Beiträge von Haushaltslasten zur Regelung elektrischer Netze mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien Netz-Event der Deutschen Umwelthilfe Berlin, 17. Juni 2009 Stephan Koch Power Systems Laboratory ETH Zürich
Inhalt Teil 1: Motivation für verbraucherseitiges Lastmanagement Grundlagen der Verbundnetzregelung Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Teil 2: Beiträge von Haushaltslasten zur Netzregelung Notwendige Kommunikations-Infrastruktur Regelungsansätze für Normalbetrieb und Störungsfall Koordination von Kühl- und Heizgeräten Geräteabhängiger Lastabwurf Schlussfolgerungen 2
Grundlagen der Verbundnetzregelung 3
Grundlagen der Verbundnetzregelung Frequenzhaltung in Verbundsystemen ein ständiger Balanceakt Verbrauch Erzeugung Quelle Frequenzabweichung: http://www.etrans.ch/services/online/frequency/ Quelle UCTE-Karte: http://www.ucte.org 4
Grundlagen der Verbundnetzregelung Regelzonen und Bilanzkreise Einkauf Erzeugung Verkauf Verbrauch Quelle: http://www.bdew.de Regelzonen sind von einem ÜNB betriebene Netzgebiete Bilanzkreise sind virtuelle Gebilde, i.a. innerhalb einer Regelzone 5
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Day-ahead Fahrpläne für die Planung des Kraftwerkseinsatzes 16000 14000 12000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission Aggregierte Lastprognosen der Bilanzkreise 10000 8000 6000 4000 2000 Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last 0 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 6
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Day-ahead Fahrpläne für die Planung des Kraftwerkseinsatzes 16000 14000 12000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission Handelsgeschäfte und Eigenproduktion der Bilanzkreise 10000 8000 6000 4000 2000 0 (schematische Darstellung) Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 7
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Prognosefehler, Kurzzeitprognosen und Intraday-Handel 16000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last 0 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 8
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Prognosefehler, Kurzzeitprognosen und Intraday-Handel 16000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last 0 Kurzzeit-Prognose 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 9
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Prognosefehler, Kurzzeitprognosen und Intraday-Handel 16000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 (schematische Darstellung) Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last Kurzzeit-Prognose 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 10
Leistung [MW] Grundlagen der Verbundnetzregelung Prognosefehler, Kurzzeitprognosen und Intraday-Handel 16000 14000 12000 Day-Ahead Lastprognose und reale Last Regelzone VE Transmission Intraday- Handelsgeschäfte 10000 8000 6000 4000 2000 0 (schematische Darstellung) Day-ahead Lastprognose Eingetretene Last Kurzzeit-Prognose 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 11
Grundlagen der Verbundnetzregelung Einsatz von Regelenergie Prognosefehler + - Primärregelung Stochastisches Lastrauschen + ΔP - Sekundärregelung + - Kraftwerksausfälle Minutenreserve Zeitliche Struktur: Quelle: http://www.regelleistung.net 12
Grundlagen der Verbundnetzregelung Primärregelung Vorfaktor Frequenzabweichung Quelle: http://www.ucte.org Turbinenventil Dampf Turbine Mechanische Leistung ~ Generator Elektrische Leistung Netzdynamik Elektrisches Netz Primärgeregeltes Kraftwerk 13
Grundlagen der Verbundnetzregelung Sekundärregelung 100 Y [%] Regelfehler Regler -100 1 Stellsignal 2 Zeit [h] Regelzone Erzeugung Import Export Verbrauch + + Abweichung der Austauschleistungen Vorfaktor Frequenzabweichung 14
Grundlagen der Verbundnetzregelung Tertiärreglung (Minutenreserve) 100 Sekundärregelsignal Y [%] -100 15 Zeit [min] Leistung [MW] Kraftwerk 15 Zeit [min] Netzleitstelle 15
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall UCTE-Stufenplan Stufenplan laut UCTE-Richtlinien Stufenplan gemäß UCTE-Richtlinien 16
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 17
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 18
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Mittelspannung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] 50 Netzregelung 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 19
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 Niederspannung 49 ca. 3 5 min Industrie Gewerbe Zeit [s] 20
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 21
