Stresstest eMobiltät - Sind unsere Verteilungsnetze den Herausforderungen gewachsen? - Power Technologies International
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Stresstest eMobiltät – Sind unsere Verteilungsnetze den Herausforderungen gewachsen? Power Technologies International © Siemens AG 2020 siemens.de/power-technologies
Sichern Sie den Erfolg Ihres E-Infrastrukturprojektes und finden Sie
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Nachfrage- Netzplanung Netzanbindung Geschäfts- Regulatorische Hardware Software Prozess- Betriebsmodell
modellierung modell Vorschriften design
Wie lässt sich die zukünftige Lastnachfrage für Ihr Netz modellieren ?
Wie wird sich die zunehmende Integration von E-Fahrzeugen auf Ihre Netzperformance auswirken?
Wo sind die optimalen Netzanschlusspunkte?
Welche Ziele lassen sich innerhalb der rechtlichen Rahmenbedingungen realisieren
Was ist Ihr Wertversprechen und wer sind Ihre Kunden?
Welche Investitionen sind erforderlich und wie hoch ist das Umsatzpotenzial?
Welche Hardware und Software werden benötigt?
Wie lässt sich eine reibungslose IT-Integration gewährleisten?
Wie sehen ein geeigneter Geschäftsprozess und eine erfolgreiche Implementierung aus?
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Page 2 Dr. Slupinski / SI DG PTI
Siemens PTI als Partner für Expertisen im eMobilität (eCar & eBus)
• Oslo
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• Stockholm
• Toronto
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• Fredericton
• Wroclaw
• Anniston
• New York
• St. Cloud • Vienna
• New Jersey • Hamburg
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• Los Angeles • Regensburg
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• Chicago • Nuremburg
• Pennsylvania • Fuerth
• Albany • Mannheim
• Indianapolis • Munich
• Santa Clara • Duisburg
• London
• Milan
• Geneva
• Eindhoven
• Castries • European Commission
• Hongkong • Lyon
• Carriacou Project with 42 partners
• Beijing • Porto
throughout Europe and
• Shanghai • Lisbon
24.2 Mio € funding
• Cairo • Doha • Chengdu • Aveiro
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Page 3 Dr. Slupinski / SI DG PTI
Stresstest Elektromobilität
Stadtwerke Duisburg
Vorausschauende
Netzplanung zur Integration
von Elektromobilität
• Staatliche Anreize fördern den
Trend zur Elektromobilität
• Stresstest: Bewertung der
Auswirkungen des Ladeinfra-
strukturausbaus auf das Netz
• Gewährleistung einer
zuverlässigen Strom-
versorgung unter
Berücksichtigung der
erwarteten Lastzunahme
• Vermeidung von
Fehlinvestitionen
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Page 4 Dr. Slupinski / SI DG PTI
Stresstest eMobiltät für Mittelspannungsnetze
Stresstest Elektromobilität
WANN und WO sind zukünftig Netzengpässe zu erwarten?
Treiber
• Nationale Entwicklungspläne
• Klimaschutzpläne
• NOx –Belastung in städtischen Gebieten à Fahrverbote
Glaskugel
• Dynamik der Elektrifizierung?
• Ausgestaltung der Ladeinfrastruktur?
• Ladeverhalten der Menschen?
à Auswirkungen auf die Verteilnetze ?
Stresstest eMobilität
Robuste Methodik zur Quantifizierung der vorhandenen Netzkapazitäten
für die Aufnahme der Ladung von Elektrofahrzeugen (EFZ)
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Page 6 Dr. Slupinski / SI DG PTI
Stresstest Elektromobilität für Mittelspannungsnetz
Methodik
Hochlauf der
Grundgesamtheiten 1 Ladeleistungen und
Gleichzeitigkeitsfaktoren 2 Verteilung im Netz
3 Simulation von
Hochlaufzeitpunkten 4
Aufgabe Festlegungen von Festlegungen von • Gewichtete Verteilung der • Lastflussberechnungen und
• Grundgesamtheiten • Ladeleistungen Grundgesamtheit im Netz Bestimmung der überlasteten
• Multi-layer Modellierung Infrastruktur
• Dynamik der Elektrifizierung • Gleichzeitigkeitsfaktoren
• Ermittlung des
• Lasttypen und Angriffspunkte
Re-Investitionsbedarfs
im Netz
• Bestimmung der
Standardbetriebsmittel
Input Heutige Situation, Vorgaben der Heutige Situation, Veröffent- Heutige Situation, Ortsnetz- Ergebnisse resultierend aus 1 – 3
Daten Politik und Annahmen lichungen und Annahmen informationen und Annahmen
Resultate Rahmen und eMobilität Ladeentwicklung basierend auf Zuordnung von Ladeflüssen Optimale Asset Management-
Szenarien Zuwachs durch EFZ Strategie und Anpassung der
Planungskriterien
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Page 7 Dr. Slupinski / SI DG PTI
1 2 3 4
Hochlauf der Grundgesamtheiten
Lasttypen und zeitliche Entwicklung
HS-Netz 250
1
200 2
Priv. EFZ x 1000
HS/MS
Trafo 150
3
ÖPNV EFZ
Tankstellen
100
MS-Netz
50
3 2
0
MS/NS
Trafo
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Year
priv. EFZ
1 Heute im Versorgungsgebiet gemeldete Fahrzeuge
NS-Netz
Pendler 2 Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Regierung
EFZ 15% bis 2030 und 100% bis 2050
gew. EFZ
3 Exponentiell bis 2030, danach linear anwachsend
Beispiel: Nachfragentwicklung nach EFZ basierend auf dem
Nationalen Entwicklungsplan Deutschland
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Page 8 Dr. Slupinski / SI DG PTI
1 2 3 4
Verteilung der Grundgesamtheiten im Netz
Verschiedene, komplementäre Datenquellen verfügbar
Basierend auf Basierend auf Basierend auf
Mehrebenen- Netzdaten statistischen Daten
Modellierung
z.B.: ÖPNV, Tankstellen, Gewerbe, z.B.: eigene Stationen / z.B.: georeferenzierte
… Kundenstationen, Wohneinheiten und Hektarrasterprognosen
Hausanschlüsse, Lasten und Gebiete
z.B.: Heimladestationen
2035
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Page 9 Dr. Slupinski / SI DG PTI
1 2 3 4
Ergebnis: Umspannwerksauslastung
Simulation von Hochlaufzeitpunkten
Anzahl Umspannwerke Jahr Auslastung
Ergebnis
12 UW >100% >120%
6 von 17 Umspannwerken
UW 08 2023 2032 potentiell kritisch
10 ausgelastet
UW 07 2025 2033
UW 15 2030 2035
8
UW 06 2034 2041 Empfehlungen
6 UW 13 2036 2042 • Mittelfristig besteht kein
Handlungsbedarf
UW 09 2037 2044
4
• Homogenisierung der
UW 03 2043
Lastverteilung
UW 14 2044
• Bei Re-Investitionen
2
UW 02 2047 Bemessungsleistung
UW 16 2049 der Transformatoren neu
0 bewerten
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
>120% Ir >100% Ir
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Ergebnis: Hochlaufzeitpunkt 2040
Netzauslastung
Netz km >70%/km 2017 >70%/km 2040 /D%
UW 01 85,4 0,0 0,0 0,0%
UW 02 69,9 0,0 0,8 1,2%
UW 03 77,5 0,0 4,4 5,6%
UW 04 25,7 0,0 0,0 0,0%
UW 05 77,5 0,0 3,6 4,6%
UW 06 38,2 0,0 0,0 0,0%
UW 07 95,1 0,6 7,4 7,2% Ergebnisse
UW 08 135,8 0,1 3,7 2,7%
UW 09 77,3 0,0 0,9 1,2%
Identifikation von
Netzbereichen mit
UW 10 36,0 0,0 1,5 4,2%
Re-Investitionsbedarf bis
UW 11 50,2 1,0 1,8 1,7%
2040
UW 12 46,8 0,0 2,2 4,7%
UW 13 101,6 3,1 10,3 7,1%
UW 14 82,7 0,0 2,5 3,0%
UW 15 110,1 0,0 12,2 11,1%
UW 16 116,1 0,0 5,2 4,5%
UW 17 96,5 3,4 10,8 7,7%
>50% >70% Summe 1322,4 8,2 67,4 4,5%
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Ergebnis: Gegenüberstellung Re-Investionsbedarf
Auslastung durch EFZ vs. Asset-Strategie
Kabellänge in km
1.000
2%
900
800 Bereich
Re-Invest Kabel
700
(Asset-Strategie) Ergebnisse
600
• Kein Re-Investitionsstau
500 bei bedarfsgerechten
1%
400 Re-Investitionen
• Festlegung der
300
>50% zukünftigen
200
Bereich
Standardkabeltypen
Auslastung Kabel
100 >70% erfordert Anpassung der
mit EFZ
Planungskriterien
0
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
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Page 12 Dr. Slupinski / SI DG PTIStresstest eMobiltät für Niederspannungsnetze
Stresstest eMobilität für Niederspannungsnetz
Ziele
• Die ersten Engpässe sind in den NS-Netzen zu erwarten
• Ergebnisse des Stresstests für NS-Netze:
• Wann ist mit flächendeckenden Engpässen
zu rechnen?
• Wo liegt in der Regel der Engpass?
(Betriebsmittelauslastung oder die Spannung)
• Welches Betriebsmittel ist in der Regel der Engpass?
• Welches ist die optimale NS-Netzform?
• Welches sind die optimalen Standardbetriebsmittel?
• Welches skalierbare Regelkonzept für die Ladung
von EFZ wird voraussichtlich der Standard?
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Page 14 Dr. Slupinski / SI DG PTIStresstest Elektromobilität für Niederspannungsnetz
Vorgehensweise
Planungskriterien und
Begriffe 1 Istnetz-Analyse
der Netze 2 Methodik der
Untersuchungen 3 Simulation von
Hochlaufzeitpunkten 4
Aufgabe Festlegungen von heutigen • Lastflussberechnungen • Festlegung der Grundgesamtheit • Lastflussberechnungen
Planungskriterien • Auswertung der heutigen im Netz • Bestimmung des Zeitpunkts für
Ableitung der Bewertungsskala Netzverhältnisse • Festlegung der Ladeleistungen flächendeckende Engpässe
und Gleichzeitigkeitsfaktoren • Bestimmung kritischer
• Stochastische Verteilung im Netz Komponente (Trafo, Netz,
• Festlegung der Auswertekriterien Spannung)
Input Heutige Planungskriterien Netzdaten mit Lasten, Netzdaten mit Lasten, Ergebnisse resultierend aus 1 – 3
Daten Netzstrukturmerkmale Netzstrukturmerkmale
Resultate Vereinfachte Skala für bessere Status Quo in heutigen Netzen Tool für stochastische Anpassung der
Vergleichbarkeit Verteilung und automatische Planungskriterien und
Auswertung Ableitung der Regelkonzepte
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Page 15 Dr. Slupinski / SI DG PTI1 2 3 4
Ist-Analyse der Niederspannungsnetze
Zusammenfassung
• Netz gegenüber Trafo i.d.R. höher dimensioniert Trafo Netz Spannung
• Noch Reserven für die Aufnahme von eMobilen 1,0
vorhanden 0,9
• Größte mittlere Kritikalität beim Trafo
0,8
• Bei Netzen mit Kritikalität der Spannung >0,5 sollte
über Anpassung der Stufenstellung nachgedacht 0,7
werden. 0,6
Kritikalität
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
NS6248 NS6249 NS6251 NS6252 NS6254 NS6289 NS6320 NS6329 NS6330 NS6388
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Page 16 Dr. Slupinski / SI DG PTI1 2 3 4
Methodik der Untersuchungen
Eingabedaten
1,50 100%
Durchdringungsfaktor
1,25 80%
1,00
60%
Efz/WE
0,75
40%
0,50
0,25 20%
0,00 0%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Wohnbebauung (#WE / #HA) Hochlaufjahr
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Page 17 Dr. Slupinski / SI DG PTI1 2 3 4 Simulation von Hochlaufzeitpunkten Untersuchungsinhalte Hochlauf der 10 Netze bis 2050 ohne Netzverstärkungen, bestimmt wird: • Zeitpunkt ab dem mit Grenzwertverletzungen zu rechnen ist • Kritische Komponente (Trafo, Netz, Spannung) © Siemens AG 2020 Page 18 Dr. Slupinski / SI DG PTI
1 2 3 4
Hochlauf ohne Netzverstärkung
Ergebnisse
Trafo Netz Spannung GESAMT
• Ab 2028 ist mit ersten Grenzwertverletzungen zu rechnen.
100% Die EFZ-Durchdringung beträgt dann 8,5%.
90% • Die Netze sind ausgewogen dimensioniert.
80% • Bis 2050 müssen alle Netze verstärkt oder mit
Regelinstanzen ausgestattet werden.
70%
• Der Flaschenhals ist meistens der Trafo, nie die
Anteil kritischer Netze
60% Spannung:
50%
70%
40% 60%
1. Grenzwertverletzung
30% 50%
(Flaschenhals)
40%
20%
30%
10%
20%
0% 10%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
0%
Hochlaufjahr Trafo Netz Spannung
© Siemens AG 2020
Page 19 Dr. Slupinski / SI DG PTIStresstest eMobiltät: Prognose für alle Niederspannungsnetze
Stresstest eMobilität für Niederspannungsnetz
Übersicht: Prognosetool
• Stresstest eMobilität für Niederspannungsnetz für 10 repräsentative NS-
Netze
• Ableitung eines Prognosetools auf der Grundlage von
Netzstrukturmerkmalen zur Auswertung und Priorisierung aller Ortsnetze
• Ziel: Voridentifikation der Netze
• …die vor einem festzulegenden Hochlaufjahr kritisch werden (z.B.
2033)
• …bei denen der Flaschenhals zuerst im Netz auftritt (zukünftiges
Regelkonzept)
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Page 21 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Kalibrierung auf Grundlage der Referenznetze
Datenbank
NS-Netze
PROGNOSE Ergebnisse der Prognose
TOOL Kritische Hochlaufjahre für die Referenznetze
Netzstrukturmerkmale der Referenznetze
#WE, #HA, SL, Sr,Tr, #Abg, Ir,K !
Abweichung à min
Kalibrierung -
Netzstrukturmerkmale
#WE Anzahl der Wohneinheiten
#HA Anzahl der Hausanschlüsse
SL Heutige Last Ergebnisse des Stresstests
Sr,Tr Bemessungsleistung des Trafos
Kritische Hochlaufjahre für die Referenznetze
#Abg Anzahl der Abgänge von der NSHV
Ir,K Bemessungsstrom des Standardkabels
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Page 22 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz
GESAMT
• Es wurden 1225 Ortsnetze ausgewertet.
100%
• Ab 2022 ist mit ersten Grenzwertverletzungen zu
90% rechnen.
80% • Bis 2050 müssen 70% der Netze verstärkt oder mit
70% Regelinstanzen ausgestattet werden.
Anteil kritischer Netze
60% • Der Flaschenhals ist meistens der Transformator
50%
50%
40%
1. Grenzwertverletzung
40%
30%
(Flaschenhals)
30%
20%
20%
10%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50 0%
Hochlaufjahr Trafo Netz Netz und
Trafo
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Page 23 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz (2025)
GESAMT
100%
ü Detaillierte Ergebnisaufbereitung
in Listenform
90%
ü Ableitung von Detailbetrachtungen
80% und Priorisierung von netzseitigen
Maßnahmen
70%
Anteil kritischer Netze
ü Überblick in der Netzgeografie
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
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Page 24 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz (2030)
GESAMT
100%
ü Detaillierte Ergebnisaufbereitung
in Listenform
90%
ü Ableitung von Detailbetrachtungen
80% und Priorisierung von netzseitigen
Maßnahmen
70%
Anteil kritischer Netze
ü Überblick in der Netzgeografie
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
© Siemens AG 2020
Page 25 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz (2035)
GESAMT
100%
ü Detaillierte Ergebnisaufbereitung
in Listenform
90%
ü Ableitung von Detailbetrachtungen
80% und Priorisierung von netzseitigen
Maßnahmen
70%
Anteil kritischer Netze
ü Überblick in der Netzgeografie
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
© Siemens AG 2020
Page 26 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz (2040)
GESAMT
100%
ü Detaillierte Ergebnisaufbereitung
in Listenform
90%
ü Ableitung von Detailbetrachtungen
80% und Priorisierung von netzseitigen
Maßnahmen
70%
Anteil kritischer Netze
ü Überblick in der Netzgeografie
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
© Siemens AG 2020
Page 27 Dr. Slupinski / SI DG PTIPrognosetool
Ergebnisse für das gesamte Netz (2045)
GESAMT
100%
ü Detaillierte Ergebnisaufbereitung
in Listenform
90%
ü Ableitung von Detailbetrachtungen
80% und Priorisierung von netzseitigen
Maßnahmen
70%
Anteil kritischer Netze
ü Überblick in der Netzgeografie
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18 22 26 30 34 38 42 46 50
Hochlaufjahr
© Siemens AG 2020
Page 28 Dr. Slupinski / SI DG PTIStresstest eMobilität: Zukunftsorientierten Netzplanung
für die Integration von Elektromobilität
Staatliche Anreize Beurteilung Sicherstellung Vermeidung Anwendbar auf
fördern den Trend wann und wo einer zuverlässigen unnötiger verschiedenste
hin zu einer Engpässe im Netz Stromversorgung Investitionen durch individuelle
zunehmenden zu erwarten sind unter Berücksichti- eine optimierte Rahmenbe-
Elektrifizierung aufgrund einer gung von Prognosen Asset-Manage- dingungen
des Verkehrs wachsenden zum Lastzuwachs im ment- Strategie
Umfangreiche
Durhcdringung von Versorgungsnetz
Erfahrung:
Ladeinfrastruktur
30+ Studien
durchgeführt
© Siemens AG 2020
Page 29 Dr. Slupinski / SI DG PTIKontakt
Siemens AG
Dr. Adam Slupinski
Head of Distribution & Decentral Systems
SI DG PTI DDS
Dynamostr. 4
68165 Mannheim
Tel: +49 621 17 232311
E-Mail: adam.slupinski@siemens.com
siemens.com/power-technologies
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Page 30 Dr. Slupinski / SI DG PTIDisclaimer Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Die Informationen in diesem Dokument enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsschluss ausdrücklich vereinbart werden. Alle Erzeugnisbezeichnungen können geschützte Marken oder sonstige Rechte des Siemens Konzerns oder Dritter enthalten, deren unbefugte Benutzung die Rechte der Inhaber verletzen kann. © Siemens AG 2020 Page 31 Dr. Slupinski / SI DG PTI
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