Kombikraftwerk 2 Sichere Stromerzeugung mit 100% EE 25 Jahre Treurat und Partner 19.03.2015 Britta Zimmermann Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) © Fraunhofer IWES Fraunhofer IWES IWES = Institut für Windenergie- und Energiesystemtechnik Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Gründung: 1.1.2009, Mitarbeiter: ca. 500 Institutsteile Bremerhaven und Kassel Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuer, Prof. Dr. Clemens Hoffmann © Fraunhofer IWES Das Projekt Ziel: Untersuchung der Stabilität einer 100% erneuerbaren Stromversorgung Deutschlands Förderer: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit Projektvolumen: ~3,0 Mio. Euro Fördersumme: ~1,8 Mio. Euro Laufzeit: ~3 Jahre Bearbeiter: 10 Projektpartner aus Wissenschaft, Industrie und Dienstleistungen www.kombikraftwerk.de © Fraunhofer IWES Untersuchung der Stabilität einer 100% EE-Stromversorgung Deutschlands Entwicklung eines konsistenten, räumlich hoch aufgelösen Szenarios Ansatz eines Energiemixes Detaillierte Modellierung von Stromerzeugung und -verbrauch Ermittlung des Speicherbedarfs Ermittlung von Erzeugungsspitzen, Überschüssen, Defiziten Untersuchung der Systemstabilität Systemdienstleistungen für die Frequenz- und Spannungshaltung Regelleistungsbedarf und –erbringung, Wirk- und Blindleistung, Redispatch Feldtest © Fraunhofer IWES Das 100% EE-Szenario Herkömmliche + neue Verbraucher - Effizienzsteigerung = ~ 600 TWh Wetterabhängige und flexible Erzeuger: Wind, PV, Laufwasser Bioenergie, Geothermie, Speicher, Methankraftwerke Speichertechnologien: Power-to-Gas, PV-Batterien Export/ Import begrenzt möglich © Fraunhofer IWES installierte Leistung [GW] Jahresvoll‐ laststunden [h] 37 314 Anteil am Stromverbrauch [%] Jahresenergie‐ verbrauch [TWh] 11 Jahresvoll‐ laststunden [h] Export installierte Leistung [GW] Verbrauch Erzeugung Jahresenergie‐ ertrag [TWh] Anteil an der Stromerzeugung [%] Szenariendaten im Überblick Import Überschuss 11 59 20**** 325 214* 87 2584** 35,6 109* 40 3862** 18,1 120* 134 909** 19,9 Bioenergie vor‐Ort 35 17 2000 5,7 Biomethan 26 *** Geothermie 41 5 8760 6,8 Wasserkraft 25 5 5253 4,2 alte & neue Verbraucher Netzverluste Pumpspeicher 11 13 883 1,9 Pumpspeicher 15 11 1318 2,5 Batterien 3 55 49 0,5 Batterien 3 55 58 0,5 Methankraftwerke 18 54*** 828*** 3,1 Power‐to‐Gas 51 13 3869 8,5 601 Onshore‐ Windenergie Offshore‐ Windenergie Photovoltaik 4,3 100 * Die Jahresenergieerträge sind ohne den Überschuss-Anteil angegeben ** Die Jahresvolllaststunden beziehen sich auf die Jahresenergieerträge inkl. der Überschüsse © Fraunhofer IWES *** In den Methankraftwerken wird auch das Biomethan verstromt **** angenommene Beschränkung 524 87,1 9 1,5 601 100 Szenario: Räumliche Verteilung Stromerzeugung/ -bedarf Bedarf Hoher Bedarf in Ballungszentren Biomasse Gleichmäßige Verteilung PV Wind PV Kapazitäten höher in Ballungszentren passend zum Bedarf Wind Konzentration im Norden (offshore/ onshore) 60%/ 53% der Stromerzeugung Bioenergie © Fraunhofer IWES Verbrauch Integration von hohen Anteilen an Windstrom in das System • Netzausbau, Speicherung (P2G, PV-Batterien) und DSM ergänzen sich • Abregelung von Wind letzte Maßnahme • Die Abwägung zwischen Netzausbau und erhöhten Speicherkapazitäten ist komplex. Das Optimum liegt irgendwo mittendrin. • Die Kopplung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor kann zur Begrenzung des Stromtransports