Smart Grids Hype oder heute schon Realität?

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1 Smart Grids Hype oder heute schon Realität? Vortrag anlässlich der DKE-Tagung 2011 Dipl.-Ing. Thomas Niemand, RWE Deutschland AG RWE Deutschland (DS-T) SEITE 1

2 Ziel von Politik und Energiewirtschaft ist es, bis 2020 in der EU und in Deutschland Smart Energy zu realisieren Politische Ziele im Energiekonzept der Bundesregierung: > Bis 2020 Reduzierung von Treibhausgasen um 40%, bis 2050 um 80% (gegenüber 1990) > Steigerung des Anteils der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch auf 50% bis % bis % bis 2050 Wesentliche Handlungsfelder im Energiekonzept der Bundesregierung: > Erneuerbare Energien als tragende Säule zukünftiger Energieversorgung > Schlüsselfrage Energieeffizienz > Kernenergie und fossile Kraftwerke (Ø Laufzeitverlängerung um 12 Jahre vor Fukushima) > Leistungsfähige Netzinfrastrukturen für Strom und Integration erneuerbarer Energien Intelligente Netze > Energetische Gebäudesanierung und energieeffizientes Bauen > Herausforderung Mobilität > Energieforschung für Innovation und neue Technologien > Energieversorgung im europäischen und internationalen Kontext > Transparenz und Akzeptanz RWE Deutschland (DS-T) SEITE 2

3 Die deutsche Wirtschaft glaubt mehrheitlich an die Verwirklichung einer smarten Energiewirtschaft bis 2020 Smart Energy im Jahr 2020 ist Hype 9% eher Hype 28% 49% eher Realität 14% Realität Quelle: MANAGEMENT ENGINEERS, Ergebnisse einer Studie mit TOP-Managern der Energiewirtschaft März 2011 RWE Deutschland (DS-T) SEITE 3

4 Smart Grid von der Innovation zur Realisierung Bericht der EU-Kommission > Ohne ernsthafte Weiterentwicklung der bestehenden Netze und des Zähl- und Messwesens wird der weitere Ausbau regenerativer Energieerzeugung stagnieren, die Sicherheit der Netze wird aufs Spiel gesetzt, neue Möglichkeiten zur Energieeinsparung und Steigerung der Energieeffizienz werden verschenkt. > In Europa sind bereits mehr als 5,5 Mrd. in mehr als 300 Projekte investiert > Die EU-Kommission sieht folgenden dringenden Handlungsbedarf: - Technische Standards entwickeln - Datenschutz für den Endkunden gewährleisten - Rechtliche Rahmenbedingungen für Anreize zum Ausbau von Smart Grids schaffen - Offenen und wettbewerbsfähigen Handelsmarkt für die Endkunden garantieren - Fortlaufende Unterstützung für technische Innovationen bereitstellen > März 2011 Veröffentlichung des Mandats M/490 EU Standardization Mandate to European Standardisation Organisations (ESOs) to support European Smart Grid deployment RWE Deutschland (DS-T) SEITE 4

5 Das EU-Normungsmandat will an wichtigen Schnittstellen schnell Lösungen initiieren (1) EUROPÄISCHE KOMMISSION M/490 DE Auftrag Intelligente Netze Auftrag an die Europäischen Normungsorganisationen zur Erstellung von Normen zur Unterstützung der Einführung intelligenter Stromnetze in Europa Ziel dieses Auftrags ist die Entwicklung und Aktualisierung kohärenter Normen innerhalb eines gemeinsamen europäischen Rahmens, der vielfältige digitale Rechenund Kommunikationstechnologien und elektrische Systemarchitekturen sowie die dazugehörigen Prozesse und Dienstleistungen integriert, die zur Interoperabilität führen und in Europa die Realisierung der von der Task Force Intelligente Netze definierten grundlegenden Dienstleistungen und Funktionen ermöglichen oder erleichtern, wobei diese hinreichend flexibel sein sollen, um künftigen Entwicklungen Rechnung tragen zu können. CEN, CENELEC und ETSI werden beauftragt, einen Rahmen zu entwickeln, der es den europäischen Normungsorganisationen ermöglicht, die Normen im Bereich der intelligenten Netze fortlaufend zu verbessern und weiterzuentwickeln und gleichzeitig eine übergreifende Kohärenz zu gewährleisten und kontinuierliche Innovationen zu fördern. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 5

