34
Vattenfall Europe Energieversorgung der Zukunft Dezentrale und zentrale Bausteine als Lösungsansätze einer zukunftsorientierten Versorgungskonzeption Martin Pokojski, VE Innovation GmbH Berlin, 28. Septermber 2012

Energieversorgung der Zukunft Dezentrale und zentrale ... · Vattenfall Europe Energieversorgung der Zukunft Dezentrale und zentrale Bausteine als Lösungsansätze einer zukunftsorientierten

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VattenfallEurope

Energieversorgung der ZukunftDezentrale und zentrale Bausteine als Lösungsansätze einer zukunftsorientierten Versorgungskonzeption

Martin Pokojski, VE Innovation GmbHBerlin, 28. Septermber 2012

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VE Innovation GmbH, Martin Pokojski, 27.09.2012

2

1. Marktentwicklung

2. Effizienzverbesserung

3. Netzausbau

4. Neue Energiespeicher

5. Flexibel einsetzbare Kraftwerke

6. Systemintegration

Agenda

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3

1. Marktentwicklung

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VE Innovation GmbH, Martin Pokojski, 27.09.2012

4 Politische Vorgaben

– Aufkommen erneuerbarer Energien am Stromverbrauch1)

• Bei 2020: mind. 35 %• Bis 2050: 80 %

– CO2-Emission

• Bis 2020 Reduktion um 40 Prozent im Vergleich zu 1990 (sofern die andern EU Länder 30 % Minderung anstreben).

• Bis 2050 sollen die CO2-Emissionen um 80 Prozent im Vergleich zu den Emissionen von 1990 gesenkt werden.

Quelle: www. Bundesregierung.de (Kabinettsbeschluss vom 6. Juni 2011

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5 Erneuerbare Energien im Energiemarkt

Strom

Strom

Strom

Strom/Wärme

WärmeWärme

Brenn-stoff

Strom

Strom

Strom

Brennst.

Strom

Sonne

Erde

Mond

Wasserkraftwerke

Meereströmung Kraftwerke

Windkraftwerke

Wellenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke

Geothermische KW und Kraft-Wärme-Kopplung

Tidenhub

Erdwärme

Solare Strahlung

Biomasseproduktion

Geothermie

Atmospher. Winde

Wellenenergie

Meeresströmung

Regen

Kollektoren

Photovoltaik, Solarthermie

Photosynthese

KWK Anlagen

Konversionsanlagen

Son-nen-

strah-lung

Bio-masse

Geo-ther-mie

Was-ser-kraft

Wind

Meereswärme Kraftwerke

Wärmepumpe

Gravi-tation

Zunehmender Anteil

erneuerbarer Energien

Zunehmende Bedeutung der Strom-versorgung

Strom/Wärme

Quelle: BMWi

Strom

Strom

Strom

Strom/Wärme

WärmeWärme

Brenn-stoff

Strom

Strom

Strom

Brennst.

Strom

Sonne

Erde

Mond

Wasserkraftwerke

Meereströmung Kraftwerke

Windkraftwerke

Wellenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke

Geothermische KW und Kraft-Wärme-Kopplung

Tidenhub

Erdwärme

Solare Strahlung

Biomasseproduktion

Geothermie

Atmospher. Winde

Wellenenergie

Meeresströmung

Regen

Kollektoren

Photovoltaik, Solarthermie

Photosynthese

KWK Anlagen

Konversionsanlagen

Son-nen-

strah-lung

Bio-masse

Geo-ther-mie

Was-ser-kraft

Wind

Meereswärme Kraftwerke

Wärmepumpe

Gravi-tation

Zunehmender Anteil

erneuerbarer Energien

Zunehmende Bedeutung der Strom-versorgung

Strom/Wärme

Quelle: BMWi

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6

Übertragung380 kV

Verbundnetzüberregional

110 kV

VerteilungMittelspannung

10 ... 30 kV

VerteilungNiederspannung

400 V

+ _BZ+ _BZ

KWKGKWKG

G

Lastfluss ändert sich

Veränderung der Versorgungsstruktur

Speicher

H2

H2 ?

