Integration von Speichern in elektrische Versorgungsnetze. DI Roland Wasmayr, ALPINE-ENERGIE Österreich GmbH

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1 Integration von Speichern in elektrische Versorgungsnetze DI Roland Wasmayr, ALPINE-ENERGIE Österreich GmbH

2 Einleitung, Stabile Versorgungsnetze > Anteil erneuerbarer Energiequellen steigt > Speicherung der fluktuierenden Energieform notwendig > Beschränkung auf elektrochemische Speicher > Kooperatives Forschungsprojekt VIsion Step I Smart Cities Villach Vision Step I > Dieses Projekt wird von den Klima- und Energiefonds gefördert. Folie 2

3 EVU//Netzbetreiber//Endkunde, Unterschiedliche Interessen > Lieferung von Energie an Kunden > zum Teil gleichzeitig Energieerzeuger > Energiehandel > An- und Verkauf von (elektrischer) Energie > Betreiber der Infrastruktur (Stromnetz) > Instandhaltung > Dimensionierung, Ausbau > Spannungs-/ Frequenzstabilisierung > Energieverbraucher (Consumer) > Betreiber von kleinen Energieerzeugungsanlagen (Prosumer) Energieversorger Netzbetreiber Endkunde (Consumer / Prosumer) > Gewinnbringender Energiehandel > Bestmöglichste Auslastung der Infrastruktur > geringe Kosten > Stabiles Netz (Spannung, Frequenz, Symmetrie) > Ausfallssicherheit > Versorgungssicherheit > Kostenoptimierte Versorgung (Minimierung von Lastspitzen) > Maximierung des Eigenverbrauches (Autarkie) Folie 3

4 ,, Einsatzmöglichkeiten netzparalleler speicher Vier mögliche Anwendungen 20 kv 0,4 kv Energieausgleich + + Netzqualität + Lastgang -> Consumer + Ertrags- und Lastgang -> Prosumer > Zentral, im Niederspannungsnetz, angeordnete Speicher als Energieausgleich > Speicher in speziellen Netzabschnitten zur Verbesserung der Netzqualität > Heimspeicher zum Ausgleich des Lastganges > Heimspeicher bei Kunden mit kleinen Energieerzeugungsanlagen zum Optimieren des Ertrags- und Lastganges. Folie 4

5 ,, Energieausgleich - Regelstrategie Selbstständige Regelung und Steuerung f Netz (t)? Netzzustand u Netz (t)? f Netz (t)> f 0 (t) f Netz (t)< f 0 (t) u Netz (t)> u 0 (t) u Netz (t)< u 0 (t) Wirkleistung aus dem Netz nehmen Wirkleistung ins Netz speisen Blindleistung aus dem Netz nehmen Blindleistung ins Netz speisen laden entladen laden entladen Netzzustand (Energiefluss, Spannung, Frequenz) > Grundsätzliche Aufgaben - Effektivwerte Wirk- und Blindleistung bereitstellen > Große Energiemengen Wirk- und Blindleistung aufnehmen Folie 5

6 Netzqualität, Selbstständige Regelung > Aufbau, Mess- und Regeltechnik ähnlich Aktiver Filter STATCOMs (Mittel- bzw. Hochspannungsnetz) > Grundsätzliche Aufgaben - Momentanwerte Spannung, Frequenz verbessern Phasensymmetrierung Speichercharakteristik > Geringe Energiemengen > Hohe Ströme Folie 6

7 Netzqualität - Beispiele, Entstörung und Filterung Spannungsform / Frequenz / Flicker / Klirrfaktor? u Netz (t)=u*sin(2πft)? i Netz (t)=i*sin(2πft)? Überspannung und Spannungsspitzen Unterspannung und Spannungseinbrüche laden entladen Mögliche Netzstörungen > Flicker > Oberwellen > HF-Probleme (Einstrahlung, Leitung) verursacht durch: > Passive Gleichrichter > Phasenanschnittsteuerung > Leistungselektronik > Lichtbögen in Schaltern/Schützen Folie 7