6 Das EU-Normungsmandat will an wichtigen Schnittstellen schnell Lösungen initiieren (2) Die 3 wesentlichen Ziele und damit Anforderungen an die Normungsorganisationen sind: Technische Referenzarchitektur Die technische Referenzarchitektur wird 9 Monate nach Annahme des Auftrags bereitgestellt. Dauerhafte Prozesse Ein erstes Konzept für das Management der Modelle ("Use Cases") wird neun Monate nach Annahme des Auftrags fertig sein. Die dafür notwendige Datenaufbewahrung und Prozesse werden bis dahin verabschiedet. Erste Normen bis 2012 Ende 2012 müssen die Referenzarchitektur und erste Normen (einschließlich neu entwickelter technischer Spezifikationen) vorliegen. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 6

7 Die Research Policy der EU-Kommission beschreibt in 5 Stufen die European Electricity Grid Initiative Smart Grid Functional Level Smart Grid Functional Level > Level 5 Smarte Kunden Kundenbewusstsein und aktive Teilnahme > Level 4 Smart Energy Management Management von Energie-Effizienz in der Endanwendung, Aggregation und Energiehandel > Level 3 Smart Integration Erneuerbare Energien, Elektrofahrzeuge, Stromspeicher und Aggregation > Level 2 Smartes Netz und smarte Prozesse Automatisierte MS-Verteilnetze mit Selbstheilungsmöglichkeiten Überwachte und gesteuerte NS-Netze IT-unterstützte Monitoring-Prozesse > Level 1 Smartes europäisches Übertragungsnetz Innovative Übertragungsnetz-Architekturen State-of-the-art Übertragungsnetz-Technologien Neue Überwachungs-, Kontroll- und Speicher-Technologien Simulationsmöglichkeiten für den Strommarkt > Level 0 Neue Erzeugungstechnologien Customers ESCOs Aggregators Retailers Distribution Network Transmission Network Electricity Generation RWE Deutschland (DS-T) SEITE 7

8 Politik und Wirtschaft nehmen die Herausforderungen an und setzen umfangreiche Forschungsmittel ein. Project investments (M ) Investments (M ) / No. of project implementation sites per country Other Storage Transmission automation Home application Distribution automation Integrated systems Smart meters > Die dargestellten Projekte erstrecken sich teilweise über mehrere Länder und können auch mehrere Kategorien einbeziehen. > Drei große Projekte sind nicht enthalten: > Kriegers Flak project, ein Super Grid zwischen Deutschland und Dänemark mit einem Invest von 507 M > Smart Meter Roll-out in UK, abgeschätztes Invest ca M ; > Smart Meter Roll-out in Schweden ca. 150 Projekte mit in Summe 1500 M. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 8

9 Weltweiter Wettlauf der Normungsorganisationen auf dem Gebiet Smarter Technologien ist entbrannt FNN FORUM NETZTECHNIK/ NETZBETRIEB Bei IEC treibt und koordiniert das SMB die Normung IEC SG 3 DKE SMART.GRID DKE LK Smart Grid und Normung FNN Projektgruppe Smart Grid IEC TC 8 DKE K 261 IEC TC 57 DKE K 952 VDE Anwendungsregeln Anschluss von Erzeugungsanlagen am MS-Netz Anschluss von Erzeugungsanlagen am NS-Netz TAB E-Energy Forschungsprojekte (z.b. E-DeMa mit RWE Unterstützung) RWE Deutschland (DS-T) SEITE 9

