NETZENTWICKLUNGSPLAN 2012 METHODISCHE SCHRITTE ZUR ERSTELLUNG DES NETZENTWICKLUNGSPLANS Peter Barth, Amprion Berlin, 14. März 2012

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 2

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 3

ENERGIEWENDE: HERAUSFORDERUNG FÜR DIE ÜBERTRAGUNGSNETZE

• Windenergie bildet die zentrale Säule der neuen Energieinfrastruktur in Deutschland und Europa. • Europäische Netzbetreiber planen die Integration von Windkraftanlagen mit 400 GW Leistung in das Gesamtsystem bis 2030 Höchstlast laut ENTSO-E in 2030: 640 GW Höchstlast laut ENTSO-E in 2010 : 530 GW

Windanteil: 25%

Windanteil: 75%

* ENTSO-E, (European Network of Transmission System Operators for Electricity): Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 4

DER GROSSTEIL DER ENERGIEERZEUGUNG IST IN ZUKUNFT LASTFERN. DAS NETZ ALS INFRASTRUKTURDIENSTLEISTER FOLGT DER ENTWICKLUNG DER ERZEUGUNGSSTRUKTUR

++

OffshoreWindparks

++

2012-2022

X Leistungsbilanz 2022 [MW]

Leistungsbilanz 2012 [MW] -500

9000 Berlin, 14. März 2012

-500

Peter Barth (Amprion)

9000 www.netzentwicklungsplan.de | 5

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 6

SCHRITTE ZUR ERSTELLUNG DES NETZENTWICKLUNGSPLANS (NEP)

• Der Netzentwicklungsplan 2012 wird in vier Schritten erstellt. • Als realistischstes Szenario wird B 2022 betrachtet.

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 7

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

• Regionalisierung Szenarien Welche Kraftwerke der werden zukünftig Deutschland mit Strom versorgen? •

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 8

SZENARIORAHMEN SZENARIEN FÜR EINE ROBUSTE NETZPLANUNG

Die Genehmigung enthält für die vier Szenarien A 2022, B 2022, B 2032 und C 2022 bundesweite Summenwerte (Installierte Erzeugungsleistung je Erzeugungsart, den Stromverbrauch und die Jahreshöchstlast) und vier Zusatzanforderungen (Sensitivitätsanalysen)

Szenario B

2022

2032

Szenario A moderater Ausbau EE, unterer Rand im Szenariorahmen, höherer Anteil konv. Kraftwerke (insbesondere Kohlekraftwerke) Szenario B erhöhter Ausbau EE, erhöhte Leistung flexibler Erdgaskraftwerke, keine Umsetzung der Planung von Braun- und Steinkohlekraftwerken, in B2032 weitere Stilllegungen Kohle- und Ölkraftwerke Szenario C Ambitionierter Ausbau EE (Bundesländerzahlen), konv. Kraftwerke wie in B2022, Kürzung Wind onshore und offshore durch BNetzA Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 9

SZENARIORAHMEN ÜNB-VORSCHLAG (18.07.2011) UND GEHNEMIGTER SZENARIORAHMEN DRUCH DIE BNETZA (20.12.2011)

14.03.2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 10

SZENARIORAHMEN BIETET INFORMATIONEN ÜBER INSTALLIERTE ERZEUGUNGSLEISTUNGEN UND STROMVERBRAUCH

BNetzA: „Der genehmigte Szenariorahmen wird den gesetzlichen Anforderungen gerecht, da nicht alle denkbaren zukünftigen Entwicklungspfade, sondern „nur“ die Bandbreite der wahrscheinlichen Entwicklungspfade abgebildet werden.“

Attribute A: konventionell B: ausgewogen C: erneuerbar Im Jahr 2032 wird in Deutschland eine installierte Kapazität von 28 GW Wind-KW offshore und 64,5 GW onshore erwartet

