Energietechnik Teil 1 – Technik der Netze

(1)

Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik

Energietechnik

Teil 1 – Technik der Netze

Stephan Rupp

www.dhbw-stuttgart.de

Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 2 5. Semester, Elektrotechnik

Inhalt

Technik der Energieversorgungsnetze

•  Einführung: Struktur der Netze

•  Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie

•  Energiewende

•  Technische Herausforderungen

Quelle: Stefan Riepl, Wikimedia Commons

Spannungsebenen &

Transformatoren Erzeuger

Verbraucher

Elektrische Energieversorgungsnetze

Quelle: Netzentwicklungsplan.de

•  Übertragungsnetzbetreiber –  Regelzonen

–  Anpassung von Angebot und Nachfrage an elektrischer Leistung:

Leistungsregelung

•  Konzept

–  Planung: Netzfahrplan –  Planabweichungen

dynamisch ausregeln

Übertragungsnetz

(2)

Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik ED VACUTAP^®

Spannung ist abhängig vom Lastzustand

•  Spannungsabfall bei erhöhter Last (an der Impedanz des Netzes)

•  Spannungsanstieg bei niedriger Last bzw. bei Einspeisung

Laststufenschalter

Regelgröße Netzspannung

Sollwert Netzspannung Netzlast

Störgröße

Stelleinrichtung Regeltransformator Regelstrecke

Spannungsregler Regler Überwachung

Messwandler

Messeinrichtung U I

Spannungsregelung

Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen

5 Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 6 5. Semester, Elektrotechnik

Inhalt

•  Energiewende

Traditionelle Methode: Fossile Brennstoffe

Energiebilanz:

•  Strom: 33% (Wirkungsgrad)

•  Wärme: 67% (Abwärme)

•  CO2: 1 Mt pro TWh (Abgas)

C (Kohle) CO2

Strom

Stromnetz

Wärme

Kraftwerk O2

Erneuerbare Energien im Netz

Legende:

ÜN: Übertragungsnetz (380kV/220kV) VN: Verteilnetz (110kV, 20kV)

ÜN VN ON

Synchrongeneratoren

Wechselrichter

Lastfluss Leistungsregelung

Einspeisung erneuerbarer Energien auf den unteren Netzebenen

∿

Leistungsregelung: nahe der Einspeisung (ÜN) ON und VN geben eingespeiste Leistung weiter an ÜN zur Anpassung von Angebot und Nachfrage Spannungsregelung: nahe am Verbraucher

(3)

Inhalt

•  Energiewende

Einsatz erneuerbarer Energien

Quelle: Schlussbericht BMU – FKZ, 03MAP146, März 2012

Wendepunkt

10

Option: Verbundnetz Strom-Gas

C (Kohle)

CO2 Heizung (Kraft- Wärme-Kopplung)

Kraftwerk, BHKW

Gasnetz Stromnetz

Strom

Elektrolyse &

Methanisierung CH4

Strom aus Leistungs- überschuss Wind, Solar 2x H2O

Verkehr Heizung

Kraftwerk, BHKW CO2

Gas als Strom- speicher 2x O2

O2

BHKW: Blockheizkraftwerk

2x O2 2x H2O

CH4

Wirkungsgrade im Verbundnetz

*) für Gasbauern: Gas aus Bio- masse hat geringeren Ertrag als Gas aus PV oder Wind

Kohle, Öl

Strom Strom-Wärme

Gas PV

Wind

Biomasse *) Sonne

Wärme Verkehr

1% 10% 20% 33%

50%

67%

70%

20%

(40% für Hybrid Fahrzeuge)

60%

40%

(4)

Inhalt

•  Energiewende

•  Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland

•  *) BMU = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

Energiewende - Fahrplan

16%

EE

84%

konv. 53%

EE

47% konventionell

Quelle: DLR, IWES, IFNE: Schlussbericht - Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global.

2012

technische Konsequenz:

zunehmend dezentrale Einspeisung

14

Netz 2010 und 2025 - Verbraucherstruktur

Land Stadt

Netz 2010 – inklusive Erzeuger

Land Stadt

(5)

Netz 2025 – inklusive Erzeuger

Land Stadt

17 Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik

Effekte im Netzmodell

Lastflüsse in den Verteilnetzen (Wirk- und Blindleistung)

2010 2025

•  Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf

•  Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

18

Effekte im Netzmodell

Verhalten bei Laständerungen

•  Wirkleistungskennlinie im Jahre 2010 und 2025

•  Die Abnahme konventioneller Kraftwerke führt zu einer steileren Kennlinie, d.h. Verdopplung der Änderungen der Netzfrequenz

Technik der Netze

Netze mit 50% erneuerbare Energien

•  Umkehr des Lastflusses im ländlichen Bereich

•  Hoher Blindleistungsbedarf für dezentrale Erzeuger

•  Verschlechterung der Netzstatik

•  Herausforderungen für Ingenieure der Elektrotechnik

(6)

Energietechnik

ENDE Teil 1

(7)

Quelle: Stefan Riepl, Wikimedia Commons

Spannungsebenen &

Transformatoren Erzeuger

Verbraucher

Elektrische Energieversorgungsnetze

3

(8)

