Das Verteilnetz - Rückgrat für die Energiewende - Simon Köppl und Thomas Estermann 02.02.2021 Energie Web-Seminar
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Das Verteilnetz – Rückgrat für die Energiewende Simon Köppl und Thomas Estermann 02.02.2021 Energie Web-Seminar 2020
Agenda
1
Geschichte und Struktur des Verteilnetzes
2
Was passiert gerade in den bayerischen Verteilnetzen?
3
Ein intelligentes Verteilnetz ist das Rückgrat der Energiewende
3
Wofür brauchen wir Smart Meter?
4
Wie sieht das Verteilnetz der Zukunft aus? – Ein Beispiel aus Altdorf
2
Die FfE auf einen Blick
Leitbild
• Zukunftsfähiges Energiesystem in Deutschland,
Europa und der Welt
• Chancen durch notwendige Transformation für
Gesellschaft, Politik und Wirtschaft aufzeigen
• Unabhängige, wissenschaftliche Analysen als
Basis für fundierte Entscheidungen
• Talente junger Wissenschaftler*innen fördern
Zahlen Themenfelder Kompetenzen
• Gründung 1949 als gemeinnütziger Verein, • Energiesystem • Datenanalyse & -management
seit 2001 Tochter: FfE GmbH
• Energiemärkte • Modellierung & Simulation
• Mehr als 100 Mitglieder, > 50 korporativ
• Energieeffizienz • Projektkoordination & IT
• 80 Mitarbeitende
• Ressourcen und Klimaschutz • Industrielles Energiemanagement
• 3 Dissertationen, 30 Abschlussarbeiten pro Jahr
• Digitalisierung • Feldtests & Transfer in die Praxis
3
Das Bayerische
Verteilnetz
Von 1882 bis heute
Photo by Giancarlo Corti on Unsplash 4
„
Geschichte der Stromversorgung
Spurensuche in der
Im Oktober 1882 wurde hier Landeshauptstadt
anlässlich der internationalen
Elektrizitätsausstellung von
Miesbach nach München erstmals • Weltweit erste Gleichstromübertragung
in der Welt eine Kraftübertragung über 57km Telegraphenleitung
mit Hochgespannten Strömen • In Miesbach: Dampfmaschine von 1,5 PS +
durchgeführt. Die Schöpfer des Dynamo
Werkes Oscar von Miller und • Spannung wurde mit 2 kV übertragen
Marcel Deprez bahnten damit den
• Im Münchner Glaspalast: künstlicher
Weg zur Ausnutzung entlegener Wasserfall wird durch Pumpe angetrieben
Energiequellen.“ • Wirkungsgrad: 22%
Verband Deutscher Elektrotechniker, 1952
5
So wurde es mal geplant:
Vom (Groß-)Kraftwerk zum (Kleinst-)Verbraucher
Erzeuger Verbraucher
Höchstspannung
220 – 380 kV Übertragungsnetz
Hochspannung
60 - 100 kV
Mittelspannung
6 – 50 kV
Verteilnetz
Niederspannung
230 / 400 V
6
Stromkreislängen in Bayern nach Spannungsebenen
8×
Höchstspannung ~5.600 km
Die Gesamtlänge der bayerischen
Stromnetze beträgt ca. 325.500 km,
dies entspricht mehr als acht
Hochspannung ~13.300 km Erdumrundungen.
Mittelspannung
~87.700 km
Niederspannung
~218.900 km
FFE-37 13 7
Aktuelle Entwicklungen
Trends im bayerischen
Verteilnetz
Photo by Tuesday Temptation on Unsplash 8
Trends im Stromnetz
Ausstieg aus Zubau erneuerbarer Zunehmende Viele neue Akteure auf Neue Lastprofile in den
Kohleverstromung Erzeugungsanlagen Umkehrung der dem Strommarkt unteren
und Kernenergie Versorgungsrichtung Spannungsebenen
Die Belastung (und auch die Komplexität) im
Verteilnetz nimmt zu
9
Photos by Johannes Plenio, American Public Power Association, Jim Wilson Vivint Solar, Ernest Ojeh on Unsplash
Der Erzeugungsschwerpunkt ändert sich fundamental!
