Der Strom kommt aus der Steckdose - Power Engineering Saar
Der Strom kommt aus der Steckdose - Power Engineering Saar
Der Strom kommt aus der Steckdose - Power Engineering Saar
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<strong>Power</strong> <strong>Engineering</strong> <strong>Saar</strong><br />
Ein Institut <strong>der</strong> Hochschule für Technik und Wirtschaft des <strong>Saar</strong>landes<br />
Prof. Dr.-Ing. Michael Igel<br />
Hochschule für<br />
Technik und Wirtschaft<br />
des <strong>Saar</strong>landes<br />
University of Applied Sciences<br />
<strong>Der</strong> <strong>Strom</strong> <strong>kommt</strong> <strong>aus</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Steckdose</strong><br />
–<br />
Aber wie <strong>kommt</strong> <strong>der</strong> <strong>Strom</strong> hinein?<br />
Anspruch und Realität<br />
<strong>Der</strong> Anspruch<br />
Elektrische Energie soll<br />
• zu je<strong>der</strong> beliebigen Tages- und Nachtzeit,<br />
• in je<strong>der</strong> beliebigen Menge und ohne Unterbrechung<br />
„in <strong>der</strong> <strong>Steckdose</strong>“ sein.<br />
�� Verfügbarkeit elektrischer Energie = 100%<br />
• 60 Minuten jede Stunde, 24 Stunden jeden Tag,<br />
365 Tage jedes Jahr<br />
Die Realität<br />
� Verfügbarkeit in Deutschland > 99%<br />
� Elektrische Energie ist unbegrenzt und<br />
zu je<strong>der</strong> Zeit vorhanden.<br />
�� Deutschland 2005: 23 min/a min/a<br />
Unterbrechung, ≈ 0,003 0,00 %<br />
Prof. Dr.-Ing. Stefan Winternheimer<br />
www.powerengs.de<br />
04.02.2009 2<br />
Nie<strong>der</strong>spannungsnetz<br />
www.powerengs.de<br />
Energieversorgungsnetze<br />
Transportnetz<br />
Regionales<br />
Verteilnetz<br />
Städtisches<br />
Verteilnetz<br />
�<br />
3<br />
www.powerengs.de<br />
Energieversorgungsnetze<br />
(Quelle: BDEW)<br />
�<br />
4
www.powerengs.de<br />
Leitungen = Energiestraßen<br />
Leitungen transportieren<br />
elektrische Energie durch<br />
Europa und durch<br />
Deutschland<br />
www.powerengs.de<br />
(Quelle: VDN Daten+Fakten 2007)<br />
Netzregelung<br />
Regelgröße: Elektrische Netzfrequenz<br />
Ständiges Gleichgewicht zwischen Erzeugung und<br />
Verbrauch elektrischer Energie erfor<strong>der</strong>lich !!!<br />
5<br />
7<br />
www.powerengs.de<br />
Hz<br />
55,0<br />
50,0<br />
49,0<br />
48,0<br />
47,5<br />
49,8<br />
49,0<br />
48,7<br />
48,4<br />
www.powerengs.de<br />
UCTE – Energieunion Europa<br />
UCTE - Strategie<br />
Primärregelbereich<br />
Mobilisierung schneller Kraftwerksleistung<br />
frequenzabhängiger<br />
Lastabwurf in drei<br />
Stufen<br />
Lastabwurf<br />
Kraftwerke vom Netz<br />
kein Netzbetrieb<br />
Regelgröße: Netzfrequenz<br />
Union for the Co-ordination<br />
Co ordination of<br />
Transmission of Electricity<br />
� Koordination und Kontrolle des<br />
Energietransports in Europa<br />
� Gegründet 1951 als UCPTE<br />
� Im Rahmen <strong>der</strong> Marktliberalisierung 1990<br />
