Die Elektrische Energieversorgung für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Jutta Hanson, 16. Mai 2013

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1 Die Elektrische Energieversorgung für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Jutta Hanson, 16. Mai 2013 Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 1

2 Die Elektrische Energieversorgung für die Energiewende Herausforderung Energiewende Struktur der heutigen Energieversorgung Geänderte Erzeugungsstruktur Betroffene Systembereiche Verteilnetz Übertragungsnetz Kraftwerke - konventionell und regenerativ Forschungsbedarf Quelle: Greenpeace, smartgrids.eu Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 2

3 Elektrische Energieversorgung Die Lösung bis heute Drehstromsystem einfache Umwandlung von und in mechanische Energie einfache Spannungswandlung, Stromunterbrechung Frequenz als systemweite Führungsgröße Verbrauchsnahe Erzeugung wirtschaftlich: Primärenergietransport i.a. günstiger robust: kurze Leitungen, regionale Teilsysteme Lastführung des Versorgungssystems Ausgleich fast ausschließlich auf der Erzeugungsseite Energiespeicherung bevorzugt auf Primärenergieseite Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 3

4 Eckpfeiler des Energiekonzepts der Bundesregierung Beendigung der Kernenergienutzung spätestens Ende Dynamischer Ausbau der erneuerbaren Energien in allen Sparten (80 % des Verbrauchs in 2050). Zügiger Ausbau und Modernisierung der Stromnetze. Quelle: Steigerung der Energieeffizienz insbesondere durch Gebäudesanierung und Senkung des Stromverbrauchs mit modernen Technologien. Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 4

5 Energieeinspeisung und installierte Leistung aus erneuerbaren Energien im Jahr 2012 Installierte Kraftwerksleistung Gesamt 174 GW Erneuerbare Energien 76 GW Einspeisung und Verbrauch el. Energie Bruttostromverbrauch 595 TWh Erneuerbare Energien 136 TWh Quellen: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und Umweltbundesamt (UBA); Stand Februar 2013 Monitoringbericht der Bundesregierung, Dez Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 5

6 Neue Erzeugungsstrukturen Dezentrale Erzeugung in kleinen Einheiten Verbrauchsferne Erzeugung in großen Einheiten Windenergie, insbesondere Offshore Wasserkraft Alpen, Skandinavien Wegfall der Kernkraftwerksblöcke Sonnenenergie Südeuropa, Nordafrika Volatile Erzeugung Quelle: BMU-AGEE-Stat Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 6

7 Neue Erzeugungseinheiten Leistungselektronische Anbindungen der Erzeugungseinheiten ersetzen die Synchronmaschine Windenergieanlagen (doppelt-gespeiste und umrichtergespeiste Maschinen) Photovoltaik VSC-HGÜ für Offshore-Windparks Quelle: Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 7

8 VDE-Report Energiehorizonte 2020 Stromversorgung der Zukunft "Die Energiewende ist ohne Mikro- und Leistungselektronik nicht machbar. Sie ermöglicht es, elektrische Energie möglichst verlustfrei ins Netz zu speisen und zu transportieren, den Verbrauch intelligent und sicher zu steuern und die Energieeffizienz auf allen Ebenen des Energiesystems zu steigern." Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 8

9 Betroffene Systembereiche der geänderten Erzeugungsstruktur nach: Kreusel, ETG-Kongress 2011 Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 9

10 Netzentwicklungsplan und Verteilnetzstudie: Aus- und Umbaubedarf der Netze NEP 2012: Übertragungsnetz dena: Verteilnetz Ausbau in neuen Trassen km in AC-Technik km in DC-Technik als HGÜ-Verbindung (3 Nord-Süd- Korridore, zuzüglich HGÜ Stationen) Optimierung in bestehenden Trassen km in AC-Technik Ausbau bis km Niederspannung km Mittelspannung km Hochspannung Umbau bis km Hochspannung Geschätzter Investitionsbedarf Geschätzter Investitionsbedarf circa 20 Milliarden Euro rund 20 Milliarden Euro Quelle: Quelle: dena-verteilnetzstudie, Deutsche Energie-Agentur (dena) Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 10

11 Herausforderungen im Verteilnetz Quelle: Greenpeace, smartgrids.eu Kernthema: Ziel: Integration fluktuierender dezentraler Erzeugungsanlagen Definition neuer Planungskriterien für Verteilnetze: "Wie sieht das optimale Verteilnetz der Zukunft aus?" Technische Details: Spannungshaltung Definition "Last" Netzführungskonzepte Systemdienstleistungen Einsatz von Speicherlösungen "Virtuelle Kraftwerke" Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 11

12 Herausforderungen im Übertragungsnetz Kernthema: Integration fluktuierender verbrauchsferner Erzeugungsanlagen Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungen (Punkt-zu-Punkt) parallel zu AC-Übertragungen Overlaynetze, AC oder DC Blindleistungskompensation im Übertragungsnetz Systemdienstleistungen Netzführung Quelle: Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 12

13 Herausforderung Gleichspannungsnetz Kernfragen: Wie viel Schwungmasse braucht das Netz? Schutzkonzepte für die Beherrschung von Fehlern auf der Gleichstromseite(DC-Schalter) Zusammenwirken eines Overlay-Netzes mit dem Drehstromnetz: Hybrides AC-/DC-Netz Überlagertes DC-Netz Neue Regelungsstrategien: Leistungsregelung Primärregelung (Definition "Führungsgröße") Einfluss Massenträgheit Quellen: Dii, Airtricity Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 13

14 Anforderungen an thermische Kraftwerke Hohe Laständerungsgeschwindigkeit (Gradienten) Niedrige Mindestlast Häufiges An-und Abfahren Hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich Quelle: Studie Consentec, 2011 Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 14

15 Einspeisung Erneuerbarer Energien Einhaltung der Netzanschlussregeln Netzanschlussregeln (Grid Codes) zur Beurteilung des Verhaltens von Erzeugungseinheiten Quelle: TenneT TSO GmbH Wirkleistungsabgabe Blindleistungsaustausch, Spannungshaltung Verhalten bei Störungen im Netz "Low Voltage Ride Through" Spannungsstützung Anregelzeit Spannungsqualität (Oberschwingungen, Flicker) Sternpunktbehandlung Elektrischer Schutz Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 15

16 Einspeisung Erneuerbarer Energien Vereinfachte Netzanschlussregeln Zunehmend hohe Anzahl von Netzanschlussanfragen auch in den Verteilungsnetzen der Nieder- und Mittelspannungsebene Vorgaben des EnWG hinsichtlich Sicherheit & Zuverlässigkeit des Netzbetriebs Vorgaben der EN50160 (Spannungsqualität) Vereinfachte Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit des Netzanschlusses erforderlich Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz (BDEW) VDE-Anwendungsrichtlinie VDE-AR 4105 Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen (D-A-CH-CZ) Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 16

17 Forschungsschwerpunkte Der Energiemix der Zukunft Wie viel Schwungmasse braucht das Netz? Erneuerbare Energien und Systemdienstleistungen Anforderungen an Speichertechnologien Spannungsqualität bei penetrierter Einspeisung volatiler Energien Gleichspannungsnetze und die Zukunft der Drehstromnetze Zusammenwirken AC und DC Regelkonzepte für Gleichspannungsnetze Optimierung der Dynamik konventioneller Kraftwerke Netzführungskonzepte für dezentrale und zentrale Einspeisung Verteilnetzebene Planungskriterien Systemdienstleistungen im Verteilnetz Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 17

18 Dimensionierung der Betriebsmittel Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 18

19 Zusammenfassung Die Energiewende erfordert einen Paradigmenwechsel in der elektrischen Energieversorgung. Verteilnetze: Schaffung von Planungskriterien und Netzanschlussregeln für Erneuerbare Energien Fernübertragungsnetze als Schlüssel für die Integration Erneuerbarer Energien mit kurzfristigen und saisonalen Schwankungen Optimierte Nutzung der regenerativen und konventionellen Kraftwerke Netzführungskonzepte unter Einsatz von Speichern Fachbereich 18 Institut für elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Hanson Folie 19