Technisch / betriebliche Anforderungen beim Netzanschluss von Speichern

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1 Technisch / betriebliche Anforderungen beim Netzanschluss von Speichern ZVEH-/DKE-Jahrestagung 2014 Dresden, 23. und DGUV-Akademie Dr. Thomas Kumm (EWE NETZ GmbH) Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN), EN Speicher

2 Inhalt Herausforderungen aus Netz- und Systemsicht Motivation zum Einsatz von Energiespeichern aus Netzsicht FNN-Aktivitäten und FNN-Hinweis Weiterentwicklung der Anforderungen FNN-Roadmap Ausblick 2

3 Herausforderungen Motivation Speicher aus Netzsicht Netzanschlussanforderungen Weiterentwicklung (FNN-Roadmap) Ziel ist der jederzeit sichere Systembetrieb bei steigender Aufnahme von Strom aus erneuerbaren Energien Ausblick 3

4 Wind-, Wasser- und Solarenergie Speicherkomponenten Messwesen Kommunikation Steuerungstechnik Konventionelle Kraftwerke Regelungskonzepte Wartung und Instandhaltung VDE FNN ist Plattform für Netzbetreiber, Hersteller, Anlagenbetreiber, Wissenschaft und Behörden zu netztechnischen und netzbetrieblichen Fragestellungen. 4

5 Herausforderung aus Netz- und Systemsicht Installierte Erzeugungsleistung sehr viel größer als bisher Schwungmassen werden durch Wechselrichter ersetzt Massenmarkt Volatilität: wetter- und tageszeitabhängige Einspeisesituationen Grundsätzlich: Energiespeicher nötig, Kurzzeit- vs. Langzeitspeicher 5

6 Herausforderungen haben unterschiedliche Auswirkungen: ÜNB und VNB / Städtische und ländliche Netze Netze sind abhängig von ihrer Versorgungsaufgabe und -struktur unterschiedlich stark betroffen. Grundsätzliche ergeben sich folgende Herausforderungen: Spannungshaltung, -qualität ( Probleme heute bereits deutlich) Leistungstransport, Strombelastbarkeit ( Probleme zunehmend) Städtische Netze Ländliche Netze Notwendigkeit von Netzausbau- und Netzumbaumaßnahmen einschließlich intelligenter Konzepte und Technologien! 6

7 Wind und Sonne: wesentlich für die Netzauslegung ,0 GW 43,1 GW > Mittagsspitze in Deutschland am sonnigen Sonntag zu 55% aus RE > 21,7% der Tagesenergiemenge aus PV (204 GWh) Leistung in GW Photovoltaik Wind Konventionelle Erzeugung > 100 MW sonstige Last (D) 0,7 GW 24,5 GW 1,5 GW 0 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h Sonntag, Daten: EEX-Transparenzplattform, ENTSO-E, Agora Energiewende, Grafik: F.Soyck elenia /MWh Phelix Day Base 0h 4h 8h 12h 16h 20h Erzeugung folgt nicht mehr Verbrauch elektrischer Energie Neues / verändertes Strom-Marktmodell nötig Vorrang System/Netzsicherheit ZVEH-/DKE-Jahrestagung vor Marktaspekten 2014 / Netzanschluss Speicher sollte / Dr. Thomas gegeben Kumm sein Daten: EEX, Grafik: Soyck 7

8 Herausforderung im (Verteil-)Netz 350 Jahreszeitreihe einer PV-Anlage 350 Jahresdauerkennlinie Wirkleistung KW Wirkleistung KW Zeit [h] Zeit [h] Ist die Dimensionierung des Netzes für seltene Maximalleistungen gesamtwirtschaftlich (und technisch) sinnvoll? Alternative o intelligentes Einspeisemanagement (z.b. 5-%-Ansatz ), möglichst in Verbindung mit netz-/systemdienlichen Flexibilitätsoptionen, Speichern 8