Effekte im Netzmodell

Lastflüsse in den Verteilnetzen (Wirk- und Blindleistung)

2010 2025

•  Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf

•  Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

(9)

Energietechnik

Teil 2 – Erneuerbare Energien

Stephan Rupp

Inhalt

Erneuerbare Energien

•  Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie

•  Verbraucherstruktur im Netz

•  Erneuerbare Energien im Netz

•  Wirtschaftliches Umfeld

Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie

Kraftwerke

•  fossile bzw. nukleare Brennstoffe

•  hohe Leistung (ca. 1 GW elektrisch)

•  hohe Planbarkeit

C (Kohle) CO2

Strom (30%)

Stromnetz

Wärme (70%)

Kraftwerk

O2

Kernkraftwerk Wärme (70%)

Stromnetz

Hochdruck Niederdruck

15 kV 110 kV Kessel

Einspeisung beim Kraftwerk

Beispiel: Dampfturbine

•  synchroner Betrieb

•  kinetische Energie

•  Verbund starr gekoppelter Synchrongeneratoren

(10)

Sonne (Photovoltaik, PV)

•  keine Brennstoffe

•  Anlagengröße:

–  1 kW - 1 MW (Niederspannung) –  10 - 20 MW (Mittelspannung) –  10 - 60 MW (Hochspannung)

•  planbar im Rahmen der Wettervorhersage

•  Einspeisung: über Wechselrichter

Stromnetz

Windparks

•  keine Brennstoffe

•  Anlagengröße:

–  1 - 100 MW (Mittelspannung)

–  10 - 500 MW (Hochspannung & Offshore)

•  planbar im Rahmen der Wettervorhersage

•  Einspeisung: vorwiegend über Wechselrichter

Stromnetz

Biogas und Biomasse

•  Brennstoffe (CO₂-neutral erzeugt):

–  Biogas: Gas als Brennstoff (Gasturbine)

–  Biomasse: benötigt einen Kessel (Dampfturbine)

•  Anlagengröße: 400 kW bis 10 MW

•  hohe Planbarkeit

•  schnelle Verfügbarkeit (für Gasturbine)

Stromnetz

Einspeisung durch Wechselrichter

Beispiel: Solarwechselrichter

•  …

DC/AC Wandler mit Transformator

Legende:

MPP: Maximum Power Point (Arbeitspunkt mit maximaler Leistung) PWM: Pulsweitenmodulation für den AC-Wandler

NA-Schutz: Netz- und Anlagenschutz (Netztrennung für Wartungen bzw. im Fehlerfall)

(11)

Struktur des Netzes

Synchron- generatoren

Erzeuger und Verbraucher

•  Sammelschienen

•  Leitungen bzw. Kabel

•  Erzeuger erneuerbarer Energien vorwiegend in den unteren Spannungsebenen

Inhalt

Verbraucherstruktur im Netz

Verhältnisse in Deutschland

•  Verbraucher und Energiebedarf

–  Industrie: 47% des Energiebedarfs (Wh bzw. W) –  Handel und Gewerbe: 26%

–  Haushalte: 14%

–  Sonstige (Verkehr, Landwirtschaft, öffentl. Einrichtungen, …): 14%

•  Netzstruktur

–  Abhängig von den Bemessungsgrößen der Betriebsmittel –  Mittelspannungstransformatoren (z.B.

–  Ortsnetztransformatoren (z.B. Land, Stadt) –  Leistung zur Hauptbetriebsstunde: z.B. 80 GW

Netzmodell

•  Spannungsebenen:

–  Hochspannungsnetz (110 kV) –  Mittelspannungsnetz (20 kV)

–  Niederspannungsnetz (Ortsnetz, 0,4 kV)

•  Struktur:

–  ländliches Netz: ca. 1/5 der Bevölkerung, Niederspannung –  städtisches Netz: ca. 4/5 der Bevölkerung, Niederspannung –  Industrieabnehmer: Mittelspannung und Hochspannung

(12)

% Anteil der Verbrauchs (el. Leistung)

% Anteil des Verbrauchertyps im Netz

Betriebsmittel

Niederspannungsnetze im Land

Niederspannungsnetze in der Stadt

Struktur der Niederspannungsnetze

Beispiel: Stadt

Struktur der Mittelspannungsnetze

(13)

Vereinfachtes Netzmodell

Hochspannungsnetz

•  Großindustrie

•  städtische Netze

•  ländliche Netze

Die Proportionen ergeben sich aus Bemessungs- größen der Mittelspannungstransformatoren und der Leistung zur Hauptbetriebsstunde.

repräsentatives Modell: ca.

1/600 des gesamten Netzes

Inhalt

Installierte Kapazitäten in 2012

•  Wind:

–  Weltweit: 284 GW –  USA: 110 GW

–  EU: 106 GW hiervon D: 30 GW Spanien 23: GW

•  Photovoltaik:

–  D: 30 GW, Italien: 16 GW, USA: 7 GW, China: 7 GW

•  Einfluss EE im Netz:

–  in D gemessen an der Größe des Netzes somit bereits heute signifikante Einflüsse

Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland Entwicklung erneuerbarer Energien

16%

EE 84%

konv.

