Herausforderungen Übertragungsnetzbetrieb Analyse der Netzsituation nach der Energiewende Fachvortrag im Rahmen des Energietechnischen Kolloquiums an der Universität Kaiserslautern anlässlich der Antrittsvorlesung von Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfram H. Wellßow Joachim Vanzetta 23. November 2012
Inhalt Netzführung und Aufgaben Systemführung - Europäisches Verbundnetz Energiewende in Deutschland Realität, Vision oder Utopie Zusammenfassung und Fazit 2 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Das Übertragungsnetz (380/220kV-Netz) Das elektrische System Übertragungsnetz Physikalische Einheit (Leitungen, Transformatoren, Anlagen, Kraftwerke, Kundenanlagen usw.) Internationale Vermaschung Ohm sches und Kirchhoff sche Gesetze Empfindliches real time - System Elektrische Energie ist nicht direkt speicherbar Einhaltung einer stabilen Frequenz und einer definierten Spannung ist unabdingbar für einen sicheren Systembetrieb Erzeugung und Verbrauch müssen daher jederzeit im Gleichgewicht sein Elektrisches System wird in Echtzeit (24h/365d) betrieben EU Gesetzgebung und EnWG/EEG definieren Marktspielregeln und die gesetzlichen Rahmenbedingungen Der Übertragungsnetzbetreiber (TSO) trägt die Systemverantwortung ( 13 EnWG) 3 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Struktur der elektrischen Energieversorgung Übertragungsnetz 380 kv 220 kv Übertragungsnetzbetreiber (TSO) Industrie 110 kv Stadtwerke Industrie Verteilnetz 20/10 kv 380 V Gewerbekunden Haushalte Verteilnetzbetreiber (DSO) 4 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Verbundsysteme in Europa UCTE Region UCTE synchrones Netz Asynchrone Netze DC Verbindung IE GB N DK S RUS LT EE LV BY RUS FR NL BE L CH DE CZ AT SI PL SK HU HR UA RO UA MD PT ES IT 500 Millionen BA RS ME MK AL BG GR TR MA DZ TN 5 *ENTSO-E RG Continental Europe
Aufrechterhaltung des Systemgleichgewichts Sollfrequenz 50 Hz Einsatz von Regelleistung Last Erzeugung Prognoseabweichung Lastrauschen Ausfall Erzeugungseinheit Prognoseabweichung (Wind!) Ausfall Last 6 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Versorgungssicherheit: das (n-1) - Kriterium Anwendung des (n-1) - Kriteriums Kunde Das (n-1)-kriterium ist erfüllt, wenn nach störungsbedingten Ausfällen einzelner Betriebsmittel (Kraftwerke, Leitungen, Transformatoren) nachfolgende Auswirkungen ausgeschlossen werden können: TSO 1 TSO 2 Versorgungsunterbrechung von Kunden Verlust der Stabilität von Erzeugungseinheiten n-1 Folgeauslösungen mit der Gefahr der Störungsausweitung Dauerhafte Grenzwertverletzungen (Strom, Spannung, Frequenz) DSO Unterbrechung von Übertragungen 7 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Inhalt Netzführung und Aufgaben Systemführung - Europäisches Verbundnetz Energiewende in Deutschland Realität, Vision oder Utopie Zusammenfassung und Fazit 8 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Beispielhaft: Entwicklung der Windenergie Weltweit, 2009 bis 2011 (MW) Quelle: World Wind Energy Association 9 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Max. EE*-Einspeisung vs. Netzlast Deutschland Zeitraum: Montag, 04. Juni bis Freitag, 15. Juni 2012 ** ** ** ** MW max. EE*-Einspeisung >29.000 MW *EE: Wind+PV **Abschätzung/Hochrechnung 10 Systemführung Netze Brauweiler Analyse prägnanter Netzsituationen 2011 / 2012 Amprion
