Transcript Erneuerbare Energien

Energietechnik
Teil 2 – Erneuerbare Energien
Stephan Rupp
www.dhbw-stuttgart.de
Energietechnik, Teil 2, S. Rupp
5. Semester, Elektrotechnik
Inhalt
Erneuerbare Energien
•
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
•
Verbraucherstruktur im Netz
•
Erneuerbare Energien im Netz
•
Wirtschaftliches Umfeld
Energietechnik, Teil 2, S. Rupp
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5. Semester, Elektrotechnik
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
Kraftwerke
Wärme (70%)
Wärme (70%)
CO2
C (Kohle)
O2
Kraftwerk
Kernkraftwerk
Strom (30%)
•
fossile bzw. nukleare Brennstoffe
•
hohe Leistung (ca. 1 GW elektrisch)
•
hohe Planbarkeit
Energietechnik, Teil 2, S. Rupp
Stromnetz
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5. Semester, Elektrotechnik
Einspeisung beim Kraftwerk
Beispiel: Dampfturbine
Stromnetz
Kessel
110 kV
Niederdruck
•
synchroner Betrieb
•
kinetische Energie
•
Verbund starr gekoppelter
15 kV
Hochdruck
Synchrongeneratoren
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5. Semester, Elektrotechnik
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
Sonne (Photovoltaik, PV)
•
keine Brennstoffe
•
Anlagengröße:
Stromnetz
–
1 kW - 1 MW (Niederspannung)
–
10 - 20 MW (Mittelspannung)
–
10 - 60 MW (Hochspannung)
•
planbar im Rahmen der Wettervorhersage
•
Einspeisung: über Wechselrichter
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5. Semester, Elektrotechnik
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
Windparks
•
keine Brennstoffe
•
Anlagengröße:
Stromnetz
–
1 - 100 MW (Mittelspannung)
–
10 - 500 MW (Hochspannung & Offshore)
•
planbar im Rahmen der Wettervorhersage
•
Einspeisung: vorwiegend über Wechselrichter
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5. Semester, Elektrotechnik
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
Biogas und Biomasse
•
Brennstoffe (CO2-neutral erzeugt):
–
Biogas: Gas als Brennstoff (Gasturbine)
–
Biomasse: benötigt einen Kessel (Dampfturbine)
•
Anlagengröße: 400 kW bis 10 MW
•
hohe Planbarkeit
•
schnelle Verfügbarkeit (für Gasturbine)
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Stromnetz
5. Semester, Elektrotechnik
Einspeisung durch Wechselrichter
Beispiel: Solarwechselrichter
DC/AC Wandler mit Transformator
Legende:
MPP: Maximum Power Point (Arbeitspunkt mit maximaler Leistung)
PWM: Pulsweitenmodulation für den AC-Wandler
NA-Schutz: Netz- und Anlagenschutz (Netztrennung für Wartungen bzw. im Fehlerfall)
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5. Semester, Elektrotechnik
Struktur des Netzes
Erzeuger und Verbraucher
Synchrongeneratoren
•
Sammelschienen
•
Leitungen bzw. Kabel
•
Erzeuger erneuerbarer Energien vorwiegend in den unteren Spannungsebenen
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5. Semester, Elektrotechnik
Inhalt
Erneuerbare Energien
•
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
•
Verbraucherstruktur im Netz
•
Erneuerbare Energien im Netz
•
Wirtschaftliches Umfeld
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5. Semester, Elektrotechnik
Verbraucherstruktur im Netz
Verhältnisse in Deutschland
•
Verbraucher und Energiebedarf
–
Industrie: 47% des Energiebedarfs (Wh bzw. W)
–
Handel und Gewerbe: 26%
–
Haushalte: 14%
–
Sonstige (Verkehr, Landwirtschaft, öffentl. Einrichtungen, …): 14%
•
Netzstruktur
–
Abhängig von den Bemessungsgrößen der Betriebsmittel
–
Mittelspannungstransformatoren (z.B.
–
Ortsnetztransformatoren (z.B. Land, Stadt)
–
Leistung zur Hauptbetriebsstunde: z.B. 80 GW
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5. Semester, Elektrotechnik
Verbraucherstruktur im Netz
Netzmodell
•
Spannungsebenen:
–
Hochspannungsnetz (110 kV)
–
Mittelspannungsnetz (20 kV)
–
Niederspannungsnetz (Ortsnetz, 0,4 kV)
•
Struktur:
–
ländliches Netz: ca. 1/5 der Bevölkerung, Niederspannung
–
städtisches Netz: ca. 4/5 der Bevölkerung, Niederspannung
–
Industrieabnehmer: Mittelspannung und Hochspannung
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5. Semester, Elektrotechnik
Verbraucherstruktur im Netz
% Anteil der Verbrauchs (el. Leistung)
% Anteil des Verbrauchertyps im Netz
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Betriebsmittel
Niederspannungsnetze im Land
Niederspannungsnetze in der Stadt
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5. Semester, Elektrotechnik
Struktur der Niederspannungsnetze
Beispiel: Stadt
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5. Semester, Elektrotechnik
Struktur der Mittelspannungsnetze
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5. Semester, Elektrotechnik
Vereinfachtes Netzmodell
Hochspannungsnetz
•
Großindustrie
•
städtische Netze
•
ländliche Netze
repräsentatives Modell: ca.
