Intelligente Systemlösungen für Verteilnetze

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1 Intelligente Systemlösungen für Verteilnetze

2 Die Zukunft der Stromnetze Smart Grids Herkömmlicher Netzbetrieb (von oben nach unten): Lastabhängige, zentralisierte Stromversorgung in eine Richtung Zukünftiger Netzbetrieb (Online-gesteuert): Schwankende, dezentralisierte Stromversorgung in verschiedene Richtungen 380 kv 220 kv 110 kv 30 kv 20 kv 10 kv 600 V 400 V 240 V Dezentrale Energieversorgung auf dem Vormarsch Parallel zum Prozess der Liberalisierung erfolgte in den letzten Jahren eine verstärkte Zunahme der dezentralen Energieversorgung. Diese umfasst sowohl den autonomen als auch den netzparallelen Betrieb von kleinen Versorgungseinheiten. Die Erzeugungsein heiten kön nen direkt am Ort des Verbrauchs betrieben werden und dienen damit entweder der unmittelbaren Bedarfs deckung oder die dort produzier ten Strommengen werden dem Versorgungssystem zur Verfügung gestellt. Be schleunigt wurde diese Entwick lung durch das Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG), das 2000 in Kraft trat. Es sieht eine Anschluss-, Abnahme- und Vergütungspflicht der Netzbetreiber für Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien vor. Da diese in der Regel dezentrale Einheiten sind, erfolgte die teils subventionierte Zunahme in diesem Bereich. Diese Situation ist Grund für das Entstehen neuer Anforderungen an das abnehmende Stromnetz, da sich die Richtung der Lastflüsse umkehren kann und dies stark schwankend. Wird elektrische Energie traditionell von oben nach unten verteilt, so speisen nun immer mehr Erzeuger ab der Mittelspannungsebene ins Netz ein. Einspeiser Konventionelle Kraftwerke Was ist ein Smart Grid? Ein Smart Grid ist ein elektrisches Netz, das die Aktionen aller angeschlossenen Nutzer Erzeuger, Verbraucher, Speicher intelligent koordiniert, um Effizienz in einer nachhaltigen ökologischen, wirtschaftlichen und zuverlässigen Stromversorgung zu gewährleisten. Private Stromerzeuger Regenerative Stromerzeuger 2

3 Entwicklung und Trends als Treiber von Smart Grids Wandel der Energiemärkte Wandel der Infrastruktur Wachstumsprognose Windenergie Die Energiemärkte sind einem grundlegenden Wandel unterworfen. Am Ende des 21. Jahrhunderts werden wir regenerative Energiesysteme haben, in denen die Last der Erzeugung folgt, in denen erneuerbare Energieträger die Mehrheit bilden und Energieeffizienzmaßnahmen beginnen, wirksam zu werden. 120 GW 100 GW Lateinamerika Pazifik Mittlerer Osten / Afrika 80 GW Drei Tendenzen zeigen sich schon heute deutlich: 60 GW Die Liberalisierung der Energiemärkte bewirkt das Unbundling vormals vertikal integrierter Erzeugungsstrukturen. Die starke Zunahme der dezentralen Energieerzeugung vor allem erneuerbarer Energie Die Notwendigkeit des rationellen Energieeinsatzes zur Minderung von Treibhausgasen 40 GW Neben dem weltweit steigenden Energiebedarf führt dies zunehmend zu deutlich gestiegenen Anforderungen an das Netz und seine Betriebsmittel zukünftig auch in den Verteilnetzen. Asien Nordamerika Europa 20 GW 0 GW Quelle: DCTI-Studie Solarenergie Wachstumsprognose Photovoltaik kumulierte Kapazität Neu installierte Kapazität MWp MWp Neu installiert kumuliert MWp MWp MWp MWp MWp MWp MWp MWp MWp MWp MWp Verbraucher + Speicher MWp 0 MWp Quelle: DCTI-Studie Solarenergie Smart Grids verknüpfen und steuern Daten- und Stromfluss Industrie Private Haushalte Stromflussregelung in den Netzleitzentren Elektromobile und Stromspeicher 3

