Prof. Dr.-Ing. Peter Birkner, Honorarprofessor Bergische Universität Wuppertal, Geschäftsführer House of Energy e.V., Kassel

Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen 4. CIGRE/CIRED-Informationsveranstaltung Innovationen zur Integration der Erneuerbaren

Lebenslauf Peter Birkner Studium der Elektrotechnik (Energietechnik) und Dissertation an der Technischen Universität München (Dipl.-Ing., Dr.-Ing.) RWE Group Lechwerke AG, Augsburg, DL (11/1987 – 12/2004; Prokurist Geschäftsbereich Netze) Wendelsteinbahn GmbH, Brannenburg, DL (1/2004 – 12/2008; Geschäftsführer) Vychodoslovenska energetika a.s., Košice, SK (1/2005 – 8/2008; Mitglied d. Vorstands) RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH, Siegen, DL (9/2008 – 6/2011; Geschäftsführer) Mainova AG, Frankfurt, DL (7/2011 – 6/2015; Mitglied des Vorstands, Ressort Technik) House of Energy, Kassel, DL (seit 3/2016, Geschäftsführer) Chairman DSO Committee, Eurelectric, Brüssel (6/2008 – 12/2014); DK CIGRE, Frankfurt (1/2013 – 10/2015)

Mitglied des Vorstands der Energietechnischen Gesellschaft ETG im VDE (seit 2013) und Sprecher der Landesfachkommission Hessen “Energie und Umwelt“ des Wirtschaftsrats (seit 2015), Mitglied DK CIRED (seit 2013) Mitglied in techn. (z.B. Steag Energy Services, TÜV Nord, Maschinenfabrik Rheinhausen, Athion, Enersis, Tenaga Nasional) und wissenschaftl. Beiräten (z.B. FoKoS Siegen, Energy Center Darmstadt) Honorarprofessor (Elektrische Energieversorgung, seit 2013) und Lehrbeauftragter der Bergischen Universität Wuppertal (seit 2010) Zahlreiche Veröffentlichungen und Vortäge zu energiewirtschaftlichen und technischen Themen

Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen

1

House of Energy e.V. – Wissenschaftliches Cluster Management

2

Aktive elektrische Verteilnetze – Smart Grids

3

Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Studie der ETG

4

Zusammenfassung und Ausblick

3

1

House of Energy e.V. – Wissenschaftliches Cluster Management

Materialien, Komponenten, Systeme

„Denkfabrik“ und Initiierung von Projekten

House of Energy e.V.

Unterstützung und Koordination von Projekten

Öffentlichkeitsarbeit und Eventmanagement

F&E initiieren, konzipieren, unterstützen, kommunizieren, transferieren

Transfer und Kommunikation von Ergebnissen

Partner / Mitglieder F&E initiieren, fördern, durchführen

Bereitstellung von Fördermitteln (Land)

Forschung und Entwicklung

Pilotprojekte

Feldtests

4

1

House of Energy e.V. – Organisation der Geschäftsstelle in Kassel

Geschäftsführung •

Bereich Projekte (Technologie, Förderung, Koordination)

•

Bereich Marketing (Öffentlichkeit, Events, Internet)

•

Bereich Wissenstransfer (Ergebnisse, Anwendung, Weiterbildung)

•

Bereich Mitglieder und Netzwerke (Gremien, Kontakte)

•

Bereich Finanzen und Administration

Zielgröße: Neun Mitarbeiteräquivalente Finanzierung durch Mitglieder und Drittmittel Anlaufförderung durch das Land Hessen

House of Konzept des Landes Hessen: IT, Pharmacy, Logistics and Mobility, Finance 6

2

Nutzung regenerativer Energiequellen – Stromsystem spielt zentrale und neue Rolle

Regenerative Hauptenergiequellen

Wärme (X2H) Volatilität: Ort

Sonne

Flexibilität: Wind

Strom (X2P)

Volatilität: Zeit

Erzeugung Netze Verbrauch

Volatilität: Amplitude

Wasser Bsp .Sonne und Wind *)

