e-home Energieprojekt 2020 Innovative Lösungen für die Energieversorgung von morgen. Netze für neue Energie

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1 e-home Energieprojekt 2020 Innovative Lösungen für die Energieversorgung von morgen. Netze für neue Energie

2 Spannungsschwankungen im Verteilnetz Insbesondere die vielen kleinen privaten Solarstrom-Anlagen zeigen Auswirkungen im Niederspannungsnetz. In den Leitungsnetzen der Spannungsebenen Volt (Mittelspannung) und 400 Volt (Niederspannung), also in den regionalen und lokalen Stromnetzen, wie sie Avacon betreibt, sind Spannungsschwankungen eine mögliche Folge eines Ungleichgewichts von Stromeinspeisung und -nachfrage, das durch die teilweise stark schwankende Stromerzeugung von Photovoltaikanlagen ausgelöst wird. Wenn das Verteilnetz auch in Zukunft große Mengen weiterer EE-Erzeugung aufnehmen und gleichzeitig die hohe Versorgungsqualität weiterhin gewährleistet sein soll, muss es für diese zusätzlichen Aufgaben fit gemacht werden. Daraus resultiert für regionale Netzbetreiber wie Avacon ein erheblicher Aus- und Umbaubedarf. Das bedeutet, dass zusätzliche Stromkabel verlegt, neue Umspannwerke, Trafos und Schaltstationen errichtet werden müssen, um mehr Strom aufnehmen und abtransportieren zu können Transport Transport Energiewende: Neue Aufgaben für Flächennetzbetreiber Stadt L6K =MN L6K Stadt Land Stadt Land =MN Land Stadt Land Die Energieerzeugung aus Sonne, Wind & Co. ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Die Energiewende hat damit längst begonnen, und sie findet aufgrund des Flächenbedarfs von Windkraft-, Biogas- und Photovoltaikanlagen vor allem auf dem Lande statt. Als regionaler norddeutscher Flächennetzbetreiber befindet sich Avacon auch räumlich im Kerngeschehen der Energiewende. Rund 60 Prozent beträgt der Grünstromanteil in den Avacon-Netzen mittlerweile und ist damit mehr als doppelt so hoch wie im Bundesdurchschnitt. Der rasante Zuwachs an dezentralen Erzeugungsanlagen stellt Avacon vor neue Aufgaben. Die ländlichen Verteilnetzstrukturen, die über nahezu ein Jahrhundert ausschließlich am Stromverbrauch orientiert waren, haben in den letzten Jahren erhebliche Anschlussleistungen aufgenommen und zunehmend Aufgaben des Stromabtransports übernommen. Allerdings sind die Aufnahmekapazitäten ländlicher Netze inzwischen vielerorts erschöpft. Kreative Lösungen begrenzen Ausbaukosten Bei der klassischen Form des Netzausbaus käme es jedoch zu hohen Kosten und einem dauernden Aufgraben der Straßenzüge, um neue Kabel in die Erde zu legen. Deshalb gibt es intensive Forschungstätigkeiten, um intelligentere Formen für zukünftige Netzstrukturen (sogenannte Smart Grids) zu entwickeln. Avacon beteiligt sich im Rahmen der Forschungsaktivitäten des E.ON-Konzerns intensiv an der Suche nach zukunftsträchtigen Lösungen. Ziel ist es, alle regenerativen Erzeuger, aber auch neue Stromverbraucher, wie Elektroautos und eine Vielzahl von Wärmepumpen, deutlich effizienter in die Stromnetze einzubinden, als das mit konventionellem Netzausbau möglich wäre. Wie dies konkret geschehen kann, untersucht Avacon derzeit im groß angelegten e-home Energieprojekt 2020, in den Gemeinden Stuhr und Weyhe, bei Bremen. Dort wird nicht eine einzelne Zukunftstechnologie untersucht, sondern das Zusammenspiel mehrerer zukunftsweisender Ansätze.

