Die Netzintegration im künftigen Stromversorgungsnetz

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1 Die Netzintegration im künftigen Stromversorgungsnetz Lonza Solarpark, 650kW Solar Wings Hochspannungsnetz Wind- und fossile Kraftwerke Inhalt: 1. Wandel des Strommix: Anteil fluktuierender Erneuerbaren Energien steigt 2. Potential PV: Die Dächer bringen 25% aber die Tageslastkurve zählt auch 3. Ökostromnetze: Auch die Erneuerbaren brauchen neue Stromautobahnen! 4. Smart Grids: Dirigieren den Strom und kompensieren die zeitliche Fluktuation 5. Smart PV Inverter: Kommunizieren mit dem Smart Grid und liefern bidirektional, USV Prof. Franz Baumgartner, Dozent für Erneuerbare Energie, ZHAW Hochschule in Winterthur; 1 Vortrag an der Nationalen Photovoltaik Tagung der Schweiz am 5. Feb in Winterthur

2 1. Wandel des Strommix Strommix Prognose bis 2050 SCHWEIZ % Strom aus Wind, Bio, PV 0.05% mit 45MW_2008 DEUTSCHLAND % Strom aus Wind, PV 1%, Bio Konzept: Stromlücke mit EE decken Wokaun, PSI, 2007 Franz Baumgartner, ; Slide 2 J. Nitsch et. al. ZSW; DLR, Wupp.; Ausbau EE BRD 2020 Studie Bundesministerium Umwelt Berlin, Dez 2005

3 1. Wandel des Strommix Leistungsverlauf PV Potential Tagesgang der schweizer Stromproduktion Die Speicherkraftwerke können durch PV Stromproduktion entlastent werden. Alle im Jahr 2008 weltweit produzierten Solarzellen ( 7.4GW ; A. Jäger-Waldau) in der Schweiz installiert, würden nachfolgendes Potential von 7 TWh ausschöpfen. Installierte Leistung 2008 in der Schweiz: 0.045GWp (Nowak, SEV 2009) Normale Tagesbelastung mit hoher Mittagsspitze PV Ertrag PV Potential 7.2TWh/a in 2025 (ges. Wirkungsgrad 10%) VSE Schweiz, Franz Baumgartner, ; Slide 3 Otto Hedinger, Diplomarb. NDS, EPFL 1992 Es könnte der Boom von E-Mobilen und Wärmep. kommen

4 2. PV Potential PV und Stromspeicher Schweiz 25% des PV Strom liesse sich auf den verfügbaren Dachflächen der Schweiz installieren (S. Nowak, SEV 2009); Dies würde eine PV Nennleistung von ca. 15 GWp entsprechen. 10% Stromanteil mit 7GW PV würden Wasserspeicher entlasten, deren Strommenge dann für Spitzenstromexport verfügbar wäre! Die übrige Produktion bliebe gleich oder thermische Kraftwerke könnten vom Netz gehen. Der Winter ist dann der Engpass wenn es keinen neuen Speicher oder Austausch mit EU-Netzen gibt. 6-7GW PV 1.4GW Pumpspeicher Bergspeicher im April leer! Stromerzeugung Schweiz 3. Mittwoch im Monat Franz Baumgartner, ; Slide 4 Erzeugung Speicherkraftwerke Generatorleistung Speicher CH 9.5GW davon ca. 1.4GW reine Pumpspeicher zum Vergleich BRD 7GW mit ca. 7TWh

5 % Typische Wochenlast in einem Schweizer Verteilernetz Sommerwoche Winterwoche Tagesmax[%] Tagesmin [%] ca. 6% PV Stromanteil Jahresmittel Leistung Jahresmittel % % 30% rel. 45% ca. 13% PV Stromanteil Jahresmittel Pmax_Last=0.85Pn_PV Dieses Lastprofilpotential entspricht etwa dem halben Dachflächenpotential. Es könnte erhöhte werden wenn ausreichend Stromspeicher dezentral oder zentral gebaut werden. (z.b. Tracking) Franz Baumgartner, ; Slide 5

6 3. Ökostromnetze Typischer Tagesgang der Stromproduktion Gänsebratenspitze 2009 am 1. Weihnachtsfeiertag in Deutschland Untypisch: negativer EEX Strombörsenpreis! Franz Baumgartner, ; Slide 6

7 3. Ökostromnetze BRD: Windstrom fordert Netzmanagement! Negativer EEX Strompreis Gutes Netzmangement ist gefragt auch bei negativer Regelleistung! (Anmerkung: PV Stromanteil in BRD ca. um den Faktor 8 geringer als Wind) BRD BRD Uhr Spitze Speicherkraftwerk negativer Strompreis Vergleichstag WIND WIND: 20GW URAN Steinkohle URAN: 12GW Gas Braunkohle: 10GW Braunkohle - 19 cent/kwh EEX Börsenpreis ca. -1 Mio Franz Baumgartner, ; Slide 7 BRD DENA Netzstudie 2005: Schwachlast 37GW Starklast 74GW

