Versorgungssicherheit und Netzführung - tfd.uni-hannover.de · SSM/NSM gehören zum Tagesgeschäft HS MS NS NS Übertragungsnetz Verteilnetz Transformator Kraftwerk Ortsnetz 28.05.2014Kraftwerke

Versorgungssicherheit und Netzführung

• Eigenheiten elektrischer Energienetze

• Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie

• Einfluss von Erneuerbaren Energien

• Anforderungen elektrischer Netze an Erzeugungseinheiten

Volker Weinreich, Leiter Schaltleitung Lehrte 28.05.2014

28.05.2014

Was ist ein Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)?

Ein Übertragungsnetzbetreiber ist verpflichtet ein "sicheres, zuverlässiges

und leistungsfähiges Energienetz diskriminierungsfrei zu betreiben, zu

warten und bedarfsgerecht zu optimieren, zu verstärken und auszubauen"

(EnWG, § 11).

Instandhaltung, Betrieb,

Planung und Ausbau

der Strominfrastruktur

Bereitstellung des

Netzzugangs für

Stromhändler und -lieferanten

Sicherung der

Systemstabilität

Bereitstellung von

Regelleistung zur Vorbeugung von

Stromengpässen

Betrieb der

Höchstspannungsebene

(220/380 KV)

Verantwortung

Engagement

Verbundenheit

Kraftwerke und Übertragungsnetze

28.05.2014

TenneT TSO GmbH (TTG)

Schaltleitung Lehrte | Control Centre Lehrte

Standorte der

Schaltleitungen TenneT

TSO GmbH

Lehrte und Dachau


Auf dem Weg zum europäischen Netz Verband europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

41 ÜNB aus

34 europäischen Ländern

525 Millionen Menschen

952 GW Erzeugungskapazität

3.323 TWh/a Last

436 TWh/a internationaler

Austausch

300.000 km Leitungen

(≥200kV)

4

□ ATSOI BALTSO NORDEL UCTE UKTSOA

Quelle: ENTSO-E Memo 2012, https://www.entsoe.eu/publications/general-publications/memo-entso-e-facts-figures/

Struktur der Energieversorgung

Strukturwandel „Erzeugung folgt Verbrauch“ zu „Transport und Verbrauch folgt Erzeugung“

5

Massiver Zuwachs regenerative Einspeisung

Betriebsführungsaufgaben verändern sich grundlegend

SSM/NSM gehören zum Tagesgeschäft

HS

MS

NS

NS

Übertragungsnetz

Verteilnetz

Transformator Kraftwerk

Ortsnetz

28.05.2014 Kraftwerke und Übertragungsnetze

Speichermöglichkeit der Stromnetze

Ein Stromnetz selbst kann keine Energie speichern. In Deutschland ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW (Gigawatt) installiert mit einer Gesamtspeicher-kapazität von etwa 40 GWh. Damit kann 10% der deutschen Last über 10 Stunden gedeckt werden. Auf der Erzeugungsseite ist es theoretisch und praktisch möglich, dass Wind und Sonne über 3 Wochen nahezu keinen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs leisten.


Revision

Störung

Probleme:

Frequenzschwankungen

Spannungshaltung

Idee: n-1 Sicherheit

Glühlampe

1880

28.05.2014

Verbrauchsnahe Energieerzeugung


http://www.musmanndirect.de/tankreinigung/media/tankbeschichtung/tankbeschichtung_kraftwerk.jpg




Verbundnetz

Das Verbundnetz ist ein „Transportnetz“ geworden

Probleme:

n-1 Sicherheit

Spannungshaltung

Frequenzhaltung

EEG Energiemarkt

Stromhandel und

EEG reduzieren

verbrauchsnahe

Erzeugung


9

t

PRL SRL MRL

5 min – 15 min 0,5 min

Systemsicherheit erfordert ausreichende Regelleistungsreserven um auf Bilanzungleichgewichte

reagieren zu können.

Prognoseabweichungen

treten auf bei:

- EEG Einspeisung

- Lastentwicklung

- Netzverlusten

- KW-Fahrplänen

Regelleistungsarten:

Wirkleistung und

Frequenz

Blindleistung

und

Spannung

28.05.2014

Einsatz von Regelleistung zu Sicherstellung

der Frequenz und Energiebilanz


Wann hat ein Energieungleichgewicht europäische

Dimensionen ?

