Energieflüsse und Netze am Beispiel elektrischer Energie Prof. Gabriela Hug,

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1 Energieflüsse und Netze am Beispiel elektrischer Energie Prof. Gabriela Hug, 1

2 Übersicht Motivation Herausforderung #1: Erzeugung = Verbrauch! Energieerzeugung Rolle des Netzes Neue Technologien Kraftwerkssteuerung Herausforderung #2: Sichere Übertragung Netzbetrieb Stromflüsse Forschungsfragen Zusammenfassung 2

3 Elektrische Energie Was ist schon dabei? 3

4 Elektrische Energie Was ist schon dabei? Source: Thomas Siemensen, Haiopeis Es ist ein bisschen komplizierter als das. 4

5 Die Anfänge 1870/80s isolierte Kraftwerke für die lokale Versorgung Thomas Alva Edison George Westinghouse Nikola Tesla Pearl Street station (New York) Internationale Elektrot. Ausstellung (Frankfurt) 5

6 Gleichstrom vs. Wechselstrom Entscheidende Merkmale Übertragung bei hoher Spannung erwünscht da geringere Verluste (, ) Schnelle Unterbrechung der Leitung in Fehlerfällen Gleichstrom Wechselstrom keine Gleichstromtransformatoren Stromunterbrechung schwierig t einfache Transformation Stromunterbrechung bei Nulldurchgang 6

7 HERAUSFORDERUNG #1: ERZEUGUNG = VERBRAUCH! Bildquelle: 7

8 Elektrische Energieerzeugung Schweiz Flusskraftwerke Flusskraftwerke mit Stausee Daten 2016: 26.9% 32.1% Gesamtproduktion: 61.6 TWh Kernkraft Thermische Kraftwerke Erneuerbare Energien Gesamtverbrauch: 58.2 TWh Verluste (Übertragung und Pumpen) 32.8% 5% 3.2% Import/Export 8

9 Elektrische Energieerzeugung Produktion Schweiz Wasserkraft als flexible Ressource Nuklearkraft als Bandenergie Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2016» 9

10 Elektrische Energieerzeugung Produktion/Konsum Schweiz Weniger Wasserkraft und hoher Verbrauch im Winter => Import Viel Wasserkraft und tiefer Verbrauch im Sommer => Export Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2016» 10

11 Elektrische Energieerzeugung Diverse Europäische Länder (2015) Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2016» 11

12 Elektrische Energieübertragung 12

13 Entwicklung des Elektrischen Netzes Regionale Systeme Nationale, Kontinentale Systeme Isolierte Kraftwerke Einzelne Systeme

14 Entwicklung Übertragungsnetz Schweiz 220kV/380kV System Source: 14

15 Entwicklung des Elektrischen Netzes Gründe für Verknüpfung Reduzierter Gesamtverbrauch => Reduktion in benötigter Produktionskapazität Verbrauch Deutschland Verbrauch Frankreich Quelle: Quelle: clients.rte-france.com Unterschiedlicher Erzeugungsmix => unterschiedliche Verfügbarkeit Unterstützung im Falle von Ausfällen 15

16 ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) Koordiniert das Energiesystem von 42 Betreibern in 35 Ländern In Zahlen: Gesamtproduktion: 3330 TWh (2015) Höchstlast: 528 GW (2015) Länge Leitungen: km 16

17 If Thomas Edison came back today, not only would he recognize our electricity system, he could probably fix it when problems arise. Robert Catell, Chairman New York State Smart Grid Consortium, 2010 Stimmt wohl nur beschränkt 17

18 Traditionelles Elektrisches Netz Steuerbare Erzeugung Stromfluss in einer Richtung Unflexible Lasten 18

19 Erneuerbare Energien Konzept Erzeuge Strom aus Energie in Wind und Sonne Angebunden im Verteil- und im Übertragungsnetz Probleme Variabilität und Periodizität Infrastruktur zur Übertragung Marktintegration und Kosten Chancen Erneuerbare, CO 2 freie Energie Power Output Time Bildquelle: Bildquelle: 19

20 Lastmanagement Konzept Time-of use pricing => Kunde bezahlt tatsächlichen zeitabhängigen Preis Geräte reagieren automatisch auf Preisänderungen C Probleme Preisgestaltung Datenschutz Infrastrukturkosten Strom ist zu billig Bildquelle: archiexpo.com Chancen Last passt sich an Erzeugung an Reduzierter Energiekonsum und reduzierte Spitzenlast 20

