und Technische Hürden und wirtschaftliche Herausforderungen im Verteilnetz A 3 Wissenschaftsdialog Energie 6. Juli 2012 Prof. Dr.-Ing. Michael Finkel MBA Hochschule Augsburg Fakultät für Elektrotechnik Hochspannungstechnik und Energietechnische Anlagen Folie 1/30 und
Agenda 1. Einführung 2. Erzeugung EEG-Strom 3. Situation in n 4. und 5. 6. Aktuelle Forschungsprojekte 7. Zusammenfassung Folie 2/30 und
Wandel auf Erzeugerseite Smart Einführung Grid Quelle: Solaragentur Schweiz Brutto-Stromerzeugung in Deutschland 2011 Steinkohle Quelle: Energiewende Starnberg 5% 14% 20% 19% 25% Braunkohle Kernenergie Erneuerbare Quelle: AZ Online 18% Sonstige Erdgas Quelle: Siemens Quelle: E.ON Quelle: KGG Folie 3/30 und
Wandel auf Verbrauchsseite Smart Einführung Grid Quelle: Stiebel Elttron Quelle: Chip online Quelle: SMA Quelle: TUM Quelle: BMU Leitstudie 2010 Folie 4/30 und
Aufgabe des Netzbetreibers ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht. ( 1 EnWG) Quelle: AllgäuNetz Folie 5/30 und
Erzeugung EEG-Strom 45 % 38 % 31 % 32 % 48 % 10 % 16 % 11 % 7 % 13 % 11 % 11 % 17 % Quelle: Energy Map, Stand 2011 Folie 6/30 und
Installierte Kapazitäten EEG-Strom 70.000.000 Installierte Kapazität in kw 60.000.000 50.000.000 40.000.000 30.000.000 20.000.000 10.000.000 0 Geothermie Gase Biomasse Wasserkraft Windkraft Solarstrom 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Quelle: Energy Map, Stand 2011 Folie 7/30 und
Installierte Kapazitäten EEG-Strom 70.000.000 Installierte Kapazität in kw 60.000.000 50.000.000 40.000.000 30.000.000 20.000.000 10.000.000 0 Geothermie Gase Biomasse Weitere Wasserkraft Entwicklung? Windkraft Solarstrom 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Quelle: Energy Map Folie 8/30 und
Situation in den n Die Wanne ist voll! Quelle: Siemens Quelle: Schöner Wohnen Leistung kw pro km 2 Alle Regelzonen Jahr 2009 0,00 - < 5,00 (1103) 5,00 - < 10,00 (1023) 10,00 - < 20,00 (1458) 20,00 - < 50,00 (2543) 50,00 - < 100,00 (1492) 100,00 - < 2000,00 (619) Folie 9/30 und
Situation in den n Die Wanne ist voll! Welche Sehschärfe braucht der Netzbetreiber im Verteilnetz? Quelle: Siemens Quelle: Schöner Wohnen Leistung kw pro km 2 Alle Regelzonen Jahr 2009 0,00 - < 5,00 (1103) 5,00 - < 10,00 (1023) 10,00 - < 20,00 (1458) 20,00 - < 50,00 (2543) 50,00 - < 100,00 (1492) 100,00 - < 2000,00 (619) Folie 10/30 und
Smarte elekt. Energieversorgung Quelle: EURELECTRIC DSOs Folie 11/30 und
Smarte elekt. Energieversorgung Definition : Das konventionelle Elektrizitätsnetz wird zu einem, wenn es durch Kommunikations-, Mess-, Steuer-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie IT-Komponenten aufgerüstet wird. Im Ergebnis bedeutet smart, dass Netzzustände in Echtzeit erfasst werden können und Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung der Netze bestehen, so dass die bestehende Netzkapazität tatsächlich voll ausgenutzt werden kann. (Eckpunktepapier BNetzA) Zielsetzung: Bessere Ausnutzung der konventionellen Netzinfrastruktur: Ausbaubedarf wird gedämpft; verbesserte Netzstabilität bei gleicher Auslastung. : Systemzustände im Netz nachvollziehbar und lokale Eingriffsmöglichkeit. Folie 12/30 und
Smarte elekt. Energieversorgung Definition : ist der Bereich außerhalb des Netzes, in welchem Energiemengen oder daraus abgeleitete Dienstleistungen auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Netzkapazität unter verschiedenen Marktpartnern gehandelt werden. Neben Produzenten und Verbrauchern sowie Prosumern könnten künftig sehr viele unterschiedliche Dienstleister in diesen Märkten aktiv sein. Grundlage des s ist immer das Netz, sei es das bisherige oder ein intelligent aufgerüstetes Netz und damit die verfügbare Netzkapazität, um Energiemengen aufzunehmen und abzugeben. So gesehen begrenzt die verfügbare Netzkapazität indirekt das Angebot im Smart Market. Vereinfacht kann man sich eine Kapazitätsampel vor Augen führen, die drei Zustände (grün, rot, gelb) umfasst. (Eckpunktepapier BNetzA) Folie 13/30 und
Smarte elekt. Energieversorgung Wieviel Intelligenz ist im Verteilnetz notwendig bzw. wird dem Verteilnetzbetreiber zugestanden? Quelle: EURELECTRIC DSOs Folie 14/30 und
Beispielnetz Auslegungskriterien: Betriebsmittelbelastung Kabelbelastung größer als 100% I Z? Trafobelastung größer als 150% S Tr? Einhaltung der Spannungsgrenzen Max./Min. Spannung am Hausanschluss +/-10 % U N (VDE 0175) Zulässige Spannungsänderung am Netzknoten 3% (VDE-AR-N 4105) Folie 15/30 und
Spannung entlang der Leitung Folie 16/30 und
