Neue Energiewelt sorgt für Versorgungssicherheit bei tieferen Risiken
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- Ina Thomas
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1 Neue Energiewelt sorgt für Versorgungssicherheit bei tieferen Risiken Dr. Andreas Ulbig Power Systems Laboratory, ETH Zürich AEE SUISSE Kongress, 14. November 2016, Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
2 PV-Boom ist in der Schweiz angekommen PV-Spitze übersteigt Gesamtverbrauch einzelner Netzbetreiber Verbrauch versus Produk0on im Netzgebiet der Elektra Jegensdorf BE (Sonntag, 17. Juli 2016) Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
3 Batteriekosten fallen schnell Preisverfall von über $1000 (Jahr 2008) auf ca. $400 (Jahr 2014) Nykvist, B. and Nilsson, M., Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nature Climate Change. Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
4 Batteriespeicher bei Endkunden sind Realität ca Photovoltaik-Batteriespeicher in Deutschland (Ende 2015) Anzahl neu installierter PV-Batteriespeicher nutzbare Speicherkapazität (ø) Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
5 Speicher im Stromnetz Globaler Überblick (2016) 168 GW weltweit installierte Stromspeicherkapazität ca. 98% der Speicherkapazität sind Pumpspeicher Trends der letzten 10 Jahre Verzwölffachung der Batteriekapazitäten (120 MW ca MW) Stand in der Schweiz (2016): ca. 3 MW netzgebundene Batteriespeicher < 10s Speicherfähigkeit Global installierte Stromspeicherkapazität im Jahr 2016 (US DOE, Sept. 2016). Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
6 SATW Speicherstudie I Veröffentlichung: Mai/Juni Ziele: 1. Plausibilisierung und Analyse der Eignung des Schweizer Stromnetzes für die BFE Energiestrategie Auswirkungen auf die Speicherbewirtschaftung (Pumpspeicher und saisonale Speicherseen). Durchführung: 1. Zeitlich hochauflösende Simulationen 2. Europäisches Netzmodell Jahres/Saisonal-Energiebilanz erfüllt? Stündliche Leistungsbilanz erfüllt trotz Wind & PV und Netzlimiten..? Montag, 14. November 16 Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Farid Comaty Andreas Ulbig
7 SATW Speicherstudie I Wichtigste Ergebnisse Annahme Strategisches Netz 2020 & anstehende Pumpspeicher-Projekte realisiert. 1. Versorgungssicherheit der Schweiz gewährleistet für alle BFE-Szenario-Kombinationen als auch für ein deutlich höheren Stromverbrauch (+50%, 89TWh) auch in Extremfällen (kein Stromimport, keine Wind & PV-Produktion) 2. Notwendigkeit von Ersatzkraftwerken (Gas) nicht unbedingt notwendig, nützlich als Reservekraftwerke reduzieren Nettostromimport, erhöhen aber Erdgasimport deutlich 3. Potenzial der Photovoltaik (PV) in der Schweiz BFE-Ziel (11TWh) kann vollständig integriert werden auch doppelt so hoher PV-Ausbau integrierbar 4. Rolle der Pumpspeicher & Speicherseen entscheidende Rolle bei Sicherung der Stromversorgung andere Speicherbewirtschaftung als heute Montag, 14. November 16 Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Farid Comaty Andreas Ulbig
8 SATW-Studie zur Energiestrategie 2050 (2014): «Das Schweizer Übertragungsnetz ist gut aufgestellt» Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
9 aber die Energiewende passiert grösstenteils im Verteilnetz Spannungsprobleme Stromrückflüsse Netzbelastung Stand (Ende 2015) Anzahl PV-Anlage Wärmepumpen Elektroautos Hausbatterien Schweiz Europa > (ca. 1.3 GW) > 1.5 Mio. (ca. 40 GW) in Deutschland > > 1 Mio. in Frankreich in Deutschland in Deutschland Quelle: EurObserver, BFE, statista, eigene Analyse Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
10 SATW Speicherstudie II Analyse der Rolle von dezentralen Speichersystemen, Batterien und thermischen Lasten, für das Stromsystem Themen Motivation für dezentrale Energiespeicher Welche Speichertechnologie für welche Netzanschlussebene? Anwendungsfälle für dezentrale Speicher Wirtschaftlichkeit von Batterien und Lastmanagement Vermeidung von Netzausbau durch dezentrale Speicher Montag, 14. November 16 Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Farid Comaty Andreas Ulbig
11 Dezentrale Speicher Anwendungen & Bewertung Technische Bewertung des Energiespeicher-Einsatzes im Verteilnetz Vermeidung von Verteilnetzausbau Verringerung Netzbelastung Prosumer-Thematik Einbindung Endverbraucher in Netzbetrieb Dezentrale Speicher eignen sich für schnellen Leistungsausgleich (SDL) und lokale Aufgaben (Spannungsregelung, Peak-Reduktion, PV-Integration). Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
12 Illustrativer Vergleich CH Hypothetische Sommerwoche im Jahr 2050 (ETH Energiezukunft 2050) Stromspeicher & Lastmanagement in Verteilnetz Thermische Lasten (25 min) Saisonale Speicherwerke (Massstab 1:4) 9.58 GW, GWh (~ 900h) laut BFE Elektrizitätsstatistik 2014 Speicherseen & Pumpspeicher liefern grosse Leistungs-/Energiekapazitäten. Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Dezentrale Speicher sind dafür direkt im Verteilnetz installiert.
