Die Energieversorgung 20XX

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1 Die Energieversorgung 20XX
Das „Virtuelle Kraftwerk“ Strom, Wärme, Rohstoffe Energieeffizienz Netznutzungsmanagement I & K / Automatisierung / ISDN / Internet / e-commerce Ferndiagnose / Dienstleistungen Kommunikationsnetz 400 / 110 kV Solarenergie Grundlast- kraftwerk Umrichter Batterie Windpark City 1 Wärmenetz Umspannwerk Biomasse Lastprofile 110 kV Leit- zentrale Gebäude- / Effizienz- und Abrechnungsmanagement Power Quality BHKW Microturbine City 2 GUD-Kraftwerk Brennstoffzelle 20 kV City 3 Industrie Hospital Medizintechnik Stromnetz Neubaugebiete Power Quality 110 kV Die Energieversorgung 20XX

2 Welche ökonomischen und ökologischen
35. Welche ökonomischen und ökologischen Chancen sehen Sie in der Verknüpfung dezentraler Stromenergieeinheiten zu virtuellen Kraftwerken?

3 INNOVATIONSPOTENTIAL IN DER ENERGIETECHNIK
Erzeugung Energie- Speicherung Distribution Handel Applikationen Heizung / Warmwasser Akkugespeiste Geräte Stromzähler- management Kundennahe Produkte Automation im Haus Lastmanagement Kundenselbstservice Versorgungsdienste aus einer Hand per Internet Konventionelle Energieerzeuger Neu oder regenerative Energieerzeuger  Brennstoffzellen  Mikroturbinen  Wasser  Solar  Wind  Biomasse / Müll Batterie-Technologien Wasserstoff Supraleitende Spulen Superkondensatoren Transport Supraleitung Services, Simulation, Netzplanung Gleichstromübertragung Dynamische Blindleistungs- kompensation (FACTS) Verteilung Dezentrales Energiemanagement Telekommunikation über das Stromnetz Blindleistungskompensation Durchleitungs- prognose Strombörsen Least Cost Routing Endkundenhandel Zahlungs- und Abrechnungssystem Quelle: Innotech

4 Leipziger Strombörse / SPOT-Markt 1.8.2001 :
Strom kostet im Durschnitt 0,02 € / kWh

5 Trend der Entwicklung zukünftiger Strompreise „Erzeugung“ und Einspeisevergütungen in Deutschland ~ 13,0 ~ 13,0 > 10,0 €-Cent / kWh 5,5 - 9,0 5,5 - 9,0 Über- schrei- tungs- last Neue Tech- nolo- gien ~ 6,5 ~ 6,5 Ein- speise- ver- gütung Über- schrei- tungs- last ~ 4,2 ~ 4,0 ~ 4,0 - 5,0 ~ 3,2 Ein- speise- ver- gütung ~ 2,7 Spitzen- last Spitzen- last ~ 2,3 Ein- speise- ver- gütung ~ 2,2 ~ 2,3 Über- schrei- tungs- last ~ 2,2 Grund- last Mittel- last Spitzen- last Grund- last Mittel- last Grund- last Mittel- last Leistungsklassen Leistungsklassen Leistungsklassen Bis Abgeschriebene Kraftwerke Keine Überkapazitäten mehr Ab Neue Erzeugungsinvestitionen Keine Überkapazitäten Beginnender Wettbewerb Abgeschriebene Kraftwerke Überkapazitäten 20

6 Wie ist der Stand der Entwicklung
36. Wie ist der Stand der Entwicklung der neuen Technik "intelligente Netze" und wann ist mit deren Marktreife zu rechnen?

7 Dezentrales Energiemanagement System DEMS
Prinzipielle Darstellung eines Intelligenten Dezentralen Energieversorgungssystems Energiebezug / Lieferung / Verträge Dezentrales Energiemanagement System DEMS Prognose Wetter regenerative Erzeugung Last Einsatzplanung Erzeugung, Speicher, Lasten einschl. Querverbund, Bezugs-/Lieferverträge, Primärenergieverträge, Reserven Online Optimierung Erzeugung Speicherung Last EM EM EM EM EM ... Erzeugungsmanagemt. EM EM LM LM LM LM ... Lastmanagement LAN / WAN, ISDN, GSM OPC, XML Prozeßschnittstelle Kat. A B verteilte Erzeugung (Brennstoffzelle, Microturbine) C A A B verteilte Lasten (therm. u. elektr.) C AE AE    mit Fahrplan bzw. Estimation (RST) RST/ Konz. nicht beeinflußbare Erzeugung nur prognostizierbar regelbar RST/ Konz. nicht beeinflußbare Lasten nur prognostizierbar regelbar steuerbar steuerbar therm. KW regen. KW AE AE AE AE Gasturbine, Biomasse Wind, Solar AE       BHKW mit Estimation       elektr. therm. therm. u. elektr. Motor, Brennstoffzelle AE ... Automatisierungseinheit Erzeugung Speicher Last

