"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. NeldnerNeldnerConsult, System und Elektrizitätsnetzberatung, Berlin, Germany
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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
November 2014
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Die Elektrizitätssysteme sind nicht nur in technisch-technologischer Hinsicht sehr komplex
€ oder €
§§
der Mensch die Regulierung
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Alle Betriebszustände tragen zur Funktionalitätdes EVS oder dessen Wiederherstellung bei:
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Infrastruktur-System EVS
Netzbereich (reguliert)
Normalbetrieb
Stress-Betrieb (Frühwarnung)
Stör-Betrieb (Alarm)
Teil-/Totalausfall (Notfall)
Wiederaufbau (Schwarzstart)
Markt
Restriktion
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Ein vereinfachtes Schema desdeutschen EVS
SOS-Kriterien(EnWG §13): 1. Überall Spannung (0,4 – 380) kV2. Wirkleistungsbalance/ stabile Frequenz (50 Hz+/- 0,2)3. Keine Überlast im Netz(n-1)4. Systemschutzfähigkeit5. Sinusstabilität6. Inselbetriebsfähigkeit und Schwarzstartfähigkeit7. Erhalt des Stromverbundes in Europa und Deutschland
Min = 30 GW
Max = 80 GW
Elektrizitätssystem
Export/Import
max. 15 GW
!Speicher (Notfälle)
marktabhängig Fahrplan(BKM)TageszeitZeitgeist
KMU Industrie Haushalte
100%Fahrplan EE-Vorrang!
Min ?
EE-Erzeug.Konvent. Erzeuger
(0-95)%
Gesamtübersicht (Asymmetrie in der Statik, wesentliche und anhaltende Zunahme der Dynamik)
NS
MS
HS
HöS
P-N
etzs
chni
ttst
elle
(Hö,
Ho,
MS,
NS)
dP/d
t
(Ort
, Dau
er, K
oste
n,..)
dU/d
t
(Ort
, Dau
er, K
oste
n,…
)
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RZ im Verbund oder Insel ?,
RZ-Verantwortung
PV
Wind
Windoffshore
Regionale (Last-)
Aspekte,RZ-Mit-verant-
wortung
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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:
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t(h)
P(MW)
13.3013.00 13.15
W = ∑ (P (i) x t(i) )
Energie= Leistung mal Zeit, also ein durchschnittlicher Energiewert ist leider kein durchschnittlicher Leistungswert !!, bzw. :
Leistung gleich Null heißt, es ist dunkel!- trotz durchschnittlicher Energiebereitstellung
Befriedigung der Nachfrage/N durch Erzeugung/E - die Zeit bis 2000 -
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Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
1 Jahr
80
60
40
20
Wel E
80
60
40
20
Wel N
1 Jahr
Pel NPel E
=
Z (h)
Z (h)
Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - die Zeit ab 2000 -
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Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
1 Jahr
80
60
40
20
Pel E = Pkonv. + PEE + Preser.
80
60
40
20
Wel N
1 Jahr
Pel NPel E
=
Z (h)
Z (h)
PR
PEE
P(konv.)
Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - in wenigen Jahrzehnten -
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Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h
1 Jahr
200
100
20
Wel N = Wel E(PV) , aber Strom nur tagsüber und nur bei Sonne- also rein rechnerisch!!
80
60
40
20
Wel N
1 Jahr
Pel N
Pel PV
Z (h)
Z (h)
???
=
12
Für RZ 50Hertz
Für Gesamtdeutschland
Die fünf Herausforderungen für die Systemstabilität bei der Leistungsbilanz
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Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB
13November 2014
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/
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“
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www.NeldnerConsult.eu 14November 2014
Sommer 2013- Praktisch anhaltend kein Wind und – sonnensystembasiert – nur am Tage Sonne !!
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
KW 28 KW 29
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Entwicklung der Windkraft in Deutschland – eineausgeprägte Nord-Süd-Asymmetrie (2012, in GW)
2012 gesamt
SH + 0,3 3,5
NI + 0,4 7,3
HH 0 0,05
2012 gesamt
MV + 0,3 2,0
BB + 0,2 4,8
B 0 0
ST +0,2 3,8
2012 gesamt
NW + 0,1 3,1
RP + 0,3 1,9
HE +0,1 0,8
SL 0,03 0,1
2012 gesamt
SN + 0,03 1,0
TH 0,1 0,9
2012 gesamt
BW +0,02 0,5
BY +0,2 0,8
(+)
(-)
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……..und was bedeutet das für die Netzkapazität und die Systemdienstleistungen ???
Last
konvent. Erzeugung
Reserveleistung (z.B. PSW, Gas)
Netzkapazität Infolge: a) Vorrang, b) energetischer Ausbeute bei 5-20% der EE-KWsinkt: die Auslastung der konvent.KW und steigt: massiv die geforderte Netz-und Reserve- KW-kapazität, die derzeitige Regelleistung reicht dafür keinesfalls !!
1 Jahr
PE
PR
PEE
EE-Kraftwerke (Vorrang)
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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.)
Erstes Zwischenfazit
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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 November 2014
19November 2014
? sicher„System-stabilisatoren“
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
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Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum Systemstabilisator
Der Systemstabilisator- die 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 Normierungs-
grundlage, 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) PumpspeicherwerkeNovember 2014 www.NeldnerConsult.eu 20
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Pumpspeicherwerke (PSW)- als bipolare Systemstabilisatoren, extrem schnell und zuverlässig bei der Systemsicherung, Quelle: Gutachten Neldnerconsult zu PSW
November 2014
PSW sind einsetzbar beia) der Erzeugung elektrischer Leistung (Generatorbetrieb)b) dem Verbrauch elektrischer Leistung (Pumpbetrieb)c) der Speicherung von Elektrizitätd) der Spannungsregelunge) dem „Schwarzstart“(ohne Fremdenergie) u.a. Dienstleistungen
1 – Unterbecken2 – Oberbecken Pumpen und Generatoren sind im Berg (Kaverne)
1
2
Quelle: Dow Jones, Energy Weekly, Nr. 15, Freitag, 13. April 2012.
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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.
Zweites Zwischenfazit
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Einige wichtige Maßnahmen (kurz- und langfristig)
?Erhalt gesicherter
konvent. KW (Kohle)
Ausbau Offshore
Leitungsbau - sofort!
Training mit operativem Personal!!!
Notfallpläne und AHK
USV + Treibstoff +
Kommunikationneues Energie-
sicherungs-gesetz (EnSiG)
Internationale Leitungen, verstärken, neue bauen
Speicher-vorhandene
nutzen, neue bauen
Anreize für Laststeuerung
zu- und abschaltbare
Leistung
Info - offensive pro stabiles
Strom-System
„System-stabilisatoren“-
sofort
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Exkurs: Nachhaltiger Erfolg nur durch funktionierende Technik und trainiertes Personal
Das Wunder vom Hudson:Glück allein reicht nicht!
Air-France-Absturz: Nur ein Pilotenfehler?
November 2014
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!
Quelle: www.bild.de
Die Instrumente des Airbus zeigten falsche Daten an, die hilflosen Piloten waren schlecht ausgebildet […].
Quelle: www.merkur-online.de
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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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