 MW Trommelkessel ohne ZÜ Regelbereich 35 ± 7,5 MW Dampfspeicheranlage (Ruths-Speicher) Nennleistung 2 * 20 MW Kapazität 70 MWh Ladung des Speichers aus benachbarter Blockanlage

12 Wachsender Regelleistungsbedarf Ziel: Einhaltung der Regelbandbreite ±200 mhz Probleme Wachsende Netzlast (> 7 %/a) Volatiler Leistungsbedarf grosser Verbraucher Kleine Netzkennzahl (< 150 MW/Hz) Leistungsmangel (Last- statt Regelbetrieb)

13 Frequenzverlauf bei Synchronisation von BEWAG- und UCTE-Netz Hz BEWAG UCTE *10 sec

14 Netzfrequenzverlauf nach Kraftwerksausfällen

15 Grundsatzstudie (1979) Mögliche Energiespeicher in West-Berlin Speicher Wandler Netz Fernwärmesystem Dampfspeicher Batterie Wasserstoffspeicher Heizwiderstand Turbosatz Turbosatz Stromrichter Elektrolyseur Brennstoffzelle H 2 O 2 -Dampferzeuger Gasturbine

16 Grundsatzstudie (1979) Mögliche Energiespeicher in West-Berlin Speicher Wandler Netz Fernwärmesystem Dampfspeicher Batterie Wasserstoffspeicher Heizwiderstand Turbosatz Turbosatz Stromrichter Elektrolyseur Brennstoffzelle H 2 O 2 -Dampferzeuger Gasturbine

17 Energiespeicher Speichertypen

18 Idee: Frequenzregelanlage mit Batterie-Energiespeicher

19 Idee: Frequenzregelanlage mit Batterie-Energiespeicher?

20 Forschungsprojekt, Versuchsanlagen Quelle: Digatron How to test Batteries

21 Forschungsprojekt, Versuchsanlagen

22 Batterie-Versuchsanlage Forschungsprojekt gefördert vom BMFT Beginn des Versuchsbetriebs Untersuchung des Verhaltens und der Degradation der Batteriezellen in Abhängigkeit von der Betriebsweise (Strombelastung, Ladeverfahren etc.) Forschungsbericht BMFT-FB-T , Dezember 1986 Fortsetzung des Versuchsbetriebs mit Batterien verschiedener Hersteller Baubeschluss Grossanlage Oktober 1984 Inbetriebsetzung Grossanlage Oktober 1986

23 BES Steglitz Schema

24 BES Steglitz Anlagenstruktur Lüftungsmaschinen Örtliche Steuerung Datenerfassung Schaltgeräte Stromrichter Hilfsgleichrichter Batteriestrangtrenner Batteriestrang Kommutierungsdrosselspule Transformator Abluftkanal 30-kV-Kabel Zuluftkanal

25 BES Steglitz Stromrichter Eigenschaften 2 Umkehrstromrichter je ±8,5 MW (AEG) je Stromrichter zwei DB6-Brücken antiparallel geschaltete Thyristoren Einsatz des grössten verfügbaren Thyristors (2,2 kv, 4,4 ka) Luftkühlung SR-Transformator mit 2 Sekundärwicklungen (Υ / ) max. Leistungsabgabe an das Netz 17 MW max. Leistungsgradient auf 12 MW/s begrenzt Leistungssollwert vom eigenen Primärregler vom Regelkopf der Lastverteilung

26 BES Steglitz Stromrichter ±8,5 MW

27 BES Steglitz Batterie Eigenschaften Nennspannung 1180 V max. Batteriespannung < 1650 V (VDE 0100) 12 parallele Batterien mit je 590 Zellen (7080 Zellen) zellige Module 10V OCSM 1000 (Hagen-Batterie)

28 BES Steglitz Einer von 12 Batterieräumen

29 BES Steglitz Batterie Eigenschaften Nennspannung 1180 V max. Batteriespannung < 1650 V (VDE 0100) 12 parallele Batterien mit je 590 Zellen (7080 Zellen) zellige Module 10V OCSM 1000 (Hagen-Batterie) Negative Platte auf Kupfer-Streckmetall aufgebaut