Das heutige Stromsystem ist für die zu erwartende zeitliche und örtliche Volatilität in der Erzeugung nicht konzipiert! Analoges gilt für die Amplitude der Erzeugungsleistung (Erzeugungsleistung : Verbrauchsleistung ≈ 1 : 1 ≈ 5 : 1) 7 *) Quelle: A. Moser RWTH Aachen, „Systemstudie zum Einspeisemanagement erneuerbarer Energien“

2

Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” – Beherrschung der Volatilität durch Flexibilität

Zeitl. Dimension

Volatile Erzeugung

Räuml. Dimension

Flexible Erzeugung

Übertragungsnetze statisch

Flexibler Verbrauch

Verteilungsnetze statisch

Wandlung Energieform

Übertragungsnetze dynam.

Stromspeicher

Verteilungsnetze dynamisch

Roadmap erforderlich: Schwerpunkte, zeitliche Reihenfolge, Steuerungsmechanismen (Suffizienz, Effizienz, Konsistenz – Maß, Wirksamkeit, Verhältnis)

Energiewende als Managementaufgabe Änderung Kraftwerkseinsatz (Re-Dispatching) versus Ausbau Übertragungsnetz Aufbau dezentrales Last- und Speichermanagement versus Ausbau Übertragungsnetz 7

2

Netzausbau, Erzeugungs- und Lastmanagement sind deutlich kostengünstiger als Speicher Place

Time Absorption

Generation

Storage

Electricity:

Heat:

Gas:

  





 



Grid extension Grid reinforcement Increase of grid flexibility (smart grids) Flexible power generation Connection of complementing generation and consumption patterns Switching off of volatile generation

 

Power to Heat technologies (η ≈ 99 %) Demand side management Energy efficiency



60 %

Power to Gas technologies (η < 80 %) Link to chemistry (Need for hydrogen)

Cost of supporting infrastructure for the integration of renewables

Penetration of volatile renewable sources

35 % Time Batteries are short-term storages; capacity of pumped hydro limited; options of Redox-Flow

Strombedarf heute 600 TWh Mobilität, fossil und elektrisch

Wärme, elektrisch und fossil

Strombedarf künftig 1.000 TWh bis 1.500 TWh *) *) Quellen: z.B. C. Hoffmann et.al., Fraunhofer IWES „Geschäftsmodell Energiewende“ (2014), V. Quaschning, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin „Sektorkopplung durch die Energiewende“ (2016)

Steuerlogik

Transformationskosten (EEG)

2

Dekarbonisierung bedeutet mehr Stromeinsatz –

Stromwende, Wärmewende, Mobilitätswende

9

2

Prinzipien für eine effiziente, effektive und erfolgreiche Umsetzung der Energiewende Technische Subsidiarität und Modularität Problem des Energiebilanzausgleichs unter Beachtung des Prinzips von Pareto dort lösen, wo sie auftreten (Schalenförmige Strukturen)

Beispiel: Gebäude – Quartier – Stadt – Region – Land – EU

Technische Diversifikation und Vernetzung Kombination von verschiedenen Erzeugungs- mit verschiedenen Verbrauchsmustern zur Systemstabilisierung und zum Energiebilanzausgleich Beispiel: Solaranlagen – Windkraftanlagen – Biomasse – KWK; Gewerbe – Wohnblocks – Industrie; Stadt – Land

Technische Modifikation / Mehrfachnutzung von Infrastruktur

Nutzung und Ergänzung der vorhandenen Infrastruktur im Sinne der Energiewende. Mehrfachnutzung einer Anlage (z.B. Unterstützung von Smart Home und Smart Grid) Beispiel: Fernwärmesystem und Gasnetz als Energiespeicher

10

2

Neue Volatilität und Richtungsumkehr der Lastflüsse –

Verteilnetz

Herausforderungen für elektrische Netze durch die Energiewende

Quelle: BMWi-Verteilernetzstudie (2014), Ergänzungen ETG (2016)

11

2

Halbierung der Spitzenleistung verdoppelt (im Idealfall) Netzkapazität und verringert Energieerzeugung um 5 % Maximale Leistung

Anlagenkonkrete Umrechnung abgeregelter Energie in Leistung

200 % 5 % der erzeugten Energie

100 %

0% Zeit Quelle: EWE AG (A. Kornatz, E. Wieben)

Smart Grids (wie das System iNES):

Quelle: A. Schweer et. al.

