Smart Grids. Zusammenwirken von Elektrofahrzeugen und regenerativen Energien in der Energiewende. Dr.-Ing. Michael Agsten

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1 Smart Grids Zusammenwirken von Elektrofahrzeugen und regenerativen Energien in der Energiewende Dr.-Ing. Michael Agsten GL 3. Teilpaket 4 Smart Grids Fraunhofer Institutsteil Angewandte Systemtechnik des IOSB Technische Universität Ilmenau Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

2 Herausforderungen Aus bau der Erneuerbaren Energien EE-Ausbau (BMU-Leitstudie 21) (1) 21: P W ~ 27,7 GW; P PV ~ 18,3 GW 23: P W ~ 62,8 GW; P PV ~ 63, GW 25: P W ~ 79,3 GW; P PV ~ 65, GW Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung (1) 21: 1 zu 2,2 23: 1 zu,7 25: 1 zu,5 Netzstabilität erfordert zeitgleiche Deckung des Verbrauchs durch Erzeugung: Regel-/ Reserveleistung zusätzlich notwendig! ca. 1,5 TWh sind erforderlich (2) Netzausbau erforderlich (DENA-Netzstudie II) HöS-Netz: 3.5 km (2) MS-Netz: km (3) NS-Netz: km (3) Quelle: 212 Dr. P. Bretschneider Fraunhofer IOSB-AST Quelle: BMU Leitstudie 21 1 BMU Leitstudie 21 2 DENA Netzstudie II (211) 3 BDEW Gutachten Abschätzung des Ausbaubedarfs in deutschen Verteilungsnetzen aufgrund von Photovoltaik- und Windeinspeisungen bis 22 (211) Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

3 Herausforderungen Anwendungsfälle EE Verhalten im Systembetrieb Verläufe im Übertragungsnetz der 5Hertz ( ) 1 Prognos e- abw eichungen Kurzfristige Anpassungen Regelenergie Ausgleich durch Kurzfristspeicher Leistung [MW] Prognose Wind Einspeisung Wind eingetretene Regelzonenlast 1 2. Häufigere Prognoseabweichung -2. Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

4 Herausforderungen Anwendungsfälle EE Verhalten im Systembetrieb Verläufe im Übertragungsnetz der 5Hertz ( ) 1 Prognos e- abw eichungen Kurzfristige Anpassungen Regelenergie Ausgleich durch Kurzfristspeicher 2 Flaute Leistung [MW] Prognose Wind Einspeisung Wind eingetretene Regelzonenlast 1 2 Bislang gedeckt durch konventionelle Kraftwerke Was passiert bei fehlender Kraftwerkkapazität Saisonale Speicher Häufigere Prognoseabweichung Flaute Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

5 Herausforderungen Anwendungsfälle EE Verhalten im Systembetrieb Verläufe im Übertragungsnetz der 5Hertz ( ) 1 Prognose Wind Einspeisung Wind eingetretene Regelzonenlast 3 Prognos e- abw eichungen Kurzfristige Anpassungen Regelenergie Ausgleich durch Kurzfristspeicher 2 Flaute Leistung [MW] S teiler Gradient 25: größter 1/4h Sprung pos. 13,8 GW/neg. 12,9 GW Gefährdung Frequenzstabilität ENTSO-E Ref. Wert 3 GW Bislang gedeckt durch konventionelle Kraftwerke Was passiert bei fehlender Kraftwerkkapazität Saisonale Speicher Häufigere Prognoseabweichung Flaute Steiler Gradient Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

6 Herausforderungen Anwendungsfälle EE Verhalten im Systembetrieb Verläufe im Übertragungsnetz der 5Hertz ( ) 1 Prognose Wind Einspeisung Wind eingetretene Regelzonenlast 3 Prognos e- abw eichungen Kurzfristige Anpassungen Regelenergie Ausgleich durch Kurzfristspeicher 2 Flaute Leistung [MW] Erzeugung > Last S teiler Gradient 25: größter 1/4h Sprung pos. 13,8 GW/neg. 12,9 GW Gefährdung Frequenzstabilität ENTSO-E Ref. Wert 3 GW 4 Erzeugung > Last Bislang gedeckt durch konventionelle Kraftwerke Was passiert bei fehlender Kraftwerkkapazität Saisonale Speicher Häufigere Prognoseabweichung Flaute Steiler Gradient Heute Drosselung von Kraftwerken bzw. EE Einspeisung Speicherung? Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

7 Prinzipielles Systemverhalten Leis tungs frequenzregelung Frequenzv erlauf f soll =5Hz positive Regelleistung negative Regelleistung PRL SRL MR PRL SRL MR Bsp. Ursache G Maßnahm en Aus s peichern Eins peichern G G -ΔP +ΔP Eins atz Regelkraftw erke Eins atz Regelkraftw erke Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