10 Die technologische Herausforderung liegt in der Komplexität des Systems Netz begründet. e-energy Marktplatz der Zukunft Smart Meter Erzeugung Virtuelles Kraftwerk Handel MUC Smart Grids Transportnetze Stromverteilungsnetze Gasverteilungsnetze Transit Smart Home MUC = Multi Utility Communication IKT = Informations- und Kommunikationstechnik IKT Verbrauch Speicher e-mobility RWE Deutschland (DS-T) SEITE 10

11 Die E-Energy Projekte gestalten das Energie-Internet aktiv mit und legen die Basis für Effizienzsteigerungen Marktplatz der Zukunft E-DeMa Tatsächlich neu ist: > Paradigmenwechsel: Last folgt Einspeisung > Integration volatiler Großeinspeisung (z.b. Wind) Haushaltsgeräte Privatkunde IKT-Gateway Dezentrale Erzeugung > Integration KWK-Einspeisung (z.b. µkwk) > regionale Marktplätze als Produkt-Drehscheibe (Internet der Energie) μ kwk > Einsatz IKT-Gateways zur Steuerung von Produkten zur Energieeffizienz (z.b. Berücksichtigung von Einspeise- und Lastflexibilitäten) Spartenintegration RWE Deutschland (DS-T) SEITE 11

12 Bei der Entwicklung von wirklichen Smart Metern ist Deutschland führend Strom Gesetzgeber/Netzbetreiber/Kunde > Energieeffizienzinitiative > Gesetzgebung EU* + D > Neue Marktrolle Messstellenbetreiber und Messdienstleister MUC Gas INTEGRATION Wärme Wasser Transparenz/Energieeffizienz Tatsächlich neu ist: > Massentaugliche Technik für - Messen und Zählen - Datenübertragung - Visualisierung von Verbräuchen > Standards gesetzt EDL** und MUC*** > Integration der Sparten Smart Meter sind erfolgreich, wenn Kunden die Technik, Produkte und Mehrwertdienste annehmen Kosten von BNetzA anerkannt werden Datenschutz gewährleistet ist * 80 % Roll-out bis 2020 ** EDL = Energie-Dienstleistungs-Zähler (Standard für Neubauten) *** MUC = Multi-Utility-Communication (Kommunkationseinheit des Smart Meter) RWE Deutschland (DS-T) SEITE 12

13 Rechtliche Rahmenbedingungen im Zusammenhang mit Smart Metering reichen nicht aus Inkrafttreten Bereits gültig Bereits gültig Bereits gültig 01. Jan Jan Apr Dez Maßnahme Anschlussnutzer haben das Recht, Dienstleister für Messstellenbetrieb und Messung frei zu wählen. Ausweis der Entgelte für Messstellenbetrieb und Messung in Rechnungen an Letztverbraucher. Letztverbraucher können eine monatliche, viertel- oder halbjährliche Abrechnung für Strom- und Gaslieferungen einfordern. Messstellenbetreiber sind verpflichtet, bei Neubauten und bei umfänglich sanierten bzw. renovierten Gebäuden Messeinrichtungen einzubauen, die den tatsächlichen Energieverbrauch und Nutzungsdauer anzeigen.* Der Messstellenbetreiber muss allen Strom- und Gasverbrauchern auf Wunsch die Umstellung auf Smart Meter anbieten. Der Netzbetreiber hat einen elektronischen bzw. vollautomatischen Datenaustausch in einheitlichem Format zu ermöglichen. Energieversorgungsunternehmen müssen last- oder tageszeitvariable Stromtarife anbieten. * Regulierung 9 MessZV 40 Absatz 1 EnWG 40 Absatz 2 EnWG 21 b Absatz 3a EnWG 21 b Absatz 3b EnWG 12 MessZV 40 Absatz 3 EnWG * Soweit dies technisch machbar und wirtschaftlich zumutbar ist. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 13

