Verteilnetze Das Rückgrat der Energiewende

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1 Verteilnetze Das Rückgrat der Energiewende Prof. Dr.-Ing. Jutta Hanson FG Elektrische Energieversorgung unter Einsatz Erneuerbarer Energien (E5) Quelle: Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson

2 Verteilnetze Das Rückgrat der Energiewende Einführung Energieziele in Hessen Verteilnetze Herausforderung Energiewende Lösungsansätze Rheinland-Pfalz-Studie Ziele Szenarien Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 1

3 Eckpfeiler des Energiekonzepts der Bundesregierung Anteil erneuerbarer Energien am elektrischen Verbrauch Beendigung der Kernenergienutzung spätestens Ende Dynamischer Ausbau der erneuerbaren Energien in allen Sparten (80 % des Verbrauchs in 2050). Zügiger Ausbau und Modernisierung der Stromnetze. Steigerung der Energieeffizienz insb. durch Gebäudesanierung und Senkung des Stromverbrauchs mit modernen Technologien. Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 2

4 Energieeinspeisung und installierte Leistung erneuerbarer Energien in Deutschland (2013) Installierte Kraftwerksleistung Gesamt 187 GW Erneuerbare Energien 84 GW Einspeisung und Verbrauch el. Energie Bruttostromverbrauch 600 TWh Erneuerbare Energien 153 TWh Installierte Leistung in % Einspeisung elektrischer Energie in % 9,6 6,7 Wasserkraft Windenergie 31,4 13,9 Wasserkraft Windenergie 42,6 41,1 Photovoltaik Biomasse 19,7 35,0 Photovoltaik Biomasse Quellen: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und Umweltbundesamt (UBA); Stand Februar 2014 Monitoringbericht der Bundesregierung, Juni 2014, Stand Oktober 2013 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 3

5 Erzeugungssektor Grundlegende Änderungen Dezentrale Erzeugung in kleinen Einheiten Verbrauchsferne Erzeugung in großen Einheiten Windenergie, insbesondere Offshore Wasserkraft Alpen, Skandinavien Volatile Erzeugung Erzeugungseinheiten ohne Schwungmasse Quelle: BMU-AGEE-Stat Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 4

6 Auswirkungen und Forderungen für Verteil- und Übertragungsnetze Bisher: Verbrauchsorientierte Erzeugung Heute: Dargebotsabhängige Erzeugung durch EE Prognoseabweichungen für Verbraucher und Erzeuger Verteilnetze Zunehmende Integration volatiler und dezentraler Erzeugung ("Sammelnetz") Flexibilisierung der Betriebsführung (Erzeugung/Speicher, Netz, Verbrauch) Übertragungsnetze Stromtransport möglichst verlustfrei über lange Strecken Betriebsführung ohne Großkraftwerke Vermeidung von Netzengpässen zwischen Verbrauchs- und Erzeugungsregionen Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 5

7 Umsetzung der Energiewende Fokus Erneuerbare Energien Quelle: P. Birkner, Mainova, Vortrag KWT Installierte Leistung Erneuerbarer Energien nach Spannungsebene HöS HS MS NS Höchstspannung Hochspannung Mittelspannung Niederspannung Verteilnetz Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 6

8 Übertragungsnetz SuedLink - die HGÜ-Trasse in Hessen Verbindung Wilster-Grafenrheinfeld HGÜ-Gleichstromtrasse (800 km, 4 GW, 500 kv) ÜNB: TenneT und Transnet BW Geplante Inbetriebnahme Landkreise betroffen Teilverkabelung geplant Quelle: TenneT Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 7

9 Übertragungstechnologien Kabel + Geringe Sichtbarkeit + Wartungsfreiheit (quasi) + Atmosphärische Unabhängigkeit Muffen Hohe Investitionskosten Systembetrieb schwierig (AC-Kabel) (Blindleistung, Löschgrenze, Überlastbarkeit) Geringe Betriebserfahrungen Bodenaustrocknung Freileitung + Betriebserfahrungen seit 70 a + Hohe Verfügbarkeit (AWE) + Robust / Überlastbarkeit + Lange Nutzungsdauern 80 a + Einfache Systemintegration Quelle: ABB Sichtbarkeit Akzeptanzprobleme Atmosphärische Beeinflussung Quelle: Wikipedia Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 8

