Technische Herausforderungen und Geschäftsmodelle im Energienetz der Zukunft. Bad Driburg, 30. Nov Dr. Dominik Freund

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1 Technische Herausforderungen und Geschäftsmodelle im Energienetz der Zukunft Bad Driburg, 30. Nov Dr. Dominik Freund

2 Inhalt Transformation der Verteilnetze Herausforderungen für Netzbetreiber Zukünftige Geschäftsmodelle Diskussion Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 2

3 Vom heutigen Energieverteilnetz Legende Stromversorgung Datenverbindung Quelle: e-energy.de/de/animation/ Auf einem Auge Blind hinter den Abgängen der Mittelspannungssammelschienen ist heute nicht ausreichend Messtechnik installiert! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 3

4 in eine erneuerbare, transparenter, flexiblere und intelligentere Zukunft Erneuerbarer Flexibler Transparenter Intelligenter Legende Stromversorgung Datenverbindung Quelle: e-energy.de/de/animation/ Volle Transparenz und Regelung auf allen Spannungsebenen das Zunkunftsziel für Deutschland! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 4

6 Aufgaben des Netzbetreibers sind 1 in Abstimmung mit dem Übertragungsnetzbetreiber das Verteilnetz zu führen; 2 den reibungslosen Betrieb des Verteilnetzes sicherzustellen; 3 die Betriebsoptimierung durch möglichst hohe Netzauslastung unter der Prämisse, dass Einspeisungen und Lasten im Gleichklang sind, zu gewährleisten. Ziel ist eine sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität ( ). 1 EnWG Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 6

7 Normalbetrieb des Verteilnetzes Der Normalbetrieb des Verteilnetzes ist gewährleistet, wenn keine der folgenden Grenzwerte verletzt werden: Thermische Dauerbelastung und Spannungshaltung (zulässiger Lastfluss) Statische und dynamische Netzstabilität Frequenzhaltung (50 Hz) und Gewährleistung der Wirkleistungsübergänge Sowie bei Störungen folgende Punkte eingehalten werden: Kurzschlussfestigkeit (n-1) Ausfallkriterium Zur Sicherstellung des Netzbetriebes reichte in den vergangenen Jahrzenten Fernwirktechnik bis zu den Umspannwerken in der Mittelspannung aus. Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 7

8 2012: Ausgangsituation im Verteilnetz Wandel der Erzeugerlandschaft Atomausstieg Bidirektionale Stromflüsse von Nieder- zu Mittelund von Mittel- zu Hochspannung Steter Zubau von EEG-Anlagen, die ins Mittel- (Wind, Biogas) und Niederspannungsnetz (PV) einspeisen Repowering führt zu zusätzlich erhöhter Einspeisung Grünstromprivileg bevorzugt EEG Anlagen ggü. konventionellen Erzeugungsanlagen Installierte Netzkapazitäten kommen an ihre Grenzen Technischer Status Quo Nur die Eingangs- und Ausgangsgrößen innerhalb der Umspannwerke (Hoch- zu Mittelspannung) sind bekannt Hinter den Messpunkten der Mittelspannungssammelschienenabgänge sind die Netzzustände des unterlagerten Verteilnetzes weitgehend intransparent Netzsicherheit im Mittel- und Niederspannungsnetz wird nur durch die Netzplanung gewährleistet Über analoge Schleppzeigermessungen wird i.d.r. die absolute Maximalbelastung einzelner Abgänge erfasst Belastungsdauer und deren zeitlicher Verlauf lassen sich nicht überwachen Der technische Status Quo hält mit dem Wandel in der Energielandschaft nicht Schritt. Die Versorgungssicherheit gemäß 1 EnWG ist gefährdet! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 8

9 Beispiel 1: Überlastung von Betriebsmitteln Niederspannung 0,4 kv zu Mittelspannung 20 kv ONS 250 kva 8 kwp 13 kwp 24 kwp 6 kwp 64 kwp Merkmale des Ortsnetzes: Hohe PV-Einspeisung 20kV ONS Netzausläufer 250 kva Trafoleistung 18 kwp 330 kwp Erzeugung 53 kwp 12 kwp 9,4 kwp 10,1 kwp 51 kwp 28 kwp Legende: PV Photovoltaik kva kilo Volt Ampere 34 kwp kwp kilo Watt peak Quelle: E.ON Westfalen Weser ONS Ortsnetzstation Bei maximaler Einspeisung werden 330 kwp erzeugt. Der Trafo ist jedoch nur auf 250 kva ausgelegt. Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 9