8 Informations- und Kommunikationsplan einer dezentralen Versorgungsstruktur am Projekt KonWerl 2010
Wind KW Erzeugungs- / Lastprofile zur Abrechnung lokales Leit- system Wählverbindung Funk / Leitungs- modem G Biomasse KW AE OPC über LAN ZP ZP ZQ ZP S W AE KPZ P1min. PTLP, QTLP ZQ PTLP, QTLP   WB, WR Profibus DP über Funk  AE P1min. PTLP, QTLP    W P1min. ASCII  S W S ZP JVA PTLP, QTLP  W Wetterprognose Stundenraster ZQ  Kommunikations- netz  P1min. S Deutscher Wetterdienst AE W Internet (FTP-Format)  W ZP PTLP, QTLP ATU  S P1min. W ZQ AE  PTLP, QTLP Modem ISDN / web-technik S ZP ZQ Zählerfernauslesesystem CONVERGE / PC-Server ASCII-File Transfer DEMS PC DK HAUS  DEMS PC P1min. TCP IP TCP IP / Profibus Offline- Planung Simulation Varianten AE LAN KPZS KPZST (SIMATIC) therm./elektr. Lasten Profibus DP LWL Lastmanagement 1 2 n Kompetenzzentrum S Standleitung WB Windstärke (Betrag) DK ... Datenkonzentrator W Wählverbindung WR ... Windrichtung P1min Leistung elektrisch, 1 min. Mittelwert AE ... Automatisierungseinheit ZP Zähler elektrisch PTLP Tageslastprofil elektrisch GS ... Globalstrahlung ZQ Zähler thermisch QTLP Tagesprofil thermisch Ein Förderprojekt der Landesregierung NRW 1

9 DEMS-Simulationsplattform KonWerl“Energiepark“
Entwicklungsphasen virtueller Kraftwerke am Projekt „KonWerl 2010“ 1 2 3 Energiepark KonWerl 2010 DEMS-Simulationsplattform Virtuelles Kraftwerk Projekte NRW Projekte Deutschl. Kompetenzzentrum G KonWerl“Energiepark“ DEMS . DEMS Energiepark DEMS G Wetter- prognose G BZ Simulation G G Projekte Europa Projekte Welt G G Verbraucher Gesamtleistung ca MW Ein Innovationsprojekt der Landesregierung NRW G Strom, Wärme, Rohstoffe

10 Struktur eines Querverbundsystems
Pel Lastprofil Elektrisches Netz Zeit Elektr. Export- Vertrag P Gas Lastprofil KW Elektr. Import Vertrag HKW Zeit Erdgasnetz BHKW (im Falle BSZ) Kohle Öl Gas- Erdgas speicher Thermisches HW KW Kraftwerk HW Heizwerk HKW Heizkraftwerk BHKW ... Blockheizkraftwerk BSZ Brennstoffzelle Netz P th Lastprofil Wärme- speicher Zeit

11 Wie würde sich die Struktur der Energiewirtschaft
37. Wie würde sich die Struktur der Energiewirtschaft bei Einführung dieser Technologie verändern? (inkl. Technologie, Netzmanagement und Akteure)

12 Von der dezentralen Energieversorgung bis zum europäischen Netzverbund
Von der dezentralen Energieversorgung bis zum europäischen Netzverbund Europäischer Netzverbund Energieautobahn Nationaler Netzverbund Regionaler Netzverbund Dezentraler Netzverbund Meßtechnik für Stromdichte, Qualität, Wirkungsgrad, Durchleitungspreise Intelligentes Verbrauchs- und Abrechnungsmanagement

13 Veränderung der Stromversorgungsstrukturen
Veränderung der Stromversorgungsstrukturen heute: „zentral“ morgen: „zentral + dezentral + integral“ G Erzeugung Ü b e r t r a g u n g V e r t e i l u n g BHKW Gas Wärme / Wasser G Erzeugung Ü b e r t r a g u n g V e r t e i l u n g Automati- sierung, Kommuni- kation, Intelligente Systeme Trend: Integrierte geregelte Energieoptimierung von unten anstelle getrennter gesteuerter Verteilung einzelner Energieformen von oben.

