Strom - Lebensnerv der Data Center - GE Digital Energy Powerbuilding 2012 Jürg P. Schwerzmann Business Coaching
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GE Digital Energy Strom – Lebensnerv der Data Center Powerbuilding 2012 Jürg P. Schwerzmann Business Coaching Die Präsentation stellt ausschliesslich die persönlichen Ansichten des Referenten dar.
Die Schlagzeilen werden schärfer 2010 Versorgungsprobleme Deutsche Stromnetze nah am Kollaps 2012 Alarmstufe gelb – Stromnetz überlastet Deutschland entgeht Blackout – knapp 2 GE job title/22 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Alles im Griff? Die Welt-online 1. 4. 2012 Stromnetz geht plötzlich auf Alarmstufe "gelb" Vergangene Woche kam es zu einem brenzligen Vorfall im Stromnetz. Die Ampel des "Real-time Awareness und Alarm Systems" der Netzbetreiber schaltete auf "gelb". Nur Notmaßnahmen retteten den Betrieb. «Unter anderem kam es zu einer Schnellabschaltung von mehreren tausend Megawatt konventioneller Kraftwerksleistung. Zudem wurden in den ostdeutschen Bundesländern Windparks in einer bis dahin nie dagewesenen Größenordnung von 2200 Megawatt vom Netz getrennt. Das allein entspricht der Leistung von drei Großkraftwerken». GE job title/33 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Gefahr für die Energiewende Fast 2000 Kilometer sind geplant, nur rund 200 wurden schon gebaut. Der Ausbau des deutschen Stromnetzes kommt äußerst schleppend voran. Bundesnetzagenturchef Homann sorgt sich um die Energiewende und warnt vor möglichen Stromausfällen. Außerdem sei es wichtig, die Versorgung von systemrelevanten Gaskraftwerken zu sichern. Im vergangenen Winter waren ausgerechnet in der kritischsten Versorgungsphase mehrere solcher Kraftwerke wegen Gasmangel vom Netz genommen worden. Spiegel on-line 04.05.2012 GE job title/44 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Was kollabiert zuerst? Pictures: fotosearch.de Stromnetz oder Datennetz? GE job title/66 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Wundermittel „Erneuerbare“? «Verteilnetze mit >15% «unplanbarer» Energie werden instabil» “Wind power plays havoc with the system, we need storage for wind to proliferate” (PSEG @ EPRI) GE job title/99 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Erneuerbar - und unplanbar! Dienstag Donnerstag > 3‟000 MW Windparkbetreiber erhalten eine Vergütung, wenn sie ihre Anlagen Abstellen! GE job title/11 11 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Regelenergie - der etwas andere «Stabilitätspakt» 1‟500 MW GE job title/12 12 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Erfolgreich und nachhaltig? …. und die hohe Förderung die Verbraucher immer mehr belastet, was zum Akzeptanzproblem für die grüne Energiewende werden könnte …. an der Strombörse in Leipzig werden oft nur Ramschpreise erzielt, da die schwankende Wind- und Sonnenstromproduktion kaum planbar ist. Quelle: FOCUS online Deutschland hat in Europa am meisten Solarpanels installiert - wegen der Sonne? Geschätzte Kosten für den Steuerzahler bis 2020: €100 Milliarden GE job title/13 13 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Systembetrachtungen Windenergie und Photovoltaik sind stochastische Energie = mehr Regelenergie, mehr Ausgleichsenergie Mehr Produktionsanlagen (Wind, PV, etc.) an verbrauchsarmen Standorten = mehr Übertragungsnetze Wie ein System mit