21 Plug-in Electric Vehicles (PEV) Konzept Autos benutzen elektrische Energie aus Batterien V2G => Service ans Stromnetz Probleme Kosten der Autos Erreichbare Distanz Zusätzliche Lasten Chancen V2G => Speicher Reduzierte CO 2 Emissionen Unabhängigkeit von Benzin Bildquelle: 21

22 Speicher Konzept Lade wenn zu viel, entlade wenn zu wenig Energie vorhanden Verschiedene Technologien: Flywheel, Compressed Air, Batterien, Probleme Kosten Netzintegration Chancen Bildquelle: Entkoppelung von Last und Erzeugung Reduktion in benötigter Backup Erzeugung Ausbalancieren von erneuerbaren Energien Bildquelle: Beacon Power 22

23 Zukünftiges Elektrisches Netz Merkmale Verteilte Erzeugung und Speicherung Flexible Lasten Stromflussrichtung variabel Variable/intermittierende erneuerbare Erzeugung Lastflusssteuerung Information- und Kommunikationstechnologie Mehr Variabilität und Unsicherheit, aber auch mehr Flexibilität IKT Tausende verteilte regelbare Grössen 23

24 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Erzeugung = Verbrauch zu jedem Zeitpunkt Fahrplan Basierend auf Lastvorhersagen Echtzeit-Betrieb Ausbalancieren von Abweichungen Frequenzhaltung 24

25 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Fahrplan Basierend auf Lastvorhersagen «Day ahead» Stündlicher Fahrplan für nächsten Tag «Hour ahead» 0:00 24:00 Quelle: Anpassungen für folgende Stunde auf z.b. 15 Minuten Auflösung 8:00 9:00 25

26 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Echtzeit-Betrieb Ausbalancieren von Abweichungen Frequenzhaltung Energieerhaltung Mechanische Energie Kinetische Energie Elektrische Energie Bildquelle: Elektrische Energie > Mechanische Energie => Elektrische Energie < Mechanische Energie => Frequenz als Regelsignal! Kinetische Energie und Frequenz sinkt Kinetische Energie und Frequenz steigt 26

27 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Frequenzregelung Primärregelung: lokale Frequenzmessung Frequenzstabilisierung Sekundärregelung: zentrales Signal an Kraftwerke Frequenz auf 50Hz und Ausgleich in Verursacherzone Bildquelle: Bildquelle: Swissgrid, «Overview of Ancillary Services» 27

28 HERAUSFORDERUNG #2: SICHERE ÜBERTRAGUNG Bildquelle: Bildquelle: John H. Addicks 28

29 Berücksichtigung des Netzes Herausforderungen Übertagungskapazität jeder Leitung und jedes Transformators ist limitiert Strom fliesst gemäss Kirchhoffschen Gesetzen 29

30 Absicherung gegen Fehlerfälle N-1 Sicherheit System wird so betrieben, dass keine Limite überschritten wird auch im Falle eines Fehlers 30

31 Stromflüsse Import/Export Sommer: Export Winter: Import Quelle: Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2016» 31

32 Stromflüsse Import/Export Schweiz als Transitland Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2016» 32

33 Stromflüsse Spannungsebenen 220kV 380kV 36kV 150kV 1kV 36kV 0.4kV 1kV 33

34 Stromflüsse Einspeisung Ort der Einspeisung spielt grosse Rolle! 34

35 Forschungsfragen am PSL Was passiert wenn es immer weniger Synchronmaschinen im Netz gibt? Wie soll das Netz dann betrieben werden? Wie kann man Daten von Smart Meters und anderen Messgeräten zur besseren Betriebsführung nutzen? Wie können die verschiedenen Netzebenen optimal miteinander koordiniert werden? 35

36 Zusammenfassung Elektrisches Netz ist grösstes vom Mensch geschaffenes System Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch (innert Sekunden) ist komplexe Aufgabe Berücksichtigung des Netzes und der Stromflüsse ist unabdingbar für eine zuverlässige Energieversorgung Neue Technologien bringen Herausforderungen, aber auch Chancen Informations- und Kommunikationstechnologien in Zukunft enorm wichtig 36

37 37

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