3 e-home Energieprojekt Strom für die Zukunft Seit Anfang 2011 erforscht Avacon mit wissenschaftlicher Unterstützung durch das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen im e-home Energieprojekt 2020 die Energieversorgung der Zukunft. 1 2 Neue Wege gehen für die sichere Energieversorgung von morgen Ausgangsüberlegung des e-home Projektes war die Frage, wie eine zukunftssichere Netzplanung in einem sich dynamisch ändernden Planungsumfeld gelingen kann. Im Fokus der Untersuchungen stehen daher zentrale Fragestellungen hinsichtlich des Aufbaus, der Planung und des Betriebs zukünftiger Verteilnetzstrukturen, um bereits heute die sich aus der Energiewende ergebenden Entwicklungen im Netzplanungsprozess abzubilden und zukünftig relevante Netzstrukturen definieren zu können. Dabei werden im Projekt auch die technologischen Entwicklungen im Bereich der Netztechnik berücksichtigt und mit unmittelbarem Praxisbezug der Einsatz neuer Technologien zur Spannungshaltung sowie von Informa- tions- und Kommunikationstechnologien untersucht. Rund 30 Modell-Haushalte aus den Gemeinden Stuhr und Weyhe bei Bremen wurden für das Forschungsprojekt mit Photovoltaikanlagen, innovativer Klimatechnologie, Elektrofahrzeugen und intelligenten Stromzählern, so genannten Smart Metern, ausgestattet. Ergänzend zur Photovoltaikanlage werden außerdem stationäre Batteriespeicher eingebunden. Auf diese Weise stehen Avacon und den Wissenschaftlern zwei reale Forschungsnetze zur Verfügung, in denen die Auswirkungen des veränderten Einspeise- und Verbraucherverhaltens auf die Ortsnetze unter realen Bedingungen gemessen und ausgewertet werden können Photovoltaik 5. Transparenz des Energieverbrauchs 2. Klimatechnik 6. Intelligente Ortsnetzstation 3. Elektromobilität 7. Batteriespeicher 4. Smart Metering

4 Forschungsthemen auf einen Blick Im Fokus des Modellprojektes steht die effiziente Verbindung der Themen dezentrale Einspeisung, Elektromobilität, verändertes Nutzerverhalten und innovative Netzinfrastruktur. Aus diesem Grund besteht das Projekt aus den miteinander verbundenen Bausteinen Photovoltaik, Elektromobilität und moderner Klimatechnik sowie regelbaren Ortsnetztransformatoren und Smart Metern. Mit stationären Batteriespeichern wird die Forschungsarbeit zusätzlich um einen neuen Baustein erweitert. Auf diese Weise wird eine annähernd realistische Stromnetzsituation simuliert wie wir sie in den nächsten zehn Jahren vorfinden werden. Neue Erzeuger Strom aus der Sonne: Deutschland erlebt seit einigen Jahren eine regelrechte Überflutung mit neuen PV-Anlagen. Im Avacon-Netzgebiet sind inzwischen rund dieser kleinen Solar- Kraftwerke an das Stromnetz angeschlossen. Vor zehn Jahren waren insgesamt gerade mal dezentrale Erzeugungsanlagen an das Netz angeschlossen. Die rasante Verbreitung der Photovoltaik stellt die Netzbetreiber und damit auch Avacon im Hinblick auf die Strominfrastruktur vor erhebliche Herausforderungen, denn die vielen kleinen privaten PV-Anlagen zeigen vor allem Auswirkungen im Niederspannungsnetz in den Ortschaften. Neue Verbraucher Komfort durch grünes Klima: Ein weiteres Zukunftsszenario berücksichtigt die steigenden Komfortbedürfnisse einer stetig älter werdenden Bevölkerung und durch zunehmend heißere und schwülere Tage aufgrund des Klimawandels. Daher wird künftig voraussichtlich auch der Einbau von Klimageräten im Wohnbereich zunehmen. In einigen Jahren werden Klimaanlagen in Wohnräumen vielleicht fast so selbstverständlich sein wie in unseren Autos hier sind sie inzwischen nicht mehr wegzudenken. Idealerweise könnten die Klimaanlagen zudem CO2-neutral mit dem eigenen Sonnenstrom betrieben werden. Ein solches verändertes Verbraucherverhalten wird ebenfalls Auswirkungen im Niederspannungsnetz haben, die es im Rahmen des Projektes zu berücksichtigen gilt.

