Das elektrische Energieversorgungsnetz für die EnergiewendeParadigmenwechsel oder Netzausbau?
Prof. Dr.-Ing. Jutta Hanson24.03.2017
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Das elektrische EnergieversorgungsnetzParadigmenwechsel oder Netzausbau?
Energiewende und Erzeugungsstruktur
Erzeugungsstruktur als Treiber für Paradigmenwechsel
Stabilität als Basis des Netzbetriebes
(Rotorwinkel, Frequenz, Spannung)
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Eckpfeiler des Energiekonzepts der Bundesregierung
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Beendigung der Kernenergienutzung spätestens Ende 2022
Dynamischer Ausbau der erneuerbaren Energien in allen Sparten (80 % des Verbrauchs in 2050)
Zügiger Ausbau und Modernisierung der Stromnetze
Senkung des Stromverbrauchs mit modernen Technologien
Steigerung der Energieeffizienz insbesondere durch Gebäudesanierung
Energieeinspeisung und installierte Leistung erneuerbarer Energien in Deutschland (2016)
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* Bruttostromverbrauch: Bruttostromerzeugung bereinigt um Importe/Exporte; * Quelle: http://www.ag-energiebilanzen.de/4-0-Arbeitsgemeinschaft.html, "Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2016", Stand Februar 2017 **Nettostromerzeugung zur öffentlichen Stromversorgung; Quelle: https://www.energy-charts.de
Einspeisung und Verbrauch el. EnergieBruttostromverbrauch* 595 TWhNettostromerzeugung (ö)** 542 TWhErneuerbare Energien 181 TWh
Installierte Netto-Leistung zur Stromerzeugung**
Gesamt 191 GWErneuerbare Energien 103 GW
14,8
24,9
18,3
8,6
14,46,9
3,5
8,7
0
5
10
15
20
25
30
Einspeisung elektrischer Energie in %
10,820,9
28,4 28,3
49,640,9
5,6 7,1
0
10
20
30
40
50
60
Installierte Leistung in GW
Elektrische Energieversorgung Zukünftige Erzeuger- und Netzstruktur
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Ver
teilu
ng
Üb
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220 kV / 380 kV
10 kV / 20 kV
110 kV
0,4 kV
Haushalte
Großkraftwerke
Kraftwerke Industrie/Gewerbe
Industrie/Gewerbe
Zukunft
=~~
=
Industrie/GewerbeKraftwerke
Speicher
Speicher Windpark
Offshore-Windpark
Industrie/Gewerbe
Haushalt mitSpeicher
BHKWPV-Anlagen WKA Biogasanlage
PV-Anlagen E-Autos Haushalt mit BHKW
Haushalt mit PV
Vergangenheit
Bilder: BMU-AGEE-Stat
Dezentrale Erzeugung in kleinen Einheiten
Verbrauchsferne Erzeugung in großen Einheiten
Windenergie, insbesondere Offshore
Wasserkraft – Alpen, Skandinavien
Volatile Erzeugung
Leistungselektronische Erzeugungseinheiten ohne Schwungmasse
Verbrauch/Speicher folgt Erzeugung und Transport
ErzeugungssektorGrundlegende Änderungen
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Die zukünftigen StromnetzeUmrichtergespeiste Erzeuger als Treiber
Leistungselektronik ersetzt Synchrongeneratoren, z.B.
Windenergieanlagen (doppelt-gespeiste Asynchrongeneratoren und umrichtergespeiste Synchrongeneratoren)
Photovoltaik
HGÜ für Offshore-Windparks
Ein Energieversorgungsnetz mit diesem neuen Energiemix verhält sich tendenziell
"weicher" (weniger spannungsstabil) "schneller" (weniger frequenzstabil)
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El. Energieerzeugung El. Energieverbrauch
Flexible Verbraucher, Speicher, Power-2-X
"Smarte" Technologien
Flexibler Kraftwerksbetrieb
Ausbau der Stromnetze
50 Hz
Lösungsansätze
Die zukünftigen StromnetzeVolatilität als Treiber
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Erzeugung/Verbrauch Energieversorgungsnetze
ÜbertragungsnetzVerteilnetz
und/oder
Sonnenenergie
WärmeWärme
Wärme
Geothermie
Wärmespeicher
Kälte
Biomasse
Zunehmende Integration volatiler und dezentraler Erzeugung ("Sammelnetz")
Flexibilisierung der Betriebsführung (Erzeugung/Speicher, Netz, Verbrauch)
Übernahme zentraler Aufgaben(Betriebsführung, Systemdienstleistungen)
Stromtransport möglichst verlustfrei über lange Strecken
Betriebsführung ohne Großkraftwerke
Zentrale Systemführung mit neuen Technologien
Die zukünftigen StromnetzeDezentrale und verbrauchsferne Erzeugung als Treiber
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Energieversorgung Ausgewählte Schlagworte
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Die zukünftigen StromnetzeParadigmenwechsel in der Netzplanung
Worst-Case-Betrachtungen für die Dimensionierung von Betriebsmitteln sind kaum noch möglich – speziell im Verteilnetzbereich.
Neue Untersuchungen sind notwendig aufgrund der geänderten Erzeugungs-, Netzstruktur und innovativer Betriebsmittel.
Die Vielzahl der aktiven dezentralen Betriebsmittel und die neuen Netzstrukturen erfordern neuartige Regelungskonzepte unter Nutzung von lokalen/globalen Messwerten.