10

• ±3000 MW PRL stabilisieren die Frequenz zwischen 49,8 und 50,2 Hz

• In Deutschland halten die ÜNB im NRV ca. ± 4000 MW SRL/MRL vor

28.05.2014

1500 MW - 2000MW

100 mHz


Netzlast, Wind- und PV-Einspeisung in der

Regelzone TTG zu Ostern

Netzlast

Windeinspeisung

PV-Einspeisung

11

5000

10000

0

28.02.2014



Risiko: Prognosefehler bei Last und reg.

Einspeisung

Der Prognosefehler ist proportional zur der installierten EE Leistung

14

Beispiel Photovoltaik

Einspeisung TenneT am

7. Oktober 2010

(installierte Leistung 7.100 MW)

Beispiel deutschlandweite

Windeinspeisung am

19. Oktober 2010

(installierte Leistung 26.300 MW)

0 MW

500 MW

1000 MW

1500 MW

2000 MW

2500 MW

3000 MW

3500 MW

07.10.10 00:00 07.10.10 03:00 07.10.10 06:00 07.10.10 09:00 07.10.10 12:00 07.10.10 15:00 07.10.10 18:00 07.10.10 21:00 08.10.10 00:00

PV-Ist-Hochrechnung

PV-Prognose

0 MW

2000 MW

4000 MW

6000 MW

8000 MW

10000 MW

12000 MW

14000 MW

16000 MW

18000 MW

18.10.10 00:00 18.10.10 12:00 19.10.10 00:00 19.10.10 12:00 20.10.10 00:00 20.10.10 12:00 21.10.10 00:00 21.10.10 12:00 22.10.10 00:00

Wind-Ist-Hochrechnung

Wind-Kurzfristprognose

2400 MW

2500 MW


28.05.2014

Erneuerbare Energien Gesetz I

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

Ins

tallie

rte

Ka

pa

zit

ät [M

W]

Biomasse, Wasserkraft Wind Solar

max. Last

80 GW

min. Last

35 GW

Erzeugung

140 GW

Prognostizierte Erzeugungsleistung

der Erneuerbaren Energien bis 2023

Wind- und Solareinspeisung in der

TenneT-Regelzone im Jahr 2013 (in MW)

Prognosegenauigkeit, Standort & Verfügbarkeit

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

Quelle: BMU nach Arbeitsgruppe

Neue Energien-Statistik (AGEE-Stat)

Quelle: TenneT


28.05.2014

Iq = U2/R2

IL = U2/RL

I = Iq + IL


Mögliches Ergebnis:

Einschränkung

Auktionierter Grenzen

Vorbereitung Redispatch,

Counter-Trading, Cross-

Border-Redispatch

Vorgaben an Kraftwerke

(Anfahrverbot,

Abschaltverbot)

Engpassmanagement (Prognosen, DACF,

Lastflussrechnungen) Physische Lastflüsse resultierend aus dem Energiemarkt und EEG

SLO 1.550

Faktisch: Innerdeutscher

Engpass


http://chrisdesign-blog.jalbum.net/Chrisdesign/Cliparts/slides/sonne.jpg

http://blog.beraten-und-umsetzen.de/wp-content/uploads/2009/08/unternehmer_als_engpass1-300x300.jpg








Winter working day 2012/13: high wind energy feed-In Physical flows after all remedial actions

1.88 0

.59

0.3

0

BE

-0.5

DE

8.1

NL

0.6

0.2

FR

-1.2

PL

-0.6

CZ

0.9

AT

-3.2 CH

2.6 0.2

UK

NO

DKW DKE

SE

Exchange in GW

Balance in GW 1.0

1.91

Even after extensive countermeasures

within Germany, there continue to be

very high cross-border load flows

Realised redispatch GW

Internal energy sales for

security reasons 2,0

Preventive redispatch 3,0

Local wind turbine

reduction 1,4

Conventional redispatch 1,2

Redispatch with reserve PP 2,5

Total 10,1


Onshore (EEG Gesamt):

SH: aktuell: 3.800 MW

2015: 9.000 MW

NwNds* aktuell: 4.600 MW

2015: 8.350 MW

Offshore:

SH: aktuell: 0 MW

2015: 2.400 MW

NwNds* aktuell: 460 MW

2015: ca. 5.000 MW

Summe (Nordbereich TenneT)

aktuell ca. 10 GW

2015/17 ca. 20 GW ???