53% EE

47% konventionell

Quelle: DLR, IWES, IFNE: Schlussbericht - Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. 2012

Energiemix

(14)

Anteil erneuerbarer Energien im Netz

2010

2025

Verteilung der erneuerbaren Erzeuger

Wind

Photovoltaik

Erzeuger im Netz (2010) Erzeuger im Netz (2025)

(15)

Inhalt

EEG!Reloaded!2014!

Abschaffung+des+EEG+oder+Reform+der+EEG4Finanzierung+ !!!!

!

L!13!L!

!

Abbildung!1:! Schematische!Darstellung!des!fünfstufigen!EEGLWälzungsmechanismus!

(Bundesnetzagentur!2012a,!S.14)!

! Abbildung!2:! Mittlere! an! Betreiber! gezahlte! EEGLVergütungssätze! (Berechnung! auf! der! Basis! der!

Angaben! der! Übertragungsnetzbetreiber! und! der! EEGLMittelfristprognosen! der!

Übertragungsnetzbetreiber!bis!2018,!nach!r2b!2013,!S.4f)!

! Aufgrund!dieser!starken!Differenzierung!!und!der!Vielfältigkeit!einzelner!Vergütungssätze!ist!es!am!

sinnvollsten,! die! Entwicklung! der! durchschnittlichen! EEGLVergütung! für! die! verschiedenen!

regenerativen!Energiequellen!zu!betrachten.!

2 Effekte der AusglMechV

Die AusglMechV hat das System der Wälzung zwischen ÜNB, EVU und letztlich dem Verbraucher grundlegend verändert. Die Glättung des fluktuierenden EEG-Stroms zu einem Bandprodukt, welches physikalisch vom Stromlieferanten abzunehmen war, wurde durch den direkten Verkauf des EEG-Stroms durch die ÜNB an der Strombörse ersetzt. EEG- Anlagenbetreiber sowie VNB sind von den Regelungen der AusglMechV nicht betroffen.

2.1 Auswirkungen auf den fünfstufigen Wälzungsmechanismus

Da die Erneuerbaren Energien in aller Regel noch nicht wettbewerbsfähig sind, wird die Stromproduktion aus diesen Quellen über das EEG finanziell gefördert. Um den aus Erneu- erbaren Energien produzierten Strom zu den Stromverbrauchern zu bringen und gleichzeitig die mit der Energieproduktion verbundenen Kosten zu decken, wurde ein fünfstufiges Umla- gesystem etabliert, welches als Wälzungs- bzw. Ausgleichsmechanismus bezeichnet wird.

Dieser Mechanismus beschreibt den Weg des aus Erneuerbaren Energien produzierten Stroms und seiner Vergütung wie in Abbildung 1 dargestellt vom Anlagenbetreiber bis zum Stromverbraucher.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des fünfstufigen EEG-Wälzungsmechanismus

14

0!

10!

20!

30!

40!

50!

60!

2000' 2001' 2002' 2003' 2004' 2005' 2006' 2007' 2008' 2009' 2010' 2011' 2012' 2013' 2014' 2015' 2016' 2017' 2018'

c/kWh( Mittlere(gezahlte(EEGGVergütungssätze(

Wasser' Gas' Biomasse' Geothermie'

Wind'onshore' Wind'offshore' Solarenergie' jährlicher'Mittelwert'

Quelle: Bundesnetzagentur

26

Wirtschaftliches Umfeld

€ (Geldfluss) kWh (elektrische Energie)

Rollen im Markt

•  Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

•  Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

•  Stromerzeuger (Elektrizitäts- Versorgungs-Unternehmen)

•  Anlagenbetreiber

•  Verbraucher

•  Strombörse (Spotmarkt)

Erzeugung und Vermarktung

EEG Umlage

•  Grünstromprivileg (Abnahmeverpflichtung)

•  Vergütung über EEG Preise

•  Netzbetreiber an Anlagenbetreiber nach fester EEG Vergütung

•  Differenz zum Preis an der Strombörse durch EEG Umlage an Verbraucher

EEG Direktvermarktung

•  Anlagenbetreiber handelt an Strombörse (Börsenpreis)

•  Förderung durch Marktprämie (= EEG-Vergütung – mittl. mtl. Börsenpreis)

•  Direktvermarktung – EEG-Vergütung = Börsenpreis – mittl. mtl. Börsenpreis

•  Ausfallvergütung (Nachweis der Netzqualität bzw. Anlagenverfügbarkeit)

EEG!Reloaded!2014!

!

Abbildung!7:! Qualitative!Darstellung!der!Bildung!der!Differenzkosten!aus!den!Kosten!für!Zahlungen!

und!den!Erlösen!für!erneuerbaren!Strom!an!der!Börse!(Quelle:!Loreck!et!al.!2013,!S.!

9)!

! Der! Strompreis! bildet! sich! am! Markt! in! jeder! Stunde! (zum! Teil! inzwischen! sogar! in! jeder!

Viertelstunde)!indem!der!Stromnachfrage!in!dieser!Stunde!die!nach!der!Höhe!ihrer!variablen!Kosten!

geordneten! Kapazitäten! aller! am! Markt! verfügbaren! Kraftwerke! (die! so! ermittelte! Kostenkurve!

bezeichnet! man! als! MeritLOrder)! gegenüber! gestellt! werden.! Die! variablen! Kosten,! des! letzten! zur!

