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Report
"Anforderungen an einen sicheren Betrieb
des Elektroenergiesystems infolge der
Energiewende"
Darstellung des Stromversorgungssystems früher / heute /morgen bei
Erzeugung, Netz, Speicherung und Verbrauch“
November 2014
Dipl.-Ing. W. Neldner
NeldnerConsult, System und Elektrizitätsnetzberatung, Berlin, Germany
www.Neldnerconsult.eu
Gliederung
1. Die Komplexität des EnergieversorgungsSystems(EVS)
2.
Was hat sich grundlegend geändert?Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“
3.
Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur
Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die
ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt
beachtet werden
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2
Die Elektrizitätssysteme sind nicht nur in
technisch-technologischer Hinsicht sehr komplex
der Mensch
die Regulierung
€ oder €
§§
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3
Alle Betriebszustände tragen zur Funktionalität
des EVS oder dessen Wiederherstellung bei:
Infrastruktur-System EVS
Netzbereich (reguliert)
Normalbetrieb
Markt
Restriktion
Stress-Betrieb
(Frühwarnung)
Stör-Betrieb
(Alarm)
Teil-/Totalausfall (Notfall)
Wiederaufbau
(Schwarzstart)
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Ein vereinfachtes Schema des
deutschen EVS
Konvent. Erzeuger
EE-Erzeug.
100%
Fahrplan
EE-Vorrang!
Min
?
(0-95)%
Elektrizitätssystem
SOS-Kriterien(EnWG §13):
1. Überall Spannung (0,4 – 380) kV
2. Wirkleistungsbalance/
stabile Frequenz (50 Hz+/- 0,2)
3. Keine Überlast im Netz(n-1)
4. Systemschutzfähigkeit
5. Sinusstabilität
6. Inselbetriebsfähigkeit und
Schwarzstartfähigkeit
7. Erhalt des Stromverbundes in
Europa und Deutschland
Max = 80 GW
Min = 30 GW
max. 15
GW
Export/Import
!
marktabhängig
Fahrplan(BKM)
Tageszeit
Zeitgeist
Speicher
(Notfälle)
KMU
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Industrie
Haushalte
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Gesamtübersicht (Asymmetrie in der Statik, wesentliche
und anhaltende Zunahme der Dynamik)
Wind
offshore
RZ im Verbund
oder Insel ?,
RZVerantwortung
HöS
HS
Wind
MS
Regionale
(Last-)
Aspekte,
RZ-Mitverantwortung
NS
PV
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Gliederung
1.
Die Komplexität des Energieversorgungs-Systems(EVS)
2. Was hat sich grundlegend geändert?Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“
3.
Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur
Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die
ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt
beachtet werden
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Eine wesentliche Kenngröße für alle
Betriebsphasen: Der „elektrische Fahrplan“
Elektrischer Fahrplan:
P(MW)
W = ∑ (P (i) x t(i) )
Energie= Leistung mal Zeit,
13.00
13.15
13.30
t(h)
also ein durchschnittlicher
Energiewert ist leider kein
durchschnittlicher
Leistungswert !!,
bzw. :
Leistung gleich Null
heißt, es ist dunkel!trotz durchschnittlicher
Energiebereitstellung
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Befriedigung der Nachfrage/N durch Erzeugung/E
- die Zeit bis 2000 -
Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
Pel N
Wel N
Pel E
80
=
60
80
60
40
40
20
20
1 Jahr
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Wel E
Z
(h)
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1 Jahr
Z
(h)
9
Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung
- die Zeit ab 2000 -
Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
Pel E = Pkonv. + PEE + Preser.
Pel N
Wel N
Pel E
80
80
60
40
=
Z
1 Jahr
(h)
P(konv.)
40
20
20
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60
PEE
PR
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Z
1 Jahr (h)
10
Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung
- in wenigen Jahrzehnten Pel PV
Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
200
Pel N
80
60
Wel N
Wel N = Wel E(PV) ,
aber Strom nur
tagsüber und nur
bei Sonne- also
rein
rechnerisch!!
100
=
40
20
20
Z
1 Jahr
(h)
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???
Z
1 Jahr (h)
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Die fünf Herausforderungen für die Systemstabilität bei der
Leistungsbilanz
Für
Gesamtdeutschland
Für RZ
50Hertz
Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB
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Neue Herausforderungen- Erneuerbare Energien(EE):
Die Produktion der EE-Kraftwerke ist nicht last-, sondern
strikt naturgebunden (!), mitunter ergibt die Addition ein
Supermaximum, mitunter nur „Null“
Quelle: Coreso News, Weekly report, 2012 week 32 - 03/08/2012 till 09/08/2012, S. 03; zitiert nach:
http://www.transparency.eex.com/de/
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Sommer 2013- Praktisch anhaltend kein Wind
und – sonnensystembasiert – nur am Tage Sonne !!