9 Einordnung von Speichern (exemplarisch) Beispiel Langzeitspeicher Jahresbedarf in D: ca. 600 TWh (Jahreshöchstlast in D ca. 80 GW) 14-Tage-Mittel: ca. 23 TWh 14-Tage- Speicher E Mobility Goldisthal geplante Kapazitäten Goldisthal: 8,5 GWh (bei 1 GW Leistung) Geplante mobile Speicher (E-Mobility): ca. 15 GWh (ca. 15 GW Leistung) Beispiel Kurzzeitspeicher Über 70 % der installierten PV-Leistung entfällt auf die Niederspannungsebene Ca. 50 % der installierten Wind-Leistung entfällt auf die Mittelspannung Ohne weitere Maßnahmen wird die weitere Integration dezentraler Erzeugung in das Verteilnetz schwierig (z.b. Spannungshaltung), sofern unwirtschaftlicher Netzausbau vermieden / verzögert werden soll. Kurzfristspeicher (z.b. Batteriespeicher in Verbindung mit DEA) können helfen.

11 Motivation zum Einsatz von Energiespeichern aus Netzsicht Erst die Sicherstellung der Netzverträglichkeit ermöglicht den Anschuss und Betrieb von Speichersystemen am elektrischen Netz. Energiespeicher(systeme) sind vielfältig einsetzbar. Netzdienlich betriebene Energiespeicher können positive Auswirkungen auf das öffentliche Netz bewirken: Reduzierung zusätzlicher Netzbelastung durch Lastmanagement in der Kundenanlage (z.b. durch geeignete Erhöhung des Eigenverbrauches); Vergleichmäßigung von Lastflüssen im Niederspannungsnetz; Netzstützung (z.b. durch Spannungshaltung durch geeignete Blindstromeinspeisung); Unterstützung bei Erbringung von Systemdienstleistungen (Frequenzhaltung, Netzdynamik, Regelenergie, ); Durch Einsatz geeigneter Kommunikationstechnik mit standardisierten Schnittstellen und Anforderungen können sich die positiven Effekte von Speichern weiter erhöhen. Netzverträglich angeschlossene und netzdienlich betriebene Speicher(systeme) können zur Netzentlastung beitragen. 11

12 Grundsätzlicher Gedankenansatz Netzdienliche Speicher können ab einer gewissen installierten Leistung/Speicherkapazität in erheblichem Maße zur Stabilisierung des Gesamtsystems beitragen (Systemrelevanz). Systemrelevanz Netzdienlichkeit Die Sicherstellung der Netzdienlichkeit von Speichersystemen soll netzentlastend wirken, z.b. den Bedarf an Netzausbaumaßnahmen im Verteilnetz verringern. Netzverträglichkeit Erst die Sicherstellung der Netzverträglichkeit ermöglicht den Anschuss und Betrieb von Speichersystemen am elektrischen Netz. 12

13 FNN-Prozess BMU Programm FNN Hinweis FNN Hinweis Version2 DKE: VDE AR Batteriesp. Kundenanlagen am MS Netz (TAR MS) FNN-Workshop Netzverträglichkeit BMU-FNN- Austausch Präsentation der FNN- Ergebnisse im BMWi FNN-Workshop Netzdienlichkeit/ Systemstabilität TAR NS / VDE AR N Fachartikel: Netzpraxis, de, Elektropraktiker, Heute PV-Zeitschrift Darstellung der Netzverträglichkeitsanforderungen, -anschlussbedingungen Fachartikel EW 10/14 FNN-Roadmap Von der Netzverträglichkeit zur Netzdienlichkeit 13

15 Netzanschlussbedingungen für Speicher (NS) Veröffentlichung von VDE FNN im Juni 2014 (2. Ausgabe) erstmals Festlegung von technischen Anforderungen an Anschluss und Betrieb von Speichern am NS-Netz (Juni 2013) Voraussetzung für Erfüllung des BMU/KfW- Marktanreizprogramms für Batteriespeicher in Verbindung mit PV-Anlagen (Mai 2013) Technologieneutral Anwendungshilfe ( von allen/für alle Fachkreise(n) ) o o o Netzverträglichkeit Netzdienlichkeit Systemrelevanz 15