umbenannt in UCTE<br />
� ca. 500 Millionen Verbraucher<br />
� www.ucte.org<br />
Das Problem:<br />
Elektrische Energie kann<br />
in großen Mengen NICHT<br />
gespeichert werden.<br />
� Erzeugung wird dem<br />
Verbrauch nachgeregelt<br />
� Führungsgröße =<br />
Netzfrequenz<br />
��Maßnahmen Maßnahmen bei zu<br />
hohem Verbrauch bzw.<br />
zu geringer Erzeugung<br />
6<br />
8
Netzfrequenz<br />
Leistung<br />
www.powerengs.de<br />
Regelenergie<br />
Ständige Regelung <strong>der</strong> Erzeugung entsprechend <strong>der</strong> Nachfrage<br />
� Mehr Verbrauch � Netzfrequenz sinkt � Mehr Leistung wird erzeugt<br />
� Primär- und Sekundärregelung � Vorhandene Kraftwerke leisten mehr<br />
� Minuten- und Stundenreserve � Neue Kraftwerke gehen ans Netz<br />
www.powerengs.de<br />
Verbraucher benötigen mehr Leistung<br />
Energieerzeugung<br />
9<br />
11<br />
www.powerengs.de<br />
www.powerengs.de<br />
Energieerzeugung<br />
Energie<strong>aus</strong>t<strong>aus</strong>ch<br />
1 TWh = 1 Mrd. kWh = 10 9 kWh<br />
1 TWh ~ 200.000 H<strong>aus</strong>halte<br />
1 TWh = 1 Mrd. kWh = 10 9 kWh<br />
1 TWh ~ 200.000 H<strong>aus</strong>halte<br />
10<br />
12
www.powerengs.de<br />
www.powerengs.de<br />
Verbrauch - Aust<strong>aus</strong>ch<br />
1 TWh = 1 Mrd. kWh = 10 9 kWh<br />
1 TWh ~ 200.000 H<strong>aus</strong>halte<br />
Bruttoerzeugung 2006<br />
Wind<br />
Installierte Leistung<br />
in MW<br />
(Quelle: VDN Daten+Fakten 2007)<br />
Energieverbrauch 2005<br />
� Deutschland 556 TWh<br />
� Frankreich 482 TWh<br />
� Italien 329 TWh<br />
� Spanien 248 TWh<br />
� Polen 130 TWh<br />
Energie<strong>aus</strong>t<strong>aus</strong>ch 2005<br />
� D – Frankreich 17 TWh<br />
� D – Nie<strong>der</strong>lande 20 TWh<br />
� D – Schweiz 20 TWh<br />
� D – Österreich 22 TWh<br />
� D – Polen 4 TWh<br />
Steinkohle<br />
Braunkohle<br />
Kernenergie<br />
Brutto-Erzeugung<br />
in MWh<br />
13<br />
15<br />
www.powerengs.de<br />
<strong>Strom</strong> in Deutschland<br />
Brutto-<strong>Strom</strong>erzeugung 2007: 636,7 Mrd. kWh*<br />
Wasserkraft und<br />
an<strong>der</strong>e<br />
Erneuerbare<br />
14%<br />
Heizöl,<br />
Pumpspeicher und<br />
Sonstige<br />
6%<br />
* vorläufig<br />
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Steinkohle<br />
22%<br />
Erdgas<br />
12%<br />
Kernenergie<br />
22%<br />
Braunkohle<br />
24%<br />
Energiestraßen im <strong>Saar</strong>land<br />
Quelle: AG Energiebilanzen, BDEW<br />
Anbindung des <strong>Saar</strong>landes an<br />
das europäische UCTE-Netz<br />
� 380kV – Leitung<br />
� 220kV - Leitungen<br />
Kraftwerke im <strong>Saar</strong>land<br />
� Ensdorf<br />
� Fenne (Völklingen)<br />
� Weiher (Göttelborn)<br />
� Bexbach<br />
� Römerbrücke<br />
14<br />
16
www.powerengs.de<br />
Was ist elektrische Leistung ?<br />
Typisch für die Berichterstattung in Medien:<br />
„.. Ein Windpark hat eine elektrische Leistung von 50MW<br />
