Das elektrische Energiesystem der Zukunft: Zellular oder Zentral

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1 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektroenergieversorgung Das elektrische Energiesystem der Zukunft: Zellular oder Zentral IEEH Prof. P. Schegner; Dr.-Ing. J. Dickert 14. CIGRE/CIRED-Informationsveranstaltung Innovationen zur Integration der Erneuerbaren

2 Entwicklung der Energieversorgung Zentralisierung des Systems Zellular oder Zentral? 2016 dezentrale Licht- & Elektrizitätswerke überregionale Stromnetze Energiewende 100 % Erneuerbar Fotos: vlnr. 1 bis 3: SLUB Dresden/Deutsche Fotothek, Franz Stoedtner / 4 bis 8 Fotolia.com 4: Digitalpress 5: Franz Metelec 6: Yauhen Suslo 7: Andrew Orlemann 8: focus finder

3 Zukunft der Energieversorgung global Desertec Offshore Wind HGÜ Overlay-Netze Planung, Betrieb von Netzen, Erzeugung und Verbrauch regional Erweiterte Kaskade Smart Grid Flächenkraftwerk Zellulare Netze

4 Quellen: BMWI, BMU Thesen zur Energieversorgung 2050 Stromverbrauch 100% 80% 60% 600 TWh 450 TWh -25% 40% 20% 0% Politisches Ziel: Reduzierung des Stromverbrauchs um 25 % These 1: Es wird eine deutliche Erhöhung des Stromverbrauchs durch Elektromobilität, Wärmeversorgung und Klimatisierung geben!

5 Quellen: BMWI, BMU Thesen zur Energieversorgung 2050 Erneuerbare Energien an der Strombereitstellung 93 TWh 480 TWh? 80% Politisches Ziel: Anteil der Erneuerbaren an der Strombereitstellung soll 80% betragen. These 2: Zubau an Erneuerbaren im Stromsektor wird sich weiter erhöhen, da es wettbewerbsfähige Lösungen gibt

6 Gibt es andere Wege? Wie sieht eine moderne Energieversorgung aus, wenn man unter Beachtung der neuen Anforderungen, aber auch unter Verwendung richtungsweisender Technologien die Struktur völlig neu konzipieren könnte? Potenziale von Technologien zur Energiewandlung und -speicherung Lokale Versorgung Zellularer Ansatz mit Speichern Verknüpfung Überregionaler Ausgleich Transport und Speicherung Zukünftige Energiesysteme für eine regenerative Energieversorgung

7 Wandler und Speicher im Energiesystem Erneuerbare Energien Sonne Wind Wasser Kernenergie / chemisch gebundene Energie Kohle Uran Biomasse Erdgas Energiesystem elektrisch Gas Speicher Speicher Nutzenergie Verkehr Haushalt Industrie Wandler

8 Netze Zellularer Ansatz Energiezelle Sekundärtechnik 1 Wandler Energie zuführend (Erzeugung) Primärtechnik Primärtechnik Wandler Energie abführend (Last) Speicher Wandler Energie konditionierend 1 IKT, Steuerung, Schutz 1. Ausgleich von Erzeugung und Last auf der niedrigsten möglichen Ebene 2. Beteiligung an Systemdienstleistungen Kommunikationsfluss Energiefluss 3. Neue Organisationsstruktur der Energieversorgung

9 Energiezellen Energiezellen Voll-Ausstattung Autarke EZ Autarke EZ EZ mit elektr. Netzanschluss EZ mit Gasanschluss

10 Haushalt Energiezellen Typen von Energiezellen Einfamilienhäuser Reihenhäuser Mehrfamilienhäuser Blockbebauung Hochhäuser Energetische Simulation für ein Jahr Gewerbe-Handel- Dienstleistungen Gewerbeunternehmen Handel (z.b. Supermarkt) Industrie kleine Industriebetriebê Industriegebiet Industriepark Bilanzielle Betrachtungen P /W Hoher Elektroenergieverbrauch Niedriger Elektroenergieverbrauch 0 Mo 00:00 Di 00:00 Mi 00:00 Do 00:00 Fr 00:00 Sa 00:00 So 00:00 Mo 00:00 T age individuelle Anforderungen verschiedener Industrien keine allgemeingültigen Aussagen möglich umfangreiches Portfolio an einsetzbaren Technologien

