Versorgungssicherheit - Eine Herausforderung der Energiewende · Die Dunkelflaute –Energiespeicher zur Deckung des Mangels? Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber

Prof. Dr.-Ing. Roland ScharfInstitut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung

Versorgungssicherheit -

am 18. Juli 2018 bei der Gebr. Kemper GmbH & Co. KG in Olpe

Ingenieurwissenschaftliches Kolloquium

Eine Herausforderung der Energiewende


Seite 218. Juli 2018

Die Wirkung der Elektrizität ist global sichtbar

Quelle: NASA's Earth Observatory



Ohne Strom ist das moderne Leben nicht vorstellbarLichtMobilität Wärme

KühlungKlimatisierung Medizintechnik

KommunikationZahlungsverkehr Informationstechnik



1. Was wollen wir erreichen und wo stehen wir heute ?

2. Welche Herausforderungen kommen auf uns zu ?

3. Was sollten wir beachten und was können wir tun ?

Inhalt





Was versteht man in Deutschland unter Energiewende ?

Übergang vom Verbrauch endlicher fossiler und

nuklearer Primärenergien zum Einsatz nachhaltig

verfügbarer erneuerbarer Energien (EE).

Ziel Status Abschluss

Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen bis 2023

Ausbau der Erneuerbaren auf

80 % der Stromerzeugung

in

Umsetzungbis 2050

Vollständige Dekarbonisierung

der Stromwirtschaft 100 % EEin Planung bis 2080

Elektrifizierung der gesamten

Wirtschaft (Sektorenkopplung)Vision bis ????



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Wind offshore

Wind onshore

Photovoltaik

Biomasse

Hausmüll (Bioanteil)

Wasserkraft

biogener Anteil (50 %)

bei Pumpspeicher-

kraftwerken nur

Stromerzeugung aus

natürlichem Zufluss

bis 1998 nur Einspeisung in

das Netz der allgemeinen

Versorgung, Angaben ab

2003 beinhalten auch die

industrielle Stromerzeugung

aus flüssiger Biomasse Stromeinspeisegesetz

ab 1. Januar 1991

Novelle BauGB

ab November 1997

EEG 2009

ab 1. Januar 2009

1)

1)

2)

2)

3)

3)

EEG 2014

ab 1. August 2014

EEG 2012

ab 1. April 2012

EEG 2004

ab 1. August 2004

EEG 2000

ab 1. April 2000

Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland

Bru

tto-S

trom

erze

ugung

TWh

Novellierungen des

Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG)

Quelle: BmWi (Daten AGEE-Stat) – Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, 02/2018



0

100

200

300

400

500

600

700

Wind offshore

Wind onshore

Photovoltaik

Biomasse


Wasserkraft

Übrige Energieträger

Mineralölprodukte

Erdgas

Steinkohle

Kernenergie

Braunkohle

Strommix Deutschland 1990–2017 (nach Primärenergieträgern)

Quelle: AGEB – Stand: 2. Februar 2018

TWh

Bru

tto-S

trom

erze

ugung



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

EE-Anteil an der Deckung des Stromverbrauchs (historisch)

Obergrenze Ausbaukorridor Koalitionsvertrag 2013

Untergrenze Ausbaukorridor Koalitionsvertrag 2013

Ausbauziele Bundesregierung Energiekonzept 2010

Eckpunkte der Obergrenze des Ausbaukorridors

Eckpunkte der Untergrenze des Ausbaukorridors

Eckpunkte des Energiekonzepts 2010

Quelle: http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Navigation/DE/Service/Erneuerbare_Energien_in_Zahlen/Zeitreihen/zeitreihen.html

EEG-Ausbauziele der Bundesregierung

2020:

35 %

2030:

50 %

2040:

65 %

2050:

80 %

2025:

40–45 %

2035:

55–60 %

2017:

36,9 %

%



EEG-Strom-Einspeisung führt häufig zu einem negativen Bilanzsaldo

-10.000

0

10.000

20.000

30.000

Januar 2015

Wind

Solar

Bilanzsaldo

Leis

tung

MW

-10.000

0

10.000

20.000

30.000

Juli 2015Wind

Solar

Bilanzsaldo

MW

Leis

tung

Quelle: Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)