Quelle: VDE/ETG

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7 Konsequenzen

• Nachfrageoptimierung / Wirkungsgradverbesserung

• Forcierung des Netzausbaus

• Einsatz von Energiespeichern

• Flexibel einsetzbare konventionelle Kraftwerke

• Systemintegration aller Marktteilnehmer

Quelle: www. Bundesregierung.de (Kabinettsbeschluss vom 6. Juni 2011

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2. Effizienzverbesserung

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9 Effizienzmaßnahmen in der Stromanwendung

0,0

100,0200,0

300,0400,0

500,0600,0

700,0800,0

900,0

Basis 2015 2025

TWh

Fortsetzung des Trends Trend + Mengensteigerung Trend + Effizienz.-u. Mengensteigerung Trend + Effiz.Steigerung, keine Mengensteigerung Trend + extremer Effiz.Steigerung, keine Mengensteigerung Stopp d.Trends, extreme Effiz.Steigerung

Entwicklung bis 2025

+ 63 %

- 39 %

Anwendung in Industrie, GHD, Verkehr und Haushalt

Quelle: ETG/VDE 2008

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10 Lastverschiebung zur EffizienzverbesserungNutzung von REL Potenzialen durch Lastverschiebung

Quelle: TU Berlin

Quelle: VDE/ETG

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11 Gerätesteuerung im Haushalt

Quelle: Bosch und Siemens Hausgeräte Gruppe

Smart Meter basierte IT-Strukturen zur Steuerung von Elektrogeräten

Variable Tarife zur Beeinflussung des

Kühlbetriebes

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12 KWK-Systeme für die dezentrale Versorgung

Micro-Turb.: 30-75 kWNetto Wirk.Grad 25 % Nutzungsgrad > 80 %Stromkennziffer 0,55

6

BHKW: 5,5 kWNetto Wirk.Grad 25 % Nutzungsgrad > 90 %Stromkennziffer 0,44

BHKW: 50-x.000 kWNetto Wirk.Grad 35 % Nutzungsgrad > 85 %Stromkennziffer 0,70

BZ: 1 kWNetto Wirk.Grad 25 %Nutzungsgrad > 90 % Stromkennziffer 0,45

BZ: 5 kWNetto Wirk.Grad 30 %Nutzungsgrad 85 % Stromkennziffer 0,66

BZ: 2 kWNetto Wirk.Grad 55 %Nutzungsgrad > 80 % Stromkennziffer 1,8

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13 Einsatz dezentraler KWK-Systeme

tt

Pel

t

Pel = PLast

PCHPmax

Leistungsgradient derKWK-Anlage

Lastsprung

Pel

t

Pel = PLast

Strombezug

Netzein-speisung od.Speicherung

LastgradientKWK-System

StromgeführtPEl = PLoad

Erforderlich• Schnell reagierende

Systeme• Wärmespeicher benötigt

Pel ~ f (Pth)

Problem:• Einnahmen durch KWK oder

Steuererleichterung• Anbindung an Nahwärmenetz

WärmegeführtPel

Lastsprung Vom Netzbezogene Energie

PLast

rückgespeisteEnergie

Pel

Netz-einspeisung

Last

Quelle: VDE/ETG

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14 Strom- / Wärmebedarf als Funktion der Tageszeit

Stromverbrauch ca. 2 x so hoch wie Brauchwasserwärmeverbrauch

Strombedarf und Wärmebedarf Brauchwasserbereitung

0,00 kW

0,20 kW

0,40 kW

0,60 kW

0,80 kW

1,00 kW

1,20 kW

1,40 kW

1,60 kW

1,80 kW

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tageszeit

Leis

tung

in k

W

WW-Werktag

WW-Samstag

WW-Sonntag

EL-Werktag

EL-Samstag

EL-Sonntag

0,28 kWWerktag

0,24 kWSamstag

0,23 kWSonntag

Brauchwasser

6,7 kWh

5,5 kWh

5,7 kWh

0,5 kW

0,5 kW

0,5 kW

Strombedarf

11,3 kWh

11,4 kWh

12,1 kWh

Bedarf Arbeit Bedarf Arbeit

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15 Systemintegration zur Kombination von Anlagestärken und -schwächen

