Netzintegration aktueller Stand der Smart Grids Diskussion aus dem PV Blickwinkel. Hubert Fechner FH Technikum Wien

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1 Netzintegration aktueller Stand der Smart Grids Diskussion aus dem PV Blickwinkel Hubert Fechner FH Technikum Wien

2 Inhalt Eine kurze Geschichte der Photovoltaik Netzintegration Photovoltaik (und Wind) verursachen Unruhe in der etablierten Energiewirtschaft Auswirkungen auf die Netze Derzeit diskutierte Lösungswege Verbleibende Herausforderungen

3 Eine kurze Geschichte der PV Netzanbindung Der 200 kw PV Breitentest in Österreich 86 PV Anlagen wurden von untersucht Ergebnis u.a.: Wechselrichter verunreinigen das Netz Nicht Sinusförmig > Oberwellen Schieflast bei einphasiger Einspeisung Sicherheitsrisiko (ENS) 1994 waren gesamt 452 kw in Österreich installiert. Heute ca mal so viel.

4 Damals Abschalten der PV bei Problemen im Netz, keine Beiträge zu Netzdienstleistungen.

5 Was geschah nach dem 200 kw PV Breitentest Bau eines Wechselrichterprüfstandes in Österreich (im Bundesforschungszentrum Arsenal, heute AIT) Erste Projekte, die die Herausforderungen bei PV in großer Dichte untersuchen (z.b. EE+PQ ) Heute großer internat. führender F&E Bereich Smart Grids Weiterentwicklungen in der Leistungselektronik dadurch fundamental neue Wechselrichterkonzepte

6 IEA INTERNATIONAL ENERGY AGENCY PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS PROGRAMME High-Penetration of PV Systems in Electricity Grids IEA PVPS Task 14 Leitung Österreich, AIT 14 official participating countries 2 Associations Utilities/DNOs Industry/Manufacturers/Consultancies Applied research Universities Agencies

7 Zentrale Herausforderungen bei PV in hoher Verbreitung Schieflast (nur bei PV in einphasiger Einspeisung) Inselbildung Harmonische Oberschwingungen >>>>>> technisch lösbar bzw. gelöst Stark volatiles Aufkommen von Wind und Sonne: bei Über Erzeugung: Spannungs bzw. Frequenzänderungen im Stromnetz Verwerfungen an den Energiemärkten: Bevorzugung gegenüber anderen Energieträgern lt. Ökostromgesetz bzw. Dt. EEG, Verdrängen anderer Kraftwerke bzw. Verringern derer Wirtschaftlichkeit >>>>> Derzeitige zentrale Herausforderungen

8 Neue Erzeugungskapazitäten in Europe 2012 Quelle: European Wind Energy Association

9 Photovoltaik Systempreise in Österreich Nettopreis 1 kwpeak: EUR 2698, pro kwpeak Nettopreis 5 kwpeak: EUR 2216, pro kwpeak Nettopreis 10 kwpeak: EUR 1910, pro kwpeak kwp 5 kwp kwp Systempreise nach Anlagengröße von 2009 bis 2012 (Quelle: Fechner, 2013) 2012

10 Ökostrom in hoher Dichte Deutschland - Strom: Maximale Last: Minimale Last: PV installiert: Wind installiert: 80 GW 40 GW 37 GW 33 GW

11 Ein Sonntag in Deutschland : 14 bis 15 Uhr: PV: 20,3 GW + Wind: 9,3 GW; Last: 48,5 GW Gesamt: 29,6 GW ~ 25 Atomkraftwerke > 61 Prozent der benötigten Kraftwerksleistung in Deutschland Quellen: oekonews.at;

12 und Österreich? Maximallast 2013: 10,4 GW (lt. APG) Wind installiert: 1,8 GW (Ende 2013 lt. IG Windkraft) Photovoltaik installiert: 0,6 GW (Ende 2013, eigene Schätzung) > Wind und Sonne: 2,4 GW (Ende 2013) Bei Durchschnittstages-Maximallast von 7-8 GW max. 20% Strom aus Sonne und Wind 2014 auch in Österreich

13 : RWE schaltet Kohle- und Gaskraftwerke wegen Solarstrom ab Insgesamt würden konventionelle Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von Megawatt vom Markt genommen,»konventionelle Stromerzeugung«habe»angesichts des ungebrochenen Solarbooms«im ersten Halbjahr 2013 fast zwei Drittel des operativen Ergebnisses eingebüßt. Langfristig konserviert werden zudem insgesamt sieben Gaskraftwerke mit Megawatt Leistung. Zwei weitere Gasanlagen mit 720 Megawatt Leistung sollen über die Sommermonate stillgelegt werden. Außerdem sollen im nächsten und übernächsten Jahr Verträge mit Steinkohlekraftwerken mit einer Gesamtkapazität von Megawatt beendet werden. Quelle:

14 Energiewende lässt Stromkonzerne leiden So meldete der Energieriese E.ON SE bei der gestrigen Vorstellung seines Halbjahresberichts, bedingt durch die»derzeitigen Marktbedingungen in der fossilen Erzeugung«, ein um rund eine Milliarde Euro auf 5,7 Milliarden Euro geschrumpftes operatives Ergebnis vor Zinsen, Steuern und Abschreibungen (EBITDA). [ ] Der Konzernüberschuss sank um 1,4 Milliarden Euro oder 42 Prozent auf 1,9 Mia. Quelle: :http://www.eon.com/de/presse/news/pressemitteilungen/2013/8/13/eon-erg ebnis-im-rahmen-der-erwartungen.html