(=50.000.000Watt). Damit können ... H<strong>aus</strong>halte versorgt<br />
werden. ..“<br />
www.powerengs.de<br />
Energie = Leistung × Zeit !!!<br />
Stufe 1<br />
� Je höher die Stufe � Je länger die Bräunungszeit � Je dunkler <strong>der</strong> Toast<br />
� Bräunung = Leistung P · Bräunungszeit T<br />
�� Energie = Leistung · Zeit � E = P · T<br />
Stufe 3<br />
Stufe 6<br />
17<br />
�<br />
19<br />
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Leistung in MW<br />
www.powerengs.de<br />
Wieso wird <strong>der</strong> Toast braun ?<br />
� Heizen durch einen Wi<strong>der</strong>standsdraht, <strong>der</strong> sich aber nicht<br />
verän<strong>der</strong>t.<br />
�daher: konstante Leistung P = 920W<br />
� U = 230V � konstante Spannung an <strong>der</strong> <strong>Steckdose</strong><br />
� Leistung P = U · I � I = P / U = 920W / 230V = 4A<br />
� Wi<strong>der</strong>standsdraht R = U / I = 230V / 4A = 57,5Ω<br />
u(t)<br />
Energieerzeugung<br />
� Messen <strong>der</strong> vom Kraftwerk erzeugten elektrischen Leistung P<br />
�Die erzeugte elektrische Leistung P än<strong>der</strong>t sich ständig.<br />
Maximale Leistung<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
~<br />
Zeit<br />
i(t)<br />
P<br />
� Berechnung <strong>der</strong> erzeugten<br />
Energie E = P · T<br />
Energie E = Gelbe Fläche<br />
R<br />
�<br />
18<br />
20
www.powerengs.de<br />
Energieerzeugung<br />
Leistung in MW<br />
Maximale Leistung<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
Zeit<br />
� Ein einfaches Beispiel<br />
– Energie E = Leistung P · Zeit T<br />
�Energie E = Fläche des Rechtecks !!!<br />
– Gesamtenergieerzeugung des Jahres =<br />
Summe <strong>der</strong> Energieerzeugung <strong>der</strong> Monate 1..12<br />
�Gesamtenergie = Gelbe Fläche !!!<br />
www.powerengs.de<br />
Verfügbarkeit in %<br />
Leistung: Steinkohle = 150 · Windkraft<br />
Leistung: Steinkohle = 150<br />
Leistung<br />
� Steinkohle 750 MW<br />
� Windkraftwerk 5 MW<br />
Energie = Leistung · Zeit<br />
� Steinkohle ca. 5500 h/a Volllast (= 100 % Leistung)<br />
~ 63 % / a = 100 % Leistung, 37 % / a = 0% Leistung<br />
�� Verfügbarkeit Verf gbarkeit = 63 %<br />
4.130.000 MWh / a = 4.130 GWh / a<br />
Energie: Energie: Steinkohle Steinkohle = 413 · Windkraft Windkraft<br />
21<br />
1 Jahr = 8760 Stunden<br />
� Windkraftwerk 2000 h/a Volllast (= 100 % Leistung)<br />
~ 23 % / a = 100 % Leistung, 77 % / a = 0% Leistung<br />
�� Verfügbarkeit Verf gbarkeit = 23 %<br />
10.000 MWh / a = 10 GWh / a<br />
23<br />
www.powerengs.de<br />
Verfügbarkeit des Kraftwerks<br />
Leistung in MW<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
� Energie = Gelbe Fläche<br />
� Gelbe Fläche ist in beiden<br />
Diagrammen gleich<br />
�� Energie ist gleich !!!<br />
Leistung<br />
2250 MW<br />
2065MW<br />
2630 GWh<br />
1500 MW<br />
750MW<br />
www.powerengs.de<br />
4.130 GWh<br />
1000 h<br />
