Vortrag für die Generalversammlung der Arbeitsgemeinschaft für dezentrale Energieversorgung, 31. Mai 2013

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1 Vortrag für die Generalversammlung der Arbeitsgemeinschaft für dezentrale Energieversorgung, 31. Mai 2013 Dezentrale Erneuerbare Stromerzeugung und Speicherung: Geschichte, Tatsachen, Herausforderungen und Lösungen Dr. Petr Korba Dozent und Fachgruppenleiter elektrische Energietechnik 1

2 Agenda Energiesystem Geschichte, Funktion und weitere Entwicklung Treiber für Veränderungen Integration von erneuerbaren Energiequellen Technische Herausforderungen und mögliche Lösungen Beispiele & Projekte Zusammenfassung 2

3 Kernaufgaben und Betrieb des elektrischen Energiesystems A. Kapazität Capacity B. Verfügbarkeit Reliability C. Effizienz Efficiency D. Zukunftsfähigkeit Sustainability 1. Aufgaben der Stromversorgung: Kapazität - Verfügbarkeit - Effizienz - Nachhaltigkeit/Zukunftsfähigkeit 2. Aufgaben der Netzführung / -automatisierung: Vorhersagen und Planung der Energieerzeugung (oder des Verbrauches) und -übertragung 3

4 Entwicklung von Energiesystemen»Der Anfang war dezentral» 1. Isolierte Elektrizitätswerke Edison (Gleichstrom/DC), Tesla & Westinghouse (Wechselstrom/AC) (ein Kraftwerk für mehrere Hunderte Lampen, z.b. eine Strasse) 2. Regionale Systeme (Städte) 3. Nationale Systeme (Länder) 4. Kontinentale Verbundsysteme (z.b. ENTSO-E in Europa European Network of Transmission System Operators for Electricity) Grundcharakteristik: Wechselstromsystem (alle Generatoren laufen synchron) z.b. in Europa 50 Hz, USA 60 Hz usw.) Zu beobachten: Zentralisierung, steigende Grösse und Erzeugungskapazität Warum/Idee: Verbesserte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei Ausfällen Jahr 4

5 Entwicklung von Energiesystemen «Die grösste Maschine, die der Mensch je gebaut hat» Beispiel: Europa (ENTSO-E) = ein Wechselstromenergiesystem, das synchron auf 50Hz läuft (in 5 Gebieten: Kontinentaleuropa + Türkei, Irland, GB, Baltikum, Skandinavien) für 450 Million Einwohner in 34 Ländern und 41 TSO Spitzenlast*: 530 GW (Januar) 420 GW (Juli) Erzeugungskapazität: 960 GWp (inkl. EE) (davon EE 320 GW; Versorgungssicherheit gewährleistet, da 530 < 960 GW) Hochspannungsnetz: 380 kv AC Gesamtenergieverbrauch: TWh/Jahr Koordination: durch 2 Zentren: ENTSO-E Süd swissgrid (CH) ENTSO-E Nord Amprion (DE) * China: ca GW (2010) Source: entso-e.org 5

6 Einflüsse auf die Weiterentwicklung Tendenzen und mögliche Lösungen Europa und Nordamerika 11% 31% China 105% 195% 1. Steigende Energienachfrage mit einem überproportional steigenden Anteil an elektrischer Energie Mehr Stromerzeugung oder Reduzierung des Bedarfs IEA-Prognose Wachstum der Nachfrage nach Primärenergie Wachstum der Nachfrage nach elektrischer Energie Mittl. Osten und Afrika 73% 131% Source: IEA Indien 126% 282% 2. Verbesserung der Verfügbarkeit der elektrischen Energie Ausbau der Infrastruktur (z.b. Netz- und Speicherausbau, radiales Netz vermaschtes Netz) Einführung neuer Netzautomatisierungs- und Schutztechnologien 3. Beachtung von Umweltaspekten wie CO 2 -Ausstoss usw. Steigerung der Energieeffizienz 4. Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen und Ausstieg aus der Atomenergie Umstieg auf Erneuerbare Energiequellen 6

7 Hochspannungsenergiesystem auf Länderebene Beispiel: Schweiz Spannung 220kV-380 kv Spitzenlast ca. 8 GW (Winter) Energieverbrauch ca. 60 TWh/Jahr Erzeugung: ca. 38% Nuklear ca. 57% Wasser ca. 5% andere PV in CH (2012) nur ca. 0.5% PV in Deutschland ca. 5% Echt-Zeit Info auf: 7

