Lösungsmöglichkeiten für die Gewährleistung eines stabilen Netzbetriebs bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien

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1 Lösungsmöglichkeiten für die Gewährleistung eines stabilen Netzbetriebs bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien Ergebnisse des Projekts Kombikraftwerk 2 Dr. Kurt Rohrig Fraunhofer IWES Berlin

2 Fraunhofer IWES Kassel Kernkompetenzen für die Energiesystemtechnik Energiewirtschaft und Systemdesign Systemintegration Energienetze Energiesystemtechnik Energieinformatik Energiespeicher- Systemtechnik Energiemeteorologie und Erneuebare Ressourcen 2,

3 Quelle: Flexible thermische Kraftwerke für die Energiewende, Dr. U. Tomschi, Siemens AG, ETG/GMA Fachtagung Netzregelung und Systemführung, 11./12.Juni 2013, München

4 Häufigkeitsdichte Entwicklung des Kraftwerkparks Deutschland Kernkraft (n = 6) Braunkohle (n = 22) Steinkohle (n = 40) Erdgas GuD (n = 34) Erdgas GT (n = 39) PSWTurb KWK (n = 77) BHKW Biogas Braunkohle (n = 3) Steinkohle (n = 4) Erdgas GuD (n = 21) Erdgas GT (n = 41) PSWTurb KWK (n = 43) BHKW Biogas Quelle: BMU-Leitstudie 2011 (2020/2050) Volllaststunden [h]

5 Gewährleistung der Systemstabilität bei weiterem Zuwachs der fluktuierenden EE

6 Simulation und Analyse der zukünftigen Stromerzeugung Entwicklung eines konsistenten, räumlich hochaufgelösten Szenarios Ansatz eines Energiemixes Detaillierte Modellierung des zukünftigen Kraftwerksparks Bestimmung des Speicherbedarfs Bestimmung von Erzeugungsspitzen, Überschüssen und Defiziten Wo und wann treten Extremsituationen bezüglich Frequenz und Spannung im zukünftigen System auf? Untersuchung des Systems hinsichtlich seiner Stabilität Wie hoch ist der Bedarf an Regelleistung und Blindleistung im System? Können alle notwendigen Systemdienstleistungen im System erbracht werden?

7 Simulationsmodell IWES.sim HPC-Cluster: 380 CPU Cores 2560 GB Memory

8 Ermittlung potenzieller Standorte mittels geographischer Analysen Modellierung der räumlichen Verteilung Hohe Technologievielfalt: 5 Windenergie-Anlagenklassen 5 PV-Anlagenarten 10 Bioenergieformen Geothermie Wasserkraft Methankraftwerke 4 Energiespeicherarten 7 Stromverbrauchsbereiche Im- und Exporte Berücksichtigung der Potenzialflächen, heutige Verteilung und Wetterbedingungen Einmalig hohe räumliche Auflösung (standortgenau oder 100m x 100m)

9 Ermittlung potenzieller Standorte mittels geographischer Analysen Zeitliches Verhalten des Stromversorgungssystems Windgeschwindigkeit [m/s] Übertragungsnetzmodell Heutiges Netz + Offshore Anschluss + dena1 + NEP Eigener Zubau Sonneneinstrahlung [W/m²] Wetterabhängige Erzeuger Hochaufgelöste historische Wettermodelldaten vom deutschen Wetterdienst (DWD) Physikalische Modelle. Bspw. Anlagencharakteristiken, gegenseitige Abschattungseffekte (Wind), Ausrichtungen, Neigungswinkel (PV) Verbrauch Historische Lastzeitreihen Standardlastprofile Lastmanagement-Strategien Ausgleichssystem (Bioenergie, Speicher, Methankraftwerke) Bestimmung der Leistung und Lokalisierung durch kostenoptimierende Einsatz- und Auslegungsrechnung

10

11 Blindleistungsbedarf im Transportnetz Last Transportnetz Saldo MVAr im Mittel + = Induktiv Kapazitiv Der Blindleistungsbedarf der Lasten kann immer dezentral kompensiert werden. Der Blindleistungsbedarf des Übertragungsnetzes kann innerhalb der 15 simulierten Regionen regional bereitgestellt werden.

