Möglichkeiten und Nutzen von dynamischem Lastmanagement

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1 Möglichkeiten und Nutzen von dynamischem Lastmanagement Nicola Schulz Fachgruppe für elektrische Energietechnik Hochschule für Technik, FHNW Windisch Werkleiterforum DSV, 31. Oktober 2014

2 Gliederung 1. Motivation(en) 2. Dynamisches Lastmanagement a. Eigenschaften b. Grenzen c. Anwendungen 3. Aktuelle Forschung an der FHNW: Projekt «SmartStability» Institut

3 Motivation

4 EPEX Spotmarkt vom ein «normaler» Tag Institut

5 EPEX Spotmarkt vom ein Schwachlast-Tag -200 / MWh Institut

6 (Zu) viel PV-Einspeisung kann das NS-Netz überlasten Bildquelle: G. Kerber, TU München 6

7 Dynamisches Lastmanagement

8 Quelle: Stephan Koch, Martin Wiederkehr Wofür kann Lastmanagement eingesetzt werden? 1. Lastverschiebung in Schwachlastzeiten Strompreis-Differenzen t [s] 2. Minimierung von Bilanzgruppenabweichungen Fahrplanabwicklung 3. Vorhaltung und Angebot von Wirkleistungsreserve, Systemdienstleistungen Regelenergie-Markt Primär Sekundär Min.-Res. 4. Selektiver, stufenweiser Lastabwurf, geräteabhängig Störungsfall

9 FHNW-Projekt: Lokales Lastmanagement (LLM) Quelle: FHNW, ETHZ

10 Lastmanagement für Haushaltgeräte: Abschaltbare Leistungen Kochherd (15 sec) Kühlschrank (15 min) WW-Boiler (2h) Licht (0 sec) Quelle: FHNW, ETHZ

11 Quelle: P5, Arnold/Müller, FHNW Gefriergerät als Speicher: Wirkungsgrad beachten! 70% 30%

12 Lastmanagement für Gebäude: Auswertung aus Sicht Eigentümer Grosse Lasten (kw-bereich) lohnen sich Wärmepumpen, Klimatisierung, WW-Erwärmung Elektrofahrzeug mit PV-Anlage auf Dach («Sonne tanken», CO2-neutral) Quelle: BFE-Schlussbericht «Kraftwerk Haus im ländlichen Raum» Ökozentrum Langenbruck, FHNW, EMPA,

13 Zukunft von Lastmanagement: auch eine Kostenfrage! Was kostet ein intelligenter Knoten? Kühlhaus Notstromaggregat Spital WKK (privat) Wärmepumpe Haus Warmwassererwärmer Ladestation Fahrzeug Kühlgerät, Gefriergerät tief hängende Früchte X X X mittel hängende Früchte X X X hoch hängende Früchte X

14 Anwendungen

15 Swisscom im Regelenergiemarkt (Quelle: ;

16 Lastmanagement in der Industrie Wird schon seit Jahrzehnten angewendet Kunde zahlt für die bezogene Energie (kwh) und für die Spitzenleistungen (kw) Ziele für Lastmanagement: Glättung von Lastspitzen Ausnutzung von Schwankungen des Strompreises Voraussetzungen: Thermisch träge Prozesse, Zwischenspeicher Beispiele: Bereitstellung von Prozesskälte und -wärme, Belüftung, Klimatisierung, Raumwärme

17 Lastmanagement zur Eigenverbrauchsmaximierung: Auswertung am realen Gebäude Quelle: BFE-Schlussbericht «Kraftwerk Haus im ländlichen Raum» Ökozentrum Langenbruck, FHNW, EMPA,

18 Spannungstoleranz im NS-Netz DEA A V NS-Leitung Q MS- Netz 1. Regeltrafo A V NS-Leitung Q MS- Netz 2. Eigene Einspeiseleitung DEA DEA A V NS-Leitung Q MS- Netz 3. Blindleistungseinspeisung Q DEA A V NS-Leitung Q MS- Netz 4. Batteriespeicher DEA A V NS-Leitung Q MS- Netz 5. Lastmanagement (smart grid)

19 Aktuelle Forschung FHNW: Collaborative Smart Homes Projekt SmartStability Energy Research Lab Speicher Kommunikation Elektrizität Finanzen Intelligenter Knoten für Kommunikation, Energieverteilung und Wirtschaftlichkeit

20 Zusammenfassung und Schlüsse Lastmanagement und «smart grid» sind notwendig für ein auch zukünftig stabiles Netz Zeitkonstanten der Speicherung beachten (Effizienz) Regelstrategie lokal + netzseitig Der Kommunikationsaufwand ist kritisch: Kommunikation / Intelligenz mehrfach nutzen (Komfort, Monitoring, Sicherheit, Lastmanagement) Erst die Zusammenarbeit mit den Geräteherstellern ermöglicht ein wirtschaftliches Lastmanagement bei hoher Verfügbarkeit und auch für kleine Speicher Einfache Abgeltungsmodelle sind notwendig Studien sind wichtig, aber Erfahrungen sammeln ist zentral!

