Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft. Life Needs Power Hannover Messe, 26. April 2018 Prof. Dr.-Ing.

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1 Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft Life Needs Power Hannover Messe, 26. April 2018 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther

2 Übersicht Einleitung Die Treiber des Umbaus Energiepolitischer Rückenwind Innovationen für den Netzbetrieb der Zukunft Motivation und Zielstellung Ansatz und Konzept Systemführung in Echtzeit Forschungs- und Entwicklungsbedarf Aspekte zur Umsetzung Zusammenfassung - 2 -

3 Was treibt die Netzentwicklung in Deutschland und Europa? Spannung Integration erneuerbarer Energien Integration erneuerbarer Energien Integration erneuerbarer Energien Versorgungssicherheit Integration erneuerbarer Energien kommerziell physikalisch Europäischer Strommarkt - 3 -

4 Bevor ihr euch streitet, klärt die Begriffe. Konfuzius, chinesischer Philosoph v. Chr. Die energiepolitische Sicht der Bundesregierung Wir werden: Anstrengungen zum Ausbau und zur Modernisierung der Energienetze unternehmen. Zu diesem Zweck werden wir einen ambitionierten Maßnahmenplan zur Optimierung der Bestandsnetze und zum schnelleren Ausbau der Stromnetze erarbeiten. Es geht darum, mit neuen Technologien und einer stärkeren Digitalisierung aber auch mit einer besseren Zusammenarbeit der Netzbetreiber die vorhandenen Netze höher auszulasten Quelle: Koalitionsvertrag der Bundesregierung, 12. März

5 Netzführung weitergedacht: Motivation und Konzept Die zunehmende Komplexität der elektrischen Energieversorgung stellt neue und erweiterte Anforderungen an den Systembetrieb. Mangelnde gesellschaftliche Akzeptanz und langwierige Genehmigungsverfahren erschweren einen bedarfsgerechten Netzausbau: Versorgungssicherheit Redispatch-Kosten Entwicklung langfristiger technologischer Lösungen auf der Basis neuer Planungs- und Betriebsgrundsätze. Bedarf an Expertensystemen und erweiterten Systemautomatiken. Ziel: multivariate Optimierung und Netzführung in Echtzeit. Langfristig: Optionen und Alternativen zum großräumigen Netzausbau. Systemübergreifende Planung und ereignisorientierte Systemführung: Übergang vom präventiven zum kurativen (n-1)-kriterium - 5 -

6 Definition des (n-1)-kriteriums Der Grundsatz der (n-1)-sicherheit in der Netzplanung besagt, dass in einem Netz bei prognostizierten maximalen Übertragungs- und Versorgungsaufgaben die Netzsicherheit auch dann gewährleistet bleibt, wenn ein Netzbetriebsmittel ausfällt oder abgeschaltet wird. Für diesen Fall darf es nicht zu Versorgungsunterbrechungen oder einer Ausweitung der Störung kommen. Außerdem muss die Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben und die verbleibenden Betriebsmittel dürfen nicht überlastet werden. Diese allgemein anerkannte Regel der Technik gilt grundsätzlich für alle Netzebenen. Quelle: Glossar netzausbau.de, modifiziert Auszuschließende Auswirkungen Versorgungsunterbrechungen Folgeauslösung weiterer Schutzgeräte Stabilitätsverlust von Erzeugungsanlagen Netzbetriebsmittel für (n-1)-ausfall Freileitungs- bzw. Kabelstromkreis Netztransformator Erzeugungseinheit Notwendige Änderung ggf. Unterbrechung einer Übertragung Dauerhafte Grenzwertverletzungen (Betriebsspannung, Spannungsbänder, Kurzschlussleistung, Strombelastung) - 6 -

7 Präventives und kuratives (n-1)-kriterium Präventiv Die Netze werden für den ungestörten Betrieb (n-1)-sicher geplant - d.h. redundant ausgelegt. Die Redundanz für einen Ausfall wird in den Betriebsmitteln vorgehalten. Kurativ Das (n-1)-prinzip wird kurativ, d.h. nach dem Eintritt einer Störung durch betriebliche Eingriffe gewahrt. Im ungestörten Betrieb besteht keine oder nur eingeschränkte Redundanz. Einfacher und bewährter Einsatz in Planung und Betrieb Teilauslastung der Assets im ungestörten Betrieb Deterministischer Ansatz ohne Berücksichtigung der Eintrittswahrscheinlichkeit von (n-1)-ausfällen Hohe Komplexität und Notwendigkeit zusätzlicher betrieblicher Freiheitsgrade (Flexibilitätsoptionen, Automatisierung) Maximale Auslastung der Assets im ungestörten Betrieb Erhöhung der Übertragungskapazität im ungestörten Betrieb, langfristig Reduzierung des Netzausbaubedarfs - 7 -

8 Auslastung der Betriebsmittel im stationären Betrieb I/I n Präventives n-1 Kuratives n-1 100% 60% - 8 -

9 Beispiel zur Wirkungsweise einer kurativen Systemautomatik P 5 Leistung 100 %

10 Beispiel: Informationsverarbeitung im Automobil Eingabe Sensoren Verarbeitung (inkl. Mensch) Steuerungs- und Regelungsgeräte Bordcomputer Ausgabe Aktoren Temperatursensoren Sitzbelegungserkennung Regensensor Lichtsensoren Lenkradwinkel Abstandsmessung Gaspedalpositionsgeber Motordrehzahlgeber Beschleunigungssensor Lambdasonde Klima- und Lüftungsanlage Sitzpositionsmotoren Scheibenwischermotor Scheinwerferregulierung Parkassistent Kraftstoffpumpe Einspritzanlage Geschwindigkeitsregelung Fahrerinformationssystem Bildquelle: Audi AG

