ETG Energietechnische Gesellschaft im VDE

1Energiewerk Stiftung, München, 19.10.2009

ETGEnergietechnische Gesellschaft im VDE


ETGEnergietechnische Gesellschaft im VDE

Smart Grids

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröppel


Inhalt

1. Herausforderung: Senkung des Primärenergie-verbrauchs

2. Integration von Erzeugung und Verbrauch

3. Virtuelle Kraftwerke

4. Lastmanagement

5. Perspektive: Smart Grid


Innerhalb von 10 Jahren ist:

der Rohölpreis um über 21 (32)% pro Jahr(!)gestiegen,

die Teuerungsrate in Deutschland aber nur um 1,5%/a.

0

20

40

60

80

100

120

140

160Entwicklung des Rohölpreis in $/Barrel

Ölpreis

Am 16.10.09 wurde der Ölpreis an der New Yorker Börse mit 77,33 $/Barrel gehandelt nach einem historischen Hoch im Juli 2008 von über 135 $/Barrel.


Über 60% der eingesetzten Primärenergie gehen „verloren“durch Verluste und Eigenver-brauch

Davon jeweils die Hälfte- im Umwandlungsbereich- im Verbrauchersektor

Die Industrie verbraucht 17,3% der eingesetzten Primärenergie

Quelle: BWK Bd. 58 (2006) Nr.1/2

Energiebilanz 2005 in Deutschalnd


Beste Schätzung für das

niedrige Szen-ario (B1 ) ist 1.8°C (wahrscheinlicher Bereich ist 1.1°C to 2.9°C),

und für das hohe Szenario (A1F1) 4.0°C(wahrscheinlicherBereich ist 2.4°C to 6.4°C).

Szenarien für die Entwicklung der Erdoberflächentem peratur

A1F1 fossil intensiveB1 clean and resource efficient technologies

Quelle: IPCC Intergouvernmental Panel on Climate Change der UN


Entwicklung des Stromverbrauch in der Vergangenheit

Quelle: BWK 57 (2007) Nr.5

0

100

200

300

400

500

600

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Endenergieverbrauch in Deutschland (Strom) in TWh

0,86 %/a

0,67 %/a


Stromverbrauchsentwicklung in Deutschland in Zukunf t (2 Varianten)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Stromverbrauchsprognose bis 2015 resp. 2025 in TWh(F3+F6a)

IST

heutiger Trend

"Prognose 1"

"Prognose 2"

Quelle: VDE Studie: Effizienz- und Einsparpotenziale elektrischer Energie in Deutschland, 2008


Inhalt




4. Lastmanagement



Wärmepumpe

Bidirektionaler Strom-fluss möglich!

Fluktuierende Einspeisung

KühlschrankElektroauto

Die Integration von Erzeugung und Verbrauch verlang t einen Gesamtansatz ��Smart Grids

Es muss zu jeder Zeit gelten:Erzeugung = Verbrauch !

Antriebe

Konstante Einspeisung Energiehandel


Beispiel:Dänemark – Paradigmenwechsel von 1985 - 2005

Quelle: A*STAR Energy Technology R&D Program, Prof Ho Hiang Kwee Program Director, 31.8.2007


Inhalt




4. Lastmanagement



Virtuelles Kraftwerk

Flexible Loads

“Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Cluster von verteilten Erzeugungseinheiten (wie z.B. kleine Blockheizkraft-werke, Mikroturbinen, kleine Wasserkraftwerke, Brennstoffzellen, u.a), welche gesteuert durch eine zentrale Steuereinheit im Verbund zusammen-arbeiten.

Source: Wikipedia

Block-typeHeating Power

Plant

Biomass Power Plant

Fuel Cells

Wind PowerPlants

Decentralized EnergyManagement System

Distributed SmallFuel Cells

Network ControlSystem

MeteorologicalService

EnergyExchange

Mod.

Z

Mod.

ZMod.

Z

Meter Reading

Distributed Loads

Mod.

Z

Mod.

Z

Mod.

Z

PV PowerPlants

G

G

CommunicationNetwork

DataConcentrator

Billing


Herausforderung

Die rote Fläche liefern die 20.000 Windkraftwerke die über ganz Deutschland verteilt, die grüne Fläche muss durch andere Erzeuger beigesteuert werden.


Inhalt




4. Lastmanagement



Kommunikation heute und in Zukunft

ÜN ÜbertragungsnetzVN Verteilnetz US UnterstationLS LeitstelleVKW virtuelles Kraftwerk

~~

~~

~

ÜN LS

~

~

heute morgen

~

~

VN LS

US LS

VKW LS

1. Einheitliche Kommunikation auf allen Ebenen

2. Kommunikation geht bis in das Verteilnetz und bis zum Kunden

► Die erweiterte Kommunikation Ist Voraussetzung für virtuelle Kraftwerke und Smart Grids


Marktteilnahme des Stromkunden

� Der Stromkunde wird über intelligente Zähler mittel s dynamischer Tarife (Smart Metering) in den Strommarkt eingebunden und bekommt ein Interesse, Lasten in die Zeit mit niedrigem Tarif z u verlagern.


Smart Metering ist Voraussetzung für die Marktteilnahme des Stromkunden

ErfassungDynamische Tarife

MarktAbrechnung

HausautomatisierungGeräte


Inhalt




4. Lastmanagement



Dezentrale Energieversorgung und was bedeutet sie?