 Erhöhen die energiebezogene Netzkapazität deutlich, bei geringen Abstrichen in Bezug auf Qualität  Können Fehler im Netz (wie Leitungsunterbrechungen) erkennen und (künftig) den Zustand von Assets bewerten  Können (künftig) Netzengpässe antizipieren

13

2

Autonome und flexible statt starre Netze – HS/MS-Spannungsregelung, Speicher, RONT und smarte NS-Netze Umspannwerk (Einspeisung oder Rückspeisung) Ortsnetzstation (Verbrauch oder Einspeisung)

Spannungsregelung

Grenzmastschalter geöffnet

14

2

Wirtschaftlichkeit von Smart Grids basiert auf Balance zwischen Erweiterungsinvestitionen und Netzqualität

Quality of supply

Increase of transported energy – grid extension

Increase of transported energy – smartness

Transported energy constant

Grid costs

15

2

Energiesystem der Zukunft und Subsidiaritätsprinzip – Kombination von Mustern stabilisiert Module und Stromsystem Regionale Energie Cluster: Kombination von Stadt und Land – Stabilität durch Diversität

Herausforderung: Eigentumsstruktur der Netze

Urbane Region: Erzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik, KWK*) DSM*): Power to Heat

Speicher: Power to Gas Ländliche Region: Erzeugung: Solaranlagen, Wind, Biomasse, Wasser, GuD-Turbine*)

Speicher: Pumpspeicher Energieaustausch zwischen Stadt und Land über das HSNetz *) (Minimierter) Energieaustausch zwischen den Clustern über das HöS-Netz *)

*) KWK: Kraft-Wärme-Kopplung DSM: Demand Side Management GuD: Gas und Dampf 16 HS: Hochspannung HöS: Höchstspannung

2

Flexible statt starre Netzbezirke – Regionale und lokale Absorption von volatiler Erzeugung Umspannwerk (Einspeisung oder Rückspeisung)

Spannungsregelung

Ortsnetzstation (Verbrauch oder Einspeisung)

Grenzmastschalter geöffnet (Adaption)

Grenzmastschalter geschlossen (Adaption)

17

2

BMWi – Schaufenster intelligente Energie: Digitale Agenda für die Energiewende SINTEG „Intelligentes“ Zusammenwirken von Erzeugung, Netzen, Verbrauch und Speicherung durch Digitalisierung Förderprogramm SINTEG des BMWi über 230 Mio. € für fünf ausgewählten Schaufensterregionen in Deutschland über einen Projektzeitraum von vier Jahren Förderung der Gesamtinvestitionen der 200 Projektpartner in Höhe von 600 Mio. € in Modernisierungsmaßnahmen und innovative Technologien •

C/sells: Großflächiges Schaufenster im Solarbogen Süddeutschland

•

Designetz: Baukasten Energiewende – Von Einzellösungen zum effizienten System der Zukunft

•

enera: Der nächste große Schritt der Energiewende

•

NEW 4.0: Norddeutsche EnergieWende

•

WindNODE: Das Schaufenster für intelligente Energie aus dem Nordosten Deutschlands

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2

BMBF – Kopernikusprojekte für die Energiewende: Initiierung von Innovationen für die Energiewende Erschließung von Forschungsfelder mit ausgeprägter Komplexität, mit einem hohen Forschungsrisiko und besonderen Potenzialen für die Umstellung des Energiesystems Für die erste Förderphase bis 2018 stehen bis zu 120 Millionen Euro bereit und bis 2025 sollen weitere 280 Millionen Euro zur Verfügung stehen 230 Institutionen sind in die Projekte involviert