Deckung! der! Nachfrage! notwendigen! Kraftwerks! bestimmen! so! den! Marktpreis! des! Stroms! (vgl.!

Abbildung! 8).! Somit! kann! sich! in! jeder! Stunde! des! Jahres! ein! anderer! Preis! und! damit! ein! anderer!

Erlös!für!die!vermarktete!Kilowattstunde!regernativ!erzeugten!Stroms!ergeben.!

Da! die! regenerativen! Energiequellen! Wind,! Sonne,! Wasserkraft! und! Geothermie! praktisch! keine!

variablen! Kosten! haben! und! auch! die! Stromerzeugung! aus! anderen! EEGLAnlagen! nicht! vom!

Übertragungsnetzbetreiber! gesteuert! und! mit! einer! fixen! EEGLVergütung! bezahlt! wird,! treten! die!

unter! dem! EEG! von! den! Übertragungsnetzbetreibern! vermarkteten! regenerativ! erzeugten!

Strommengen! am! Markt! ohne! variable! Kosten! auf.! Sie! kommen! also! ganz! links! in! der! MeritLOrder!

(vgl.!Abbildung!9).!!

Je!höher!nun!die!Erzeugung!aus!regenerativen!Energiequellen!wird,!um!so!weniger!konventionelle!

Kraftwerke!werden!zur!Deckung!einer!gegebenen!Stromnachfrage!benötigt!und!desto!niedriger!wird!

der!Marktpreis,!weil!sich!die!MeritLOrder!Kurve!immer!weiter!nach!rechts!verschiebt!(MeritLOrderL Effekt).!

!

Öko-Institut EEG-Umlage 2014

9

Je niedriger der Großhandelsstrompreis an der Börse ist, desto höher sind die Diffe- renzkosten, die auf die Letztverbraucher umgelegt werden, denn die zu refinanzie- renden Vergütungen, die an die Anlagenbetreiber für eine bestimmte eingespeiste Strommenge bezahlt werden, sind ja festgelegt.⁷

Der Großhandelsstrompreis selbst hängt einerseits von den Brennstoff- und CO2- Kosten der konventionellen Kraftwerke ab (also Faktoren, die unabhängig vom Aus- bau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sind), andererseits beeinflussen aber auch die erneuerbaren Energien selbst den Großhandelspreis: Je mehr erneuerbare Energien eingespeist werden, desto weniger Strom aus konventionellen Kraftwerken wird benötigt. Bei gleicher Nachfrage kommt der Schnittpunkt mit der Angebotskurve der konventionellen Kraftwerke bei einem billigeren Kraftwerk zu Stande – der Großhandelsstrompreis sinkt.

Die EEG-Umlage für das kommende Jahr wird einmal jährlich (im Oktober) durch die ÜNBs neu berechnet. Hierfür erstellen die ÜNBs eine Prognose für die Entwicklung aller die Umlage beeinflussenden Parameter im nächsten Jahr.

Abbildung 3 Qualitative Darstellung der Bildung der Differenzkosten aus den Kos- ten für Zahlungen und den Erlösen für erneuerbaren Strom am Strom- markt

Quelle: Öko-Institut

7 Eine detaillierte Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren für die EEG-Umlage und ihrer Bedeutung bietet Öko-Institut (2012).

€

MWh Nachfrage

Angebot aus konventionellen Kraftwerken

Strompreis

EE-Stromproduktion Vergütungs-

zahlungen an EE-Anlagen-

betreiber und weitere

Kosten

Einnahmen für EE- Strom am Strommarkt Differenz-

kosten werden umgelegt auf nichtprivilegierten

Stromverbrauch

Quelle: Öko-Institut e.V.

EEG-Vergütung

28

Strombörse

Strompreis

•  Aus Angebot und Nachfrage

•  zunächst günstigste Erzeuger

•  dann zunehmend teure Erzeuger

•  berücksichtigt werden nur variable Kosten (d.h. Primärenergiekosten)

•  Fixkosten (Investitionen in Anla- gen) werden nicht berücksichtigt Passendes Modell für erneuerbare Energien?

(16)

Energietechnik

ENDE Teil 2

(17)

Verbraucherstruktur im Netz

% Anteil der Verbrauchs (el. Leistung)

% Anteil des Verbrauchertyps im Netz

(18)

Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland Entwicklung erneuerbarer Energien

16%

EE 84%

konv.

53% EE

47% konventionell

Quelle: DLR, IWES, IFNE: Schlussbericht - Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. 2012

Energiemix

(19)

Erzeuger im Netz (2010)

(20)

Erzeuger im Netz (2025)

(21)

Energietechnik, Teil 2, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik EEG!Reloaded!2014!

!

L!13!L!

!

Abbildung!1:! Schematische!Darstellung!des!fünfstufigen!EEGLWälzungsmechanismus!

(Bundesnetzagentur!2012a,!S.14)!

! Abbildung!2:! Mittlere! an! Betreiber! gezahlte! EEGLVergütungssätze! (Berechnung! auf! der! Basis! der!

