Pilotnetz VEiN - Dezentrale Energieerzeugung auf dem Prüfstand René Soland, AEW Energie AG Leiter Geschäftsbereich Netze Mitgliederversammlung Verein Aargauer Naturstrom (ANS) Brugg, 9. April 2014
Agenda Informationen zum Projekt «VEiN» Pilotnetz Anlagen Erste Erkenntnisse Einsatz von selbstregulierender Transformator und elektrischen Energiespeicher Fazit Fragen / Diskussion Seite 2
VEiN Verteilte Einspeisungen in Niederspannungsnetze Forschungsprojekt zur Klärung der Auswirkungen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen auf die elektrischen Verteilnetze Trägerschaft Gruppe Regionalwerke Seite 3
Umfeld des Projekts VEiN Ein vermehrter Einsatz von verteilten Einspeisungen in das Niederspannungsnetz ist in Zukunft zu erwarten. Seite 4
Problemstellungen Netzrückwirkungen Spannungsqualität Oberschwingungen Flicker Spannungsschwankungen Symmetrie im Drehstromsystem Beeinflussung von Rundsteueranlagen Netzstruktur, Regelung Lastmodellierung Kompensation von Blindleistung P- und f-regelung Versorgungssicherheit Optimierung Sicherheitsanforderungen Rückspeisung Inselbildung Schutztechnik selektive Fehlererkennung Personensicherheit Seite 5
Ausgangslage für Netzbetreiber Die Verteilnetzbetreiber sind im Kerngeschäft betroffen Der Ausbau und der Betrieb der Verteilnetze wird nachhaltig beeinflusst werden. Die Komplexität des Systems nimmt zu. Die Betriebsführung im Normalbetrieb und insbesondere im Störfall ist betroffen. Die Auswirkungen auf die Kunden sind zu beschränken; die Versorgungssicherheit und die Spannungsqualität beim Kunden darf nicht beeinträchtigt werden. (Haftung / Schadenersatzforderungen Seite 6
Bisherige Aktivitäten Theoretische Studie: 2001/2003 Titel*: Zunahme der dezentralen Energieerzeugungsanlagen in elektrischen Verteilnetzen Finanziert durch: BFE, KTI, ABB, PSEL, EW Davos, ewz, AEK Energie Ausgeführt durch: Schnyder Ingenieure AG; Hochschule für Technik und Informatik Biel, ABB Forschungszentrum Dättwil Machbarkeitsstudie: 2004/2005 Titel*: Dezentrale Erzeugungsanlagen in Niederspannungsnetzen Finanziert durch: BFE und AEW Energie AG Ausgeführt durch: AEW Energie AG, Schnyder Ingenieure Feldstudie mit Pilotnetz: 2010-2014 Titel*: Verteilte Einspeisungen in Niederspannungsnetzen «VEiN» Finanziert durch: AEW, BFE, BKW, CKW, DSV, EKZ, EWB, EWZ, Groupe E, Gruppe Regionalwerke, IWB, RE, StWW, WWZ *www.electricity-reserach.ch Seite 7
Zielsetzungen des Pilotprojektes 1. Aufbereitung und Sammlung von Fachwissen Neue Erkenntnisse gewinnen / Bestätigung der Theorie im Praxisumfeld Ermitteln der Auswirkungen auf die Verteilnetze für die Machbarkeit von VEiN 2. Technische Randbedingungen ausführlich definieren Monitoring, Mess-, Steuer- und Regelmöglichkeiten Unterbrechungsfreie Stromversorgung / Stabilität des Verteilnetzes Neue Netzelemente und Netzstrukturen / ICT-Systeme 3. Festlegung von Anschlussbedingungen für VEiN Ableiten von konkreten Regeln für den Anschluss von VEiN Seite 8
Pilotnetz in Rheinfelden TS Kreuzmatt Rheinfelden, TS Kreuzmatt Seite 9
Niederspannungsnetz ab TS Kreuzmatt Seite 10
Anlagen- und Objektübersicht Seite 11
Realisierte Anlagen PV-Anlagen Inst. Leistung Produktion Volllaststunden 2011 2012 2011 2012 Alters- und Pflegeheim 32.8 kwp 31 729 kwh 27 477 kwh 967 h 859 h Parkhaus Parkresort Rheinfelden 60.1 kwp 61 515 kwh 49 896 kwh 1 023 h 832 h Wohnbaugenossenschaft Zähringer 31.5 kwp 37 560 kwh 30 887 kwh 1 192 h 981 h Privat: L Orsastrasse 9.4 kwp 9 504 kwh 8 339 kwh 1 011 h 826 h Privat: Hermann Keller Strasse 10.9 kwp - * 6 246 kwh - * 573 h TOTAL 144.7 kwp 140 308 kwh 122 845 kwh * Inbetriebnahme 25.05.2012 Seite 12