16 Inhalte des FNN-Hinweises Technische Grundsätze Betriebsmodus Energiebezug Speicher verhält sich wie eine Bezugsanlage (in NS heißt das Anwendung der TAB NS) Betriebsmodus Energielieferung Speicher verhält sich wie eine Erzeugungsanlage (in NS heißt das Anwendung der VDE-AR-N 4105) Netzersatzbetrieb allpolige Trennung (gemäß VDE-AR-N 4105) Konkretisierung bestimmter technischer Anforderungen, z.b.: Anschlusskriterien Unsymmetriebedingungen (in Kombination mit einer Erzeugungsanlage) Wirkleistungsbegrenzung Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz (Systemstabilität) Blindleistungsverhalten Netz-/-Anlagenschutz Technisch-bilanzielle Anforderungen (Ordnungsrahmen (z.b. EEG)) Anschluss- und Betriebskonzepte Nachweis der Erfüllung der Anforderungen 16

17 Wesentliche Regelungen des FNN-Hinweises Begriff Speicher neu einführen: Ein Speicher ist eine Anlage, die abhängig vom Betriebsmodus entweder elektrische Energie aus dem kundeneigenen Netz bzw. aus dem öffentlichen Netz beziehen und/oder einspeisen kann. Dies gilt unabhängig von der Art der technischen Umsetzung. Allgemeine Betrachtungen für Speicher(systeme) Anmeldung nach Anmeldeverfahren des jeweiligen Netzbetreibers FNN-Datenblatt in Erarbeitung (enge Abstimmung mit PV-Speicherpass ) Datenblatt enthält Speicher-spezifische/-typische Informationen Grundsätzliche Anwendungsszenarien Speicher ohne Leistungsbezug aus dem öffentlichen Netz Speicher ohne Lieferung in das öffentliche Netz Speicher mit Leistungsbezug aus dem öffentlichen Netz Speicher mit Lieferung in das öffentliche Netz 17

18 Wesentliche Regelungen des FNN-Hinweises Symmetriebedingungen Grundsatz: Auslegung, Anschluss und Betrieb von Speichern/Speichersystemen als symmetrische dreiphasige Drehstromeinheiten Unsymmetriekriterium: maximal 4,6 kva (in der Summe) zwischen den Außenleitern Grenzwert für einphasigen Anschluss der im Betrieb einzuhalten ist Das gilt insbesondere auch für die Summe der Einspeisung von einer Erzeugungsanlage und eines Speichers, die auf einem Außenleiter angeschlossen sind. Ein einphasiger Anschluss und Betrieb von Verbrauchsgeräten wird derzeit nicht berücksichtigt. Maßnahmen zur Einhaltung Kommunikative Kopplung zwischen Erzeugungsanlage und Speicher Messung und Regelung der Netzaustauschleistung am Netzanschlusspunkt für jede Phase bzgl. der zulässigen Unsymmetrie Überwachung / Sicherstellung durch Energieflussrichtungssensor 18

19 Wesentliche Regelungen des FNN-Hinweises Blindleistung Betriebsmodus Energielieferung (Entladevorgang) Regelungen der VDE-AR-N Betriebsmodus Energiebezug (Ladevorgang) cos φ=1. Wirkleistungsbegrenzung Ist durch eine entsprechende technische Einrichtung sicherzustellen. Vorgaben entsprechend dem FNN-Hinweis Hinweise zur technisch / betrieblichen Umsetzung des Einspeisemanagements Auch beim Ausfall des En-Flu-Ri-Sensors muss die Begrenzung gewährleistet sein Keine Überschreitung bei 10-Minuten-Mittelwert zulässig 19

20 Wesentliche Regelungen des FNN-Hinweises Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz Betriebsmodus Energielieferung (Entladevorgang) Regelungen der VDE-AR-N Betriebsmodus Energiebezug (Ladevorgang) Keine Vorgaben Für eine Wirkleistungssteuerung bei Unterfrequenz werden derzeit keine Vorgaben gemacht. Sicherheit / NA-Schutz In den Betriebsmodi Energielieferung und Energiebezug sind die Anforderungen nach VDE-AR-N 4105, Abschnitt 5, vollumfänglich einzuhalten. 20

