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

ertr

agu

ng

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!