beitragen. © Fraunhofer IWES Einspeisezeitreihen Räumliche Verteilung wetterabhängiger Erzeuger Wetterjahr 2007 Einspeisezeitreihen wetterabhängiger Erzeuger Lastzeitreihen (inkl. DSM) Auslegungs- und Einsatzplanung Einspeisezeitreihen/ Einsatzplanung flexible Erzeuger, Speicher © Fraunhofer IWES Ausgleichssystem Bioenergie Pumpspeicher © Fraunhofer IWES Gas-/Methan-KWe Batterien Power-to-gas Im- & Exporte Detour LEISTUNGSFLUSSANIMATION http://www.kombikraftwerk.de/100-prozent-szenario/leistungsflussanimation.html © Fraunhofer IWES http://www.kombikraftwerk.de/100-prozent-szenario/leistungsflussanimation.html © Fraunhofer IWES http://www.kombikraftwerk.de/100-prozent-szenario/leistungsflussanimation.html © Fraunhofer IWES http://www.kombikraftwerk.de/100-prozent-szenario/leistungsflussanimation.html © Fraunhofer IWES Modellierung des Übertragungsnetzes Heutiges Netz + Dena1 + NEP2012 + Zubau Minimierung des zusätzlichen Ausbaus + 8% Zubau 380 kV + Aufrüstung Randbedingung: keine Abregelung bei N-0 Bei (N-1)-Netzengpässe vorhanden Redispatch NTC <= 20 GW © Fraunhofer IWES Netzstabilität und Systemdienstleistungen Regelleistung zur Frequenzhaltung Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement Spannungsstabilität Netzengpassmanagement Spannungshaltung Versorgungswiederaufbau • • • • Frequenzstabilität Spannungsregelung • Bereitstellung von Blindleistung Kompensationsanlagen • Trafostufenstellung û Polradwinkelstabilität Frequenzhaltung Erbringung von Regelleistung Existenz von Momentanreserve Spannungsabweichung Frequenzabweichung 0 Verlust des Synchronismus -û © Fraunhofer IWES Systemdienstleistungen im Szenario 1/2 Simulation der Spannungsbänder und des Blindleistungsbedarfs über AC-Lastflussberechnungen Blindleistung aus den unterlagerten Spannungsebenen in die HöS Netzengpassmanagement: Simulationen zur n-1-Sicherheit Positionierung und Einsatz von flexiblen Erzeugern und Speichern entsprechend minimaler Netzbelastungen © Fraunhofer IWES MVAr im Mittel Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement Systemdienstleistungen im Szenario 2/2 Versorgungswiederaufbau Labortest zur Ermittlung der Anforderungen an den Wiederaufbau eines Verteilnetzes durch EE Frequenzhaltung: Simulation des Regelleistungsbedarfs Simulation der Deckung des RL-Bedarfs Dynamische Frequenzstabilität Erbringung von Regelleistung im Feldtest © Fraunhofer IWES Feldtest Regelleistungserbringung Virtuelles Kraftwerk mit Leitwarte am IWES Kassel Gesamtleistung 80 MW 37 WEA 12 PV-Anlagen 4 Biogasanlagen Sekundengenaue, aktive & intelligente Leistungssteuerung eines Anlagenverbundes © Fraunhofer IWES Das Kombikraftwerk Virtuelle Kraftwerke: Pooling von Anlagen zur Stromerzeugung, Speichern und Verbrauchern Dezentrale Anlagen in beliebig großer Entfernung voneinander Zentrale Steuerung Marktteilnahme © Fraunhofer IWES RL-Sollwert Zeit [Minuten:Sekunden] © Fraunhofer IWES SRL-Testpahse FrequenzTestpahse (PRL) PRL-Testpahse Start Abruf [% Regelleistungsband] RegelleistungsBereitstellungsmodus Feldtest – Die 4 Testphasen PRL: Primärregelleistung SRL: Sekundärregelleistung Feldtest - Aufzeichnung © Fraunhofer IWES Regelleistung durch EE EE sind schnell regelbar und technisch geeignet Im Falle zu geringer wetterabhängiger Erzeugung können flexible Erzeuger einspringen Prognosen werden stetig verbessert Hindernisse: Lange Vorlaufzeiten und Produktlängen verhindern die Markteilnahme von