Energiesystem im Wandel - Smart Grids, dezentrale Erzeugung und Elektromobilität. Wolfgang Gawlik

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1 Energiesystem im Wandel - Smart Grids, dezentrale Erzeugung und Elektromobilität Wolfgang Gawlik

2 Was ist ein Smart Grid Smart Grids sind Stromnetze, welche durch ein abgestimmtes Management mittels zeitnaher und bidirektionaler Kommunikation zwischen Netzkomponenten Erzeugern Speichern und Verbrauchern einen energie- und kosteneffizienten Systembetrieb für zukünftige Anforderungen unterstützen. 2

3 Kernthemen für das Smart Grid Erneuerbare Energiewandlung Verteilte Erzeugung und Speicherung Energietransparenz Energieeffizienz Demand Side Integration Demand Side Management Demand Response Große Herausforderung: (Saisonale) Speicherung Große Fragestellung: Erfordern dezentrale Strukturen (noch) ein Verbundnetz? 3

4 Typischer Lastverlauf 4

5 Grundlagen i P G i ( t) P ( t) L j j = ωj dω dt P G Erzeugte Leistung P L Verbrauchte Leistung (incl. Verluste) J Trägheitsmoment ω Kreisfrequenz (ω=2πf) 5

6 Grundlagen i P G i ( t) P ( t) L j j = ωj dω dt P G = P L ω P G > P L ω P G < P L ω 6

7 Grundlagen P G P L P G = P L ω P G > P L ω P G < P L ω 7

8 Frequenzregelung in Stromsystemen Zu jedem Zeitpunkt muss die erzeugte der verbrauchten Leistung entsprechen Bisheriges Paradigma: Erzeugung folgt Verbrauch In Elektroenergie- Systemen gibt es kein Besetzt-Zeichen Anforderung der Kunden 8

9 Frequenzregelung in Stromsystemen 19:30 Anstoss Eng-USA 20:19 Halbzeit +1140MW 21:23 Spielende +1180MW Quelle: National Grid 9

10 Frequenzregelung in Stromsystemen Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch bewirkt Änderung der Netzfrequenz 10

11 Frequenzregelung in Stromsystemen Drehzahlregler der Regelkraftwerke reagieren auf Frequenzabweichungen und ändern erzeugte Leistung 11

12 Herausforderungen an Frequenzregelung i P G reli ( t) + P ( t) P ( t) G + G k conk l pro l m P L pro m ( t) + P ( t) L n conn = ωj dω dt Zuverlässig verfügbare, gut regelbare und lediglich prognostizierbare Erzeugung steht prognostizierbarem und regelbarem Verbrauch gegenüber 12

13 Herausforderungen an Frequenzregelung Steigender Anteil lediglich prognostizierbarer Erzeugung erfordert verstärktes Load Shaping Paradigma Erzeugung folgt Verbrauch löst sich zunehmend auf 13

14 Load shaping Pumpspeicherkraftwerke zum Spitzenlastausgleich Einfuhrsaldo, Speicher und Pumpspeicher- KWs 0:00 4:00 8:0012:0016:0020:00 24:00 14

15 Elektromobilität Annahmen: Elektroautos werden nur ca. 1h/Tag benutzt, d.h. sie sind ca. 23h/Tag an das Energieversorgungsnetz angeschlossen Durchschnittliche Kapazität des Energiespeichers 30kWh Durchschnittliche Anschlussleistung 10kW 15

16 Mögliche Auswirkung der Elektromobilität auf Tagesganglinie Aufladen im Parkhaus Aufladen zu Hause Gesteuertes Aufladen 16

17 Größenvergleich Pumpspeicherung und Elektromobiltät PSKW Goldisthal Elektroauto Äquiv. Anzahl 1060 MW 10 kw ,5 GWh 30 kwh

18 Micro Grids Dezentrale Erzeugung & Speicherung Lokaler Lastausgleich 18

19 Micro Grids Dezentrale Erzeugung & Speicherung Lokaler Lastausgleich 19

20 Herausforderungen des Verbundnetzbetriebes Eigene Darstellung nach Tomschi, WEC-Workshop "Die Energiewende" ( , Wien) 20