Maximale Leistung<br />
Leistung in MW<br />
Energiebilanz<br />
1500 GWh<br />
Zeit<br />
100% 0%<br />
7 Monate<br />
Verfügbarkeit<br />
Maximale Leistung<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
2000h<br />
413 · Windkraftwerk zu 5 MW<br />
Flächen gleicher Energie !!!<br />
4.130 GWh<br />
1 · Steinkohle<br />
3000 h 4000 h<br />
2630 GWh<br />
5000 h 5500h<br />
Leistung Steinkohle = 150 · Windkraft = 1 · Windpark<br />
Energie Steinkohle = 413 · Windkraft = 2,75 · Windpark<br />
Nur die Leistung von 1 · Windpark wird gleichzeitig benötigt (= 750MW)<br />
�� 1,75 · Windpark muss gespeichert werden !!! Aber wie ???<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
22<br />
24
500 500 Volllast-<br />
stunden stunden<br />
www.powerengs.de<br />
Batterien im Netz<br />
Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerk Schluchsee<br />
Schluchsee<br />
� Inhalt des oberen Beckens: 108.000.000 m3 � Max. Wasserdurchfluss für 100% Leistung: 60 m3 / s<br />
�� Nach 1.800.000 s = 500 Stunden = 21 Tage ist <strong>der</strong><br />
Speicher leer !!!<br />
Leistung<br />
2250 MW<br />
2065MW<br />
2630 GWh<br />
1500 MW<br />
750MW<br />
www.powerengs.de<br />
Windenergie speichern<br />
1500 GWh<br />
4.130 GWh<br />
1000 h<br />
2000h<br />
413 · Windkraftwerk zu 5 MW<br />
Flächen gleicher Energie !!!<br />
4.130 GWh<br />
1 · Steinkohle<br />
3000 h 4000 h<br />
5000 h 5500h<br />
Energie zum Speichern: 1,75 · Windpark = 2630 GWh<br />
Energie Schluchsee: 188 GWh<br />
� 14 · Schluchsee, wenn <strong>der</strong> See 100% geleert wird.<br />
2630 GWh<br />
Zeit<br />
25<br />
27<br />
www.powerengs.de<br />
www.powerengs.de<br />
Spitzenlast - Batterie<br />
Kontakt<br />
Schluchsee –<br />
eine großtechnische Batterie<br />
�� Schluchsee<br />
– Mittlere Leistung = 470 MW ~ 63% KW Bexbach<br />
– (500 Volllaststunden / a) · 470 MW = 188 GWh / a<br />
� KW Bexbach: 750 MW<br />
<strong>Power</strong> <strong>Engineering</strong> <strong>Saar</strong><br />
– Energie: 3.875 GWh / a<br />
– Brennstoff: 1.310.000 t SKE / a<br />
– Volllaststunden: 5.170 h / a<br />
� Energie: Schluchsee ~ 5 % · KW Bexbach<br />
� Energie: KW Bexbach ~ 20 · Schluchsee<br />
Institut für Elektrische Energiesysteme<br />
Ein Institut <strong>der</strong> Hochschule für Technik und Wirtschaft des <strong>Saar</strong>landes HTWdS<br />
Goebenstraße 40, 66117 <strong>Saar</strong>brücken<br />
Prof. Dr.-Ing. Michael Igel<br />
� Elektrische Energieversorgung, Gebäudesystemtechnik<br />
� E-Mail michael.igel@htw-saarland.de<br />
� Homepage www.htw-saarland.de/members/michael.igel<br />
� Telefon 0175 / 6452194<br />
Prof. Dr.-Ing. Stefan Winternheimer<br />
� Leistungselektronik, Elektrische Antriebstechnik<br />
� E-Mail s.winterheimer@htw-saarland.de<br />
� Telefon 0681 / 5867-219<br />
Unser Partner für die<br />
Projektabwicklung<br />
FiTT gGmbH<br />
www.fitt.de<br />
26<br />
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