Smart Inverter für die dezentrale Erzeugung in Smart Grids. Dr. Bernhard Ernst, 20. Sep. 2016, Guangzhou

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1 Smart Inverter für die dezentrale Erzeugung in Smart Grids Dr. Bernhard Ernst, 20. Sep. 2016, Guangzhou

2 Inhalt Energiewende in Deutschland Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz Neue Netzsystemdienstleistungen Ausblick und Zusammenfassung Name Datum Seite 2

3 Mission des House of Energy Das House of Energy versteht sich als Denkfabrik, die von Unternehmen, Energieversorgern, Forschungseinrichtungen und der hessischen Landesregierung getragen wird. Es begleitet die Energiewende in Hessen wissenschaftlich und konzeptionell. Das House of Energy arbeitet dabei als Kompetenzzentrum, Kommunikations-, Koordinations- und Transferplattform. Hinsichtlich konkreter Projekte nimmt es die Rolle eine Initiators, Moderators, Organisators und Mentors ein. Sitz des House of Energy e.v. ist Kassel 3

4 Identifizierte F&E Themenkomplexe Das House of Energy unterstützt die effektive und effiziente Umsetzung der Energiewende. Es arbeitet an drei Schwerpunktthemen: Technische Optionen schaffen: neue Verfahren, Materialien und Komponenten für die optimierte Umsetzung der Energiewende Technische Optionen nutzen: neue Komponenten in die Energiesysteme integrieren Technische Optionen ermöglichen: Reflexion der technischen Optionen vor dem Hintergrund des ordnungspolitischen Rahmens und der Akzeptanz 4

5 Ziele der Energiewende in Deutschland (Beschluss ) Reduzierung Treibhausgas-Emissionen um 80 95% (gegenüber 1990) Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50% Abschaltung aller Kernkraftwerke (bis 2022) 35% Strom aus erneuerbaren Energien 50% Strom aus erneuerbaren Energien 80% Strom aus erneuerbaren Energien Anteil erneuerbare Energien am Endenergieverbrauch 60% Ausbau des Übertragungsnetzes (4540km DENAII) Quelle: Prof. Dr. B. Engel, TU-Braunschweig Name Datum Seite 5

6 Auszug aus BMU-Leitstudie Bruttostromversorgung 8% 6% 14% 38% 11% 11% 23% 80% 22% Quelle: Nitsch 2011 Name Datum Seite 6

7 Wind und Sonne ersetzen Grundlastkraftwerke ( mustrun-units ) Flexibilisierung des Kraftwerksparkes - mehr Spitzenlast-Kraftwerke keine Grundlastkraftwerke geringere Auslastung - Sicherung der Wirtschaftlichkeit über Schaffung von Kapazitätsmärkten Reduktion der must-run-units mehr Systemdienstleistungen durch dezentrale Erzeugungsanlagen Quelle: Name Datum Seite 7

8 Zu manchen Zeiten wird der größte Teil der Last durch dezentrale Erneuerbare Energien gedeckt Load 46,65 GW Wind + Solar 44,92 GW Renewable Share 96 % Quelle: Fraunhofer ISE Name Datum Seite 8

9 Inhalt Energiewende in Deutschland Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz Neue Netzsystemdienstleistungen Ausblick und Zusammenfassung Name Datum Seite 9

10 Integration der Erneuerbaren Energien in die Struktur der Netze > Typische Einspeisung EE-Erzeugungsanlagen: > NS-Ebene (Großteil PV) > MS-Ebene (PV, Biogas, Geothermie, kleine Windparks) > Paradigmenwechsel notwendig in elektrischer Energieversorgung: > Von Top-Down-Struktur zu fluktuierenden bidirektionalen Leistungsflüssen Quelle: Prof. Dr. B. Engel, TU-Braunschweig Name Datum Seite 10

11 Photovoltaik ist die dezentralste Erneuerbare Energie ca. 99 % Einspeisung ins Verteilnetz Quelle: Studie des Fraunhofer IWES für BSW 2012 Name Datum Seite 11

12 Inhalt Energiewende in Deutschland Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz Neue Netzsystemdienstleistungen Ausblick und Zusammenfassung Name Datum Seite 12

13 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr ein technisches Problem? Ziel: Einhaltung des Spannungskriteriums nach EN (U N ± 10 %) Beispiel: Zur Kompensation des Spannungsfalls entlang der Leitung: stationäre Verstellung des Übersetzungsverhältnisses am Transformator der Netzstation Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P U L1 1,1 p.u. = 253 V P Last 1 P Last 2 1,0 p.u. = 230 V 0,9 p.u. = 207 V Länge Max. Last (Mit Spannungsverstellung) Max. Last (Ohne Spannungsverstellung ) Quelle: Prof. Dr. B. Engel, TU-Braunschweig Name Datum Seite 13

