Netzsystemdienstleistungen durch Photovoltaikanlagen

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1 Energietechnisches Symposium 2014 Netzsystemdienstleistungen durch Photovoltaikanlagen Matthias Victor,,

2 Agenda 1 2 Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3 Beitrag von Solaranlagen heute 4 Weiterentwicklungsschwerpunkte 5 Zusammenfassung 2

3 > 1981 gegründet > Umsatz 2013: 932,5 Mio. Euro > Über 30 GW installierte SMA Wechselrichter-Leistung weltweit > Bestens positioniert mit Auslandsgesellschaften in 21 Ländern rund um den Globus > Über Mitarbeiter SunnyBoy SunnyBoy SunnyHomeManager SunnyTripower SunnyIsland SunnyCentral 3

4 Weltweit optimale Lösungen für alle Anforderungen Alle Photovoltaikanwendungen Alle Leistungsbereiche Alle Modultypen On-Grid Residential < 2 kw Kristalline Module Off-Grid Backup Residential 2 kw bis 30 kw Commercial 30 kw bis 500 kw Industrial Bis > 1 MW Dünnschicht- Module Konzentrator- Module SMA bietet ein komplettes Produktspektrum. 4

5 Innovative Lösungen für die Energieversorgung von morgen Energiemanagement Hybrid-Lösung Internationalisierung Diesel PV > Eigenverbrauchsoptimierung durch intelligente Systemtechnik > Eigenverbrauch von Solarstrom ist heute schon wirtschaftlich. > 30 % unter Haushaltsstrompreis 1 + > Intelligente Steuerung verschiedener Energieerzeuger > Solarstrom spart Dieselkraftstoff. 1 MWp = l Diesel 2 > Trend zu solaren Großprojekten in den Schwellenund Entwicklungsländern. > Photovoltaik ist in Ländern des Sonnengürtels bereits wettbewerbsfähig 80 Mrd. Barrel 3 pro Tag 1. Zu Spitzenzeiten 2. 1 MWp installierte Photovoltaikleistung kann potenziell l Diesel im Jahr einsparen 3. Zusätzlich benötigte Ölfördermenge, wenn in der Volksrepublick China jeder Mensch auf demselben Komfortlevel leben würde wie bspw. in den USA 5

6 Entwicklungsweltmeister mit bisher weltweit über 400 Patentanmeldungen Ausgewählte Innovationen Sunny Boy Smart Energy Versorgt vierköpfigen Haushalt abends für bis zu drei Stunden mit Strom Fuel Save Controller Senkt den Dieselverbrauch von Stromaggregaten in sonnenreichen Regionen Sunny Central 900CP Erster Megawatt-Wechselrichter für den Outdoor-Einsatz Alleinstellungsmerkmale Energiemanagement Systemtechnik für die Speicherung von PV-Strom, Heizungsunterstützung sowie das Management von Erzeugern und Verbrauchern Hybrid-Lösung Systemtechnik für die intelligente Kombination der PV- und Dieselgeneratoren sowie Optimierung der zuverlässigen Energieversorgung Solarkraftwerke Lösung für die Netzstützung durch z.b. Reduktion der Wirkleistung bei Überfrequenz, Bereitstellung von Kurzschlussstrom bei Störungen und direkte Einspeisung ins Mittelspannungsnetz SMA bietet für alle Anwendungen technologisch führende Lösungen. 6

7 Starke Präsenz in 21 Ländern rund um den Globus Chile Kanada USA Deutschland Belgien Frankreich Griechenland Großbritannien Italien Polen Portugal Spanien Tschechien Südafrika Australien China Indien Japan Südkorea Vereinigte Arabische Emirate Thailand 2013 erzielte SMA rund 70 Prozent des Umsatzes im Ausland. 7

8 Agenda 1 2 Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3 Beitrag von Solaranlagen heute 4 Weiterentwicklungsschwerpunkte 5 Zusammenfassung 8

9 source: Christian Schulz, Tennet 1. SMA 2. Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3. Beitrag von Solaranlagen heute 4. Weiterentwicklungsschwerpunkte 5. Zusammenfassung Allgemeine Grundlagen der Netzregelung Spannungsregelung > Der Netzbetreiber ist für die Einhaltung eines vorgegebenen Spannungsbandes auf allen Netzebenen verantwortlich > Eingriffsmöglichkeiten: regelbare Transformatoren (Stufensteller) Blindleistung z. B. aus Kraftwerken (Phasenschieberbetrieb) Quelle: Frequenzregelung > Regelung der Netzfrequenz Maß für eine ausgeglichene Bilanz aus Erzeugung und Verbrauch > Eingriffsmöglichkeiten: Wirkleistung aus Kraftwerken Laststeuerung Die definierte Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung aus elektrische Generatoren sind eine wesentliche Grundlage der Netzregelung 9

