DVGW Forschungsprojekt GuStaV : Bedarf und Vorteile einer kombinierten Gas- und Stromnetzautomatisierung auf Verteilnetzebene

Transkript

1 DVGW Forschungsprojekt GuStaV : Bedarf und Vorteile einer kombinierten Gas- und Stromnetzautomatisierung auf Verteilnetzebene Honeywell Gastag

2 AGENDA Motivation und Herausforderungen Intelligente Lösungen für Gasverteilnetze Projekt GuStaV Fazit und Ausblick Honeywell Gastag

3 MOTIVATION Honeywell Gastag

4 MOTIVATION Optimierungsbedarf für die Gas- und auch die Stromnetze ergibt sich u.a. aus dem EnWG: 1 (1) Zweck des Gesetzes ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht. und 11 (1) Betreiber von Energieversorgungsnetzen sind verpflichtet, ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges Energieversorgungsnetz diskriminierungsfrei zu betreiben, zu warten und bedarfsgerecht zu optimieren, zu verstärken und auszubauen, soweit es wirtschaftlich zumutbar ist. [ ] Veränderungen in der Versorgungsaufgabe müssen daher auch zu Veränderungen bei den Netzinfrastrukturen und deren Betrieb führen Honeywell Gastag

5 MOTIVATION Deckung des deutschen Stromverbrauches durch EE-Strom % % Struktur: Hoher Anteil an volatilen Quellen aus Wind und PV % % [Quelle: Fhg-IWES/DLR, 03/2012, Szenario 2011 A] Prognose der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Ressourcen, Diskrepanz zwischen gesicherter und installierter Leistung Bedarf an Speicherung Honeywell Gastag

6 HERAUSFORDERUNGEN Senkung Methanemissionen Veränderung der Gasbeschaffenheiten HERAUS- FORDERUNGEN FÜR DIE GASVERTEILNETZE Einspeisung von H 2 und CH 4 aus PtGA Rückgang Gasnachfrage Biogaseinspeisung 100% 16 Wobbe-Index Ws [kwh/m³] Gas [m³/h i.n.] 80% 15 60% 14 40% 20% 13 Schwankungsbreite Biogaseinspeisung Gasnachfrage Wobbe-Index Ws 0% Zeit 2030 [h] Erdgas H LNG 2035 Methan2040 Wasserstoff Industrie Biogaseinspeisung Verkehr Schwankungsbreite GHD Gasnachfrage Haushalte Strom Dazu kommen noch Anreizregulierung Unternehmensstrategien Wirtschaftliche Vorgaben Technische Vorgaben (u.a. DVGW) Honeywell Gastag

7 HERAUSFORDERUNGEN Die Veränderungen der Versorgungsaufgabe führen zu veränderten Anforderungen an die Gas- und Stromnetze sowie deren Betrieb Die Herausforderungen für die Gasnetze liegen vor allem in den Bereichen Integration von erneuerbaren Gasen (Biogas, H 2 und CH 4 aus Power-to-Gas-Anlagen) Bereitstellung von Kapazitäten Minimierung der Aufwendungen für Verdichtung und Konditionierung Gewährleistung einer einzelgerechten Gasabrechnung aber auch Sicherstellung der Versorgungssicherheit Prognose der Kapazitäten für u.a. PtG für die Stromseite Spartenübergreifende Netzführung Honeywell Gastag

8 HERAUSFORDERUNGEN All dies erfordert intelligente Lösungen für den Bau und Betrieb der Netze: optimierte Netzstrukturen bedarfsgerechte Ausstattung mit Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik angepasste Betriebskonzepte Aufgrund der Vielzahl von Herausforderungen und unterschiedlichen Netzkonfigurationen gibt es nicht DAS Smart Gas Grid, welches allen Anforderungen gerecht wird. Es werden smarte Elemente intelligente Teillösungen benötigt, die effizient den jeweiligen Herausforderungen begegnen und sowohl als dezentrales agentenbasiertes System als auch durch Einbindung in die Leitwarte konfiguriert und gesteuert werden können Honeywell Gastag