Spannungsregelung am Verteilnetztrafo Folie 17/30 + Stufenschalter vorhanden + schnelle Anpassung möglich alle Stränge gemeinsam geregelt u.u. häufige Schaltzyklen und
Eingriffsmöglichkeiten Spannungregelung am Verteilnetztrafo Erzeugungsmanagement UU / N in % 110 UU / N in % 110 u 100 Länge 100 Länge 90 Spannungregelung durch Stufensteller 90 Lastmanagement UU / N in % 110 u UU / N in % 110 U max 100 Länge 100 Länge 90 Spannungregelung am Ortsnetztrafo UU / N in % 110 100 90 u Länge 90 Blindleistungregelung durch PV-Umrichter UU / N in % 110 100 90 Länge Folie 18/30 und
Problemstellung in der Auslastung Last / Eispeisung Wirtschaftlicher Netzbetrieb und -führung Gesetzliche und regulatorische Rahmenbedingungen Bisheriger Netzbetrieb: blind Wie sieht die aktuelle Auslastung in n aus? Wie kann ein Verteilnetz unter den aktuellen Rahmenbedingungen wirtschaftlich betrieben werden? Welche Ausbaumaßnahmen sind auch in Zukunft sinnvoll und wirtschaftlich? Folie 19/30 und
Aktuelle Auslastung von n Statische Worst-Case - Lastflussberechnung: (Min. Last/Max. Einspeisung) überdimensionierte Netze falsches Bild der Auslastung Probabilistische Ansätze notwendig Nachbildung synthetischer Lastprofile für Einzelhaushalte Berücksichtigung der Volatilität dezentraler Erzeugungsanlagen Zusätzliche Messungen im Feld Prüfung des tatsächlichen Lastverlaufes an kritischen Netzpunkten Beurteilung der statistischen Ansätze Folie 20/30 und
Wirtschaftlichkeit des Netzbetriebs Welche Faktoren beeinflussen einen wirtschaftlichen Netzbetrieb? Folie 21/30 und
Herausforderung Wie können Planungsentscheidung heute so getroffen werden, dass auch morgen noch ein wirtschaftlicher und sicherer Netzbetrieb möglich ist? Versorgungssicherheit Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Zukünftige Entwicklungen müssen berücksichtigt werden: Ausbau erneuerbarer Energien Neue Verbrauchscharakteristik Änderung gesetzlicher Rahmenbedingungen Demand-Side-Management Neue Technologien im Verteilnetz E-Mobility Energiespeicher Dezentrale Speicher Regelbare Ortsnetzstationen Neue Tarifmodelle für Endkunden Power to Gas Kompensationsanlagen Folie 22/30 und
Zielsetzung Auslastung von n Auslastung und verfügbare Reserven bestimmen Handlungsbedarf und -optionen identifizieren Wirtschaftlicher Netzbetrieb Analyse der Zusammenhänge im Netzbetrieb Handlungsoptionen erkennen und nutzen Zukünftige Entwicklungen einbeziehen Werkzeug für ganzheitliche Planung beim Netzbetreiber Folie 23/30 und
Marktrollen der liberalisierten Stromwirtschaft Freier Wettbewerb Regulierung MSB/MDL = Messstellenbetreiber/Messdienstleister Folie 24/30 und
Ausgangslage Festes Tarifmodell im Privat- / Gewerbe-Kunden Bereich Keine Messung der tatsächlich in Anspruch genommenen Energie, sondern Ansatz eines Standardlastprofils (SLP) Bilanzierung der Kundenverbrauchsmengen in Leistungsinanspruchnahme über zugeordnetes SLP Einkauf der SLP-Profile über EEX (Strombörse) Watt 300 250 200 150 100 50 0 Standardlastprofil H0 im Winter 0:00 1:15 2:30 3:45 5:00 6:15 7:30 8:45 10:00 11:15 12:30 13:45 15:00 16:15 17:30 18:45 20:00 21:15 22:30 23:45 Uhrzeit Werktag Samstag Sonntag Quelle: VDEW Folie 25/30 und
Wandel des Energiesystems Bisheriges System: Verbrauchsorientierte Produktion Lineare Prozesskette Zukünftiges System: Verbrauchsorientierte Produktion + Produktionsorientierter Verbrauch Vernetztes Gesamtsystem Quelle: E-Energy Folie 26/30 und
Herausforderung Elektrische Energie in kwh 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Elektrische Energiebilanz eines Privathaushaltes mit Wärmepumpe, PV- und Batteriesystem 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 12:59 14:00 15:00 15:45 16:45 17:44 18:45 19:45 20:45 21:45 23:15 0:00 Zeit Erzeugung - PV Einspeisung Bezug Batterie Aufladen Batterie Entladen Verbrauch - Wärmepumpe Verbrauch - Haushalt Folie 27/30 und
Zielsetzung Analyse von Geschäftsprozessen der Energiewirtschaft Entwicklung von innovativen Lastprognoseverfahren Zukunftsfähige der Energiewirtschaft Entwicklung von zukunftsfähigen Geschäftsmodellen für die Akteure der Energiewirtschaft Folie 28/30 und
Zusammenfassung Analyse von Geschäftsprozessen Versorgungssicherheit Zukunftsfähige Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit innovative Lastprognoseverfahren Zukunftsfähige Geschäftsmodelle Folie 29/30 und
Vielen Dank für Ihr Interesse! Prof. Dr.-Ing. Michael Finkel MBA Hochschule Augsburg Fakultät für Elektrotechnik An der Hochschule 1 86161 Augsburg Tel.: +49 821 5586-3366 Fax: +49 821 5586-3360 E-Mail: michael.finkel@hs-augsburg.de www.hs-augsburg.de Folie 30/30 und