Energie braucht Impulse. Technische Universität München. Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Status Quo des Niederspannungsnetzes in Deutschland Ergebnisse aus der Forschungsarbeit am Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze der Technischen Universität München (Prof. Dr.-Ing. Rolf Witzmann) Technische Universität München Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Status Quo des Niederspannungsnetzes Georg Kerber v.1 / Energie braucht Impulse

Was Erwartet uns? [GWh] 6.5 6. 5.5 5. 4.5 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1. 5 Installierte Leistung und Energiebereitstellung aus Photovoltaikanlagen in Deutschland 199-29 Energiebereitstellung [GWh] installierte Leistung [MWp] 1 2 3 6 8 11 16 26 32 42 64 76 162 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 313 556 1.282 2.22 3.75 4.42 6.2 1. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. [MW] Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien -Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Bernd Müller ; Angaben vorläufig 2 I

Was Erwartet uns? 4 GW Prognose: 22 39,5 GW PV in deutschen Netzen Quelle: Bundesverband der Solarwirtschaft http://www.bee-ev.de/_downloads/publikationen/studien/29/9128_bee ev.de/_downloads/publikationen/studien/29/9128_bee- Branchenprognose_Stromversorgung22.pdf 3 GW 2 GW 1 GW 3 I 1 2 3 6 8 11 16 26 32 42 64 76162 313 556 1.282 2.22 3.75 4.42 6.2 2 25 21 215 22

Warum Probleme in Süddeutschen Niederspannungsnetzen Vergleichsweise hohe Globalstrahlung im Süden Deutschlands PV-Einbindung ins Niederspannungsnetz, da vornehmlich kleine Anlagen (< 3 kw) meist auf Gebäuden (Häuser, Scheunen) 4 I

Untersuchte Netzklassen spez. Trafoleistung Landnetz s tr tr = 9, kva/ha Dorfnetz s tr tr = 4 kva/ha Vorstadtnetz tr = 2,5 kva/ha s tr Spezifische Transformator- leistung je Hausanschluss: s tr tr = S tr / n HA tr HA (Bilder aus Google Earth) 5 I

Eigenschaften der PV-Einspeisung 1. Die Einspeisung ist stark Fluktuierend Belastung der Betriebsmittel ändern sich 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 I

Eigenschaften der PV-Einspeisung 1. Die Einspeisung ist stark Fluktuierend Belastung der Betriebsmittel ändern sich 2. Die Einspeisung erfolgt Gleichzeitig Von allen Anlagen ist die selbe Leistung zu erwarten (In einem NS-Netzbezirk) Gleichzeitigkeitsgrad = 1 7 I

Eigenschaften der Verbraucherlast 6 Vergleich mit 1 Einzellastgängen 5 4 Maximum Mittelwert Minimum VDEW-Standardlastprofil (h bei 45kWh/a) Leistung in Watt 3 2 1 6 12 18 24 3 36 42 48 Stunden Zeitraum 3.11-4.11 8 I

Eigenschaften der Verbraucherlast 6 Vergleich mit 3 Einzellastgängen 5 4 Maximum Mittelwert Minimum VDEW-Standardlastprofil (h bei 45kWh/a) Leistung in Watt 3 2 1 6 12 18 24 3 36 42 48 Stunden Zeitraum 3.11-4.11 9 I

Eigenschaften der Verbraucherlast 6 Vergleich mit 1 Einzellastgängen 5 4 Maximum Mittelwert Minimum VDEW-Standardlastprofil (h bei 45kWh/a) Leistung in Watt 3 2 1 6 12 18 24 3 36 42 48 Stunden Zeitraum 3.11-4.11 1 I

Eigenschaften der Verbraucherlast 6 Vergleich mit 7 Einzellastgängen 5 4 Maximum Mittelwert Minimum VDEW-Standardlastprofil (h bei 45kWh/a) Leistung in Watt 3 2 1 6 12 18 24 3 36 42 48 Stunden Zeitraum 3.11-4.11 11 I