Die Stromexporte aus Deutschland überwiegen die Stromimporte

14. Juni 2018Quelle: Agorameter

GW

Exp

ort

Import

2017

15

10

5

0

- 5

- 10

- 15

2018

Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai JunJun



Deutliche Zunahme des Exportsaldos und der Ausfallarbeit

Exp

ort

sald

o

TWh

-10

0

10

20

30

40

50

60

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

Ausfallarbeit

Exportsaldo

AGEB – September 2017

BNA Quartalsberichte 2017

Quellen:

2. Ausfallarbeit:

1. Exportsaldo:



Quelle: AGEB – Stand: 02.02.2018

0

100

200

300

400

500

600

700

Wind offshore

Wind onshore

Photovoltaik

Biomasse


Wasserkraft

Übrige Energieträger

Mineralölprodukte

Erdgas

Steinkohle

Kernenergie

Braunkohle

TWh

indisponibeldisponibel

Bru

tto-S

trom

erze

ugung

Inlandsstromverbrauch

22.6

Der Kraftwerkspark in der EnergiewendeAusbau der Nutzung der Überschüsse - Export

Strommix Deutschland 1990–2017 (disponibel und indisponibel)






Inhalt





Die Stadt ohne Strom – Albtraum der Versorgungsindustrie

Quelle: http://tvblogs.nationalgeographic.com/files/2013/10/blackout2-590x331.jpg



Das Zieldreieck der Energiewirtschaft

Versorgungssicherheit

Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit

Mensch

sozial

ökologischNatur ökonomisch Markt



§ 1 Absatz (1) Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)

Zweck des Gesetzes ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche,

effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit

mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht.

Versorgungssicherheit

Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit



Was bedeutet Versorgungssicherheit ?

Leistungsregelung

Spannungshaltung

Frequenzhaltung

Netzwiederaufbau

Erwartungen der KundenAufgaben der Netzbetreiber

Gesicherte Leistung

Systemdienstleistungen

Hohe Verlässlichkeit

Aufgaben der Stromerzeuger

Netzbetriebsführung

Engpassmanagement

N-1-Sicherheit im Netz

Unterbrechungsfreie Versorgung

Niedrige Spannungsschwankungen

Niedrige Frequenzschwankungen

Stromerzeuger Netz Stromkunden

Verteilnetzbetreiber - VNBÜbertragungsnetzbetreiber – ÜNB



Blackout in Italien

28.9.2003, 03:20 Uhr28.9.2003, 01:00 Uhr

Quelle: E.ON



Was bedeutet Versorgungssicherheit?




Leistungsregelung

Spannungshaltung

Frequenzhaltung

Netzwiederaufbau


Gesicherte Leistung





Engpassmanagement






Gesicherte Leistung und Jahreshöchstlast 2000

Quelle: www.bmwi.de – Energiedaten und eigene Berechnungen

Steinkohle

Erdgas

Sonstige (nicht erneuerbar)

Pumpspeicher

Biomasse

Lauf- und Speicherwasser

Solarenergie

Sonstige (erneuerbar)

Braunkohle

Kernenergie

Windenergie, offshore

Windenergie, onshore

0

50

100

150

200

250

Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung

GW

Freie

gesicherte

Leistung

96

Jahres-

Höchstlast

125 125

76

20

Nicht gesicherte Leistung

Geplante Nichtverfügbarkeiten

Ungeplante Nichtverfügbarkeiten





1. www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und

2. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014

Quellen:

Steinkohle

Erdgas


Pumpspeicher

Biomasse


Solarenergie


Braunkohle

Kernenergie



0

50

100

150

200

250


Freie

gesicherte

Leistung

Jahres-

Höchstlast

104

180 180

81

23

GW








1. www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 31. März 2017; KWSAL – Stand: 18. Juli 2017

2. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2017

Quellen:

Steinkohle

Erdgas


Pumpspeicher

Biomasse


Solarenergie


Braunkohle

Kernenergie



0

50

100

150

200

250


Freie

gesicherte

Leistung

Jahres-

höchstlast

195 195

92,3

11,9

80,4

GW








1. www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 31. März 2017; KWSAL – Stand: 18. Juli 2017


Quellen:

