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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Quelle:SMA Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Erfahrungswerkstatt vor Ort: Zentrale Energieerzeugung und Netze, 14. Mai 2014

2 Inhalt der Antrittsvorlesung 1. Warum Erneuerbare Energien und speziell die Photovoltaik? 2. Integration der Erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz 3. Neue Netzsystemdienstleistungen 4. Ausblick und Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 2

3 Inhalt der Antrittsvorlesung 1. Warum Erneuerbare Energien und speziell die Photovoltaik? 2. Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz 3. Neue Netzsystemdienstleistungen Quelle: SMA 4. Ausblick und Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 3

4 Energiepolitische Rahmenbedingungen (1) Historische Beschlüsse des Europäischen Rates vom 8./9. März 2007 unter deutschem Vorsitz, um den Anstieg der globalen Ø-Temperatur auf 2 C zu begrenzen: Bis 2020 Treibhausgase um mind. 20 % gegenüber 1990 reduzieren Energieeffizienz um 20 % steigern Anteil der Erneuerbaren Energien am Gesamt- Primärenergieverbrauch von 20 % Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 4

5 Energiepolitische Rahmenbedingungen (2) Nach dem Super-GAU von Fukushima nach dem Erdbeben und Tsunami vom 11. März 2011 Abschaltung der sieben ältesten deutschen Kernkraftwerke und des KKW Krümmel. Quelle: Wikipedia Am beschloss der Bundestag die Energiewende, ein Energiepaket aus 7 Gesetzen zum Atomausstieg bis 2022 und zum Ausbau der Erneuerbaren Energien, darunter: Änderung des Atomgesetzes - Änderung Erneuerbare Energie Gesetz - Änderung Energiewirtschaftsgesetz - Netzausbaubeschleunigungsgesetz - Wärmedämmgesetz - Gesetz für Energie und Klimafond Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 5

6 Ziele der Energiewende in Deutschland (Beschluss ) Reduzierung Treibhausgas-Emissionen um 80 95% (gegenüber 1990) Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50% Abschaltung aller Kernkraftwerke (bis 2022) 35% Strom aus erneuerbaren Energien 50% Strom aus erneuerbaren Energien 80% Strom aus erneuerbaren Energien Anteil erneuerbare Energien am Endenergieverbrauch 60% Ausbau des Übertragungsnetzes (4540km DENAII) Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 6

7 38% 80% Auszug aus BMU-Leitstudie Bruttostromversorgung 8% 6% 14% 11% 11% 23% 22% Quelle: Nitsch Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 7

8 Auszug aus BMU-Leitstudie 2011 Mix des Kraftwerkparks Bruttoleistung Jahreshöchstlast 83 GW Jahrestiefstlast 35 GW Quelle: Nitsch Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 8

9 Quelle: Wind und Sonne ersetzen Grundlastkraftwerke ( must-run-units ) Flexibilisierung des Kraftwerksparkes - mehr Spitzenlast-Kraftwerke keine Grundlastkraftwerke geringere Auslastung - Sicherung der Wirtschaftlichkeit über Schaffung von Kapazitätsmärkten Reduktion der must-run-units mehr Systemdienstleistungen durch dezentrale Erzeugungsanlagen Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 9

10 Energiemix aus Wind und Sonne Quelle: ISET, Kassel Durchschnittliche Einspeisung aus Wind und PV, Deutschland, 2005 Quelle: LichtBlick AG 20 kw el Mini-BHKW von Volkswagen AG und LichtBlick AG Wind- und Solarenergie ergänzen sich optimal über die vier Jahreszeiten! Fluktuierende erneuerbare Energien können durch ferngesteuerte, dezentrale Mini-BHKW ergänzt werden ( SchwarmStrom aus ZuhauseKraftwerke ) Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 10

11 Film ( Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 11

12 Daten-Quelle: EEX /MWh Leistung in GW Die Photovoltaik wird wesentliche Säule im Energiemix PV ersetzt im wesentlichen Spitzenleistung 70 > Mittagsspitze in Deutschland am sonnigen Freitag zu 34% aus PV ,2 GW ,4 GW 38,9 GW Photovoltaik Wind Konventionelle Erzeugungseinheiten > 100 MW h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h Freitag, Phelix Day Base Day Peak Daten-Quelle: EEX-Transparenzplattform 0 0h 4h 8h 12h 16h 20h Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 12