21 Smart Grids Treiber Treiber für Smart Grid unterschiedlich stark ausgeprägt USA: Kunden, Zuverlässigkeit EU: Verteilte Erzeugung China: Wachstum Wirtschaftliches Wachstum Technischer Fortschritt Zuverlässigkeit und Sicherheit Wachsender Energiebedarf Spannungs- und Versorgungsqualität Gesetze und Regulierung Kundeninteresse & -beziehungen Erneuerbare Energien Dezentrale Erzeugung & Speicherung Umweltbewusstsein Smart Grid Dr.-Ing. Wolfgang Gawlik Folie 21 21

22 Smart Grids Schichtenmodell Smart Grid öffnet Markt für neue Marktteilnehmer Dr.-Ing. Wolfgang Gawlik Folie 22 22

23 Paradigmenwandel in der Netzarchitektur 23

24 Netzstruktur vom Kopf auf die Füße 24

25 Aktueller Verteilnetzbetrieb 25

26 Regelbarer Ortsnetztrafo (RONT) Ausgleich von Spannungsschwankungen im Mittelspannungsnetz 26

27 Regelbarer Ortsnetztrafo (RONT) Nur Lasten 27

28 Regelbarer Ortsnetztrafo (RONT) Homogene Einspeisung 28

29 Regelbarer Ortsnetztrafo (RONT) Was kann man bei inhomogenen Einspeisesituationen tun? 29

30 Regelbarer Ortsnetztraf (RONT) Stufenschalter würde Spannungsgrenzen verletzen Lösung: Nur untere Grenzen beachten 30

31 Regelbarer Ortsnetztrafn (RONT) und Spanungsüberschreitungen dezentral reduzieren 31

32 Vortrag Dr. Martin Heidl, SGW 2013 Wien

33 Vortrag Reinhard Nenning, SGW 2013 Gawlik TU Wien 2013 Seite 33 33

34 Verlorene Energie durch P(U)-Regelung 100% Leistung in % kwp 90% 80% 70% 66% 60% 50% 40% -0,06% -0,33% -2,9% -4,9% -8,71% -16,91% -27,5% Reduktion des Ertrags bei Leistungsbeschränkung 30% 20% 10% 0% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Anteil des Jahreszeitraums 20% 10% 0% 34

35 Energieträger-übergreifende Speicherpotentiale im Universal Grid ~ zentrale elektrische Erzeugung: Wasserkraft, Import, zentrale elektrische Speicher: Pumpspeicher Übertragungsnetz GT, GuD zentrale Gasspeicher Verteilungsnetz Wasserstoff dezentrale elektrische Speicher: Blei-, Li-Ion-Akkus, Elektrolyse Brennstoffzelle Methanisierung Reformierung dezentrale Erdgasspeicher elektrische Last: Haushalte, E-Mobilität, ~ dezentrale erneuerbare Erzeuger: PV, Wind, Biomasse, H 2 -Last: H 2 -Fahrzeuge Wasserstoffspeicher Mikro-GT Erdgas-Last: Haushalte, Gas- Fahrzeuge, dezentrale erneuerbare Erzeuger: Biogasanlagen, Wärme Strom dezentrale, thermische Speicher: Boiler, Thermische Last: Haushalte, dezentrale erneuerbare Erzeuger: Biomasse-HKW, Erdgas 35

36 Projekt: Symbiose 36

37 Projekt: Symbiose 37

38 Projekt: Symbiose 38

39 Projekt: Symbiose 39

40 Projekt: Symbiose 40

41 Projekt: Symbiose 41

42 Projekt: Symbiose 42

43 Projekt: Symbiose 43

44 Projekt: Symbiose 44

45 Fazit Zukünftige Netzarchitekturen entwickeln sich von zentralen zu dezentralen Strukturen von Hierarchie zu Subsidiarität vom weitgehend isolierten Strom-/Gas-/Fernwärme- Netz zum Universal Grid Das Verbundnetz wird weiterhin benötigt! 45

46 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!