Sicherheitsbereitschaft + Netzreserve

Steinkohle

Erdgas


Pumpspeicher

Biomasse


Solarenergie


Braunkohle

Kernenergie



0

50

100

150

200

250


Freie

gesicherte

Leistung

Jahres-

höchstlast

205198

103,9

13,5

82,6

7,8

GW

96,1








Fehlende

gesicherte

Leistung-50

0

50

100

150

200

250

Installierte Netto-

Leistung

Gesicherte Leistung

Sicherheitsbereitschaft + Netzreserve

Steinkohle

Erdgas


Pumpspeicher

Biomasse


Solarenergie


Braunkohle

Kernenergie



Quellen: 1. www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 31. März 2017; KWSAL – Stand: 18. Juli 2017


236228

Jahres-

höchstlast

2018

-1,4

82,6

81,2 7,8

89,0

GW












Leistungsregelung

Spannungshaltung

Frequenzhaltung

Netzwiederaufbau


Gesicherte Leistung





Engpassmanagement


Was bedeutet Versorgungssicherheit für die Stromerzeuger?



Monat 2012 2013 2014 2015 2016

Januar 2 3 2 2 2

Februar 1 4 0 0 0

März 0 0 0 0 0

Oktober 0 0 0 1 0

November 1 3 3 0 0

Dezember 2 2 1 0 1

Summe 6 12 6 3 3

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

Leis

tun

g in

MW

Januar 2012

Wind

Solar

Last

Einspeisung aus Wind- und

Solarenergie jeweils kleiner als

10 Prozent ihrer installierten

Gesamtkapazität über eine

Dauer von mind. 24 Stunden

Das Phänomen Dunkelflaute

1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

2. european network of transmission

Quellen:

system operators for electricity (entso-e)



GW

0

10

20

30

40

50

60

70

80

14.01.2012 15.01.2012 16.01.2012 17.01.2012 18.01.2012

Dunkelflaute im Januar 2012

Gesamtlast

Residuallast

Windenergie

Solarenergie

Sonstige EE

EE-L

eist

ung u

nd L

ast

Andauernder Mangel an EE-Leistung in einer

Größenordnung von 40 bis 70 GW

Zeiten geringer Einspeisung von EEG-Strom – Die Dunkelflaute

1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB); 2. european network of transmission system operators for electricity (entso-e)Quellen:



0

10

20

30

40

50

60

70

80

14.01.2012 15.01.2012 16.01.2012 17.01.2012 18.01.2012


Gesamtlast

Residuallast

Windenergie

Solarenergie

Sonstige EE

GW

EE-L

eist

ung u

nd L

ast

Speicherbedarf:

1200 GWh / Tag

entspricht

Die Dunkelflaute – Energiespeicher zur Deckung des Mangels?


Größenordnung:

60 Mio. Elektro-Autos à 20 kWh

2 Tsd. Druckluftspeicher à 600 MWh

140 große Pumpspeicher à 8,5 GWh



Energiespeicher für zu Hause– Was ist heute möglich?

Mercedes Benz

Energiespeicher

Home 2,5

Eaton-Nissan

xStorage Home

VARTA

HOME

sonnen

sonnenBatterie

Tesla

Powerwall 2

SystemLithium-Ionen

(Ni, Mn, Co)Lithium-Ionen

Lithium-

Eisenphosphat

Lithium-

EisenphosphatLithium-Ionen

Kapazität 𝑊 kWh 2,3 4,2 2,8 4,0 13,5

Abmessungen 𝐻 x 𝐵 x 𝑇 cm³ 47 x 43 x 29 140 x 70 x 25 132 x 60 x 40 137 x 64 x 22 115 x 76 x 16

Spannung 𝑈 V 39,7 - 54 ? 400 V AC ? ?

Dauer-

Spitzenleistung𝑃D / 𝑃P kW / kW 1,25 / - 3,0 / 6,0 2,4 / - 2,5 / - 5,0 / 7,0

Preis

ohne Montage€ 5411,- 4165,- 7952,- ca. 8500,- ca. 6000,-



0

10

20

30

40

50

60

70

80

14.01.2012 15.01.2012 16.01.2012 17.01.2012 18.01.2012


Gesamtlast

Residuallast

Windenergie

Solarenergie

Sonstige EE

GW

EE-L

eist

ung u

nd L

ast

Größenordnung:

10 Mio. sonnenBatterien à 4 kWh

Tagesspeicherkapazität 40 GWh

Anschaffungskosten: ca. 100 Mrd. €

Speicherbedarf:

1200 GWh / Tag

entspricht

Die Dunkelflaute – Energiespeicher zu Hause ?


