Energiewende Herausforderung für die Verteilnetze

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1 Energiewende Herausforderung für die Verteilnetze Kolloquium 40 Jahre Universität der Bundeswehr Dr. Roland Hofer, Neubiberg, 6. November 2013 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 2 1

2 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 3 Energiepolitische Zielsetzung Politisches Ziel der Energiewende: Sichere Energieversorgung mit möglichst geringem CO 2 -Ausstoß bei gleichzeitigem Verzicht auf Kernenergie Schonung der endlichen Energieressourcen Lösungswege: Reduktion des Energieverbrauchs durch effizientere Energienutzung Reduktion des Brennstoffeinsatzes bei der Strom- und Wärmeerzeugung durch effizientere Energieumwandlung Verstärkte Nutzung regenerativer Energien Ausbau regenerativer Energien ist Ziel der EU, der Bundesregierung und der bayerischen Staatsregierung 4 2

3 Bayerisches Energiekonzept: massiver Ausbau der Regenerativen ist politisches Ziel Steigerung insgesamt von 21,4 TWh/a (=23,3 %) auf 45,2 TWh/a (=52,9 %) bei stagnierendem Verbrauch von ca. 85 TWh/a Quelle: Bayerisches Energiekonzept Energie innovativ 5/2011, Energieatlas Bayern 5 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 6 3

4 Photovoltaik im Bayernwerk-Netz MW bundesweiter Zubau trotz knapp 29% Vergütungsabsenkung in 2012 Nahezu 1/3 der bundesweit installierten PV-Leistung in Bayern, davon rund 50% im Netzgebiet von Bayernwerk PV-Zubau in 2012 bei Bayernwerk erstmals rückläufig; rd Anlagen mit ca. 700 MW nach über mit rd. 850 MW in 2011 Bei Aufdachanlagen Trend zu kleinerer Leistung erkennbar, da die Eigennutzung inzwischen wirtschaftlich lukrativer als die Einspeisung ist Unverändert hohes Niveau von PV-Neuanmeldungen am Mittelspannungsnetz 7 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 8 4

5 Situation in Deutschland 2010: Anteil Regenerative Energien 17% Erzeugung aus Regenerativen Energien immer deutlich unter Verbrauch Residuallast folgt in der Form etwa dem Verbrauch Keine Überschusserzeugung Quelle: VDE-Studie Energiespeicher für die Energiewende, 2012, Regenerativanteil nach Energiebilanzen 9 Situation in Deutschland 2025: Anteil Regenerative Energien 40% Erzeugung aus Regenerativen Energien erreicht zeitweise den Leistungsbedarf Residuallast stark zerklüftet Leistungsspitze der Residuallast kaum geringer als 2010 Wenig Überschusserzeugung Quelle: VDE-Studie Energiespeicher für die Energiewende, 2012, Regenerativanteil nach Energiekonzept der Bundesregierung 10 5

6 Situation in Deutschland 2050: Anteil Regenerative Energien 80% Quelle: VDE-Studie Energiespeicher für die Energiewende, 2012, Regenerativanteil nach Energiekonzept der Bundesregierung Erzeugung aus Regenerativen Energien übersteigt häufig den Leistungsbedarf Residuallast mit extremen Pendelungen Massive Überschusserzeugung Abregelung von regenerativen Erzeugern oder Energiespeicherung unerlässlich 11 Aufgaben der Systemstabilisierung bei zunehmend fluktuierender Erzeugung Energiemengenausgleich Ziel: Angleichen von Angebot und Nachfrage z. B. durch Einund Ausspeichern von Strom Steuerungsgröße: z. B. Residuallast oder Börsenpreis Messaufwand: gering Reaktionszeit: unkritisch, Daten (z. B. Energiepreise) können vorab per Internet verfügbar gemacht werden Volkswirtschaftlicher Nutzen: hoch, Verbesserte Ausnutzung der Erzeugungskapazitäten Lokale Netzentlastung Ziel: positive oder negative Leistung zur Entlastung des lokalen Netzes Steuerungsgröße: z. B. Netzspannung am kritischen Punkt im gleichen Strang Messaufwand: hoch Reaktionszeit: Sekunden, kurze Reaktion erforderlich, um mit geringer Kapazität Netzentlastung zu erreichen Volkswirtschaftlicher Nutzen: hoch, Reduktion der Kosten für Netzausbau Regelleistungserzeugung Ziel: Stabilisierung der Netzfrequenz Steuerungsgröße: Netzfrequenz, Anforderung durch Übertragungsnetzbetreiber Messaufwand: entfällt Reaktionszeit: kritisch, Zeitraster fest vorgegeben, höchste Anforderungen an Zuverlässigkeit, Fernsteuerung nötig Volkswirtschaftlicher Nutzen: technische Notwendigkeit für sicheren Systembetrieb 12 6