vielen stochastischen Energien im Detail aussehen soll, weiss man nicht = herantasten GE job title/14 14 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Die Klimaveränderung ist eine Realität °C Abweichung der Jahresmitteltemperatur in der Schweiz von 1900 bis heute 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Jahre über dem Durchschnitt (1900-2007) Jahre unter dem Durchschnitt (1900-2007) 20-jähriges gewichtetes Mittel (Gauss Tiefpassfilter) GE job title/15 15 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Wir sind nicht alleine Für wird China erwartet, dass dort bis 2030 solche Mengen von CO2-Emissionen ausgestoßen werden wie in den Vereinigten Staaten und Europa zusammen. GE job title/16 16 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Energieverbrauch CH Jahresverbrauch umgerechnet in einen Tankwagenzug 2008 2011 … und jetzt soll alles ganz anders werden? 17 GE job title/17 17 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Stabile langfristige Energiepolitik? 15. April 2012 Daneben will Leuthard die Fördermittel für erneuerbare Energien von heute rund 200 Millionen Franken jährlich auf über 800 Millionen Franken aufstocken GE job title/18 18 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Kein Thema mehr!? Bild FOCUS Online Das Problem ist, dass ihr glaubt, genug Zeit zu haben Jack Kornfield GE job title/19 19 Jürg P. Schwerzmann - 2012
CO2-Abscheidung • Zentral für Kohlekraftwerke und Gaskombikraftwerke • Erste industrielle Pilotanlagen im Bau • Durchbruch grossindustriell nicht vor 2020 • Wirkungsgrad der Kohlekraftwerke sinkt um ≈ 10%-Punkte • Die zentrale Frage: Lagerung des CO2 GE job title/20 20 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Konflikt: Abfalllager oder Energiequelle Quelle: ETH Zürich Quelle: S. Signorelli und T. Kohl, GEOWATT AG Geeignete Gebiete für Geeignete Gebiete für CO2-Lagerung Geothermie GE job title/21 21 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Wir kriegen die Kurve - ab 2015 - sagt der BR GE job title/22 22 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Kommt es zur «Anbauschlacht» für Energie? 10 Terawattstunden an elektrischer Energie sollen in Zukunft jährlich in der Schweiz durch Photovoltaik bereitgestellt werden GE job title/23 23 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Ideen sind da – und der Wille zur Investition? • Hochspannungsgleichstromnetz über dem Höchstspannungsnetz • Braucht politischen Willen der Regionen EU+ • Versorgt 1.1 Mia. Einwohner • Ziel: 15% Stromversorgung EU bis 2050 • Kosten 400 Mia. € Quelle: DESERTEC GE job title/24 24 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Die neuen Allianzen • Russische Föderation • China • Indien • Kasachstan Weltvorräte unter Kontrolle • Kyrgistan • 20% Erdöl • Tajikistan • 47% Erdgas • Usbekistan • 40% Kohle • Mongolei • 50% Uran • Pakistan • Afghanistan • 45% der Weltbevölkerung OCS • Iran Organization for Cooperation of Shanghai 25 GE job title/25 25 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Die Stromlücke – gibt‟s die noch? Stromproduktionskapazitäten in TWh ohne Neubauten Frankreich Jahresbilanz Deutschland Jahresbilanz 900 900 800 800 700 700 600 600 500 500 Bedarf hoch 400 400 300 300 Bedarf mittel 200 200 Bedarf tief 100 TWh 100 0 0 2005 Jahr 2050 2005 Jahr 2050 neue erneuerbare Energien Italien Jahresbilanz Österreich Jahresbilanz Kern 600 120 - Wasser 500 100 Fossil 400 80 300 60 200 40 100 20 0 0 2005 Jahr 2050 2005 Jahr 2050 GE job title/26 26 Jürg P. Schwerzmann - 2012