40 GWh



Was bedeutet Versorgungssicherheit?




Leistungsregelung

Spannungshaltung

Frequenzhaltung

Netzwiederaufbau


Gesicherte Leistung





Engpassmanagement






Aufgaben zur Umsetzung der Systemdienstleistungen

Betriebsführung:

Engpassmanagement:

Frequenzhaltung:

Spannungshaltung:

Versorgungswiederaufbau:

Betriebsplanung, Systemführung und Nachbearbeitung

Überwachen und Steuern der Netze und Anlagen

Durchführen von Schalthandlungen, Entstörungsmanagement

Messungen und Analysen der Spannungs- und Netzqualität

Bezugsoptimierung

Auswertung der Betriebsplanung

Erkennen von Übertragungsengpässen im Netz

Einleitung Gegenmaßnahmen. (Redispatch von Erzeugungsleistung)

Planung, Ausschreibung und Vergabe der Regelleistung

Laufende Verfolgung der Netzfrequenz

Anforderung der Regelleistung

Planung, Ausschreibung und Vergabe von Blindleistung

Laufende Verfolgung der Netzspannung

Anforderung der Blindleistung

Planung und Sicherstellung der Versorgungswiederaufbaustrategie

Bereithaltung schwarzstartfähiger Kraftwerke

Durchführung notwendiger Versorgungswiederaufbaumaßnahmen

+

+

+



Versorgungsqualität - Frequenzschwankungen

Quelle: Wikipedia – Versorgungsqualität - 9.9.2016

Freq

uen

z

h

50,2

50,1

50,0

49,9

Freq

uen

z

50,2

50,1

50,0

49,9

49,8

Freq

uen

z

50,2

50,1

50,0

49,9

49,8

50,2

50,1

50,0

49,9

50,2

50,1

50,0

49,9

49,8

0 10 20 30 40 4849,8

Zeit

h 0 10 20 30 40 48Zeit

h 0 10 20 30 40 48Zeit

h

0 10 20 30 40 48Zeit

h 0 10 20 30 40 48Zeit

h49,8

Großbritannien Zentraleuropa Schweden

China (Osten) Singapur

Freq

uen

z

Freq

uen

z

Hz Hz Hz

Hz Hz



Europäischer Netzverbund und deutsche Übertragungsnetzbetreiber

Übertragungsnetzbetreiber

in Deutschland (ÜNB)

European Network of Transmission System

Operators for Electricity (ENTSO-E)

Quelle: Wikipedia – Übertragungsnetzbetreiber - 21.4.2017Quelle: Wikipedia – Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber - 21.4.2017



Regelleistung

Minutenreserve BilanzkreisausgleichPrimärregelleistung SekundärregelungTrägheit

Reg

elle

istu

ng

posi

tive

neg

ati

ve

30 s 5 min 15 min 1 h0 s Zeit

Die Regelleistung zur Frequenzhaltung wird im Wesentlichen

von konventionellen Kraftwerken bereitgestellt.

11.31.3.3

Gesellschaftliche Anforderungen an KraftwerkeVersorgungssicherheitSystemdienstleistungen



Eine Abweichung von ca. 2 GW führt zu einer Frequenzänderung von ca. 100 mHz

± 3 GW PRL stabilisieren die Frequenz zwischen 49,8 und 50,2 Hz

In Deutschland halten die ÜNB im NRV ca. ± 4 GW SRL/MRL vor

Maßnahmen bei Frequenzabweichungen:

Welche Folgen ziehen Frequenzabweichungen nach sich ?