•

Neue Netzstrukturen

•

Flexiblere Nutzung erneuerbarer Ressourcen / Power-to-X

•

Ausrichtung von Industrieprozessen auf fluktuierende Energieversorgung

•

Systemintegration / Transformation und Vernetzung der Energieversorgung 19

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Eine systematische Betrachtung

19

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Ausgangssituation, Bedarf, Aktion Ausgangsituation

 Übergreifende Studien und Untersuchungen zu Herausforderungen in Verteilnetzen sind vorhanden  Punktuell werden Lösungsansätze aufgezeigt

Bedarf  Systematische und umfängliche Betrachtung der Handlungsfelder für Schutz, Automatisierungs- und Netzleittechnik  Systematische Beschreibung und Bewertung von Lösungskonzepten

Aktion  Ca. 30 aktive Mitarbeiter aus Energieversorgung und Industrie (Task Force, ITG, FNN)  Leitung: Dr. Heinrich Hoppe-Oehl (Westnetz GmbH), Dr. Heiko Englert (Siemens AG)  Mentor aus ETG-Vorstand: Prof. Dr. Peter Birkner (House of Energy e.V.)  Workshops mit Netzbetreibervertretern auf Technik- und Managementebene

 Zeitrahmen: 18 Monate; Veröffentlichung April 2016  Arbeitsergebnis: Bericht in Form technischer Empfehlungen

20

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Ziel Ziel  Detailliertes Aufzeigen der Handlungsfelder und des Handlungsbedarfs  Systematische Erfassung und Darstellung von Lösungskonzepten  Erstellung eines Anforderungskatalogs für Lösungskonzepte und notwendige Komponenten  Empfehlungen für die technische und betriebliche Umsetzung in Netzbetrieb und Netzführung in unterschiedlichen Spannungsebenen  Empfehlungen für Netzbetreiber, Hersteller, Dienstleister, Verbände, Forschung und Standardisierungsorganisationen sowie Politik und Regulierungsbehörden

21

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Inhalt und Dokumentstruktur Inhalt und zielgruppenorientierte dreistufige Dokumentstruktur  Fokus auf Technik und Netzbetrieb  Berücksichtigung der grundsätzlichen Wechselwirkungen mit organisatorischen, gesetzlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen (insbesondere auch Anforderungen hinsichtlich Informationssicherheit)  Basis für die Erarbeitung und Weiterentwicklung von Planungs- und Betriebsgrundsätzen  Zeithorizont umfasst einen kurz- bis mittelfristigen Zeitraum, so dass die dargestellten Konzepte einen aus derzeitiger Sicht umsetzbaren Charakter besitzen  Zielgruppen: Netzbetreiber, Hersteller, Dienstleister, Verbände, Forschung und Standardisierungsorganisationen sowie Politik und Regulierungsbehörden Inhalte

Zielgruppen

Management Summary

  

Zusammenfassung Wesentliche Ergebnisse und Empfehlungen Hinweise zur Verwendung

 

Unternehmensführung Politik, Fachpresse

Hauptdokument

   

Ausgangssituation Methodik Ergebnisse Empfehlungen



Technisches Management

Module

   

Schutztechnik Automatisierungstechnik Netzleittechnik Komponenten und IKT

   

Fachexperten, Planer, Berater, Produktmanager Standardisierungsexperten Sachverständige



Leitsätze zur Umsetzung

22

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Systematik Systematik  Die Studie folgt der Systematik, welche Lösungskonzepte eignen sich, um bestimmte Handlungsfelder bzw. technische Herausforderungen zu adressieren  Die Themenfelder werden nach Schutztechnik, Automatisierungstechnik und Netzleittechnik strukturiert

