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"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

"Anforderungen an einen sicheren Betrieb des Elektroenergiesystems infolge der Energiewende" Darstellung des Stromversorgungssystems früher / heute /morgen

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"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

www.Neldnerconsult.eu

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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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3November 2014 www.NeldnerConsult.eu

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:

November 2014

Infrastruktur-System EVS

Netzbereich (reguliert)

Normalbetrieb

Stress-Betrieb (Frühwarnung)

Stör-Betrieb (Alarm)

Teil-/Totalausfall (Notfall)

Wiederaufbau (Schwarzstart)

Markt

Restriktion

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November 2014

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)%

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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,…

)

www.NeldnerConsult.eu

RZ im Verbund oder Insel ?,

RZ-Verantwortung

PV

Wind

Windoffshore

Regionale (Last-)

Aspekte,RZ-Mit-verant-

wortung

Seite 6November 2014

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www.NeldnerConsult.eu 7

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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www.NeldnerConsult.eu 8

Eine wesentliche Kenngröße für alle Betriebsphasen: Der „elektrische Fahrplan“

Elektrischer Fahrplan:

November 2014

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

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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)

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Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - die Zeit ab 2000 -

November 2014 www.NeldnerConsult.eu 10

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.)

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Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - in wenigen Jahrzehnten -

November 2014 www.NeldnerConsult.eu 11

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)

???

=

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Für RZ 50Hertz

Für Gesamtdeutschland

Die fünf Herausforderungen für die Systemstabilität bei der Leistungsbilanz

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Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB

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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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www.NeldnerConsult.eu 15November 2014

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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www.NeldnerConsult.eu 16

……..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)

November 2014

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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

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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

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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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www.NeldnerConsult.eu 23November 2014

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

November 2014

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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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