Integration von erneuerbaren Energiequellen ins elektrische Netz Herausforderungen und mögliche Lösungen

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1 Energie Apéro Luzern 10. März 2014 Integration von erneuerbaren Energiequellen ins elektrische Netz Herausforderungen und mögliche Lösungen Prof. Dr. Petr Korba Electric Power Systems & Smart Grid Lab 1

2 Agenda Energiesystem Geschichte, Funktion und weitere Entwicklung Treiber für Veränderungen Integration von erneuerbaren Energiequellen Technische Herausforderungen und mögliche Lösungen Beispiele & Projekte Zusammenfassung 2

3 Kernaufgaben und Betrieb des elektrischen Energiesystems A. Kapazität Capacity B. Verfügbarkeit Reliability C. Effizienz Efficiency D. Zukunftsfähigkeit Sustainability 1. Aufgaben der Stromversorgung: Kapazität - Verfügbarkeit - Effizienz - Nachhaltigkeit/Zukunftsfähigkeit 2. Aufgaben der Netzführung / -automatisierung: Vorhersagen und Planung der Energieerzeugung (oder des Verbrauches) und -übertragung 3

4 Entwicklung von Energiesystemen»Der Anfang war dezentral» 1. Isolierte Elektrizitätswerke Edison (Gleichstrom/DC), Tesla & Westinghouse (Wechselstrom/AC) (ein Kraftwerk für mehrere Hunderte Lampen, z.b. eine Strasse) 2. Regionale Systeme (Städte) 3. Nationale Systeme (Länder) 4. Kontinentale Verbundsysteme (z.b. ENTSO-E in Europa European Network of Transmission System Operators for Electricity) Grundcharakteristik: Wechselstromsystem (alle Generatoren laufen synchron) z.b. in Europa 50 Hz, USA 60 Hz usw.) Zu beobachten: Zentralisierung, steigende Grösse und Erzeugungskapazität Warum/Idee: Verbesserte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei Ausfällen Jahr 4

5 Entwicklung von Energiesystemen «Die grösste Maschine, die der Mensch je gebaut hat» Beispiel: Europa (ENTSO-E) = ein Wechselstromenergiesystem, das synchron auf 50Hz läuft (in 5 Gebieten: Kontinentaleuropa + Türkei, Irland, GB, Baltikum, Skandinavien) für 450 Million Einwohner in 34 Ländern und 41 TSO Spitzenlast*: 530 GW (Januar) 420 GW (Juli) Erzeugungskapazität: 960 GWp (inkl. EE) (davon EE 320 GW; Versorgungssicherheit gewährleistet, da 530 < 960 GW) Hochspannungsnetz: 380 kv AC Gesamtenergieverbrauch: TWh/Jahr Koordination: durch 2 Zentren: ENTSO-E Süd swissgrid (CH) ENTSO-E Nord Amprion (DE) * China: ca GW Source: entso-e.org 5

6 Hochspannungsenergiesystem auf Länderebene Beispiel: Schweiz Spannung 220kV-380 kv Spitzenlast ca. 8 GW (Winter) Energieverbrauch ca. 60 TWh/Jahr Erzeugung: ca. 38% Nuklear ca. 57% Wasser ca. 5% andere PV in CH (2013) nur ca. 1% PV in Deutschland ca. 6% Echt-Zeit Info auf: 6

7 Energieerzeugung Herausforderungen - Zeitbereich der Energiewende Beispiel: Aktuelle Schweiz Situation 7000 (Quelle: BfE) Erzeugung (GWh pro Monat) Speicherwerke + Andere Laufkraftwerke Nuklear 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli August Monat September Oktober November Dezember Anteil «Nuklear» = ca. 38% Energie, d.h. 23 TWh/Jahr, = entspricht bei einem Kapazitätsfaktor 1:1 (Peak- zu Durchschnittsleistung) ca. 2.6 GW mittlerer Leistung 7

8 Umstieg auf Erneuerbare Energien (PV) «Steigende Wichtigkeit von Netzen und Speichern» Herausforderungen: Primärenergiequellen nicht steuerbar Sonne/Wind (nicht korreliert mit Verbrauch) Saisonale Erzeugung Sonne nur im Sommer (Winter?) Kleiner Kapazitätsfaktor (ca. 10%) Spitzen in der Erzeugung (Übertragung?) Implikationen und mögliche Lösungen: Erzeugungsleistung abriegeln billig, keine richtige Lösung Lokal speichern Speicher (lang-zeit & kurz-zeit) Energie übertragen an Orte, wo sie gebraucht wird Netz Energie übertragen an Orte, wo sie gespeichert wird Netz + Speicher Last anpassen Last-Management System (Komfort?) Überlastung Problem mit Infrastruktur: (Abhilfe = Speicher) Reserve Infrastruktur (Transformatoren und Leitungen) historisch bedingt dimensioniert für unidirektionale Lastflüsse mit bekannten Tagesprofilen 8