8 Zeit Netz Erzeugung Planung Märkte Herausforderungen Zusammenspiel v. Erzeugung, Märkte, Produkte u. Netze Regelenergiemarkt Intradaymarkt Spotmarkt Terminmarkt OTC-Markt Regelenergievermarktung KW-Einsatzplanung - Kurzfrist - KW-Einsatz-/Revisionsplanung - Mittel- / Langfrist - Primärregelleistung Sekundärregelleis tung Kraftwerksreserve Tagesfahrplan Wochen fahrplan Minutenreserve Intradayfahrplan Monatsfahrplan Jahresfahrplan Mittelzeitdynamik (Quasi)stationär Fahrpläne 5 s 3 s 5 min 15 min 1 h 1 T 2 T 1 W 1 M 1 Q 1 J Folie: Dr.-Ing Peter Bretschneider Fraunhofer IOSB-AST

9 GWh GW Kennzahlen Elektrofahrzeuge Elektrofahrzeuge s ind eher Leis tungs s peicher als Energies peicher Flottenspeichergröße Ladebedarf je Tag PSP ,7 2 9,4 Leistung [1ph 4,6 kw] Leistung [1ph 11 kw] PSP [GW] , Mill. EV 5 Mill. EV 2 Mill. EV 4 Mill. EV PSP [DE] Kenndaten/Quellen Speichergröße je Elektrofahrzeug 2 kwh nominell nutzbar, Wirkungsgrad beim Laden vernachlässigt, nach MID km/tag Fahrstrecke und,2 kwh/km Verbrauch 1 1 Mill. EV 5 Mill. EV 2 Mill. EV4 Mill. EV PSP [DE] Kenndaten/Quellen Ladeleistung 1ph nach VDE A / 3ph 16 A Quelle PSP: pumpspeicherkraftwerke-in-deutschland.html Quelle: TU München, IfE Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

10 Energiewirtschaftliche Analyse Beurteilung der Regelleis tungs klas s en für Elektrofahrzeugflotten Ergebnisse PRL technisch höchst anspruchsvoll für Fahrzeugflotten negative SRL positive SRL technis ch anspruchsvoll für Fahrzeugflotten negative MRL kein Geschäftsmodell positive MRL durchschnittliche Leistungspreise [ /MW] Folie: 1 213; Björn Illing; Fraunhofer IOSB-AST

11 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials Ein Beispiel erbrachter negativer Sekundärregelleistung erbrachte negative SRL (SRL) Zeit [Mo bis So] 3. Woche im Mai 213 Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

12 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials ca gleichzeitig angesteckte Elektrofahrzeuge decken den Bedarf an neg. SRL ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Zeit [Mo bis So] Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

13 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials ca gleichzeitig angesteckte Elektrofahrzeuge decken den Bedarf an neg. SRL ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Zeit [Mo bis So] Ungesteuerte Last!= SRL Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

14 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials ca gleichzeitig angesteckte Elektrofahrzeuge decken den Bedarf an neg. SRL ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Zeit [Mo bis So] Ungesteuerte Last!= SRL Ungesteuerte Last ~= SRL Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

15 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials ca gleichzeitig angesteckte Elektrofahrzeuge decken den Bedarf an neg. SRL ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Ungesteuerte Last!= SRL Ungesteuerte Last ~= SRL Zeit [Mo bis So] Ungesteuerte Last >> SRL Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

16 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials ca gleichzeitig angesteckte Elektrofahrzeuge decken den Bedarf an neg. SRL ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Zeit [Mo bis So] Ungesteuerte Last!= SRL Ungesteuerte Last ~= SRL Ungesteuerte Last >> SRL Ungesteuerte Last < SRL Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

17 8: 12: 16: 8: 12: 16: PEV SRL GL3. negative SRL / Ladeleistung [MW] Regelenergie / Ladeenergie [GWh] Energiewirtschaftliche Analyse Abs chätzung des Regelleis tungs potentials Ziel: Gleichlauf zwischen Elektrofahrzeuglast und neg. Sekundärregelleistungsbedarf ungesteuerter Verlauf Ladeleistung der EVs (PEV) erbrachte negative SRL (SRL) Zielladeleistungsverlauf GL3. (GL3.) Zeit [Mo bis So] Folie: ; Björn Illing; Fraunhofer IOSB-AST

18 Mittlere Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen Nutzerverhalten Heraus forderung: Verfügbarkeit v on Elektrofahrzeugen für Ges teuertes Laden 3,% 25,% 2,% 15,% 1,% 5,% Stunde des Tages,% Quelle: Mini-E 1. powered by Vattenfall Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

19 Gesamtsystem Forschungsziel: Wechselwirkung durch Elektrofahrzeuge erbrachte Regelleis tung m it Verteilernetzen Stufenstellung Leistungs-Frequenz-Regelung HS HöS Messung Frequenz Verbundnetz Reserven ablösen MS aktivieren & übernehmen RONT Nachbereich RONT Fernbereich cosφ(p) Regelung QU Regelung Regelleistung Netzfreundlich Primärregelung Sekundärregelung Minutenreserve Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST

20 Ansprechpartner Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Michael Agsten Gruppe Energiesysteme, Abteilung Energie Fraunhofer Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Am Vogelherd Ilmenau +49 () michael.agsten@iosb-ast.fraunhofer.de Folie: Dr.-Ing. Michael Agsten, Fraunhofer IOSB-AST