5 Neue Flexibilität Batteriespeicher: Die je nach Tageszeit, Jahreszeit und Wetterlage unterschiedlich anfallenden Energiemengen können nicht wie in konventionellen Kraftwerken nach dem jeweiligen Bedarf mehr oder weniger produziert werden sondern die Energie muss bislang dann genutzt werden, wenn sie gerade zur Verfügung steht. Neue Mobilität Emissionsfrei mobil: Das Thema Elektromobilität nimmt allmählich weiter an Fahrt auf. Ein Ziel der Bundesregierung lautet, dass bis zum Jahr 2020 möglichst eine Million Elektromobile auf deutschen Straßen unterwegs sein sollen. Insbesondere im städtischen Nahverkehr wird sich der Elektroantrieb zu einer zukunftsfähigen Variante entwickeln. E-Mobile sind ideal für Pendler und Kurzstreckenfahrer oder als Zweitwagen. Als Netzbetreiber will Avacon unter anderem die Frage klären, wie sich entsprechend den Zuwächsen bei den Elektroautos eine hohe Zahl dezentraler Ladestationen auf die Niederspannungsnetze auswirken und welche Form der Ladeinfrastruktur hierfür künftig benötigt wird. Zudem könnten die Batterien der Elektrofahrzeuge künftig eine Rolle im Rahmen der Energiewende als Energiepuffer spielen, wenn in Unser Konzept verbrauchsarmen Zeiten überschüssiger Strom aus dezentraler Erzeugung vorhanden ist. Innerhalb der letzten drei Jahre hat es einige Fortschritte in der Fahrzeugentwicklung gegeben. Im Hinblick auf die Reichweite, aber auch hinsichtlich des Gesamtkomforts, hat sich das Angebot verbessert. Dies will Avacon unter anderem hinsichtlich der Akzeptanz der neuen Technologien untersuchen. Bislang sind die Teilnehmer mit einem rein elektrisch betriebenen ion des Herstellers Peugeot unterwegs. Inzwischen bieten sich am Markt interessante Alternativen, wie beispielsweise der Nissan Leaf, der die elektrische Fahrzeugpalette für die Projektteilnehmer ab 2014 erweitert. Das sehen wir nicht Reichweitenbegrenzung akzeptieren Flächendeckenden Tankstellen-Boom Damit: Zweitwagenthema Reichweitenvervielfachung bei E-Fahrzeugen Einfamilienhäuser im städtischen Umland Hauptsächlich innerstädtisches Thema Bequem zuhause selber laden Mitentscheidend für das Gelingen der Energiewende sind daher neue Speichertechnologien, um die starken Einspeiseschwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen und für eine sichere und zuverlässige Stromversorgung zu sorgen. Dabei sind unterschiedliche Lösungen denkbar: vom Pumpspeicherkraftwerk über Power-to-Gas-Technologie zur Speicherung großer Strommengen ebenso wie kleinere Lösungen für den Haushaltsbereich mit Batteriespeichern. Avacon untersucht im Rahmen des Projektes, welche Auswirkungen die Einbindung solcher Batteriespeicher auf die Netzkalkulationen hat. Zusätzlich soll herausgefunden werden, inwieweit sich durch den Einsatz von dezentralen Speichern die Einspeisespitzen in verbrauchsarmen Zeiten abfangen lassen könnten. Dadurch könnten die örtlichen Stromnetze entlastet und zusätzlicher Netzausbau vermieden oder zumindest verringert werden.