Mit schwindender konventioneller Erzeugung verstärkt sich der Fokus auf die Netzdynamik.
Quasistationäre und dynamische Vorgänge im Energieversorgungsnetz gewinnen an Bedeutung.
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sta
tionär
dynam
isch
Marktgeschehen und EEG definieren die Leistungsflüsse im Netz.
Stabilität – Basis für den NetzbetriebEntwicklungstendenzen
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Quelle: Sattinger, 9. ETG/GMA Fachtagung, München, 5./6. März 2008
Stabilität – Basis für den NetzbetriebParadigmenwechsel in der Netzplanung
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Die (Definition der) Stabilität basiert im Wesentlichen auf dem Verhalten der Synchronmaschine im Netz.
Rotorwinkel Frequenz Spannung
EinhaltungSynchronismus
Stabilität
Gleichgewicht der Wirkleistung
Gleichgewicht der Blindleistung
Stabilität – Basis für den NetzbetriebParadigmenwechsel in der Netzplanung
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Rotorwinkel Frequenz Spannung
EinhaltungSynchronismus
Stabilität
Gleichgewicht der Wirkleistung
Gleichgewicht der Blindleistung
schnell langsam schnell langsam schnell langsam
Tendenz SpannungsstabilitätBlindleistungsreserven
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Spannung
schnell langsam
Zentral / Dezentral
• Blindleistungsmanagement im/durch Verteilnetz/e
• Flexible Blindleistungs-bereitstellung durch umrichter-basierte Betriebsmittel
• Blindleistungshaltung im Über-tragungsnetz ohne Kraftwerke
Tendenz SpannungsstabilitätBlindleistungsreserven
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Spannung
schnell langsam
Zentral / Dezentral
Anteil erneuerbarer Energien
• Veränderte KS-Leistung zentraler Netzknoten
• Spannungstrichter im Netz
• Spannungsstützung durch Erneuerbare Einspeiser
Tendenz FrequenzstabilitätErzeugung = Verbrauch
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Frequenz
schnell langsam
Anteil Erneuerbarer Energien
Energiemarkt
• Leistungsschwankungen, Leistungsgradienten
• Minutenreserve
• Fahrplan konventioneller Kraftwerke (Mindestleistung)
Speicher, Power-2-X, DSM • Netzdienliches Verhalten
Tendenz FrequenzstabilitätErzeugung = Verbrauch
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Frequenz
schnell langsam
Anteil Erneuerbarer Energien
Speicher, Power-2-X, DSM
• Abnahme Momentanreserve• Primärregelleistung• Gefahr der Netztrennung
• Flexibilisierung der Last• Netzdienliches Verhalten
Zentral / Dezentral• Frequenzabhängige Einspeisung
der EE in Verteilnetzen
Rotorwinkel
Tendenz RotorwinkelstabilitätSpannungswinkel Erzeugung – Verbrauch
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schnell langsam
Zentral / Dezentral
• Last- und Erzeugungs-schwerpunkte weit entfernt
• Schwache Kupplung zwischen Netzen
• Interaktionen von Reglern
Rotorwinkel
Tendenz RotorwinkelstabilitätSpannungswinkel Erzeugung – Verbrauch
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schnell langsam
Anteil Erneuerbarer Energien
Zentral / Dezentral
• Veränderte KS-Leistung zentraler Knoten
• Spannungstrichter im Netz
• Entfernung Erzeugung/Verbrauch• Geänderte Betriebspunkte• Art der Netzstörung
(Netztrennung, Teilnetzbildung)
Stabilität –Basis für den NetzbetriebParadigmenwechsel als schleichender Prozess
Die Anforderungen an die Netze ändern sich mit dem Anteil der Erneuerbaren Energien im Netz.
Rotorwinkel-, Frequenz- und Spannungsstabilität können für die Definition von Umrichterverhalten der Erneuerbaren Energien nicht unabhängig voneinander betrachtet werden.
Der Übergang vom jetzigen Energieversorgungsnetz zur neuen Netzstruktur muss möglich sein.
Es besteht Handlungsbedarf bezüglich Art und Umfang zukünftiger Systemdienstleistungen.
Welche Stabilitätskriterien und -berechnungen bleiben in geänderter Form erhalten, welche müssen -wann- neu gedacht und abgestimmt
werden?
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Stabilität –Basis für den Netzbetrieb Systemdienstleistungen
Als Systemdienstleistungen werden in der Elektrizitätsversorgung diejenigen für die Funktionstüchtigkeit des Systems zum Teil unvermeidlichen Dienstleistungen bezeichnet, die Netzbetreiber für die Anschlussnehmer erbringen und damit die Qualität der Stromerzeugung bestimmen.
Die wichtigsten Systemdienstleistungen sind:
Frequenzhaltung
Spannungshaltung
Versorgungswiederaufnahme
Betriebsführung
Quelle: NAR TenneT, 2012
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Zusammenfassung
Die Energiewende mit einer geänderten Erzeugungsstruktur bedeutet mehr für das elektrische Energieversorgungsnetz als nur den Wechsel von
konventionellen zu regenerativen oderzentralen zu dezentralen
elektrische Erzeugungseinheiten.
Das zukünftige Energieversorgungsnetz erfährt einen Paradigmenwechsel.
Die Netzanschlussregeln für Erneuerbare Energien werden sich den geänderten technischen Bedingungen im Netz immer wieder anpassen müssen.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