Bis 2025:
Grafenrheinfel Bruttostromerzeugung:
d
Steigerung
der EE auf
über 70 % der
Bruttostrom-
erzeugung
Isar
Grundremmin
gen Zolling
München-
Nord Wind PV
Wegfall von Einspeiseleistung, Systemdienstleistungen & rotierender Masse! 10Umkehrung der Versorgungsrichtung
Erzeuger Verbraucher
Höchstspannung
220 – 380 kV
Einspeiseleistung sinkt
• Atommoratorium
Hochspannung • Kohleausstieg
60 - 100 kV
Mittelspannung
6 – 50 kV
Einspeiseleistung steigt
• EEG
• KWK-Förderung
Niederspannung • Photovoltaikpflicht
230 / 400 V • …
Stromerzeugung verlagert sich zunehmend ins Verteilnetz 11Ein paar Zahlen zur Energiewende im Verteilnetz Der größte VNB Bayernwerk rechnet für das Jahr 2030 in Bayern mit folgenden Zahlen (https://www.bayernwerk.de/flowerpower) • 20 GW PV + 4 GW Wind • 2 Mio. Elektrofahrzeuge • 660.000 Wärmepumpe • 380.000 Hausspeichersysteme Über 1. 200 Gemeinde bzw. 49 Landkreise positiver Energiebilanz Spannende Zeiten für Netzbetreiber! 12
Energiewende in Markt Altdorf – Entwicklung und Ausblick
12
Kummulierte EE-Leistung in MW
10
Biomasse
8 Wasserkraft
Photovoltaik
6
4
2
©FfE BMWi-39-1 Csells-Basisdaten_eV_00003
0
Jahr
Photovoltaik: 10,1 MW
Wasserkraft: 0,01 MW
Biomasse: 0,04 MW
Gesamt (2016): 10,1 MW
PV-Potenzial: ~ 30 MW
Auswirkung auf die Netzbelastung in Altdorf 13Mit Prosumern drängen neue Akteure auf den Strommarkt
6
5 Elektrofahrzeug
4
4.600 kWh Wärmepumpe
3
Leistung in kW
2
Haushalt
1
0
Photovoltaik
-1
-2 HA-Last
2.600 kWh 4.500 kWh 27.000 km -3 ©FfE BMWi-39-3 Csells-Flex-Potenzial_eV_00026
00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
~ 5.400 kWh Typtag
Typischer (Jahr) (Jahr)
Werktag
Durch Photovoltaik und neue elektrische Verbraucher wird das Lastprofil
signifikant verändert. 14Aktuelle Trends verschärfen die Belastung im Verteilnetz
Heute Zukunft
200 200
150
Elektrofahrzeug
150
100 Nachtspeicherheizung 100
Leistung in kW
Leistung in kW
50 50
Wärmepumpe
0 0
00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Haushalt 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00
-50 -50
-100 Photovoltaik -100
-150 -150
Last am Trafo
©FfE BMWi-39-3 Csells-Flex-Potenzial_eV_00021 ©FfE BMWi-39-3 Csells-Flex-Potenzial_eV_00022
-200 -200
Typtag (Jahr) Typtag (Jahr)
Notwendigkeit zur Nutzung von Flexibilitäten 15Mehr als einfach nur
„Mehr Kupfer“
So schultert das Verteilnetz
die Energiewende
16Was tun bei zu hoher Netzbelastung?