* NwNds (Nordwestliches Niedersachsen) umfasst Oldenburg und Stade

28.02.2014

Entwicklung der On- und Offshore-Einspeisung

aus EEG bis 2015

Veränderte Erzeugungslandschaft I

2011:

Biblis A 1.167 MW Neckarwestheim 1 785 MW

Unterweser 1.345 MW Isar 1 878 MW

Philippsburg 1 890 MW Brunsbüttel 771 MW

Biblis B 1.240 MW Krümmel 1.346 MW

2015: Grafenrheinfeld 1.275 MW

2017: Gundremmingen B 1.284 MW

2019: Philipsburg 2 1.392 MW

2021: Brokdorf 1.410 MW

Gundremmingen C 1.288 MW

Grohnde 1.360 MW

2022: Isar 2 1.400 MW

Neckarwestheim 2 1.310 MW

Emsland 1.329 MW

vor 2011

20.470 MW 12.048 MW

2011

10.773 MW 9.489 MW 8.097 MW 4.039 MW - 20.470 MW

2015 2017 2019 2021 2022

Nettoleistung Kernenergie

Etappen des Atomausstiegs bis 2022

Ingolstadt (772MW)

Irsching (2227MW)

Zolling (449MW)


DK

CH

50HzT

EnBW

TNG

NL

F

A

CZ

B

L TenneT

PL

Amprion

Transportbedarf 2020: > 20.000 MW

dena I und Netzertüchtigungen: 10.800 MW

dena II: weitere 9.600 MW

28.02.2014

Worum es geht: Netzstabilität, Markt und

Wettbewerb

28.02.2014

Preiszonen in Nordeuropa, 02.02.2012 09:45 Uhr

Absinkende Benutzungsdauern konv. KW

durch EEG

Nachfrage

Angebot

MW

-150 €/MWh 30 €/MWh

15.000

90.000

30.000

35.000

Börsenpreis

Steigende EE Leistung drängt konventionelle Kraftwerke aus dem Markt

Kern, Braun, Stein, Gas, Öl


28.05.2014

Energy Only Markt (EOM)

Durch sinkende Preise

am Markt lassen sich derzeit

keine ausreichenden Deckungs-

beiträge erwirtschaften

Hiervon sind auch mittel- und

langfristige lnvestitions-

entscheidungen für den Zubau

von Kraftwerkskapazitäten

betroffen

Da ein Teil der Marktteilnehmer keine Regelleistung bereitstellen muss,

nimmt die Volatilität und Kurzfristigkeit des EOM zu und konventionelle

Kraftwerke werden defizitär.

20

30

40

50

60

70

80

2008-1

2-2

9

2009-0

5-2

6

2009-1

0-1

4

2010-0

3-0

5

2010-0

7-2

7

2010-1

2-1

4

2011-0

5-0

5

2011-0

9-2

2

2012-0

2-1

3

2012-0

7-0

9

2012-1

1-2

7

2013-0

4-2

5

2013-0

9-1

7

Sett

lem

en

t P

rice [

€/M

Wh

]

Phelix Baseload Year Futures - Cal-15

Quelle: EEX


Veränderte Erzeugungslandschaft II Zubau konventioneller Kraftwerke im TenneT Gebiet*

2013: Bremen swb 450 MW

2015: Haiming 900 MW

Waldeck 2 (PSW) 301 MW

2012: Wilhelmshaven 750 MW

nach 2015:

Stade 1.055 MW

Brünsbüttel 2 x 870 MW

Mecklar 1.100 MW

Staudinger 6 1.055 MW

Frankfurt 500 MW

* gemäß KraftNAV

2012 2013 2015 nach 2015

Ingolstadt (772MW)

Irsching (2227MW)

Zolling (449MW)

verzögert

im Plan

offen

offen, verzögert

abgesagt

fraglich

offen

fraglich

offen


44 Anträge auf Abschaltung liegen vor

Reserve power plants

Power plants to guarantee sufficient

redispatch reserves Power plant Capacity

KMW 2 337 MW

Staudinger 4 622 MW

Irsching 3 415 MW

GKM3 200 MW

HKW West / RDK7 50 MW

Reserve power plants in AT 937 MW

Total 2561 MW

In simulations, reserve power plants are used to remedy limit violations in case of

insufficient conventional redispatch potential from other power plants used on a

market basis.

In the first phase, last year’s reserve power plants are used in the analysis


Risiko einer Großstörung nimmt zu

27

IntraDay Eingriffe der Netzführung

zur Gewährleistung der Netzsicherheit

Ein schlechter

Weg erhöht den

Stress für den

Fahrer

Die Übertragungsnetze sind keine Kupferplatte, sie basieren auf historisch

gewachsener verbrauchsnaher Erzeugung ohne Markt und EEG.