10 Beispiel 1: Überlastung von Betriebsmitteln ONS mit PV-Einspeisung - Wochenverlauf Quelle: E.ON Westfalen Weser Einspeisung stark witterungsabhängig und unberechenbar Herausforderung für die Netzführung und Netzstabilität bei vermehrtem Auftreten! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 10

11 Beispiel 1: Überlastung von Betriebsmitteln PV Einspeisung übersteigt installierte Leistung Maximale Rückspeisung ~286 kw Steile Lastwechselflanken Zunächst (noch) kein Trafotausch Quelle: E.ON Westfalen Weser Bei starker und dauerhafter Überlastung können Transformatoren verkochen! Textmasterformat bearbeiten Bis zu 130% Überlastung eines Transformators sind zu verkraften. Dauerhafte Überlastungen größer 130% können zu Betriebsmittelausfall führen! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 11

12 Beispiel 2: Spannungshub im Verteilnetz Spannungshub durch Einspeisung im 0,4 kv Netz 20 kv Beispielhafte Ortsversorgung Zukünftige Last- und Einspeiseverhältnisse führen dazu, dass: 0,4 kv PV Einspeisung Last Qualiltätskriterien beim Kunden nicht eingehalten werden Überlastung einzelner Betriebsmittel im Verteilnetz oder in Kundenanlagen auftreten 260 Spannungsverlauf bis zum Kunden Tag Beschädigungen oder Ausfälle überlasteter Betriebsmittel vorkommen Nacht Spannungsband 230 V +/- 10% gem. EN Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 12

13 Beispiel 2: Spannungshub im Verteilnetz Spannungshub durch Einspeisung und Rückspeisung im 20 kv Netz Wertebereich Farbverlauf Quelle: E.ON Bayern In ländlichen Verteilungsnetzen mit hoher Einspeiseleistung erreichen Spannungen im Mittel- und Niederspannungsnetz kritische Werte. Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 13

14 Beispiel 3: Rückspeisungen durch EEG-Anlagen ins 110 kv Netz Leistung in MW Donnerstag Leistung in MW Karfreitag Ostersonntag Ostermontag Donnerstag Karfreitag Ostersonntag Ostermontag In 2011 ist bereits an 50 Tagen Rückspeisung erfolgt im Netz von EnBW ODR Bezugsmenge Netzlast Gesamt Rückspeisemenge EEG-Erzeugung Beispielhafte erwartete Rückspeisung an 150 Tagen im Jahr im Netz von EnBW ODR Bezugsmenge Netzlast Gesamt Rückspeisemenge EEG-Erzeugung Quelle: EnBW ODR Die Kurven von Netzlast und EEG-Erzeugung passen an sonnigen Nachmittagen nicht mehr zueinander Erzeugter Strom fließt ins 110kV-Netz zurück Rückspeisungen von bis zu 400 MW werden regional auftreten Anzahl der Tage, an denen das Umspannwerk nicht mehr einspeist, sondern Überschuss ableitet, werden stark zunehmen Flächendeckende Einspeisung erzeugt Querfluss im 110 kv Netz Gefahr schwingender Netze! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 14

15 Fragen die u.a. beantwortet werden müssen: 1 In Abstimmung mit dem Übertragungsnetzbetreiber das Verteilnetz zu führen Wie soll der Verteilnetzbetreiber bspw. Lastabwürfe oder -zuschaltung umsetzen, wenn er die Auswirkungen auf sein Verteilnetz nicht kennt? 2 Den reibungslosen Betrieb des Verteilnetzes sicherzustellen Wie kann die Netzstabilität gewährleistet bleiben, wenn solch volatile Verhältnissen im Mittel- und Niederspannungsnetz herrschen? 3 Die Betriebsoptimierung durch möglichst hohe Netzauslastung unter der Prämisse, dass Einspeisungen und Lasten im Gleichklang gehalten werden Wie sollen Lasten und Einspeisungen im Gleichklang gehalten werden, wenn heute kaum Transparenz und wenig Regelungsmöglichkeiten bestehen? Ohne einen intelligenten Netzausbau ist ein sicherer Netzbetrieb in Zukunft nicht mehr zu gewährleisten! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 15

17 Textmasterformat bearbeiten Geschäftsmodelle für alte und neue Player Neue Geschäftsmodelle für neue zentrale Großerzeuger Offshore Windparks Nordsee Neue Geschäftsmodelle durch Zusammenspiel von Metropolen und ländl. Raum Smart Grids ermöglichen die Donut Energieversorgung: Vom Land in die Metropolen Desertec Sahara Textmasterformat bearbeiten Folgen für Verteilnetzbetreiber Asset-Management und Strategien anpassen Neue Technologie beherrschen Neue Service und Prozesse umsetzen Organisationen ändern Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 17