Kritische Netzbelastungen
• Transformatorüberlastung
• Leitungsüberlastung
• Spannungsbandprobleme
Ausbau
Versorgungssicherheit • Abweichung der Netzfrequenz
Verstärkung
Akzeptanz
Wirtschaftlichkeit Umweltverträglichkeit Optimierung
17Viele Alternativen zum „klassischen Netzausbau“
Flexibilisierung der Erzeugung Topologische Schalthandlungen
Regelbare Ortsnetztransformatoren Quartierspeicher
Demand Response (Industrie) Hausspeichersysteme
Netz-
optimierung
Hybridisierung Strom, Wärme, Gas Freileitungsmonitoring
Blindleistungsmanagement Elektrofahrzeuge
Längsregler Demand Side Management in Haushalten
Mehr Infos www.ffe.de/mona 18Nicht alle Fahrweisen von (funktionalen) Speichern helfen dem
Netz…
Speicherung Netzeinspeisung Abregelung
Leistung
Uhrzeit
Optimierung des Netzentlastend/ Netzsstabilisierend
Eigenverbrauchs (EV) „netzorientiert“ Speicher passt sich den
Speicher wird immer dann Speicher wird gezielt Anforderungen des
geladen, wenn die PV- Netzes an
zu Mittagszeit geladen,
Erzeugung größer als der EV
ist um Einspeisespitze zu
reduzieren
19Was lernt man aus Forschungsprojekten über den Stand im
Verteilnetz?
• Nicht nur eine Floskel! Energiewende findet im Verteilnetz statt: neue Belastung + neue Komplexität
• Lastverhalten im Verteilnetz verändert sich: Letztverbraucher Consumer Prosumer Flexumer
• Abregelung von EE heute kein süddeutsches Problem! Grund ist meist Nord-Süd Engpass in der
Übertragungsnetzebene, Abregelung in den nördlichen und östlichen Verteilnetzen in Deutschland
• Jedes Verteilnetz ist anders keine allgemeine gültigen Aussagen möglich, aber Handlungsrahmen abschätzbar
• Lösungsoptionen neben klassischen Netzausbau geeignet – praktischer Betrieb teilweise gehemmt (CAPEX/OPEX)
• Netzausbau häufig alternativlos…
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§ „…“
20Der Weg zum Smart Grid: Intelligentes Zusammenspiel aus
verschiedensten Komponenten
Erneuerbare Flexible Smart rONT
Längsregler Speicher
Erzeuger Verbraucher Meter
kWh
21Smart Grid und Smart
Meter
Digitalisierung für ein
intelligentes Verteilnetz
22Chancen der Digitalisierung für den Verteilnetzbetreiber
Erzeuger
Verbraucher
Verteilnetzbetreiber
Neue Herausforderungen Chancen der Digitalisierung
• Ausgleich von Angebot und Nachfrage Steigerung der Prognosegüte
• Netzbetrieb Neue Datenpunkte im Stromnetz
• Spannungshaltung intelligente Betriebsmittel
• Engpassmanagement Bidirektionale Infrastruktur auch zu kl. Anlagen
ABER: Nutzen muss den Aufwand (Ressourcen, Komplexität etc.) rechtfertigen 23Was passiert beim Smart Meter-Rollout:
Vom Ferrariszähler zum iMSys
Ferrariszähler Intelligentes Messsystem (iMSys)
Moderne Messeinrichtung Smart Meter
(mMe) Gateway (SMGW)
[Photo: media1.faz.net]
• Induktionsprinzip
• Erfassung der • Digitale Messeinrichtung
Wirkenergie • Bestimmung von Schein- und Blindleistung
• Manuelle Ablesung • Erfassung der tatsächlichen Nutzungszeit im 15-Min-Takt
• Kommunikationseinheit SMGW zur Übermittlung,
Speicherung und Plausibilisierung der Daten
• …
24Wer kommt wann ein iMSys und welche Kosten treten auf?