9 INTELLIGENTE LÖSUNGEN FÜR BAU UND BETRIEB DER GASVERTEILNETZE Honeywell Gastag

10 ZIELNETZPLANUNG Wichtiger Punkt für die langfristige Entwicklung der Gasnetze ist die Durchführung einer Zielnetzplanung Diese dient zur Anpassung des Netzes an die zukünftige Versorgungsaufgabe Entwicklung der Gasnachfrage Einspeisung erneuerbarer Gase Optimierung der bestehenden Netzinfrastruktur Technisch (z.b. Erhöhung Versorgungssicherheit) Wirtschaftlich (z.b. Senkung Betriebskosten, Optimierung für Anreizregulierung) Honeywell Gastag

11 ZIELNETZPLANUNG -ABLAUF Istnetz- Analyse Ermittlung des Zielnetzes Anlagenoptimierung Leitungsoptimierung Störfallsimulation Festlegung Zielnetzkriterien Hydraulische Grenzwerte Absatzprognose Versorgungssicherheit Prüfung und Anpassung des Zielnetzes Umsetzungspfad des Zielnetzes Berücksichtigung Erneuerungsbedarf Honeywell Gastag

12 ZIELNETZPLANUNG VORTEILE / POTENZIALE Honeywell Gastag

13 GUSTAV KOMBINIERTE GAS- UND STROMNETZAUTOMATISIERUNG AUF VERTEILNETZEBENE Laufzeit: Honeywell Gastag

14 HINTERGRUND UND ZIELE Identifizierung des Bedarfs einer Automatisierung der Gasnetzinfrastruktur Automatisierte Kopplung beider Netze über geeignete Kopplungselemente (z.b. Power-to-Gas, KWK) Für die Verteilnetzebene Strom existieren erste Smart-Grid Systeme Nutzung von Synergieeffekten (z.b. gemeinsame Fernwirktechnik und Kommunikationsinfrastruktur) Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Weiterentwicklung einer konvergenten Netzautomatisierung für Gas- und Stromnetze Honeywell Gastag

15 ARBEITSPAKETE 1. Anforderungsanalyse, Szenarien und Anwendungsfälle 2. Konzeption von Smart Grid Systemen für Gas- und Stromnetze 3. Simulation der entwickelten Konzepte 4. Ableitung von Empfehlungen AP1 Anforderungsanalyse, Szenarien und Anwendungsfälle Beschreibung Ist-Zustand Verteilnetze inkl. Netztechnik und Anwendungstechnologien Untersuchung der dynamischen Randbedingungen der Gasnutzer Beschreibung von Zusatznutzen des Regelungssystems wie z.b. Netzdienstleistungen und Leckageüberwachung Entwicklung von Szenarien zur Definition zukünftigen Anforderungen des Gasnetzes Erstellung eines Lastenheftes als Beschreibung der Anforderungen an die Regelungskonzepte und Automatisierungstechnik Honeywell Gastag

16 ARBEITSPAKETE 1. Anforderungsanalyse, Szenarien und Anwendungsfälle 2. Konzeption von Smart Grid Systemen für Gas- und Stromnetze 3. Simulation der entwickelten Konzepte 4. Ableitung von Empfehlungen AP2 Konzeption von Smart Grid Systemen für Gas- und Stromnetze Entwicklung eines Konzeptes für ein konvergentes Netzautomatisierungssystem für Gas- und Stromnetze Definition der erforderlichen Automatisierungstechnik, Messtechnik und Kommunikationsinfrastruktur Entwicklung von Verfahren zum Steuerung der Kopplungselemente zwischen den beiden Netzen Erneuerbare Energien insbes. Wind, PV Strom Power-to-Gas reversible Elektrolyse Methanisierung CO 2 Industrie CO 2 Konvergente Netzautomatisierung Gas Erdgas Biogase Biomasse Mobilität Power-to-Compression Beschreibung der einzelnen Elemente und deren Zusammenwirken Brennstoffzelle KWK Untersuchung der Anbindung an bestehende Leittechnik Power-to-Heat Expansionsturbinen Honeywell Gastag