14 Die Umsetzung eines Smart Grid ist auch ohne flächendeckende Einführung von Smart Metering möglich Facts > Ein flächendeckender Ausbau von Smart Metering ist mit sehr hohen Kosten verbunden (z.b. Roll-out in UK ca. 12 Mrd. ) > Die im Privatkunden-Segment sinnvoll beeinflussbare Energiemenge beschränkt sich i.w. auf Kälte und Wärme. Die Möglichkeiten im Haushalt Lasten zu steuern oder sich an einer Strombörse zu beteiligen sind eher begrenzt. Folgerung und Empfehlung > Die Frage, ob Smart Meter (verstanden als Messung mit Kommunikation) für jeden Haushalt oder nur für bestimmte Kunden (z. B. mit PV, BHKW oder Wärmepumpe) benötigt werden, sollte einer Kosten-Nutzen-Analyse unterzogen werden. > Die Bewusstseins-Änderung beim Kunden kann auch mit einer etwas intelligenteren Messung ohne (derzeit noch) teure externe Kommunikation erreicht werden RWE Deutschland (DS-T) SEITE 14

15 Smart Home Anwendungen sind auf dem Vormarsch und helfen Energie, Rohstoffe und CO 2 zu sparen. Eine Bewusstseinsänderung beim Verbraucher kann durch Bereitstellung von smartem Equipment aktiv getrieben werden. Vorteil der Geräte: > Relativ kostengünstig > Für Alt- und Neubauten in gleicher Weise einsetzbar > Schwimmt auf der Welle cool App mit RWE Deutschland (DS-T) SEITE 15

16 E-Mobility ist wichtiges Element zur Senkung schädlicher Treibhausgase > Ziel der Deutschen Bundesregierung ist es, bis zum Jahr 2020 in Deutschland 1 Mio. Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen > In verschiedenen Forschungsprojekten werden die Auswirkungen auf die elektrischen Verteilnetze untersucht. Basis dieser Untersuchungen ist die genaue Analyse der Fahrzeugnutzung in Abhängigkeit von der Tageszeit. - Fahrstrecke - Fahrdauer - Aufenthaltsort > Mit Hilfe von stochastischen Modellen können daraus Simulationen abgeleitet werden. Fazit vieler Studien > Eine moderate Integration von Elektrofahrzeugen ist ohne Netzausbau möglich > Erst hohe Durchdringungsraten von 25% oder 50% führen zur Verletzung technischer Randbedingungen, insbesondere zu Leitungsüberbelastungen im NS-Netz Prognose > e-mobility wird ohne politische Anreize nicht gelingen und ist primär von der Entwicklung der Batterietechnik abhängig. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 16

17 Langfristig stellt E-Mobility das Verteilnetz vor besondere Aufgaben > Bei synchronen Ladevorgängen ab 2020 erhebliche Netzmehrbelastung: In Wohngebieten um den Faktor drei. > Deshalb Steuerung der Ladevorgänge nach diversen Kriterien (Ladezustand, Ladedauer etc. erforderlich. > Langfristig unter Berücksichtigung der Speicherfunktion von e-mobility. > Lastvervielfachung unabhängig von nur begrenztem Mehrverbrauch. Eigenschaften 1-phasig 3-phasig 3-phasig 3-phasig 16 A 16 A 32 A 64 A Max. Power bis 3,7 kw bis 11 kw bis 22 kw bis 43 kw Ladedauer home Ladung an RWE Ladesäule 10 kwh Ca. 3h Ca. 1h Ca. 30 min. Ca. 15 min. 20 kwh Ca. 5,5h Ca. 2h Ca. 60 min. Ca. 30 min. 40 kwh Ca. 11h Ca. 4h Ca. 120 min. Ca. 60 min. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 17