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 11

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

Marktsimulation Wo• stehen zukünftige Kraftwerke in Deutschland? •

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 12

REGIONALISIERUNG DER SZENARIEN LEISTUNG WINDKRAFTWERKE 2032

10 18 10,3

3

6,7 6,7

12,1

9,4 8,3 2,6

3,7 3,7

3,0

Berlin, 14. März 2012

3,3

• Wind offshore:28 GW • Wind onshore: 64,5 GW 

Baden-Württemberg

3,0 GW



Bayern

3,3 GW



Berlin

0 GW



Brandenburg

6,7 GW



Bremen

0 GW



Hamburg

0 GW



Hessen

2,6 GW



Mecklenburg-Vorpommern

3,0 GW



Niedersachsen

12,1 GW



Nordrhein-Westfalen

8,3 GW



Rheinland-Pfalz

3,7 GW



Saarland

0 GW



Sachsen

1,4 GW



Sachsen-Anhalt

5,3 GW



Schleswig-Holstein

10,3 GW



Thüringen

4,1 GW

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 13

REGIONALISIERUNG DER SZENARIEN BEISPIEL SZENARIO C2022: EE UND KONVENTIONELLE KRAFTWERKE

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 14

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

Netzanalysen Wie• werden Kraftwerke zukünftig eingesetzt?

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 15

MARKTSIMULATION ÜBERANGEBOT AN INSTALLIERTER ERZEUGUNGSLEISTUNG

Der reine Zahlenvergleich von Angebot und Nachfrage elektrischer Leistung deutet schon auf ein deutliches Überangebot hin. (beispielhafte Zahlen NEP 2012) Installierte Erzeugungsleistung davon Konventionell davon Erneuerbare Energien Verbraucherleistung

220 GW 90 GW 130 GW 85 GW

Eine detaillierte Netzdimensionierung ist ohne genaue Kenntnis zukünftiger Kraftwerkseinsätze bei der vorrangig einspeisenden volatilen EEErzeugung nicht möglich! installierte Kraftwerksleistung Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 16

MARKTSIMULATION DIE EUROPÄISCHE PERSPEKTIVE

SE

DK

2,95

Export DE Import DE

2,05

2,09

1,68 0,63

1,24

• Kraftwerkseinsatz erfolgt zur Lastdeckung in Deutschland aber auch für den Energieaustausch mit dem Ausland.

PL

0,11 8,06

NL

2,55

Export 38,63 Import 38,35

BE LU

2,59

Deutschland

0,15 Werte in TWh

5,20

9,51 CZ

7,59

4,54

Zeitraum: Jan 2011 – Dez 2011 Quelle: Amprion

17,02

FR The European Interconnected System | 17.01.2012 | © Amprion Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 17

MARKTSIMULATION METHODE

EINGANGSDATEN DEUTSCHLAND Daten von Übertragungsnetzbetreibern

Analyse Kraftwerkseinsatz und Energieaustausch

Marktsimulation

Analyse der Netzauslastung

Übertragungsnetz

Eingangsdaten Europa • Blockscharfer Kraftwerkspark

Kohle/Kernkraft

Gas/Öl

Erneuerbare (Wind/Solar)

Wasserkraft

• Stündliche Zeitreihen (EE-Erzeugung und Last) • Übertragungskapazitäten Datenbasis: Szenariorahmen

• • • •

Kapazitäten Preise Verfügbarkeiten Reserveleistung

Berlin, 14. März 2012

• Stündliche Berechnung 8760 Werte /Jahr • Kraftwerkseinsatz • Handelsflüsse Peter Barth (Amprion)

AC und HGÜ Komponenten

• Berechnung durch Übertragungsnetzbetreiber

www.netzentwicklungsplan.de | 18

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

• Energiemengen Stabilitätsaspekte werden transportiert? Wie sieht die Netzbelastung aus? Welche •

Mögliche Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 19

NETZANALYSEN SYSTEMGRENZEN UND STABILITÄT

• Die Systemgrenzen für den Energietransport sind vielfältig. In der öffentlichen Diskussion sind primär thermische Grenzen

STABILITÄT

Verzögerung von Projekten

Volatilität der LastEinspeisungen

Marktintegration Betriebsbereich

Wettbewerb

Netzoptimierung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 20

NETZANALYSEN PERMANENTE STABILITÄT DER NETZFREQUENZ

• Erzeugung und Verbrauch müssen immer Gleichgewicht gehalten werden. Sollfrequenz 50 Hz