4 Steigender Energiebedarf Wandel in der Netzstruktur Intelligente Regelung in Verteilnetzen Zum Ausgleich von Produktion und Verbrauch, zum Erhalt der Versorgungssicherheit und dem Einhalten von Spannungsbändern (anderenfalls käme es zur Zerstörung von Elektrogeräten) ist auch in Verteilnetzen künftig eine intelligente Netzregelung nötig; nicht zuletzt aus diesem Grund nimmt die kommunikative Anbindung eine wichtige Rolle ein. Die Fortschritte nehmen in der Informations- und Tele kommunikations technologie (IKT) eine rasante Entwicklung. Das Internet und drahtlose Übertragungstechnologien wie GSM und damit verbundene Anwendungen sind inzwischen zum Standard geworden. Eine mögliche Nutzung dieses Potenzials für die komplexen Anforderungen, die auf dem Gebiet der Energieerzeugung, -verteilung und versorgung bestehen, liegt auf der Hand. Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) können bei der Senkung des Energieverbrauchs und der Optimierung des Energiesystems eine wichtige Rolle spielen, da mit ihrer Hilfe grundsätzliche Probleme im Strombereich, die sich aus der Leitungsgebundenheit und der Nichtspeicherbarkeit von Elektrizität ergeben, adressiert werden können: Das Angebot muss jederzeit auf die Nachfrage, die sich als Ausfluss dezentraler Entscheidungen von Haushalten und Unternehmen ergibt, reagieren können, soll es nicht zu Engpässen oder Überlastungen des Systems kommen. Hierbei ist es wichtig im Auge zu behalten, dass sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige Nachfrage Auslöser eines instabilen Systemzustands sein können. Der mangelnde und langsame Austausch an Informationen bzw. deren Vernetzung führen dazu, dass Produktion und Verbrauch nicht ausreichend aufeinander abgestimmt sind. Somit müssen künftig neue Produkte und Systeme sowohl den Kommunikationsals auch den Lastflussanforderungen gerecht werden. Durch den starken Zuwachs an dezentralen Einspeisern, wie zum Beispiel Photovoltaik anlagen auf Hausdächern, Mini-Blockheizkraftwerken (BHKWs) oder kleinen Windenergieanlagen (WEAs), kommt es im Verteilungsnetz zu größeren Spannungsschwankungen bis hin zu Verletz ungen des zulässigen Spannungs bandes. Stromoberschwingungen durch leistungs elektronische Verbraucher und Spannungsunsymmetrien sind ebenfalls Aspekte, die zunehmend Beachtung finden müssen. Eine Lösung: der regelbare Ortsnetztransformator Die Problematik der Spannungsschwankungen und -bandverletzungen kann z. B. durch einen regelbaren Ortsnetztransformator behoben werden. Schon frühzeitig hat sich die Maschinenfabrik Reinhausen (MR) mit ihrem Know-how als Weltmarktführer in der Spannungsregelung mit Lösungsansätzen befasst, die folgende Vorteile für den Betreiber bieten müssen: Einhaltung der zulässigen Spannungsgrenzen Optimierte Ausnutzung existierender Reserven Netzausbaumaßnahmen können aufgeschoben oder vermieden werden. Höheres Integrationspotenzial von dezentralen Einspeisungen wird möglich. 4

5 MR Smart Transformer das System Aktor Transformation Regler Sensorik Kommunikation Datenmanagement Intelligenz Der MR Smart Transformer verfügt über die Systemkomponenten Transformation, Aktor, Regler, Sensorik, Kommunikation, Datenmanagement sowie Intelligenz. Diese Stufe des MR ipower- Systems ist als Minimaleinheit zum Einbau in Ortsnetzstationen gedacht. Erweitert um die Mittelspannungs- und Niederspannungskopplung ist dies das autarke, geregelte Äquivalent zur heutigen ungeregelten Ortsnetzstation. Aktor Transformation SMART TRANSFORMER Kommunikation Regler Datenmanagement Sensorik Intelligenz Klassisches Aktorenprinzip Ortsnetzstation Hybrid Aktoren-Konzept Ortsnetzstation Leittechnik OLTC-Regler (Regelalgorithmus / Steuerung / Diagnose) Warte MMI OLTC Interface Sensor Leittechnik OLTC-Regler (Regelalgorithmus / Steuerung / Diagnose) Warte MMI OLTC Interface Sensor Ansteuerung & Status Spannungserfassung 20 kv Mittelspannungsnetz kv Öl 400 V-Ortsnetz 20 kv Mittelspannungsnetz kv 400 V- Ortsnetz V Ortsnetztransformator 3~ PV 3~ PV 3~ PV 3~ PV Aktoren: zwei technische Lösungen verfügbar Herzstück der Station ist ein geregelter Transformator. Als Aktoren werden bei MR bis dato zwei technische Lösungen in verschiedenen Entwicklungsphasen gleichwertig verfolgt: Klassisches Aktorenprinzip auf Basis der jahrzentelang bewährten Ölschaltertechnik Basierend auf der bewährten Stufenschaltertechnik der Hochund Höchstspannungsebene der Maschinenfabrik Reinhausen konnte diese Technologie nun auch ortsnetztauglich gemacht werden. Bei leichter Vergrößerung des Transformators in Länge und Höhe deckt er Applikationen bis zur 630 kva Anschlussklasse ab. Zur Schaltung ist eine spezielle Aktor-Regelung (Spannungsregelung) erforderlich. Deren Komponenten: Regeleinheit zur Spannungsüberwachung und Steuerung der Funktionen des konventionellen Aktors Regeleinheit zur Spannungsüberwachung und Steuerung der Funktionen des Hybrid Aktors Um die Stationsfunktionen zu überwachen bzw. eine autarke Station zu realisieren, sind je nach Applikation zusätzliche Sensoren erforderlich. Hybrid-Prinzip als Kombination aus Halbleiterschaltelement und mechanischen Schaltkontakten Innovative Kombination aus Halbleiter-Schaltelementen und mechanischen Kontakten führt zu reduziertem Platzbedarf im Trafo. Durch einfachen Tausch der Transformations- und Aktoreneinheit gut geeignet als Update bestehender Stationen. 5

