Netzintegration, Netzmanagement und Stromspeicherung

(1)

M.Sc. Dipl. Ing. Michael Sterner

Elektro- und Systemtechnik für die Nutzung Erneuerbarer Energien

und die Dezentrale Energieversorgung

Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.V.

www.iset.uni-kassel.de

Einbindung fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung in elektrische

Versorgungssysteme

Vom Konzept zur realen Umsetzung

Stuttgart, 10.11.2008

FVS-Workshop

Systemanalyse im FVS

Wissenschaft an der Schnittstelle von Markt und Politik

Michael Sterner

(2)

Kassel DeMoTec Hanau Gründung

Personal

Schwerpunkte

Vorstand

1988 als „An-Institut“ der Universität Kassel, seit 1995 zweiter Standort in Hanau

rund 180 Wissenschaftler, Angestellte und Studenten

Windenergie Photovoltaik Bioenergie

Wasserkraft und Meeresenergie Energiewandlung und Speicher Stromrichtertechnik

Hybridsysteme Energiewirtschaft

Prof. Dr. Jürgen Schmid (Vors.) Prof. Dr. habil. Peter Zacharias Dr. Oliver Führer

Forschung und Entwicklung zur Energie- Systemtechnik für die Erneuerbaren

Energien

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.V.

www.iset.uni-kassel.de

(3)

Herausforderungen in der Energiewirtschaft

Klimaschutz

Reduktion der THG um 40% bis 2020 Versorgungs-

unabhängigkeit Rohstoff / Technik

Wettbewerb,

Liberalisierungsprozess

(4)

1979

Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

(5)

2007

Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

(6)

Eisschwund in der Arktis

1900 1950 2000 2050 2100 Year

0 2 4 6 8 10

Ice Area (Sept. minimum), millions of km 2

Me ssd ate n

IPC C-M od elle

Bandbreite der Modelle

Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2008

(7)

Notwendige THG-Reduktionen

Quelle: Stefan Rahmstorf, PIK 2007

Herausforderung Klimaschutz

Größter Hebel:

Energiesektor

(8)

Bausteine eines effizienten, emissionsarmen Energiesystems

Stromerzeugung

- Ausbau der KWK - Ausbau der EE

Wärmebereitstellung - Nutzung der KWK - Nutzung von

Elektrowärmepumpen

Verkehr

- Umstieg auf Elektromobilität - Abwärmenutzung im

Wärmesektor

Quelle: Sterner, Schmid, Wickert,

BWK 06/08, 2008

(9)

Kombination: Transformation des Energiesystems 4 Schritte zur „verzichtsfreien“ Energieeffizienz

Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008

nach Energiestatistiken des BMWi, 2007

20% der THG-Emissionen Bei gleichem Endenergie- verbrauch im Strom-,

Wärme- und Verkehrsektor

(10)

≈23.690 22.090

20.470 18.290

16.480 14.500

11.850 8.680 6.050

4.380 2.830

2.040 1.520

1.090 320 610

100 170

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

199 1

19 92 199

3 19 94

19 95 199

6 199

7 19 98 199

9 200

0 200

1 200

2 200

3 200

4 200

5 200

6 200

7 200

8 MW

Entwicklung der Windenergie in Deutschland

Quelle ISET, 2008

Prognose

(11)

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

0 24 48 72 96 120 144

Stunden

Lei stung [MW]

Last

Last - Wind

Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung in D

konv. Erzeugung = Last - Windenergie

Mai 2006

Quelle: Rohig, ISET, 2007

(12)

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

0 24 48 72 96 120 144

Stunden

Leistung [MW]

Last

Last - Wind

Zukünftig: konv. Erzeugung = Last – Windenergie = 0 !!

Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung in D

Mai 2015

Keine konventionellen Kraftwerke am Netz

Î Systemdienstleistung durch Windkraftwerke

(13)

- Beseitigung von Netzengpässen

- Regelleistung vorhalten und abrufen (Spannungs- und Frequenzhaltung)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

13.01 14.01 15.01 16.01 17.01 18.01

Zeit

Leistung [MW]

unbeeinflusst begrenzt

Herausforderung Windenergieintegration

EE müssen Aufgaben der Netzbetriebsführung übernehmen:

Æ Entwicklung von

Software und Systemlösungen zur Netzintegration der

Windenergie

(14)

Windleistungsprognose – Stand der Technik

- Meteorologische Parameter werden mit Hilfe von neuronalen Netzen in Windparkleistungen umgerechnet

- Vorhersage der zu erwartenden Windstromeinspeisung möglich

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1

Tag

Leistung [MW]

Messung Prognose D+1

Quelle: ISET, 2005

(15)

M.Sc. Dipl. Ing. Michael Sterner Institut für Solare Energieversorgungstechnik

Hochrechnung der Windstromeinspeisung WPMS – Wind Power Management System

1) Prognose der

Windstromeinspeisung für Referenzstandorte 2) Hochrechnung auf BRD

mittels Algorithmus (Auflösung: 10x10 km)

Quelle: ISET, 2005

(16)

Steuerung großer Windparks im Verbund:

Das Cluster-Management-System

WEA Wind Parks WP Cluster

Quelle: ISET, 2007

Î Geografisch verteilte Windparks werden als einzelnes Großkraftwerk aus

Sicht der Netzbetriebsführung abgebildet und gesteuert

(17)

Ablauf des Cluster-Management-System

0 5000 10000 15000 20000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

ÜNB

WP 1

Wetterdaten

Prognose

Sollwerte Sollwerte

Ist-Werte

Windpark-Cluster- Management-System

Folgetags- prognose

Kurzzeit- prognose

WPCMS

WP n

Quelle: ISET, 2007

(18)

Aktive Unterstützung des Netzbetriebs durch das CMS

Feldtest in Niedersachsen,

Brandenburg, Spanien, Portugal

110-kV-bus 380 kV-bus 110 kV grid

Cluster B

Cluster A

Wind Farm

Quelle: ISET, 2008

(19)

Prognosesystem WPMS E.ON Netz,

Vattenfall Europe Transmission, RWE Transportnetz Strom,

EnBW Transportnetze, Verbund Österreich, TERNA Italien,

Ägypten, Zafarana,

National Grid, England Jilin, China

Wind Park Cluster Management WCMS

Spanien, Portugal, Regionen in D

Von der Simualtion in die Anwendung

Einsatz der Integrations-Tools - Stand der Technik

(20)

Das regenerative Kombikraftwerk – Die Idee

Ausgangspunkt Energiegipfel 2006:

Leistungsfähigkeit und gute

Regelbarkeit eines regenerativen

Kombikraftwerks aus real bestehenden Anlagen unter Beweis stellen

Ziel: Das Potenzial und die Fähigkeit der erneuerbaren Energien für eine rein regenerative (elektrische)

Vollversorgung in Deutschland zu

demonstrieren

(21)

Erzeuger

Agents

Load Wind Biogas

Import/Export PV

Hydro

Ergebnis

Steuerung

Steuerung Leitwarte

Webservice Webservice

Energiemanagement

Das regenerative Kombikraftwerk – Der Aufbau

Wind Solar Biogas Hydro Import /Export 12,6 MW 5,5 MW 4,0

MW 1,0 MW 1,0 MW

(22)

- Deckung der Lastkurve Deutschlands 1/10000 zu jedem Zeitpunkt - Steuerung realer Anlagen

Das regenerative Kombikraftwerk – Die „Leitwarte“

(23)

Von der Einzelanwendung zum regionalen Einsatz

Regenerative Modellregion Harz – Stadt Dardesheim

(24)

Landkreis Harz

Regenerative Modellregion Harz

(25)

Anzahl P

_N

[MW]

PV 118 (500) 2 (10)

Wind 135 (185) 250 (350)

BHKW 52 (100) 12 (25)

Speicher 1 (2) 80 (180)

Haushalte 100 (1000) 0,5 (5) Industrie 20 (40) 100 (200) Elektro KFZ 3 (100) 0,03 (1)

aktuell (zukünftig)