8 ,, Netzqualität - Beispiele Symmetrierung der einzelnen Phasen L 1 S1(t)//S2(t)//S3(t)? U 1 U 1 S1(t)=S2(t)=S3(t)? Symmetrischer Lastfall S1(t) S2(t) S3(t)? Unsymmetrischer Lastfall U 31 U 12 S(t) > S 0 S(t) < S 0 U 3 N N U 2 Last zum Teil aus versorgen Scheinleistung aus dem Netz nehmen Phasenausgleich über Speicher U 3 U 2 entladen laden L 3 U 23 L 2 Einphasige Wechselrichter Dreiphasige Wechselrichter > Phase mit hoher Last durch Einspeisung entlasten > Phase mit hoher Einspeiseleistung durch Laden entlasten > Könnten Lastausgleich über Zwischenkreis durchführen > Geringere Systemverluste > Weniger Zyklen auf der Folie 8

9 ,, Ertrags- und Lastgang Vier mögliche Topologien von Heimspeichern > Einteilung aufgrund von Marktrecherchen in vier handelsübliche Topologien AC-Kopplung AC-Kopplung mit eigenem Verbraucheranschluss DC-Kopplung DC-Kopplung mit eigenem Verbraucheranschluss > Unterscheidung hinsichtlich Regelaufwand Flexibilität Effizienz Aktuell verfügbare Systeme > Einphasige Systeme die Eigenverbrauch optimieren sind saldierend > Saldierende Systeme wirken sich negativ auf die Netzsymmetrie aus > Derzeit werden nur Wirkleistungen betrachtet Folie 9

10 Heimspeicher 4 verschiedene Energieflüsse, AC-Kopplung (1) PV-Energie wird direkt verbraucht (2) Mit überschüssiger PV-Energie wird geladen. EVU Verbraucher (3) Ist diese voll, erfolgt Netzeinspeisung (4) Differierende Energie wird aus zur Verfügung gestellt. (5) Fehlende Energie wird aus dem Netz bezogen. (6) Überschüssige Energie aus dem Netz kann aufgenommen werden. (7) Ggf. kann Energie ins Netz gespeist werden. Eigenschaften > Diese Topologie bietet die größtmögliche Flexibilität > Bestehende PV-Anlagen können eingebunden werden > Geringe Verluste, da kurze Wege Folie 10

11 ,, Heimspeicher 4 verschiedene Energieflüsse AC-Kopplung mit eigenem Verbraucheranschluss (1) Last wird aus versorgt (2) Ist leer, dann wird Last vom Netz versorgt. EVU Verbraucher spezielle Verbraucher (3) PV-Energiefluss kann nicht direkt beeinflusst werden. (4) Wenn leer ist, dann wird geladen. (5) Ggf. könnte Energie ins Netz gespeist werden, jedoch meist kein bidirektionaler Wechselrichter. 4 1 Eigenschaften > Bestehende PV-Anlagen können eingebunden werden > Steuerungsaufwand geringer als bei reiner AC-Kopplung > Nur spezielle Verbraucher können aus der versorgt werden ð Verkabelungsaufwand Folie 11

12 ,, Heimspeicher 4 verschiedene Energieflüsse DC-Kopplung 3 (1) PV-Energie ladet die EVU 4 2 (2) Bei voller wird Verbraucher versorgt (3) Reicht die leistung nicht aus, wird zusätzliche Leistung vom Netz bezogen. 5 1 Verbraucher (4) Überschussenergie wird eingespeist (5) Um ein Tiefentladen der zu verhindern, kann aus dem Netz geladen werden. Voraussetzung: Bidirektionaler Wechselrichter Eigenschaften > Bestehende PV-Anlagen können nicht eingebunden werden ð nur für Neuinstallationen relevant > Sehr einfache Steuerung des Energieflusses > Verbraucher kann nicht direkt mittels PV-Energie versorgt werden ð Hohe Verluste und große Zyklenzahl der Folie 12