8 Energieerzeugung Herausforderungen der Energiewende Beispiel: Aktuelle Schweiz Situation 7000 (Daten von 2010; Quelle: BfE) Erzeugung (GWh pro Monat) Speicherwerke + Andere Laufkraftwerke Nuklear 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli August Monat September Oktober November Dezember Anteil «Nuklear» = ca. 38% Energie, d.h. 23 TWh/Jahr, = entspricht bei einem Kapazitätsfaktor 1:1 (Peak- zu Durchschnittsleistung) ca. 2.6 GW mittlerer Leistung 8

9 Umstieg auf Erneuerbare Energien (PV) «Steigende Wichtigkeit von Netzen und Speichern» Herausforderungen: Primärenergiequellen nicht steuerbar Sonne/Wind (nicht korreliert mit Verbrauch) Saisonale Erzeugung Sonne nur im Sommer (Winter?) Kleiner Kapazitätsfaktor (ca. 10%) Spitzen in der Erzeugung (Übertragung?) Implikationen und mögliche Lösungen: Lokal speichern Speicher (lang-zeit & kurz-zeit) Energie übertragen an Orte, wo sie gebraucht wird Netz Energie übertragen an Orte, wo sie gespeichert wird Netz + Speicher Last anpassen Last-Management System (Komfort?) Problem beim Übertragen: Abhilfe = Lokale Speicher Überlastung Reserve Infrastruktur (Transformatoren und Leitungen) historisch bedingt dimensioniert für unidirektionale Lastflüsse mit bekannten Tagesprofilen 9

10 Gedankenexperiment Schweiz Beispiel: 20% und 33% PV-Szenarien Leistung ist nicht Energie Bedeutung der Energiespeicherung Kapazitätsfaktor Verhältnis Durchschnitts- zu installierter Leistung PV in der CH ca. 10% Leistungsfaktor Verhältnis Spitzenleistung zu abgegebener Energie PV in der CH 1kWp 1 MWh/Jahr Erzeugung 2,4 GW 10,4 GW (8,4 GW) Bedarf 20%: 12 TWh/Jahr (12 GWp) 33%: 20 TWh/Jahr (20 GWp) Schweiz: 60TWh/Jahr (8 GWp) (100%) Tendenz: +1,5 % pro Jahr 1,6 GWp Schlussfolgerung: (2 GWp im Ausbau) Ohne zusätzliche steuerbare Lasten und/oder Speicher können Potentiale Speicher der erneuerbaren Energien kaum genutzt werden 10

11 Energienetz Mögliche Plazierung von Speichern Grosskraftwerk Offshore Windpark z. B. Pumpspeicher Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) Windpark z.b. TEES, Power2Gas Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage z.b. Batteriespeicher, Power2Gas Industrie/Gewerbe Mittelspannung (6-30 kv) kleine PV-Anlage z.b. Batteriespeicher (BESS) Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) 11

12 Mögliche Plazierung von Speichern Beispiele: Existierenden Lösungen mit Vor- und Nachteilen Grosskraftwerk Offshore Windpark Pumpspeicher (zentral) Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) -5% Windpark -20% Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Mittelspannung (6-30 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage Industrie/Gewerbe kleine PV-Anlage Batteriespeicher (dezentral) Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) -5% -10% 12

13 Beispiel 1: Grosses «BESS» «Battery Energy Storage System» Zusammenarbeit mit ABB und EKZ Mittelspannungssystem Leitstand Wechselrichter Batteriecontainer Beispiel: EKZ 1MW / 0.5MWh System eingeweiht am 21. März 2012 Gross ökonomischer als klein (Kosten, Lebensdauer, Wirkungsgrad) Akku-Technologie: Li-Ionen, Blei usw. je nach Anwendung Grosse BESS können auch Systemdienstleistungen wahrnehmen (Spannungsregelung, Regelenergie) Wichtigste Herausforderungen: Leittechnik (Regelungs-Algorithmen) 13

14 Beispiel 1: Projekt «BESS» Leittechnik Intelligente Algorithmen Optimale Integration von erneuerbaren Energiequellen mit möglichst kleinen Speichern ins Netz (Kosten) Je Intelligenter die Leittechnik, desto kleiner der Speicher (d.h. Kostensenkung) Zusammenarbeit mit MeteoSchweiz Ue Exogenous inputs (weather forecast, prices grid limits etc.) Model based predictive controller Xo Estim. Optimizer Model Yp Predicted outputs Literatur: Up Optimal Control set-points (every 15 min) + + Uc Real System Regulator Y - Controlled Outputs + error Fast Feedback Corrective Control (sec) P. Korba, F. Baumgartner, B. Völlmin, A. P. Manunatha, Integration and Management of PV-Battery Systems into the Grid, 27 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Frankfurt, Germany, Sept , A. P. Manunatha, P. Korba, V. Stauch, Optimal Integration of large battery energy storage systems into power grids, IEEE PowerTech Conference, Grenoble, France, June 16-20,