Last Prognoseabweichung Lastrauschen Ausfall Last

Berlin, 14. März 2012

Einsatz von Regelleistung

Erzeugung Ausfall Erzeugungseinheit Prognoseabweichung (Wind-, Solar-KW)

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 21

NETZANALYSEN MODELLREDUKTION: MODELLIERUNG DES GESAMTNETZES

380/220-kV-Netz

380/220-kV-Netz

110 kV F

110 kV

W

F

W

EQ

EQ EQ

110-kV-Ersatznetz

reduzierter Teil Berlin, 14. März 2012

W

Wind Äquivalent

Peter Barth (Amprion)

F

Fotovoltaik Äquivalent

Last

www.netzentwicklungsplan.de | 22

NETZANALYSEN NETZMODELL

• Das Übertragungsnetz wird knotenscharf modelliert.

Basis für die Netzberechnungen ist ein knotenscharfes Modell des Höchstspannungsnetzes.

Die Umspannung in die unterlagerten deutschen 110-kVNetze ist vollständig abgebildet.

Unterlagerte 110-kV-Netze sind reduziert. Erforderliche Planungsaussagen für das HöSNetz und die HöS/110-kVUmspannung können getroffen werden.

Bei den europäischen Partnern ist grundsätzlich nur das HöSNetz abgebildet.

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 23

NETZANALYSEN NETZBERECHNUNG

• Leistungsflussberechnung: Von Knotenleistungen zu Leistungsflüssen Iterativer Prozessablauf (Beispiel)

IF

IF

Start

Annahme von Knotenspannungen

Vorbesetzung der Korrekturen

Korrekturen der Knotenspannungen Berechnung der Korrekturen

Berechnung der Knotenleistungen

NEIN

Vergleich mit den Leistungsvorgaben

JA

P + jQ = 3U x I* bekannt unbekannt Berlin, 14. März 2012

Stopp

Sind voneinander abhängig Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 24

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

• Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität Bleibt das Gesamtsystem stabil? 3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 25

NETZANALYSEN SYSTEMSTABILITÄT: DIE BLACKOUTPROBLEMATIK

• Ein System ist stabil wenn…. • es auch nach einer Störung wieder einen stabilen Zustand einnimmt. • die Fähigkeit hat, sich durch möglichst niedrigen Regelungsaufwand zu erhalten. • .....

U

Beispiel: Spannung im Netz in Abhängigkeit von dem Energietransport

P

stabil

instabil

*) Vorlesungsskript: „Stabilität“, Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd R. Oswald Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 26

NETZANALYSEN SYSTEMSTABILITÄT: DIE BLACKOUTPROBLEMATIK

300 km 1800 MW

• Das hoch ausgelastete 380-kV-Netz stößt über große Distanzen an Grenzen der Spannungsstabilität • Die Blindleistungsproblematik bestimmt die Übertragungsfähigkeit des AC-Netzes

U [kV]

•

hoch ausgelastete Netze verschärfen die Blindleistungsproblematik insbesondere bei Störfällen

•

die Spannungsstabilität ist weit vor Erreichen der thermischen Grenze gefährdet

•

der Spannungskollaps ist weltweit die häufigste „Blackout“ Ursache

350

300

250

Verbraucherspannung [kV]

400

200 6

5 4 3 Anzahl Parallelstromkreise

Berlin, 14. März 2012

2

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 27

NETZANALYSEN SYSTEMSTABILITÄT: DIE BLACKOUTPROBLEMATIK

• Aufgetretene Netzstörungen in den letzten Jahren: Weltweit ist der

FALL LAND

ZEITPUNKT

BETROFFENE LAST CA.