7 Fehlende zeitliche Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage hemmt Ausbau der Regenerativen Umsetzung des Energiemengenausgleichs: 1. Umsetzung von Demand-Side-Management-Maßnahmen (DSM): Verbrauch wird zeitlich verlagert und folgt damit dem Angebot 2. Gezielte Steuerung von dezentralen Stromerzeugern: Stromerzeugung der BHKWs, Biogasanlagen etc. erfolgt bedarfsgerecht 3. Gezielte Nutzung von Überschussenergie: zusätzlicher Verbrauch z. B. für die Wärmeerzeugung reduziert Abregelung von regenerativen Anlagen und spart Brennstoffe (Power to Heat) 4. Speicherung von Strom zur Nutzung zu Zeiten mit Leistungsdefizit, z. B. in Batterien und Pumpspeicherkraftwerken 5. Erzeugung von synthetischen Energieträgern durch überschüssigen Strom, z. B. Power to Gas; Rückverstromung zu Zeiten mit Leistungsdefizit oder Nutzung zur Wärmeerzeugung 6. Abregelung von regenerativen Anlagen bei Erzeugungsüberschuss 13 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 14 7

8 Komponenten des Smart Grid steuerbare Verbraucher steuerbare Betriebsmittel Smart Grid steuerbare Erzeuger Energiespeicher Steuerungsinfrastruktur 15 Regelbarer Ortsnetztrafo: Spannungsstabilisierung im Niederspannungsnetz Quelle: M. Bendrat und Schneider Electric Einspeisespannung ins Niederspannungsnetz kann gesteuert werden Damit Einhaltung der Spannungsbänder auch bei variabler Einspeisung und variablen Lasten möglich 16 8

9 Blindleistungsregelung: Spannungsstabilisierung durch Blindleistung im Netz Quelle: G. Kerber Wechselrichter beaufschlagt Leitung mit Blindleistung Spannungsanhebung durch die PV-Anlage wird reduziert Aber: zusätzliche Belastung des Wechselrichters, zusätzliche Leitungsverluste 17 Einspeisemanagement: Reduktion der Einspeiseleistung im Überlastfall Einspeiseleistung von Regenerativen- und KWK-Anlagen wird im Überlastfall reduziert Ziel: Sicherstellung der Versorgungssicherheit bei gleichzeitig größtmöglicher Einspeisung von Strom aus Erneuerbaren-Energien-Anlagen unter Berücksichtigung der betriebs- und volkswirtschaftlich geringsten Kosten Kommt nur in Ausnahmesituationen zum Einsatz, da das Netz unverzüglich entsprechend der Einspeisesituation ausgebaut wird Permanentes Einspeisemanagement könnte den Netzausbaubedarf deutlich reduzieren, die Verluste an eingespeister Energie wären dabei relativ gering Z. B. Einspeiseverluste 3 5% bei einer Abregelung bei 70% 18 9

10 Steuerbare Erzeuger: Blockheizkraftwerke Bild: Viessmann / ESS Nutzung des stromgeführten Betriebes von BHKWs Erzeugung von Strom zu Zeiten hoher Preise durch zeitliche Verlagerung der Stromerzeugung Substitution der Stromspeicherung durch Wärmespeicherung Zentrale Steuerung oder Schwarmintelligenz Ziele: Energieausgleich Bereitstellung von Regelleistung, Mindestleistung je nach Produkt 5 MW (SRL und MRL) oder 1 MW (PRL), auch durch Anlagenpool darstellbar Netzentlastung 19 Zentrale Steuerung vs. Schwarmkonzept Zentrale Steuerung Definition: dezentrale Anlagen werden über eine zentrale Leitwarte ferngesteuert Kommunikationsaufwand: sehr hoch Steuerungsaufwand: sehr hoch, es sind auch Daten zur Situation vor Ort nötig Geeignet für lokale Netzentlastung: eher nein Geeignet für Regelleistung: ja, Pool mit mindestens 5 MW bzw. 1 MW Feedback für Einzelanlage: ja Schwarmkonzept Definition: dezentrale Anlagen erhalten einen Steuerungsalgorithmus und Basisdaten, um sich dann selbst zu steuern Kommunikationsaufwand: eher gering Steuerungsaufwand: mittel, Berücksichtigung lokaler Situation vor Ort möglich Geeignet für lokale Netzentlastung: ja Geeignet für Regelleistung: nein Feedback für Einzelanlage: nein 20 10

11 Steuerbare Erzeuger: Bayernplan für Biogasanlagen Veränderung der Betriebsweise: Bild: Bayernwerk Natur Bisher: Grundlasterzeugung mit konstanter Leistung, minimale Investition Bayernplan: Bedarfsgerechte Stromerzeugung 8 h/d mit dreifacher Leistung, erzeugte Energiemenge bleibt gleich Potentiale und Bewertung: Neubau von Anlagen derzeit wirtschaftlich kaum darstellbar Im Fokus deshalb derzeit Umrüstung, Umsetzung bei der Hälfte der Anlagen schafft gezielt einsetzbare Leistung von 1050 MW in Bayern, vorübergehender reiner Erdgasbetrieb erhöht Flexibilität und langfristig gesicherte Leistung Aufwand: Zusätzliche BHKW-Leistung, Verstärkung Netzanbindung, Gasspeicher, Wärmespeicher Einfluss auf EEG-Vergütung unklar, Inbetriebnahmezeitpunkt ändert sich Bayernplan ist intelligente Methode, steuerbare Leistung im Netz zu schaffen 21 Batteriespeicher Installation direkt beim Endkunden oder an Netzknoten Derzeitiger Hauptzweck: Erhöhung des Eigenverbrauchs bei Photovoltaik-Stromerzeugung Damit Steigerung des Eigenverbrauchs von ca. 30% ohne Speicher auf ca. 70% mit Speicher erreichbar Perspektivische Anwendungen: Energiemengenausgleich Lokale Netzentlastung Förderung bei Begrenzung der ins Netz eingespeisten Leistung auf 60% der maximalen Leistung der PV-Anlage Damit wird auch gewisse Netzentlastung erreicht Batterietechnologie u. a. Lithium-Ionen oder Blei Bauform: Standgehäuse oder Container (Großanlagen) Bild: IBC Solar 22 11

12 Eigenschaften von Batteriespeichern Einfache Montage, kompaktes Gehäuse Geringe Energiedichte: 0,03 bis 0,19 kwh/kg auf Zellebene (Li), 0,02 bis 0,05 kwh/kg auf Systemebene, ist im stationären Einsatz relativ unkritisch Praxisgerechte Kapazität: Hausspeicher mit ca. 5 bis 20 kwh verfügbar Hoher Wirkungsgrad, rund 95% Sehr hoher Preis: 1000 bis 2000 /kwh, entsprechend bis pro System Gute Zyklenfestigkeit: einige 1000, Lebensdauer von 20 Jahren erreichbar PV modules PV converter = = Battery converter = = inverter ~ = domestic loads Z1 Z2 Z3 grid L1 L2L3 23 Power to Gas: Grundprinzip Bild: E.ON Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom, evtl. Umwandlung in synthetisches Erdgas, Einspeisung ins Erdgasnetz Nutzung der Speicherkapazität des Erdgasnetzes für die Speicherung von überschüssigem Strom, Rückverstromung oder Erzeugung von Wärme Nachteil: hohe Verluste bei der Energieumwandlung 24 12

