VattenfallEurope
Energieversorgung der ZukunftDezentrale und zentrale Bausteine als Lösungsansätze einer zukunftsorientierten Versorgungskonzeption
Martin Pokojski, VE Innovation GmbHBerlin, 28. Septermber 2012
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
VE Innovation GmbH, Martin Pokojski, 27.09.2012
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1. Marktentwicklung
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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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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16
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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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
VE Innovation GmbH, Martin Pokojski, 27.09.2012
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!