Umbau der Netze. Dipl. Ing. Ludger Meier Braunschweig, 09. November 2012

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1 Umbau der Netze Dipl. Ing. Ludger Meier Braunschweig, 09. November 2012

2 Themenübersicht Umbau Verteilnetze Herausforderungen Integration Dezentraler Erzeugungsanlagen Speicher Ausbau Übertragungsnetze Randbedingungen / Verfahren Szenarien Technologie Zusammenfassung

3 Ohne Innovationen wird die Energiewende in Deutschland nicht gelingen!

4 System der technischen Selbstverwaltung Gesetzgeber Wirtschaft erarbeitet definiert Allgemeine Schutzziele Generalklausel Allgemein anerkannte Regeln der Technik Technische Selbstverwaltung entlastet Ordnungsrahmen reagiert flexibel auf technische Weiterentwicklungen und ermöglicht vorausschauende Entwicklungen

5 Kompetenzfelder FNN Anschlussbedingungen Umweltund Naturschutz Netzintegration EE Über 330 Mitglieder (Unternehmen, Wissenschaft, Verbände) Mehr als 400 ehrenamtliche Fachleute in über 40 Gremien: u.a. Hersteller, Netzbetreiber, Wissenschaft, Dienstleister Zähl- und Messwesen Instandhaltung Netzschutz, Netzleittechnik Versorgungsqualität Systemaspekte

6 Systemwandel und Versorgungssicherheit - Komponenten - Wind-, Wasser- und Solarenergie Speicherkomponenten Messwesen Kommunikation Steuerungstechnik Konventionelle Kraftwerke Regelungskonzepte Wartung und Instandhaltung FNN als Plattform für Netzbetreiber, Hersteller, Anlagenbetreiber, Wissenschaft und Behörden

7 Installierte Leistung (GW) Herausforderung 1: Installierte Leistung sehr viel größer als bisher Höchstlast ca. 85 GW Schwachlast ca. 30 GW 0 Genehmigter Szenariorahmen Netzentwicklungsplan 2012 Referenz Szenario B Erdgas Kernenergie Braunkohle Steinkohle Pumpspeicher Öl Laufwasser Sonstige Wind (onshore) Wind (offshore) Photovoltaik Biomasse andere reg. Erz. Stand: 18.Juli 2011

8 Installierte Leistung (GW) Herausforderung 2: Schwungmassen werden durch Wechselrichter ersetzt 300 Genehmigter Szenariorahmen Netzentwicklungsplan Schwungmassen Höchstlast 100 ca. 85 GW Wechselrichter Schwachlast ca. 30 GW 0 Referenz Szenario B Stand: 18.Juli 2011

9 Ablösung Schwungmassensystem durch Wechselrichter-System Problem / Situation rotierenden Massen der Großkraftwerke werden durch verteilte über Wechselrichter einspeisende Erzeugungsanlagen ersetzt. Stabilitätsverhalten des Netzes, d.h. die Fähigkeit nach einer Störung wieder einen stabilen (Gleichgewichts-) zustand zu erreichen, ändert sich. Kurzschlussstrom geringer -> andere Systemeigenschaften, somit Anpassungen erforderlich, z.b. am Schutzsystem. Agenda FNN zur Problemlösung Einfluss verteilter über Wechselrichter einspeisende Erzeugungsanlagen auf die Systemstabilität klären Lösungsmöglichkeiten aufzeigen und bewerten Anpassung von technisch/ betrieblichen Anforderungen Grundlegender Systemwechsel erfordert neue Grundlagen

10 Installierte Leistung (GW) Herausforderung 3: Massenproblem 300 Genehmigter Szenariorahmen Netzentwicklungsplan Ca. 130 Kraftwerke 100 > 1 Mio Anlagen 0 Referenz Szenario B Im Gegensatz zu früher ist bei der Erzeugung im Massenmarkt ein kurzfristiger Umbau oder eine nachträgliche technologische Anpassung der Erzeugungsanlagen kaum machbar. Daher müssen die Anforderungen langfristig vorausschauend entwickelt und verankert werden. Konsequenzen Wechselrichter für die Schwungmassen Struktur der Systemführung! Stand: 18.Juli 2011

11 Herausforderung 4: wetter- und tageszeitabhängige Einspeisesituationen: heute Einspeisung bei EE-Flaute Einspeisung bei Wind-Sonnentag konventio nell Auslegung Netz und Netzbetrieb EE-Park Speicherbedarf! Quelle: BNetzA-Szenariorahmen, Höchstlast

12 Herausforderung 4: wetter- und tageszeitabhängige Einspeisesituationen (2032): Einspeisung bei EE-Flaute Kon ventionell Einspeisung bei Wind-Sonnentag Auslegung Netz und Netzbetrieb EE-Park Nach aktuellem Ordnungsrahmen ist das Netz für alle Erzeugungssituationen und Übergänge auszubauen Speicherbedarf! Quelle: BNetzA-Szenariorahmen

13 Speicher für Systemsicherheit Beispiel Langzeitspeicher: Jahresbedarf Strom D: ca. 600 TWh 14 Tage Flaute : 600 TWh *2/52 => 23 TWh Goldisthal: 8,5 GWh Nutzung E-Mobility: 15 GWh

14 Zusammenfassung Techn. Herausforderungen Installierte Leistung sehr viel größer als bisher Schwungmassen werden durch Wechselrichter ersetzt Massenmarkt Wachsende Volatilität der Erzeugung Speicherbedarf Neben den techn. Herausforderungen stellen die Akzeptanz von Netzausbau und die Systemkosten eine große Herausforderung dar!

15 Themenübersicht Umbau Verteilnetze Herausforderungen Integration Dezentraler Erzeugungsanlagen Speicher Ausbau Übertragungsnetze Randbedingungen / Verfahren Szenarien Technologie Zusammenfassung

16 Der Netzentwicklungsplan: Wie kommen wir von dem genehmigten Szenariorahmen zum Transportbedarf 2022? LEITSZENARIO B2022: Wie kann am 11 Januar 2022 um 17:00 Uhr die Energieversorgung und der Stromtransport in Deutschland aussehen? Am 11 Januar 2022 um 17:00 Uhr ist es bereits dunkel, Photovoltaik speist nicht mehr ins Netz ein Der Tag ist sehr windig, 91% der Windkraftanlagen erzeugen Energie: es werden 55,2 GW von der installierten Kapazität i.h.v. 60,5 GW ins Netz aufgenommen Um 17:00 Uhr arbeiten noch die meisten Betriebe, die Netzlast liegt bei 81,6 GW Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland und im benachbarten Ausland arbeiten im Pumpbetrieb Exportsaldo Deutschlands liegt bei 15 GW, Netzverluste betragen 4 GW Gesamter Leistungsbedarf (Verbrauch, Export, Verluste) liegen bei 100,6 GW Fehlende Leistung zur Deckung des Leistungsbedarfs erzeugen sonstige regenerative Kraftwerke (10,4 GW) und thermische Kraftwerke (35 GW)

17 Anteil Sonstiger EE-Einspeisung (i. W. Biomasse- und Wasserkraft) an Lastdeckung liegt bei ca. 10% Biomasse und Wasserkraft 1 1,5 GW 2 0,9 GW 3 1,3 GW 4 0,8 GW Produktion Biomasseund Wasser-KWe liegt bei 10,4 GW Sonstige EE Einspeisungen spielen bei Starklast eher eine untergeordnete Rolle ,4 GW 6 4,0 GW 7 1,5 GW Schwerpunkt der Erzeugung liegt im süddeutschen Raum Quelle: Amprion

18 Last und Export Deutschlands am sind relativ hoch Last in den Regionen* 1 15,0 GW 2 6,0 GW 3 26,1 GW 4 8,1 GW Netzlast in Deutschland am : 81,6 GW Netzverluste: 4 GW Exportsaldo DE-EU: 15 GW Leistungsbedarf Gesamt: 100,6 GW ,5 GW 6 11,7 GW 7 10,5 GW * inkl. Netzverluste Schwerpunkt der Last / Exporte liegt in NRW und in Süddeutschland Quelle: Amprion

19 Windeinspeisung am : Ergebnis der Wettersimulation Windeinspeisung 1 23,6 GW 2 10,2 GW 3 8,3 GW 4 7,3 GW 5 2,4 GW 6 1,6 GW 7 1,8 GW Starker Wind: ca. 90% der inst. WEA speisen ins Netz ein inst. Leistung WEA: 60,5 GW Einspeisung WEA: 55,2 GW Schwerpunkt der Winderzeugung liegt im Norden Deutschlands Quelle: Amprion

20 Produktion thermischer Kraftwerke ergänzt den Leistungsbedarf (35% Anteil) Thermische Kraftwerke 1 4,3 GW 2 1,9 GW 3 13,5 GW 4 11,7 GW 5 1,1 GW 6 1,0 GW 7 1,5 GW Konventionelle Erzeugung enthält KWK-Anteile, Prozessgeführte KWe, KWe für Systemdienstleistungen und marktgetriebe KWe Mit 35 GW Leistung aus thermischen Kraftwerken liegt konventionelle Erzeugung unter 40% der Gesamtproduktion Schwerpunkt der Erzeugung liegt im Westen und Osten Deutschlands Quelle: Amprion

