Netzbetrieb mit Speichern - Forschungsverbund Energie ...
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong><br />
Dipl.-Ing. Michael Mohrmann<br />
MSc Ontje Lünsdorf<br />
Dipl.- Wirtsch.- Ing. Hannes Haupt<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
1
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Dezentrale Erzeugungseinheiten verursachen<br />
Fluktuationen im Leistungsfluss<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen<br />
• Dezentrale Erzeugungseinheiten (DE) verändern den Leistungsfluss und die<br />
Spannungsverhältnisse im Netz.<br />
• Die Einspeiseleistung von Photovoltaik- und Windkraftanlagen ist stark<br />
schwankend.<br />
P / kW<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
0:00 12:00<br />
t -><br />
Lastgang ohne DE Lastgang inkl. DE<br />
• Gemessenes<br />
Transformator-Lastprofil<br />
• Addition von DE:<br />
• 50 kW BHKW-<br />
Erzeugung<br />
• 80 kW PV-Erzeugung<br />
• 100 kW Windkraft
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<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Spannungsüberhöhung im Netz sind möglich<br />
50<br />
30<br />
Verbrauch am Knoten (kW)<br />
Einspeisung am Knoten (kW)<br />
50<br />
30<br />
225V 227V 226V 228V<br />
244V 225V<br />
228V 252V<br />
30<br />
220V 225V<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
50 20 30<br />
Abhilfe: Zusätzliche<br />
Leitung
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Stromverteilung im Netz<br />
Homogenere Stromverteilung<br />
->Geringere Verluste<br />
50<br />
30<br />
10A 31A<br />
46A 86A 32A<br />
77A<br />
42A 2A<br />
30<br />
43A<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
50 20 30<br />
Zusätzliche Leitung
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Weitere Aufgaben der Netzberechnung<br />
• Leistungsflussberechnung -> Verlustoptimierung<br />
• Berechnung symmetrischer und unsymmetrischer Fehler<br />
• Speicheranbindung in den Berechnungsalgorithmen berücksichtigen<br />
•Zusätzliche Leitungen sind jedoch kosteninstensiv.<br />
•Alternative Maßnahmen:<br />
• Netzorientierte Betriebsweise von Erzeugern<br />
• Demand-Side-Management<br />
• Speicheranbindung<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Die netzorientierte Betriebsweise<br />
P / kW<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
Netzorientierte Betriebsweise<br />
0<br />
0:00 12:00 0:00<br />
t -><br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Lastgang<br />
ohne BHKW<br />
Leistung<br />
BHKW<br />
Lastgang<br />
inkl. BHKW
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<strong>Energie</strong><br />
Wie kann Demand-Side-Management auf<br />
Haushaltskunden-Ebene umgesetzt werden?<br />
• Stromverbrauch der privaten<br />
Haushalte beträgt ¼ des<br />
Gesamtstromverbrauch<br />
• Kühlgeräte <strong>mit</strong> thermischem<br />
Speicher sind unabhängig vom<br />
Nutzerverhalten<br />
• Kommunikationsaufwand<br />
• Die große Anzahl an Geräten<br />
verhindert eine Einzelregelung<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen<br />
Stromverbrauch Deutschlands<br />
Angaben in TWh/a<br />
Quelle: VDEW, 2004
Leistung / W<br />
60<br />
40<br />
20<br />
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Wie wird aus einem Kühlschrank ein virtueller<br />
Verbraucher?<br />
Ein virtueller Verbraucher ist ein Verbund aus mehreren<br />
Endverbrauchergeräten.<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Leistung / kW<br />
15<br />
10<br />
5<br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
• Kühlschränke verbrauchen Strom in Intervallen, um die Innentemperatur in<br />
einem Bereich zu halten<br />
• Ein Virtueller Verbraucher aus 500 Kühlschränken hat einen<br />
durchschnittlichen elektrischen Verbrauch von 6,5 kW<br />
AggregierungAggregierung Aggregierung<br />
1 Kühlschrank<br />
0 80 160 240<br />
Zeit / min<br />
9.0<br />
7.5<br />
6.0<br />
4.5<br />
T / °C<br />
5 Kühlschränke 50 Kühlschränke<br />
- Stromverbrauch<br />
- Durchschnittstemperatur<br />
500 Kühlschränke<br />
0 80 160 240<br />
Zeit / min
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<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Leistungsverschiebung durch Ansteuerung<br />
• Wird der Kühlprozess durch ein Ansteuerungssignal erzwungen,<br />
kann die Leistung gesteuert werden<br />
• Das maximale Verschiebungspotenzial beträgt 3,95 kWh positiv und<br />
3,89 kWh negativ bei einer maximalen Leistung von 20kW<br />
Leistung / kW<br />
20<br />
16<br />
8<br />
Durchschnttl.<br />
Temperatur<br />
Leistung<br />
0 80 160 240<br />
t / min<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
7.5<br />
6.0<br />
4.5<br />
Temperatur / °C<br />
1 Virtueller<br />
Verbraucher =<br />
500<br />
Kühlschränke
Leistung / kW<br />
160<br />
120<br />
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Fahrpläne für virtuelle Verbraucher<br />
• Mehrere virtuelle Verbraucher können über Fahrpläne gesteuert werden,<br />
um so bspw. unregelmäßige Einspeisungen auszugleichen<br />
80<br />
40<br />
0<br />
Ungesteuert (Gegenwart)<br />