15 Beispiel 2: Kleine Batteriespeicher PV-Batterie Systems auf dem Markt (Quelle: Informationspapier des Bundesverbands Solar-Wirtschaft, Stand: ) Idee: - Eigenverbrauch stimulieren um Stromnetze zu entlasten - kleine Speicher = im Netz auf dem Niederspannungsniveau Beispiel: - Deutschland (seit 1.Mai 2013) - Für Reduktion der PV Leistung auf 60% Peak-Leistung gibt s bis zu 660 Euro Fördergeld (pro kwp installierter PV-Leistung) für einen lokalen Speicher 15

16 Beispiel 2: Kleine Batteriespeicher Peak Leistung vs. Batterie Kapazität Was bringt mir ein Speicher bei Einspeisereduktion (Energie- /Geldverluste)? Wie viele Ladezyklen pro Jahr (skalierbar als Funktion von kwh/kwp) resultieren? kein reales Experiment Berechnungen mit repräsentativen Erzeugungsprofilen und einfacher Logik als Batterieregler Lade wenn P PV > x. P PVpeak mit x = 30% 70% Einstellparameter: «Abriegelung» der Netzeinspeisung (30 70% der installierten Peak-Leistung) «Verhältnis der Speicherkapazität zu Peak-Leistung» (1 5 kwh / kwp) Ergebnisse: Speicherdurchsatz (Anzahl von Ladezyklen pro Jahr) Energie gespeist ins Netz (100% = Gesamtenergie pro Jahr ohne Abriegelung) Batterie 1kWh/kWp & Netzeinspeisung 50% P Peak ca. 200 Vollladezyklen/Jahr Batterie 2kWh/kWp & Netzeinspeisung 60% P Peak ca. 100 Vollladezyklen/Jahr Batterie 5kWh/kWp & Netzeinspeisung 30% P Peak ca. 200 Vollladezyklen/Jahr L. Baumgartner, P. Lienert, ZHAW

17 Beispiel 3: Power2Gas-Konzept als Langzeitspeicher CCEM Projekt RENERG2 (Antrag gerade bewilligt) Solar / Wind Stromnetz Elektrolyse CO 2 (aus Biogas, Abgas Vergasung) H 2 H 2 (O 2 ) H 2 - Mobilität Gasnetz Methanisierung CH 4 HCNG H-CNG Mobilität Gas Speicher 17

18 Weiterentwicklung Die Energietechnik und die erforderliche Infrastruktur entwickeln sich seit Jahren ständig weiter: von «dezentral» (Anfang der Geschichte der elektrischen Energieversorgung) über «zentral» (Situation heute) und weiter höchstwahrscheinlich zu «zentral + dezentral» Mit steigender Integration von erneuerbaren Energien wird die Energietechnik «komplexer» Netze, Speicher (und Politik) werden wichtiger: 1. «Räumlicher Aspekt» (Energieübertragung) «Netze» 2. «Zeitlicher Aspekt» (Korrelation zwischen Erzeugung und Verbrauch) «Speicher» 3. «Wirtschaftlicher Aspekt» «Politik» (I.) Elektrische Energie kann auf unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden (II.) Anreize aus der Politik werden die Zukunft stark beeinflussen (Art der Erzeugung, Gesamtkosten, Nachhaltigkeit usw.) 18

19 Zusammenfassung Unser zukünftiges Energiesystem wird: Stärker automatisiert und in diesem Sinne intelligenter, d.h. für das Fachgebiet der Energietechnik: Nicht nur dicke Kabel und grosse Leistungsflüsse Um erneuerbare Energiequellen zu integrieren, werden Informations- und Kommunikationstechnologien, Automatisierungs- und Regelungstechnik, Signalverarbeitung, Wettervorhersagen usw. notwendig Das «Grid» wird «smarter», aber mehr als das kann man heute kaum vorhersagen. 19

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Integration von erneuerbaren Energien Was machen wir nun ohne Wind? Wir schmeissen den Ventilator an! 20