«Merkel schmeißt Röttgen aus dem Kabinett» 16.5.12 Deutschland 2010 Deutschland 2020 5% 1% 7% 1% 2% 8% 21% 20% 13% 5% 6% 14% 20% 1% 27% 23% 25% 1% Kernkraft Steinkohle Braunkohle Öl Erdgas Wasserkraft Quelle: Eurelectric, Wind Sonstige Erneuerbare Andere 2008 Wenn Deutschland bis 2023 aus der Kernenergie aussteigt, erhöht sich der Anteil der fossilen Kraftwerke von 59% auf 70%! GE job title/27 27 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Das klassische Kernenergieland Frankreich 2010 Frankreich 2020 1% 1% 1% 4% 2% 1% 13% 12% 6% 1% 8% 5% 3% 70% 72% Kernkraft Steinkohle Braunkohle Öl Erdgas Wasserkraft Wind Sonstige Erneuerbare Andere Quelle: Eurelectric, 2008 Der EPR 1600 soll weiter gebaut werden François Hollande GE job title/28 28 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Das klassische Stromimportland Italien 2010 Italien 2020 6% 2% 1% 8% 2% 15% 15% 3% 17% 6% 4% 15% 52% 54% Kernkraft Steinkohle Braunkohle Öl Erdgas Wasserkraft Wind Sonstige Erneuerbare Andere Quelle: Eurelectric, 2008 Kein Land hat heute noch so viele «CO2-Kraftwerke» wie Italien. GE job title/29 29 Jürg P. Schwerzmann - 2012
(vermutliches/mögliches) Szenario 2020 • «Rolling Blackouts» sind in Europa eine regelmässige Erscheinung • Die Versorger schieben die Probleme «nach den Zähler» • Die Bandbreite für Energiekontrakte ist sehr eng • Die Kosten für Spitzenstrom haben sich vervielfacht • Subventionen versiegen – Windkraft- und Solarruinen verschandeln die Landschaft • Kongruenz erneuerbare Energien ist zwingend: - Zeit der Produktion kompatibel mit Zeit der Nutzung EDF bittet Schweizer Partner zur Kasse Finanz & Wirtschaft, 2. 2. 2011 GE job title/30 30 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Die Hoffnungsträger Smart Grid und Smart Metering Quelle: EU SmartGrids „Energy storage key to manage grids“ MIT / b-TEC, Barcelona 2006 GE job title/31 31 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Woran gearbeitet wird „Unpredictable“ Renewable Energy Bridge the Gap 99.9% 99.99999% „Adaptive“ (8 hours/yr downtime) (1 second/yr downtime) PQS Challenge Black UPS is „Classic“ Grid Balance Box the hub UPS & Battery Peak Load “Power in power Application Utility Power Quality quality „„Digital World„„ Local System” Energy Deregulation, Shortage, Depending on availability and Limited Infrastructure reliability of electrical energy Storage = Unreliable & Cost up System Grid balancing reserves GE job title/32 32 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Mission critical – Spitzenlastenergie Natrium-Nickelchlorid Nickel-Metall-Hybrid Nickel-Cadmium Bleibatterie Lithium-Ionen (Zebra-Batterie) (NiMH) (NiCd) Kurzzeitspeicher/ Kurzzeitspeicher/ Kurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher Energiespeicher Energiespeicher kleine Anlagen im kW - Bereich 1 kW - 2 MW 1 kW - 2 MW 1 kW - 2 MW 1 kW - 10 MW bis hin zu 17MW in Berlin 100 - 200 €/ kWh 500 €/kWh 400 - 500 €/ kWh 400 -500 €/ kWh 800 €/ kWh (250 - 460 €/ kW) Quelle: M+W GROUP GE job title/33 33 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Mission critical – Regelenergie Pumpspeicher- Druckluftspeicher- Narium-Schwefel Vanadium Redox-Flow kraftwerk kraftwerk (NaS) (VRB) Energiespeicher Energiespeicher Energiespeicher Energiespeicher 20 MW - 2 GW 10 - 100 MW 1 MW - 50 MW 1MW - 100 MW (skalierbar) Bereitstellung von Bereitstellung von Regellesitung Regellesitung Fluktuation Fluktuation Erneuerbare Energien Erneuerbare Energien Ausgleich von Tages- Ausgleich von Tages- und und Spitzenlasten Spitzenlasten ca. 600 €/ kWh (bei 6h 600 - 3.000 €/kW 600 - 1.000 €/kW ca. 600 €/ kWh Energiespeicher --> (10 - 40 €/kWh) (300 €/kWh) (Info NGK) Prudent Energy) Quelle: M+W GROUP GE job title/34 34 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Energiespeicher im Überblick Li Ion Cell Silver-Zinc $270 / kWh $550 / kWh Li Ion battery $850-5000 / kWh Nickel-Zinc $250 / kWh Nickel Metal Hydride $600 / kWh Sodium-Nickel Chloride (Zebra Battery System) $700 / kWh Nickel-Cadmium $400 / kWh Lead Acid $150 / kWh Supercaps ($2000 / kWh) Quelle: EPRI GE job title/35 35 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Der ideale Energiespeicher • Hohe Leistungsdichte (kW/kWh/L/kg) • Einfache Installation, minimale Umwelteinflüsse • Modularität / Applikations-Flexibilität: KW - MW • Systemkosten pro KWh “verfügbar”: < 100 € • Kurze Ladezeit < 30 Minuten • Flexible Entladungszeiten > 8 Std • Hohe Zyklen Fähigkeit > 10’000 Zyklen • Hohe Lebenserwartung > 10 Jahre “EPRI claimed that energy storage was one of top three interests conveyed to them by the utilities, the others were CO2 capture and asset utilization” EPRI Workshop 2006 GE job title/36 36 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Auf dem Weg zur Lösung? Nickel- Nickel- Cobalt LFP Nano Lead-Acid Cadmium MH Graphite Graphite Green™ Cycle Life 400 500 500 >500 1,200 15,000+* Battery Life (Yrs) 1 2 2 2 3 15+ Safety Good Good Good Poor Good High Environmental Poor Fail Fair Good Good High Low Temp Charge Poor Poor Poor Fail Fail High High Temp Charge Poor Poor Poor Average Average High Charge Time 8 Hrs 1.5 Hrs 4 Hrs 2-4 Hrs .5-1 Hrs
Kommt die LiPEC? Lithium produzierende Länder In % Weltproduktion Chile 41 Argentinien 24,4 China 12,7 USA 12,2 14. September 1960 Total 90,3 Zwischen Ländern gibt es keine Freundschaft, aber gelegentlich gemeinsame Interessen Tito Tettamanti, Financier GE job title/38 38 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Was wir heute haben „Unpredictable“ Renewable Energy Bridge the Gap 99.9% 99.99999% „Adaptive“ (8 hours/yr downtime) (1 second/yr downtime) PQS Challenge Black UPS is „Classic“ Grid Balance Box the hub UPS & Battery Peak Load “Power in power Application Utility Power Quality quality „„Digital World„„ Local System” Energy Deregulation, Shortage, Depending on availability and Limited Infrastructure reliability of electrical energy Storage = Unreliable & Cost up System Grid balancing reserves GE job title/39 39 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Leistungskriterien einer USV Qualität der Ausgangsleistung “Sauberer” Eingang Wirkungsgrad GenSet- freundlich GE job title/40 40 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Qualität der Ausgangsleistung Multi-Betriebsart-USV mit hochentwickelten Regelungsalgorithmen sluggish Applikation “Imaging” GE SG-Series kann auf 1/2 bis 1/3 einer USV mit PWM dimensioniert werden. stiff *Six Sigma Projekt GE Healthcare (CT): Reduktion von 70% Ersatzteile 75% Zeitaufwand, ROI 1,6 Jahre GE job title/41 41 Jürg P. Schwerzmann - 2012
USV Wirkungsgrad – jeder kocht mit Wasser! Bypass ~ / ~ Verluste infolge AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Trafos, Drosseln, etc.) Last ~ / = = / ~ GR WR Batterie Einfluss des USV Wirkungsgrades GR (AC-DC) Verluste 1.7% - 3.0% WR (DC-AC) Verluste 2.0% - 3.5% Betriebskosten (Energie/Kühlkosten) Lüftung, Regelung etc. 0.7 %- 1.0% Installationskosten (Kühlsysteme) TOTAL Verluste: 4.4% - 7.5% Beispiel (Energiekosten): 1 MVA Last +1% Wirkungsgrad Erhöhung heisst: 13’000 CHF / Jahr (CH: 1kWh=0.15CHF) GE job title/42 42 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Möglichkeiten zur Wirkungsgrad Optimierung -Reduzierung der Verluste durch verbesserte Technologie AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Tafos, Drosseln etc.) -Änderung der Betriebsart auf Hocheffizienzbetrieb, durch Umgehung von GR und WR Bypass Beispiel: GE eBoost ~/~ • Lastversorgung via Statischen Bypass • Extrem schnellen Umschaltung von Bypass auf Doppelwandlerbetrieb innert ~/= =/~ Last (typisch) 2ms GR WR Batterie Multi-Betriebsart-USV mit neuen Regelungsalgorithmen GE job title/43 43 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Kreative Verbesserung des Wirkungsgrades Verteilerschrank 3-poliger UPS Schalter automatischer Bypass Gleichrichter Wechselrichter + x x _ x L1-L2-L3 Batterie N N PE PE Klare Definition wie der Mittels «adaptiver» Software kann der Wirkungsgrad gemessen wird: Energieverbrauch während der Batterie muss getrennt sein! Messung ggf. gesteuert werden GE job title/44 44 Jürg P. Schwerzmann - 2012
European Code of Conduct (CoC) Draft for 2011- 2012 CODE of CONDUCT on Energy Efficiency and Quality of AC Uninterruptible Power Systems (UPS) GE job title/45 45 Jürg P. Schwerzmann - 2012
GE Hocheffizienz Betriebsart: eBoostTM • Erweitert ein Doppelwandler USV System in ein multi-Betriebsart-USV System. • Garantiert ultraschnelle Umschaltzeiten zwischen WR und Bypass, typisch 2ms • Verfügt über einen Bypass-Eingangsfilter Ausgangspannung Bypass ~/~ ~/= =/~ Output Rectifier Inverter WR Strom Battery Bis zu 99% Wirkungsgrad im eBoost Betrieb GE job title/46 46 Jürg P. Schwerzmann - 2012
eBoost™ Fehler Erkennung Konstante Überwachung der Sinuswelle am Ausgang +/-50VSpannungstoleranznce Umschaltung auf WR infolge: Unter/Überspannung RMS Frequenz ausserhalb der Toleranz Verzerrung der Wellenform (Fehler Erkennung) Fehler erkannt Umschaltung auf Bypass Betrieb sobald die Bypass Spannung wieder Umschaltung auf WR eingeleitet innerhalb der Toleranzen liegt nach typisch 500 Mikrosendunden GE job title/47 47 Jürg P. Schwerzmann - 2012
eBoost ™ vs ITI/CBEMA Kurve • ITI CBEMA Kurve – Definiert Spannungs Störfestigkeit von IT Verbotene Zone Geräten in Bezug auf Spannungstoleranz vs. Zeit Spannung • Verbotene Zone– Vorfälle in dieser Unterbruchsfreie Ueberspannungszone können Funktionszone Schäden an IT Geräten verursachen • Schadenfreie Zone – Vorfälle in dieser Unterspannungszone können IT Geräte abschalten jedoch ohne Schadenfreie Zone Schadenfolge • Ride Through – Spannungslos (keine Versorgung) bis zu 20 ms ist erlaubt gem. ITI CBEMA) Kurve Zeit ITI/CBEMA Grenzen eBoost Grenzen USV Doppelwandler Grenzen GE job title/48 48 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Voraussetzungen für den USV Hocheffizienzbetrieb • Einsatz unter sachdienlichen Konditionen (genügende Qualität der Netzversorgung, keine Risikofaktoren, etc.) • Verstehen, welche Spannungsqualität bei Hocheffizienzbetrieb eingehalten wird • Kennen der dynamischen Spannungstoleranzen /Eigenschaften der angeschlossenen Verbraucher ( z.B. IT Anlagen: ITI/CBEMA Kurve) • Wissen, wie sich die USV beim Einsatz im Hocheffizienzbetrieb verhält (verhindern von Batterieentladungen, verhindern von exzessivem Hin und Herschalten von Schützen/Schaltern, etc.) Es bleibt ein Kompromiss zwischen Qualität, Sicherheit und Wirkungsgrad GE job title/49 49 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Die Herausforderung: Grün und Sicher Mission critical: Redundanz ist ein Muss! Redundanz bedeutet, das ein Teilelement ausfallen kann, das System aber immer noch funktionsfähig ist GE job title/50 50 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Modulare USV – wie viel macht Sinn? 20 kVA Red. 100 kVA Red. 220 kVA Red. 40 kVA Leistung 120 kVA Leistung 240 kVA Leistung Die kleinstmögliche Anzahl redundanter Komponenten ergibt die höchste Verfügbarkeit! Verfügbarkeit (80 kVA redundant N+1) 2x 80 kVA > 5x 20 kVA GE job title/51 51 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Was wir in Zukunft einsetzen werden „Unpredictable“ Renewable Energy Bridge the Gap 99.9% 99.99999% „Adaptive“ (8 hours/yr downtime) (1 second/yr downtime) PQS Challenge Black UPS is „Classic“ Grid Balance Box the hub UPS & Battery Peak Load “Power in power Application Utility Power Quality quality „„Digital World„„ Local System” Energy Deregulation, Shortage, Depending on availability and Limited Infrastructure reliability of electrical energy Storage = Unreliable & Cost up System Grid balancing reserves GE job title/52 52 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Blick in die Zukunft: Multifunktionales PQS €/kWh-in Ziel 1 PQS Niedertarif €/kWh-out NETZ GR WR LAST Smart Grid Hochtarif €/kWh Ziel 3 Ziel 2 t ESS €/kWh-out = [€/kWh-in-L/RTeff] + [ESS price/(deliverable energy·cycles)] Ziel 1: Klassischer USV-Nutzen (Qualität und Verfügbarkeit) Ziel 2: Verhinderung/Reduktion von Spitzenlast (Netzbelastung & Kosten) Ziel 3: Netzunterstützung - Integration in SMART GRID GE job title/53 53 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Schlussfolgerungen • Regulierungswut wird weiter zunehmen • Der Kampf um Energierohstoffe wird härter • Die (gegenseitige) Abhängigkeit wird höher • Die Politik laviert zwischen «Wählerstimmen» und «Logik» Das heisst: • Die Projektplanung muss komplexere Szenarien berücksichtigen • Unabhängigkeit und Flexibilität ist ebenso wichtig wie Verfügbarkeit • Der Lieferant / Partner muss über umfassende Kompetenzen, Produkte, Dienstleistungen und Strukturen verfügen. • Der Planungshorizont soll dem Projekt angepasst sein GE job title/54 54 Jürg P. Schwerzmann - 2012
… und noch zu berücksichtigen Der IT-Leiter ist hauptverantwortlich: Systemverfügbarkeit Störungsfreier Betrieb Verpflichtet, die Geschäftsleitung auf Sicherheitsrisiken hinzuweisen Bei Unterlassung der Hinweispflicht kann der IT-Leiter für den daraus entstandenen Schaden haftbar gemacht werden. (BGB § 611; KonTrag) GE job title/55 55 Jürg P. Schwerzmann - 2012
Es geht uns alle an Transport und Verteilung der Ressourcen sind das größte Problem. Weltenergiekongress in Rom Besten Dank! 56 GE job title/56 56 Jürg P. Schwerzmann - 2012
GE job title/57 57 Jürg P. Schwerzmann - 2012
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