KW 28
KW 29
Quellen: Coreso, Day Ahead report for 05/07/2013, S. 04; zitiert nach: http://www.transparency.eex.com/de;
Coreso, Day Ahead report for 12/07/2013, S. 04; zitiert nach: http://www.transparency.eex.com/de
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Entwicklung der Windkraft in Deutschland – eine
ausgeprägte Nord-Süd-Asymmetrie (2012, in GW)
2012
gesamt
SH
+ 0,3
3,5
NI
+ 0,4
7,3
HH
0
0,05
2012
gesamt
NW
+ 0,1
3,1
RP
+ 0,3
1,9
HE
+0,1
0,8
SL
0,03
0,1
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(+)
(-)
2012
gesamt
BW
+0,02
0,5
BY
+0,2
0,8
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2012
gesamt
MV
+ 0,3
2,0
BB
+ 0,2
4,8
B
0
0
ST
+0,2
3,8
2012
gesamt
SN
+ 0,03
1,0
TH
0,1
0,9
15
……..und was bedeutet das für die Netzkapazität und die
Systemdienstleistungen ???
Last
EE-Kraftwerke (Vorrang)
konvent. Erzeugung
PEE
Reserveleistung (z.B. PSW, Gas)
Netzkapazität
PR
PE
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Infolge: a) Vorrang,
b) energetischer Ausbeute
bei 5-20% der EE-KW
sinkt:
die Auslastung der
konvent.KW und
steigt: massiv die geforderte
Netz-und ReserveKW-kapazität, die
derzeitige Regelleistung
reicht dafür keinesfalls !!
1 Jahr
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Erstes Zwischenfazit
Mit dem Fortschreiten der Energiewende und dem damit
verbundenen Einsatz von Naturenergien, die nur ein sehr
geringes energetisches Vollzeitdargebot aufweisen
können, wird ein erheblich größeres und
leistungsstärkeres ÜNB- und VNB - Netz und ein viel
umfangreicheres Netz- und Systemmanagement benötigt.
Daraus folgen zusätzliche Anforderungen zur
Gewährleistung der EVS-Funktionalität (also – sehr frei
nach §13 EnWG – anforderungsgerechte Wirkleistung/
Frequenz; Spannung/ Blindleistung; Systemstabilität;
exzellentes und trainiertes Betriebspersonal u.v.a.)
Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB
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Gliederung
1.
Die Komplexität des Energieversorgungs-Systems(EVS)
2.
Was hat sich grundlegend geändert?Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“
3. Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und
Projektstruktur
Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die
ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt
beachtet werden
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Ein sicheres EVS wird durch regelzoneninterne
„Systemstabilisatoren“ abgestützt und abgefedert, also vorhandene
oder neue Einrichtungen, die nach strengen Kriterien präqualifiziert werden und zur
Systemsicherung dienen und von ÜNB/ VNB eingesetzt werden
?
„Systemstabilisatoren“
sicher
Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum Systemstabilisator
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Der Systemstabilisatordie anlagenkonkreten Kriterien als Anforderungen an
systemsichernde Einrichtungen(regenerativ und
konventionell) von heute und morgen !!!
•
•
•
•
•
•
•
Gesicherte Aufruf-und Startbereitschaft des Systemstabilisators
Anforderungsgerechte und unverzögerte Leistungs-und Spannungsbereitstellung,
einschließlich der geforderten Änderungsgeschwindigkeiten, Echtzeitdaten an
ÜNB/VNB
Inselbetriebsfähigkeit, autarker oder (abgesichert) unterstützter
Wiederanfahrbetrieb
Abgesicherte (Brennstoff-)Bevorratung am Erzeugungsstandort !!
Erprobtes Konzept für Mindest-, Alternativ und Notbetrieb, einschließlich
einsatzbereites Bereitschaftspersonal und Treibstoffbereitstellung
Erprobtes Konzept für übergreifendes Training der zuständigen Führungskräfte und
der Diensthabenden im Operativsystem
Leistungsspannbreite: 20- 35 % der höchsten Systemlast als Normierungsgrundlage, weitere wissenschaftlich-praktische Untersuchung erforderlich, starke
Abhängigkeit von Besonderheiten der Regelzone , der verfügbaren(!)