• Unterscheidung zwischen Pflicht und
Optional
• Pflicht bei
VERPFLICHTEND
• Erzeuger ab 7 kW
• Verbraucher ab 6.000 kWh/a
• Teilnahme am Flexibilitäts-
Mechanismus
• Jährliche Kosten für Endnutzer
ab 100 €
• 95 % Umrüstung bis 2032
OPTIONAL
• Pflichtrollout bei ~5 Mio. Verbrauchern
und ~1,3 Mio. Erzeugern
© hw.design, München
Rollout im Jahr 2020 gestartet (bei Messstellen ohne Schaltanforderung) 25Chancen und Mehrwert von intelligenten Messsystemen
Messen mit iMSys – Eine Auswahl Steuern über iMSys- Hier sind die
Randbedingungen noch nicht klar
Energieberater Messstellenbetreiber Externer Marktteilnehmer
• Lastganganalyse • Ablesen der Zählerstände • Erweitertes Anlagen-Contracting
• Lokales • Verbrauchervisualisierung • Engpassmanagement
Energiemanagement • Plausibilisierung
• Wirtschaftliche • Mehrspartenmessung
Bewertung
• …
• …
Verteilnetzbetreiber Flexumer Flexumer
• Netzzustandsdaten • Mieterstrommodelle • Direktvermarktung Sonstiges
6,9%
• Atypisches • Echtzeit-Monitoring des • Virtuelles Kraftwerk
Verbrauchsverhalten Energiebezugs • Flexibilitäts- Wärmepumpen
§ 14A 20,3%
• … • Preisvariable Tarifmodelle Vermarktung EnWG
Wallboxen
• … Nachtspeicherheizungen 0,1%
72,7%
26Das Verteilnetz der
Zukunft
Praxisbeispiel: Altdorf aus
dem Projekt C/sells
27C/sells – Demonstrationsprojekte im
digitalen Energiesystem
Weitere Infos unter www.ffe.de/csells & www.csells.net
• Größtes SINTEG-Schaufenster
• Demonstrationsfläche in Baden-Württemberg,
Bayern und Hessen
• 34 technische Demonstratoren
• 9 Partizipationszellen
• Verbundprojekt mit 56 Partnern aus gesamter
energiewirtschaftlichen Wertschöpfungskette
• Reichweite in Öffentlichkeit:
• Bürger
• Politik
• Wissenschaft
C/sells konzipiert und erprobt diverse
Lösungskonzepte für die EE-Integration 28Netzengpass – Koordination – Realbetrieb – Schaufenster
29Altdorfer Flexmarkt: Erschließung & Koordination von
netzdienlicher Flexibilität
EE-induzierte Engpässe
zunehmendes EinsMan
Marktbezogene
Maßnahme zur Standardisierte
Behebung von Erschließung
Netzengpässen dezentraler Assets
aus allen
Sektoren über
iMsys
Elektrifizierung von
Wärme & Mobilität Koordination
des Flex-Abrufes
Visualisierung
? ? von Flex-Angebot
und Flex-Bedarf
30Erkenntnisse aus dem Realbetrieb
heute wenig Engpässe, Probleme Technik vs. Motivation
erst bei hohen Durchdringungen Probanden: „Forerunner“
Verteilnetz: Gatekeeper für Markt Flex-Produkte Probanden
Stromnetz Partizipation
Flex-Plattform Infrastruktur
Plattform: viele Akteure, Proof-of-Concept erfolgt
transparent, Koordination Performance passt zu Use Case
Netzbetreiber, marktbezogen ABER: iMSys-Architektur sperrig
Heute ungenutzte Flex-Optionen
über Aggregation + €-Pauschale
Flexmärkte: wichtiger Baustein für eines effizienten Netzengpassmanagement 31Stromnetze: Rückgrat einer gelungenen Energiewende (BMWi)
Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die zunehmende Elektrifizierung
erfordert eine Umstrukturierung des Stromnetzes auf allen Ebenen.
Intelligente Regelungen oder der Einsatz von „netzoptimierenden Maßnahmen“
sind wichtige Baustein – ohne Netzausbau (auch HGÜ) geht es aber nicht.
Durch die Energiewende und die Digitalisierung werden auch kleinteilige und
dezentrale Anlagen immer wichtiger für eine sichere Energieversorgung.
Umsetzungsprojekte wie SINTEG demonstrieren schon heute die Technik und die
Prozesse von morgen und geben Zuversicht für die Energiewende
32Jetzt freuen wir uns auf die Diskussion…
! ?
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§ „…“
33Simon Köppl
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.
Tel.: +49(0)89 15 81 21– 78
Email: skoeppl@ffe.de
Thomas Estermann
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V.
Tel.: +49(0)89 15 81 21– 33
Am Blütenanger 71 – 80995 München
Email: testermann@ffe.de
Tel.: +49(0)89 15 81 21 – 0
Email: info@ffe.de
Internet: www.ffe.de
Twitter: @FfE_Muenchen
Fotos: ©Enno KapitzaSie können auch lesen
