Versorgungssicherheit Eine Herausforderung der Energiewende

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1 Versorgungssicherheit Eine Herausforderung der Energiewende Ein Vortrag im Rahmen einer Veranstaltung des Arbeitskreises Umwelttechnik im VDI-Bezirksverein Hannover an der Leibniz Universität Hannover Quelle:

2 Inhalt 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit 2. Stromversorgungssituation in Deutschland 3. Gesicherte Kraftwerksleistung 4. Überschuss und Mangel 5. Systemdienstleistungen 6. Fazit Seite 2

3 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit Zieldreieck der Energiewirtschaft Seite 3

4 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit 1 Absatz (1) Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) Versorgungssicherheit Zweck des Gesetzes ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht. Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Seite 4

5 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit Was bedeutet nun Versorgungssicherheit? Aufgaben der Stromerzeuger Bereitstellung: Gesicherte Leistung Hohe Verlässlichkeit Systemdienstleistungen Aufgaben der Netzbetreiber Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netz-Wiederaufbau Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz Erwartungen der Kunden Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen Stromerzeuger Netz Stromkunden Übertragungsnetzbetreiber ÜNB Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 5

6 Luxemburg Dänemark Deutschland Schweiz Niederlande Österreich Italien GB Frankreich Slowenien Ungarn Litauen Portugal Schweden Tschechien Zypern Polen Malta Slowakai Rumänien SAIDI in Minuten 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit Betriebsstörungen (SAIDI-Wert) Europa in 2012 System Average Interruption Duration Index Quelle: Seite 6

7 SAIDI 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit Betriebsstörungen (SAIDI-Wert) Deutschland 25 min ,53 19,25 16,89 14,63 14,90 15,31 15,91 15, Quelle: Seite 7

8 1. Stellenwert der Versorgungssicherheit Komponenten der Stromversorgung in Deutschland Stromnetze (Übertragungs- und Verteilnetze) Konventionelle Kraftwerke Regelbare Stromerzeuger mit gesicherter Leistung Erneuerbare Energien (EEG-Strom) Fluktuierende Stromeinspeisung Speicher Energieaustausch im Europäischen Verbundnetz Seite 8

9 Leistung in GW Stromversorgungssituation in Deutschland Versorgungssituation Solar Windkraft Gas Steinkohle Braunkohle Kernkraft Laufwasser Sonstige Gesamtlast 10 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Seite 9

10 Leistung in GW Stromversorgungssituation in Deutschland Versorgungssituation Solar Windkraft Gas Steinkohle Braunkohle Kernkraft Laufwasser Sonstige Gesamtlast 10 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Seite 10

11 Leistung in GW Residuallast Stromversorgungssituation in Deutschland Solar Windkraft Gas Steinkohle Konventionelle Braunkohle Erzeugung Kernkraft Gesamtlast Laufwasser Residuallast Sonstige Gesamtlast 10 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Seite 11

12 Brutto-Stromerzeugung 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Ausbau der Erneuerbarer Energien in Deutschland 180 TWh Stromeinspeisegesetz ab 1. Januar 1991 Novelle BauGB ab November 1997 Novellierungen des Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) EEG 2000 ab 1. April 2000 EEG 2004 ab 1. August 2004 EEG 2009 ab 1. Januar 2009 EEG 2014 ab 1. August 2014 EEG 2012 ab 1. April ) Photovoltaik Wind offshore Wind onshore Wasserkraft Biomasse 2) 1) Hausmüll (Bio-Anteil) bei Pumpspeicherkraftwerken nur Stromerzeugung aus natürlichem Zufluss 3) 2) bis 1998 nur Einspeisung in das Netz der allgemeinen Versorgung, Angaben ab 2003 beinhalten auch die industrielle Stromerzeugung aus flüssiger Biomasse inklusive Pflanzenöl 3) biogener Anteil (50 %) Quelle: AGEB Stand: 12. Dezember 2014 Seite 12

13 Brutto-Stromerzeugung 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Strommix Deutschland nach Primärenergie-Trägern 700 TWh Photovoltaik Wind offshore Wind onshore Wasserkraft Biomasse Hausmüll (Bio-Anteil) Übrige Energieträger Mineralölprodukte Erdgas Steinkohle Kernenergie Braunkohle 0 Quelle: AGEB Stand: 12. Dezember 2014 Seite 13

14 Brutto-Stromerzeugung 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Strommix Deutschland (konventionell und erneuerbar) 700 TWh 600 konventionell erneuerbar Photovoltaik Wind offshore Wind onshore 500 Wasserkraft Biomasse 400 Hausmüll (Bio-Anteil) Übrige Energieträger 300 Mineralölprodukte Erdgas Steinkohle 200 Kernenergie Braunkohle Quelle: AGEB Stand: 12. Dezember 2014 Seite 14