30 BES Steglitz Modell einer OCSM-Zelle

31 BES Steglitz Batterie Eigenschaften Nennspannung 1180 V max. Batteriespannung < 1650 V (VDE 0100) 12 parallele Batterien mit je 590 Zellen (7080 Zellen) zellige Module 10V OCSM 1000 (Hagen-Batterie) Negative Platte auf Kupfer-Streckmetall aufgebaut Mammutpumpe zur Elektrolytumwälzung Automatisches Wassernachfüllsystem Integrierter Wärmetauscher

32 BES Steglitz Batterie

33 BES Steglitz Batterie Eigenschaften Nennspannung 1180 V max. Batteriespannung < 1650 V (VDE 0100) 12 parallele Batterien mit je 590 Zellen (7080 Zellen) zellige Module 10V OCSM 1000 (Hagen-Batterie) Negative Platte auf Kupfer-Streckmetall aufgebaut Mammutpumpe zur Elektrolytumwälzung Automatisches Wassernachfüllsystem Integrierter Wärmetauscher Speicherkapazität 5-stündig ca. 14,4 MWh

34 BES Steglitz Betriebsweise Frequenzregelung

35 BES Steglitz Betriebsweise Sofortreserve

36 BES Steglitz Kumulierter Kapazitätsumsatz bis 11/1992

37 BES Steglitz Lessons Learned Batterie Vorteil des 5-zelligen Blocks: Wirkungsgrad; Nachteil: Ausfall einer Zelle erzwingt den Austausch von 5 Zellen Parallelschaltung der Batteriestränge ist unproblematisch Aufbau der Batteriestränge in getrennten Räumen ist nicht erforderlich Begrenzung der Elektrolyttemperatur auf 45 C erfordert an heissen Sommertagen Reduzierung der max. Anlagenleistung Batterie-Gebrauchsdauer ca. 8 Jahre

38 BES Steglitz Lessons Learned Batterie-Peripherie Wassernachfüllsystem erfordert wöchentliches Befüllen, damit die Ventile in Bewegung bleiben > unvorhergesehener Personalaufwand Thermal Management: Die diskreten Öffnungen der Zuluftkanäle führen besonders im Winter zu unterschiedlichen Zellentemperaturen. Abhilfe durch Wasserumwälzung durch die Wärmetauscher der Zellen. Elektrolytumwälzung: Viermal täglich 15 Minuten sind ausreichend Ausrüstung der Batterieraumböden mit PU-Beschichtung hat sich bewährt Messtechnik und Datenerfassung können stark vereinfacht werden

39 BES Steglitz Lessons Learned Anlage Netto-Wirkungsgrad der Gesamtanlage (inkl. Eigenbedarf) > 76 % Kosteneinsparung durch Frequenzregelung ca. 6 MDM/a Kosteneinsparung durch Verbesserung der dynamischen Reservebilanz 4 7 MDM/a Personalaufwand ca. 0,5 Mannjahre/a

40 BES Steglitz Investition Gesamtinvestition 23 MDM Batterie inkl. Balance of Plant 7 MDM Messwerterfassungsanlage 2 MDM Stromrichter inkl. Transformatoren und Schaltgeräte 6 MDM Elektroinstallation 1 MDM Gebäude 7 MDM

41 Batterie-Energiespeicheranlage Steglitz Ausserbetriebnahme: Ende 1994, nach Aufnahme des Parallelbetriebes des West-Berliner Netzes mit dem westeuropäischen Verbundnetz (UCTE-Netz) Aufnahme des Museumsbetriebes am 10. Mai 2001

42 Energie-Museum Berlin

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

44

45 Dynamisches Verhalten der Kraftwerke

46 Ausfallsimulation (217 MW/1760 MW) ohne Speicher

47 Ausfallsimulation (217 MW/1760 MW) mit Speicher (20 MW)