Max. EE*-Einspeisung vs. Netzlast Deutschland Zeitraum: Montag, 04. Juni bis Freitag, 15. Juni 2012 MW ** ** ** ** 09. Juni, 14:00 h max. EE*-Einspeisung Netzlast ca. 61.290MW*** EE*-Einspeisung ca. 29.200MW * EE: Wind+PV **Abschätzung/Hochrechnung *** max. Last 2012 ca. 84.850MW 11 Systemführung Netze Brauweiler Analyse prägnanter Netzsituationen 2011 / 2012 Amprion
Windenergie: Installierte Leistung und Erzeugung Zeitraum: 01. Januar bis 30. Juni 2012 MW max. Wind: 24.139MW ca. 86% (03.01.2012) min. Wind: 208MW ca. 0,7% (14.06.2012) h Erzeugungsganglinie (h-werte) 12 Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
Solarenergie: Installierte Leistung und Erzeugung Zeitraum: 01. Januar bis 30. Juni 2012 MW max. PV : 21.475MW ca. 75% Pfingsten (25.05.2012) h Erzeugungsganglinie (h-werte) 13 Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
EE*: Installierte Leistung und Erzeugung Zeitraum: 01. Januar bis 30. Juni 2012 MW min. EE*: 356MW Wind: 356MW PV: 0MW ca. 0,6% (25.01.2012) max. EE*: 29.196MW Wind: 14.745MW PV: 14.451MW ca. 48% (09.06.2012) 14 h * EE: Wind+PV Erzeugungsganglinie (h-werte) Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
Korrelation Windeinspeisung Day-ahead Preis Strombörse h-werte für 2011 Trendinie Quelle: Amprion GmbH 15 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Entwicklung Spot-Preis EE*-Einspeisung seit 2011 MW /MWh Erhöhte Spot-Preise Geringe EE*- Einspeisung 16 * EE: Wind+PV Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
Entwicklung Spot-Preis EE*-Einspeisung seit 2011 MW /MWh hohe EE*- Einspeisung Stark negative Spot-Preise: bis -100 /MWh 17 * EE: Wind+PV Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
Entwicklung Spot-Preis EE*-Einspeisung seit 2011 MW Stark erhöhte Spot-Preise: bis 210 /MWh /MWh Geringe EE*- Einspeisung während einer Kälteperiode 18 * EE: Wind+PV Systemführung Netze Brauweiler Betriebliche Erfahrungen mit der Energiewende Amprion
Wie wirken sich stark volatile Wind- und Solarerzeugung sowie der intensive europäische Stromhandel auf das Netz aus? Hohe Lastflüsse mit grenzwertiger Netzauslastung Stabilitätsprobleme (Spannung) Fehlende Kraftwerkserzeugung 19 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Was müssen wir also tun damit das Licht in Deutschland nicht ausgeht? (unter der Prämisse dass die Energiewende unumkehrbar ist) Netze ausbauen Leitsysteme und Systemführungsprozesse verbessern Flexible - aber bedarfsgerecht einsetzbare - Kraftwerke bauen 20 Systemführung Netze Brauweiler 12.06.2012 Amprion
Netze ausbauen : Der Netzentwicklungsplan (NEP) 21 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Netzentwicklungsplan (NEP): das novellierte EnWG regelt den Netzplanungsprozess der deutschen ÜNB s neu und schafft mehr Transparenz Erster NEP 3.6.2012 und dann jedes Jahr zum 3. März Einbeziehung der Öffentlichkeit durch mehrfache Konsultation BNetzA verantwortet wesentliche Prozessschritte Szenariorahmen Netzentwicklungsplan Bundesbedarfsplan erstellen von drei möglichen Entwicklungpfaden Netzplanung zur Identifikation von Maßnahmen Technologieauswahl Aufnahme der Vorhaben in BBP-Gesetz Genehmigung durch BNetzA Bestätigung des NEP durch BNetzA BReg Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Konsultierter Szenariorahmen für Deutschland: Basis für die Bewertung des zukünftigen Transportbedarfs Leitszenario B (mit Ausblick auf 2032): Erhöhter Ausbau EE, erhöhte Leistung flexibler Erdgas-Kraftwerke, keine Umsetzung geplanter Kohle-Kraftwerke Szenario A: Moderater Ausbau EE, unterer Rand im Szenariorahmen, höherer Anteil konventioneller Kraftwerke (insb. Kohle) Szenario C: Ambitionierter Ausbau EE (Bundesländerzahlen), Kraftwerke wie in B 2022 C B 23 Systemführung Netze Brauweiler Amprion Jahr 2022 Jahr 2032 A