Realisierte Anlagen BHKW-Anlagen Inst. Leistung Produktion Volllaststunden 2011 2012 2011 2012 Alters- und Pflegeheim 48.0 kwp 192 767 kwh 220 296 kwh 4 015 h 4 590 h Schulhaus Robersten 90.0 kwp 317 610 kwh 70 914 kwh 3 529 h 788 h TOTAL 138.0 kwp 510 377 kwh 291 210 kwh Seite 13
Realisierte Anlagen Mini-BHKW-Anlagen Brennstoffzellen-Anlagen von Hexis, Produkt Galileo Brennstoffzellen-Anlagen von CFC, Produkt BlueGen (in Planung) HT-Brennstoffzelle intergierte Gas-Heizung el. Leistung: 1.0 kw th Leistung: 1.8 kw el. Wirkungsgrad: 33% Seite 14
Realisierte Anlagen Leichtwindanlage Leistung: 3.6 kw Durchmesser: 2 m Höhe Flügel: 3 m Gewicht: 250 kg Anschluss: 230 VAC Vmin: 2 m/s Vopt: 12 m/s 04.07.2011 Baugesuch 22.09.2011 Einsprache Anwohner 10.02.2012 Einigungsverhandlung 17.05.2012 Baubewilligung 26.09.2012 Plangenehmigung ESTI (Pn: 3.0 kw 3.6 kw) 28.09.2012 Baubeginn 29.11.2012 Inbetriebnahme Seite 15
Realisierte Anlagen Kleinst-Leichtwindanlagen Leistung: 500 W Durchmesser: 1.1 m Gewicht: 30 kg Anschluss: 230 VAC Vmin: 2 m/s Vopt: 14 m/s Seite 16
Anlagen in Abklärung max. Fallhöhe Ø Wassermenge el. Leistung Investitionskosten Jahresproduktion Gestehungskosten KEV-Vergütung 2.2 m 0.7 m 3 /s 11.0 kw 130 000 CHF 37 000 kwh 0.33 CHF/kWh 0.35 CHF/kWh Klein-Wasserkraftanlage Situation 2012 Seite 17
Anlagen in Abklärung Hebevorrichtung Leistung HKT : Pel (bei V= 2 m/s) = 4 kw Pel/a = Pel x 6 600 h/a = 26 400 kwh/a Platzverhältnisse ausreichend Strömungsgeschwindigkeit ungewiss Fischdurchgängigkeit ist sichergestellt Seite 18
Leitsystem Übersichtsbild Pilotnetz VEiN Seite 19
Leitsystem BHKW APH Seite 20
Leitsystem PV Parkhaus Kurzentrum Seite 21
Power-Quality-Messsystem PQ-Messsystem GridVis auf zentralem PC Seite 22
ICT-Struktur Übersicht Seite 23
Energiemessung durch Smart Meter www CRM Smart Metering Pilotnetz VEiN SAP IS-U EDM Netzwerk Leitsystem Kunden Web-Portal SMZ (Smart Meter Zentrale) ZFA Konzentrator PLC 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh 026.4 kwh Seite 24
Erkenntnisse Einspeisung TS Wirkarbeit und 15-Minuten-Leistungsmaximum Seite 25
Erkenntnisse Erzeugung PV-Anlage Wirkarbeit und 15-Minuten-Leistungsmaximum Seite 26
Erkenntnisse Erzeugung BHKW Wirkarbeit und 15-Minuten-Leistungsmaximum Seite 27
Messungen Abgang KK HKS TS Kreuzmatt Abgang KK HKS (P) TS Kreuzmatt Abgang KK HKS (U) Produktion PV Parkhaus & Zähringer (P) Produktion PV Parkhaus & Zähringer(U) Seite 28
Strang KK HKS Übersicht Jahr 2012 Bezug Abgang KK HKS PV Zähringer PV Parkhaus Seite 29
Einspeisung BHKW und PV Alters- und Pflegeheim Seite 30
Einspeisung BHKW und PV Alters- und Pflegeheim Seite 31
Test DU durch Q-Regulierung (5.-11. Dezember 2011) BHKW Schulhaus Robersten (S = 90 kva) Trafostation Kreuzmatt Trafo1 Blindleistung Q cos j 1,0 cos j = 0,8 (Abgabe Q) Blindleistung Q cos j = 0,8 (Bezug Q) DU = +/- 2,7% DU = +/- 0.8% Seite 32
Einsatz von selbstregulierender Transformator Typ SRT von R&S Seite 33
Regelung / Kommunikation / Steuerung Option Nr. 1 Trafostation Autonome Lösung Transformator lastregelbar mit inkludierter, autonomer Regelung basierend auf lokalen Spannungsmesswerten Frei wählbare Parameter werden definiert und vorgegeben Quelle: Siemens AG Seite 34
