Einbindung fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung in elektrische Versorgungssysteme. Netzintegration, Netzmanagement und Stromspeicherung

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1 Elektro- und Systemtechnik für die Nutzung Erneuerbarer Energien und die Dezentrale Energieversorgung Einbindung fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung in elektrische Versorgungssysteme Netzintegration, Netzmanagement und Stromspeicherung Vom Konzept zur realen Umsetzung Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung Stuttgart, Michael Sterner Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.v. FVS-Workshop Systemanalyse im FVS Wissenschaft an der Schnittstelle von Markt und Politik

2 Forschung und Entwicklung zur Energie- Systemtechnik für die Erneuerbaren Energien Gründung Personal Schwerpunkte Kassel DeMoTec Hanau 1988 als An-Institut der Universität Kassel, seit 1995 zweiter Standort in Hanau rund 180 Wissenschaftler, Angestellte und Studenten Windenergie Photovoltaik Bioenergie Wasserkraft und Meeresenergie Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.v. Energiewandlung und Speicher Stromrichtertechnik Hybridsysteme Energiewirtschaft Vorstand Prof. Dr. Jürgen Schmid (Vors.) Prof. Dr. habil. Peter Zacharias Dr. Oliver Führer

3 Herausforderungen in der Energiewirtschaft Versorgungsunabhängigkeit Rohstoff / Technik Klimaschutz Reduktion der THG um 40% bis 2020 Wettbewerb, Liberalisierungsprozess

4 1979 Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

5 2007 Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

6 Eisschwund in der Arktis Ice Area (Sept. minimum), millions of km Messdaten IPCC-Modelle Bandbreite der Modelle Year Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

7 Herausforderung Klimaschutz Größter Hebel: Energiesektor Notwendige THG-Reduktionen Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2007

8 Bausteine eines effizienten, emissionsarmen Energiesystems Stromerzeugung - Ausbau der KWK - Ausbau der EE Wärmebereitstellung - Nutzung der KWK - Nutzung von Elektrowärmepumpen Verkehr - Umstieg auf Elektromobilität - Abwärmenutzung im Wärmesektor Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008

9 Kombination: Transformation des Energiesystems 4 Schritte zur verzichtsfreien Energieeffizienz 20% der THG-Emissionen Bei gleichem Endenergieverbrauch im Strom-, Wärme- und Verkehrsektor Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008 nach Energiestatistiken des BMWi, 2007

10 Entwicklung der Windenergie in Deutschland MW Prognose Quelle ISET, 2008

11 Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung in D Last Last - Wind Mai Leistung [MW] konv. Erzeugung = Last - Windenergie Stunden Quelle: Rohig, ISET, 2007

12 Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung in D Last Mai Last - Wind Leistung [MW] Zukünftig: konv. Erzeugung = Last Windenergie = 0!! Stunden Keine konventionellen Kraftwerke am Netz Systemdienstleistung durch Windkraftwerke

13 Herausforderung Windenergieintegration unbeeinflusst begrenzt 60 Leistung [MW] Zeit EE müssen Aufgaben der Netzbetriebsführung übernehmen: - Beseitigung von Netzengpässen - Regelleistung vorhalten und abrufen (Spannungs- und Frequenzhaltung) Entwicklung von Software und Systemlösungen zur Netzintegration der Windenergie

14 Windleistungsprognose Stand der Technik Messung Prognose D Leistung [MW] Tag - Meteorologische Parameter werden mit Hilfe von neuronalen Netzen in Windparkleistungen umgerechnet - Vorhersage der zu erwartenden Windstromeinspeisung möglich Quelle: ISET, 2005

15 Hochrechnung der Windstromeinspeisung WPMS Wind Power Management System 1) Prognose der Windstromeinspeisung für Referenzstandorte 2) Hochrechnung auf BRD mittels Algorithmus (Auflösung: 10x10 km) Quelle: ISET, 2005

16 Steuerung großer Windparks im Verbund: Das Cluster-Management-System WEA Wind Parks WP Cluster Geografisch verteilte Windparks werden als einzelnes Großkraftwerk aus Sicht der Netzbetriebsführung abgebildet und gesteuert Quelle: ISET, 2007

17 Ablauf des Cluster-Management-System Wetterdaten Prognose Folgetagsprognose Kurzzeitprognose WP Sollwerte WPCMS Sollwerte ÜNB Ist-Werte Windpark-Cluster- Management-System WP n Quelle: ISET, 2007

18 Aktive Unterstützung des Netzbetriebs durch das CMS Cluster B Cluster A Feldtest in Niedersachsen, Brandenburg, Spanien, Portugal Wind Farm 110-kV-bus 110 kv grid 380 kv-bus Quelle: ISET, 2008

19 Von der Simualtion in die Anwendung Einsatz der Integrations-Tools - Stand der Technik Prognosesystem WPMS E.ON Netz, Vattenfall Europe Transmission, RWE Transportnetz Strom, EnBW Transportnetze, Verbund Österreich, TERNA Italien, Ägypten, Zafarana, National Grid, England Jilin, China Wind Park Cluster Management WCMS Spanien, Portugal, Regionen in D