13 Daten-Quelle: EEX /MWh Leistung in GW Die Photovoltaik wird wesentliche Säule im Energiemix PV ersetzt im wesentlichen Spitzenleistung Photovoltaik Wind Konventionelle Erzeugungseinheiten > 100 MW 21,9 GW 2,4 GW 26,9 GW > Mittagsspitze in Deutschland am sonnigen Samstag zu 43% aus PV > PV-Leistung ist gut prognostizierbar > Zuverlässige, regional aufgelöste Folgetags-Prognosen für die Kraftwerkseinsatzplanung Phelix Day Base Day Peak h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h Samstag, Daten-Quelle: EEX-Transparenzplattform h 4h 8h 12h 16h 20h Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 13

14 Daten-Quelle: EEX /MWh Leistung in GW Die Photovoltaik wird wesentliche Säule im Energiemix PV ersetzt im wesentlichen Spitzenleistung ,7 GW 10,5 GW > Mittagsspitze in Deutschland am sonnigen Wintertag zu 18% aus PV > Beitrag wurde auch in Frankreich gesehen ,7 GW > Abendspitze sollte durch dezentrale Speicher abgedeckt werden Photovoltaik Wind Konventionelle Erzeugungseinheiten > 100 MW h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h Mittwoch, Daten-Quelle: EEX-Transparenzplattform Phelix Day Base Day Peak 0h 4h 8h 12h 16h 20h Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 14

15 Integration der EE in die Struktur der Netze > Typische Einspeisung EE-Erzeugungsanlagen: > NS-Ebene (Großteil PV) > MS-Ebene (PV, Biogas, Geothermie, kleine Windparks) > Paradigmenwechsel notwendig in elektrischer Energieversorgung: > Von Top-Down-Struktur zu fluktuierenden bidirektionalen Leistungsflüssen Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 15

16 Photovoltaik ist die dezentralste Erneuerbare Energie ca. 99 % Einspeisung ins Verteilnetz Quelle: Studie des Fraunhofer IWES für BSW Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 16

17 Kollaps in den Netzen und 20 Mrd Ausbaukosten Interview Dena-Chef Stephan Kohler in der BZ, Photovoltaik mit aktuellen Ausbauszenarien (9,5 GW Zubau jeweils in 2010/11) führt zu Netz- Kollaps, Riesenproblem im Netz und Überlastung durch Sonnenstrom schlägt Deckelung auf ein 1 GW/a vor Pressemitteilung Verband kommunaler Unternehmen (VKU) vom zum Energiekonzept der Bundesregierung: Dezentrale Energieerzeugung/Smart Grids führt zu Netzausbaukosten von 20 Mrd. Euro Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 17

18 Inhalt der Antrittsvorlesung 1. Warum Erneuerbare Energien und speziell die Photovoltaik? 2. Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz 3. Neue Netzsystemdienstleistungen Quelle: SMA 4. Ausblick und Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 18

19 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr ein technisches Problem? Ziel: Einhaltung des Spannungskriteriums nach EN (U N ± 10 %) Beispiel: Zur Kompensation des Spannungsfalls entlang der Leitung: stationäre Verstellung des Übersetzungsverhältnisses am Transformator der Netzstation Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P U L1 1,1 p.u. = 253 V P Last 1 P Last 2 1,0 p.u. = 230 V 0,9 p.u. = 207 V Länge Max. Last (Mit Spannungsverstellung) Max. Last (Ohne Spannungsverstellung ) Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 19

20 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr ein technisches Problem? Beispiel: Installation PV-Anlage: In den lastarmen Vormittagsstunden kommt es zur Leistungsflussumkehr. Verletzung Spannungskriterium nach EN PV Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P U L1 1,1 p.u. = 253 V 1,0 p.u. = 230 V 0,9 p.u. = 207 V P Last 1 Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last Länge P Last 2 Max. Last (mit Spannungstellung) 3~ ~ PV P Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 20