14 Ländliche Infrastruktur
Strom- und Informationsfluss „HEUTE“ Europäischer Energieverbund 400 kV HVDC Nationaler Energieverbund 400 / 220 kV Regionale Energie- versorgung 220 / 110 kV Dezentrale Energie- versorgung 110 / 20 / 0,4 kV Stadtteile Industrie Ländliche Infrastruktur

15 Ländliche Infrastruktur
Strom- und Informationsfluss „MORGEN“ Europäischer Energieverbund 400 kV HVDC Nationaler Energieverbund 400 / 110 kV ? Regionaler Energieverbund 110 / 20 / 0,4 kV Stadtteile Industrie Ländliche Infrastruktur

16 Dezentrale Systemintegration ganzheitlicher
Dezentrale Systemintegration ganzheitlicher Versorgungsstrukturen auf der Verteilungsebene Abrechnungssystem Kundenbetreuungsmanagement Netzmanagement 1) Handel / Vertrieb Energiemanagement 2) Rohstoffe Zählerfern- auslesung Wärme G Strom G KWK, Wind,PV, BZ, Gas Reststoffe Lastprofile - Erfassung/ Archivierung/Auswertung Dezentrale Versorgungsgesellschaften Städteverbünde, Energiegenossenschaften, Industrieversorger 1) Energiebilanzmanagement, Netzleitstelle, EPSILON, Energy Sales & Care 2) therm. und elektr. Lastprognosen, Prognose dezentaler, regenerativer Erzeugung, lokale Einsatzplanung / Optimierung (Verträge, Eigenerzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung, beeinflußbare Lasten)

17 Leitzentrale Handel Bezugsfahrpläne
EVU Bezugsvertrag Handel Bezugsfahrpläne Lastgang DEMS Koordination Region X Gesamt- Lastprognose Erzeuger-u.Lastganglinien Summe Multi Agent Gesamt- Erzeugungsprognose Wetterprognose Ökonomische und ökolo- gische Vorgaben Summe Gesamt- einsatzplanung -Lastprognose -Erzeugerprognose -Regelreserve -Kosten Bezugsfahrplan Stadt C DEMS Einheiten Stadt B Wetterprognose Erzeugungsprognose Lastprognose Einsatzplanung Basissystem OOC LR LM Prozessinterface Stadt A Erzeuger-u. Lastganglinien Teilnetze Multi Agent Ökonomische und ökolo- gische Vorgaben

18 Vernetzungsmodell der dezentralen Energie Management Systeme DEMS über moderne I&K-Technologien DEMS Erzeugung (Strom, Wärme) Lastmanagement Rohstoffe Prognose On-line-Optimierung Kontrolle, Überwachung, Diagnose Netzinformation Administration Region X Stadt A DEMS DEMS Bezirk Y KWLS SLS LM DEMS KWLS SLS LM DEMS Leitzentrale DEMS DEMS Stadt B KWLS SLS LM KWLS SLS LM DEMS Dezentrales Energiemanagement System KWLS Kraftwerksleitsystem SLS Stationsleitsystem LM Lastmanagement DEMS Stadt D KWLS SLS LM DEMS Stadt C DEMS KWLS SLS LM KWLS SLS LM KWLS SLS LM DEMS 6 6

19 Wie kann und sollte Politik die Einführung dieser Technologie
38. Wie kann und sollte Politik die Einführung dieser Technologie unterstützen?

20 Wie kann und sollte Politik die Einführung dieser Technologie unterstützen?
Um die Investitionsbereitschaft zu erhöhen, könnte die Politik die Systemintegration zukunftsorientierter, dezentraler Versorgungsstrukturen beschleunigen, durch Unterstützung von Demoprojekten (Energiemodellregionen) in Form von Anschubfinanzierungen. Darüber hinaus sollte bei weiterem Ausbau dezentraler Erzeugungsstrukturen (Regenerative und fossile KWK-Anlagen) die sinnvolle und intelligente Einbindung in den bestehenden Netzverbund durch effiziente Energiemanagementsysteme eines der vornehmlichen Ziele des EEG’s und dafür zusätzliche Aufwendungen eigens in der Vergütung berücksichtigt werden.