Ziellastgang<br />
200 400 600<br />
Zeit / min<br />
Planung<br />
Leistung / kW<br />
160<br />
120<br />
80<br />
40<br />
14 virtuelle Verbraucher (je 500 Kühlschränken).<br />
Lastverschiebungen im Bereich von 100 kW möglich.<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
0<br />
Gesteuert<br />
200 400 600<br />
Zeit / min
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Der Kommunikationsaufwand für einen<br />
virtueller Verbraucher ist gering<br />
• Virtuelle Verbraucher erhalten Steuerungssignale von einer<br />
Planungseinheit. Ein Rückkanal ist nicht notwendig<br />
• Es kann auf eine zukünftige Smart-Meter-Infrastruktur aufgesetzt werden,<br />
wobei auf das Protokoll IEC-61850 zurückgegriffen wird<br />
<strong>Energie</strong>versorgungsunternehmen<br />
IEC-61850<br />
Transformator<br />
Internet Powerline<br />
Bsp. für Kommunikation über Smart-Meter-Infrastruktur<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Haushalt<br />
Niedersachsen
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Elektrische <strong>Energie</strong>speicher sind beliebig<br />
skalierbar<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen<br />
• Der Einsatz bedarfsgerechter Einsatzplanung von Erzeugern und<br />
Verbrauchern ist die günstigste Möglichkeit den elektrischen Lastgang zu<br />
beeinflussen<br />
• Es besteht die Möglichkeit, die Eignung weiterer Geräte (Klimaanlagen,<br />
Belüftungsanlagen) zu untersuchen<br />
• Die mögliche einsetzbare Leistung innerhalb eines Verteilnetzes bleibt<br />
jedoch begrenzt<br />
• Elektrische <strong>Energie</strong>speicher können bezüglich der Leistung beliebig skaliert<br />
werden<br />
• Die <strong>Energie</strong>durchsatzkosten für einen Einsatz von elektrischen<br />
<strong>Energie</strong>speichern sind sehr hoch (10-50ct/kWh)<br />
• Eine Untersuchung der wirtschaftlichen Anreize ist notwendig
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Elektrische <strong>Energie</strong>speicher erhöhen den selbst<br />
genutzten Strom aus Dezentrale Erzeuger<br />
43,09 c/kWh<br />
20 c/kWh<br />
PV-Anlage<br />
Bonus Eigenverbrauch: 2ct/kWh<br />
=<br />
~<br />
25 c/kWh<br />
11,61 c/kWh<br />
20 c/kWh<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
BHKW<br />
=<br />
~<br />
~<br />
Niedersachsen<br />
5,11 c/kWh<br />
Bonus Eigenverbrauch: 13,49ct/kWh
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<strong>Energie</strong><br />
Technischer Nutzen elektrischer<br />
<strong>Energie</strong>speicher<br />
• Bislang wurden Maßnahmen gezeigt den Verteilnetz Lastgang zu<br />
beeinflussen (Load-Shifting)<br />
• Zusätzlich können <strong>Energie</strong>speicher die folgenden Funktionen<br />
erfüllen:<br />
• Frequenzhaltung<br />
• Versorgung im Fehlerfall<br />
• Übertragungsverluste reduzieren<br />
• Am Strom- oder Regelenergiemarkt partizipieren<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen<br />
• Die gleichzeitige Erfüllung aller Zielsetzungen ist nicht möglich. Die<br />
teilweise konkurrierenden Ziele müssen priorisiert werden
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Zielkonflikt zwischen wirtschaftlichem und<br />
technischem Nutzen<br />
P P / kW / kW<br />
200<br />
30<br />
25<br />
150<br />
20<br />
100<br />
15<br />
10 50<br />
5<br />
0<br />
0 0:00<br />
-50<br />
0:00<br />
10:00<br />
12:00<br />
t<br />
t<br />
Lastgang inkl. Speicher<br />
20:00<br />
0:00<br />
Haushalt Lastgang ohne Speicher<br />
BHKW<br />
<strong>Energie</strong>speicher laden<br />
20 Haushalte <strong>mit</strong> elektrischem <strong>Energie</strong>speicher<br />
Leistung: 3kW <strong>Energie</strong>inhalt: 10kWh<br />
<strong>Energie</strong>speicher entladen<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Mögliche Ansatzpunkte für eine Optimierung<br />
der Einsatzplanung<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“<br />
Niedersachsen<br />
Maßnahme Kosten Skalierbarkeit Hebel Reaktionszeit<br />
BHKW Gering Gering Positiv 24 Std<br />
DSM Sehr gering Keine Positiv u.<br />
Negativ<br />
Speicher Hoch Hoch Positiv u.<br />
Negativ<br />
15 min<br />
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Zusammenfassung<br />
•Die Integration dezentraler Erzeugungseinheiten beeinflusst das<br />
elektrische Netz.<br />
•Es gibt eine Vielzahl von Maßnahmen um die Integration zu erleichtern und<br />
den <strong>Netzbetrieb</strong> zu unterstützen.<br />
•Es wurden die Vor- und Nachteile der Maßnahmen netzorientierte<br />
Betiebsweise, Netztopologie-Optimierung, virtuelle Verbraucher und<br />
elektrischer <strong>Energie</strong>speicher vorgestellt<br />
•Eine Aufgabe der weiteren Arbeit im FEN ist die Gewichtung dieser<br />
Maßnahmen und die Bestimmung eines Optimum.<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“
TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
<strong>Forschungsverbund</strong> <strong>Energie</strong> Niedersachsen<br />
FEN Vortrag „<strong>Netzbetrieb</strong> <strong>mit</strong> <strong>Speichern</strong>“
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