9 Gedankenexperiment Schweiz Beispiel: 20% und 33% PV-Szenarien Leistung ist nicht Energie Bedeutung der Energiespeicherung Kapazitätsfaktor Verhältnis Durchschnitts- zu installierter Leistung PV in der CH ca. 10% Leistungsfaktor Verhältnis Spitzenleistung zu abgegebener Energie PV in der CH 1kWp 1 MWh/Jahr Erzeugung 2,4 GW 10,4 GW (8,4 GW) Bedarf 20%: 12 TWh/Jahr (12 GWp) 33%: 20 TWh/Jahr (20 GWp) 1,6 GWp (2 GWp im Ausbau) Speicher Schweiz: 60TWh/Jahr (8 GWp) (100%) Tendenz: +1,5 % pro Jahr Schlussfolgerung: Ohne zusätzliche steuerbare Lasten und/oder Speicher können Potentiale der erneuerbaren Energien kaum genutzt werden 9

10 Energienetz Mögliche Platzierung von Speichern Grosskraftwerk Offshore Windpark z. B. Pumpspeicher Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) Windpark z.b. TEES, Power2Gas Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage z.b. Batteriespeicher, Power2Gas Industrie/Gewerbe Mittelspannung (6-30 kv) kleine PV-Anlage z.b. Batteriespeicher (BESS) Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) 10

11 Mögliche Platzierung von Speichern Beispiele: Existierenden Lösungen mit Vor- und Nachteilen Grosskraftwerk Offshore Windpark Pumpspeicher (zentral) Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) -5% Windpark -20% Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Mittelspannung (6-30 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage Industrie/Gewerbe kleine PV-Anlage Batteriespeicher (dezentral) Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) -5% -10% 11

12 Beispiel 1: Grosses «BESS» «Battery Energy Storage System» Zusammenarbeit mit ABB und EKZ Mittelspannungssystem Batteriecontainer Leitstand Wechselrichter Beispiel: EKZ 1MW / 0.5MWh System eingeweiht am 21. März 2012 Gross ökonomischer als klein (Kosten, Lebensdauer, Wirkungsgrad) Akku-Technologie: Li-Ionen, Blei usw. je nach Anwendung Grosse BESS können auch Systemdienstleistungen wahrnehmen (Spannungsregelung, Regelenergie) Wichtigste Herausforderungen: Leittechnik (Regelungs-Algorithmen) 12

13 Beispiel 2: Kleine Batteriespeicher PV-Batterie Systeme bereits auf dem Markt (Quelle: Informationspapier des Bundesverbands Solar-Wirtschaft, Stand: ) Idee: - Eigenverbrauch stimulieren um Stromnetze zu entlasten - kleine Speicher = im Netz auf dem Niederspannungsniveau Beispiel: - Deutschland (seit 1.Mai 2013) - Für Reduktion der PV Leistung auf 60% Peak-Leistung gibt s bis zu 660 Euro Fördergeld (pro kwp installierter PV-Leistung) für einen lokalen Speicher 13

14 Beispiel 3: Dimensionierung der Speichergrösse «Sizing-Tool» 1. Messdaten (Lastfluss), Speicherkosten und -nutzen, Wirkungsgrad usw. als Inputs 2. Automatische Dimensionierung der Speichergrösse 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse Storage Sizing Tool 14

15 Beispiel 4: Power2Gas-Konzept als Langzeitspeicher CCEM Projekt RENERG2 (Projektstart Ende 2013) Solar / Wind Stromnetz Elektrolyse CO 2 (aus Biogas, Abgas Vergasung) H 2 H 2 (O 2 ) H 2 - Mobilität Gasnetz Methanisierung CH 4 HCNG H-CNG Mobilität Gas Speicher 15

16 Weiterentwicklung Die Energietechnik und die erforderliche Infrastruktur entwickeln sich seit Jahren ständig weiter Infrastruktur für konventionelle, zentralisierte Erzeugung seit Jahrzehnten vorhanden Mit steigender Integration von erneuerbaren Energien wird die Energietechnik «komplexer» Netze, Speicher und Politik werden wichtiger: 1. «Räumlicher Aspekt» (Energieübertragung) «Netze» 2. «Zeitlicher Aspekt» (Korrelation zwischen Erzeugung und Verbrauch) «Speicher» 3. «Wirtschaftlicher Aspekt» «Politik» (I.) Elektrische Energie kann auf unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden (II.) Anreize aus der Politik werden die Energiewende sehr stark beeinflussen (Art der Erzeugung, Gesamtkosten, Nachhaltigkeit usw.) 16

17 Zusammenfassung Unser zukünftiges Energiesystem wird: Stärker automatisiert und in diesem Sinne intelligenter, d.h. für das Fachgebiet der Energietechnik: Nicht nur dicke Kabel und grosse Leistungsflüsse Um erneuerbare Energiequellen zu integrieren, werden Informations- und Kommunikationstechnologien, Automatisierungs- und Regelungstechnik, Signalverarbeitung, genaue Wettervorhersagen usw. immer wichtiger Aktuellste Unterstützung der Energiewende durch die Politik «Swiss Competence Centres of Energy Research» (SCCER) Ko-finanziert durch KTI und Industrie ab 2014 Idee: Aufbau von Kapazitäten in der Energieforschung 7 Zentren, diverse «Work packages» und «Subtasks» (Koordinator SCCER#2 Netze und Komponenten, Leiter «Transmission System Upgrade», Aufbau im Bereich Intelligente Verteilnetze und Power Dynamics & Control) Das «Grid» wird «smarter», aber mehr als das kann man heute kaum vorhersagen 17

18 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Integration von erneuerbaren Energien Was machen wir nun ohne Wind? Wir schmeissen den Ventilator an! 18