Erzeugung vorrangig verbrauchernahSteuerbare und nicht steuerbare Erzeugungssysteme, mit und ohne erneuerbare EnergienNutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zur Effizienzsteigerung Wärmenutzung direkt oder indirekt über NahwärmenetzeElektrische Anbindung über das Nieder- oder Mittelspannungsnetz (bis zur 30-kV-Ebene)

MSNS

x xx xx

G G

MSNS

x xx xx

G GG

GG

G

G

G G

BHKWG


Optimierung der Bedarfsstruktur durch Bündelung der Nachfrage

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0:00 3:00 6:00 9:0012:0015:0018:0021:000:00 Uhrzeit0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0:00 3:00 6:00 9:000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0:00 3:00 6:00 9:000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

The

rmis

che

Leis

tung

in

Wat

t0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0:00 3:00 6:00 9:00

Ele

ktris

che

Leis

tung

in W

att

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Elektrische Leistung Thermische Leistung

0

2

4

6

8

10

12

1 2 5 10 100Anzahl der Haushalte

El.

Leis

tung

in k

W/H

H

Lastganglinie eines Haushalts Lastsenkung durch Nachfragebündlung

Durch Zusammenschaltung von mehreren Verbrauchern entsteht eineVergleichmäßigung des Energiebedarfs und Verringerung des Leistungs-bedarfs.Durch Kombination mit Büros und Gewerbe weitere Optimierung möglich!


Verbrennungsmaschine⇒ Gesamtwirkungsgrad:

Benzin: 18%,Diesel: 22%

Elektromaschine⇒ Gesamtwirkungsgrad: 38%

0 20 40 60Effizienz in %

+ 20%

Benzin-auto (18%)

Elektroauto(38%)

Gasturbinenkraftwerk (58%)

Verbrennungsmotor vs. Elektromotor

Übertragungsverluste: 4%

Batterieverluste (Li-Ionen): 14%

Verluste des Antriebs: 20%

Verbesserung der Effizienz:Beispiel: Elektroauto


Gastherme⇒ Gesamteffizienz: 100%

Strom getriebene Wärmepumpe⇒ Gesamteffizienz: 193%

0 50 100 150 200%

Effizienz

Gastherme(100%)

Strom getriebene Wärmepumpe mit einem Wirkfaktor 3.5 (193%)

GT-Kraftwerk (58%)

Übertragungsverluste: 4%

+ 93%

Verbesserung der Effizienz:Beispiel : Wärmepumpe

Beispiel einer kommerziellen WärmepumpeEffizienzvergleich


Aufbau eines Gesamtsystems = zentral + dezentral !

ZentralTraditionelle Kraftwerke, Offshore-Windenergie, Speicherkraftwerke,ÜbertragungsnetzVerteilungsnetz

DezentralDezentrale ErzeugungssystemeMicrogridsSteuerbare Verbraucher

Beiträge der dezentralen Erzeugung für das GesamtsystemLieferung von Regelleistung durch virtuelle Kraftwerke Beteiligung an der Netzregelung zum Ausgleich dargebotsabhängiger Erzeuger (z.B. WKA)Lastgangoptimierung durch Beeinflussung des Verbraucherverhaltens über DMSVerstärkte Nutzung regenerativer Energie, z. B. Biomasse

Zukünftige Versorgungssysteme werden eine Mischung aus zentraler und dezentraler Erzeugung sein:


The Smart Grid Landscape

SmartGeneration

Smart Grid

OffshoreWindkraftanlagen

Fernsolar-erzeugung

Verteilte Erzeuger

HGÜ &FACTS

Unterstations-automatisierung,

Schutz

Zustand-überwachung

Verteilnetz-automatisierung

SmartMeters

Industrie & Gewerbe

Haushalte

Elektroauto

Übertragungsnetz Verteilnetz

Schutz der Systemintegrität

Übertragungsnetz-automatisierungs-

System

AssetManagement

Verteilnetz-automatisierungs-

System

Zähler DatenManagement

SmartConsumption

Elektroauto

� Zählerablesung� Call Center� SCM� ...

Quelle: Siemens AG

Smart Grid = intelligente, umfassende Steuerung des Gesamtsystems durch eine Vielzahl von Funktionen


Vision zukünftiger Energienetze

Erzeugung

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CCA

CC

CC

CC

CC

CC CC

CC

CC

CC

CC

CC

CCCACA

CA =CA = Cell Agent

Virtuelles Kraftwerk

Speicher

Cell

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CCA

CC

CC

CC

CC

CC CC

CC

CC

CC

CC

CC

CCCACA

GG

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CCA

CC

CC

CC

CC

CC CC

CC

CC

CC

CC

CC

CCCACA

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CCA

CC

CC

CC

CC

CC CC

CC

CC

CC

CC

CC

CCCACA

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CCA

CC

CC

CC

CC

CC CC

CC

CC

CC

CC

CC

CCCACA

GG

GG

CA

GGGG

AC/DC Autobahnen

GG

DCAC

GG + =SS CC+ SLLast

Quelle: Siemens AG

Micro Grid Smart Grid Super Grid


Zusammenfassung

Strom wird immer mehr zur Energieform der Wahl.

Die verschiedenen Erneuerbaren Energien müssen über die elektrischen Netze effizient und intelligent integriert werden.

Dabei müssen Erzeugung, Verteilung und Verbrauch der elektrischen Energie in der Zukunft wesentlich enger zusammenwirken als in der Vergangenheit.

Das Bindeglied ist das „intelligente Netz = intelligente Steuerung“

Die Geschwindigkeit der Implementierung von Smart Grids kanndurch Anreize beschleunigt werden.

Die Regulierung muss dazu den Investoren aber auch die notwendigen Spielräume lassen.

Documents

ETG Energietechnische Gesellschaft im VDE