Konzept für Schwungmassenbereitstellung durch Pumpspeicherkraftwerke. ÖGOR Workshop 2016, Dr. Robert Schürhuber

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1 Konzept für Schwungmassenbereitstellung durch Pumpspeicherkraftwerke ÖGOR Workshop 2016, Dr. Robert Schürhuber

2 Wirtschaftliches Umfeld für Pumpspeicher in Europa Strommarkt aktuell problematisch für Pumpspeicher Durchschnittlich niedrige Spotmarktpreise durch Überkapazitäten Aktuelle Spanne am Spotmarkt zu klein für Profitabilität von PSKW Preisniveau am Regelenergiemarkt teilweise stark volatil und tendenziell sinkend Viele Systemdienstleistungen werden nicht vergütet Fehlende Investitionssicherheit Prognose zukünftiger Marktentwicklung schwierig Lange und aufwändige Genehmigungsverfahren verhindern Investitionsentscheidungen Pumpspeicher rechnen sich oft erst nach Jahrzehnten aktuelle Unternehmensund Eigentümerstruktur ist nicht förderlich für langfristige Investitionen

3 Zukünftige Möglichkeiten zur Ertragserwirtschaftung PSKW erbringen Systemdienstleistungen, z. B. Regelleistung Ausgleichsenergie Engpassmanagement Schwarzstartfähigkeit Blindleistung Kurzschlussleistung Inertia (Schwungmasse) Wichtig für Zuverlässigkeit des Energiesystems Erbringung zukünftig nicht gratis? Pumpspeicherkraftwerke als Quelle von Schwungmasse zur Unterstützung der Netzstabilität 3

4 Schwungmasse und Netzstabilität Gemäß dem Drallsatz bewirkt ein Ungleichgewicht der Leistungsbilanz (Erzeugung Verbrauch) eine Änderung der Frequenz Netzfrequenz / Hz Reaktion der Netzfrequenz auf einen Erzeugungsausfall H = Verhältnis der Rotationsenergie bei Nenndrehzahl zur Nennscheinleistung = Maß für Schwungmasse Je kleiner die Schwungmasse, Zeit ab Erzeugungsausfall / s desto größer die Änderungsrate der Frequenz und desto größer die maximale Frequenzabweichung. 4

5 Schwungmasse verschiedener Kraftwerkstypen Warum gewinnt Schwungmasse zunehmend an Bedeutung? Schwungmasse Kraftwerksleistung Der Großteil der Erneuerbaren trägt kaum zur Schwungmasse des Gesamtsystems bei. Systemweit nimmt die Stabilität der Netzfrequenz tendenziell ab. 5

6 Ein paar Gleichungen Trägheitsmoment Inertia constant = Rotationsenergie/Nennscheinleistung, ², Einheit: s Swing equation (Drallsatz): In Leistungsform: Gilt für eine Maschine. Näherung: Netz zu einer großen Ersatzmaschine zusammenfassen. H ist zeitabhängig und wird durch Messung bestimmt. H in Deutschland über einen Monat Für mehrere Maschinen am starren Netz: Aggregated Swing Equation w.o. mit gewichteten zusammengefassten Werten. Für viele verteilte Maschinen: Zustandsraumdarstellung, Zustandsvektor x T (nichtlinear, da. Stabilitätsbereiche als Funktion der Parameter z. B. ( P, H, D, )? Stichwort Synchronisation 5

7 Umrichteranlagen Wohin verschwindet die Schwungmasse? Maschinendrehzahl ist unabhängig von der Netzfrequenz Änderung der Netzfrequenz hat keine Auswirkung auf Drehzahl Maschine wirkt für das Netz wie eine rotierende Masse ohne Trägheitsmoment (H = 0 s) 8

