Martin Näf, ABB Corporate Research Center Switzerland – 16.3.2015 Integration von erneuerbaren Energien ins Netz Anforderungen und Lösungen Energiestrategie: Ausbau Erneuerbare Energien Technologie und Potenzial vorhanden Photovoltaik-Solaranlagen Grossanlagen an strategischen Lagen Dezentrale Kleinanlagen auf Gebäuden und Infrastrukturanlagen Windgeneratoren On-shore Off-shore Wasserkraft Neuerschliessungen Leistungssteigerungen Pumpspeicherung Wechselnde Energieflüsse stellen neue Anforderungen ans Netz Volatile Erzeugung bedingt neue Formen der Energiespeicherung © ABB March 4, 2015 | Slide 2 Regelung von Energieangebot und Nachfrage Ausgleich über Energiemarkt Bedarf einer Bilanzgruppe [MW] 15 Minuten “Fahrplan” Ausgleichsenergie Zeit Bilanzgruppen (= Planungs- & Abrechnungseinheiten, z.B. eine Stadt) beschaffen an Börse die berechnete Fahrplan-Energie langfristige Verträge, «day-ahead» und «intraday» Handel Prognosefehler müssen zwingend ausgeglichen werden © ABB Group March 4, 2015 | Slide 3 tatsächlicher Verlauf Übertragungsnetzbetreiber (in CH: Swissgrid) stellt Ausgleichsenergie bereit Regelung von Energieangebot und Nachfrage Frequenzregulierung Primärenergie (Wasser) Generatoren Verbraucher Analogie Tandem mit konstanter Geschwindigkeit unabhängig von Steigung. Anstelle einer Kette ist ein Gummiband montiert. © ABB March 4, 2015 | Slide 4 Eigenschaften von Wind- und Solarenergie Kapazitätsfaktor Leistung [MW] Beispiel: Windpark in Irland: Jahresspitzenwert Jahresmittelwert Stunde (total 1 Jahr) Quelle Erkenntnisse Je tiefer der Kapazitätsfaktor, desto «komplizierter» ist die Energiequelle Bereits mit 10% Sonnenenergie in der Schweiz kann in Spitzenzeiten der gesamte momentane Energiebedarf durch PV gedeckt sein Wind Ort Binnenland 20 – 22% Küstenregionen 28 – 33% Offshore Solar Hydro 1 Erwarteter Kapazitätsfaktor 1 bis 43% Mitteleuropa 10 – 12% Südeuropa (z.B. Südspanien) 17 – 19% Zentraleuropa 40 – 60% Grössere Abweichungen je nach Technologie, Standort und Ausrichtung möglich Eigenschaften von Wind- und Solarenergie Stochastizität und Kapazitätsfaktor Starke Abweichungen vom Fahrplan bedingen mehr Regelenergiereserven Steile Rampen benötigen mehr schnelle Reserven Photovoltaik Einspeisung [W] Stochastische Energiequellen 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Zeit (4. Oktober 2011) Energiequellen mit niedrigem Kapazitätsfaktor © ABB March 4, 2015 | Slide 6 Netzanschluss muss für Spitzenleistung dimensioniert werden Wirtschaftlichkeit abhängig vom Kapazitätsfaktor 16:48 18:00 19:12 Regelung von Energieangebot und Nachfrage Bereitstellung von Regelenergie Konventionell • • • © ABB March 4, 2015 | Slide 7 Trägheitsmoment der Generatoren Kraftwerke halten Reserven vor, Regelung Anhand der Netzfrequenz Entschädigung durch Netzbetreiber Wind- und Solar • Kaum Massenträgheit • Peak-shaving möglich (besser als 50.2 Hz Regel) • Förderung über garantierte Einspeisung ergibt keinen Anreiz Regelung von Energieangebot und Nachfrage Quellen für Regelenergie Microgrids und Bilanzgruppenoptimierung Batteriespeicher Flywheel Demand Response Netzebene © ABB March 4, 2015 | Slide 8 Konventionelle Generatoren, Gaskraftwerke Pumpspeicherwerke Alternative Speichertechnologien (Batterien, CAES, etc.) Regelung von Energieangebot und Nachfrage Reduktion des Regelenergiebedarfs Geographische Verteilung Starke Netze ermöglichen Ausgleich über weite Distanzen Regeln für die Einspeisung Limitierung der maximalen Rampen Intelligente Steuersysteme Prognosen (kurz-, mittel- und langfristig) Lokale Speicher Reduktion der Spitzen Ausrichtung der PV Anlagen Einbindung in Marktmechanismen © ABB March 4, 2015 | Slide 9 Virtual Power Plants, Bilanzgruppenoptimierung Voraussetzung für Wirtschaftlichkeit der technischen Massnahmen Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Problemstellung NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.B. 16 kV) NE 5 NE 6 NE 7 NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) Spannung mit Sonne Umax U UminN ohne Sonne Ort Mögliche Probleme Überschreiten Spannungs-Grenzwerte Kurzschlüsse nicht einwandfrei erkannt Thermische Überlastung Trafo Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit intelligenten Umrichtern NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.B. 16 kV) NE 5 NE 6 NE 7 NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) Spannung mit Sonne Spannungsreduktion über Blindleistung Umax U Inverterbetrieb ohne PV ohne Sonne UminN Ort Kontrolle der Blindleistung Aktive Regelung der Spannung über Blindleistung Koordination der Geräte notwendig -> Smart Grids Kosten fallen bei Inverter an, Nutzen liegt beim Netzbetreiber Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit Hilfe von Speichern NE 5 = Netzebene 5 (Mittelspannung, z.B. 16 kV) NE 5 NE 6 NE 7 NE 6 = Netzebene 6 (Transformator NE 5 zu NE 7) NE 7 = Netzebene 7 (Niederspannung 400 V) Spannung mit Sonne Umax U UminN ohne Sonne Ort Mit Energiespeicher (ESS) Leveling: Reduktion der Spitzen, Einspeisung bei Unterspannung Aktive Regelung der Spannung mit intelligenten Umrichtern Kostenoptimierung der Endkunden als primäre Motivation Lokale Effekte: Spannungshaltung im Verteilnetz Lösung mit Hilfe von Spannungsreglern Aktive Regelung der Spannung HS/MS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ... x - Längsregler auf Niederspannung Regelbare Transformatoren beim Übergang Mittel- auf Niederspannung MS-Längsregler Verantwortung und Kosten liegen beim Netzbetreiber - x MS/NS ABB Smart-R-Trafo Längsregler auf Mittelspannung - - - NS-Längsregler Netzintegration von Wind & Photovoltaik Fazit Die Integration ist anspruchsvoll, aber technologisch machbar Die Rahmenbedingungen müssen angepasst werden Neue Regeln für die Einspeisung Förderinstrumente sollen die Anreize zur bedarfsgerechten Produktion nicht unterwandern ABB steht hinter den erneuerbaren Energien © ABB March 4, 2015 | Slide 14 Führender Anbieter für Solarwechselrichter Breite Produkt- und Systempalette für Solar, Wind und Wasserkraft Engagement für Solar Impulse 2 als Hauptsponsor und Technologiepartner
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