18 Deutschland ist Technologieführer bei der Entwicklung und beim Aufbau der Infrastruktur für e-mobility Kunde / Markt > Prognose: 1-4 Mio. Elektroautos in 2020 in D > Nationaler Entwicklungsplan e-mobility verabschiedet Tatsächlich neu an der RWE Ladestation ist: > Sie setzt den Standard für Stecker und Datenübertragung Roaming* > Sie erlaubt flexible Abrechnungsund Kundenserviceprozesse > Sie regelt die synchrone Ladung mehrerer Fahrzeuge und verhindert Lastüberschreitungen * Versorgungs-/Vertragsübergreifende Abrechnung (entsprechend Mobilfunk) RWE Deutschland (DS-T) SEITE 18

19 Das Ziel, Strom zu 100% aus regenerativen Energien zu erzeugen, ist nur mit einem immensen Ausbau von Speichern zu erreichen. Nur ein Mix aus Großspeichertechnologie und kleinen dezentralen Speichern wird die notwendigen Kapazitäten bereitstellen können. > Pumpspeicher > Druckluftspeicher (AA-CAES) MW, Schnellstartfähigkeit reicht für 15 min. Reserve > Wasserstoffspeicher, 60-fache Nutzenergiemenge wie bei CAES Pumpspeicher-Kraftwerk Adiabates Druckluftspeicher- Kraftwerk Wasserstoff-Speicher spezifische Nettospeicherkapazität 0,7 kwh/m³ 2,9 kwh/m³ 187 kwh/m³ Wirkungsgrad 80% 70% 40% Vergleich der volumetrischen Speicherkapazitäten Vergleich der Vollkosten von Speichersystemen für Langzeitspeicherung Vergleich der Vollkosten für Speichersysteme Batteriesysteme und Antwortzeiten < 1 s Quelle: Energiespeicher in Stromversorgungssystemen, VDE-Studie, Dezember 2008 RWE Deutschland (DS-T) SEITE 19

20 Ziel der Netzstrategie muss es sein, statt einer maximalen eine optimale Netzkapazität zur Verfügung zu stellen > Der erhebliche Ausbau dezentraler Erzeugung konfrontiert einzelne Stromverteilnetzbetreiber bereits heute mit zusätzlichen Herausforderungen > Mittelfristig werden diese auch durch neue volatile Lasten noch erheblich ansteigen > Eine uneingeschränkte Bereitstellung der erforderlichen Netzkapazität führt zu sehr hohen Netzkosten, insbesondere in ländlichen Netzen > In klar definiertem Umfang sollte die Möglichkeit bestehen, dezentrale Erzeugung und bestimmte Lasten (z.b. e-mobility, Wärme, Kälte, Speicher) zu steuern RWE Deutschland (DS-T) SEITE 20

21 Smart Grids: RWE investiert werthaltig und gezielt in das Verteilnetz Ready for smart! Künftige Versorgungsaufgabe > Klimaschutzziele in D und EU > e-mobility > Dezentrale Erzeuger > Demographie / Industrie Mehr Kupfer? Mehr Informations- und Kommunikationstechnik? Tatsächlich neu ist: > mehr Mess- und Steuerungsintelligenz ins Netz, wenn dies wirtschaftlicher ist als konventionelle Lösungen. "Ready for smart" bedeutet: > moderne Verteilnetze können mit Mess- und Steuerungstechnik nachgerüstet werden > Smart muss schon die Planung sein (Zielnetzplanung) RWE Deutschland (DS-T) SEITE 21