Angaben! der! Übertragungsnetzbetreiber! und! der! EEGLMittelfristprognosen! der!

Übertragungsnetzbetreiber!bis!2018,!nach!r2b!2013,!S.4f)!

! Aufgrund!dieser!starken!Differenzierung!!und!der!Vielfältigkeit!einzelner!Vergütungssätze!ist!es!am!

sinnvollsten,! die! Entwicklung! der! durchschnittlichen! EEGLVergütung! für! die! verschiedenen!

regenerativen!Energiequellen!zu!betrachten.!

2 Effekte der AusglMechV

Die AusglMechV hat das System der Wälzung zwischen ÜNB, EVU und letztlich dem Verbraucher grundlegend verändert. Die Glättung des fluktuierenden EEG-Stroms zu einem Bandprodukt, welches physikalisch vom Stromlieferanten abzunehmen war, wurde durch den direkten Verkauf des EEG-Stroms durch die ÜNB an der Strombörse ersetzt. EEG- Anlagenbetreiber sowie VNB sind von den Regelungen der AusglMechV nicht betroffen.

2.1 Auswirkungen auf den fünfstufigen Wälzungsmechanismus

Da die Erneuerbaren Energien in aller Regel noch nicht wettbewerbsfähig sind, wird die Stromproduktion aus diesen Quellen über das EEG finanziell gefördert. Um den aus Erneu- erbaren Energien produzierten Strom zu den Stromverbrauchern zu bringen und gleichzeitig die mit der Energieproduktion verbundenen Kosten zu decken, wurde ein fünfstufiges Umla- gesystem etabliert, welches als Wälzungs- bzw. Ausgleichsmechanismus bezeichnet wird.

Dieser Mechanismus beschreibt den Weg des aus Erneuerbaren Energien produzierten Stroms und seiner Vergütung wie in Abbildung 1 dargestellt vom Anlagenbetreiber bis zum Stromverbraucher.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des fünfstufigen EEG-Wälzungsmechanismus

14

0!

10!

20!

30!

40!

50!

60!

2000' 2001' 2002' 2003' 2004' 2005' 2006' 2007' 2008' 2009' 2010' 2011' 2012' 2013' 2014' 2015' 2016' 2017' 2018'

c/kWh( Mittlere(gezahlte(EEGGVergütungssätze(

Wasser' Gas' Biomasse' Geothermie'

Wind'onshore' Wind'offshore' Solarenergie' jährlicher'Mittelwert'

Quelle: Bundesnetzagentur

26

Wirtschaftliches Umfeld

€ (Geldfluss) kWh (elektrische Energie)

Rollen im Markt

•  Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

•  Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

•  Stromerzeuger (Elektrizitäts- Versorgungs-Unternehmen)

•  Anlagenbetreiber

•  Verbraucher

•  Strombörse (Spotmarkt)

(22)

Energietechnik

Teil 3 – Angebot und Nachfrage

Stephan Rupp

Inhalt

Angebot und Nachfrage - Regelungstechnik im Netz

•  Übersicht

•  Spannungsregelung

•  Leistungsregelung

Funktionsprinzip der Regelung

Legende:

ÜN: Übertragungsnetz (380kV/220kV) VN: Verteilnetz (110kV, 20kV) ON: Ortsnetz (400V)

ÜN VN ON

Synchrongeneratoren

Wechselrichter

Lastfluss Leistungsregelung

∿

•  Leistungsregelung: nahe der Einspeisung (ÜN)

•  Spannungsregelung: bis nahe an den Verbraucher

ÜN VN ON

Spannungsregelung

Informations- und Regelungstechnik

Netzleitstelle

Stationsebene

Bayebene Primärgerät (Trafo) Leitsystem *)

Stationsleitgerät

Schutz RTU **) Feld

Feldleitgerät Stationsbus

Feldbus Fernwirken

I/O I/O Feldgeräte auf

Stationsebene

Feld- geräte

**) RTU: Remote Terminal Unit

*) SCADA:

Supervisory Control and Data Acquisition)

(23)

Inhalt

•  Übersicht

Regelung am Transformator

Buchholz- relais

Luftströmungswächter Ventilatoren

„Gas in Öl“-Sensor

Ölstandmessung

Wicklungs- und Ölthermometer

Elektronische Wicklungs- temperaturberechnung Ölströmungsmessung

im Zu-/Ablauf Ölfeuchte

Digitale Öltemperatursensoren Temperatursensoren für

OLTC-Monitoring

Motorantrieb, Regelung, Überwachung

Spannungsmessung mit Spitzenwertdetektion

Stufenschalter (Stellglied)

Laststrommessung mit Spitzenwertdetektion Druckentlastung

Gestänge

Luftentfeuchter

Monitoringsystem Transformator

Elektronische Spannungsregler Verbundisolatoren für Durchführungen

6

Laststufenschalter

Funktionsprinzip

Stufenwähler (Tap Selector)

Lastumschalter (Diverter Switch)

Animation

ED VACUTAP^®

Spannung ist abhängig vom Lastzustand

•  Spannungsabfall bei erhöhter Last (an der Impedanz des Netzes)

•  Spannungsanstieg bei niedriger Last bzw. bei Einspeisung

Laststufenschalter

Regelgröße Netzspannung

Sollwert Netzspannung Netzlast

Störgröße

Stelleinrichtung Regeltransformator Regelstrecke

Spannungsregler Regler Überwachung

Messwandler

Messeinrichtung U I

Spannungsregelung

(24)

Inhalt

•  Übersicht

Leistungsregelung

Angebot und Nachfrage

Leistungsregelung = Anpassung der erzeugten Leistung an die benötigte Leistung

Ausgleich durch Regelung der Einspeiseleistung von konventionellen Kraftwerken.

