Integration großer Anteile Photovoltaik in bestehende Verteilnetze

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1 Integration großer Anteile Photovoltaik in bestehende Verteilnetze Studie für den Bundesverband Solarwirtschaft e.v. Berlin,

2 Aufbau der Studie AP1: Potenzial der Photovoltaik in Deutschland: Auswertung ausgewählter Photovoltaik-Potenzialstudien AP2: Statistische Auswertung der EEG Stammdaten für PV AP3: Einfluss eines steigenden Anteils der Photovoltaik an der Stromerzeugung in Deutschland AP 4 u. 5: Technische und wirtschaftliche Analyse der Aufnahmefähigkeit von Niederspannungsnetzen für Photovoltaikleistung

3 Räumliche Verteilung der installierten EEG Leistung (2012) Datenquelle: EEG-Stammdaten

4 Installierte EEG-Leistung nach Spannungsebene (2012) PV am Niederspannungsnetz: ~ 69% Typischerweise kleiner 100 kw PV am Mittelspannungsnetz: ~ 26 % Typischerweise größer 100 kw Source: DGS (2012)

5 Hintergrund: Warum ist eine Anpassung der Netze an die lokale Erzeugungsstruktur notwendig? Erweiterung der Übertragungskapazität (höherer Leistungstransport) Einhaltung von Spannungsgrenzwerten im Rahmen der Versorgungssicherheit (Einhaltung der Qualitätsmerkmale des Produkts Strom )

6 Untersuchungsziel Das übergeordnete Ziel der Untersuchung ist es, möglichst kostengünstige und praktisch umsetzbare Maßnahmen zu einer besseren Netzintegration von PV-Anlagen in bestehende Niederspannungsnetze zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Regelungskonzepte untersucht, die eine aktive Wirk- und Blindleistungsregelung der einzelnen PV-Anlagen mit einbeziehen.

7 Untersuchte Spannungsregelungskonzepte Konzept Einsatzfähigkeit Veröffentlicht in 1. Blindleistungsbereitstellung (statisch) Aktuell möglich 2. Wirkleistungsbegrenzung (70% der installierten Leistung) 3. Spannungsbegrenzung (Wirkleistungsregelung) Ab 2012 (Übergangsregelung derzeit in Diskussion) MS und NS Richtlinie EEG Spannungsbegrenzung (Wirk- und Blindleistungsregelung) Regelbarer Ortsnetztransformator Erste Prototypen in Erprobungsphase - Basis: Klassiche Netzverstärkungsmaßnahmen (Transformatortausch, Verlegung zusätzlicher Leitungen)

8 1. Blindleistungsbereitstellung (statisch) Spannungsebene Anschlussleistung Minimaler Leistungsfaktor Mittelspannung Alle PV-Anlagen 0.95 ind./ kap. Niederspannung Smax > 13.8 kva 0.9 ind./ kap. Niederspannung Smax <= 13.8 kva 0.95 ind./ kap. Bild: Verwendete Kennlinie

9 2. Wirkleistungsbegrenzung PV-Anlagen am Niederspannungsnetz müssen ihre Einspeiseleistung an ihrem Verknüpfungspunkt auf 70% der installierten Leistung begrenzen, wenn Die Anlage eine Anschlussscheinleistung kleiner 30 kva besitzt und Die Einspeiseleistung der Anlage nicht mittels Einspeisemanagement begrenzt werden kann.

10 3. Spannungsbegrenzung (Wirkleistungsregelung)

11 4. Spannungsbegrenzung (Wirk- und Blindleistungsregelung)

12 5. Regelbarer Ortsnetztransformator

13 Untersuchter Niederspannungsnetzabschnitt Spannungsebene Nennspannung (Leiter-Leiter) Transformerscheinleistung Niederspannung 400 V 250 kva Anzahl der Netzabgänge 6 Gesamtlänge aller Leitungen 2400 m Netzanschlusspunkte (NAP) 122 Leitungsart Spezifische Transformatorleistung Verfügbare Kurzschlussleistung am Mittelspannungsverknüpfungspunkt R/X Verhältnis am Mittelspannungsverknüpfungspunkt Aufnahmefähigkeit des Netzes ohne zusätzliche Netzausbaumaßnahmen Weitere Annahmen: - Alle Anlagen sind regelungsfähig - Netzausbau kostenminimal 120mm² Al 2,05 kva/ NAP 130 MVA 0,7 10kW/ PV-Anlage

14 Simulationsmodell PV Weitere Simulationsannahmen: Simulierter Zeitraum: 1 Jahr Simulationsschrittweite: 1 Min. Generische Lastprofile für Haushaltslasten

15 Kostenannahmen PV-Einspeisevergütung Netzausbaumaßnahmen

16 Kosten-Nutzen Analyse (1) Reales Beispielnetz Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf das exemplarische Niederspannungsnetz.