Kuppelkapazität und dem Status der konventionellen u. regenerativen Kraftwerke,
sowie vor allem der (noch vorhandenen) Pumpspeicherwerke
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Pumpspeicherwerke (PSW)- als bipolare
Systemstabilisatoren, extrem schnell
und zuverlässig bei der Systemsicherung, Quelle: Gutachten Neldnerconsult zu PSW
 PSW sind einsetzbar bei
a) der Erzeugung elektrischer Leistung (Generatorbetrieb)
b) dem Verbrauch elektrischer Leistung (Pumpbetrieb)
c) der Speicherung von Elektrizität
d) der Spannungsregelung
e) dem „Schwarzstart“(ohne Fremdenergie) u.a. Dienstleistungen
1
2
1 – Unterbecken
2 – Oberbecken
Pumpen und Generatoren
sind im Berg (Kaverne)
Quelle: Dow Jones, Energy Weekly, Nr. 15, Freitag, 13. April 2012.
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Zweites Zwischenfazit
Basierend auf den Erfahrungen schwerer Netzstörungen großer
Systeme ist die Online-Bereitstellung, Auswahl und übergreifende
Bewertung geeigneter Echtzeitdaten, die hinreichend genau die
Robustheit, die Überlebensfähigkeit und Wiederherstellbarkeit des
Elektrizitätsversorgungssystems beschreiben, von entscheidender
Bedeutung.
Bei Systemen mit einer tatsächlich mehrheitlichen
Leistungsbereitstellung aus stochastisch und naturgebundenen
Energiequellen wie PV und Wind ist deshalb unverzüglich eine
umfassende Echtzeitdatenbereitstellung aller Erzeugungen und
wesentlicher Nachfragegruppen mit einer geeigneten
Äquivalentierung für ein sicheres EVS unbedingt erforderlich.
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Einige wichtige Maßnahmen (kurz- und langfristig)
Training mit
operativem
Personal!!!
Ausbau
Offshore
Erhalt
gesicherter
konvent. KW
(Kohle)
?
USV +
Treibstoff +
Kommunikation
Notfallpläne
und AHK
neues Energiesicherungsgesetz (EnSiG)
„Systemstabilisatoren“sofort
Leitungsbau sofort!
Internationale
Leitungen,
verstärken,
neue bauen
Anreize für
Laststeuerung
zu- und
abschaltbare
Leistung
Speichervorhandene
nutzen,
neue bauen
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Info - offensive
pro stabiles
Strom-System
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Exkurs: Nachhaltiger Erfolg nur durch
funktionierende Technik und trainiertes Personal
Das Wunder vom Hudson:
Glück allein reicht nicht!
Vor einem Jahr notwasserte der mutige Pilot
Chesley „Sully“ Sullenberger mit einem Airbus
mitten im Hudson River in New York. Alle
Passagiere überlebten – fast unverletzt!
Air-France-Absturz:
Nur ein Pilotenfehler?
Die Instrumente des Airbus zeigten falsche Daten
an, die hilflosen Piloten waren schlecht ausgebildet
[…].
Quelle: www.bild.de
Quelle: www.merkur-online.de
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24
.
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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Schlussfolgerungen (Auswahl)
• Der Netzausbau ist eine entscheidende Säule bei der
wirksamen Umsetzung der Energiewende.
• Daneben gewinnen die Systemdienstleistungen beim weiteren
Fortschreiten der Energiewende eine systematisch zunehmende
Bedeutung (Angebot, Auswahl, Vergütung, Kontrolle).
• Als entscheidende Stellschraube wird sich die Erfassung,
Weiterleitung und ungehinderte Bewertung der Echtzeitdaten
erweisen.
• Die Kooperation und Koordinierung der VNB untereinander, der
VNB mit den regelzonenverantwortlichen ÜNB und den vielen
neuen (Multi-)Akteuren und zukünftig auf europäischer
Ebene(z.B. über EDSO, über ACER und ENTSO-E) muss forciert
werden.
• Die Zunahme von Stresssituationen erzwingen eine
Intensivierung von Prävention, z.B. bei übergreifenden
Trainings.
• Das politisch-rechtliche und regulatorische Regelwerk muss
dringend präzisiert und erweitert werden (Genehmigungen und
Zertifizierung, Markt und Produkte, kriterielle Betrachtung usw.)
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