Regelung / Kommunikation / Steuerung Option Nr. 2 Offene Lösung Quelle: Siemens AG Transformator lastregelbar Externes Regelsignal wird definiert und bereitgestellt / Kommunikation der Messdaten zur Ortsnetzstation Mögliche Nutzung von Smart Meter Daten von grösseren Einspeisern Seite 35
Einsatz von elektrischen Energiespeicher 3 Anlagen 1 x 50 kw / 25 kwh MFH Zähringer mit PV-Anlage 31.5 kwp 2 x 9 kw / 10 kwh Alters und mit PV-Anlage 32.8 kwp und Pflegeheim mit BHKW 48 kwel (APH) Regelung (Anforderung) - Peak-Shaving beim Anschlusspunkt - Peak-Shaving bei Netzpunkten - Spannungshaltung bei Netzpunkten - Energiekosten optimierter Betrieb Seite 36
Ausgangslage: VEiN BHKW und PV APH Seite 37
Speicher Regelung Beispiel Peak-Shaving Vorgaben für Peak-Shaving - Leistungssollwert TS Kreuzmatt Abgang APH z.b. 10 kw - Sollwertoptimierung abhängig von Speicherkapazität Seite 38
Speicher Regelung Beispiel Spannungsregelung Vorgaben für Spannungsregelung - Sollwert Spannungsabfall TS Kreuzmatt VK Roberstenstrasse (dunkelgrüne Kurve) z.b. 0% - Sollwertoptimierung abhängig von Speicherkapazität Seite 39
Systemlandschaft Speichersystem Seite 40
9 kw Speicheranlage: Umrichter mit Batterieeinheit Product DESS 9 KVA @ 400 Vac Continous Rated Power 9000 VA Parameters on AC Side Nominal AC On-grid 400 VAC Voltage Inverter 400 VAC Nominal Output Frequency 50 Hz Continous AC Output Current at 25 C 13.0 A at 25 C THD On-grid Current < 4 % Inverter Voltage 2 % AC max. Input Current 30 A Max. Inverter Efficiency 93 % AC Transfer Switch Time < 20 ms Reference Standard IEC 62109-1:2010 VDE-AR-N 4105:2011 Output Waveform Sine Wave Battery Voltage Nominal 52 VDC Operation Range 48 ~ 57 VDC System Parameters Storage Capacity 8 kwh External Communication RS485 / RS232 Ambient Temperature Range 0 C 45 C Ambient Humidity Range 10 % 90 % Altitude < 2000 m Protection Grade Indoor PCS Cabinet Weight 95 kg Size 750 mm x 609 mm x 1270 mm BATTERY Cabinet Weight 210 kg Size 581 mm x 606 mm x 1273 mm Seite 41
9 kw Speicheranlage: Systemfunktionen Configuration Diagram of DESS (AC-bus) / Übersichtspanel Seite 42
Inverter On-grid Charging Mode Speichersystem im Lademodus Seite 43
Inverter On-grid Discharging Mode Speichersystem im Entlademodus mit PV-Einspeisung Seite 44
Inverter Off-grid Mode Betrieb ohne Netz (keine Netzsimulation für PV-Anlage) Seite 45
Erstes Fazit Pilotnetz VEiN Die Herausforderungen sind gross und die Problemstellungen vielschichtig und komplex Anspruchsvolle und nicht einheitliche System-Landschaft mit vielen proprietären Einheiten (Leittechnik, PQ-Messsystem, Smart Meter, Speichercloud) Viele Wege führen nach Rom, dies in Analogie zu den verschiedenen Kommunikationskanälen und Technologien die verwendet werden (meist Internet, IP-basierend) Die Entwicklung steht bei vielen Anwendungen und Geräten noch am Anfang (Bsp. Speicher, Mobilität, Smart Home) Funktionalität Smart Grid? Differenz zwischen Realität und Fiktion? Wirtschaftlichkeit der Produktionsanlagen? Politische und gesetzliche Rahmenbedingungen? Datensicherheit? (Buchempfehlung: BLACKOUT von Marc Elsberg) Spannende und interessante Ingenieurarbeit Wir sind gespannt auf die Resultate und Auswertungen der weiteren aktiven Netzversuchen Das Pilotnetz bietet Potenzial für weitere Themenbereiche im Umfeld Smart Grid und Smart Energy Seite 46
Fragen / Diskussion Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Informationen auch unter: www.vein-grid.ch Seite 47