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 22
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Transformator Verbrauch Frequenz [Hz] Lastabwurf 50 Erzeugung Netzregelung Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Niederspannung 49 Industrie Gewerbe Zeit [s] 23
Grundlagen der Verbundnetzregelung Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall - Prinzipskizze Kohle Atom Hydro GuD Transformator Frequenz [Hz] 50 Verbrauch Erzeugung Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Niederspannung 49 Industrie Gewerbe Zeit [s] 24
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien 25
Leistung [MW] Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Einfluss der Windenergie auf den Kraftwerkseinsatz Zusätzlicher Prognosefehler 14000 Lastverlauf und Windeinspeisung Regelzone VE Transmission Residuale Last kann extrem klein oder negativ werden 12000 10000 8000 6000 4000 Last 2000 Windprognose Windeinspeisung 0 19.11.2008 00:00 19.11.2008 12:00 20.11.2008 00:00 20.11.2008 12:00 21.11.2008 00:00 Datum und Uhrzeit Datenquelle: Vattenfall Europe Transmission 26
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall konventionelle Struktur Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Verbrauch Erzeugung Transformator Energiefluss Frequenz [Hz] Mittelspannung 50 49 Niederspannung Industrie Gewerbe Zeit [s] 27
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall + dezentrale Erzeugung Große Windparks Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Transformator Energiefluss Verbrauch Frequenz [Hz] Erzeugung Mittelspannung Windparks Freiflächen-PV 50 Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 28
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall + dezentrale Erzeugung Große Windparks Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Transformator Energiefluss Verbrauch Frequenz [Hz] Erzeugung Mittelspannung Windparks Freiflächen-PV 50 Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 29
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall + dezentrale Erzeugung Große Windparks Kohle Atom Hydro Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Windparks Transformator Freiflächen-PV Verbrauch Frequenz [Hz] Lastabwurf 50 Erzeugung Verlust dezentraler Erzeugung Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 30
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall + dezentrale Erzeugung Große Windparks Kohle Atom Hydro Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Windparks Transformator Freiflächen-PV Frequenz [Hz] 50 Verbrauch sekundärer Lastabwurf Erzeugung Netzregelung Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 31
Herausforderungen durch Ausbau Erneuerbarer Energien Unterfrequenz-Lastabwurf im Störungsfall + dezentrale Erzeugung Große Windparks Kohle Atom Hydro Windparks Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Niederspannung BHKW Transformator Industrie Freiflächen-PV Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Verbrauch Frequenz [Hz] Eine hohe Durchdringung der sekundärer Verteilnetze mit dezentraler Erzeugung Lastabwurf macht die heutige 50 Praxis des Unterfrequenz-Lastabwurfs schrittweise wirkungslos. 49 Ohne eine Anpassung der Schutzstrategien ist mit einer deutlich reduzierten Versorgungssicherheit zu rechnen. Erzeugung Netzregelung Zeit [s] 32
Beiträge von Haushaltslasten zur Netzregelung 33
Das Projekt Lokales Lastmanagement Projektpartner: Finanzierung: Projektziele: Entwicklung einer Kommunikationsinfrastruktur und Regelungsverfahren für - Koordination von flexiblen Haushaltslasten im Normalbetrieb - Störfall-Regelung (Lastabwurf) Evaluierung von ökonomischen Aspekten für die Einführung von Lokalem Lastmanagement (Kosten und Nutzen, Business Cases) 34
Notwendige Kommunikations-Infrastruktur 35
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Definition eines Regelziels Tracking eines vorgegebenen Sollwert-Verlaufs in der elektrischen Gesamtleistung, Nutzung der Speicherkapazität der Geräte total P el Soll-Wert Ist-Wert t Anforderungen: Keine Verletzung der Temperaturgrenzen der Geräte Minimierung von zusätzlichen Schaltvorgängen Regelungsproblem lösbar in Echtzeit (ohne Großrechner etc.) 36
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Koordinationsalgorithmus (Schaltalgorithmus) OK, bitte jetzt schon schalten! ODER Nein, noch nicht, zu teuer! Akzeptierter Preis, $$ Preisfunktion (linear) Ich schalte planmäßig in 10 min, ich könnte aber auch jetzt schon schalten für 2 Cent! (Gerät) λ sw Δt dwell = 0 t 37