11 Haushalt Zellularer Ansatz: Ergebnisse Autarkie möglich nur bei Einfamilienhäusern und Reihenhäusern elektr. Netzanschluss Erhöhung der Anforderungen durch E-mobilität, EE-Anlagen, Wärmepumpen Gasanschluss Rückspeisefähigkeit & flexible Gaszusammensetzung Gewerbe-Handel- Dienstleistungen Autarkie kaum möglich elektr. Netzanschluss Erhöhung der Anforderungen durch E-mobilität, EE-Anlagen, Wärmepumpen Gasanschluss Rückspeisefähigkeit & flexible Gaszusammensetzung Industrie Autarkie nicht möglich Netzanschluss benötigt immer eine externe Energiezufuhr Ergebnisse zeigen Erfordernisse für überregionalen Energieausgleich

12 Überregionaler Energieausgleich Methodik Verbindungskorridore Energieausgleich Übertragungskorridore Text Text Text Text Text Text Bedarf

13 Überregionaler Energieausgleich Annahmen Allgemeine Annahmen Betrachtungszeitraum: 1 Jahr es wird nur die Energie bilanziert Betrachtungsbereich: Deutschland aufgeteilt in 16 Regionen 700 TWh/a elektrische Energie aus erneuerbaren Energieträgern Keine Aussagen zu Energieformen oder Energieübertragungssystemen bzw. Leistungsanforderungen Ansatz A Weiterschreibung des EE-Zubaus an PV- Anlagen und Onshore WEA Skalierung von PV und Onshore WEA anhand der Verteilung der Anlagen in 2011 Massiver Zubau an Offshore WEA (225 TWh/a) Nordsee: 40 GW Ostsee: 10 GW Ansatz B Verbrauchernaher EE-Zubau an PV-Anlagen und Onshore WEA Zubau von PV-Anlagen und Onshore WEA anhand der potenziell nutzbaren Flächen Moderater Zubau an Offshore WEA (56 TWh/a) Nordsee: 10 GW Ostsee: 2,5 GW

14 Überregionaler Energieausgleich Ergebnisse Energieausgleich Ansatz A Ansatz B Bedarf Bedarf

15 Überregionaler Energieausgleich Ergebnisse Übertragungskorridore (in TWh/a) Ansatz A Ansatz B

16 Zellularer Ansatz Eigenschaften Keine eindeutige Begriffsdefinition, unterschiedliche Bezeichnungen o o Energie-Zelle Energie-Wabe Biologische Sicht auf das Energiesystem o o o Vegetative Komponente der Energiezellen steuert die lebenswichtigen Funktionen Autonome Sicherung der Systemfunktion Somatische Komponente ermöglicht die bewusste Lenkung von Reaktionen Gezielte Beeinflussung und Steuerung Zentral Komponente macht Vorgaben Übergeordnete Steuerstelle zwingend notwendig

17 Zellulare Energiesystems Merkmale Energetisch Betriebsweise Organisation Energieträgerübergreifend Anwendung neuer Energiewandlungstechnologien Leistungsbereich von kw bis einige hundert MW Begrenzte räumliche Ausdehnung Energetische Verknüpfung mit anderen Zelle Mehrere Zellen bilden übergeordnete Zellen Energiebilanzierung auf lokal niedrigstem Niveau Hohe lokale informationstechnische Verknüpfung und Automatisierung Erfüllt lokale und globale Restriktionen Selbstoptimierend Aggregierter Informationsaustausch mit andern Zellen Marktdesign und Rollenverteilung Befriedigung emotionaler Bedürfnisse Erfüllung spezifischer technischer Anforderungen Stärkere finanzielle Eigenbeteiligung Verknüpfung mit übergeordneten Marktplätzen

18 Schlussfolgerungen Zellular oder Zentral? Fazit 1: Die Nutzung der Erneuerbaren kann zukünftig nicht mehr ertragsoptimiert, sondern muss systemdienlich erfolgen! Fazit 2: Der zellulare Ansatz ermöglicht die systemdienliche Integration von dezentraler Erzeugung und Verbrauch! Fazit 3: Der zellulare Ansatz bedingt einen überregionalen Energietransport und Informationsaustausch! Zellular und zentral sind kein Widerspruch!

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. P. Schegner TU Dresden IEEH