15 Power (GW) Pumpstorage (pumpoperation) Pumpstorage (electricity generation) Gas Black coal Brown coal Nucear Hydro

16 PV im Netz von Oberösterreich Smart Grids Week 2013 Walter Tenschert

17 Verantwortung der Netzbetreiber Stabilität Robustheit Nachhaltigkeit PV-Anlagen im Netzgebiet Energie AG Quelle Hintergrundgrafik: Google Earth 17

18 Spannungsverlauf im Netz Quelle: Projekt DG DemoNetz-Konzept: Active operation of electricity distribution networks with a high share of distributed generation Validation of voltage control concepts, Projektnummer

19 10% Spannungsband (lt. EN 50160) Aufteilung der Verfügbarkeit Anhebung Erzeugung NS Anhebung Erzeugung MS Unschärfe Stufenregler Abfall im NS Netz Abfall am Orts-Netztrafo Abfall im MS Netz d.h. : Ca. 3% im NS Netz

20 Auswirkung von PV auf die Netzspannung Überproportionale Spannungsanhebung bei EIN-phasiger Einspeisung; In der Praxis heute alle PV Anlagen > 3kW dreiphasig Netztopologie (Kurzschlussleistung) wichtiger Parameter» U= f (S/Sk) Sn Nennscheinleistung der Anlage» Sk Kurzschlussleistung am Verknüpfungspunkt

21 Was kann ein Netzbetreiber nun tun? Netzverstärkung Regelbare Ortsnetztrafos Spannungsregelung im Umspannwerk, Spannungsregler Kappung der Einspeisespitzen Kontrollierter Blindstrombezug/-einspeisung Cos φ Fixwert Einstellung Cos φ(p) regeln gemäß VDE AR N 4105 Q(U) Regelung (typisch ab 9kVA) Q-Vorgabe Smart Grids Kommunikationstechnologie als Online-Hilfe

22 PV-Anschluss-Praxis derzeit Beurteilung von dezentralen Einspeisern (PV etc ) erfolgt nach dem worst case Prinzip Werden die 3% im worst case überschritten? Nein: Genehmigung Ja: Auflagen oder Nicht Genehmigung Besser: Berücksichtigung des Verbrauches (Rest-Risiko)

23 Spannungsabhängige Blindleistungsregelung Q(U)

24 In Spitzen-Erzeugungs-zeiten nicht Einspeisen ( der sonnige Sonntagnachmittag ) Wenn ein Wechselrichter pauschal auf 70% der Modul Nennleistung abgeregelt wird, dann verliert der Anlagenbetreiber nur 2% der eingespeisten Energie. Im Gegenzug kann man jedoch 42% mehr Solarmodulleistung in das gleiche Netz integrieren Phillip Strauss, Fraunhofer IWES, Kassel

25 Was gibt es zu tun? Technisch: Wechselrichter müssen kompatibel zu den Regelungen sein Kontrolle der eingestellten Werte Rechtlich: Wirkleistungsregelungen derzeit nicht vorgesehen Grenzen, ab denen weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen (Netzverstärkung oder smarte Lösungen ) Wer trägt die Kosten der Netzverstärkung? Exkurs: Netzkosten morgen weiter vorrangig nach bezogenen kwh?

26 Vorarlberger Netzbetreiber: Zusammengefasst stellt sich die Kombination Q(U)- fähiger Wechselrichter in den PV-Anlagen mit einer wirkstromkompoundierten Spannungsregelung in den 110kV-Umspannwerken als volkswirtschaftlich interessante Netzstrategie dar (bietet viel zusätzliche Netzdienstleistung um relativ wenig Geld und ermöglicht etwa 3 fache PV Leistung im Netz. Quelle: Reinhard Nenning, Vorarlberg-Netz

27 Projekt: MorePV2Grid (AIT, Energie AG) Spannungsregelung mit Blindleistungsbezug bis zu einem Leistungsfaktor von 0,90 (kann bis zu ca. 35% die Spannungsanhebung reduzieren) und im Notfall mit einer Wirkleistungsbegrenzung ergänzen. Diese zwei Maßnahmen sollten koordiniert werden. [13]: VDE-AR-N 4105: Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz, 2011

28 Smart Grids Markt Zentrale Erzeuger Verbraucher Stromnetz Kommunikations Infrastruktur Verteilte Erzeuger Speicher

29 Smart Grids für die Energiewende wofür die viele IKT? Prognosen von Wind und Solar Größere Flexibilität bei Verbrauch & Erzeugung gewünscht: Flexible Nachfrage - Demand Side Management Flexible Erzeugung Flexible Tarife Speicher (inkl. Power to Gas CH4, H2, )

30 Resümee Smart Grids im ersten Schritt auch ohne Zentrale Kommunikation Erzeuger möglich: - Vertrauen in intelligente Wechselrichter [Q(U) & P(U) ] Verteilte Erzeuger Markt - Berücksichtigung des Verbrauches Kommunikations Infrastruktur Stromnetz - Zentrale Spannungsregelung nutzen - Diskussion über Wirkleistungs-Spitzen führen Verbraucher Speicher

31 9. Internat. SMART GRIDS WEEK GRAZ 2014 Veranstalter: BMVIT Mai Fachbesucher aus > 10 Ländern CONGRESS GRAZ

32 Die große Chance der Vorreiterschaft bei Energietechnologien und insbesondere auch bei Smart Grids sollten wir nicht verschlafen!

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