Regenerative Modellregion Harz

(26)

Regenerative Modellregion Harz

(27)

Nachfrage Dardesheim

EEG

Stromspeicher

Kombination von Windstrom und Pumpspeicher

Stromversorgung durch Wind- und Wasserkraft

Æ Entwicklung von Geschäftsmodellen

(28)

Steuerbare Lasten in Haushalten - 1

Lastprofil energieintensiver Geräte aller Haushalte in Deutschland Quelle: Stadler für Dena II, 2007

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Stunde

Le is tung [ G W]

Waschmaschine Wäschetrockner Spülmaschine

(29)

Steuerbare Lasten in Haushalten - 2

Gasnetzbetreiber

RKWH IKT

ÜNB / VNB

Elektrische Energie

Kontrollkommunikation

Markt- und Konfigurationskommunikation

• Regelung des Verbrauchs über Preissignale

• Information über Verbrauchsprozesse

• Anbindung an Preisprognose (Marktsystem)

50 Haushalte werden an

das virtuelle Kraftwerk via

BEMI angeschlossen

(30)

Verteilter Speicher für fluktuierende regenerative Einspeisung als Kombination von Mobilität und Systemdienstleistungen

• Kontrollkommunikation zur Ansteuerung der mobilen Speicher

• Zustandsmanagement zur Sicherung der Mobilitätsfunktion 100 Fahrzeuge @ 10 kW Æ 1 MW Regelleistung

IKT

Kontrollkommunikation

Markt- und Konfigurationskommunikation

RKWH

ÜNB / VNB

Steuerbare Lasten & Speicher: Vehicle-to-Grid

(31)

Voraussetzung: IKT

Steuerung und Regelung von Stromerzeugung und -verbrauchs im virtuellen Kraftwerk

∑ P

Δ P

∑ P

Kontrollkommunikation

Markt- und Konfigurationskommunikation

RKWH

(32)

Marktplattform

Geschäftsmodelle Finanzielle Anreize:

(dynamische) Tarife Bonus / Malus

oder

direkte Ansteuerung

Einbindung der Akteure über eine Marktplattform

Strombörse

Spot / Intraday Ökostrom

Primär- regelung

Sekundär- regelung

Minuten- reserve

Weitere System- dienstleist.

OTC

Nutzer

Haushalte Industrie Gewerbe EEG-Anlagen

Speicher Benchmark:

EEG KWKG Bisherige

Tarife

Anbieter

Anlagen- betreiber

Broker

Versorger

ÜNB

VNB

anbieterspezifischer Informationsfluss Informationsfluss über Marktplatz / IKT-Technologie Abhängigkeit im Rahmen des Geschäftsmodells

EEG-Einspeisung Lastprofil Wärmeprofil Strompreise

Prognosen

Produkte

Marktplatz

(33)

Fazit

Integration von EE-Strom: von der Idee zur Realität

Versorgungssicherheit + Klimaschutz

- Umbau des Energiesystems notwendig

- Reduktion der THG auf 20% bei gleichem Endenergieverbrauch theoretisch möglich

Integration von EE-Strom Schritt für Schritt umsetzen - Prognose (Wind, PV)

- Kraftwerksersatz: Aufgaben der Systemdienstleistung übernehmen (Cluster-Management, Kombi-Kraftwerke)

- Intelligente Einbindung von Speichern & Lasten durch IKT (Pumpspeicher, Vehicle-to-Grid, Lastverlagerung)

- Von der Simulation zur Modellregion bis hin zur regenerativen

„Vollversorgung“ – „Social Engineering“ elementar

Æ Systemblick entscheidend – übergreifend Strom, Wärme, Mobilität bewerten und integrieren

Viele Herausforderungen: Yes, we can!

(34)

Kontakt

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Michael Sterner

ISET e.V., Königstor 59, D-34119 Kassel Tel.: 0561 7294 – 361 Email: msterner@iset.uni-kassel.de

www.iset.de

www.wbgu.de