15 Brutto-Stromerzeugung 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Strommix Deutschland (gesichert und fluktuierend) 700 TWh 600 gesichert fluktuierend Photovoltaik Wind offshore Wind onshore 500 Wasserkraft Biomasse 400 Hausmüll (Bio-Anteil) Übrige Energieträger 300 Mineralölprodukte Erdgas Steinkohle 200 Kernenergie Braunkohle Quelle: AGEB Stand: 12. Dezember 2014 Seite 15

16 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Kraftwerksstilllegungsanzeigeliste Stand 12. Februar 2015 Gesamte zur Stilllegung beantragte Kraftwerks-Netto-Leistung: 8051 MW Quelle: Seite 16

17 2. Stromversorgungssituation in Deutschland Angezeigte Kraftwerksstilllegung - Standorte Quelle: Seite 17

18 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung Nicht gesicherte Leistung (verfügbare Leistung ohne Antrieb) Geplante Nichtverfügbarkeiten (Revisionen) Gesamte angeschlossene Kraftwerks-Netto-Leistung Ungeplante Nichtverfügbarkeiten (Ausfälle) Systemdienstleistungen (Regelleistung) verfügbare Leistung (Reserve) eingespeiste Erzeugungsleistung (Erzeugungs-Last) Gesicherte Kraftwerks-Netto-Leistung (Gesicherte Leistung) Seite 18

19 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast Nicht gesicherte Leistung GW Geplante Nichtverfügbarkeiten 180 Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 160 Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser Biomasse Freie gesicherte Leistung Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Jahres- Höchstlast Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quelle: Energiedaten und eigene Berechnungen Seite 19

20 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2011 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 GW Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Freie gesicherte Leistung 106 Lauf- und Speicherwasser 100 Biomasse 27 Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Jahres- Höchstlast Erdgas Steinkohle Braunkohle 20 Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quelle: Monitoring.Bericht 2011 und eigene Berechnungen Seite 20

21 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2012 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 GW Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser Biomasse Freie gesicherte Leistung Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Jahres- Höchstlast Erdgas Steinkohle Braunkohle Quellen: Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung 1. Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und 2. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Stand: 30. September 2014 Seite 21

22 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2013 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 GW Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser Biomasse Freie gesicherte Leistung Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Jahres- Höchstlast Erdgas Steinkohle Braunkohle 20 Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quellen: 1. Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und 2. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Stand: 30. September 2014 Seite 22

23 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2014 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 GW Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser Biomasse Freie gesicherte Leistung Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Jahres- Höchstlast Erdgas Steinkohle Braunkohle 20 Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quellen: 1. Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und 2. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Stand: 30. September 2014 Seite 23

24 3. Gesicherte Kraftwerksleistung Zeiten geringer EEG-Stromeinspeisung - Dunkelflaute 80 GW 70 Dunkelflaute im Januar Gesamtlast [GW] 50 Windenergie [GW] 40 Solarenergie [GW] sonstige ee [GW] Residuallast [GW] Seite 24

25 4. Überschuss und Mangel Stromerzeugungsleistung in geordneter Reihenfolge Quelle: eigene Berechnungen und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Seite 25

26 4. Überschuss und Mangel Residualleistung und Freie Gesicherte Leistung Deutschland 2012 Quelle: eigene Berechnungen und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Seite 26

27 4. Überschuss und Mangel Entwicklung bei geplantem EEG-Ausbau GW Quelle: eigene Berechnungen und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG 12 Abs. 4 und 5 Seite 27

28 5. Systemdienstleistungen Versorgungssicherheit durch Systemdienstleistungen Das Stromversorgungssystem gewährleistet neben der Übertragung elektrischer Energie auch die Qualität der Versorgung. Die Aufgaben zur Sicherstellung der Qualität eines Versorgungssystems fasst man unter dem Begriff der Systemdienstleistungen (SDL) zusammen. Zu den Systemdienstleistungen gehören: Betriebsführung Netzengpassmanagement Frequenzhaltung Spannungshaltung Versorgungswiederaufbau Die Sicherstellung der Qualität der Stromversorgung durch die Bereitstellung der Systemdienstleistungen obliegt den Netzbetreibern. Regional sind dies die Versorgungsnetzbetreiber (VNB), überregional die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB). Die Sicherstellung der Frequenzhaltung, Spannungshaltung und Versorgungswiederaufbau gelingt nur in der Zusammenarbeit von Erzeugern (Kraftwerken) und Netzbetreibern. Seite 28

29 5. Systemdienstleistungen Europäischer Netzverbund und deutsche Übertragungsnetzbetreiber Europäisches Verbundnetz ENTSO-E (UCTE) Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland (ÜNB) Bildquelle: Broschüre Virtuelle Kraftwerke Bildquelle: Seite 29