6 Neue Stabilität Erste Erkenntnisse aus dem e-home Projekt Regelbarer Ortsnetztrafo: Durch das veränderte Einspeise- und Verbrauchsverhalten kann es in den örtlichen Verteilnetzen zu Spannungsschwankungen kommen. Avacon hat daher nach innovativen Lösungen gesucht, um diese Auswirkung zu vermeiden. Als besonders vielversprechend hat sich inzwischen der Ansatz gezeigt, die Spannungsregelung analog zur Dezentralisierung der Erzeugung ebenfalls zu dezentralisieren. Dies bedeutet die Verlagerung dieser Aufgabe von eher wenigen Umspannwerks-Transformatoren in die zahlreichen Ortsnetz-Transformatorenstationen. Dies ist ein völlig neuer Planungsansatz auf der Verteilnetzebene. Gemeinsam mit erfahrenen Partnern aus der Industrie hat Avacon an der Entwicklung des regelbaren Ortsnetztrafos, der im September 2012 erstmals öffentlich vorgestellt wurde, maßgeblich mitgewirkt. Der regelbare Ortsnetztrafo ist das technische Herzstück des e-home Projektes. Im Rahmen der ersten Forschungsphase wurden sowohl Er misst die Spannungswerte in der Trafo-Station und vergleicht diese mit dem eingestellten Sollwert. Stimmen die verglichenen Werte nicht überein, so regelt der Trafo die Spannung automatisch auf den Sollwert hoch oder runter. Erfreuliches Ergebnis: Es gibt keine Spannungserhöhungen, die Spannungsqualität ist überall im Netz gleich hoch. Im e-home Projekt wurde diese innovative Netztechnologie erstmals im Praxiseinsatz getestet. Da die Technik sich bewährt hat, werden nach und nach weitere herkömmliche Trafostationen im Stromnetz der Avacon gegen die neuen regelbaren Trafos ausgetauscht. Auf diese Weise kann in weiten Teilen des Ortsnetzbereichs aufwendiger und teurer Kabelnetzausbau vermieden werden, und dennoch werden die Kapazitäten für den Anschluss weiterer dezentraler Erzeugungsanlagen an das lokale oder regionale Stromnetz erhöht. durch das Sammeln und Auswerten der Stromdaten aus den Projekthaushalten als auch durch Befragungen der Teilnehmer durch das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen erste wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung unserer Energiezukunft gewonnen. Vier Kernaussagen haben sich dabei herausgebildet:

7 Fazit Nr. 2: Wir fahren gerne elektrisch. Und auch viel. Aber bitte grün! Ist das Elektroauto eine technische Revolution oder ein bald vergessenes Nischenprodukt? Wahr ist ein Stück weit beides wird erstmals jedes 0. neu in Deutschland zugelassene Auto rein elektrisch angetrieben sein. Das ist noch nicht viel aber von Jahr zu Jahr wächst die Zahl der Neuzulassungen um 30%. Eine technische Revolution hocheffizient und abgasfrei ist das E-Auto allemal. Aber nutzen es die e-home Teilnehmer auch wirklich? Dass sich dieser Ansatz mit unserem Mobilitätspartner gelohnt hat, zeigt schon die Fahrleistung des Autos: Statt erwarteter km/a legen die Teilnehmer jährlich im Schnitt über km zurück. Ihr Wunsch dabei: PV-Strom tanken! Fazit Nr. 1: Menschen lassen sich für die Energiezukunft begeistern! Warum lassen sich rund 30 Haushalte zu einer Teilnahme am e-home Projekt motivieren? Was verbindet sie? Sind es eher junge Leute? Eher ältere Menschen? Eher Frauen als Männer? Diese Fragen haben durch die wissenschaftliche Begleitforschung zum e-home Projekt eine ebenso überraschende wie einfache Antwort gefunden: Die Teilnehmer sind durchweg interessiert an technischen Neuerungen, wenn nicht sogar technikbegeistert. Schon vorherige Untersuchungen hatten gezeigt, dass die Haushalte für sich in neuen Technologien eine Kombination aus Nutzen und Einsparpotenzial sehen müssen, wenn sie sich dafür interessieren sollen. Fazit: Diese drei Merkmale Technikinteresse, Nutzen und Kostenersparnis machen Menschen offen für innovative Projekte. Und auf diese Zielgruppe richten wir unser e-home Projekt aus! Frage: Würden Sie wieder ein Elektroauto fahren? Frage: Finden Sie es wichtig, ob der Strom Ihres Autos grün ist? 4% Ja, als Erstwagen 1% Ja, als Zweitwagen 12% 24% Weiß ich noch nicht Nein Ja Nein 10% 60% Egal 89% Fazit Nr. 3: Sonne macht die Häuser kühl Energie nachhaltig nutzen Klimaanlage im Haus? Das ist für viele Menschen bis heute noch ein rotes Tuch. Wird da nicht für ein wenig mehr Komfort CO 2 in die Luft geblasen? So dachten auch viele e-home Teilnehmer und waren skeptisch Das e-home Projekt ist ein Nachhaltigkeitsprojekt. Nicht mehr, sondern weniger CO 2 ist das Ziel. Wie passt der vermeintliche Klimakiller Klimaanlage dazu? Das Prinzip ist ganz einfach: Klimaanlagen werden nur an schwülen oder sehr heißen Tagen eingesetzt. Dann läuft die eigene PV-Anlage auf Hochtouren. Den dazu nötigen Strom erzeugen die Projektteilnehmer überwiegend auf ihrem eigenen Dach ohne ein Gramm CO 2 und ohne Transportverluste. Das ist Nachhaltigkeit und Komfortgewinn zugleich!