13 Power to Gas: Prozess und Wirkungsgrade 1. Elektrolytische Herstellung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom: 2H 2 O 2H 2 + O 2 Wirkungsgrad η bis ca. 80% 2. Methanisierung von CO 2 und H 2 (Sabatier-Prozess) CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Wirkungsgrad η rund 80% 3. Nutzung des Gases 3.1. Rückverstromung mittels GUD (η 60%) oder Brennstoffzelle (η 80%): Gesamtwirkungsgrad deutlich unter 50% 3.2. Nutzung als Brennstoff: Wirkungsgrad rund 60% bei erheblichem Exergieverlust Vorteil: Hohe Speicherkapazität, im deutschen Erdgasnetz rund 210 TWh Methanisierungsschritt (2.) wird zunehmend in Frage gestellt, Alternative wäre die direkte Nutzung von Wasserstoff (H 2 ) mit Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur 25 Indirekte Speicherung über Wärme als kostengünstige Alternative zum Stromspeicher Thermische Energiespeicher als Alternative zu elektrischen Energiespeichern? Niedrigere Investitionen Im großen Umfang bereits vorhanden: Speicherheizungen, Wärmepumpen, Warmwasserspeicher etc. Punktgenaue Steuerung der Energieaufnahme ebenso möglich wie bei elektrischen Speichern Verschiebung der Last hat ähnlichen Effekt wie Stromspeicherung: Kostengünstige Wärmespeicherung substituiert teure Stromspeicherung, Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage wird verbessert Aber: Geringere Flexibilität bei der Energieabgabe, keine Rückspeisung ins Netz möglich, nur Verbrauch der gespeicherten Wärme durch den Kunden Bei fehlendem Verbrauch erfolgt keine Entladung des Speichers, damit wird auch keine Kapazität für die erneute Energieaufnahme freigesetzt 26 13

14 Steuerbare Verbraucher mit Wärmespeicher: Beispiel Wärmepumpe Energiewirtschaftliche Optimierung: Zuschalten der Wärmepumpe bei drohender Netzüberlastung durch Einspeiser, Speicherung der Wärme Verlagern der Wärmepumpen-Laufzeit in Zeiten mit billigem Stromangebot, Vermeiden von Laufzeiten zu Hochpreisphasen Relativ hohe Potentiale: 1 1,5 Mio. Wärmepumpen werden im Jahr 2020 in Betrieb sein, beeinflussbarer Stromverbrauch 7 9 TWh/a (Quelle: BWP) Lastverlagerung hat gleichen Effekt wie Stromspeicherung Ersatz von Stromspeichern durch billige Wärmespeicher Erfolgversprechend im Markt nur, wenn Kunde nicht im Komfort eingeschränkt wird 27 Weitere Beispiele für Wärmespeicher im Haushalt Warmwasserspeicher Speicherheizgeräte Kühl- und Gefriergeräte Potential näher zu untersuchen, Größenordnung 10 bis 20 TWh/a Interessant insbesondere auch in fossil beheizten Anlagen (Power to Heat) Aber: Sinnvoll nur als Alternative zur Abschaltung von regenerativen Erzeugern bei drohender Netzüberlastung Potential ca. 19 TWh/a, Tendenz abnehmend Zeitlich variabler Einsatz möglich, Überbrückungszeit von 24 h erreichbar (DSM-Einsatz) Traditionelle Steuerung mit festen Ladezeiten entspricht nicht mehr den heutigen flexiblen Anforderungen Mittlerer apparativer Aufwand für Änderung der Steuerung Kein Einsatz im Sommer Potential in Haushalten ca. 26 TWh/a, abnehmend wegen steigender Energieeffizienz Umsetzbar mit Latentwärmespeicher für stabile Temperatur Überbrückungszeit von ca. 6 h erreichbar (DSM-Einsatz) Hoher apparativer Aufwand, nicht im Gerätebestand umsetzbar Bilder: Viessmann, Dimplex, BSH 28 14

15 Inhalt 1. Energiepolitische Zielsetzung 2. Aktuelle Entwicklung bei der Photovoltaik 3. Herausforderungen an die Energieversorgung der Zukunft 4. Smart Grid Lösungsansatz für die Netzproblematik 5. Fazit 29 Fazit Künftig werden Angebot und Nachfrage von Strom zunehmend divergieren Größere technische Probleme sind nach 2025 zu erwarten Um Abregelung von regenerativen Anlagen zu vermeiden, ist der Einsatz von Energiespeichern unverzichtbar Vorher müssen Maßnahmen zur Lastverlagerung zum Tragen kommen, um den Bedarf an Speicherkapazität zu minimieren Das umfasst auch den gezielten Einsatz von thermischen Energiespeichern Weitere Smart-Grid-Komponente wie z. B. regelbare Ortsnetztransformatoren sind zur Stabilisierung der Netzspannung erforderlich Bayernwerk engagiert sich in allen Technologien und ist ein verlässlicher, kompetenter Partner bei der Umsetzung der Energiewende 30 15