8 9 Schwungmasse von Pumpspeicherkraftwerken

9 Schwungmasse verschiedener Pumpspeichertypen Francis Pumpturbine Ternärer Satz Doppelgespeister Motor-Generator Vollumrichter z. B. Limberg II (A) z. B. Kops II (A) z. B. Goldisthal (D) z. B. Grimsel 2 (CH) Fixe Drehzahl Fixe Drehzahl Variable Drehzahl Variable Drehzahl Schwungmasse fix, unabhängig von Betriebsart Schwungmasse fix, abhängig von Betriebsart Schwungmasse regelbar, abhängig vom Betriebspunkt Schwungmasse regelbar Synthetische Schwungmasse Synthetische Schwungmasse 10

10 Künstliche Schwungmasse Erhöhung der Schwungmasse Woher kommt die zusätzliche Schwungmasse? Reale Schwungmasse Netz Umrichter Voraussetzung: Energiespeicher vorhanden Angepasste Regelung 11

11 Künstliche Schwungmasse Erhöhung der Schwungmasse Woher kommt die zusätzliche Schwungmasse? Reale Schwungmasse Netz Umrichter Voraussetzung: Energiespeicher vorhanden Angepasste Regelung 12

12 Künstliche Schwungmasse Erhöhung der Schwungmasse Woher kommt die zusätzliche Schwungmasse? Netz Umrichter Voraussetzung: Energiespeicher vorhanden Angepasste Regelung 13

13 Künstliche Schwungmasse Erhöhung der Schwungmasse Woher kommt die zusätzliche Schwungmasse? Padd Reale Schwungmasse K*J*df/dt Netz Umrichter Voraussetzung: Energiespeicher vorhanden Angepasste Regelung 14

14 Künstliche Schwungmasse Erhöhung der Schwungmasse Woher kommt die zusätzliche Schwungmasse? Synthetische Schwungmasse Padd K*J*df/dt Reale Schwungmasse Netz Umrichter Voraussetzung: Energiespeicher vorhanden Angepasste Regelung 15

15 Ein paar Gedanken zum Regelkonzept Übersicht Drehzahlregelung über Leitapparat als Stellgerät Sollwertbildung für synthetische Schwungmasse über Frequenzerfassung Leistungsregelung über Umrichter 16

16 Ein paar Gedanken zum Regelkonzept Sollwertoptimierung Was ist die optimale Sollwertkurve für den Leistungsregler: Droop Pset = g(df/dt, f,..)? Auswirkung auf Netz, hydraulisches System (Druckstoß)? Während der Einspeisung zusätzlicher Leistung als synthetischer Schwungmasse ändert sich die Drehzahl des Maschinensatzes Wie soll sich der Drehzahlregler verhalten? Einfluss verschiedener Einstellungen der synthetischen Schwungmasse auf das mechanische und hydraulische System Drehzahl Durchfluss 17

17 Synthetische Schwungmasse Reaktion der Maschine Wie reagiert die Maschine? Generatordrehzahl Netzfrequenz, n Generator / pu Beispiel einer Drehzahlgrenze bei doppeltgespeistem Motor-Generator Netzfrequenz 18

18 Synthetische Schwungmasse Zusammenfassung Netz benötigt Schwungmasse zur Stabilität Ersatz von Synchronmaschinen durch PV und Wind reduzieren verfügbare Schwungmasse Umrichter entkoppeln Netzfrequenz und Maschinendrehzahl Schwungmasse des Maschinensatzes interagiert nicht mehr mit Netzfrequenz Umrichterregelung von drehzahlvariablen Pumpspeichern koppelt Netzfrequenz an Schwungmasse des Maschinensatzes Vervielfachung der Schwungmasse möglich Synthetische Schwungmasse Unmittelbare Einspeisung von Wirkleistung möglich 19

19 Synthetische Schwungmasse Wie geht es weiter? Wird synthetische Schwungmasse honoriert? Irland 2017? GB 2018? Europa???? 20

20 Dr. Robert Schürhuber ANDRITZ HYDRO GmbH Electrical Power Engineering Eibesbrunnergasse 20 A-1120 Wien, Austria