8 Fazit Nr. 4: e-home Projekt leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung des RONTs 2009: Pilotanlage Siedenburg Mit einem ersten Prototypen startete die Entwicklung des regelbaren Ortsnetztrafos (RONT). Mit einem Regelbereich von über 20% der Nennspannung bot die Pilotanlage zwar schon 100% des gewünschten Nutzens, 100 % Nutzen Größe in % in % Größe in % Interdisziplinärer Forschungsansatz Wissenschaftlich begleitet wird das e-home Projekt durch das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen in Goslar (EFZN). Im Rahmen dieses Verbundprojektes arbeiten im technischen Bereich das Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen (elenia) der TU Braunschweig, das Institut für Elektrische Energietechnik (IEE) der TU Clausthal sowie das Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik (IEH) der Leibniz Universität Hannover und im geisteswissenschaftlichen Bereich das Institut für deutsches und internationales Berg- und Energierecht (IBER) der TU Clausthal, die Professur für Produktion und Logistik (PPL) sowie das Interdisziplinäre Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (IZNE) der Georg-August-Universität Göttingen in enger Abstimmung mit Avacon zusammen. ABER: Mit der ca. 2,5 fachen Größe eines Standardtrafos war der RONT noch viel zu groß und benötigte statt einer Kompaktstation eine Garagenstation mit Keller. Der RONT war viel zu teuer und zusätzlich auch noch wartungsintensiv. Es gab eine Vielzahl unbekannter da noch nicht wissenschaftlich untersuchter Rückwirkungen. Diese wurden branchenweit intensiv diskutiert, da befürchtet wurde, der RONT könne aufgrund von Phänomenen wie Flicker oder Rückkopplungen mit anderen Reglern Kunden- und Netzanlagen stören. Kosten Entwicklung des regelbaren Ortsnetz- Rückwirkungen Die größte Frage war jedoch: Welcher Hersteller geht das Entwicklungsrisiko eines echten Serienproduktes ein? trafos Der interdisziplinäre Forschungsansatz des e-home-projektes, in 2013: Ziel erreicht! e-home RONT in Serienproduktion Mit 20% Regelbereich bietet der RONT nun weiterhin 100% des gewünschten Nutzens, dies jedoch unter Einhaltung der Standardtrafogröße, außerdem ist er nahezu wartungsfrei und die Kosten wurden im Vergleich zum Pilotprojekt um 60% gesenkt. Alle der branchenweiten Befürchtungen bezüglich der Rückwirkungen konnten wissenschaftlich widerlegt werden: Die RONT-Regler arbeiten robust ohne Rückkopplungseffekte mit anderen Reglern im Netz und die Spannungsänderungen liegen weit unter erlaubten Flickerpegeln. Der e-home RONT ist mittlerweile in Serienfertigung gegangen und immer mehr Hersteller springen auf den Zug auf! 40 % Kosten Nutzen in % Größe in % Größe in % Rückwirkungen dem sowohl technische als auch wirtschaftliche, juristische und sozialwissenschaftliche Aspekte untersucht werden, ist in dieser Form deutschlandweit einzigartig und bietet die Chance einer umfassenden, ganzheitlichen Betrachtung der Energiewende in Nieder- und Mittelspannungsnetzen. Weitere Infos unter

9 In Partnerschaft mit: Ihr Ansprechpartner: Avacon AG Jens Tiekenheinrich Verteilnetztechnik Am Winklerfelde 1 D Syke Tel: Avacon AG Am Winklerfelde 1 D Syke info@ehomeprojekt.de Gestaltung: a+k Werbeagentur, Bremen Netze für neue Energie