30 Frequenz Frequenz Frequenz Frequenz Frequenz Versorgungsqualität - Frequenzschwankungen 50,2 50,1 5. Systemdienstleistungen Großbritannien Zentraleuropa Schweden 50,2 Hz Hz Hz 50,1 50,2 50,1 50,0 50,0 50,0 49,9 49,9 49,9 49,8 49,8 49, h h h 48 Zeit h Zeit Zeit 50,2 Hz 50,1 China (Osten) 50,2 Hz 50,1 Singapur 50,0 50,0 49,9 49,9 49, h 48 Zeit Quelle: Wikipedia Versorgungsqualität , h 48 Zeit Seite 30

31 5. Systemdienstleistungen Anforderungen an die Spannungsqualität Fertigungen keine kurzen Spannungseinbrüche (Dips) Motoren keine Asymetrien Beleuchtung keine Flicker Uhren keine Mehrfachnulldurchgänge Rechner keine Spannungseinbrüche (Dips) Unterhaltungselektronik keine Überspannungen Ohmsche Lasten (Heizungen) haben keine Anforderungen an die Spannungsqualität Seite 31

32 5. Systemdienstleistungen Aufgaben zur Umsetzung der Systemdienstleistungen Betriebsführung: Netzengpassmanagement: Frequenzhaltung: + Spannungshaltung: + Versorgungswiederaufbau: + Betriebsplanung, Systemführung und Nachbearbeitung Überwachen und Steuern der Netze und Anlagen Durchführen von Schalthandlungen, Entstörungsmanagement Messungen und Analysen der Spannungs- und Netzqualität Bezugsoptimierung Auswertung der Betriebsplanung Erkennen von Übertragungsengpässen im Netz Einleitung von Gegenmaßnahmen (Redispatch) Planung, Ausschreibung und Vergabe der Regelleistung Monitoring der Netzfrequenz und Anforderung von Regelleistung Bereitstellung und ggf. Lieferung der Regelleistung Planung, Ausschreibung und Vergabe von Blindleistung Monitoring der Netzspannung und Anforderung von Blindleistung Bereitstellung und ggf. Lieferung der Blindleistung Planung und Sicherstellung der Versorgungswiederaufbaustrategie Bereithaltung schwarzstartfähiger Kraftwerke Durchführung notwendiger Versorgungswiederaufbaumaßnahmen Seite 32

33 Frequenz in Hz 5. Systemdienstleistungen Frequenzhaltung - Regelleistung Eine zuverlässige Stromversorgung ist nur bei einem ständigen Gleichgewicht (momentanen Ausgleich) zwischen Stromerzeugung- und verbrauch sichergestellt. 50,100 50,050 50,000 49,950 49,900 49,850 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Uhrzeit Das Maß für das Gleichgewicht ist die Netzfrequenz. Der Sollwert beträgt 50,000 Hz. Ungleichgewichte entstehen durch Schwankungen im Abnahmeverhalten der Verbraucher, durch Kraftwerksausfälle und durch Fluktuation bei der Einspeisung erneuerbarer Energien. Eine Abnahme des Stromverbrauchs und/oder ein Überschuss an erzeugter Leistung führen zu einem Frequenzanstieg. Eine Zunahme des Stromverbrauchs und/oder ein Mangel an erzeugter Leistung führen zu einem Frequenzabfall. Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) müssen regelbare Kraftwerksleistung vorhalten, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Diese Leistung wird Regelleistung genannt. Seite 33

34 Leistung 5. Systemdienstleistungen Primärregelleistung (PRL) Bereitstellung nach dem Solidaritätsprinzip durch alle im ENTSO-E-Gebiet verbundenen ÜNB Jeder ÜNB muss zwei Prozent seiner momentanen Erzeugung als Reserve vorhalten Automatische vollständige Aktivierung innerhalb von 30 s bei einer quasistationären Frequenzabweichung von ±200 mhz Abzudeckender Zeitraum pro Störung: 0 < t < 15 min Trägheit Primärregelung Sekundärregelung Tertiärreglung Bilanzkreisausgleich 30 s 5 min 15 min 1h Seite 34

35 Primärregelleistung in Deutschland 5. Systemdienstleistungen In Deutschland werden nach den Regeln des europäischen Verbundnetzes (UCTE) ca. 700 MW an Primärregelleistung (PRL) benötigt. Die benötigt PRL wird seit dem in wöchentlicher Ausschreibung durch die ÜNB vergeben ( Eine Präqualifikation der Anlagen mit strengen Anforderungen ist erforderlich. Je Kraftwerk können ca. 5 % der Nennleistung als PRL zur Verfügung gestellt werden. Wer stellt Primärregelleistung bereit? Konventionelle Kraftwerke durch: Androsseln Drosselung der Frischdampfventile An der PRL beteiligen sich Kraftwerke mit einer Nennleistung von ca MW! Dauerhafte Drosselverluste Kondensatstopp Kondensatpumpen auf Mindestlast Teilweise zu langsam Klappenregelung Schließen von Anzapfklappen Aufwendige Lösung Seite 35