12 Spannungsregelung durch Windpark-Cluster Induktiv 1: hohe Spannung 2: niedrige Spannung Rückspeisung Verbrauch 110-kV-DSO Kapazitiv Lösung durch Windparkmanagement 1. Dynamische Anpassung der Windpark Set Points unter Berücksichtigung aller Spannungs- und Betriebs-Limits 2. Realisieren des optimalen Blindleistungsflüsse (Null) zwischen den Netzebenen

13 Windpark-Cluster-Management

14 Beheben von multiplen (n-1)-engpässen mit vielen kleinen Kraftwerken 5 Engpässe auf 220- und 380-kV- Leitungen (rot) Redispatch mit Erzeugungsanlagen an 8 Knoten zum hochregeln und an 14 Knoten zum runterregeln Redispatchleistung: 1,47 GW Methankraftwerke, Elektrolyseure, Speicher HGÜ violett 220 kv grün 380 kv schwarz

15 Frequenzverlauf eines Jahres bei heutiger Regelleistungsbereitstellung Reduzierte Trägheit des Netzes durch fehlende Schwungmasse -> Steigungsänderung des Frequenzverlaufs

16 Bereitstellung von Momentanreserve durch WEA Quelle: Enercon

17 Vorschlag zur Frequenzverbesserung durch geänderte Primärregelleistung 50 f in Hz 49 Vorschlag zum Ausgleich der reduzierten Schwungmasse der EE t in s P Pges in MW 500 Windenergie Methan, Methan-, PSW Biomasse-, PV, Elektrolyseure, Bat, Elec Pumpspeicherkraftwerke Batterien t in s

18 Stabilisierung des Frequenzverlaufs bei Störung Hauptanteil der PRL: PV, Elektrolyseure, Batterien Hauptanteil der PRL: Wind Hauptanteil der PRL: Methan, PSW

19 Regelleistungsdemonstration Erstmalige Demonstration der Regelleistungsbereitstellung durch einen Verbund von Wind-, Solarund Bioenergieanlagen Sekundengenaue, aktive & intelligente Leistungssteuerung eines großen Anlagenverbundes Neuartiges Regelungskonzept: probabilistische Leistungsprognosen auf Grundlage von aktuellen Wetterprognosen Bestimmung der möglichen Einspeisung für Solar- & Windenergieanlagen zur Durchführung und dem Nachweis der Regelleistungserbringung 12x Photovoltaikanlagen 4x Biogasanlagen 37x Windkraftanlagen Leitwarte

20 Frequenzregelung - Regelleistungsbereitstelung

21 Roadmap SDL Netzbetrieb Stabilitätsuntersuchungen Interaktion Strom-Wärme-Verkehr Must-Run-Units Speichereinsatz Netzengpässe Blindleistung Frequenz Anteil EE 25% 50% 80%

22 Zusammenfassung 1. Eine sichere und stabile Stromversorgung Deutschlands aus 100% erneuerbaren Quellen ist in Zukunft technisch möglich, wenn erneuerbare Erzeugung, Speicher und Backupkraftwerke mit erneuerbarem Gas intelligent zusammenwirken 2. Systemauslegung: massiver Einsatz neuartiger Speichertechnologien (z.b. Elektrolyseur, Methanisierung, Batterien). Methan-, Biomasse- und Wasserkraftwerke mit Gesamtleistung in der Größenordnung der Maximallast DC-Leitungen des NEP wirken sich positiv auf Netzengpässe und Spannungshaltung aus.

23 Zusammenfassung 3. Frequenzstabilität: Regelleistungsbedarf steigt nicht an und kann im 100%-EE-System immer gedeckt werden. Der Rückgang von rotierender Masse kann durch die schnellere Bereitstellung von PRL durch EE-Anlagen und Speicher kompensiert werden. 4. Spannungshaltung: Blindleistungsbedarf ist immer realistisch deckbar, ggf. mit zusätzlichen Kompensationsanlagen in Verbrauchszentren. Dezentrale Erzeugungsanlagen können zur Kompensation des induktiven Blindleistungsbedarfs der Lasten genutzt werden. 5. Engpassmanagement: Die flexiblen Erzeuger und Speicher derart positionieren und einsetzen, dass die Netzbelastungen minimal bleiben. Multiple (n-1)-engpässe können durch optimierten Redispatch mit verteilten, kleinen Anlagen behoben werden.

24 Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel und Bremerhaven advancing wind energy and energy system technology Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Gründung: Mitarbeiter: ca. 500 Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Clemens Hoffmann Dr. Kurt Rohrig Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Stellvertretender Institutsleiter +49(0) kurt.rohrig_at_iwes.fraunhofer.de 24,

25 Wie weiter? Umweltverträglichkeit Kombikraftwerk I Energiepolitisches Zieldreieck Versorgungssicherheit Kombikraftwerk II Wirtschaftlichkeit Kombikraftwerk III

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