Verbraucher

Brennstoff-zelle

Verbraucher

Netz

Strom-/Wärme-speicher

EMS = Energiemanagement

Bilanzgrenze

Energie-managementEMS

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3. Netzausbau

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Tele-kommunikation

Kabelsysteme

LKW PKW PKW PKW E-CarLKW

380

kV c

a. 50

–60

m

800

kV c

a. 70

-80

m

x Kabelsysteme

Tele-kommunikation

Kabelsysteme

LKW PKW PKW PKW E-CarLKW

380

kV c

a. 50

–60

m

800

kV c

a. 70

-80

m

x Kabelsysteme

Kombination von Infrastrukturen• Bahnstromtrassen 7.800 km + Schienentrassen 34.000 km: Nutzung

bestehender Strom- und Schienentrassen. • Autobahnen: 12.700 km: Nutzung von Standstreifen sowie Erweite-

rungsflächen; betriebliche Einrichtungen verfügbar (Parkplätze etc.) • Pipelinetrassen flächendeckende Öl + Erdgasleitungen: Nutzung der

Randstreifen (Arbeitsstreifen) von Trassen.• Flüsse und Kanäle 7.360 km Binnenwasserstraßen: Einbringen in

Flussbett oder Uferbereich. Ökologische, bau- und wartungstechnische Restriktionen.

• Höchstspannungsnetz 35.700 km: Nutzung der Trassen und Schutzstreifen.

Potenziale vorhanden: Nutzung differenziert zu werten

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18

380

kV 5

0 –

60 m

800

kV 7

0 -8

0 m

380

kV 5

0 –

60 m

800

kV 7

0 -8

0 m

Spannungserhöhung und parallele Systeme

Gasdruckerhöhung und Anpassung der

Gasqualität

Spannungserhöhung verbunden mit

größeren Masten

Leistungs-erhöhung

Erdverlegung und Tunnellösung möglichFreileitungVerlegung

Besondere Eigenschaften

DC: Nur ohmsche Verl.AC. Kapaz. u. ohmsche Verluste, Kompensation und Kühlung

Kleinere kapazitive Verluste; Kompensa-

tion erforderlich

Im Vergleich zu Kabeln höhere

Verluste

Kabel 1)

AC und DCGasisolierte Leitung (GIL)

Freileitung

Spannungserhöhung und parallele Systeme

Gasdruckerhöhung und Anpassung der

Gasqualität

Spannungserhöhung verbunden mit

größeren Masten

Leistungs-erhöhung

Erdverlegung und Tunnellösung möglichFreileitungVerlegung

Besondere Eigenschaften

DC: Nur ohmsche Verl.AC. Kapaz. u. ohmsche Verluste, Kompensation und Kühlung

Kleinere kapazitive Verluste; Kompensa-

tion erforderlich

Im Vergleich zu Kabeln höhere

Verluste

Kabel 1)

AC und DCGasisolierte Leitung (GIL)

Freileitung

Siemens

Übertragungstechnologien

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19 Tunnellösung - Basis für Innovationen

Nachteile von Kabeln: Verfügbarkeitseinschränkung durch Muffen und Endverschlüsse

• Austausch von Kabelsystemen • Hohe Flexibilität (AC-/DC- Kabel, GIL)• Kostensenkungspotenziale • Nutzung von Innovationen wie z. B.

Supraleiter

Ausbaustufen

1) DC Gleichspannung

DC 1)

3 Syst.

DC 5 Syst.

Kabel-fabrikKabel-tunnel

Transport von Endloskabeln mittels elektr. Rollensystem

M

Reduzierung von Muffen und Kabeltransporten

durch trassennahe Kabelfabrik

Kabel-fabrikKabel-tunnel

Transport von Endloskabeln mittels elektr. Rollensystem

M

Reduzierung von Muffen und Kabeltransporten

durch trassennahe Kabelfabrik

Lösungsansatz:„Endlos-Kabel“in Verbindung mit Kabeltunnel

320 kV3.600 MW

320/500 kV7.350 MW

500 kV9.375 MW

DC 5 Syst.

1.

2.

3.