10 Der Hessische Energiegipfel Definierte Ziele Deckung des Endenergieverbrauchs in Hessen (Strom und Wärme) möglichst zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2050 Steigerung der Energieeffizienz und Realisierung einer Energieeinsparung Energieuhr: Anteil Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (ohne Verkehr) Ausbau der Energie-Infrastruktur zur Sicherstellung der Verfügbarkeit so dezentral wie möglich und so zentral wie nötig Steigerung der gesellschaftlichen Akzeptanz der energiepolitisch notwendigen Schritte in der Zukunft Quelle: Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 9

11 Energiestatistiken Hessen Primärenergieverbrauch 2009: 216 TWh (Strom 37 TWh, Wärme 82 TWh, Verkehr 97 TWh inkl. Flugzeuge) Anteil erneuerbarer Energien an der Bruttostromerzeugung in Hessen Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch in Hessen Quelle: BDEW; Statistische Ämter des Bundes und der Länder; AGEB Quelle: BMWi; Statistische Ämter des Bundes und der Länder Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 10

12 Energiestatistiken Hessen Bruttostromerzeugung 2012: 16,2 TWh (Anteil EE: 26,2 %) Nettostromverbrauch 2012: 36,6 TWh Ende 2013: Windenergie 754 WEA mit 973 MW Photovoltaik PV-Anlagen mit MW Bruttostromerzeugung (2012) in TWh Stromerzeugung (2012) aus EE in TWh Quelle: Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 11

13 Null-Energie aber nicht Null Leistung Zielvorstellungen hinsichtlich des Ausbaus erneuerbarer Energien sind nahezu immer bilanzieller Natur dadurch tritt die Aufgabe des Netzes bzw. von Speichern in den Hintergrund. bilanziell ist diese Autobahn leer... Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 12

14 Struktur der Energieversorgung Leistungsflüsse Traditionelle Leistungsflüsse Wetterabhängige Leistungsflüsse Umspannwerke Industrielle Großabnehmer Industrielle und gewerbliche Abnehmer Privathaushalte und Kleingewerbe Höchstspannungsnetz 220 oder 380 kv Hochspannungsnetz 60 oder 110 kv Mittelspannungsnetz 3 bis 30 kv Niederspannungsnetz 400 V Großkraftwerke z.b.: Kohle- und Kernkraftwerke, Offshore-Windparks Mittlere Kraftwerke z.b.: Gas-, Kohle- und Wasserkraftwerke, Windparks Kleinere Kraftwerke z.b.: Blockheizkraftwerke, Biomasse- und Wasserkraftanlagen, Windenergieanlagen, Solarparks Kleine Solaranlagen, BHKWs Quelle: AEE Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 13

15 Ausbau dezentraler Erzeugung ist eine Herausforderung für Verteilnetze Kernthemen: Integration fluktuierender dezentraler Erzeugungsanlagen (Vorhandenes Verteilnetz wurde zur Versorgung konzipiert) Standorte von Windenergieanlagen befinden sich in Gebieten mit geringer Bevölkerungsdichte Quelle: Prof. M. Zdrallek, Bergische Uni. Wuppertal Auswirkungen: Netzausbaubedarf Spannungshaltung in ländlichen Netzen zunehmend schwierig Größere Bandbreite an Betriebszuständen durch dezentrale Einspeisung Neue Netzführungskonzepte werden benötigt Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 14

16 Informations- und Kommunikationstechnik für die Betriebsführung Vielfältige Lösungsansätze für das Verteilnetz Erzeuger Stromgeführte Kraft- Wärme-Kopplung Bau flexibler Gaskraftwerke Einspeisemanagement Umbau Netzinfrastruktur Innovative Betriebsmittel (Regelbarer Transformator) Flexibilisierung (Weitbereichsregelung) Netz Verbraucher Speicher Lastmanagement Haushalt, Industrie Batteriespeicher Power-to-Heat Power-to-Gas Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 15