1/600 des gesamten Netzes
Die Proportionen ergeben sich aus Bemessungsgrößen der Mittelspannungstransformatoren und
der Leistung zur Hauptbetriebsstunde.
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Inhalt
Erneuerbare Energien
•
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
•
Verbraucherstruktur im Netz
•
Erneuerbare Energien im Netz
•
Wirtschaftliches Umfeld
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5. Semester, Elektrotechnik
Installierte Kapazitäten in 2012
Erneuerbare Energien
•
Wind:
–
Weltweit: 284 GW
–
USA: 110 GW
–
EU: 106 GW hiervon D: 30 GW Spanien 23: GW
•
Photovoltaik:
–
•
D: 30 GW, Italien: 16 GW, USA: 7 GW, China: 7 GW
Einfluss EE im Netz:
–
in D gemessen an der Größe des Netzes somit bereits heute
signifikante Einflüsse
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5. Semester, Elektrotechnik
Deckung des Energiebedarfs in 2012
Süddeutsche Zeitung, 19.10.2014
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5. Semester, Elektrotechnik
Entwicklung erneuerbarer Energien
Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland
16%
EE
84%
konv.
Energiemix
53% EE
47% konventionell
Quelle: DLR, IWES, IFNE: Schlussbericht Langfristszenarien und Strategien für den
Ausbau der erneuerbaren Energien in
Deutschland bei Berücksichtigung der
Entwicklung in Europa und global. 2012
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5. Semester, Elektrotechnik
Anteil erneuerbarer Energien im Netz
2010
2025
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Verteilung der erneuerbaren Erzeuger
Wind
Photovoltaik
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5. Semester, Elektrotechnik
Erzeuger im Netz (2010)
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5. Semester, Elektrotechnik
Erzeuger im Netz (2025)
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Inhalt
Erneuerbare Energien
•
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
•
Verbraucherstruktur im Netz
•
Erneuerbare Energien im Netz
•
Wirtschaftliches Umfeld
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5. Semester, Elektrotechnik
Stroms und seiner Vergütung wie in Abbildung 1 dargestellt vom Anlagenbetreiber bis z
!Stromverbraucher.
Wirtschaftliches UmfeldAbbildung!1:!
Schematische!Darstellung!des!fünfstufigen!EEGLWälzungsmechanismus!
(Bundesnetzagentur!2012a,!S.14)!
Rollen im Markt
•
Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)
•
Verbindungsnetzbetreiber (VNB)
•
Stromerzeuger (ElektrizitätsVersorgungs-Unternehmen)
•
Anlagenbetreiber
Quelle: Bundesnetzagentur
•
•
!
Verbraucher
Strombörse (Spotmarkt)
Abbildung!2:!
Abbildung 1 Mittlere!an!Betreiber!gezahlte!EEGLVergütungssätze!(Berechnung!auf!der!Basis!der!
Schematische Darstellung
des fünfstufigen EEG-Wälzungsmechanismus
kWh (elektrische
Angaben! der! Übertragungsnetzbetreiber! und! der! EEGLMittelfristprognosen! der!
Energie)
Übertragungsnetzbetreiber!bis!2018,!nach!r2b!2013,!S.4f)!
€ (Geldfluss)
60!
50!
40!
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30!
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Erzeugung und Vermarktung
EEG Umlage
•
Grünstromprivileg (Abnahmeverpflichtung)
•
Vergütung über EEG Preise
•
Netzbetreiber an Anlagenbetreiber nach fester EEG Vergütung
•
Differenz zum Preis an der Strombörse durch EEG Umlage an Verbraucher
EEG Direktvermarktung
•
Anlagenbetreiber handelt an Strombörse (Börsenpreis)
•
Förderung durch Marktprämie (= EEG-Vergütung – mittl. mtl. Börsenpreis)
•
Direktvermarktung – EEG-Vergütung = Börsenpreis – mittl. mtl. Börsenpreis
•
Ausfallvergütung (Nachweis der Netzqualität bzw. Anlagenverfügbarkeit)
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5. Semester, Elektrotechnik
ÜNBs neu berechnet. Hierfür erstellen die ÜNBs eine Prognose für die Entwicklung
aller die Umlage beeinflussenden Parameter im nächsten Jahr.
Strombörse
Abbildung 3
Qualitative Darstellung der Bildung der Differenzkosten aus den Kosten für Zahlungen und den Erlösen für erneuerbaren Strom am Strommarkt
Strompreis
€
•
Aus Angebot und Nachfrage
•
zunächst günstigste Erzeuger
Nachfrage
Differenzkosten
Vergütungszahlungen
an
EE-Anlagenbetreiber
und weitere
Kosten
•
dann zunehmend teure Erzeuger
•
berücksichtigt werden nur variable
Angebot aus
konventionellen
Kraftwerken
werden umgelegt auf
nichtprivilegierten
Stromverbrauch
Strompreis
Einnahmen
für EEStrom am
Strommarkt
Kosten (d.h. Primärenergiekosten)
•
EEG-Vergütung
Fixkosten (Investitionen in AnlaEE-Stromproduktion
gen) werden nicht berücksichtigt
Quelle:
Quelle: Öko-Institut e.V.
MWh
Öko-Institut
Passendes Modell für erneuerbare Energien?
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Eine detaillierte Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren für die EEG-Umlage und ihrer
Bedeutung bietet Öko-Institut (2012).
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