Handlungsfeld Handlungsfeld

Technische Technische Herausforderung Herausforderung

adressiert

Lösungskonzept

Lösungskonzepte Lösungskonzepte

Komponente

Komponente Komponente Komponente

verwendet Realisierungsgrad

Anwendungskriterien

A: Eingeführt und angewendet

Kommunikation

B: In Pilotanwendungen geprüft C: Zukünftig für Pilotanwendungen vorgesehen D: Derzeit keine Pilotanwendung in Sicht 23

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Beschreibung und Priorisierung Beschreibungsmethodik  Zur Darstellung der Zusammenhänge von Handlungsfeldern und Lösungskonzepten wurde folgende Beschreibungsstruktur gewählt Themenkomplex Handlungsfelder Lösungskonzept 1

Realisierungsgrad

Lösungskonzept 2

Realisierungsgrad

Priorisierung  Bewertungsmatrix für die Priorisierung der Maßnahmen

24

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Neue Herausforderungen Schutztechnik       

Zweiseitig gespeiste Fehlerströme in Ring-/Stichnetzen Geringere Unterschiede zwischen Last- und Kurzschlussstrom Zwischeneinspeisungen Ungewollte Inselnetzbildung Optimierung der automatischen Wiedereinschaltung Zunehmende Verkabelung und Auswirkung auf Sternpunktbehandlung Wechselwirkung zwischen Schutzgeräten und Reglern leistungselektronischer Betriebsmittel  Höhere Auslastung der Betriebsmittel

Automatisierung

SGAM: Smart Grid Architecture Model

 Auswirkungen der Lösungskonzepte oder Technologien auf den Netzbetrieb und den Netzservice, z.B. hinsichtlich Aufwand, Personalqualifikation und Organisation  Regulatorische Rahmenbedingungen  Auswirkungen des IT-Sicherheitsgesetzes  Auswirkungen des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende auf die Automatisierungstechnik zur Sicherstellung der Netzstabilität im Verteilnetz  Zusammenspiel von Netzen und Marktkomponenten an der Schnittstelle zur Kundenanlage

Netzleittechnik     

Dezentrale Erzeugung sowie deren Volatilität Steigende Netzbelastungen Komplexere Wechselwirkungen im System Neue Anforderungen der Informationssicherheit (IT-Sicherheitsgesetz und IT- Sicherheitskatalog) Datenaustausch zwischen den verschiedenen Netzbetreibern im Rahmen der Kaskade

25

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Zentrales Ergebnis Aktive Verteilnetze benötigen … … mehr dezentrale Automatisierung – zudem Netzleittechnik mit neuen übergreifenden Funktionen.

… nicht weniger lokale Schutztechnik – mehr übergreifende Schutzfunktionen.

Markt

Unternehmen Betrieb

Netzleittechnik

Station

Schutz- und Automatisierungs -technik

Feld Prozess

(Groß-) Erzeugung

Übertragung

Verteilung

Kundenanlagen Dezentrale Erzeugung

Ausweitung der Anwendungsbereiche von Schutz-, Automatisierungs- und Netzleittechnik

26

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Weitere Ergebnisse und Empfehlungen

Es sind Investitionen erforderlich.

 Die notwendige Beobachtbarkeit der Netzsituation und Steuerbarkeit von dezentralen Erzeugungsanlagen erfordern Investitionen in Netztechnik und Netzbetrieb.

 Es sind stabile regulatorische Rahmenbedingungen zu schaffen. Der Zeitverzug bei der Anerkennung von Investitionen ist abzuschaffen und es bedarf Anreize für Investitionen in Innovationen.

Es gibt keine universelle Lösung.

 „Eine universelle Lösung gibt es nicht“. Die erarbeiteten Lösungskonzepte sind von jedem Netzbetreiber individuell technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Außerdem sind die notwendigen Maßnahmen in den Netzen stark von der regionalen Einspeisesituation abhängig (Stadt/Land).

Komponenten zum Aufbau sind verfügbar.