21 0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 Spannungsanhebung (Leiter-Leiter) am Netzanschlusspunkt in V Durch Blindleistungseinspeisung läßt sich die Spannung am Verknüpfungspunkt regeln Spannungsanhebung am Netzanschlusspunkt bei unterschiedlichen Netzimpedanzwinkeln ψ mit S k " = 2,5 MVA und einer Einspeiseleistung von P WR = 27 kw konst. Bei cos φ = 0,9 (ind.) über 50 % Reduktion der Spannungsanhebung cos ϕ überregt/kapazitiv untererregt/induktiv Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 21

22 Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung > Beispiel: Durch induktiven/untererregten Betrieb des PV-Wechselrichters (Aufnahme von Blindleistung) Reduzierung der Spannungsanhebung PV Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P Q U L1 1,1 p.u. = 253 V P Last 1 Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last wie oben, aber mit Bezug von Blindleistung P Last 2 3~ ~ PV P Q 1,0 p.u. = 230 V Länge 0,9 p.u. = 207 V Max. Last (mit Spannungstellung) Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 22

23 Spannungshaltung durch intelligente Ortsnetzstation +10% ü = konstant +10% HS 110k V +4% 20kV ü = konstant 400V -10% Regelung Regelung Messung? -10% Messung? Umspannwerk Ortsnetzstation Kabelverteiler Hausanschluss Datenkommunikation Meter? Quelle: E.ON-Mitte Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 23

24 Erzeugungsmanagement / Einspeisemanagement Rechtliche Basis: 6 Abs. 1 EEG 2009 ab 100 kw 13/14 EnWG: Gewährleistung der Netzsicherheit durch den ÜNB/VNB 6 In EEG 2012 nachrangig ab 0 kw, wenn nicht bis 30 kwp optionale Leistungsbegrenzung auf 70 % gewählt Verluste dann ca. 3 8 % wenn kein Eigenverbrauch Bewährte Abstufung für über 100kW : Begrenzung auf 100%, 60%, 30%, 0% P NENN Die Maßnahme ist sowohl für Übertragungs als auch das Verteilnetz sinnvoll Leider ist jetzige Rundsteuertechnik nicht Smart grid -geeignet, wg. zu großflächiger Adressierung Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 24

25 Frequenzhaltung: Frequenzabhängige Wirkleistungs-Reduktion Reduzierung der Wirkleistungseinspeisung in Abhängigkeit von der Frequenz im Störungsfall bei einem Leistungsüberangebot zur Vermeidung von Instabilität Anwendungsbeispiel: UCTE-Störung im November Hz Quelle: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. BDEW, Entwurf Dezember 2007 Die frequenzabhängige Wirkleistungs-Reduktion ist ein erster Schritt Richtung Beteiligung an der Primärregelung Über Solaranlagen, die nach Vorgaben der VNB hart bei 50,2 Hz abschalten, müssen nachgerüstet werden Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 25

26 Dynamische Netzstützung: Fault Ride Through (FRT) Erzeugungsanlagen sollen sich im Fehlerfall grundsätzlich nicht vom Netz trennen! Gefordertes Verhalten: oberhalb Grenzlinie 1: Stabiler Betrieb zwischen Grenzlinie 1 und 2: Instabilität zulässig unterhalb Grenzlinie 2/30 % U Nenn : Sofortige Trennung zulässig Im NS-Netz keine Einspeisung eines kapazitiven Blindstroms erwünscht: eingeschränkte dynamische Netzstützung durch zeitweises Sperren der Halbleiter U/U c 100% 70% 45% Grenzkurven Spannungsverlauf 30% 15% Grenzlinie 1 Grenzlinie Zeitpunkt eines Störungseintritts unterer Wert des Spannungsbandes Unterhalb der blauen Kennlinie bestehen keine Anforderungen hinsichtlich des Verbleibens am Netz. Zeit in ms Quelle: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. BDEW, Entwurf Dezember Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 26

27 Inhalt der Antrittsvorlesung 1. Warum Erneuerbare Energien und speziell die Photovoltaik? 2. Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz 3. Neue Netzsystemdienstleistungen Quelle: SMA 4. Ausblick und Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 27

