Begrenzungs- und Schutzkonzepte in Netzen bei Großstörungen

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1 9. GMA/ETG-Fachtagung 5. Und 6. März 2008 Netzregelung und Systemführung Markt, Windenergieeinspeisung und Versorgungssicherheit: Wie begegnen wir den Herausforderungen an das Verbundsystem? Begrenzungs- und Schutzkonzepte in Netzen bei Großstörungen Günther Brauner Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft TU Wien Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 1

2 Inhalt Status heute Deregulierung /Liberalisierung / Handelskapazitäten Adequacy: Bedarf versus Ausbau Ageing: Kraftwerke und Netz Ausrichtung in Zukunft Engpassmanagement Erneuerung KW: Herausforderung & Chance Ausbau der Übertragungskapazitäten EU Directive (Effizienz & Nachhaltigkeit) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 2

3 UCTE Elektrizitätserzeugung ( : Verdopplung in 20 Jahren: 3,5 %/a) mit CENTREL therm. fossil nuklear Quelle: UCTE Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 3

4 Entwicklung des physikalischen Austauschs auf internationalen Übertragungsleitungen Quelle: UCTE Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 4

5 Tendenz im System: Adequacy 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Verbrauch Investitionent Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 5

6 Trassenlänge von Übertragungsleitungen in Österreich (Genehmigungsverfahren: seit 20 Jahren keine adäquaten Investitionen möglich Österreich wird ein Energie-Entwicklungsland) ,6 %/a Trassenlängen in km Quelle: e-control (Österreich) 110 kv 220 kv 380 kv - 0,2 %/a + 1,1 %/a Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 6

7 USA-Blackout: Spannung am 14. August 2003, verglichen mit den vorherigen Wochentagen Quelle: Gellings/EPRI STAR-345 kv BUS Aug 8, 11, 12, 13, and 14, kv Normal operating range 8-Aug 11-Aug 12-Aug 13-Aug 14-Aug August 12, 13, and 14 Blackout pm EDT 00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00 05:00:00 06:00:00 07:00:00 08:00:00 09:00:00 10:00:00 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00 20:00:00 21:00:00 22:00:00 23:00:00 Hour hohe Netzvorbelastung Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 7

8 EU 2030: Onshore 300 GW, Offshore Wind 100 GW Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 8

9 UCTE-Wind-Szenario UCTE-Wind-Szenario Nord Nord, 2008 Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft Quelle: 9 EWIS 2007

10 EWIS 2007 Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 10

11 Erforderlicher Netzausbau: Schließen des 380-kV-Sicherheitsringes 380-kV-Leitung der APG Slavetice CZ Sokolnice 220-kV-Leitung der APG Transportrechte der APG auf Fremdleitungen Umspannwerk der APG geplantes Umspannwerk der APG Meiningen Umspannwerk im Fremdeigentum Obermooweiler Bürs 380 kv kv Memmingen Leupolz 380 kv kv Westtirol Zell am Ziller N D Altheim Simbach TAUERN Salzach Kaprun Hauptstufe Pleinting Pirach St. Peter Salzach-Neu Pongau Hausruck Aschach Betrieb 220-kV Klaus Weißenbach ERNSTHOFEN Pyhrn Wallsee Hessenberg Ybbsfeld Dürnrohr Etzersdorf WIEN SÜDOST Ternitz Südburgenland Bisamberg Kledering Neusiedl SK H Györ Györ S Oststeiermark CH Pradella 380-kV-Leitungen 220-kV-Leitungen km I Soverzene Lienz OBER- SIELACH Podlog Kainachtal Maribor SLO Short Term Medium Term Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 11

12 Erforderlicher Netzausbau: Schließen des 380-kV-Sicherheitsringes 380-kV-Leitung der APG Slavetice CZ Sokolnice 220-kV-Leitung der APG Transportrechte der APG auf Fremdleitungen Umspannwerk der APG geplantes Umspannwerk der APG Meiningen Umspannwerk im Fremdeigentum Obermooweiler Bürs 380 kv kv Memmingen Leupolz 380 kv kv Westtirol Zell am Ziller N D Altheim Simbach TAUERN Salzach Kaprun Hauptstufe Pleinting Pirach St. Peter Salzach-Neu Pongau Hausruck Aschach Betrieb 220-kV Klaus Weißenbach ERNSTHOFEN Pyhrn Wallsee Hessenberg Ybbsfeld Dürnrohr Etzersdorf WIEN SÜDOST Ternitz Südburgenland Bisamberg Kledering Neusiedl SK H Györ Györ S Oststeiermark CH Pradella 380-kV-Leitungen 220-kV-Leitungen km I Soverzene Lienz OBER- SIELACH Podlog Kainachtal Maribor SLO Short Term Medium Term Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 12

13 Engpassmanagement Definitionen von Engpässen Langfristige Engpässe (prognostizierbare) Kurzfristige Engpässe (nicht prognostizierbare) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 13

14 Langfristige Engpässe Ursache n-1-kriterium kann bei Annahme aller angemeldeten Fahrpläne nicht eingehalten werden Kommerzielle Maßnahmen (kommerzielles EPM) Berechnung der verfügbaren Übertragungskapazität Vergabeverfahren Verweigerung des Netzzugangs (ElWOG 20) Reihung (ElWOG 19) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 14

15 Kurzfristige Engpässe Ursachen Ausfall von Netzbetriebsmitteln Nicht geplante Flussverschiebung durch weiträumige Transite Technische Maßnahmen (kurzfristiges EPM) Veränderter Kraftwerkseinsatz (Re-Dispatch) Maßnahmen zur Lastflußsteuerung (Phasenschieber- Trafos) Sperren der automatischen Stufensteller Unterspannungs-Lastabschaltungen Sollbruchstellen öffnen Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 15