22 Die Netze der Zukunft brauchen beides, sie müssen smart sein und gleichzeitig leistungsstark (1) Übertragungsnetze > Deutsche Netze sind im weltweiten Vergleich schon heute smart. > Ein Zubau in konventioneller Technik ist dringend erforderlich. (Es reicht nicht aus, Kernkraftwerke vom Netz zu nehmen, neue Kohlekraftwerke zu boykottieren und dafür Windkraftanlagen und PV zu fördern. Damit alleine entsteht noch keine funktionsfähige Stromversorgung. Es gehören zwei weitere Bausteine dazu: ausreichende Übertragungskapazitäten im Transportnetz regelbare Kraftwerksleistung in ausreichender Höhe, um die tlw. erhebliche Schwankungsbreite im regenerativen Energiedargebot ausgleichen zu können - dazu gibt es bisher kaum überzeugende Konzepte) RWE Deutschland (DS-T) SEITE 22

23 Die Netze der Zukunft brauchen beides, sie müssen smart sein und gleichzeitig leistungsstark (2) Verteilungsnetze > Um die vielen kleinen EEG-Anlagen am Netz anzuschließen, müssen die MS- und NS-Verteilnetze konventionell ausgebaut werden (Zubau an Leitungen und Transformatoren) > Für Einspeise- und Lastspitzen werden innovative Verfahren des Netzbetriebs, der Netzüberwachung und steuerung benötigt. > Intelligente Verteilnetze führen zu einer höheren Auslastung der Leitungen. Aber, ist es volkswirtschaftlich wirklich immer sinnvoll die gesamte mögliche Einspeisung aufzunehmen, d.h. die Netze für die extremste Leistungsspitze zu dimensionieren, die vielleicht nur an wenigen Stunden im Jahr auftritt? Die Alternative wäre eine intelligente Begrenzung der Einspeisung bei Netzengpässen gegenüber einer heute nach EEG verpflichtenden Netzverstärkung. RWE Deutschland (DS-T) SEITE 23

24 Der Einsatz einer Smart Substation im Verteilnetz ist abhängig von der Versorgungsstruktur Städtisches Verteilungsnetz Ländliches Verteilungsnetz Kabelanteil hoch gering Lastdichte hoch gering Stationsabstand klein groß Störungshäufigkeit Wiederversorgung gering schnell hoch langsam Die Entwicklung in städtischen und ländlichen Netzen wird nicht gleichartig ablaufen! Mögliche Lastengpässe durch e-mobility größer kleiner %-Anteil Einspeisung/ Kunden gering hoch Bestimmend für den Zeitraum Bestimmend für den Zeitraum > 2020 RWE Deutschland (DS-T) SEITE 24

25 Übersicht der Pilotprojekte in der RWE-Gruppe Ziel Funktionalitäten Projekte PP1* PP2 PP3 PP4 PP5 Meldungen Meldungen + Fernsteuerung Meldungen + Fernsteuerung + Last-/Einspeisemanagement Kurzschlussüberwachung zur schnelleren Fehlerlokalisierung Kurzschlussüberwachung zur schnelleren Fehlerlokalisierung Fernsteuerung der Lasttrennschalter zur Minimierung der Ausfallzeit Elektronisch regelbarer Transformator Kurzschlussüberwachung zur schnelleren Fehlerlokalisierung Fernsteuerung der Lasttrennschalter Einspeise- Management > 100 kw Beobachtung bidirektionaler Lastflüsse Last- und Spannungsüberwachung Netzoptimierung an der Belastungsgrenze Anreize für netzoptimales Verbraucherund Einspeiserverhalten Vergleichmäßigung der Netzlast durch Speicher Kundennahe Spannungsregelung * PPx Pilotprojekte 1-5 RWE Deutschland (DS-T) SEITE 25

26 Fazit > ja Smart Grid ist in der Perspektive 2020 realistisch > ja Smart Grid ist Realität in Forschung und Entwicklung > ja Smart Grid ist Realität bei Studien und in Standardisierung und Normung > ja erste Smart Grid Realisierungen sind in den Verteilnetzen eingebaut, um die regional sehr hohe Zahl der dezentralen Einspeisungen zu beherrschen > ja Smart Grid ist Hype auf vielen Veranstaltungen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! RWE Deutschland (DS-T) SEITE 26

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