20 Das regenerative Kombikraftwerk Die Idee Ausgangspunkt Energiegipfel 2006: Leistungsfähigkeit und gute Regelbarkeit eines regenerativen Kombikraftwerks aus real bestehenden Anlagen unter Beweis stellen Ziel: Das Potenzial und die Fähigkeit der erneuerbaren Energien für eine rein regenerative (elektrische) Vollversorgung in Deutschland zu demonstrieren

21 Das regenerative Kombikraftwerk Der Aufbau Agents Load Wind Biogas PV Hydro Import/Export Energiemanagement Ergebnis Steuerung Webservice Webservice Erzeuger Steuerung Leitwarte Wind Solar Biogas Hydro 12,6 MW 5,5 MW 4,0 MW Import /Export 1,0 MW 1,0 MW

22 Das regenerative Kombikraftwerk Die Leitwarte - Deckung der Lastkurve Deutschlands 1/10000 zu jedem Zeitpunkt - Steuerung realer Anlagen

23 Von der Einzelanwendung zum regionalen Einsatz Regenerative Modellregion Harz Stadt Dardesheim

24 Regenerative Modellregion Harz Landkreis Harz

25 Regenerative Modellregion Harz Anzahl P N [MW] PV 118 (500) 2 (10) Wind 135 (185) 250 (350) BHKW 52 (100) 12 (25) Speicher 1 (2) 80 (180) Haushalte 100 (1000) 0,5 (5) Industrie 20 (40) 100 (200) Elektro KFZ 3 (100) 0,03 (1) aktuell (zukünftig)

26 Regenerative Modellregion Harz

27 Stromspeicher Kombination von Windstrom und Pumpspeicher Nachfrage Dardesheim EEG Stromversorgung durch Wind- und Wasserkraft Entwicklung von Geschäftsmodellen

28 Steuerbare Lasten in Haushalten - 1 4,00 3,50 3,00 Leistung [GW] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Stunde Waschmaschine Wäschetrockner Spülmaschine Lastprofil energieintensiver Geräte aller Haushalte in Deutschland Quelle: Stadler für Dena II, 2007

29 Steuerbare Lasten in Haushalten - 2 Regelung des Verbrauchs über Preissignale Information über Verbrauchsprozesse Anbindung an Preisprognose (Marktsystem) IKT RKWH ÜNB / VNB Elektrische Energie Gasnetzbetreiber 50 Haushalte werden an das virtuelle Kraftwerk via BEMI angeschlossen Kontrollkommunikation Markt- und Konfigurationskommunikation

30 Steuerbare Lasten & Speicher: Vehicle-to-Grid IKT RKWH ÜNB / VNB Kontrollkommunikation Markt- und Konfigurationskommunikation Verteilter Speicher für fluktuierende regenerative Einspeisung als Kombination von Mobilität und Systemdienstleistungen Kontrollkommunikation zur Ansteuerung der mobilen Speicher Zustandsmanagement zur Sicherung der Mobilitätsfunktion kw 1 MW Regelleistung

31 Steuerung und Regelung von Stromerzeugung und -verbrauchs im virtuellen Kraftwerk RKWH Kontrollkommunikation Markt- und Konfigurationskommunikation P Δ P P Voraussetzung: IKT

32 Einbindung der Akteure über eine Marktplattform Prognosen EEG-Einspeisung Lastprofil Wärmeprofil Strompreise Anbieter Anlagenbetreiber Marktplattform Nutzer Haushalte Marktplatz Broker Versorger ÜNB VNB Geschäftsmodelle Finanzielle Anreize: (dynamische) Tarife Bonus / Malus oder direkte Ansteuerung Benchmark: EEG KWKG Bisherige Tarife Industrie Gewerbe EEG-Anlagen Speicher Produkte Primärregelung Sekundärregelung Minutenreserve Weitere Systemdienstleist. Strombörse Spot / Intraday OTC Ökostrom anbieterspezifischer Informationsfluss Informationsfluss über Marktplatz / IKT-Technologie Abhängigkeit im Rahmen des Geschäftsmodells

33 Fazit Integration von EE-Strom: von der Idee zur Realität Versorgungssicherheit + Klimaschutz - Umbau des Energiesystems notwendig - Reduktion der THG auf 20% bei gleichem Endenergieverbrauch theoretisch möglich Integration von EE-Strom Schritt für Schritt umsetzen - Prognose (Wind, PV) - Kraftwerksersatz: Aufgaben der Systemdienstleistung übernehmen (Cluster-Management, Kombi-Kraftwerke) - Intelligente Einbindung von Speichern & Lasten durch IKT (Pumpspeicher, Vehicle-to-Grid, Lastverlagerung) - Von der Simulation zur Modellregion bis hin zur regenerativen Vollversorgung Social Engineering elementar Systemblick entscheidend übergreifend Strom, Wärme, Mobilität bewerten und integrieren Viele Herausforderungen: Yes, we can!

34 Kontakt Michael Sterner ISET e.v., Königstor 59, D Kassel Tel.: Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!