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20

4. Energiespeicher

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21 Stromspeicher

Quelle: boardelven und FfE

Pumpspeicher

CAES+AA-CAES H2

Großtechni-sche Energie-speicherung?

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22 Einsatzfelder von Energiespeichern

• Entkopplung von Angebot und Nachfrage

• Reservestellung (Primär- und Sekundärregelung)

• Netzsystemdienstleistungen (z.B. Spannungs-stabilisierung)

• Unterstützung des Netzausbaus (Peakload-cutting)

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23 Reservebereitstellung mit Batterien

Bevorzugter Einsatzbereich von Batterien

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24 Energiespeicher zur Deckung von Lastanstiegen

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1011

12

13

1415

R C/I R C/I

R C/I

R

R R

R C/I

C/I

R

C/I

R

R C/I

C/I

R : Residential C/I : Commercial/Industrial

1 2

Bus115

Bus114

Bus113

Bus112

Bus111

Bus110

Bus109Bus108

Bus107Bus106

Bus105

Bus104

Bus103

Bus102

Bus101

Betriebsweise Strahlennetz

Engpasstrans-formatoren 1

Max. Leistungs-überschreitung

[MVA]1: S = 29.3 > Smax = 25

Engpassleitungen 1

Überschreitung des max. Stroms

[A]1: I = 276 > Imax = 270

Zusätzl. Lasten[MVA]

Base load + 4 MVA

Erford. Versor-gungsleistung zurVermeidung von

Engpässsen [MVA]

4.3

Betriebsweise Strahlennetz

Engpasstrans-formatoren 1

Max. Leistungs-überschreitung

[MVA]1: S = 29.3 > Smax = 25

Engpassleitungen 1

Überschreitung des max. Stroms

[A]1: I = 276 > Imax = 270

Zusätzl. Lasten[MVA]

Base load + 4 MVA

Erford. Versor-gungsleistung zurVermeidung von

Engpässsen [MVA]

4.3

Möglicher Speicherstandort

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25

5. Flexibilität in der Erzeugung

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26 Effizienz und Flexibilität in der Erzeugung

• Weitere Wirkungsgradsteigerungenaber

• Regelfähigkeit der konventionellen, fossil befeuerten Kraftwerke deutlich steigern durch

• Einsatz von GUD-Anlagen• Einsatz von Wasserkraftwerken• Optimierung von Braunkohle – und Steinkohleanlagen

• Absenken der Mindest. Last (deutlich < 50 %)• Regelungsgeschwindigkeit von 2 bis 4 %/Min. • Braunkohlevortrocknung zur Erhöhung der Dynamik

• Kombination größerer und kleinerer Anlagen

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27

Quelle: Vattenfall Europe Generation AG

Erzeugungs- und Verteilungsmanagement

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28

6. Systemintegration

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29 Einsatz der Erzeugungsanlagen

Ergänzend wird ein Kapazitätsmarkt benötigt!

Merit Order zur Bewertung des Einsatzes konventioneller Kraftwerke

Wind/Wasser Braunkohle Stein-kohle

KWK

Gasturbinen

Quelle: Google

Wind/Wasser Braunkohle Stein-kohle

KWK

Gasturbinen

Quelle: Google

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30 Poolen von Erzeugungseinrichtungen

Strommarkt

Pool1

Pool2

Pooln

Wind KWK PV BHKW DMSVirtuelles

KraftwerkN.N. N.N. N.N.

Strom-börse

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31 Energiemanagementsysteme zur Anlagensteuerung

Energiemanagementsystemezur Optimierung von

• Stromerzeugung• Energiemachfrage• Netzbelastung

zur Kommunikation mit• Transportnetzbetreiber• Verteilungsnetzbetreiber• Energiebörse

WindfarmenIndustrie& Verwaltung

HaushalteEnergie Management-

system KWK

Transportnetz-betreiber

Energiemarkt Verteilungsnetz-betreiber

Quelle: Bitkom

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32 Player auf allen Spannungsebenen

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33 Vernetzung der Energieversorgung

Energiesysteme als Kombination von Stromnetzen und Informations- und Kommunikationstechnologien

Quelle: EU

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Vielen Dank für Ihr Interesse!