 Die Komponenten zum Aufbau der Lösungskonzepte sind verfügbar! Für die erforderliche Informations- und Kommunikationstechnik gibt es Übertragungs- und Zeitsynchronisationstechnologien sowie Kommunikationsprotokolle, die die spezifischen Anforderungen für Echtzeitund echtzeitnahe Anwendungen erfüllen.

Migrationskonzepte sind zu entwickeln.

 „Alles auf einmal geht nicht“. Nachhaltige Migrationskonzepte sind unter Berücksichtigung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses zu entwickeln und umzusetzen.  Ein technisch sinnvolles Gesamtkonzept, bestehend aus Automatisierungs- und Netzleittechnik und dem intelligenten Messsystem, ist zu definieren. 27

3

VDE-Studie Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen – Zusammenfassung und Fazit Durch Netzausbau und die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen ergeben sich neue Herausforderungen für die Schutztechnik  Die Studie gibt einen Überblick und beschreibt die neuen technischen und betrieblichen Herausforderungen im Verteilnetz  Lösungskonzepte werden systematisch und standardisiert dargestellt und bewertet  Kann als Basis für eine Überarbeitung von Planungs- und Betriebsgrundsätzen dienen

 Praxisrelevant und aktuell anwendbar, da der Ausgangspunkt die heutige Situation und installierte Basis ist und ein kurz- bis mittelfristiger Zeithorizont betrachtet wird  Leitfaden, wie die Lösungskonzepte zum konkreten Handlungsbedarf passen und zu bewerten sind  Neu-Beschreibung der Technik und Konzepte (das „Wie“) aus Sicht der Schutz-, Automatisierungs- und Kommunikationstechnik

Die Studie ist ein wichtiges Element in Bezug auf Smart Grids aber es gibt durchaus weitere Fragen  Dynamische Designprinzipien elektrischer Netze  Sicherheitsaspekte

28

4

Smart Grids bieten zusätzliche Funktionalitäten – Versorgungsqualität, Engpassprognose, Betriebsmittelzustand Beyond the efficient integration of renewables there are additional value creating functionalities of smart grids: 

Sensors combined with an evaluation algorithm can detect free distribution capacities (1)



Deviations form the standard grid topology – e.g. open switch – can be identified (2)



Failures like an interruption of a single phase can be detected (2)



Data can be analyzed with big data tools and a correlation with asset condition can be derived (3)



A congestion forecast algorithm based on grid, weather, time and other data can be implemented. Big data tools have to be used (3) Static Grid Data Grid Instantaneous Control

(1) (2)

(3)

Operation without acting devices Control sensors necessary No project so far

Smart RTU

Acting Devices

Data Storage

Anticipating Control

Data Analysis

Sensors

Sensors

Voltage Current Temperature Wind Sun Humidity Date Time

Current Funtionalities Under development 29

4

Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” – Kostenstrukturen dezentraler und zentraler Methoden

- Modularisierung - Standardisierung - Massenfertigung - Verbrauchsnähe - Kombination von Funktionen

- Wachstumsgesetze - Singuläre Produkte, - Singuläre Funktion

Beispiel:

30

Quelle: Handelsblatt

4

Direkte und indirekte Steuerung des Energiesystems –

Ort – unverzügliche Reaktion – Automatismus  Verletzung des Spannungsbandes Energiewende  Überstrom

Technik

Örtliche und zeitliche Verfügbarkeit

Markt

Ort – verzögerte Reaktion – Preis – Smart Meter  Verletzung des Spannungsbandes Energiewende  Überstrom

Netz

Smart Grid

Zeit – unverzügliche Reaktion – Automatismus  Leistungsgleichgewicht Monopol  Frequenz- / Leistungsregelung

Technik

Smart Market

Erzeugung / Verbrauch

Zeit – verzögerte Reaktion – Preis – Smart Meter  Leistungsgleichgewicht Liberalisierung  Bilanzkreise

Markt

Smart Grid Tariff

Smart Generator 31

Prof. Dr.-Ing. Peter Birkner, Honorarprofessor Bergische Universität Wuppertal, Geschäftsführer House of Energy e.V., Kassel

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!