Stromnetze der Zukunft: Ist der Blackout programmiert oder bleiben die Netze stabil? Brugg, Prof. Gabriela Hug,

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1 Stromnetze der Zukunft: Ist der Blackout programmiert oder bleiben die Netze stabil? Brugg, Prof. Gabriela Hug, 1

2 Elektrische Energie Was ist schon dabei? Es ist ein bisschen komplizierter als das. Source: Thomas Siemensen, Haiopeis 2

3 Elektrische Energieerzeugung Schweiz Flusskraftwerke Flusskraftwerke mit Stausee Daten 2017: 25.9% 33.7% Gesamtproduktion: 61.5 TWh Kernkraft Thermische Kraftwerke Erneuerbare Energien Gesamtverbrauch: 58.5 TWh Verluste (Übertragung und Pumpen) 31.7% 4.7% 4% Import/Export 3

4 Elektrische Energieerzeugung Produktion Schweiz Wasserkraft als flexible Ressource Nuklearkraft als Bandenergie Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2017» 4

5 Elektrische Energieerzeugung Weniger Wasserkraft und hoher Verbrauch im Winter => Import Viel Wasserkraft und tiefer Verbrauch im Sommer => Export Quelle: Bundesamt für Energie, «Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2017» 5

6 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Fahrplan Basierend auf Lastvorhersagen «Day ahead» Stündlicher Fahrplan für nächsten Tag «Hour ahead» 0:00 24:00 Anpassungen für folgende Stunde auf z.b. 15 Minuten Auflösung Quelle: 8:00 9:00 6

7 Ausgleich Erzeugung und Verbrauch Echtzeit-Betrieb Ausbalancieren von Abweichungen Frequenzhaltung Energieerhaltung Mechanische Energie Kinetische Energie Elektrische Energie Bildquelle: Elektrische Energie > Mechanische Energie => Kinetische Energie und Frequenz sinkt Elektrische Energie < Mechanische Energie => Kinetische Energie und Frequenz steigt Frequenz als Regelsignal! 7

8 Traditionelles Elektrisches Netz Steuerbare Erzeugung Stromfluss in einer Richtung Unflexible Lasten 8

9 Elektrische Energieerzeugung Schweiz Flusskraftwerke Flusskraftwerke mit Stausee Daten 2017: 25.9% 33.7% Gesamtproduktion: 61.5 TWh Kernkraft Thermische Kraftwerke Erneuerbare Energien Gesamtverbrauch: 58.5 TWh Verluste (Übertragung und Pumpen) 31.7% 4.7% 4% Import/Export 9

10 Erneuerbare Energien Variable, intermittierende Erzeugung Verteilte Erzeugung Photo by Pujanak Photo by George Hodan Erzeugung Herausforderungen: - Variabilität - Unsicherheit Zeit 10

11 Lastmanagement C Flexibler Konsument Steuerung via Preis Photo by M. Movchin, F. Müller Photo by NIST 11

12 Speicher Entkopplung Last und Erzeugung Ausgleichsenergie Unterschiedliche Grössen in Energie- und Leistungskapazität Photo by Tesla Quelle: Quelle: 12

13 Zukünftiges Elektrisches Netz Merkmale Verteilte Erzeugung und Speicherung Flexible Lasten Stromflussrichtung variabel Variable/intermittierende erneuerbare Erzeugung Information- und Kommunikationstechnologie IKT 13

14 Koordination Millionen von Ressourcen, flexiblen Konsumenten und Speichern 14

15 Mehr als Balancehaltung Spannungshaltung Spannungregelung zur Vermeidung von Überspannungen Low Inertia Systems : Trägheit Bildquelle: Bildquelle: 15

16 Daten, Kommunikation, Rechenleistung 16

17 Wer trifft welche Entscheidungen? Koordination auf und über alle Ebenen Verteilnetz- Betreiber Verteilnetz- Betreiber Übertragungsnetz- Betreiber Verteilnetz- Betreiber 17

18 Wer trifft welche Entscheidungen? Regelungsansätze Lokal Verteilt Zentral Keine Kommunikation Limitierte Kommunikation Volle Überwachung & Kommunikation 18

19 Stochastische Optimierung Szenarien basierte Ansätze Bestimmung von möglichen Szenarien für variable Erzeugung Optimierung über diese Szenarien.. Probabilistische Ungleichungen Erfüllung der Ungleichung mit Wahrscheinlichkeit basierend auf gegebener Wahrscheinlichkeitsverteilung.. 19

20 Berücksichtigung des Netzes Herausforderungen Übertragungskapazität jeder Leitung und jedes Transformators ist limitiert Strom fliesst gemäss Kirchhoffschen Gesetzen 20

21 Stromflüsse Spannungsebenen 220kV 380kV 36kV 150kV 1kV 36kV 0.4kV 1kV Bildquelle: Monika Ruh 21

22 Stromflüsse Einspeisung Ort der Einspeisung spielt grosse Rolle! 22

23 Zusammenfassung Elektrisches Netz ist grösstes vom Mensch geschaffenes System Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch (innert Sekunden) ist komplexe Aufgabe Neuerungen betreffen zu einem grossen Teil die niedrigeren Spannungsebenen Konsument wird zu Prosument und wird Teil des koordinierten Ausgleichs Neue Technologien bringen Herausforderungen, aber auch Chancen Informations- und Kommunikationstechnologien in Zukunft enorm wichtig 23

24 Bleiben denn die Netze jetzt stabil? Dies hängt von vielen Punkten ab: Erreichte Energieeffizienz und Lastmanagement Aus-/Umbau der Netze Entwicklung von Speichermöglichkeiten Neuen Marktprodukten Steuerungsansätzen Aber: Die Entwicklung wird schrittweise in Angriff genommen Technologien werden weiterentwickelt => Lernprozess Neue Businessmodelle kommen auf Keine andere Wahl als to make it work 24

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