Quelle:

Volker Weinreich,

Tennet



Solar; 1,04; 3%

Wind; 8,73; 22%

Bio; 5,22; 13%

Pumpspeicher; 0,45; 1%

Wasserkraft; 3,39; 8%Gas; 1,71; 4%Steinkohle; 2,19;

5%

Braunkohle; 8,16;

20%

Kernkraft; 9,80;

24%

Annahme: 2 % der konventionellen Leistung und 10 % der Leistung aus Wasserkraft sind als PRL verfügbar

Bereitstellung von Primärregelleistung

Solar; 2,21; 3%

Wind; 17,58;

22%

Bio; 5,88; 7%

Pumpspeicher; 1,45; 2%

Wasserkraft; 3,15; 4%

Gas; 4,41; 5%

Steinkohle; 20,04; 25%

Braunkohle

; 15,80;

19%

Kernkraft; 10,66;

13%

Wintertag (04.02.16 10:00), hohe Gesamtleistung (81,18 GW) Frühlingstag (17.05.15 06:00), niedrige Gesamtleistung (40,69 GW)

ausgeschriebene PRL: 793 MW ausgeschriebene PRL: 783 MW

0,02 * 50,91 GW = 1,02 GW 128 % der ausgeschriebenen PRL






Wer stellt in Deutschland zur Zeit Regelleistung bereit ?

Laufwasserkraftwerke:1.

2.

3.

4.

Pumpspeicherkraftwerke:

Kernkraftwerke:

Kohlekraftwerke:

5. Gaskraftwerke:

6. Batterien:

Quelle: wemag.com

Quelle: swd-ag.deQuelle: siemens.com

Quelle: leag.de

Quelle: wikipedia.de



Wie wird Regelleistung zur Zeit in Deutschland erbracht ?

PRL SRL MRL

Laufwasser Wassermenge Wassermenge nicht wirtschaftlich

Pumpspeicher Wassermenge Wassermenge nicht wirtschaftlich

Kernkraft

Turbinenleistung über

die Dampfmenge

nicht wirtschaftlich nicht wirtschaftlich

Braunkohle Kesselleistung über

die Brennstoffmenge

Kesselleistung über

die BrennstoffmengeSteinkohle

Gas nicht wirtschaftlich nicht wirtschaftlich nicht wirtschaftlich

Müll - - Umleitbetrieb

Biogas - - „Virtuelle Kraftwerke“

Wind nicht verlässlich nicht verlässlich -

Solar nicht verlässlich nicht verlässlich nicht verlässlich

Batterien Ladung - -






Inhalt





Geplanter Aus- und Rückbau der konventionellen Kraftwerkskapazität

Quelle: Bundesnetzagentur, Kraftwerksliste Stand: 02.02.2018

0

20

40

60

80

100

in Betrieb 2018 Zubau 2018-2020 Stilllegung inkl. SB

2018-2020

Ausstieg Kernkraft

bis 2023

Kapazität 2023 Kapazität 2023

+ Reserve

Sicherheitbereitschaft (SB)

Netzreserve

Pumpspeicher und sonstige Speichertechnologien

Sonstige

Erdgas

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

Leis

tung

GW

102

79

+ 2,3 - 4,6

- 9,5 8793



Entwicklung der Residuallast entlang der EEG-Ausbaupläne

Res

iduallast

h

Jahresstunden

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

GWDie Erneuerbaren Energien senken die Residuallast.

Die Spitzen der Residuallast bleiben aber bestehen.

Zur Abdeckung der Residuallastspitzen

ist gesicherte Leistung erforderlich.

8760 h



h

8760 h

Jahresstunden

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

GWZur Sicherstellung der Versorgungssicherheit

werden konventionelle Kraftwerke benötigt.

Mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien

werden merkliche Überschüsse produziert.

Überschuss und Mangel

Überschüsse durch Vorrang für „Must Run“

Systemdienstleistungen, KWK, Industrie

10–20 GW

Überschüsse aufgrund

negativer Residuallast

Export, Ausfallarbeit

40 GW

40 GW

Reservekraftwerke

zur Abdeckung der

gesicherten Leistung

(stehende Reserve)

Disponierbare Kraftwerke

zur Abdeckung der Residuallast

40 GWGeo

rdnet

e R

esid

uallast



Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung

… Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Versorgungssicherheit - Eine Herausforderung der Energiewende · Die Dunkelflaute –Energiespeicher zur Deckung des Mangels? Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber