Systemtechnik und Netzmanagement für ein effizientes Strom-Wärme-System

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1 Systemtechnik und Netzmanagement für ein effizientes Strom-Wärme-System Dr. Kurt Rohrig, Dr. Philipp Strauss Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Dr. Christof Wittwer Fraunhofer Institut für Solare Energieversorgung

2 Übersicht Bedeutung der Kopplung Strom Wärme für die Energiewende Modellierung und Analyse der Interaktion Strom-Wärme Rolle von regionale und lokale Prognosen für PV, Wind Beispiele für intelligentes Netz- und Energiemanagement Zusammenfassung

3 Transformation des Energieversorgungssystems Heute TWh 800 TWh aus EE WÄRME Wärmepumpen Elektromobilität Rolle des Stroms wird dominant

4 Modellierung und Systemanalyse Sektorübergreifende Zubauoptimierung - Szenarienentwicklung und Technologiebewertung

5 Flexibilitätsoption - Lastmanagement residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen Leistung [GW] Leistung [GW] /09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat Volllaststunden [h] Bestehende Verbraucher (Nachtspeicher, el. Trinkwarmwasser, weiße Ware) Neue Verbraucher (E-KFZ, E-WP, Klimatisierung) Industrielles Lastmanagement

6 Kopplung Strom-Wärme Residuallast (Last EE) KWK&WP- wärmegeführt vs. netzdienlich wärmegeführt Netzdienlich: strom-wärmegeführt Schwarz: Residuallast; Grün: WP; Blau: KWK; Rot: WP&KWK

7 FVEE Jahrestagung 2013: Forschung für ein nachhaltiges Strom-Wärme-System Satellite Aufbau der PV-Prognose NWP (0 78 h) Cosmo-EU Radiation Temperature Installed PV-Capacity Preprocessing PV-forecast - EEG Database - PV Database (BNetzA) Classification by age, power Statistical information of : -inclination, orientation, - WRund efficiency factor - losses Physical Simulation of all PV plants MOS NN

8 Simulation von EE-Einspeisung und flexiblen Lasten Einsatzoptimierung von virtuellen Kraftwerken Bewertung von Geschäftsmodellen und Betriebskonzepten z.b. Einsatzoptimierung von PV-Speicher- Systemen in Privathaushalten z.b. Einsatzoptimierung von Biogasanlagen am Spot- und Regelleistungsmarkt [ /MW] [MW] [MW] [MWh] positive Minutenreserve negative Minutenreserve Spotmarkt DayAhead Erzeugung BHKW 1 Erzeugung BHKW 2 Erzeugung BHKW 1 Erzeugung BHKW 2 pos. Minutenreserve neg. Minutenreserve Spotmarkt Spot- und Regelleistungsmarkt 0 15.Jul 16.Jul 17.Jul 18.Jul 19.Jul 20.Jul 21.Jul 22.Jul 23.Jul 24.Jul 25.Jul 26.Jul 27.Jul Residuallast [kw] PV generation PV self-consumption Storage charge Storage discharge Grid feed-in Grid purchase Consumption Residual load X: 7.345e+005 Y: Jan-01 Jan-01 Jan-01 Jan-01 Jan-01 Jan-02 Jan-02 Jan-02 Jan-02 Jan-02 Datum

9 Kopplung mit Virtuellen Kraftwerken: Regenerative Modellregion Harz Unterschiedliche Steuerungsmöglichkeiten für das VK (Regenerativer Energieverbund Harz) REH P Kontrollkommunikation Markt- und Konfigurationskommunikation P Δ P Indirekt durch flexible Tarife Direkte Steuerung durch die Leitwarte Direkte Steuerung durch ÜNB bei Gefährdung der Netzsicherheit Voraussetzung: IKT

10 Unterstützung Netzbetrieb regionales Einspeisemanagement Durch ein regionales Energiemanagement und durch die Abregelung weniger Erzeugungsspitzen kann die Anschlussleistung der Region an das Übertragungsnetz deutlich reduziert werden 100% EE [MW] Installiert Wind 625 Installiert PV

11 Flexibilitätsoption Energiemanagement im Haushalt PV-Strom ~ Elektrische Leistung aus Solar und Windkraftanlagen kann über Wärmepumpen in Form von Wärme oder Kälte gespeichert werden Dezentrale Energiemanagementsysteme können hierfür eingesetzt werden und benötigen hierzu Informationen zur Residuallast-Situation