21 Beispiel: Die „Energiemodellregion in Deutschland“
Beispiel: Die „Energiemodellregion in Deutschland“ Organisation und effiziente Vernetzung von ganzheitlichen dezentralen Versorgungsstrukturen in den bestehenden Netzverbund Windkraft On-Shore / Off-Shore Brennstoffzellen, KWK, Biomasse Microturbinen Vernetzung mit der modernen Informations- und Kommunikationstechnik Wasserstoff / Methanolbereitstellung für stationären und mobilen Bereich Netzwerk Industrie und Wissenschaft Entwicklung von Hightech-Unternehmen KMU Wirtschaftsförderung Industrieansiedlung G G G G G G G G G G

22 Windenergie Microturbine Biomasse
Beispiel einer Vernetzung ganzheitliche Energieversorgungsstrukturen im Energiemix Kompetenzzentren für Energie-, Informationstechnik und Agrarwirtschaft Windenergie KWK Brennstoffzelle G G G G G G G EU- Modellprojekt Deutschland-XY G G G Biomasse Microturbine Wasserkraft Wasserstoff / Methanolgewinnung für den stationären und mobilen Bereich

23 Dezentrales Energiemanagementsystem DEMS
Dezentrales Energiemanagementsystem DEMS Beispiel für ein „Virtuelles Kraftwerk“ Grundlastvertrag Spitzenlastvertrag Exportvertrag Realer Reservevertrag Virtueller Reservevertrag Randintegral Primärenergie Strom Wärme Solaranlage Industrie/ Gewerbe Speicher Haushalte Windpark Gasturbinen Anlage beeinflußbara Last Nicht beeinflußbare Last Brennstoffzelle Blockheizkraftwerk Biomasse Thermische Last Vertrag Erdgas Vertrag Gas/ÖL Heizwerk Vertrag Biomasse 1

24 Dezentrales Energiemanagement System
Beispiel 1: Virtuelles grosses Kraftwerk im Energiemix Beispiel Städteverbünde GenCo Sonstige Kraftwerke EMS DisCo EMS TransCo Energiebörse Lieferangebot Leistungsband 1/4 Std. Tagesprofil Liefervereinbarung Leistungsfahrplan 1/4 Std. Tagesprofil Virtuelles grosses Kraftwerk Energiemix Monitoring Diagnose Service Prognose Wetter Erzeug.(therm./el.) Einsatzplanung Online Optimierung Bedienen und Beobachten Dezentrales Energiemanagement System Kommunikations- Netz größere Kleinkraftwerke verteilte Klein-Erzeugungen: Brennstoffzelle, Microturbine, Motorsysteme regelbar steuerbar steuerbar nicht beeinflußbar AE AE Konzentrator Rundsteuerung therm. KW regen. KW Fossil, Biomasse Wind, Solar AE BHKW             Gas-, Diesel-Motorsysteme AE ... Automatisierungseinheit Fahrplan Estimation Prognose

25 Dezentrales Energiemanagement System
Beispiel 2: Virtuelle grosse Windkraftanlage Beispiel Dänemark GenCo Sonstige Kraftwerke EMS GenCo EMS TransCo Energiebörse Lieferangebot Leistungsband 1/ 4 Std. Tagesprofil Liefervereinbarung Leistungsfahrplan 1/ 4 Std. Tagesprofil Virtuelle grosse Windkraftanlage Monitoring Diagnose Service Prognose Wetter Erzeugung Einsatzplanung Online Optimierung Dezentrales Energiemanagement System Bedienen und Beobachten Kommunikations- Netz nicht beeinflussbar nur prognostizierbar regelbar regelbar zu-/ abschaltbar Automatisierungssystem Automatisierungssystem Automatisierungssystem Region 1 Region 2 Region 3 Einzelanlagen