Eigenschaften der Verbraucherlast 6 Vergleich mit 7 Einzellastgängen Leistung in Watt FAZIT Dimensionierenden Spitzenlast für einen Haushalt = 3 kw (Vollelektrifiziert) Dieser Wert tritt praktisch nie gleichzeitig auf. Mehreren Haushalten Reduktion durch Gleichzeitigkeitsgrad auf einige kw / Haushalt VDEW-Standardlastprofil ab 4 Haushalten gültig. Mit Einschränkungen ab 15 Haushalten. 5 4 3 2 Maximum Mittelwert Minimum VDEW-Standardlastprofil (h bei 45kWh/a) 1 6 12 18 24 3 36 42 48 Stunden Zeitraum 3.11-4.11 12 I

Schematische Darstellung Niederspannungsetz MS Trafo NS Leitung HAS MS Netz P Q U Last P Q Länge U 13 I

Problematik im Netz Mit Mit Einspeiseanlagen: Lastfluss Lastfluss in in jede jede Richtung Richtung möglich möglich Wie Wie überlagern sich sich Einspeisung und und Verbrauch? MS NS Trafo Wie Wie ist ist die die Belastung der der Betriebsmittel?? Leitung Wie Wie ist ist das das Spannungsband zu zu beeinflussen? HAS MS Netz P U P Q P U Last Photovoltaik Länge 14 I

Methodik zur Berücksichtigung der Verbraucherlast 1.9 Einspeiseleistung PV VDEW Standardlastprofil Leistung in kw.8.7.6.5.4.3.2.1 Anrechenbare Last Netzbelastbarkeit ohne Verbrauch Minimallast 6 12 18 24 Stunde des Tages 15 I

Tages- & jahreszeitliche Abhängigkeit von Einspeisung u. Verbrauch Zeitliche Schwankungen tendenziell gegenläufig Detaillierte Betrachtung über das gesamte Jahr erforderlich 17 Tagesenergieverbrauch Einfamilienhaus im Jahr 7 Tagesenergieertrag München Riem 25 Tagesenergieverbrauch [kwh] 16 15 14 13 12 11 1 9 5 1 15 2 25 3 35 Tag des Jahres Energie je Tag [MWh] 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 Tag des Jahres VDEW-Lastprofil nur ab 15 Haushalten Anwendbar! 16 I

Tages- & jahreszeitliche Abhängigkeit von Einspeisung u. Verbrauch Tagesenergieverbrauch [kwh] Zeitliche Schwankungen tendenziell gegenläufig Detaillierte Betrachtung über das gesamte Jahr erforderlich 17 16 15 14 13 12 11 1 9 Fazit Verbraucherlastanrechnung: Tagesenergieverbrauch Einfamilienhaus im Jahr Tagesenergieertrag München Riem 25 7 1 Haushalte = Standbyverbrauch ~ 56 W 6 Ab 1 Haushalte = personenunabh. Verbrauch ~ 15 W 5 Ab 15 Haushalte Minimum nach Rechnung mit VDEW-Profil ~ 38 W 4 Relevanz erst ab einer Anlage ~ 12 kw in Summe / 5 Haushalte 3 Bei aktueller Zubaugeschwindigkeit Verbraucherlast 2 in NS vernachlässigbar 5 1 15 2 25 3 35 Tag des Jahres Energie je Tag [MWh] VDEW-Lastprofil nur ab 15 Haushalten Anwendbar! 1 5 1 15 2 25 3 35 Tag des Jahres 17 I

Problematik im Netz Mit Mit Einspeiseanlagen: Lastfluss Lastfluss in in jede jede Richtung Richtung möglich möglich Wie Wie überlagern sich sich Einspeisung und und Verbrauch? MS NS Trafo Wie Wie ist ist die die Belastung der der Betriebsmittel?? Leitung Wie Wie ist ist das das Spannungsband zu zu beeinflussen? HAS MS Netz P U P Q P U Last Photovoltaik Länge 18 I