Szenariorahmen liefert Informationen über installierte Kraftwerksleistung und Stromverbrauch in Deutschland BNetzA: Der genehmigte Szenariorahmen wird den gesetzlichen Anforderungen gerecht, da nicht alle denkbaren zukünftigen Entwicklungspfade, sondern nur die Bandbreite der wahrscheinlichen Entwicklungspfade abgebildet werden. Im Jahr 2022 wird in Deutschland eine installierte Kapazität von 13 GW Wind-KW offshore und 47,5 GW onshore erwartet Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Der Netzentwicklungsplan: Wie kommen wir vom Szenariorahmen zum Transportbedarf? LEITSZENARIO B2022: Wie könnte am 11 Januar 2022 um 17:00 Uhr die Energieversorgung und Stromtransport in Deutschland aussehen? Am 11 Januar 2022 um 17:00 Uhr ist es bereits dunkel, Photovoltaik speist nicht mehr ins Netz ein. Der Tag ist sehr windig, 91% der Windkraftanlagen erzeugen Energie: Es werden 55,2 GW von der installierten Kapazität i.h.v. 60,5 GW ins Netz aufgenommen. Um 17:00 Uhr arbeiten noch die meisten Betriebe, die Netzlast liegt bei 81,6 GW. Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland und im benachbarten Ausland arbeiten im Pumpbetrieb. Exportsaldo Deutschlands liegt bei 15 GW, Netzverluste betragen 4 GW. Gesamter Leistungsbedarf (Verbrauch, Export, Verluste) liegen bei 100,6 GW. Fehlende Leistung zur Deckung des Leistungsbedarfs erzeugen sonstige regenerative Kraftwerke (10,4 GW) und thermische Kraftwerke (35 GW). 26 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
2 LEISTUNGSBILANZ 2022 DEFINIERT DEN TRANSPORTBEDARF 1 3 5 7 23,4 GW 26,7GW 10,3 GW 2 4 6 Leistungsbilanz der Regionen 1 14,4 GW 2 7,0 GW 3-3,0 GW 4 11,7 GW 5-3,5 GW 6-5,2 GW 7-5,7 GW Leistungsüberschuss i.h.v. 23,4 GW (Σ 1+2+ Import) im Norden Deutschlands bestimmt den Transportbedarf Nord Süd an der Grenze der Regionen 1+2 und 3+4. Leistungsdefizit im Süden Deutschlands i.h.v. 14,4 GW (Σ 5+6+7) und Export in die Alpenländer und Luxemburg (Pumpstrom) sowie nach Belgien i.h.v. 12,3 GW definieren den Leistungsfluss an der Regionen 3+4 und 5+6. Leistungsbilanz Region 1: -15,0 GW + 23,6 GW + 1,5 GW + 4,3 GW = 14,4 GW 27 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Fazit Netzausbau: Lastferne EE-Erzeugung stellt das Transportnetz vor große Herausforderungen ++ Offshore- ++ Windparks 2012- -2022 X Leistungsbilanz 2012 [MW] -500 9000 Leistungsbilanz 2022 * [MW] -500 9000 * - NEP 2012, Szenario C2022 28 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Leitsysteme und Systemführungsprozesse verbessern Zwei Beispiele 29 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
1.) Ausbau der Observability Area Amprion responsibility area Netzgebiet Amprion 224 relevante Anlagen observability area Beobachtungsbereich Amprion zusätzliche 468 relevante Anlagen Deutlich umfangreiche on-line Netzberechnung Estimation Lastfluss (n-1) - Rechnungen 30 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
2. Verbesserung der Spannungs- und Systemstabilität Ein System ist stabil wenn. es auch nach einer Störung wieder einen stabilen Zustand einnimmt. es die Fähigkeit hat, sich durch möglichst niedrigen Regelungsaufwand zu erhalten. stabil instabil P *) Vorlesungsskript: Stabilität, Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd R. Oswald Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Übertragungseigenschaften des Netzes werden von der induktiven Reaktanz maßgeblich bestimmt X X X X 32
Thermische Kapazität ist nicht alles - für den Betrieb benötigen wir eine stabile Spannung! 300 km 1800 MW Blindleistung in aller Kürze: Der Blindleistungsbedarf des Systems hängt von der Reaktanz X ab +U [kv] Für P Übertragung > P Natürlich steigt der Blindleistungsbedarf des Systems quadratisch Die Gefahr eines Spannungskollapses steigt, insbesondere im Falle außergewöhnlicher Netzstörungen Weltweit ist der Spannungskollaps eine der häufigsten Blackout Ursachen 33 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Spannungsstabilität: Querkompensation erhöht die übertragbare Leistung nur im begrenzten Bereich X U 1 U 2 P2, Q2,kap Gemeinsames R Forschungsprojekt mit der Technischen Universität Kaiserslautern 2 4 U1 U1 2 2 2 2 = 2,kap ± 2 1 2,kap U Q X X P XU Q 2 4 U 2 /p.u. 1 0,5 Einfluss von Querkompensation 0 1 2 P 2 /p.u. Wo sind die Grenzen unserer Spannungsstabilität? 34 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Jetzt fehlen zur Versorgungssicherheit nur noch flexible bedarfsgerecht einsetzbare hoch verfügbare Kraftwerke (die dann elektrische Energie erzeugen, wenn die EE-Anlagen ausfallen) 35 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Fazit: Ein zuverlässiges Übertragungsnetz ist elementare Voraussetzung für die Umsetzung der Energiewende Die zukünftige Stromerzeugung wird auf lastferner erneuerbarer Erzeugung (Wind, Solar und Wasser) basieren Verstärkung und Ausbau der Nord-Süd-Transportachsen ist erforderlich für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende Thermische Kraftwerke leisten wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit insbesondere in Zeiten geringer Einspeisung aus regenerativen Energiequellen Das Übertragungsnetz steht vor einem Technologiesprung mit entsprechend großem Forschungsbedarf Vielen Stakeholdern und Teilen der Öffentlichkeit ist der Zusammenhang zwischen regenerativer Energieerzeugung und Ausbau des Netzes nicht bewusst bitte helfen Sie uns bei der Kommunikation dieser Zusammenhänge 36 Aachen 15. November 2012
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
BACKUP 38 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Ein Beispiel zur Erhöhung der Spannungsstabilität Der Phasenschieber in Biblis 39 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
SCADA System Hardcopy UA Rommerskirchen - 8. Februar 2012, 17:48 h 40 Spannung in Rommerskirchen: 416 kv
SCADA System Hardcopy UAs Bürstadt und Weißenthurm - 8. Februar 2012, 17:50 h 41 Spannung in Weißenthurm: 402 kv
Phasenschieber Biblis Bl. A Die Inbetriebnahme erfolgte am 13. Februar (erstmalige Synchronisation am Nachmittag) Maschine verhält sich bislang sehr stabil am Netz Wegen des langen Stillstandes bei niedrigen Temperaturen erfolgte in den ersten Tagen ein Betrieb bei geringer induktiver Erzeugung um den Generator langsam aufzuwärmen Derzeit stabiler Betrieb mit hoher Blindleistungsbereitstellung und großer Flexibilität für die Systemführung Deutliche höhere Spannungsqualität (geringe Spannungsschwankungen) Mit dem stabilem Betrieb des Phasenschiebers scheint das Spannungsproblem gelöst, allerdings muss sich die Konfiguration noch im worst-case Szenario beweisen 42 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
Spannungssituation Bürstadt und Einsatz Phasenschieber Q [MVAr] U [kv] Spannung Blindleistung Untererregter Betrieb des PS 43 Systemführung Netze Brauweiler Amprion
SCADA System Hardcopy UA Bürstadt ohne/mit Phasenschieber Biblis 1A ohne Phasenschieber mit Phasenschieber Spannung in Bürstadt: 416 kv 44 Spannung in Bürstadt: 407 kv