21 Backup-Material Institut

22 PV- und Windenergie-Erzeugung in Deutschland PV + Wind Peakleistung: ca. 62 GW ( mittlerer Verbrauch) Mittlere Erzeugung: ca. 8 GW (=13%) 1. Jahreshälfte 2013 Institut

23 Einige Thesen zur Elektrizitätsversorgung der Zukunft die Stromnachfrage bleibt der Anteil an Bandenergie (Kohle, Kernkraft, Laufwasser) nimmt ab der Anteil an fluktuierender Energie (aus Wind, Sonne) nimmt zu dezentrale Erzeugung verändert das Verteilnetz Aktuelle Themen für die elektrischen Energieversorgung Beeinflussung der Last (Stichwort: smart grid) f und U Stromspeicher (für Stunden, Tage, Saison) Hochleistungs-Übertragungsnetz (HGÜ)

24 Mit Haushaltgeräten könnten Solarspitzen gespeichert werden Kühl- und Gefriergeräte Schweiz 7 Mio x 30 W 7 Mio x 0.2 kwh aber: lediglich Stundenspeicher (Verluste!) Brauchwassererwärmer (WP) Schweiz 1 Mio x 2 kw 1 Mio x 3 kwh aber: lediglich Tagesspeicher (Verluste!) 200 MW 1 GWh 2 GW 3 GWh Kurzzeitspeicher für Netzentlastung / Spannungsqualität!

25 Quelle: Stephan Koch, ETHZ Mögliche Regelstrategie netzseitig, z.b. für Bilanzgruppe Der Kunde wird auch profitieren vom smart grid P Sollwert Istwert t OK, bitte jetzt schon schalten! Akzeptierter Preis Nein, noch zu teuer Preis-Funktion Ich schalte planmässig in 10 Minuten, ich könnte aber auch jetzt schon schalten für 2 Rappen

26 LLM Wirtschaftlichkeit am Beispiel (1): Systemdienstleistungen Preise für die Vorhaltung von Regelreserven (CH, 2011) Primärregelung Sekundärregelung Tertiärregelung positiv Tertiärregelung negativ* Tagesauktion CHF/MW/h CHF/MW/h 2 17 CHF/MW/h 8 15 CHF/MW/h sehr variabel nach Tageszeit! * Produktion reduzieren oder Last erhöhen.

27 LLM Wirtschaftlichkeit am Beispiel (2): Jährliche Vergütung für Vorhaltung von Tertiär-Regelreserve Vergütung für Gefriergerät mit Lastmanagement 30 W à h/a Energieverbrauch CHF/MW/h Vergütung 2.6 CHF/a Vergütung für EFH-Boiler (WP, COP = 3) mit Lastmanagement 3 kwh/d Energieverbrauch CHF/MW/h Vergütung 11.- CHF/a

28 Anwendung 4: Lastabwurf nach Gerätekategorie Gemäss grid code der ENTSO-E müssen bei einer Störung folgende Massnahmen getroffen werden: Hz normale Primärregelung 49.8 Hz zusätzliche Erzeugung aktivieren 49.5 Hz Pumpspeicherkraftwerke abschalten 49.0 Hz 10-15% Last abwerfen 48.7 Hz weitere 10-15% Last abwerfen 48.4 Hz weitere 15-20% Last abwerfen 48.1 Hz weitere 15-20% Last abwerfen 47.5 Hz Generatoren vom Netz nehmen Verteilte Einspeisung wird mit der Last abgeschaltet! Unterfrequenz-Lastabwurf wird in Zukunft nicht mehr zuverlässig funktionieren, Lasten sollen individuell abgeschaltet werden! Starkes Argument für ein smart grid

29 Spannungsverhältnisse im NS-Netz

30 Belastungsgrenzen von NS-Netzen bei starker PV-Einspeisung Durch Blindleistung (Q) wird das Spannungsniveau beeinflusst PV-Wechselrichter können Blindleistung einspeisen Durch Blindleistung lässt sich das NS Netz stabilisieren (innerhalb gewisser Grenzen) Im Diagramm: gelbe Fläche Durch dynamisches Lastmanagement lässt sich die maximale PV-Einspeisung ebenfalls erhöhen