13 ,, Heimspeicher 4 verschiedene Energieflüsse DC-Kopplung mit eigenem Verbraucheranschluss EVU Verbraucher 3 4 spezielle Verbraucher 2 1 (1) PV-Energie ladet die (2) Bei voller wird Verbraucher versorgt (3) Reicht die leistung nicht aus, wird zusätzliche Leistung vom Netz bezogen. (4) Um ein Tiefentladen der zu verhindern, kann aus dem Netz geladen werden. Eigenschaften > Bestehende PV-Anlagen können nicht eingebunden werden ð nur für Neuinstallationen relevant > Geringster Regelaufwand, Neuverkabelung einzelner Verbraucher notwendig ð wenig Möglichkeiten > Verbraucher kann nicht direkt mittels PV-Energie versorgt werden ð Hohe Verluste und große Zyklenzahl der Folie 13

14 Heimspeicher Regelstrategie, Warum Speicherstrategie? > Ohne Regler Jänner/Dezember 80% der Zeit leer Im gesamten Jahr ca. 60% der Zeit leer Und im gesamten Jahr ca. 26% der Zeit voll Musterhaushalt 4000 kwh > Li Speicher 2kWh / 5 kwp PV Anlage > Entladetiefe 80% / voll bei 95% / leer bei 20% > Während dieser Zeiträume könnte Speicher von EVU/Netzbetreiber genutzt werden Folie 14

15 Heimspeicher Beispiele, Energie kostengünstig ein- bzw. verkaufen Preis [ /kwh]? Fall 1 Preis [ /kwh] ê P Last? // P PV? Fall 2 Preis [ /kwh] é P Last? // P PV? P PV > P Last P PV < P Last P PV > P Last P PV < P Last laden Differenz aus Netz beziehen Differenz ins Netz speisen entladen Consumer Prosumer > Lastgang glätten (keine Leistungsspitzen) > Netzausbau verzögern/vermeiden > mit günstigem Strom laden > Je nach Strompreis PV-Energie einspeisen, verbrauchen oder speichern > Glätten von Erzeugungs- & Lastspitzen Folie 15

16 , Heimspeicher Beispiele Maximale Autarkie Fall 1 leer (SOC<SOCmin) Fall 2 arbeitet (SOCmin<SOC<SOCmax) Fall 3 voll (SOC=SOCmax) P Last? // P PV? P Last? // P PV? P Last? // P PV? P PV > P Last P PV < P Last P PV > P Last P PV < P Last P PV > P Last P PV < P Last laden Rest-Energie aus Netz laden entladen ins Netz speisen entladen S E zu [kwh] S E ab [kwh] Eigenschaften > Energie wird vor Ort verbraucht ð Entlastung der Netze > Dezentrale Heimspeicher speichert während des Tages PV-Energie und gibt diese zeitversetzt ab ð Verringerung der Einspeisespitzen > Im Fall der Begrenzung von Einspeisespitzen geht keine Energie verloren Folie 16

17 Zusammenfassung, Aufbereiten der Grundlagen > Speichern elektrischer Energie ist eine komplexe, kostenintensive Aufgabe > Einsatz-Szenarien und Regelstrategien gesondert betrachten Speicheroptimierung Minimierung der Verluste Technische Realisierbarkeit Kostenoptimierung > Vorgestellte Regelstrategien stellen Grundlage dar > Beschränkung auf das Niederspannungsnetz im ersten Schritt sinnvoll Folie 17

18 Ausblick, Nächste Schritte > Verfeinern der Regelstrategien sowie umsetzen in praktischen Versuchsaufbauten Energiehandel Phasensymmetrierung durch dreiphasige Wechselrichter > Miteinbeziehen von Förderthemen BRD Begrenzung der PV-Leistung auf 60% > Einbinden zusätzlicher Daten in die Speicherbewirtschaftung Wetterbericht Vorhersage der Last durch selbstlernende Algorithmen > Betrachtungen von elektrochemischen Speichern in Mittel- und Hochspannungsnetzen Folie 18

19 Danke, Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt DI Roland Wasmayr Forschung & Entwicklung ALPINE-ENERGIE Österreich GmbH Winetzhammerstraße 6, A-4030 Linz Phone: Mobile: Home: Folie 19

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