21 Leistungsbilanz definiert den Transportbedarf Leistungsbilanz der Regionen 1 14,4 GW 2 7,0 GW 23,4 GW Überschuss (Σ 1+2+ Import) im Norden bestimmen Transportbedarf im Norden Deutschlands Nord Süd (Region ) ,3 GW 6 3-3,0 GW 4 11,7 GW 5-3,5 GW 6-5,2 GW 7-5,7 GW 14,4 GW Leistungsdefizit (Σ 5+6+7) im Süden und 12,3 GW Export in die Alpenländer, Luxemburg (Pumpstrom) sowie Belgien definieren Transportbedarf im Süden Deutschlands (Region ) Leistungsbilanz Region 1: -15,0 GW + 23,6 GW + 1,5 GW + 4,3 GW = 14,4 GW Quelle: Amprion

22 ,4 GW 26,7GW 10,3 GW Leistungsbilanz definiert den Transportbedarf Leistungsbilanz der Regionen 1 14,4 GW 2 7,0 GW 3-3,0 GW 4 11,7 GW 5-3,5 GW 6-5,2 GW 7-5,7 GW 23,4 GW Überschuss (Σ 1+2+ Import) im Norden bestimmen Transportbedarf im Norden Deutschlands Nord Süd (Region ) 14,4 GW Leistungsdefizit (Σ 5+6+7) im Süden und 12,3 GW Export in die Alpenländer, Luxemburg (Pumpstrom) sowie Belgien definieren Transportbedarf im Süden Deutschlands (Region ) Leistungsbilanz Region 1: -15,0 GW + 23,6 GW + 1,5 GW + 4,3 GW = 14,4 GW Quelle: Amprion

23 Leitszenario B 2022 Optimierung in bestehenden Trassen AC-Neubau in Bestandstrassen: AC-Verstärkungen und AC-Stromkreisauflagen auf Bestandstrassen: DC-Stromkreisauflage: km km 300 km Netzausbau in neuen Trassen AC-Trassenneubau: 4 DC-Korridore: Übertragungsleistung: DC-Trassenneubau: Abgeschätzte Investition: Quelle: Amprion km 10 GW km 20 Mrd.

24 Vision: Das DC-Overlay-Netz Punkt zu Punkt Multi-Terminal DC-Netz Leistungsschalter erforderlich Quelle: Amprion HGÜ GT-B-AB Haude 14. Oktober 2011

25 Selbstgeführter Umrichter mit Spannungszwischenkreis Voltage Source Converter AC + U d - AC Verwendung von Insulated Gate Bipolar Transistors Polarität auf der DC-Seite immer gleich: Schnelle Leistungsumkehr über Änderung der Stromrichtung Vernetzung möglich (multi-terminal) Quelle: Amprion HGÜ GT-B-AB Haude 14. Oktober 2011

26 Gleich- und Drehstromsysteme auf einem Gestänge 380-kV- AC-System R ±400-kV DC-System + R Ohmsche Kopplung Kapazitive Kopplung S T k - C Induktive Kopplung R S T 110-kV- AC-System R S T 110-kV- AC-System L2 AC Leiter M L1 DC Leiter Quelle: Amprion

27 Innovationen notwendig! Abb: Phasenschieber Biblis Systemstabilität z.b. durch FLM Netzoptimierung (NOVA Prinzip) Abb: GIL am Fraport Neue Technologien Quelle: Amprion

28 Zusammenfassung Die zukünftige Stromerzeugung in D wird sowohl auf lastfernen Großkraftwerken (Wind, Solar und Wasser) als auch auf dezentraler Energieerzeugung (Wind, PV, KWK) basieren. Zusammenhang zwischen Umstellung der Erzeugung auf regenerativer Energieerzeugung und Ausbau des Netzes in allen Spannungsebenen nicht bewusst die Kommunikation hierzu ist eine übergreifende Aufgabe Das Übertragungsnetz steht vor einem Technologiesprung mit entsprechend großem Forschungsbedarf Verteilnetze verzeichnen erheblichen Ausbaubedarf und stehen vor Einführung neuer Systemführungskonzepte Speicher stellen einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt dar Peter Barth Dortmund, 5. September 2012

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ludger Meier, Amprion GmbH Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN)