NeldnerConsult, System und Elektrizitätsnetzberatung, Berlin, Germany "Anforderungen an einen sicheren Betrieb des Elektroenergiesystems infolge der Energiewende" Darstellung des Stromversorgungssystems früher / heute /morgen bei Erzeugung, Netz, Speicherung und Verbrauch“ November 2014 Dipl.-Ing. W. Neldner NeldnerConsult, System und Elektrizitätsnetzberatung, Berlin, Germany www.Neldnerconsult.eu

Gliederung Die Komplexität des Energieversorgungs-Systems(EVS) Was hat sich grundlegend geändert?- Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“ Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt beachtet werden November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Die Elektrizitätssysteme sind nicht nur in technisch-technologischer Hinsicht sehr komplex der Mensch die Regulierung € oder € §§ November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Alle Betriebszustände tragen zur Funktionalität des EVS oder dessen Wiederherstellung bei: Infrastruktur-System EVS Netzbereich (reguliert) Normalbetrieb Stress-Betrieb (Frühwarnung) Markt Restriktion Stör-Betrieb (Alarm) Teil-/Totalausfall (Notfall) Wiederaufbau (Schwarzstart) November 2014 www.NeldnerConsult.eu

! Ein vereinfachtes Schema des deutschen EVS ? Speicher (Notfälle) SOS-Kriterien(EnWG §13): Überall Spannung (0,4 – 380) kV Wirkleistungsbalance/ stabile Frequenz (50 Hz+/- 0,2) 3. Keine Überlast im Netz(n-1) 4. Systemschutzfähigkeit 5. Sinusstabilität Inselbetriebsfähigkeit und Schwarzstartfähigkeit Erhalt des Stromverbundes in Europa und Deutschland 100% Fahrplan EE-Vorrang! Min ? EE-Erzeug. Konvent. Erzeuger (0-95)% Min = 30 GW Max = 80 GW Elektrizitätssystem Export/Import max. 15 GW ! Speicher (Notfälle) marktabhängig Fahrplan(BKM) Tageszeit Zeitgeist KMU Industrie Haushalte November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Gesamtübersicht (Asymmetrie in der Statik, wesentliche und anhaltende Zunahme der Dynamik) Wind offshore RZ im Verbund oder Insel ?, RZ-Verantwortung HöS P-Netzschnittstelle(Hö,Ho,MS,NS) HS (Ort, Dauer, Kosten,..) dP/dt Regionale (Last-) Aspekte, RZ-Mit-verant-wortung MS (Ort, Dauer, Kosten,…) dU/dt Wind NS PV November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Gliederung Was hat sich grundlegend geändert?- Die Komplexität des Energieversorgungs-Systems(EVS) Was hat sich grundlegend geändert?- Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“ Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt beachtet werden November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Eine wesentliche Kenngröße für alle Betriebsphasen: Der „elektrische Fahrplan“ Elektrischer Fahrplan: P(MW) W = ∑ (P (i) x t(i) ) Energie= Leistung mal Zeit, also ein durchschnittlicher Energiewert ist leider kein durchschnittlicher Leistungswert !!, bzw. : Leistung gleich Null heißt, es ist dunkel!- trotz durchschnittlicher Energiebereitstellung 13.00 13.15 13.30 t(h) November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Befriedigung der Nachfrage/N durch Erzeugung/E - die Zeit bis 2000 - Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h 80 60 40 20 Wel N 80 60 40 20 Wel E Pel N Pel E = Z (h) Z (h) 1 Jahr 1 Jahr November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - die Zeit ab 2000 - Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h 80 60 40 20 Pel E = Pkonv. + PEE + Preser. Pel N Pel E 80 60 40 20 Wel N = P(konv.) PEE PR Z (h) Z (h) 1 Jahr 1 Jahr November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Befriedigung der Nachfrage durch Erzeugung - in wenigen Jahrzehnten - Pel PV Wel N = Wel E(PV) , aber Strom nur tagsüber und nur bei Sonne- also rein rechnerisch!! Wel N = Wel E = Pel E x 8760 h 200 100 20 Pel N 80 60 40 20 Wel N = ??? Z (h) Z (h) 1 Jahr 1 Jahr November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Für Gesamtdeutschland Die fünf Herausforderungen für die Systemstabilität bei der Leistungsbilanz Für Gesamtdeutschland Für RZ 50Hertz Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB www.NeldnerConsult.eu

Neue Herausforderungen- Erneuerbare Energien(EE): Die Produktion der EE-Kraftwerke ist nicht last-, sondern strikt naturgebunden (!), mitunter ergibt die Addition ein Supermaximum, mitunter nur „Null“ Quelle: Coreso News, Weekly report, 2012 week 32 - 03/08/2012 till 09/08/2012, S. 03; zitiert nach: http://www.transparency.eex.com/de/ November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Sommer 2013- Praktisch anhaltend kein Wind und – sonnensystembasiert – nur am Tage Sonne !! KW 28 KW 29 Quellen: Coreso, Day Ahead report for 05/07/2013, S. 04; zitiert nach: http://www.transparency.eex.com/de; Coreso, Day Ahead report for 12/07/2013, S. 04; zitiert nach: http://www.transparency.eex.com/de November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Entwicklung der Windkraft in Deutschland – eine ausgeprägte Nord-Süd-Asymmetrie (2012, in GW) gesamt SH + 0,3 3,5 NI + 0,4 7,3 HH 0,05 (+) 2012 gesamt MV + 0,3 2,0 BB + 0,2 4,8 B ST +0,2 3,8 2012 gesamt NW + 0,1 3,1 RP + 0,3 1,9 HE +0,1 0,8 SL 0,03 0,1 2012 gesamt SN + 0,03 1,0 TH 0,1 0,9 (-) 2012 gesamt BW +0,02 0,5 BY +0,2 0,8 November 2014 www.NeldnerConsult.eu

……..und was bedeutet das für die Netzkapazität und die Systemdienstleistungen ??? Last EE-Kraftwerke (Vorrang) konvent. Erzeugung PEE Reserveleistung (z.B. PSW, Gas) Netzkapazität Infolge: a) Vorrang, b) energetischer Ausbeute bei 5-20% der EE-KW sinkt: die Auslastung der konvent.KW und steigt: massiv die geforderte Netz-und Reserve- KW-kapazität, die derzeitige Regelleistung reicht dafür keinesfalls !! PR PE 1 Jahr November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Erstes Zwischenfazit Mit dem Fortschreiten der Energiewende und dem damit verbundenen Einsatz von Naturenergien, die nur ein sehr geringes energetisches Vollzeitdargebot aufweisen können, wird ein erheblich größeres und leistungsstärkeres ÜNB- und VNB - Netz und ein viel umfangreicheres Netz- und Systemmanagement benötigt. Daraus folgen zusätzliche Anforderungen zur Gewährleistung der EVS-Funktionalität (also – sehr frei nach §13 EnWG – anforderungsgerechte Wirkleistung/ Frequenz; Spannung/ Blindleistung; Systemstabilität; exzellentes und trainiertes Betriebspersonal u.v.a.) Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum VNB www.NeldnerConsult.eu

Gliederung Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur Die Komplexität des Energieversorgungs-Systems(EVS) Was hat sich grundlegend geändert?- Der falsche Weg der „Durchschnittsbetrachtung“ Lösungsansätze- Ganzheitlichkeit und Projektstruktur Markt und Naturstromnutzung ist kein Widerspruch, wenn die ökonomischen und physikalischen Systemanforderungen strikt beachtet werden November 2014 www.NeldnerConsult.eu

„System-stabilisatoren“ Ein sicheres EVS wird durch regelzoneninterne „Systemstabilisatoren“ abgestützt und abgefedert, also vorhandene oder neue Einrichtungen, die nach strengen Kriterien präqualifiziert werden und zur Systemsicherung dienen und von ÜNB/ VNB eingesetzt werden ? sicher „System-stabilisatoren“ Quelle: Gutachten Neldnerconsult zum Systemstabilisator November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Der Systemstabilisator- die anlagenkonkreten Kriterien als Anforderungen an systemsichernde Einrichtungen(regenerativ und konventionell) von heute und morgen !!! Gesicherte Aufruf-und Startbereitschaft des Systemstabilisators Anforderungsgerechte und unverzögerte Leistungs-und Spannungsbereitstellung, einschließlich der geforderten Änderungsgeschwindigkeiten, Echtzeitdaten an ÜNB/VNB Inselbetriebsfähigkeit, autarker oder (abgesichert) unterstützter Wiederanfahrbetrieb Abgesicherte (Brennstoff-)Bevorratung am Erzeugungsstandort !! Erprobtes Konzept für Mindest-, Alternativ und Notbetrieb, einschließlich einsatzbereites Bereitschaftspersonal und Treibstoffbereitstellung Erprobtes Konzept für übergreifendes Training der zuständigen Führungskräfte und der Diensthabenden im Operativsystem Leistungsspannbreite: 20- 35 % der höchsten Systemlast als Normierungs-grundlage, weitere wissenschaftlich-praktische Untersuchung erforderlich, starke Abhängigkeit von Besonderheiten der Regelzone , der verfügbaren(!) Kuppelkapazität und dem Status der konventionellen u. regenerativen Kraftwerke, sowie vor allem der (noch vorhandenen) Pumpspeicherwerke November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Pumpspeicherwerke (PSW)- als bipolare Systemstabilisatoren, extrem schnell und zuverlässig bei der Systemsicherung, Quelle: Gutachten Neldnerconsult zu PSW PSW sind einsetzbar bei der Erzeugung elektrischer Leistung (Generatorbetrieb) dem Verbrauch elektrischer Leistung (Pumpbetrieb) der Speicherung von Elektrizität der Spannungsregelung dem „Schwarzstart“(ohne Fremdenergie) u.a. Dienstleistungen 1 2 1 – Unterbecken 2 – Oberbecken Pumpen und Generatoren sind im Berg (Kaverne) Quelle: Dow Jones, Energy Weekly, Nr. 15, Freitag, 13. April 2012. November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Zweites Zwischenfazit Basierend auf den Erfahrungen schwerer Netzstörungen großer Systeme ist die Online-Bereitstellung, Auswahl und übergreifende Bewertung geeigneter Echtzeitdaten, die hinreichend genau die Robustheit, die Überlebensfähigkeit und Wiederherstellbarkeit des Elektrizitätsversorgungssystems beschreiben, von entscheidender Bedeutung. Bei Systemen mit einer tatsächlich mehrheitlichen Leistungsbereitstellung aus stochastisch und naturgebundenen Energiequellen wie PV und Wind ist deshalb unverzüglich eine umfassende Echtzeitdatenbereitstellung aller Erzeugungen und wesentlicher Nachfragegruppen mit einer geeigneten Äquivalentierung für ein sicheres EVS unbedingt erforderlich.   www.NeldnerConsult.eu

Einige wichtige Maßnahmen (kurz- und langfristig) Training mit operativem Personal!!! Ausbau Offshore Notfallpläne und AHK ? Erhalt gesicherter konvent. KW (Kohle) USV + Treibstoff + Kommunikation neues Energie-sicherungs-gesetz (EnSiG) „System-stabilisatoren“-sofort Leitungsbau - sofort! Internationale Leitungen, verstärken, neue bauen Anreize für Laststeuerung Info - offensive pro stabiles Strom-System zu- und abschaltbare Leistung Speicher-vorhandene nutzen, neue bauen November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Exkurs: Nachhaltiger Erfolg nur durch funktionierende Technik und trainiertes Personal Das Wunder vom Hudson: Glück allein reicht nicht! Air-France-Absturz: Nur ein Pilotenfehler? Vor einem Jahr notwasserte der mutige Pilot Chesley „Sully“ Sullenberger mit einem Airbus mitten im Hudson River in New York. Alle Passagiere überlebten – fast unverletzt! Quelle: www.bild.de Die Instrumente des Airbus zeigten falsche Daten an, die hilflosen Piloten waren schlecht ausgebildet […]. Quelle: www.merkur-online.de November 2014 www.NeldnerConsult.eu

. Danke für Ihre Aufmerksamkeit November 2014 www.NeldnerConsult.eu

Schlussfolgerungen (Auswahl) Der Netzausbau ist eine entscheidende Säule bei der wirksamen Umsetzung der Energiewende. Daneben gewinnen die Systemdienstleistungen beim weiteren Fortschreiten der Energiewende eine systematisch zunehmende Bedeutung (Angebot, Auswahl, Vergütung, Kontrolle). Als entscheidende Stellschraube wird sich die Erfassung, Weiterleitung und ungehinderte Bewertung der Echtzeitdaten erweisen. Die Kooperation und Koordinierung der VNB untereinander, der VNB mit den regelzonenverantwortlichen ÜNB und den vielen neuen (Multi-)Akteuren und zukünftig auf europäischer Ebene(z.B. über EDSO, über ACER und ENTSO-E) muss forciert werden. Die Zunahme von Stresssituationen erzwingen eine Intensivierung von Prävention, z.B. bei übergreifenden Trainings. Das politisch-rechtliche und regulatorische Regelwerk muss dringend präzisiert und erweitert werden (Genehmigungen und Zertifizierung, Markt und Produkte, kriterielle Betrachtung usw.) www.NeldnerConsult.eu