10 Was sind Systemdienstleistungen? Frequenzhaltung > Momentanreserve > Regelleistung > Schaltbare Lasten > Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz (EE) Betriebsführung > Engpass- und Einspeisemanagement > Montoring & Steuerung > Spannungsebenenübergreifende Koordination Funktionstüchtiger Systembetrieb des Verbundnetzes: Qualität Zuverlässigkeit Sicherheit Stabilität > Die Netzbetreiber gewährleisten die Funktionstüchtigkeit der Stromversorgung > Konventionelle Kraftwerke übernehmen überwiegend die Systemdienstleistungen > Mindestkapazität (must-run) muss am Netz sein Spannungshaltung > Blindleistung > Spannungsregelung > Trafostufenstellung > Kurzschlussleistung Versorgungswiederaufbau > Schwarzstartfähigkeit > Koordinierte Inbetriebnahme von Einspeisern und Teilnetzen 10

11 Um must-run Kapazitäten abzubauen, müssen andere die Systemdienstleistungen übernehmen. Ca. 50% 21% > Aktuell sind konventionelle Anlagen mit mehr als 25 GW dauerhaft am Netz ( must-run ) > Politisch gewollter und klimatisch erforderlicher Ausbau der Erneuerbaren Energien geht weiter > Diese werden einen zunehmenden Anteil dieser Systemdienstleistungen übernehmen 11

12 Welche Herausforderungen ergeben sich für die Netzstabilität? > Frequenzhaltung: Rotierende Massen und gut plan- und steuerbare Kraftwerke werden weniger; Erneuerbare Anlagen, Stromspeicher und dynamische Lasten müssen verstärkt eingebunden werden. > Spannungshaltung: Blindleistung muss von Erneuerbaren zur Verfügung gestellt werden. Aktives Blindleistungsmanagement im Verteilnetz auch zum Austausch zwischen den Netzebenen. > Versorgungswiederaufbau: Es müssen Steuerungsmöglichkeiten zum koordinierten Verhalten bzw. auch zum Zuschalten inkl. echter Schwarzstartfähigkeit etabliert werden. > Betriebsführung: Die Anforderungen an die Betriebsführung steigt aufgrund vieler dezentraler fluktuierender Einspeiser und damit stärker wechselnden Lastflusssituationen. Erneuerbare Energien Anlagen sind mit performanter Leistungselektronik und Kommunikationstechnik ausgestattet und können diese Funktionen erfüllen. 12

13 Netzintegration in drei Stufen Übernahme Systemverantwortung PV mit systemstützenden Eigenschaften Feed-In PV Verhältnis max. EE- Leistung / max. Netzlast Abhängig von der Durchdringung mit Erneuerbaren Energie Anlagen ist ein unterschiedlicher Level von Systemdienstleistungen erforderlich. 13

14 Agenda 1 2 Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3 Beitrag von Solaranlagen heute 4 Weiterentwicklungsschwerpunkte 5 Zusammenfassung 14

15 Netzdienstleistungen durch PV-Systemtechnik Auswahl aktuell verfügbarer Funktionen Wirkleistungs- Reduktion bei Überfrequenz Stufenlose Wirkleistungs- Reduktion Energiemanagement Dynamische Netzstützung Blindleistung und Verschiebungsfaktor auf Anforderung Blindleistung bei Nacht 15

16 Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz Schleppzeiger -Verhalten (bei absinkender Frequenz wird die Leistung erst ab Unterschreiten von 50,05 Hz wieder erhöht) durch Erzeugungs- und Netzsicherheitsmanagement Begrenzung der Wirkleistung bei entsprechender Anforderung durch den Netzbetreiber

17 Gezielte Steuerung der Netzaustauschleistung durch lokales Energiemanagement > Intelligente Energiemanagementsysteme mit integriertem Speicher können eigenverbrauchsoptimierend und netzentlastend arbeiten (Reduktion Netzaustauschleistung und Mittagsspitzen). > Voraussetzung für den intelligenten Einsatz von Speichern sind gute Solarleistungserzeugungs- und Lastverbrauchsprognosen. Netzentlastendes Verhalten kann bereits heute durch gezielte Anreize über variable Tarifen hervorgerufen werden 17

18 Statische Spannungshaltung durch Bereitstellung von Blindleistung Bereich: 0,90 untererregt cos φ 0,90 übererregt Feste Sollwertvorgabe für Blindleistung (Q fix / cos φ fix) Variable Einstellung von Blindleistungswerten (z.b. Zeitplan / Rundsteuersignal) Regelung der Blindleistung über Kennlinie Q(U) / cos φ (P) P[pu] auch Nachts Voller 2 Quadrantenbetrieb (auch bei P=0) und damit vergleichbar einer Synchronmaschine S Synchronmaschine (theoretisch) PV-Wechselrichter Generation 2010 Aktuelle SMA Wechselrichter übererregt -0,5 0,5 untererregt Q[pu]

19 Dynamische Netzstützung > Netzfehler bzw. Spannungseinbruch wird ohne Abschaltung durchfahren > Netzspannungsstützung durch Blindstromeinspeisung bis zur Höhe des Nennstromes Die heute zu erbringenden Systemdienstleistungen sind über entsprechende Anschlussbedingungen und Regulatorien vorgegeben. 19

20 Netzintegration in drei Stufen Übernahme Systemverantwortung PV mit systemstützenden Eigenschaften Feed-In PV Verhältnis Installierte Leistung / max. Netzlast Für stärkere Übernahme von Systemverantwortung sind weitergehende Eigenschaften erforderlich.