Erzeugungsleistung in % Transformatorbelastbarkeit bei PV - Einspeisung Transformatorbemessungsscheinleistung S Tr : Definiert für Dauerlast bei 4 C Umgebungstemperatur 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Belastbarkeit bei realen Umgebungstemperaturen und 8 6 4 2 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 1 Belastbarkeit bei realen Umgebungstemperaturen und PV PV Einspeisung? 8 6 4 2 18 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Tage 19 I

Übersicht Transformatormodell 4 Umgebungstemperatur 4 PV Einspeisung 1.5 VDEW Lastprofil Temperatur [ C] 3 2 1-1 P AC [kw] 3 2 1 S [kva] 1.5-2 2 4 6 8 1 12 Monat 2 4 6 8 1 12 Mon at 2 4 6 8 1 12 Monat Temperatur [ C] 8 Trafomodell Trafotemperaturen 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Mon at Alterungsgeschw. min/min.5.4.3.2.1 Modell nach DIN-EN 676-7 bzw. VDE 532 Teil 12 (Normentwurf) Lebensdauerverbrauch 2 4 6 8 1 12 Monat 2 I

Übersicht Kabelmodell 4 Erdbodentemperatur 4 PV Einspeisung 1.5 VDEW Lastprofil Temperatur [ C] 3 2 1-1 P AC [kw] 3 2 1 S [kva] 1.5-2 2 4 6 8 1 12 Monat 2 4 6 8 1 12 M on at 2 4 6 8 1 12 Monat Kabelmodell Temperatur [ C] 7 Kabeltemperaturen 6 5 4 3 2 4 6 Monat 8 1 12 Alterungsgeschw. min/min.5.4.3.2.1 Lebensdauerverbrauch Bestimmung nicht möglich Grenzwert = 7 C 2 4 6 8 1 12 Monat 21 I

Übersicht Kabelmodell 4 Erdbodentemperatur 4 PV Einspeisung 1.5 VDEW Lastprofil Temperatur [ C] -2 2 4 6 8 1 12 Monat Temperatur [ C] 3 2 1-1 7 6 5 4 3 P AC [kw] 3 2.5 1 Fazit Trafo+ Kabelbelastbarkeit: 2 4 6 8 1 12 M on at S [kva] 1 2 4 6 8 1 12 Monat Transformatoren bei PV Einspeisung mit der 1,5 x Bemessungsscheinleistung belastbar Kabelmodell bei PV mit EVU-Last belastbar Reduktion bei Dauerlast beachten Verbrauch wirkt sich positiv auf die Belastung aus.5 Worst Case: Kein Verbrauch nur PV Kabeltemperaturen 2 4 6 8 1 12 Monat Alterungsgeschw. min/min.4.3.2.1 Lebensdauerverbrauch Bestimmung nicht möglich Grenzwert = 7 C 2 4 6 8 1 12 Monat 22 I

Problematik im Netz Mit Mit Einspeiseanlagen: Lastfluss Lastfluss in in jede jede Richtung Richtung möglich möglich Wie Wie überlagern sich sich Einspeisung und und Verbrauch? MS NS Trafo Wie Wie ist ist die die Belastung der der Betriebsmittel?? Leitung Wie Wie ist ist das das Spannungsband zu zu beeinflussen? HAS MS Netz P U P Q P U Last Photovoltaik Länge 23 I

MS Bezug induktiver Blindleistung T NS Leitung I L U 1 U 2 U R L X L I L Last PV P Q Spannungsgrenze U XL U RL U 1 U L U 2 U XL U RL U L U 2 2 2 1 ( ) ( ) U = U + I + j I R + jx 1 W B L L ( ) ( ) 2 2 U = U + I R I X + I R + I X W L B L B L W L U 1 - Zusätzliche Blindleistung verursacht höhere Ströme im Wechselrichter - In NS-Netzen R/X ~ 2,5 I L I B 24 I