17 Kosten-Nutzen Analyse (2) Reales Beispielnetz Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf das exemplarische Niederspannungsnetz.

18 Kosten-Nutzen Analyse (3) Reales Beispielnetz Durch eine hohe Anzahl an nicht regelungsfähigen Altanlagen wird der Zusatznutzen eingeschränkt! Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf das exemplarische Niederspannungsnetz.

19 Kosten-Nutzen Analyse (4) Reales Beispielnetz Umfang der Netzausbaumaßnahmen hier minimal, da PV-Zubau (zeitlich, räumlich) als bekannt angenommen wurde.

20 Abschließende Bewertung der Lösungsansätze Methode Blindleistungsbereitstellung (statisch) Wirtschaftlichkeit Technische Verfügbarkeit der Technologie Regulatorische Rahmenbedingungen Begrenzung der Wirkleistung (70%) Spannungsbegrenzung (nur Wirkleistung) Spannungsbegrenzung (Wirk- und Blindleistung) Regelbarer Ortsnetztransformator Legende Wirtschaftlichkeit Technische Verfügbarkeit Regulatorische Rahmenbedingungen + Wirtschaftlich sinnvoller als der herkömmliche Netzausbau Bereits heute verfügbar Keine Änderungen notwendig 0 Unwesentliche Unterschiede zum herkömmlichen Netzausbau In 2 5 Jahren Überarbeitung der Rahmenbedingungen notwendig - Wirtschaftlich nicht sinnvoll 5 Jahre und länger Wesentliche Änderungen der Rahmenbedingungen notwendig Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf das exemplarische Niederspannungsnetz.

21 Kernaussage der Studie Der Umfang von Netzausbaumaßnahmen kann durch eine aktive Beteiligung von PV-Anlagen (und regelbaren Ortsnetzstationen) am Netzbetrieb verringert werden Voraussetzung: Der Netzbetreiber berücksichtigt das Einsparpotenzial bei der Netzausbauplanung Wichtig: Derzeit kaum Erfahrungswerte vorhanden (zeitliches Problem). Aufgrund der mangelnden Erfahrungswerte können negative Auswirkungen der Regelungskonzepte auf den Netzbetrieb nicht ausgeschlossen werden (z.b. ungewollte Wechselwirkungen zwischen einzelnen Komponenten, hohe Blindleistungsbezüge aus vorgelagerten Netzebenen)

22 Wichtigste Vereinfachungen im Rahmen der Studie Simulationsannahmen Die Berechnungen und die Ergebnisse beziehen sich auf 3 untersuchte Beispielnetze (2x generisch, 1x real) Alle Anlagen sind regelungsfähig Einfluss der Mittelspannung nicht berücksichtigt Netzausbau erfolgt unter der Annahme dass Ort und Zeitpunkt der zusätzlichen PV-Installationen bekannt Symmetrische Netzbelastung Generische Lastprofile für Haushalte 1 PV Profil für alle PV-Anlagen (Gleichzeitigkeit der Einspeisung = 1) Ausgewählte Kostenarten wurde untersucht Realität Sehr viele Konfigurationsmöglichkeiten. Netzstrukturen durch Historie und Planungsgrundsätze des Netzbetreibers geprägt. In vielen NS-Netzen befinden sich bereits nicht regelungsfähige Bestandsanlagen Technische Effektivität und Nutzen im Vergleich zum klassischen Netzausbau reduzieren sich. Je nach Erzeugungsleistung im MS-Netz kann mehr oder weniger Spannungspuffer für die NS zur Verfügung stehen. Netzausbauplanung erfolgt aufgrund von Erwartungen (Unsicherheiten!) Hohe Bandbreite der tatsächlichen Netzausbaukosten möglich. Unsymmetrische Netzbelastung Vorzeitige Begrenzung der Aufnahmefähigkeit möglich. Tatsächliches Verbraucherverhalten kann abweichen Verringerung der Gleichzeitigkeit durch Wolkenzug, individuelle PV-Systemauslegung, lokale Verschattungen etc. Opportunitätskosten für PV-Anlagenbetreiber können abweichen. Spektrum der tatsächlich anfallenden Kosten sehr breit: z.b. externe Kosten, Umlageeffekte, Wartung- und Instandhaltungskosten, Zertifizierungskosten etc.

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