17 ARBEITSPAKETE 1. Anforderungsanalyse, Szenarien und Anwendungsfälle 2. Konzeption von Smart Grid Systemen für Gas- und Stromnetze 3. Simulation der entwickelten Konzepte 4. Ableitung von Empfehlungen AP3 Simulation der entwickelten Konzepte Ziel: Simulation der in AP2 entwickelten Automatisierungskonzepte zur Abbildung des dynamischen Verhaltens der gekoppelten Strom- und Gasnetze inkl. der angeschlossenen Erzeuger, Verbraucher und Prosumer. Zweistufiges Vorgehen: 1. Hydraulische Simulation des Gasnetzes, inkl. Kopplungselemente, zur Ermittlung der Auswirkungen und Grenzen verschiedener Betriebskonzepte 2. Gekoppelte Modellierung von Stromnetz, Gasnetz und Kopplungselementen. Honeywell Gastag

18 AP3: AUFBAU UND MODELLIERUNG VON MODELLNETZEN Honeywell Gastag

19 AP3: EINSATZ DER DYNAMISCHEN DRUCKFAHRWEISE Die i. W. temperaturabhängigen Gasflüsse im Verteilnetz haben großen Einfluss auf 2 wichtige Aspekte: Kapazitäten zur Aufnahme von erneuerbaren Gasen Höhe der internen Bestellung / Kapazitätsbedarf Honeywell Gastag

20 AP3: VERBESSERTE INTEGRATION VON BIOGAS Biogaseinspeisung: Nutzung des Netzpuffers Ergebnisse: Die Kapazität zur Aufnahme von Biogas lässt sich durch Nutzung des Netzpuffers erhöhen Statisch: + 31 % Dynamisch: + 39 % (Beispiel: Städtisches Mitteldrucknetz) Honeywell Gastag

21 AP3: EINSATZ DER DYNAMISCHEN DRUCKFAHRWEISE VORTEILE / POTENZIALE Erhöhung Biogaseinspeisung Bezugsoptimierung von Erdgas Senkung Gasverluste Reduzierung Verdichtungsarbeit 1) um % Senkung Bezugsspitze um 2-5 % Senkung interne Bestellung (zeitlich verzögert) Erhöhung Vollbenutzungsstunden der GDRA Senkung Methanemissionen 2) Gasverteilnetz 1) Durch vermehrte Einspeisung in niedrigere Druckebenen 2) Durch Absenkung des Betriebsdruckes, wenn möglich Honeywell Gastag

22 AP3: MINIMIERUNG DER KONDITIONIERUNG Einspeisung erneuerbarer Gase erfordert Einhaltung der Vorgaben des DVGW- Regelwerks (u.a. G 260, G262, G 685) Zur Gewährleistung regelwerkskonformer Einspeisung und einzelgerechter Gasabrechnung i.d.r. Konditionierung erforderlich Hohe Kosten für LPG und entsprechende Anlagen Verschlechterung des CO 2 -Emissionsfaktors Alternativen zur Konditionierung sind verfügbar * Einspeisung als Zusatzgas (in begrenzter Menge) Biogas als Grundgas (ggf. Sektionierung des Netzes) Rechnergestützte Brennwertverfolgung * anwendbar für Biogas und Methan aus Power-to-Gas-Anlagen Honeywell Gastag

23 AP3: MINIMIERUNG DER KONDITIONIERUNG Verteilnetzebene Transportleitung Konditionierung Biogas als Zusatzgas (x) x keine Biogas als Grundgas x - keine Brennwertverfolgung x x reduziert - keine Mit den genannten Konzepten kann vollständig oder teilweise auf die Konditionierung mit Flüssiggas verzichtet werden Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile können sich positiv auf die Akzeptanz von Biogas und Gas im Allgemeinen auswirken Honeywell Gastag