1

Deutschland

21.06.1960

2800 MW

2

Belgien

04.08.1982

3000 MW

3

Schweden

27.12.1983

11400 MW

4

Frankreich

12.01.1987

9500 MW

5

Japan

23.07.1987

8200 MW

6

USA (Westen)

02.07.1996

12000 MW

7

USA (Westen)

14.08.1996

80000 MW

8

Niederlande

23.06.1997

2000 MW

9

USA (Osten), Kanada

14.08.2003

49000 MW

10

Italien

28.09.2003

28000 MW

Spannungskollaps eine der häufigsten BlackoutUrsachen

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

FVC

FVC

FVC

www.netzentwicklungsplan.de | 28

NETZANALYSEN SYSTEMSTABILITÄT: DIE BLACKOUTPROBLEMATIK

• Beispiel: Spannungskollaps, Frankreich, 12. Januar 1987

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 29

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Lösungsansätze zur Steigerung der Transportkapazität

3. Zusammenfassung Welche Technologien setzen wir zum Netzausbau ein?

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 30

LÖSUNGSANSÄTZE ZUR STEIGERUNG DER TRANSPORTKAPAZITÄT DAS NOVA-PRINZIP

• Lösungen und Technologien zur Netzentwicklung folgen dem NOVA-Prinzip

380/220-kV-Übertragungs-

O

PTIMIERUNG

N V ETZ

ERSTÄRKUNG

A

USBAU

Leistungsflusssteuerung

Upgrade auf Höhere Spannungen (220  380 kV)

Freileitung 380-kV-Leitungen

Temperaturabhängiger Leitungsbetrieb

Hochstrom- bzw. Hochtemperaturleiterseile

Kabel Overlay (Perspektive)

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 31

LÖSUNGSANSÄTZE ZUR STEIGERUNG DER TRANSPORTKAPAZITÄT HGÜ*-TECHNOLOGIE

• HGÜ-Pilotprojekte: Technologie zur Lösung der weiträumiger Übertragungsaufgaben? S 90 GW (+ 30 GW vergl. dena II)

• Erste Projektideen zur Netzintegration der Windenergie mittels HGÜ-Technik decken nur einen Teil des absehbaren Transportbedarfs bis 2030 ab:  3 Projekte: Gesamtkapazität 10 GW

~3 GW

~3 GW

 Transportkapazität Nord-Süd (< 15 GVA) ~2,5 GW

15 GVA ~4 GW

 Weitere Übertragungskorridore werden zur Zeit intensiv untersucht



HGÜ*- Hochspannungsgleichstromübertragung Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 32

ZUKÜNFTIGE NETZENTWICKLUNG DIE EUROPÄISCHE PERSPEKTIVE

Energiepolitische /Europäische Visionen zu Overlay-Netzstrukturen. • • •

•

Nord-Süd-Verbindungen zur Integration Erneuerbarer Energien Ost-West-Verbindungen zur verbesserten Marktintegration Ausbau und Integration von Wasserkraftspeichern in Skandinavien und der Alpenregion Ausbau und Integration südeuropäischer und nordafrikanischer PV-Potenziale (u.a. Desertec)

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 33

INHALTSVERZEICHNIS

1. Energiewende: Herausforderungen für Übertragungsnetze •

Veränderung der Erzeugungslandschaft

•

Netz folgt der Erzeugungsstruktur der Zukunft (… Infrastrukturdienstleister)

2. Arbeitsschritte zur Erarbeitung des Netzentwicklungsplans •

Szenariorahmen

•

Regionalisierung der Szenarien

•

Marktsimulation

•

Netzanalysen

•

Stabilitätsaspekte

•

Mögliche Lösungsansätze

3. Zusammenfassung

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 34

ZUSAMMENFASSUNG

• Genehmigter Szenariorahmen bildet eine robuste Grundlage für die Netzentwicklung • Verstärkter Ausbau der erneuerbaren Energien führt zur Verlagerung der zukünftigen Erzeugungsstandorte • Netz als Infrastrukturdienstleister folgt der Entwicklung der Erzeugungslandschaft • Die Dimension der Energiewende erfordert neue Werkzeuge und Methoden in der Netzentwicklung • Zur Minimierung des Bedarfs an neuen Trassen wird NOVA-Prinzip und Einsatz neuer, leistungsstarker Technologien für die weiträumige Energieübertragung im NEP-Prozess untersucht

Berlin, 14. März 2012

Peter Barth (Amprion)

www.netzentwicklungsplan.de | 35

VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

Peter Barth Amprion GmbH Leiter Netzentwicklung Rheinlanddamm 24 44139 Dortmund [email protected]

Besuchen Sie auch unsere gemeinsame Website

www.netzentwicklungsplan.de

Berlin, 31. Januar 2012