Dezentrale Energieversorgung. AlpEnergy-Konferenz

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft Dezentrale Energieversorgung Nutzen, Herausforderungen, Lösungen AlpEnergy-Konferenz 26. Mai 2009 Kempten Prof. Dr. Edmund Handschin TU Dortmund

2 Gliederung Technische Universität Dortmund, Prof. Dr. E. Handsc hin Energiepolitische Ziele Technologieplattform Smart Grids Dezentrale Energieversorgung Aktive Verteilungsnetze E-Energy Ziele Fazit 2

3 Die EU-Ziele geben ein klares Signal. EU Ziele: 20% (30%) CO 2 Emissionsreduktion bis 2020 (verglichen mit 1990) 20% Energie-Effizienzverbesserung bis % erneuerbare Energien bis 2020 CO 2 -Reduktionsmethoden Technische Universität Dortmund, Prof. Dr. E. Handsc hin Vereinbarung zur Schaffung eines einheitlichen europäischen Energiemarktes Ausbau des Europäischen CO 2 -Marktes Deckt 50% der Energieemissionen Marktwert beträgt mehr als 20 Milliarden Euros 3

4 um den Weg in die Zukunft zu definieren Technische Universität Dortmund, Prof. Dr. E. Handsc hin Übergang zu einer CO 2 -effizienten Gesellschaft Allgemein werden noch höhere Grenzwerte angestrebt Die EU will weltweit eine führende Rolle übernehmen Auswirkungen auf das Kundengeschäft Sehr große Investitionen Mehr F&E für neue Energie-Lösungen Veränderte Energienachfrage Neue Produkte im Bereich Erzeugung, Brennstoffe, CO 2 - Zertifikate usw. 4

5 Energiepolitisches Dreieck Regulierung von Monopolen Primär- Energiequellen Technische Universität Dortmund, Prof. Dr. E. Handsc hin Wettbewerb Innovation Umweltschutz Markt Umwelt Klima- Wandel Sicherheit Kyoto und Nach-Kyoto Zuverlässigkeit und Qualität Kapazität 5

6 Beiträge der EU Technologie-Plattform Smart Grids April 2006: Vision and Strategie Februar 2007: Strategische Forschungsagenda Oktober 2008: Strategisches Umsetzungsdokument SDD Technische Universität Dortmund, Prof. Dr. E. Handsc hin 6

7 Die wesentlichen Spannungsstufen der Transport- und Verteilnetze in der BRD Transportnetze ÜNB Verteilnetze VNB 7

8 Regelzonen der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber ÜNB 1 EnBW Transportnetze AG 2 E.ON Netz GmbH 3 RWE Energy AG 4 Vattenfall Europe Transmission AG 4 Berlin Dortmund Bayreuth 1 Stuttgart 3 8

9 Verteilungsnetzbetreiber Karte der VerteilungsNetzbetreiber Stand: Dezember 2004 Quelle: VDN-Jahresbericht

10 Umfeld der elektrischen Energieversorgung geringer Lastzuwachs Vorhandenes Netz Netz mit dezentraler Erzeugung Liberalisierung Kostendruck Netzoptimierung KWK-Ausbau Virtuelle Kraftwerke 10

11 Entwicklungen im Verteilungsnetz G G Erzeugung Energieerzeugung Traditionelle Versorgungsrichtung Bidirektionale Versorgung Übertragung Erzeugung Energienachfrage Verteilung G Erzeugung G 11

12 Aktives Aktives Verteilungsnetz Verteilungsnetz Aktuelle und zukünftige Erzeugungskapazität, Verfügbarkeit, Preis, Vertragliche Bedingungen Aktuelle und zukünftige Erzeugungskapazität, Verfügbarkeit, Preis, Vertragliche Bedingungen, Bilanzausgleich, Verluste, Spannung, Frequenz, Reserve. Erzeugung Netzbetreiber Echtzeitkosten, Verfügbarkeit, Vertragliche Zuverlässigkeit, Qualität, Angebot und Nachfrage, bester Dienstleister, Erzeugung/Verbrauch in Übereinstimmung mit den Kunde angeschlossenen Kunden Interoperable Plattform für EEnergy Geräte, Apparate Kunde 12

13 Bedeutung von Smart Metering Verbesserung des Wettbewerbs durch variable Tarife (Echtzeittarife) Reduktion der Netzverluste Effizientverbesserung im Haushaltsektor Spitzenkappung vermeidet unnötige Investitionen Spitzenkappung vermeidet nicht optimale Erzeugung Verringerung der CO 2-Emission Erleichterungen im Bereich der Abrechnungen 13

14 Entwicklungen im Verteilnetz Gestern Morgen Heute 10 kv WEA ~ 10 kv WEA ~ 10 kv 10 kv Strom Wärme/Kälte Gas Wasser 10 kv 10 kv BZ ~ 0,4 kv 0,4 kv 0,4 kv ~ ~ ~ PVA PVA PVA ~ BZ ~ BZ ~ PVA ~ MI ~ MI ~ PVA 14 14

15 Virtuelle Kraftwerke und Mikronetze Schulzentrum Wohnanlage - Personal - Primärenergieeinkauf - Instandhaltung/Wartung Leitsystem G G Synergieeffekte Solar Windpark hohe Verfügbarkeit KWK Energiemix KWK Moduleinsatzplanung erweitertes Serviceangebot G Windpark G Solar G Solar Kostenreduktion KWK Krankenhaus Primärenergieeinsparung KWK Gemeinsames Energiemanagement G Windpark Hallenbad 15

16 Zukünftiges Szenario Annahme einer künftig mehr dezentral ausgerichteten Energieversorgung Anschluss der DEA an das elektrische Verteilungsnetz und das Nahwärmenetz zum Austausch überschüssiger bzw. fehlender Leistung Bisher unidirektional betriebene Verteilungsnetze übernehmen die Funktion von Ausgleichsnetzen Wirtschaftlicher Betrieb von vielen einzelnen DEA führt zum Virtuellem Kraftwerk (= Ausgleichsenergie im Bilanzkreis) Einbeziehung von Energiespeichern zur zeitweiligen Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch sinnvoll Betreiber muss den Einsatz eines VK optimieren Fahrplan z.b. 24h 16

17 Anpassung der Planungs- und Betriebsgrundsätze Beseitigung von Netzengpässen Einfache Strangund Ringnetze Verzögerung oder Vermeidung des Netzausbaus Übergang zu einfacheren Netzformen Verhinderung/ Verschiebung von Netzinvestitionen Weniger Ortsnetzstationen Reduzierung der Netzreserven Reduzierung der Netzkosten Verlängerung von Instandhaltungszyklen Investitionen Betriebskosten Optimierte Netzstrukturen Geringer ausgelastete Betriebsmittel Erneuerungsstrategien Kabelnetze Transformatoren 17

18 Eigenschaften des Smart Grids Netze des 20. Jahrhunderts Netze des 21. Jahrhunderts Elektromechanisch Digital Unidirektionale Kommunikation Bidirektionale Kommunikation Wenige Sensoren Sensoren und Datenerfassung Keine LeistungsflussSteuerung Umfangreiche Steuermöglichkeiten Suboptimale Nutzung der Betriebsmittel Modernes Asset Management mit Zustandserfassung Isoliert arbeitende Betriebssysteme Integrierte Informationssysteme Wenige, dezentrale Einspeisungen, Kunde in passiver Rolle Sehr viele dezentrale Anlagen und aktive Beteiligung der Kunden Begrenzte Preisinformation für Kunden, feste Tarife Volle Preistransparenz, Echtzeittarife 18

19 Technisches Potential des Smart Grids Anschluss großer erneuerbarer Energieanlagen Anschluss dezentraler erneuerbarer Energieanlagen Kombinierte Wärme- und Stromerzeugung Smart Meters und Schnittstellen Intelligente Geräte Handelssysteme Kommunikation und Leistungselektronik Speicherung im großen Maßstab Integration von Elektromobilen Steuerung großer Leistungsflüsse Umweltgerechte Lösungen Aktives Lastmanagement 19

20 Aktives Verteilungsnetz (Internet der Energie) Mini- and Mikroturbinen Energie Web Höhere Ströme, niedrigere Spannungen Themen: Verteilung Versorgungsqualität Erneuerbare Energien Flexibilität Regelung Intelligente Leistungselektronik 20

21 Aktives Lastmanagement für Haushaltkunden Steuerung ohne Belästigung Warmwasserspeicher Speicherheizung Batterieladung Wärmepumpen Verschiebbar Abschaltbar Steuerung akzeptable Waschmaschine Geschirrspüler Warmwasserbereiter Klima-, Kühlanlagen Nicht beliebig, aber zeitlich begrenzt abschaltbar Beeinflussung nicht akzeptabel Beleuchtung Herd Home Electronics Durchlauferhitzer Nur bei Netzstörung zumutbar Unterbrechung unzulässig Steuerungen Lebenserhaltende Systeme Überwachungs- und Alarmanlagen Unterbrechungsfreie Stromversorgung erforderlich 21

22 WebServices für aktives Lastmanagement von intelligenten Geräten bei Kunden Option 2: Öffentliches Internet Option 1: Vernetzung über separates PLC-Netz Customer Energy Systems User Interaction Clients (PC, Handy, Control Panels) (Verbraucher/ Erzeuger) Energy Metering Gateway DSL Access Point Access Integrated Customer Gateway PLC, Funk Netzleittechnik CRM Portal z.b. DSL Internet Energietechnische Infrastruktur Öffentliche IKT mit IKT-Anteil Infrastruktur Backend Netzleittechnik Mgmt GW Energietechnische Infrastruktur mit IKT-Anteil Internet Öffentliche IKT Infrastruktur 22 Quelle: Wietfeld

23 Internettechnologien in der Energietechnik Öffnung der Märkte: Vielfalt der Akteure am Energiemarkt Kostendruck, Anreizregulierung Technologischer Umbruch: Verteilte Energieerzeugung Neue Energiequellen Fernsteuerbare Kleinstverbraucher/quellen Gesellschaftliche Herausforderung: Umweltverträgliche Energieerzeugung und nutzung Effizienzsteigerung Internettechnologien in der Energietechnik Flexible und kostengünstige Vernetzung der Systemkomponenten Verteilte und selbstorganisierende Realisierung von Steuerungsanwendungen Aktive Teilnahme der Kunden des Energiemarkts über multi-mediale Dienste 23

24 Grundbausteine eines Web Service Service Registry Find Web Service Description WSDL + UDDI WSDL + UDDI SOAP HTTP TCP/IP SOAP HTTP TCP/IP Binding Service Consumer Service Consumer Service Consumer Service ConsumerWS Service Logic Interface Publish Service Provider SOAP HTTP TCP/IP Subscribe WS Interface Service Logic Notification WSDL- Web Service Description Language UDDI Universal Description, Discovery and Integration SOAP Simple Object Access Protocol Quelle: Wietfeld 24

25 Web Services in der Energietechnik Beispiel: Vermeidung von extremen Lastspitzen Klimaanlage Hersteller 1 Regelung WS IF Internet/ Web (2) WS IF Klimaanlage Hersteller 2 Klimaanlage Hersteller 3 Regelung Service Registry (1) WS IF Regelung Web Service (WS) Description E-Energie Betreiber (3) WS IF Interne Standardisierte Schnittstelle Schnittstelle WS InterFace (IF) (1) (2) (3) Globale Steuerung Publish Find Binding: Subscription 25 Quelle: Wietfeld

26 Web Services in der Energietechnik Beispiel: Vermeidung von extremen Lastspitzen 100% Klimaanlage Hersteller 1 Regelung Netzlast Internet/ Web WS IF 100% 0% Klimaanlage Hersteller 2 WS IF Regelung Set Power to 65% Klimaanlage Hersteller 3 Regelung 0% WS IF E-Energie Betreiber WS InterFace (IF) (1) (2) (3) Globale Steuerung Netzlast steigt Notification Leistung absenken über Web Service Netzlast sinkt Quelle: Wietfeld 26

27 Elektronischer Marktplatz für alle Akteure Aktive Kunden: Prosumer Energiehandel Erzeugung Netzwerkbetreiber E-Energy Marktplatz Interoperable, gemeinsame elektronische Plattform Neue Dienstleistungen Abrechnung 27

28 Fazit Erneuerung elektrischer Verteilungsnetze eröffnet viele Möglichkeiten für Innovationen Energieerzeugung muss alle technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten ausschöpfen Verteilungsnetze entwickeln sich in Richtung eines aktivenweb-basierten Energie-Internets Moderne IKT trägt wesentlich zur Steigerung der Energieeffizienz und einsparung bei E-Energie offeriert eine gemeinsame Plattform aller Akteure für bessere Wettbewerbsbedingungen 28