21 Wesentliche Regelungen des FNN-Hinweises Technisch-bilanzielle Anforderung Vermischung von EEG-Strom und Graustrom im Speicher führt zum Verlust der EEG-Vergütung Speicher ohne Leistungsbezug aus dem öffentlichen Netz: Wenn das Speichersystem in das öffentliche Netz einspeisen soll, dann darf kein Bezug aus dem Netz zur Ladung des Speichers erfolgen. Speicher ohne Lieferung in das öffentliche Netz: Falls eine Speicherladung aus dem öffentlichen Netz erfolgen soll, muss technisch sichergestellt werden, dass der aus dem Netz geladene Strom nicht mehr ins öffentliche Netz eingespeist wird. 21

23 Themen in der FNN-Roadmap (1) Abgrenzung Speicher und Lastmanagement (2) Konkretisierung der Unterfrequenzanforderungen (3) Konkretisierung netzdienlicher Blindleistungsanforderungen (4) Konkretisierung Anforderungen Unsymmetrie /Oberschwingungen (5) Definition von netzspezifischen Anforderungen an mobile Speicher 1. Dabei s Dabei wird zwischen den unabdingbaren technischen Anforderungen zur Netzverträglichkeit und netzdienlichen Funktionen von Speichersystemen unterschieden. Ziel ist die konsequente Weiterentwicklung der technischen Anforderungen, auch mit Blick auf den Ordnungsrahmen. 23

24 Abgrenzung Lastmanagement und Speicher Lastmanagement verschiebt Lasten zeitlich. zeitliche Verschiebung des Leistungsbezugs aus Netzsicht Speicher ohne Rückspeisung (z.b. thermische Speicher) sind aus Netzsicht und der Art und Weise des Anschlusses grundsätzlich dem Lastmanagement zuzuordnen, wobei Sie Eigenschaften besitzen die genauso netzdienlich sein können wie die Speicherung mit Rückspeisung Die Leistung wird später nicht mehr benötigt (aus Netzsicht)- Kunde speichert die Leistung Speicher mit Rückspeisung haben unabhängig von der technologischen Umsetzung die Fähigkeit eines Lade- und Entladebetriebs Lastmanagement Lastverschiebung (zeitlich) Speicher Speicherung mit Rückspeisung (Technologieoffen) Speicherung ohne Rückspeisung (z.b. Thermische Speicherung) 24

25 Unterfrequenzverhalten (Systemrelevanz) Frequenzstützung (aktiver Eingriff je nach Netzsituation) zur Wahrung der Systemstabilität bei Rückgang des Anteils an rotierenden Massen, insbesondere bei hohen Δf Nutzung der Speicher bei Abweichung von der Nennfrequenz o Überfrequenz: Umschaltung in Ladebetrieb o Unterfrequenz: Umschaltung in Entladebetrieb Umschaltung in Entladebetrieb Reduktion der Ladung ΔP Reduktion der Entladung Umschaltung in Ladebetrieb f 25

26 Blindleistungsverhalten Weiterentwicklung der Anforderungen Entladebetrieb: Präzisierung der Anforderungen unter Berücksichtigung einer FNN-Studie sowie vorliegender betrieblicher Erfahrungen Ladebetrieb (Volladezustand) Heutige Mindestanforderung: Regelung auf cos (Φ)=1 Erweiterte Anforderungen: Speicher kann die Spannungshaltung gewährleisten wenn die Erzeugungsanlage eine unzulässige Spannungsanhebung verursacht Gezielte Blindleistungsvorgabe am NAP (z.b. xvar bzw. cos (Φ)=y) möglich Speicher bieten vielfältige Möglichkeiten zur Spannungshaltung sowie zur Blindleistungsdisposition im Netz, in Kombination mit bzw. auch über EZA hinaus. 26