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Simulation der Koordination Clusterzusammensetzung: 300 Kühlschränke 200 Gefrierschränke 100 Wasserboiler Optimierungsschrittweite: 36 s Simulationsschrittweite: variabel Zeit [h] Approximiertes Modell der Gerätegruppe: Speichergleichung 38
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Potential in Deutschland (hier nur Auswahl an Geräten) Anzahl : ca. 39.700.000 Annahme: Nutzung des Speicherpotentials zwischen den Temperaturschranken der Geräte konservativ, da Temperaturschranken zusätzlich verschiebbar Gerät Markt - durchdringung Gesamte Leistungsaufnahme Installierte Leistung mögliche Verbrauchs- Variabilität Speicher- Kapazität Kühlschrank 118 % 1.58 GW 4,22 GW 0,32 3.37 GW 0,49 GWh Gefrierschrank 91 % 1.58 GW 4,34 GW 0,32 3,47 GW 0,63 GWh Wasserboiler 32 % 1,62 GW 25,41 GW 0,32 20,33 GW 9,11 GWh Gesamt 4,78 GW 33,97 GW 0,96 27,17 GW 10,23 GWh Datenquelle: Klobasa, Marian: DISS ETH Nr. 17324 (2007) 39
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Anwendungsgebiete für koordinierte Lasten 1. 2. Lastverschiebung in Schwachlastzeiten Strompreisdifferenzen Minimierung von Bilanzkreisabweichungen Fahrplanabwicklung 3. Vorhaltung von Wirkleistungsreserven (Regelenergie) Systemdienstleistungen 4. Active Network Management Optimierung des Netzbetriebs 40
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Fall 2: Minimierung von Bilanzkreisabweichungen Messdaten- Verarbeitung Einkauf Erzeugung Verkauf Very-shorttime Prognose Verbrauch Erzeugungsregelung Optimierungs -Algorithmus Lastregelung 41
Koordinierter Betrieb von Kühl- und Heizgeräten Fall 3: Erbringung von Regelenergie Beispiel Sekundärregelung: Kraftwerk Y [%] Leistungs-Anteil 100 1 2 Zeit [h] Stellsignal Optimierungsalgorithmus -100 Sekundärregler Leistungs-Anteil Virtuelles Regelkraftwerk Pool thermischer Haushaltslasten 42
Geräteabhängiger Lastabwurf Idee: Geräte, nicht Netzgebiete abwerfen Große Windparks Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Windparks Transformator Energiefluss Freiflächen-PV Verbrauch Frequenz [Hz] 50 Erzeugung Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 43
Geräteabhängiger Lastabwurf Idee: Geräte, nicht Netzgebiete abwerfen Große Windparks Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Windparks Transformator Energiefluss Freiflächen-PV Frequenz [Hz] 50 Verbrauch Haushalts- Lastabwurf Erzeugung Netzregelung Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 44
Geräteabhängiger Lastabwurf Idee: Geräte, nicht Netzgebiete abwerfen Große Windparks Kohle Atom Hydro GuD Hoch-/ Höchstspannung Mittelspannung Windparks Transformator Energiefluss Freiflächen-PV Verbrauch Frequenz [Hz] 50 Erzeugung Niederspannung 49 BHKW Industrie Dach-PV Gewerbe einzelne WKA Zeit [s] 45
Geräteabhängiger Lastabwurf Informationsfluss zwischen den beteiligten Einheiten individuelle Frequenzschwellwerte Koordinierungszentrale Messung der Netzfrequenz auf Haushaltsebene LMH Lastmanager Haus Lastmanager Gerät (installiert in Haushaltsgeräten) Abwurfbefehl LMG LMG LMG Wahl der Frequenzschwellwerte: Basierend auf Komfort-Verlust, die eine Abschaltung des Gerätes zur Folge hätte Prioritätenliste Zwei Strategien: Ersetzung von konventionellen Lastabwurf-Stufen < 49 Hz Brems-Effekt durch dezentrale Lastabwürfe > 49 Hz zur Vermeidung der Erreichung der konventionellen Lastabwurf-Stufen 46
0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Last [GW] Geräteabhängiger Lastabwurf Der Energieverbrauch im Haushalt im Tagesverlauf 120 100 80 Elektrische Kleingeräte TV/HiFi Beleuchtung Elektrische Heizung Warmwasser 60 40 20 Elektroherd Waschen, Trocknen, Spülen Kühlen - Gefrieren Netzlast Deutschland 0 Quelle: Semesterarbeit Fenia Stefanidou, Maria Zerva (Power Systems Laboratory, ETH Zürich) Prinzipiell geräteabhängig abwerfbare Lasten 47
Schlussfolgerungen Erfolgsfaktoren für Lokales Lastmanagement - Benutzerfreundlichkeit des Systems (plug and forget) - Einführung mit neuen Geräten oder einfache Nachrüstung - Standardisierung der Schnittstelle zum Haushaltsgerät - Wirtschaftlichkeit Der aktuelle Anteil Erneuerbarer Energien (ca. 15 %) ist nicht nur durch die Installation von vielen Anlagen auf bis zu 100 % skalierbar. Hohe Anteile Erneuerbarer Energien erzeugen ein qualitativ anderes Systemverhalten und bedingen die Erschließung neuer Regelpotentiale. Das EEG bietet in seiner jetzigen Form keine Anreize für Kombikraftwerke, Lastmanagement und Speicherung. Dies wird sich in absehbarer Zeit ändern müssen. 48
Let s make the grid smarter and keep it happy! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stephan Koch koch@eeh.ee.ethz.ch 49