12 SUN2Heat: Gleichzeitigkeit Strom Wärme COP: 4 links von Linie: weitere Stromüberschüsse vorhanden rechts von Linie bis y-achse: überschüssiger Strom kann als Wärme verwertet werden KWK Steigung KWK: 30/ 50, aufgrund el. und th. Wirkungsgrade unter Linie: Wärme kann gespeichert werden über Linie: KWK produziert zusätzlich Stromüberschüsse

13 Modell Prädiktive Betriebsführung KWK EEX-Preise Vergütung Vorhersage Controller 13

14 PV-WP-Systeme zur Eigenstromoptimierung links: HeatShift rechts wärmegeführt

15 Dezentrales Energiemanagement: OGEMA 2.0 Zur Unterstützung des dezentralen Energiemanagements entwickeln drei Fraunhofer Institute gemeinsam die Open Source - Plattform OGEMA Durch die Verknüpfung von Netzbetrieb, Gebäudemanagement und durch die Einbindung von intelligenten Zählern lassen sich Strom- und Wärmemanagement optimieren

16 Zusammenfassung Die Transformation des Energieversorgungssystems bedingt ein koordiniertes Zusammenspiel der Sektoren Strom, Wärme und Gas Die Aufnahme von Wind- und Sonnenenergie in das Netz kann durch genaue Einspeiseprognosen optimiert werden Die Kopplung zum Wärmesektor mittels KWK, Wärmepumpe und Heizstab ermöglicht die weitere Flexibilisierung der Nachfrageseite Diese Interaktion wird durch intelligente Lösungen der Systemtechnik für das Energie- und Netzmanagement ermöglicht

17 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Systemtechnik und Netzmanagement für ein effizientes Strom- Wärme-System Dr. Kurt Rohrig, Dr. Philipp Strauss Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Dr. Christof Wittwer Fraunhofer Institut für Solare Energieversorgung

18 Backup-Folien

19 Dynamische Simulationsu mgebung ColSim Input reale Messdaten für PV Eintrag und Wärmelast Dyn. Modell Wärmepumpe Controller: wärmegeführt vs. Eigenstromoptimiert (HeatShifter) PV-BWP-System ColSim Modell

20 Flexibilitäten von strom-wärmegeführten KWK Anlagen BHKW/WP und thermische Speicher CHP HP electricity electricity

21 Wärmegeführt Residuallast im Netz Carpet Plot netzdienlich: Strom- Wärmegeführt Power in GW Day of the year Day of the year Erhebliche Glättung der Residuallast durch netzdienliche Betriebsführung

22 SmartEnergyLab Entwicklungslabor für intelligente thermisch-elektrische Gebäudeenergiesysteme Simulation von unterschiedlichen»smart Home«-Typologien Inselnetzbetrieb, PV-, Solarthermie, Mikro-KWK und weitere Einspeisung (Hardware-inthe-Loop-Betrieb) Kombination von thermischen und elektrischen Systemen (Erzeuger, Speicher, Verbraucher) mit intelligenten Messsystemen Einbindung eines E-PKW als mobiler Verbraucher

23 Effekte der EE-Einspeisung BMU-Leitstudie Szenario A Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Residuallast Leistung [GW] Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Residuallast - Export Export Import Monat 100 Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export Leistung [GW] Leistung [GW] Volllaststunden [h] /09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag/Monat

24 Windenergieprognose- KI Methoden: Künstliche Neuronale Netze

25 Beispiel: 80%-Szenario für die zukünftige Energieversorgung Primärenergie Energiesektor TWh Verkehr 767 TWh Strom TWh Wärme TWh Langstrecke u.a. E Mobiltät 160 TWh Konv. Kraftwerke Wind + PV; Stromeffizienz Gebäudedämmung; Anlagentechnik ect. 776 TWh Effizienz 266% Wärmepumpe 175 TWh Power to Heat 100 TWh 60 TWh 486 TWh Effizienz 258% Power to Gas 150 TWh Fossiles Erdgas ect. Strom 864 TWh 800 TWh Wind, PV 68 TWh Biomasse/ Biokraftstoffe; Umweltwärme; Verluste ect. Endenergie Energiesektor TWh TWh EE

26 OGEMA 2.0: Struktur OGEMA ist ein Gateway und eine Plattform auf der Anwendungen verschiedener Hersteller Implementiert werden können Basis-Dienstleistungen, Datenmodelle und Schnittstellen zum Netz /Energiehandel sowie zu verschiedenen Gebäudemanagementsystemen sind integriert