Problematik der Blindleistungsregelung Durch Durch Bezug Bezug von von Blindleistung bei bei gleichzeitiger Wirkleistungseinspeisung kann kann die die Netzspannung gesenkt gesenkt werden. werden. MS NS Photovoltaik 1 Photovoltaik 2 Trafo MS Netz P Q P Q U PV2 PV2 PV1 Länge Bei Bei mehreren Anlagen Anlagen ist ist eine eine intelligente Regelung erforderlich 25 I

Auswirkungen auf die Netzaufnahmefähigkeit Was bringt das denn nun? Randbedingung U < 3 % muss eingehalten werden Rechnung jetzt: ** + 6 % * 1 % Transformatorscheinleistung erreicht. Bei PV höhere Belastungen möglich. ** Der Wert entspricht dem Mittleren cos(ϕ) im Netz. Zur Erreichung müssen einzelne Anlagen bis cos(ϕ) =,9 regeln. 26 I

Auswirkungen auf die Netzaufnahmefähigkeit Was bringt das denn nun? Randbedingung U < 3 % muss eingehalten werden Rechnung jetzt: ** + 6 % 27 I + 48 % (bei max. Trafolast = 1% S Tr ) * 1 % Transformatorscheinleistung erreicht. Bei PV höhere Belastungen möglich. ** Der Wert entspricht dem Mittleren cos(ϕ) im Netz. Zur Erreichung müssen einzelne Anlagen bis cos(ϕ) =,9 regeln.

Zusammenfassung Niederspannungsnetze nur begrenzt Aufnahmefähig Auslegung für eine Spitzenlast von 3kW jedoch nicht für nur eine gleichzeitige Last von 8-14 kwp (PV-Potential/Haus). Bei Einspeisung durch geringeres Spannungsband geringer. Berücksichtigung der Verbraucherlast in der Niederspannung nicht sinnvoll. Blindleistungs-Spannungs-Regelung sinnvoll. (+48 % mehr Einspeisung) PV-Einspeisung mit EVU-Last bei Kabeln vergleichbar. Öl-Verteilnetztransformatoren bei PV bis 15 % belastbar. Ggf. Reduktion durch abweichende Stationsgebäude beachten! Eine Aufnahmefähigkeit von 3 kw / Hausanschluss ist nicht möglich. 28 I

Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Quellen: Fragen? Kerber, G. ; Witzmann, R.; Statistische Analyse von NS-Verteilungsnetzen und Modellierung von Referenznetzen; ew - Das Magazin für die Energie Wirtschaft, 28 (Heft 6), pp. 22-261. März 28 Lödl, M.; Witzmann, Rolf; Abschätzung des Photovoltaik-Potentials auf Dachflächen in Deutschland ; 11. Symposium Energieinnovation, 1.-12.2.21, Graz/Austria Kerber G.; Empfehlung zur Richtlinie zum Anschluss von Erzeugungsanlagen an das Niederspannungsnetz Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1998 Kerber G.; Umrichter und Steuerverfahren für einen Umrichter Europäisches Patent EP 1 96 55 A1; Patentblatt 28/14; 2.4.28 Kerber, G.; Witzmann, R.;Aufnahmefähigkeit der Verteilnetze für Strom aus Photovoltaik EW Jg. 16 (27), Heft 4, pp. 5-54 Kaufmann, W.; Planung öffentlicher Elektrizitätsverteilungs-Systeme VWEW-Verlag, Berlin,1995, ISBN 3-822-469-7; Engels, K.; Probabilistische Bewertung der Spannungsqualität in Verteilnetzen Dissertation RTWH Aachen; 2 Kontakt: Georg Kerber EnBW Regional AG Kriegsbergstr. 32 7174 Stuttgart Email: g.kerber@enbw.com Tel.: +49 711 128-2614 Fax.: +49 711 128-48169 Scheffler J.; Bestimmung der maximal zulässigen Netzanschlussleistung photovoltaischer Energiewandlungsanlagen in Wohnsiedlungsgebieten Doktorarbeit, Universität Chemnitz, 22 29 I