11 Digitalisierung in der Netzsystemführung der Zukunft Eingabe Sensoren Verarbeitung (inkl. Mensch) Steuerungs- und Regelungsgeräte Ausgabe Aktoren Strom Spannung Wirk- und Blindleistung Leitertemperatur Leiterseildurchhang Betriebsmittelauslastungen Ladezustand von Speichern Frequenz PMU/WAMS Bildquellen: Trench, swissgrid, ABB Expertensysteme zur Netzsystemführung in Echtzeit Rechnergestützte Optimierungsalgorithmen unter Einbeziehung betriebsmittelspezifischer Randparameter Selektive Gegenprüfung durch Personal Koordinierte, vollautomatisierte Betriebsführung hybrider Systemstrukturen Schalthandlungen Transformatorstufensteller Kraftwerksregelung (konventionell und regenerativ) Lastflusssteuerung und Kompensation (HGÜ, FACTS, PST) Schutzanregung Regelleistungseinsatz Speicherregelung Power-to-X Prozesse Marktkapazitäten

12 Regeleingriffe und Zeitbereiche im Übertragungsnetz Spannungsregelung Turbinenregelung Leistungs-/ Frequenzregelung Schutz 1/10 s 1 s 10 s FACTS HGÜ PST / Stufenschalter 1 min 10 min 1h 10 h 100 s 1000 s s Zeit Leistungsschalter Gas-/Pumpspeicherkraftwerke Thermische Kraftwerke

13 Beispiel Netzregelung: Phasenschieber-Transformatoren in Kontinentaleuropa DK GB NL DE PL PST in Betrieb (23) PST geplant (10) BE CZ LU SK UA FR CH IT AT SL HR HU RO BA RS ME BG MK PT ES AL GR MT

14 Interaktionen und Regelung von hybriden Netzstrukturen VSC HVDC Local Generator HVDC Classic AC Power System Reactive Power Compensation FACTS devices

15 Energieinformationsnetz: Struktur und Aggregation Knotenzuweisung von Einzeldaten über Netztopologie Aufteilung nach Energiearten knotensensitive Aggregation von Einzeldaten über Netztopologie Aufteilung nach Energiearten Ermittlung von Flexibilitäten Netzdaten Datenverarbeitung Einzeldaten Kunde Bereitstellung von Einzeldaten und Flexibilitäten Unterlagerte VNB ESM/NSM Lastabwurf VNB am ÜNB-Netz ESM/NSM Lastabwurf vorausschauende Netzzustandsbewertung optimierter Einsatz von Flexibilitäten Vorteile: Prozesseffizienz Datenqualität und -verfügbarkeit ÜNB ESM/NSM Lastabwurf vorausschauende Netzzustandsbewertung Systemsicherheit Datensensibilität Datensicherheit Prozesse Quelle: Leitplanken für die Ausgestaltung des Energieinformationsnetzes in einer dezentralen Energiewelt Impulspapier der Verteilnetzbetreiber, Nov

16 Untersuchungsbedarf und Aspekte zur Umsetzung Einfluss auf den NEP Strom: technisch, wirtschaftlich, ökologisch, organisatorisch Zielnetz 2030 definieren Auswirkungen auf die Versorgungsqualität Abschätzung und Gegenüberstellung von Investitions- und Betriebskosten Interoperabilität: HDÜ/HGÜ/Verteilnetze unter Berücksichtigung der systemischen Integration von Sektorenkopplungen Aufbau eines bedarfsgerechten Energieinformationsnetzes Organisation und Koordination: Europäische Netzentwicklung und koordinierter Systembetrieb innerhalb ENTSO-E Regulatorische Rahmenbedingungen Interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten

17 Zusammenfassung Konzeptansatz: Erweiterte Analysewerkzeuge und Expertensysteme in der Netzsystemführung, Betriebliche Freiheitsgrade durch intelligenten Netzausbau. Technische Aspekte: Einführung neuer Planungs- und Betriebsgrundsätze, Entwicklung langfristiger technologischer Lösungen (Zeithorizont 2030+) hinsichtlich Automatisierung und Digitalisierung, ganzheitliche Systembetrachtungen. Organisatorische Voraussetzungen: Regulatorische Rahmenbedingungen, Koordination der Systemführung zwischen ÜNB/VNB und innerhalb der ENTSO-E. Forschung: Zukünftiges Innovationsfeld mit hohem wissenschaftlichem Anspruch, umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf

18 Zu guter Letzt Wenn über das Grundsätzliche keine Einigkeit besteht, ist es sinnlos, miteinander Pläne zu machen. Konfuzius, chinesischer Philosoph v. Chr

19 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme Cauerstr. 4 Haus Erlangen Tel: Fax: Web: info@ees.fau.de

20 Aktuelle Studien zum Thema TenneT TSO GmbH, consentec: Netzstresstest, Dena, BET: Höhere Auslastung des Stromnetzes - Maßnahmen zur höheren Auslastung des Bestandsnetzes durch heute verfügbare Technologien, 2017 Agora Energiewende, Energynautics: Toolbox für die Stromnetze. Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien und für das Engpassmanagement,