50 Hertz

Amprion

Jahr Tage Ereignisse

2003 2 2

2004 14 15

2005 51 51

2006 105 172

2007 185 387

2008 144 228

2009 156 312

2010 161 290

2011 308 998

2012 344 970

28.05.2014

IntraDay Eingriffe in den Lastfluss des TenneT (D) Netztes


Netzsicherheit I

Schwarzstartfähigkeit:

Systemdienstleistung zum Netzwiederaufbau

Gewährleistet durch Anlagen wie Gasturbinen und Pumpspeicherkraftwerke

Geringe Beeinträchtigung durch KKW Abschaltung und EE Zubau

Blindleistung:

Systemdienstleistung zur „Spannungsstützung“ muss bedarfsgerecht und

lokal erzeugt werden

Gewährleistung durch konventionelle Kraftwerke oder spezielle

Betriebsmittel (Kompensationsspulen und Kondensatoren)

Beeinträchtigung durch KKW Abschaltung und EE Zubau

Neue konventionelle Kraftwerke am benötigten Standort (Süden)

Installation von Kompensationselementen durch die ÜNB

Durch den Kraftwerkspark zur Verfügung gestellte Systemdienstleistungen


Netzsicherheit II

Durch den Kraftwerkspark zur Verfügung gestellte Systemdienstleistungen

Regelleistungseinsatz:

Systemdienstleistung zur Systembilanzsteuerung (Frequenzstabilität)

Gewährleistet durch konventionelle Kraftwerke die frei disponibel

Regelleistung zur Verfügung stellen können

Massive Beeinträchtigung durch KKW Abschaltung und EE Zubau

Zunehmende volatile Einspeisung durch steigenden EE Zubau macht

das Vorhalten von immer mehr Kapazitäten für den Einsatz von

Regelleistung notwendig

Kompensation entweder durch großen Kraftwerkspark oder neue

konventionelle Kraftwerke mit höheren Gradienten

Klasse statt Masse?


Ersatzkraftwerke,

um ausreichend Energie bei geringer regenerativer Einspeisung

produzieren zu können

Regel- und Reservekraftwerke,

mit hohen Gradienten und kurzen Anfahrtszeiten

Speicherkraftwerke,

um Volatilitätszyklen der Erneuerbaren Energien abzupuffern

Fiktive „Kraftwerke“

aus Demand-Side-Management

28.05.2014

Anforderungen an den Kraftwerkspark der

Zukunft I


28.05.2014

Anforderungen an den Kraftwerkspark der

Zukunft II

Kostengünstige Kraftwerke (niedrige Kapitalbindung)

Kraftwerke am richtigen Fleck

falsche Verteilung gefährdet die Systemsicherheit

richtige Kraftwerksverteilung minimiert den Netzausbaubedarf


Notwendige konventionelle Mindesterzeugung

Maßgebliche Kriterien, die hierbei zu betrachten sind:

Spannungshaltung/Kurzschlussleistung

(n-1)-Sicherheit/Redispatchfähigkeit

Regelung der Systembilanz/Frequenzhaltung

weitere Aspekte

(Abnahme rotierender Massen, Versorgungswiederaufbau,

Beitrag aus Verteilnetzen, Beitrag aus EE-Anlagen, Einfluss

außergewöhnlicher Netzereignisse)


Zusammensetzung des Strompreises Wesentliche Bestandteile des Strompreises in privaten Haushalte in Deutschland

33 Quelle: BDEW 2013

1) Durchschnittliches Netzentgelt inkl. Entgelte für Messung, Messstellenbetrieb und Abrechnung, kann regional deutlich variieren 2) durchschnittliche Konzessionsabgabe, variiert je nach Gemeindegröße

Grundlage für eine sichere Stromversorgung Der Bundesbedarfsplan für 2022

Ausarbeitung durch die

Bundesregierung, basierend auf

dem durch die Bundesnetzagentur

(BNetzA) bestätigten NEP

(Onshore/Offshore)

34

Maßnahme Länge

Optimierung in bestehenden Trassen

AC-Neubau:

AC-Umbeseilung:

DC-Stromkreisauflage:

2.100 km

1.100 km

300 km

Netzausbau in neuen Trassen

AC-Trassenausbau:

3 DC-Korridore

Übertragungsleistung:

Trassenlänge:

1.300 km

6,6 GW

1.600 km

Geschätzte Investitionen: 16 Mrd. €

Quelle: Bundesnetzagentur, http://nvonb.bundesnetzagentur.de/netzausbau/Zusammenfassung_2013.pdf, S. 19

Neue Verbindungen knüpfen Netzausbau in Deutschland

35

Gemeinsam

Erzeugung

Transport


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