27 Unsymmetrie/Netzrückwirkungen Unsymmetrien Heutige Mindestanforderungen: Einhaltung der Symmetriebedingungen nach bestehendem Hinweis Erweiterte Anforderung Ausgleich von Unsymmetrien im Ortsnetz, nicht nur einzelne Kundenanlage z.b. kommunikative Anbindung größerer (Speicher)-Kundenanlage mit Ortsnetzstation ermöglicht Ausgleich von Unsymmetrien Beginnend mit einzelnen Kundenanlagen versuchen, Gesamtunsymmetrie auszugleichen Oberschwingungen Mindestanforderungen: siehe bestehender FNN-Hinweis Erweiterte Anforderungen: Aktive Filterung vorhandener z.b. durch EZA in der Kundenanlage erzeugter Oberschwingungen. Messung der Spannung (OS an den WR und Einspeisung eines gegenphasigen Stromes durch den Speicher) Vorteil gegenüber z.b. PV-Anlage 24h möglich 27

28 Mobile Speicher (z.b. Elektromobilität) gesteuertes Laden an ggf. unterschiedlichen Standpunkten, mobiles Laden für Ladestationen mobiler Speicher gelten die Anforderungen der Netzanschlussregeln / technischen Anschlussbedingungen Ladung: Anforderungen wie ein Verbraucher nach TAB Entladung: Anforderungen der VDE-AR-N 4105 Schnellladeinfrastruktur (zulässige Netzbelastung Stromstärke) abrechnungstechnische Fragestellungen betrachten und technische Umsetzung begleiten bzw. sicherstellen Besonderheiten mobiler Speicher aus Sicht des Netzes beachten und Ableitung entsprechender Anforderungen. 28

29 Weitere Themen Weiterentwicklung der netz-/systemtechnischen Anforderungen an Energiespeichersysteme Speicher am MS-Netz: Behandlung bei der aktuellen Erstellung der VDE- Anwendungsregel TAR MS Speicher an höheren Spannungsebenen: VDE FNN wird gemeinsam mit allen Fachkreisen die Systemrelevanz von Speichern stärker herausarbeiten Umschaltung von Netzparallel- in den Inselbetrieb und umgekehrt Fragestellung bereits im VDE (DKE, FNN) diskutiert Einhaltung der technischen Anforderungen (DIN VDE 100, VDE-AR-N 4105) erforderlich Aspekte Personen- und Betriebsmittelschutz zu klären (insbes. Behandlung bei DKE) Kommunikationsschnittstellen wesentliche technische Anforderung an Speichersysteme (bzw. grundsätzlich in der Operationalisierung von Smart-Grid-Themen) Aktivitäten bei FNN in einer PG Kommunikations- und Steuerschnittstelle Standardisierungsaktivitäten bei DKE 29

30 Weitere Themen Weitere System-/Netzdienstleistungen mögliche System-/Netzdienstleistungen eines Speichers bei Energiebezug aus dem Netz Nutzungsmöglichkeiten von Speichern zur System-/Netzstabilisierung (z.b. Regelenergie) Übergreifendes Zusammenwirken im VDE (ETG, DKE, FNN, PZI, ) sinnvoll und nötig. 30

32 Zukünftige Lösungswege Verteilnetz o o o Wirkleistungsbegrenzung der Netz-Einspeisung durch Speicherladung Blindleistungsverhalten nach Netzanforderung Zudem: Der Energiefluss am Netzanschlusspunkt richtet sich nach der aktuell vorhandenen Netzkapazität (z.b. durch autark regulierendes System) Übertragungsnetz o o o Unterstützung durch Systemdienstleistungen Regelenergiebereitstellung (i.d.r. aus Großspeichern oder Clouds) Voraussetzung: Kommunikationsanforderungen definieren, Kommunikationsverbindungen (gemäß IT-Sicherheit (BSI)) aufbauen (teilweise auch im Verteilnetz)) Energiehandel o o steuerbarer Speicherbetrieb (je nach Stromangebot und nachfrage) Einführung eines Kapazitätsmarktes 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 33