Probleme bei einem Ungleichgewicht:

•  Absinken oder Steigen der Netzfrequenz

•  Funktionsbeeinträchtigung elektrischer Geräte

•  Ausfall von Teilnetzen

•  Ausfall der kompletten Stromversorgung Erzeugung Verbrauch

Erzeugung

Verbrauch

10

Leistungsregelung im Netz

Funktionsprinzip: Verbund der Synchrongeneratoren

•  f/P-Kennlinie eines Generators

•  → Lastzunahme bewirkt ein absinken der Frequenz

Parallelbetrieb zweier Generatoren

•  Generatoren arbeiten im Allgemeinen parallel in einem Netz

•  Die Statik bestimmt die Zuordnung von Drehzahl und Wirkleistung

(25)

Kollektive Aufteilung bei Laständerungen

•  Die Last wird im Verhältnis zur Statik aufgeteilt, d.h. passend zum Leistungsvermögen der Generatoren => Primärregelung

Änderung der Netzfrequenz

Ausgleich der außerplanmäßigen Laständerung

•  Durch Verstellen des Drehzahlsollwerts erfolgt Anpassung an die Lastabweichung => Sekundärregelung (durch Generator 2)

•  Die Primärregelung wird abgelöst.

14

Inhalt

•  Übersicht

Quelle: Netzentwicklungsplan.de

•  Übertragungsnetzbetreiber –  Regelzonen

–  Anpassung von Angebot und Nachfrage an elektrischer Leistung:

Leistungsregelung

•  Konzept

–  Planung: Netzfahrplan –  Planabweichungen

dynamisch ausregeln

Übertragungsnetz

(26)

Regelzonen in Deutschland

Aufteilung in sechs Regelzonen unter der der Führung der Übertragungsnetzbetreiber

•  Innerhalb einer Regelzone muss Gleichgewicht zwischen Ein- und Ausspeisungen herrschen!

ΣP_Ein- ΣP_Aus = 0

Aufgaben der Übertragungsnetzbetreiber:

•  Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch anhand von Prognosen

•  Vorhaltung von Regelleistung für den Ausgleich von Prognoseabweichungen

P_Ein P Aus

Quelle: Commons, Wikimedia, F. McLloyd

Regelleistung

•  Übertragungsnetzbetreiber kaufen von Kraftwerksbetreibern (EVUs) im Vorfeld Regelleistung ein, die sie bei Bedarf abrufen können.

•  Die vorgehaltene Leistung wird unterteilt in:

•  Um Regelleistung bereitstellen zu dürfen, müssen die Kraftwerksbetreiber bestimmte Voraussetzungen erfüllen ! Präqualifikationsverfahren

Quelle: A. Kamper, Scientific Publishing

18

Leistungsregelung

Beispiel

120s 200s

Quelle: Amprion

Lastprognose des Bilanzkreises (Plan)

ÜNB

Bilanzkreis

ΣP_Erz.- ΣP_Verbr. = 0 0 6 12 18 24 h

P

(27)

Planabweichungen werden untereinander abgerechnet

Quelle: Energieversorgung.de

Einflüsse erneuerbarer Energien

Technische Randbedingungen

•  Wind und PV speisen nicht kontinuierlich ein

•  Regelung durch konventionelle Kraftwerke keine dauerhafte Lösung

•  Ausbau der Transportkapazität erforderlich (Nord-Süd)

•  Stellenweise Lastflussumkehr im Netz

•  Einsatz von Speichertechnologien zur Primärregelung

Regulatorische Anforderungen

•  Teilnahme EE in der Regelenergie (z.B. im Verbund)

•  Neue Rollen für Verteilnetzbetreiber

22

Energietechnik

ENDE Teil 3

(28)

Energietechnik

Teil 4 – Energieinformationstechnik

Stephan Rupp

Inhalt

Energieinformationstechnik

•  Primärtechnik und Sekundärtechnik

•  Aufbau der Informationssysteme

•  Datenaustausch

•  Normatives Umfeld

Übersicht

Primärtechnik und Sekundärtechnik

Einspeisung/Leitung

Transformatoren MS-Schaltanlage HS-Schaltanlage

M G

Stationsleitsystem

Schutztechnik

Primär-Technik Sekundär-Technik

Automatisierungstechnik

Regelung Steuerung Monitoring

Sensoren Aktoren

M etc.

T P F M U/I Pos. Oil f v t etc.