wetterabhängigen EE-Anlagen Herkömmliches Präqualifikationsverfahren schwer anwendbar auf fluktuierende Erzeuger Herkömmliches Nachweisverfahren würde zu unverhältnismäßiger Abregelung fluktuierender EE führen unnötige Energieverluste © Fraunhofer IWES Zentrale Aussagen Die Berechnungen zeigen: Eine sichere und stabile Stromversorgung Deutschlands aus 100% erneuerbaren Quellen ist zukünftig technisch möglich, wenn erneuerbare Erzeugung, Speicher und Backupkraftwerke mit erneuerbarem Gas intelligent zusammenwirken. Der Feldtest hat gezeigt: Erneuerbare Energien können technisch schon heute wichtige Systemdienstleistungen erbringen. Die Rahmenbedingungen zur Markt- und Systemintegration müssen dafür angepasst werden. Um die Netzsicherheit zu gewährleisten müssen auch dezentrale EE-Anlagen mit sicheren und leistungsfähigen Kommunikationsstandards überwacht und gesteuert werden können. Durch die Verknüpfung in virtuellen Kraftwerken kann die Kommunikation vereinfacht und der Aufwand vermindert werden. © Fraunhofer IWES www.kombikraftwerk.de Kontakt: Dipl.-Ing. Britta Zimmermann Bereich Energiewirtschaft und Netzbetrieb Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Tel. 0561 7294-203 [email protected] © Fraunhofer IWES INTERAKTIVE SZENARIENKARTE http://www.kombikraftwerk.de/100-prozent-szenario/szenarienkarte.html © Fraunhofer IWES Korrelationen 120 80 40 0 20 © Fraunhofer IWES 40 60 80 Stromverbrauch 100 60 30 Abregelung Wind [GW] Stromtransport [GW*1000km] Ungeregelte Windstromeinspeisung [GW] Netzengpässe hängen direkt mit der Einspeisung von Strom aus Windenergie zusammen 20 10 30 0 0 50 100 Einspeisung Windstrom [GW] 0 40 80 120 Ungeregelte Windstromeinspeisung [GW] Modell des zukünftigen Höchstspannungsnetzes © Fraunhofer IWES Verteilnetzgebiete Live-Demonstrationen im Projekt -Abschlussveranstaltung am 30.10.2013 in Berlin -Steuerung des virtuellen Kraftwerks mit ca. 55MW - Demonstration von Regelleistungsbereitstellung eines Verbundes von Bio-, Solar-und Windenergieanlagen © Fraunhofer IWES P [kW] f [Hz] mögliche Einspeisung 50 Einspeisung t Frequenzabweichung Regelleistungsbedarf Regelleistungsband 0 t Regelleistungserbringung Frequenzstabilisierung Virtuelles Kraftwerk Einspeisung Anlagenverbund (ÜNB) Bioenergie Windenergie Solarenergie Bedarf © Fraunhofer IWES Sollwert -probabilistische Wetterprognosen - Energiemanagement (Sollwertaufteilung) Sollwert Sollwerte, Regelleistungsbänder -Berechnung mögliche Einspeisung Sollwert - (Netzfrequenzmessung) Regionale Energieversorgung Regionale Wertschöpfung (Arbeitsplätze, Kommunalsteuern...) Rückfluss der EEG-Umlage funktioniert nur, wenn regionale Akteure die Anlagen finanzieren und betreiben! Bürgergenossenschaften, Stadtwerke,… Flächenbedarf von EE Ballungszentren: hoher Energiebedarf, geringe EE-Potenziale Chancen für ländliche Regionen Stromtransport, Netzausbau © Fraunhofer IWES Fraunhofer IWES Kassel Kernkompetenzen für die Energiesystemtechnik Energiewirtschaft und Systemdesign Energienetze Systemintegration Energiesystemtechnik Energieinformatik EnergiespeicherSystemtechnik Energiemeteorologie und Erneuerbare Ressourcen © Fraunhofer IWES Vortragsinhalte Untersuchung der Stabilität einer 100% erneuerbaren Stromversorgung Deutschlands Das 100% EE-Szenario Das Übertragungsnetz Netzstabilität und Systemdienstleistungen Zentrale Aussagen © Fraunhofer IWES
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