18 Was ist für Verteilnetzbetreiber als nächstes zu tun? In drei Schritten zum stabilen und intelligenten Verteilnetz der Zukunft: Transparenz im Netzbetrieb herstellen Systemdienstleistungen 2 Management 3 Demand Side 1 anbieten umsetzen Überwachung betriebskritischer Grenzwerte im Mittelund Niederspannungsnetz Identifikation und Lokalisieren von Störungen im Netzbetrieb Teilautomatisiertes Mittel- und Niederspannungsnetz Ferngesteuerte Abreglungen und Wiederinbetriebnahmen von Solar- und Windanlagen gem. 6 Abs. 2 und 5 EEG Sicherer Durchgriff für den Übertragungsnetzbetreiber Regelung der Stromnachfrage bei Abnehmern in Industrie, Gewerbe und Privathaushalten Anreize zur Beeinflussung durch spezielle Stromtarife in Zeiten hoher und niedriger Stromnachfrage Wo sind diese Ansätze in einer Smart Grid Architektur verortet? Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 18

19 Architekturbild eines Smart Grids Transparenz im Netzbetrieb herstellen Systemdienstleistungen anbieten Demand Side Management umsetzen Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 19

20 Geschäftsmodell Transparenz im Netzbetrieb sicherstellen Investition Zeit Installation von Messagenten in den Ortsnetzstationen Möglichkeit zur Datenübertragung sicherstellen Reaktionen auf Daten ermöglichen Kupfer-Netzausbau nur da, wo auch wirklich nötig Anreiz im Rahmen der Regulierung gegeben, sofern Effizienzsteigerungspotenzial gegeben ist Entstehende IT Kosten sind zu berücksichtigen Nutzen Kosten Der Netzausbau reduzierter bzw. verzögert sich Die Betriebsmittel werden besser ausgelastet, wodurch deren Effizienz steigt Ausfallzeiten werden reduziert bzw. vermieden und Störungen präzise lokalisiert Durch Überwachung der Betriebsmittel werden diese optimal geschützt, wodurch Reparaturkosten vermieden werden Qualität Textmasterformat bearbeiten Betriebs- und Kapitalkosten könnten gegenüber konventionellem Netzausbau signifikant gesenkt und fokussiert werden! Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 20

21 Geschäftsmodell Systemdienstleistungen Systemdienstleistungen = Fernregelung von EEG-Anlagen Investition Datenschnittstelle zu EEG-Anlagen Autonome Reaktionsmöglichkeiten von Smart Grid Zellen schaffen Ausstattung der EEG-Anlagen mit Fernregelungstechnik Akzeptanz von geänderten Erlösmodellen/Marktmodellen Zeit Kosten Nutzen Betreiber bekommt aktuell EEG-Bonus, wenn Anlagen Systemdienstleistungsfähig sind Netzbetreiber kann Spannungsqualität und Elektrizitätsverfügbarkeit gewährleisten Regelung erfolgt dort, wo Störung auftritt Netzkapazitäten werden geschont Spannung und Frequenz können innerhalb der Grenzwerte gehalten werden Qualität für Netzbetreiber und EEG- Anlagenbetreiber Textmasterformat bearbeitenwin-win Situation Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 21

22 Fazit Transparenz im Netzbetrieb Flächendeckende Transparenz im Mittel- und Niederspannungsnetz wird in Zukunft unabdingbar sein (allerdings mit regionalen Unterschieden), um 1 EnWG zu erfüllen Aus Transparenz im Verteilnetz erwachsen Kostensenkungspotenziale bei Betriebs- und Kapitalkosten und führen zu Effizienzgewinnen Basis für alle Geschäftsmodelle ist die Schaffung von Transparenz mittels geeigneter Messagenten (Last, Erzeugung, Spannung und Frequenz) in Ortsnetzstationen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für die Zukunft! Systemdienstleistungen Systemdienstleistungen wird ein viel größerer Stellenwert zukommen als heute, da Verteilnetze in Mittel - und Niederspannung geregelt werden müssen Netzdienliches Verhalten von Erzeugern wird zwingend notwendig werden Demand Side Management Aufgrund regulatorischer Rahmenbedingungen ist Demand Side Management mittelfristig nur schwer umsetzbar, bietet aber großes Potential Dateiname_V_x_y.pptx UNITY 23

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! UNITY ist TOP CONSULTANT Paderborn Berlin Braunschweig Hamburg Köln München Stuttgart Kairo Wien Zürich UNITY