Schutz Schutz &

Steuerung Kommunikation

Kommunikation

Betriebsmittel Informations- und

Kommunikationstechnik

Inhalt

(29)

Aufbau der Informationssysteme

Hierarchie

Netzleitstelle

Station

Feld Feld Feld

Netzleitebene zu anderen Schaltanlagen Stationsleitebene Stationsbus Feldebene Prozessbus Prozessebene

Beschreibung der Systeme

Beispiel

•  einphasiges Ersatzschaltbild

•  Beschreibung der Anwendungs-Domäne

•  Terminologie: nach Standard (IEC 61850)

TCTR

TVTR

MMXU

YPTR SPTR

ATCC YLTC

SLTC (Current Transformer)

(Voltage Transformer)

(Power Transformer)

(Supervision of Power Transformers)

(Tap Changer) (Supervision of Tap

Changer) (Automatic tap changer controller) (Measurement)

GGIO (Generic process I/O)

CCGR (Cooling group control) SIML (Insulation medium supervision (liquid)) YEFN

(Earth fault

neutralizer) ANCR

(Neutral current regulator)

ARCO (Reactive Power

Control)

TTMP (Temperature sensor)

STMP (Temperature supervision)

SIMG (Insulation medium supervision (gas))

Process level Station level Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen

6

Elektrische Schaltanlagen

…

Doppelring mit Doppelstern

Parallel Redundancy Protocol (PRP)

Ringredundanz Protokolle: HSR, MRP

HSR: High-Availbility Seamless Redundancy MRP: Media Redundancy Protocol Quelle: ABB

Schutz Stationsleitgerät

Feldleitgerät/Regler

RTU COM

RTU RTU RTU

LAN COM

COM COM COM

COM LAN Stationsleitgerät

COM COM

WAN

Stationsleitgerät COMCOM

COM COM

Netztopologien

Fernwirken (Wide Area Network, IP/

Ethernet):

redundante Verbindungen

•  Doppelstern

•  Doppelring

Lokales Netz (Local Area Network, Ethernet):

einfache und redundante Verbindungen

•  Baumstruktur

•  Ringstruktur

RTU: Remote Terminal Unit, abgesetzte Einheit COM: Switch bzw. Router

(30)

Anbindung von Sensoren

Zunehmend Feldbusschnittstellen

Traditionelle Methode:

•  Anbindung über I/O (Kupfer)

Intelligente Sensoren:

•  eigener Feldbus

•  ggf. autonome Energieversorgung Messen / Steuern

RTU Feldbus

Sensor Sensor Sensor

Kupfer

Inhalt

Entwicklung der Automatisierungstechnik in Schaltanlagen

Industrie 4.0

Automatisierungstechnik

Von der Kupferleitung zum Feldbus

Schnittstellen auf der Kupferader:

•  Strom, Spannung

•  Kompatibel zwischen den Herstellern von Geräten

Schnittstellen auf dem Feldbus

•  Erfordern kompatible Protokolle

•  Erfordern kompatible Daten

•  Und sind somit ein Fall für die Standardisierung

(31)

Ebenen der Steuerung - Automatisierungstechnik

Steuerungsebene

•  SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

•  Informations-Datenmodell: CIM, IEC61850 (als Kennzeichnungssystem für Informationen über primäre und sekundäre Betriebsmittel und Systemzustände)

Feldebene

•  Messen und Regeln

•  SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)

•  IED (Intelligent Electronic Device = Steuerung)

•  Feldbusse, z.B. IEC61850 mit Datenmodell (zur Interoperabilität von Geräten)

•  Sensoren und Aktuatoren

Sensor, Aktuator Messpunkt

Feldbus

(z.B. IEC 61850)

Server

SPS, IED SCADA

Klemme

(bzw. Feldbus) Datenbank

Verwendung von Datenmodellen

Semantik und Meta-Information

•  Semantik: was bedeutet eine Nachrichten?

•  Meta-Information: wo finde ich etwas?

Kennzeichnungssystem (Semantisches Modell)

Geräte ohne Datenmodell (manuelle Anpassung)

Geräte mit Datenmodell (IEC61850)

XML XML XML

Notation

für IEC61850 Dateien (ICD), Konfigurationen, Messdaten, … ggf. signiert (Zertifikat) bzw.

verschlüsselt

14

Werkzeuge und Methoden

...

UML Editor

XML

Datenmodell (Informationsmodell)

RDF XML

Anwendungsprofil Datenbank- schema ICD (IEC61850 Datenmodell)

Nachrichten- XML

formate XML XML CIM Tool

Feldgeräte

(SPS, IED)

IEC61850 CIM

SCADA Anwendungs

- server

Nachrichten- XML

formate XML XML System mit proprietärem Datenmodell Transformations- XML

schema Soft- ware Anwendung

Schema- Transformation standardisiert

•  gängige Methoden aus der Informatik

•  UML: Unified Modelling Language (zur Definition von Datenmodellen sowie als Entwicklungswerkzeug)

•  CIM: Common Information Model (für primäre Betriebsmittel, d.h. Anlagen zur Energieversorgung)

Software und Systeme entwickeln

Informationsebene: abstrakte bzw. semantische Modelle

•  Informationsmodell, z.B. in UML als Klassendiagramm beschrieben

•  Anwendungsprofil: z.B. im RDF-Format oder XML-Format zu verarbeiten

Logische Ebene: implementierbare Modelle

•  Nachrichtenebene: Datenmodell, z.B. als ICD-Datei oder XML-Nachrichtendatei

•  Datenbankschema, z.B. relational in SQL oder objektorientiert implementierbar

Implementierung

•  Verwendung spezieller Produkte, die die verwendeten Standards unterstützen, z.B. SPS, SCADA-Systeme mit Entwicklungsumgebung, Datenbanken, Entwicklungswerkzeuge

16

(32)

Inhalt

Normatives Umfeld

Übersicht - Themen der Arbeitsgruppen des IEC TC 57:

•  IEC 60870-5: Fernwirkprotokoll (Telecontrol & Teleprotection)

•  IEC 61850: netzwerkbasierter Feldbus für Schaltanlagen mit Datenmodell (Communications and Associated Data Models)

•  IEC 61970 Common Information Model: Datenmodelle für den Austausch von Informationen über primäre Betriebsmittel (Energy Management Systems – Application Programming Interfaces)

•  IEC 61968: Schnittstellen zum Common Information Model (Application Integration at Electric Utilities – System Interfaces for Distribution Management)

TC: Technical Comittee

IEC 60870-5

Feldbus für Schaltanlagen

•  Fernwirkprotokoll (Telecontrol Equipment and Systems)

•  Lange etabliert als serieller Bus zur Kommunikation zwischen Steuergeräten in Schaltanlagen und der Leittechnik.

•  Reines Feldbus-Protokoll (signalorientiert, ohne Datenmodell)

•  IEC60870-5-104: netzwerkbasierte Version (Ethernet, TCP/IP)

•  Weitere noch gängige Versionen:

–  IEC60870-5-101: Rahmenspezifikation für den seriellen Bus

–  IEC60870-5-102: Erweiterung für die Übertragung von Zählerständen –  IEC60870-5-103: Erweiterungen für Schutzgeräte

IEC61850

...

•  ...

Quelle: IEC61850

(33)

IEC61850 Klassen

Quelle: IEC61850 Standard

IEC61850 und IEC61970 CIM

IEC61850

•  Einheitliche Darstellung der Sekundärtechnik (Schutz, Regler, Überwachung)

•  Schwerpunkt: Schaltanlagen (Feldebene)

•  Datenmodell als Dokument verfügbar (IEC Standard)

IEC61970 Common Information Model (CIM)

•  Einheitliche Darstellung der Primärtechnik (IEC 61970-301 definiert CIM)

•  Schwerpunkt: Leittechnik (Betrieb) und Pflege der Betriebmittel

•  Datenmodell direkt im UML-Format verfügbar (IEC Standard)

IEC 61970 Common Information Model

IED: Intelligent Elektronic Device, z.B. SPS SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

Quelle: CIM-Primer (EPRI)

IED IED

IED Feldebene Betrieb und Überwachung

Beispiel

•  Betrieb und Überwachung: IEC61970 Common Information Model

•  Methoden und Produkte der Informa- tionsverarbeitung in Unternehmen (Enterprise Service Architecture)

•  Feldebene: IEC61850 als Protokoll und Datenmodell für Feldgeräte

•  Methoden und Produkte der Automatisierungstechnik

CAN in Automation und IEC61850

Elektrofahrzeuge:

•  CiA 454 Energy Management Network

•  Kennzeichnungssystem für System- komponenten

Einspeisung EE:

•  IEC61850-7-420 Distributed Energy Resources plant

•  Kennzeichnungssystem für System- komponenten

Quelle:

IEC61850 Standard Quelle: CAN in Automation Standard

(34)

Energietechnik

ENDE Teil 4

(35)

Entwicklung der Automatisierungstechnik in Schaltanlagen

Quelle: ABB

Industrie 4.0

11

Energietechnik Teil 1 – Technik der Netze

Energietechnik

Teil 1 – Technik der Netze

ENDE Teil 1

Spannungsebenen &

Transformatoren Erzeuger

Verbraucher

Elektrische Energieversorgungsnetze

Effekte im Netzmodell

Lastflüsse in den Verteilnetzen (Wirk- und Blindleistung)

2010 2025

• Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf

• Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

Energietechnik

Teil 2 – Erneuerbare Energien

ENDE Teil 2

Verbraucherstruktur im Netz

Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland Entwicklung erneuerbarer Energien

16%

EE 84%

konv.

53% EE

47% konventionell

Energiemix

Erzeuger im Netz (2010)

Erzeuger im Netz (2025)

2 Effekte der AusglMechV

14

Wirtschaftliches Umfeld

€ (Geldfluss) kWh (elektrische Energie)

Rollen im Markt

• Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

• Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

• Stromerzeuger (Elektrizitäts- Versorgungs-Unternehmen)

• Anlagenbetreiber

• Verbraucher

• Strombörse (Spotmarkt)

Energietechnik

Teil 3 – Angebot und Nachfrage

ÜNB

ENDE Teil 3

Energietechnik

Teil 4 – Energieinformationstechnik

ENDE Teil 4

Entwicklung der Automatisierungstechnik in Schaltanlagen

•  Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf

•  Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

•  Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

•  Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

•  Stromerzeuger (Elektrizitäts- Versorgungs-Unternehmen)

•  Anlagenbetreiber

•  Verbraucher

•  Strombörse (Spotmarkt)