8 3. Ökostromnetze Erneuerbare Kombikraftwerk BRD hier PV ca. 20% Jahresstromanteil seit dezentrale Kraftwerke in Deutschland als Stromversorgung einer Kleinstadt mit Einwohnern Projektinitiator dieser Modelrechnung, Dr. Rohrig erhielt Klimaschutzpreis BRD, Berlin, 26. Oktober 2009 Franz Baumgartner, ; Slide 8

9 3. Ökostromnetze EU Ökostromnetz im Norden Mrd 10 Jahre Bauzeit Regierungsvereinbarungen Ende Stunden Stromlücke / Worst case /Greenpeace Studie Franz Baumgartner, ; Slide 9

10 3. Ökostromnetze EU Ökostromnetze im Süden 3000km DC Hochspannung 10% Verluste 2050: 700THW/a elect. transf. Wertschöpfung Schweiz, ABB Invest 400Mrd ca. 10 Mrd /a currently consumed by the World (17,000 TWh/y), by Europe (EU-25, 3,200 TWh/y) and by MENA (600 TWh/y) Franz Baumgartner, ; Slide 10

11 4. Smart Grids Wandel zum bidirektionalen Stromnetz Vgl. EU Technology Platform Smart Grids C. Rössner, ABB; SEV Bulletin, Okt 2009, p40 Wo stehen wir heute? Link zu aktuellen Karten mit den bestehenden Solaranlagen in der Schweiz: Myblueplanet: SWISS SOLAR : Franz Baumgartner, ; Slide 11

12 5. Smart Inverters Der PV-Inverters als Notstromversorgung Am Markt sind heute schon PV Inverter verfügbar die bei Netzausfall das 230V Hausnetz aufrecht erhalten. (UPS) 5kW AC Ausgangsleistung; PV Nennleistung 5.7kWp; Batterie 6.8kWh, 48Vdc; Franz Baumgartner, ; Slide 12

13 Netztechnische Herausforderungen Problem Schieflast: wenn möglich echte 3-phasige Inverter einsetzten (BRD limit 4.6kW +10%p) Blindlastlieferung: BRD Mittelspannungsrichtlinie ab 100kW; Wechselrichterhersteller muss Geräte modifizieren damit Echtzeitregelung mit Kommunikation möglich PV Inverter kompensieren Oberwellen Inverter mit neuen Features zum Teil bereits am Markt: PV Inverter als Bindeglied für Notstromversorgung (z.b. mit E-Mobil Batterie) Kommunikation mit Smart Grid-Hausnetz bzw. Stromzähler andauernder Entwicklungstrend bei PV Inverter : Wirkungsgrad Vorreiter nahe 98%, Garantie >10a, Kostenreduktion, Service Netzversorger sorgt für ausreichende Kabelquerschnitte Franz Baumgartner, ; Slide 13

14 5. Smart Inverters 2020 Die lokale Strombilanz Sie sind ihr eigener Oil-SCHEICH Strom täglich [kwh/d] Wärmepumpe 3 3 E-Mobilität Überschuss typ. E-Autobatterie Kapazität Solarstrom PV Haushaltsgeräte 10kW PV, 50 m 2 ; 30kWh/m2/a Das Stromnetz ist nötig als Stromspeicher und Handelsplattform 12kWh/100km, 25km Tagesfahrt; 1.2kWp Wärmepumpe Leistungz kWh/a SUNNY Franz Baumgartner, ; Slide : 5% aller Autos E-Mobile

15 Status Schweiz: Karte installierter Solaranlagen Franz Baumgartner, ; Slide 15

16 PEAK SHIFT Limit 12 Uhrlast! klarer Sonnentag: 6-7 Wh/Wp PEAK SHIFT 3 kwh/kwp 4kWp PV Anlage / 12kWh Batteriekapazität April Kosten: Li-Batt. 10 bis SFr für 20kWh Juni Franz Baumgartner, ; Slide 16

17 Stufen ins Solarzeitalter F. Baumgartner, T. Achtnich, S. Nowak, S. Gnos, F. Wiese to be presented at EUPVSEC Sept 2010, Valencia Franz Baumgartner, ; Slide 17

18 Ziel: 1000 W PV Gesellschaft entspricht ca. 15% PV Stromanteil Fläche entspricht der installierten PV Leistung pro Kopf Mit dem heutigen jährlichen Zuwachs von 2W/Kopf wird die Schweiz das Potential von 15% PV Stromanteil in 500 Jahren erreichen!! Probleme mit dem Netz sind dann abzuklären! Potential 1000 W/K Ziel Schweiz 2009e 8.4W/K neu W/K 2009 BRD 2009e 96W/K + 31W/K Liechtenstein zugesagt 2009e ca. 90W/K Franz Baumgartner, ; Slide 18

19 Thank You for your Attention Download reprints: Foto: Solar Wings 650kW 1-axis Lonza Solarpark Franz Baumgartner, ; Slide 19 Gewerbepark Hochrhein; Wiederkehr; Stadtwerke Waldshut-Tiengen Lonza Solarpark Team: Dr. Eschenmoser, P. Gass,