21 Agenda 1 2 Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3 Beitrag von Solaranlagen heute 4 Weiterentwicklungsschwerpunkte 5 Zusammenfassung 21

22 Schwerpunkt 1: Netzwiederaufbau (NWA) > NWA stellt Extremsituation im Versorgungsnetz dar, die von den ÜNBs koordiniert wird. > Diese Systemdienstleistung wird aktuell von thermischen und hydraulischen Kraftwerken erbracht. > Voraussetzungen bei den Erzeugungseinheiten sind: Schwarzstartfähigkeit / Eigenbedarfsversorgung Inselbetriebsfähigkeit / spannungsgeführter Betrieb Verfügbarkeit und Zusammenwirken von Informations- und Kommunikationstechnologien > Aktuell existiert kein offener Markt für diese SDL und damit kein wirtschaftlicher Anreiz PV-Wechselrichter sind technisch in der Lage, in den NWA eingebunden zu werden. Die größte Herausforderung ist die komplexe Koordination der Teilnehmer (Steuerung /dezentrales autarkes Verhalten) 22

23 Schwerpunkt 2: Momentanreserve > Transiente Stabilität durch Massenträgheit der Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke > PV-Wechselrichter können diese Funktion aufgrund der hohen Dynamik und Flexibilität der Regelungssysteme von umrichtergekoppelten Anlagen übernehmen. > Neuen Regelungssysteme können Nachteile vermeiden > Geringe Zusatzkosten, sofern Begrenzung von transienten Überströmen auf Nennstrom In aktuellen Forschungsprojekten werden diese Funktionen für PV-Umrichter entwickelt und erprobt. 23

24 Schwerpunkt 3: Regelleistung > Frequenzabweichungen entstehen bei Ungleichgewicht Erzeugung Verbrauch > Regelleistung wird zum Ausgleich von den Übertragungsnetzbetreibern abgerufen > Herausforderungen für Teilnahme: Mindestanlagengröße Verlässliche Vorhersage trotz volatiler Erzeugung Nicht nur negative, sondern auch positive Regelleistung 24

25 Schwerpunkt 3: Regelleistung > Herausforderung: Mindestanlagengröße > Mögliche Lösung: Gepoolte Anlagen / VPP (virtual power plants) für Mindestgröße und statistischen Ausgleich der Volatilität unter Einbeziehung geeigneter Prognosemethoden. 25

26 Schwerpunkt 3: Regelleistung a) b) > Herausforderung: Positive Regelleistung > Mögliche Lösung: a) PV-Anlagen im gedrosselten Betrieb b) Speichersysteme Verbund- und assoziierte Partner des Förderprojektes PV-REGEL (Förderinitiative zukunftsfähige Strommetze ) 26

27 Vorbilder für Netze mit hoher PV-Durchdringung: Hybridsysteme > Inselnetz auf Kythnos (Griechenland) > PV / Wind / Diesel / Batterie, insgesamt ca. 1MW > Inbetriebnahme im Jahr

28 Vorbilder für Netze mit hoher PV-Durchdringung: Hybridsysteme > PV-Diesel-Hybridsystem zur Versorgung einer Chromerz-Mine in Thabazimbi (SFA) > 1MW Photovoltaik / 2,1MW Diesel-Generatoren > erw. Einsparung von l Diesel / Jahr > Inbetriebnahme 2012 Funktionierende und erprobte Technologien! Warum nicht auch im Verbundnetz? 28

29 1. SMA 2. Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3. Beitrag von Solaranlagen heute 4. Weiterentwicklungsschwerpunkte 5. Fazit Agenda 1 2 Systemdienstleistungen und zukünftige Herausforderungen 3 Beitrag von Solaranlagen heute 4 Weiterentwicklungsschwerpunkte 5 Zusammenfassung 29

30 Zusammenfassung > Netzsystemdienstleistungen sind und bleiben unverzichtbar für den stabilen Netzbetrieb. > Systemstützende Funktionen werden schon heute von Solar-Kraftwerken erbracht. > Solaranlagen müssen mehr Systemverantwortung übernehmen, um konventionelle Kraftwerke ( must run units ) auf ein Minimum zu reduzieren. > Es gibt keine unüberwindbaren Hürden. > Die Anwendungen im Bereich PV-Diesel-Hybrid zeigen bereits heute die Machbarkeit. 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ENERGY THAT CHANGES Dr. Matthias Victor, Head of Corporate Technology & IP Management,

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