17 Netzausbau versus Flexibilisierung Obwohl das gleichzeitige Erreichen der Maximalleistung aller Anlagen auf wenige Stunden jährlich beschränkt ist, kommt es vermehrt zur Einstufung von Anlagen als nicht-netzverträglich. Beobachtete Folgen: Ausweichen auf wirtschaftlich ungünstigere Netzverknüpfungspunkte Anlagendrosselung Zeitlicher Aufschub des Netzanschlusses Netzausbau (sozialisierte Kosten) Verzicht auf Projekte Flexibilisierung der Netze über Lastmanagement: Wie groß ist das Potenzial? Wie viel Informations- und Kommunikationstechnik wird benötigt? Wie viel Intelligenz ist notwendig? Regelbarer Ortsnetztransformator Quelle: Maschinenfabrik Rheinhausen Intelligente Ortsnetzstation mit aktivem Spannungsregler Quelle: ABB Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 16

18 Verteilnetzstudie Rheinland-Pfalz Ziele Faktor 8, MW zum Vergleich: - Höchstlast im Versorgungsgebiet der Pfalzwerke ca MW - Aufnahmefähigkeit eines Umspannwerks ca. 80 MW - Belastbarkeit eines 110-kV-Stromkreises ca MVA Faktor 14,4 Bilanzielle Deckung des Bedarfs an Elektrischer Energie durch Erzeugung aus regenerativen Energieträgern Errichtung von 7500MW WEA und 5500MW PV bis zum Jahr 2030 Quelle: Rheinland-Pfalz-Studie Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 17

19 Verteilnetzstudie Rheinland-Pfalz Szenarien Referenz- Szenario konventioneller Netzausbau Intelligenter Netzausbau Einsatz von Hochtemperaturleiterseilen und Dynamic Line Rating für Freileitungen Weitbereichs-Spannungsregelung und regelbare Ortsnetztransformatoren Smart Grids Batterien an PV-Anlagen, Power-to-Heat, Lastmanagement, Weitbereichs-Spgs-regelung, regelbare Ortsnetztransformatoren Informations- und Kommunikationstechnik Intelligenter EE-Ausbau Abregelung von Erzeugungsanlagen DSM, Speicher, Smart Storage Weitere Variantenrechnung Quelle: Rheinland-Pfalz-Studie Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 18

20 Verteilnetzstudie Rheinland-Pfalz Ergebnisse Netzausbaukosten Referenzszenario Optimiertes Szenario Quelle: Rheinland-Pfalz-Studie Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 19

21 Verteilnetzstudie Rheinland-Pfalz Ergebnisse Gesamtkosten Quelle: Rheinland-Pfalz-Studie Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 20

22 Ergebnisse der dena-verteilnetzstudie Ergebnisse der dena- Verteilnetzstudie Die untersuchten Varianten und Treiber sind in den einzelnen Netzebenen unterschiedlich stark ausgeprägt. In der Nieder- und Mittelspannungsebene ist z.b. die Anpassung der technischen Richtlinien der größte Hebel für eine Reduzierung der Investitionskosten. Quelle: Deutsche Energie-Agentur (dena) Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 21

23 Zusammenfassung Die Verteilnetze stellen für die Erreichung der energietechnischen Ziele in Hessen das Rückgrat dar. Die notwendigen Voraussetzungen und Handlungsoptionen zur Erreichung der Ziele müssen in einer Studie ermittelt werden. Der Netzausbau ist Voraussetzung für den regionalen Ausgleich von Last und Erzeugung. Technologien und Maßnahmen zur Erhöhung der regionalen Flexibilität zur Reduzierung des Netzausbaubedarfs sind zu ermitteln. Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. J. Hanson Folie 22

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!