26 Kommunikationsstrukturen
Beispiel: Vernetzung virtueller Kraftwerke im Energiemix G G AE PC OPC AE PC XML AE PC XML SOFC-Brennstoffzelle Gas-/Öl- Motor-BHKW AE PC OPC Heizkraftwerk Wärmespeicher PV-Anlage mit Batteriespeicher AE PC XML Biomasse KW S W W AE PC XML S Pist, max, min W Pist, max, min Qist, max, min Wertereihen P, Q Wertereihen P ... Qist, max, min Wertereihen P, Q Psoll Psoll W Qsoll Qsoll Abrechnung große virtuelle Windanlage Wertereihen verteilte kleine BSZ Wertereihen Kommuni- kationsnetz W Wetterprognose Stundenraster, 3 Tage Wertereihen Deutscher Wetterdienst W W (FTP-Format) Konzen- trator X M L Kom.- Netz W Pist, max, min DEMS PC XML konzentrierte Last XML / OPC / FTP DEMS PC X M L TCP IP / Profibus Einzelwerte W Psoll AE PC OPC Zählerfernauslesesystem PC Modem / TCP IP Energiebezugs-/ einsatzoptimierung S Wertereihen Wertereihen W Wertereihen W W W LAN Wertereihen Rund- steuer- kommando- gerät Gate- way X M L ISDN GSM Tageslastprofile (TLP) therm. u. elektr. Netzleitsystem SIMATIC AE Energiebörse TLP ASCII Format Mod. Z Mod. Mod. Mod. Wetter- station S Standleitung T Temperatur W Wählverbindung WB Windstärke AE ... Automatisierungseinheit WR ... Windrichtung P Leistung elektrisch GS ... Globalstrahlung Q Leistung thermisch Mod. verteilte Lasten Mod. Z Z Z Z thermisch Z elektrisch 1 min. Mittelwerte T, WB, GS, WR Z Kommunikationsstrukturen 1

27 Die Zukunft gestalten ! Entwicklung einer Energiemodellregion in Deutschland mit folgender Zielvorgabe zur Gestaltung der politischen Rahmenbedingungen: Intelligente Integration dezentraler mit zentralen Erzeugungssystemen, ganzheitliche Betrachtung (Rohstoffe, Strom, Wärme) Kosten-/ Nutzenanalysen (Ermittlung sinnvoller Anteile dezentraler Erzeugungssysteme an der gesamten Energieversorgung) Effizienzsteigerung (Primärenergie, Betriebskosten) CO2-Reduzierung, Schonung fossiler Primärenergieträger Wissenschaftliche Projektbegleitung, Modellrechnung für Deutschland Sinnvolle Ableitung neuer Technologien und Innovationen bis 2020

28 Können durch diese Technologien auch durch dezentrale Stromerzeugung
39. Können durch diese Technologien auch durch dezentrale Stromerzeugung die Grundlast- und Spitzenlast sichergestellt und damit Versorgungssicherheit gewährleistet werden?

29 Dezentrale Erzeugungssysteme und deren Einsatzfelder
Dezentrale Erzeugungssysteme und deren Einsatzfelder Grund- last Mittel- last Spitzen- last Durchschnittl. Ressourcen Erzeugungssysteme Strom Wärme Spez. Invest . >5500 h h h DM / KW Gas / Öl Micro -Turbine >1 500 Gas / Öl BHKW Brennstoffzelle Gas (Wasserstoff) PEM ? Gas SOFC Holz Biomassekraftwerk ( Rest/ Abfallstoffe) Wasser Wasserkraft Wind Windkraftanlagen gute Standorte Sonne Photovoltaik Einsatzfelder begrenzte Einsatzfelder Bedarfsunabhängige Erzeugung 4

30 Wirkungsgrade und Leistungen fossil befeuerter Kraftwerke
Netto-Wirkungsgrad in % 70 SOFC 60 GUD 50 Dieselmotor PEM 40 Dampf- Kraftwerk 30 Gasturbine 20 Gasmotor 10 0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 1000 . Anlagenleistung in MW

31 Netz oder Eigenerzeugung Grundlastbezug vom Netz
Ziel: Effizienzsteigerung durch gezielte Integration dezentraler mit zentralen Erzeugungssystemen 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 Leistung [kW] Energiemanagement Erzeugung, Speicherung, Verbrauch, Reserve Überschrei- tungslast Spitzenlast Eigenerzeugung Mittel- last Mittellastbezug vom Netz oder Eigenerzeugung Grundlastbezug vom Netz Grund- last :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 :00 Zeitstempel