6 Die vollständige Lösung: das MR ipower-system Aktor SMART TRANSFORMER Kommunikation Regler Niederspannungskopplung Erzeuger Speicher Transformation Sensorik Datenmanagement Intelligenz Kompensation Mittelspannungskopplung MR ipower-system Zusätzlich zu den Systemkomponenten des MR Smart Transformers sind folgende Komponenten Bestandteil des MR ipower- Systems: Niederspannungs-Kopplung Mittelspannungs-Kopplung Energiespeichersystem (z. B. Batteriespeicher) Kompensationssystem (MR Power Quality Management) Autarke Erzeugungseinheit (z. B. regenerative Energieerzeuger) Auf Basis des heutigen Stands der Technik sind folgende Systemkomponenten optional verfügbar: Micro-Photovoltaikanlagen (PV) Micro-Windkraftanlagen (WK) Anlagen zur Erzeugung von Biogas, welches in der Baugruppe Kraftwärmekopplung KWK umgesetzt wird. Anlagen zur Nutzung von Geothermie Wärmepumpen In beiden Varianten arbeitet das System als Erzeugungseinheit, die entweder vollkommen autark als Generator agiert (z. B. Einsatz bei vollkommener Netzautarkie oder Einsatz in nicht entwickelten Gebieten bis hin zum Einsatz in Notstandsgebieten für Hilfseinsätze) oder nur mit einer Netzkopplung zur Abdeckung von Verbrauchsspitzen, die nicht autark bedient werden können. In Abhängigkeit von der verwendeten Erzeugungseinheit und/oder der äußeren Applikation entscheidet sich Einsatz und Spezifikation der Kompensations- bzw. Speichereinheit. 6

7 Projekt MR ipower in Oberursel In Zusammenarbeit mit der Süwag Energie (Frankfurt) wurde am Standort Oberursel auf dem Gelände des MR-Tochterunternehmens Messko GmbH, das erste vollständige MR ipower-system als Pilotanlage im 20 kv-netz in Betrieb genommen. Die Komponenten: MR ipower-system Windenergieanlage mit 6 kwp (Netz) Photovoltaikanlage mit 20 kwp (Netz) Kraft-Wärme-Kopplung (Installation 08/2011) Batteriespeichersystem (Installation 08/2011) Elektro-Auto-Ladestation Das ipower-system wird einerseits die Messko GmbH mit Energie versorgen, andererseits produzierte, überschüssige Energie in das Netz der Süwag einspeisen. Hier exemplarisch einige zu überwachende physikalische Parameter: Öl-Temperatur des Transformators Wicklungstemperatur des Transformators Öl-Niveaustand des Transformators Öl-Fluss innerhalb des Transformators und des angebauten Kühlsystems Stromsensorik Spannungssensorik Optional und bei großen Einheiten ist die Ausrüstung mit einer DGA-Überwachung (Gas-in-Öl-Überwachung) möglich. Der Analysator dient der Extraktion und Messung von gelösten Gasen in der Isolationsflüssigkeit des Transformators. Auf Basis des angezeigten Trends kann eine Aussage über Fehler, Wartungszyklen und Lebensdauer des Transformators gegeben werden. Zusammengeführt werden die einzelnen physikalischen Informationen in einem zentralen Datenmanager. Ihr Ansprechpartner für alle Fragen rund um das Thema und MR ipower-system: Maschinenfabrik Reinhausen GMBH Ansgar Hinz, Leiter Postadresse: Messko-Platz 1, Oberursel Phone: Fax: powerdistribution@reinhausen.com 7

8 Please note: The data in our publications may differ from the data of the devices delivered. We reserve the right to make changes without notice. AF /00 DE 06/11 F uw Maschinenfabrik Reinhausen GmbH 2011 Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Phone: Falkensteinstrasse 8 Fax: Regensburg, Germany sales@reinhausen.com