28 Roadmap Netzintegration Ebene Verteilnetz > Spannungshaltung Blindleistung am MS-Netz (BDEW-RL ab 2010) Blindleistung am NS-Netz (FNN-RL ab 2011/2012) Intelligente regelbare Ortsnetzstationen > Energiemanagement im Smart Grid Optimierung Eigenverbrauch, auch mit dezentralen Batteriespeichern Einspeisemanagement lokal im NS-Netz << 100 kwp (spannungsabhängig/smart Grid) Dezentrale Batteriespeicher mit lokales Peak-Shaving im Verteilnetz Schwarzstart-Fähigkeit Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 28

29 Bewertung der Maßnahmen im Hinblick Erleichterung Netzintegration im Niederspannungsnetz Maßnahme Welcher PV-Zubau ist möglich (1)? Bemerkung Spannungshaltung Blindleistung Spannungshaltung regelbare Ortsnetzstation Einspeisemanagement lokal/zentral % % % senkt Ertrag Eigenverbrauch < 5 30 % senkt die Wälzungssumme Peak Shaving mit Batterie Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes läßt sich auch ohne teuren Netzausbau erhöhen. (1) Gegenüber Standardszenario ohne Netzausbau, reine Wirkleistungseinspeisung Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes lässt sich auch ohne teuren Netzausbau erhöhen Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 29 > 100 % teuerste Variante

30 Roadmap Netzintegration Systemstabilität (verantwortlich ÜNB) > Einspeisemanagement Erzeugungsmanagement > 100 kw (EEG) > Frequenzhaltung Frequenzabhängige Leistungsreduktion (BDEW-RL ab 2009/FNN-RL ab 2011/2012) > Energiewirtschaftliche Maßnahmen Solar-Prognose Nachbildung rotierenden Synchrongeneratoren mit positiver Regelreserve (Momentanreserve, Primärregelung) Eigenverbrauch mit variablen, erzeugungsabhängigen Tarifen (Smart metering), Demand-side-management (z.b. Wärmepumpe) zentrales Peak-Shaving mit Batteriespeicher, virtuelle Kraftwerke DSM: elektrische Speicherheizung, Elektromobilität/Methanisierung von PV Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 30

31 Zusammenfassung Netzsystemdienstleistungen von dezentralen Erzeugungsanlagen im Verteilungnetz möglich Damit Reduktion der notwendigen konventionellen Kraftwerke must run units auf ein Minimum möglichst 0! Verringerung Netzausbaukosten durch neue intelligente Maßnahmen im Verteilnetz: Ausrollen der intelligenten Messsysteme (Smart Meter) Blindleistungseinspeisung durch Wechselrichter Intelligente Ortsnetzstation Forschungsbedarf insbesondere bei Netzintegration und Einbindung dezentraler und zentraler Speichersysteme Szenarien Netzkollaps und 20 Mrd Netzausbau sind vermeidbar trotz Ausbau der Erneuerbaren Energien Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 31

32 Unser Forschungs-Schwerpunkt Aktives Verteilnetz (Smart Grid) Elektrochemische Speichersysteme Blockheizkraftwerke Wechselrichter Netzintegration und Systemdienstleistungen Regelbarer Ortsnetztransformator P, Q = 3~ G 3~ = Intelligentes Zählund Messwesen Geschäftsmodelle und Wirtschaftlichkeitsrechnungen Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 32

33 Mitarbeiter AG Energiesysteme Bernd Engel Prof. Dr.-Ing. Phillip Gronstedt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marcus Bunk Dipl.-Wirtsch.-Ing. Arne Dammasch Dipl.-Wirtsch.-Ing. Hannes Haupt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stephan Laudahn Master of Science Franziska Funck Dipl.-Wirtsch.-Ing. Frank Soyck Dipl.-Ing. (FH) Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel Intelligente Netze Seite 33

34 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Viele Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quelle:SMA Ich freue mich auf Ihre Fragen und Kommentare Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel BS Energy, HWK-Mitte, 14. Mai 2014