Martin Näf, ABB Corporate Research Center Switzerland 16.3.2015 Integration von erneuerbaren Energien ins Netz Anforderungen und Lösungen
Energiestrategie: Ausbau Erneuerbare Energien Technologie und Potenzial vorhanden PhotovoltaikSolaranlagen Grossanlagen an strategischen Lagen Dezentrale Kleinanlagen auf Gebäuden und Infrastrukturanlagen Windgeneratoren Onshore Offshore Wasserkraft Neuerschliessungen Leistungssteigerungen Pumpspeicherung Wechselnde Energieflüsse stellen neue Anforderungen ans Netz Volatile Erzeugung bedingt neue Formen der Energiespeicherung ABB March 4, 2015 Slide 2
Regelung von Energieangebot und Nachfrage Ausgleich über Energiemarkt Bedarf einer Bilanzgruppe [MW] 15 Minuten Ausgleichsenergie Fahrplan tatsächlicher Verlauf Zeit Bilanzgruppen (= Planungs & Abrechnungseinheiten, z.b. eine Stadt) beschaffen an Börse die berechnete FahrplanEnergie langfristige Verträge, «dayahead» und «intraday» Handel Prognosefehler müssen zwingend ausgeglichen werden Übertragungsnetzbetreiber (in CH: Swissgrid) stellt Ausgleichsenergie bereit ABB Group March 4, 2015 Slide 3
Regelung von Energieangebot und Nachfrage Frequenzregulierung Generatoren Primärenergie (Wasser) Verbraucher Analogie Tandem mit konstanter Geschwindigkeit unabhängig von Steigung. Anstelle einer Kette ist ein Gummiband montiert. ABB March 4, 2015 Slide 4
Eigenschaften von Wind und Solarenergie Kapazitätsfaktor Beispiel: Windpark in Irland: Leistung [MW] Jahresmittelwert Jahresspitzenwert Stunde (total 1 Jahr) Erkenntnisse Je tiefer der Kapazitätsfaktor, desto «komplizierter» ist die Energiequelle Bereits mit 10% Sonnenenergie in der Schweiz kann in Spitzenzeiten der gesamte momentane Energiebedarf durch PV gedeckt sein Quelle Ort Erwarteter Kapazitätsfaktor 1 Wind Binnenland 20 22% Küstenregionen 28 33% Offshore bis 43% Solar Mitteleuropa 10 12% Südeuropa (z.b. Südspanien) 17 19% Hydro Zentraleuropa 40 60% 1 Grössere Abweichungen je nach Technologie, Standort und Ausrichtung möglich
Eigenschaften von Wind und Solarenergie Stochastizität und Kapazitätsfaktor Stochastische Energiequellen Starke Abweichungen vom Fahrplan bedingen mehr Regelenergiereserven Steile Rampen benötigen mehr schnelle Reserven Energiequellen mit niedrigem Kapazitätsfaktor Netzanschluss muss für Spitzenleistung dimensioniert werden Wirtschaftlichkeit abhängig vom Kapazitätsfaktor Photovoltaik Einspeisung [W] 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 Zeit (4. Oktober 2011) ABB March 4, 2015 Slide 6
Regelung von Energieangebot und Nachfrage Bereitstellung von Regelenergie Konventionell Trägheitsmoment der Generatoren Kraftwerke halten Reserven vor, Regelung Anhand der Netzfrequenz Entschädigung durch Netzbetreiber Wind und Solar Kaum Massenträgheit Peakshaving möglich (besser als 50.2 Hz Regel) Förderung über garantierte Einspeisung ergibt keinen Anreiz ABB March 4, 2015 Slide 7
Regelung von Energieangebot und Nachfrage Quellen für Regelenergie Microgrids und Bilanzgruppenoptimierung Batteriespeicher Flywheel Demand Response Netzebene Konventionelle Generatoren, Gaskraftwerke Pumpspeicherwerke Alternative Speichertechnologien (Batterien, CAES, etc.) ABB March 4, 2015 Slide 8
Regelung von Energieangebot und Nachfrage Reduktion des Regelenergiebedarfs Geographische Verteilung Starke Netze ermöglichen Ausgleich über weite Distanzen Regeln für die Einspeisung Limitierung der maximalen Rampen Intelligente Steuersysteme Prognosen (kurz, mittel und langfristig) Lokale Speicher Reduktion der Spitzen Ausrichtung der PV Anlagen Einbindung in Marktmechanismen Virtual Power Plants, Bilanzgruppenoptimierung Voraussetzung für Wirtschaftlichkeit der technischen Massnahmen ABB March 4, 2015 Slide 9
Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Problemstellung NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.b. 16 kv) NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) NE 5 NE 6 NE 7 Spannung mit Sonne U max U N U min ohne Sonne Ort Mögliche Probleme Überschreiten SpannungsGrenzwerte Kurzschlüsse nicht einwandfrei erkannt Thermische Überlastung Trafo
Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit intelligenten Umrichtern NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.b. 16 kv) NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) NE 5 NE 6 NE 7 Spannung U max U N U min mit Sonne Spannungsreduktion über Blindleistung Inverterbetrieb ohne PV ohne Sonne Ort Kontrolle der Blindleistung Aktive Regelung der Spannung über Blindleistung Koordination der Geräte notwendig > Smart Grids Kosten fallen bei Inverter an, Nutzen liegt beim Netzbetreiber
Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit Hilfe von Speichern NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.b. 16 kv) NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) NE 5 NE 6 NE 7 Spannung mit Sonne U max U N U min ohne Sonne Ort Mit Energiespeicher (ESS) Leveling: Reduktion der Spitzen, Einspeisung bei Unterspannung Aktive Regelung der Spannung mit intelligenten Umrichtern Kostenoptimierung der Endkunden als primäre Motivation
Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit Hilfe von Spannungsreglern HS/MS Aktive Regelung der Spannung... Längsregler auf Mittelspannung Längsregler auf Niederspannung Regelbare Transformatoren beim Übergang Mittel auf Niederspannung MSLängsregler Verantwortung und Kosten liegen beim Netzbetreiber x x MS/NS ABB SmartRTrafo NSLängsregler
Netzintegration von Wind & Photovoltaik Fazit Die Integration ist anspruchsvoll, aber technologisch machbar Die Rahmenbedingungen müssen angepasst werden Neue Regeln für die Einspeisung Förderinstrumente sollen die Anreize zur bedarfsgerechten Produktion nicht unterwandern ABB steht hinter den erneuerbaren Energien Führender Anbieter für Solarwechselrichter Breite Produkt und Systempalette für Solar, Wind und Wasserkraft Engagement für Solar Impulse 2 als Hauptsponsor und Technologiepartner ABB March 4, 2015 Slide 14