16 Eingriffe in die Erzeugungsstruktur (Re-Scheduling) Der ÜNB kann einzelne Kraftwerke verpflichten, ihren Einsatz derart zu andern, dass Engpässe vermieden werden (Zonales Rescheduling, Intra Day Trading) Der TSO kann einzelne Erzeuger vorübergehend abschalten (z.b. Windenergie) oder Notreserven Aktivieren (Pumpspeicher) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 16

17 Zonales Re-Scheduling Finanzielles Re-Scheduling durch Preisanreize Technisches Re-Scheduling (zonaler Augleich) Erzeugung Generation Load Last Minderpreis Zone 1 Zone 1 Zone 2 Zone 2 Mehrpreis Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 17

18 Einsatz von Phasenschiebertransformatoren (PST) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 18

19 Engpassmanagement und n-1-sicherheit I / I therm thermisch n-1 EPM h Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 19

20 Sollbruchstellen zur Störungsabwehr Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 20

21 Risiko-Orientierte Versorgungssicherheit [SINTEF 2006] Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 21

22 UCTE-Störung vom 4. November 2006 Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 22

23 Ursache der Störung Abschaltung einer zweisystemigen 380-kV-Leitung in Norddeutschland Ausweitung zu nachfolgenden Leitungsüberlastungen mit Bildung von drei Inselnetzen Ostnetze mit Erzeugungsüberschuss von MW (Überfrequenz bis 50,2 Hz) Westnetze mit Erzeugungsmangel (Unterfrequenz bis 49 Hz). Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 23

24 Kraftwerksausfälle in Österreich Wien 700 MW Steweag-Steg 80 MW BEWAG 230 MW Windkraft EVN 450 MW Windkraft Netzstützung durch automatisches Anfahren von Speicherkraftwerken Kaprun Malta Zillertal Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 24

25 Lastanpassung im UCTE-Netz Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 25

26 Lösungen der Zukunft Kurzfristiges Engpassmanagement keine langfristige Lösung Schafft keine zusätzlichen Netzkapazitäten Restrukturierung langfristig erforderlich Restrukturierung der Erzeugung Restrukturierung der Übertragung Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 26

27 Gesamtverbrauch vs. Gesamterzeugung in Österreich Studie Erzeugungskapazitäten MW fehlend Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 27

28 Geplanter Neubau von thermischen Kraftwerken in Österreich Alle Kraftwerke mit KWK Standort KWK Klagenfurt (Klagenfurt) GuD 400 MW Mellach (Graz) GuD 2x400 MW Simmering 1 / 2 (Wien) GuD 800 MW Simmering 4 (Wien) GuD 400 MW Timelkam (OÖ) GuD 400 MW Summe MW Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 28

29 Modell des Übertragungsnetzes in AT Spitzenlast 2003/2030 in MW OÖ/Linz Wien/NÖ/B 2100/3150 MW Donau 3.900/5850 MW Enns 630/945 MW S Salzach 1750/2600 MW Mur V/T K Drau 850/1270 MW 1700/2550 MW Stmk Speicherkraftwerke Laufkraftwerke therm. Kraftwerke mit Ballungsraum Windparks Spitzenlast 2003: MW; 2030: MW Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 29

30 Mastbilder im Vergleich (thermische Leistungen) 110 kv 220 kv (1955) 380 kv (2000) 2x200MVA (560/50) 2x800MVA (2x560/50) 2x2.300MVA (3x635/117) 10 x 110 kv = 3 x 220 kv = 1 x 380 kv Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 30

31 Thermische Belastbarkeit bei Freileitungen Nennspannung SeilquerschnittAl /St Belastbarkeit thermischer Grenzstrom thermische Grenzleistung 110 kv 1 x 560/ A 200 MVA 220 kv 2 x 560/50 2 x A 800 MVA 380 kv 3 x 635/117 3 x A MVA Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 31

32 Mastbilder im Vergleich 3 x 220 kv (1955) = 1 x 380 kv (2010) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 32

33 380 kv und 750 kv im Vergleich MW MW Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 33

34 Vergleich 380-kV- und 750-kV-Leitungen 30 m 45 m S th = MVA S th = MVA Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 34

35 Thermische Belastbarkeit bei UHV je System Seilquerschnitt Al/St Leistung bei 500 kv 4er-Bündel Leistung bei 750 kv 6er-Bündel Leistung bei kv 8er-Bündel 240/40 (645 A) MVA MVA MVA 380/50 (840 A) MVA MVA MVA 435/55 (900 A) MVA MVA MVA 560/50 (1040 A) MVA MVA MVA 635/117 (1160 A) MVA MVA MVA Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 35

36 1.000 kv A.C. line (Japan) 480 mm 2 low-noise conductor Dämpfung für Kármánsche Wirbelstrasse Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 36

37 Zukünftige Entwicklung der Energieversorgung Effizienzsteigerung und Bedarfsminderung durch dezentrale und nachhaltige Technologien Ausgewiesene Trassen und Kraftwerksstandorte für die langfristige Systementwicklung (Masterplan) Integration der Groß-Windenergie Öffentlichkeitsarbeit für mehr Akzeptanz (Mehrbedarf erfordert mehr Infrastruktur) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 37

38 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr. Günther Brauner TU Wien Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft Gusshausstrasse 25/373 A-1040 Wien Tel.: g.brauner@tuwien.ac.at Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 38

39 Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 39