13 Dezentrale Speicher Praxis-Anwendung (SDL) Primärfrequenzregelung durch 1 MW Batteriesystem Maskierung der Energiebeschränkung durch Nachladestrategie Kraftwerksausfall Leibstadt (Trafo) Reserveleistung Batteriespeicher Zurich 1 MW Batterie, Dietikon ZH. Reaktion der Zurich 1MW Grossbatterie (BESS) auf einen Kraftwerksausfall. Oben: Verlauf der Netzfrequenz. Mitte: Gefordertes Primärregelsignal (P prim ), Leistungsabgabe des BESS (P BESS ) und Nachladeleistung (P off ). Unten: Ladezustand (State-of-Charge, SoC). Quelle: M. Koller, M. González-Vaya, A. Chacko, T. Borsche, A. Ulbig, CIGRE 2016 Session Batterien liefern auch bei grossen Ausfällen die notwendige Leistung. Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
14 Dezentrale Speicher Praxis-Anwendung (SDL) Verbesserung der Netzstabilisierung durch Batteriesysteme Höhere Frequenzstabilität durch sehr schnelle Reaktionsfähigkeit Unterstützung bei hohen Anteilen Wechselrichter-gekoppelter Erzeuger und Stromverbraucher Stabilere Netzdynamik durch schnellere Primärfrequenz-Regelleistung Quelle: A. Ulbig, T. Borsche et al., IFAC World Congress 2014, SATW Speicherstudie II (2016) Batterien liefern schnellere Regelleistung als konv. Kraftwerke. Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
15 Ausblick Grossspeicher als auch dezentrale Energiespeicher sind für die Stromversorgung und die Versorgungssicherheit wichtig Bedeutung von Speichern wird in Zukunft wieder zunehmen Zunahme der absoluten Fluktuation Erneuerbarer Energien Abbau Kraftwerksüberkapazitäten (alte Kohlekraftwerke, ) mehr Nachfrage nach flexibler Spitzenlast und Speichern Empfehlungen Technologische Vorteile von dezentralen Speichern nutzen (idealerweise in Kombination mit PSKW) SDL-Regularien für dezentrale Speicher sinnvoll weiterentwickeln (niedrige Eintrittshürden schaffen) Technische Regularien (GridCodes) für EE europaweit verbessern Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
16 Backup Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
17 Anpassung der Grid Codes für EE-Anlagen ENTSO-E DISPERSED GENERATION IMPACT ON CE REGION SECURITY, 2014 Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
18 Modellierung & Simulation des Europäischen Stromnetzes Europäisches Stromnetz Kraftwerkspark, Pumpspeicher, Speicherseen, Verbrauch, Netzkapazitäten (Länderebene), (basierend auf öffentlichen Daten) Schweizer Stromnetz 5 Regionen basierend auf kantonalen Statistiken: Modellierung von Laufwasser, Pumpspeicher, Speicherseen, Wind, PV, Strombedarf, Wetter-Daten, (BFE/BFS, MeteoSchweiz, swissgrid) Integrierte Netzsimulation Quelle: ENTSO-E Prädiktiver Kraftwerks-Einsatz basierend auf Kraftwerkskosten, vorhandener Prognosedaten (Last, Wind, PV) und Lastfluss-Berechnungen (Engpässe). Montag, 14. November 16 Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Farid Comaty Andreas Ulbig
19 Veränderung der Speicherbewirtschaftung Prädiktiver Dispatch flexibler Kraftwerks-/Speichertypen Ø Modelprädiktive Optimierung (engl. Model Predictive Control) Optimierung basierend auf marginalen Kraftwerkskosten und Wasserwert Berücksichtigung von Vorhersage-Zeitreihen (Last, Wind, PV, Wasser) Abbildung von Netztransport-Limiten Erzeugung PV Pumpspeicher (Turbinenmodus) Wind Laufwasser Verbrauch Speicherseen (Turbine) Pumpspeicher (Pumpenmodus) Stromverbrauch Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich Montag, 14. November 16 Farid Comaty Andreas Ulbig
20 Füllstand saisonaler Speicherseen (Stand: ) Speicherseen leeren sich deutlich, aber langsam genug zum Gegensteuern. Andreas Ulbig Power System Laboratory ETH Zürich
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