24 AUSWIRKUNGEN WASSERSTOFFEINSPEISUNG Die Einspeisung von H2 führt zu starken Schwankungen der Gasbeschaffenheit v. A. bei diskontinuierlicher Einspeisung Eine Einspeisung von H2 oder CH4 aus PtGA in die Verteilnetze reduziert den Gasbezug aus dem vorgelagerten Transportnetz H2 15 Vol.-% H2 ca. - 5 % Erdgas CH4 1 zu 1 H 2 -Konzentration [%] Entwicklung der Wasserstoffkonzentration (Jahresverlauf, Beispiel) Einspeisung bis 15 Vol.-% Wasserstoff Überschreitung der Zumischgrenze Zumischgrenze: 15 Vol.-% Wasserstoff In dem Bereich nur Teilllastbetrieb der PtGA möglich, da sonst die Zumischgrenze von 15 Vol.-% H 2 überschritten wird. Möglicher Schwankungsbereich der Wasserstoffkonzentration 0 Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Honeywell Gastag

25 SMART GAS GRIDS [Quelle: Jens Hüttenrauch et.al.: Smart Gas Grids Grundsätze für die Entwicklung von intelligenten Gasnetzen; DVGW; 3/2016] Honeywell Gastag

26 AP3: BEDARF AN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK Honeywell Gastag

27 AKTUELLER STAND IN DEN GASVERTEILNETZEN Gastransportnetze sind in der Regel gut überwacht und können umfassend gesteuert werden In Gasverteilnetzen ist der Stand der Ausstattung mit Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik nicht einheitlich hängt stark von der Netzstruktur und den aktuellen Erfordernissen ab Die Bandbreite reicht von Anzeige der Zustandsinformationen, ergänzt um Alarmmeldungen bis hin zu Sollwertvorgaben für Drücke, Mengen, Schieberstellungen, Brennwerte und Steuerungsmöglichkeiten für PtGA und Biogaseinspeiseanlagen (BGEA) Anpassungen von Sollwerten etc. erfolgen in ND- und MD-Netzen meist manuell, in den HD-Netzen oft aus der Leitwarte Smarte Lösungen für den Netzbetrieb und die Kopplung der Netze erfordert daher in vielen Fällen eine Erweiterung der vorhandenen Mess- und Automatisierungsinfrastruktur in den Gasverteilnetzen Honeywell Gastag

28 ARBEITSPAKETE 1. Anforderungsanalyse, Szenarien und Anwendungsfälle 2. Konzeption von Smart Grid Systemen für Gas- und Stromnetze 3. Simulation der entwickelten Konzepte 4. Ableitung von Empfehlungen AP4 Ableitung von Empfehlungen Zusammenfassung der erarbeiteten Erkenntnisse und anschauliche Darstellung der Potenziale von Automatisierungselementen in den Verteilnetzen Erarbeitung von Kriterien bezüglich geeigneter Standorte von smarten Elementen in Abhängigkeit der vorliegenden Netzstruktur Ableitung von Handlungsempfehlungen und Erstellung einer Roadmap in Absprache mit dem DVGW hinsichtlich relevanten Forschungsfragen und möglichen Anpassungen des gastechnischen Regelwerks Honeywell Gastag

29 FAZIT UND AUSBLICK Honeywell Gastag

30 FAZIT Die Energiewende bringt auch für die Gasverteilnetze eine Reihe von Herausforderungen vom Rückgang der Gasnachfrage bis zur Integration erneuerbarer Gase Um den sich mittel- bis langfristig wandelnden Anforderungen Rechnung zu tragen sind Anpassungen und Optimierungen der Netzinfrastrukturen und des Netzbetriebs erforderlich Durch Verschlankung der Netze, Reduzierung der Kosten für Erneuerung und Betrieb sowie Verbesserungen bei der Integration erneuerbarer Gase können die Gasnetze vor dem Hintergrund der Energiewende besser aufgestellt werden Die Anpassung des Netzbetriebs und die effiziente Kopplung der Sektoren Strom Gas Wärme erfordert eine entsprechende Ausstattung der Netze mit Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie einer entsprechenden Kommunikationsinfrastruktur Hier bietet sich an von der Stromseite zu lernen dort ist der Ausstattungsgrad mit Automatisierungssystemen bereits deutlich höher Honeywell Gastag

31 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Ihr Ansprechpartner Jens Hüttenrauch Teamleiter Netzprojekte DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Karl-Heine-Straße 109/111 D Leipzig Tel.: (+49) Fax: (+49) Web: Honeywell Gastag