14 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr ein technisches Problem? Beispiel: Installation PV-Anlage: In den lastarmen Vormittagsstunden kommt es zur Leistungsflussumkehr. Verletzung Spannungskriterium nach EN PV Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P U L1 1,1 p.u. = 253 V 1,0 p.u. = 230 V 0,9 p.u. = 207 V P Last 1 Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last Länge P Last 2 Max. Last (mit Spannungstellung) 3~ ~ PV P Quelle: Prof. Dr. B. Engel, TU-Braunschweig Name Datum Seite 14

15 Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung > Beispiel: Durch induktiven/untererregten Betrieb des PV-Wechselrichters (Aufnahme von Blindleistung) Reduzierung der Spannungsanhebung PV Netzstation MS-Netz 20 kv 0,4 kv Leitung HAS 1 HAS 2 Trafo P Q U L1 1,1 p.u. = 253 V P Last 1 Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last wie oben, aber mit Bezug von Blindleistung P Last 2 3~ ~ PV P Q 1,0 p.u. = 230 V Länge 0,9 p.u. = 207 V Max. Last (mit Spannungstellung) Quelle: Prof. Dr. B. Engel, TU-Braunschweig Name Datum Seite 15

16 Spannungshaltung durch intelligente Ortsnetzstation +10% ü = konstant +10% HS 110k V +4% 20kV ü = konstant 400V -10% Regelung Regelung Messung? -10% Messung? Umspannwerk Ortsnetzstation Kabelverteiler Hausanschluss Datenkommunikation Meter? Quelle: E.ON-Mitte Name Datum Seite 16

17 Inhalt Energiewende in Deutschland Integration der erneuerbaren Energien ins elektrische Verbundnetz Neue Netzsystemdienstleistungen Ausblick und Zusammenfassung Name Datum Seite 17

18 Roadmap Netzintegration Ebene Verteilnetz > Spannungshaltung Blindleistung am MS-Netz (BDEW-RL ab 2010) Blindleistung am NS-Netz (FNN-RL ab 2011/2012) Intelligente regelbare Ortsnetzstationen > Energiemanagement im Smart Grid Optimierung Eigenverbrauch, auch mit dezentralen Batteriespeichern Einspeisemanagement lokal im NS-Netz << 100 kwp (spannungsabhängig/smart Grid) Dezentrale Batteriespeicher mit lokales Peak-Shaving im Verteilnetz Schwarzstart-Fähigkeit Name Datum Seite 18

19 Bewertung der Maßnahmen im Hinblick Erleichterung Netzintegration im Niederspannungsnetz Maßnahme Welcher PV-Zubau ist möglich (1)? Bemerkung Spannungshaltung Blindleistung Spannungshaltung regelbare Ortsnetzstation Einspeisemanagement lokal/zentral % % % senkt Ertrag Eigenverbrauch < 5 30 % senkt die Wälzungssumme Peak Shaving mit Batterie Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes läßt sich auch ohne teuren Netzausbau erhöhen. > 100 % teuerste Variante (1) Gegenüber Standardszenario ohne Netzausbau, reine Wirkleistungseinspeisung Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes lässt sich auch ohne teuren Netzausbau erhöhen. Name Datum Seite 19

20 Roadmap Netzintegration Systemstabilität (verantwortlich ÜNB) > Einspeisemanagement Erzeugungsmanagement > 100 kw (EEG) > Frequenzhaltung Frequenzabhängige Leistungsreduktion (BDEW-RL ab 2009/FNN-RL ab 2011/2012) > Energiewirtschaftliche Maßnahmen Solar-Prognose Nachbildung rotierenden Synchrongeneratoren mit positiver Regelreserve (Momentanreserve, Primärregelung) Eigenverbrauch mit variablen, erzeugungsabhängigen Tarifen (Smart metering), Demand-side-management (z.b. Wärmepumpe) zentrales Peak-Shaving mit Batteriespeicher, virtuelle Kraftwerke DSM: elektrische Speicherheizung, Elektromobilität/Methanisierung von PV Name Datum Seite 20

21 Zusammenfassung Netzsystemdienstleistungen von Photovoltaikanlagen im Verteilnetz möglich Damit Reduktion der notwendigen konventionellen Kraftwerke must run units auf ein Minimum möglichst 0! Verringerung Netzausbaukosten durch neue intelligente Maßnahmen im Verteilnetz: Blindleistungseinspeisung durch Wechselrichter Intelligente Ortsnetzstation Forschungsbedarf insbesondere bei Netzintegration und Einbindung dezentraler und zentraler Speichersysteme Szenarien Netzkollaps und teurer Netzausbau sind vermeidbar trotz Ausbau der Erneuerbaren Energien Name Datum Seite 21

22 Questions? Dr. Bernhard Ernst

23 Name Datum Seite 23