36 Leistung 5. Systemdienstleistungen Sekundärregelleistung (SRL) Energetischer Ausgleich der Regelzone und Frequenzregelzone Vollständige Einbringung innerhalb von maximal 5 min Löst die Primärregelung nach spätestens 15 min ab Unmittelbare automatische Aktivierung durch den betroffenen ÜNB Typisches Einsatzgebiet von Pumpspeicherkraftwerken Trägheit Primärregelung Sekundärregelung Tertiärreglung Bilanzkreisausgleich 30 s 5 min 15 min 1h Seite 36

37 5. Systemdienstleistungen Sekundärregelleistung in Deutschland In Deutschland werden ca MW positive und 5000 MW negative Sekundärregelleistung (SRL) benötigt. SRL wird auch separat (nur positive oder nur negative) vergeben. Die benötigt SRL wird seit dem in wöchentlicher Ausschreibung durch die ÜBN vergeben ( Eine Präqualifikation der Anlagen ist erforderlich. Wer stellt Sekundärregelleistung bereit? Pumpspeicherkraftwerke durch: Regelung der Wassermenge Netzreglerbetrieb Konventionelle Kraftwerke durch: Regelung der Kesselleistung über den Brennstoff Netzreglerbetrieb Kraftwerkstechnik II 23. April 2014 Vorlesung 2 Seite 37

38 Leistung 5. Systemdienstleistungen Tertiärregelung Minutenreserveleistung (MRL) Telefonischer und fahrplangestützter Abruf durch den ÜNB Vollständige Aktivierung binnen 15 Minuten ab telefonischem Anruf Abzudeckender Zeitraum pro Störung t < 15 min bis 60 min bzw. bis zu mehreren Stunden bei mehreren Störungen Trägheit Primärregelung Sekundärregelung Tertiärreglung Bilanzkreisausgleich 30 s 5 min 15 min 1h Kraftwerkstechnik II 23. April 2014 Vorlesung 2 Seite 38

39 5. Systemdienstleistungen Minutenreserveleistung in Deutschland In Deutschland werden zur Zeit ca MW positive und 3000 MW negative Minutenreserveregelleistung (MRL) angefragt. Der Bedarf an MRL hängt stark von der Fluktuation des EEG-Stromes ab. MRL wird ebenfalls separat (nur positive oder nur negative MRL) vergeben. Die benötigt MRL wird in täglicher Ausschreibung durch die ÜBN vergeben ( Eine Präqualifikation der Anlagen mit geringerem Anforderungen ist erforderlich. Wer stellt Minutenreserveleistung bereit? Konventionelle Kraftwerke pos. und neg. MRL durch: Kesselleistungsregelung Müllverbrennungsanlagen neg. MRL durch: BHKW und Biogasmotoren vorw. neg. MRL kollektiv durch: Verbrauchersteuerung pos. und neg. MRL durch: Umleitbetrieb Virtuelle Kraftwerke Nachtspeicherheizungen Seite 39

40 5. Systemdienstleistungen Präqualifizierte Anbieter für den deutschen Regelleistungsmarkt Quelle: Internetplattform der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Vergabe von Regelleistung Stand 6. März 2014 Seite 40

41 angebotene PRL in MW 5. Systemdienstleistungen Systemdienstleistungen Vermarktung der Primärregelleistung (PRL) Wöchentliche Ausschreibung PRL wird immer als positive und negative Regelleistung vergeben 80 Zeitraum angebotener Preis in /MW Seite 41

42 max. Leistungspreis in /MW 5. Systemdienstleistungen Systemdienstleistungen Vermarktung PRL Datum max. Leistungspreis min. Leistungspreis Seite 42

43 Fazit 6. Fazit Die Erneuerbaren Energien tragen nur in geringem Maß zur Deckung der Gesicherten Leistung bei. Durch den Zubau von Gas- und Kohlekraftwerken besteht trotz des Abschaltens der 8 Kernkraftwerke eine Überkapazität am deutschen Strommarkt. Die beantragte Stilllegung konventioneller Kraftwerke und die Außerbetriebnahme der restlichen deutschen Kernkraftwerke wird bis 2022 wird zu einer deutlichen Verknappung der Kraftwerkskapazität führen. Konventionelle Kraftwerke werden zur Abdeckung der Gesicherten Leistung auch in Zukunft gebraucht. Konventionelle Kraftwerke werden auch für die Bereitstellung der erforderlichen Systemdienstleistungen benötigt. Die Sicherstellung der Versorgungssicherheit im Zuge des weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien bleibt eine wichtige Aufgabe! Seite 43

44 Vielen Dank Quelle: Seite 44