Markt versus Physik - eine Herausforderung der Energiewende
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11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende MARKT versus PHYSIK eine Herausforderung der Energiewende Physikalisch technische Hintergrund-Betrachtungen, damit für das Marktziel Stromhandel die technologische Basis Energiesysteme im Fokus bleibt INNOVATION CONSULT 27.4.2016 1 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Betrachtungen Markt – Stromhandel Physik – Strombereitstellung vor Energiewende – klassische Energiesysteme ab Energiewende – Energiesysteme der Zukunft - ein Blitzlicht ein Blitzlicht ein Rückblick Wirkleistung – Blindleistung Lastfluss & Blindleistung Lastfluss – Limits Lastfluss – Ertüchtigung Lastfluss – Beeinflussung Energiespeicherung Speicher – Basiselement jedes physikalischen Systems INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 2 1 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Blitzlicht Markt - Stromhandel Produkt Elektrische Energie Wirk-Energie = Wirk-Leistung x Zeit k/M/TWh Lieferung / Bezug in bestimmter Qualität - Frequenz Spannung (Amplitude, zeitlicher Verlauf) in bestimmter Quantität - als Wirkleistung während bestimmter Zeit an bestimmten Ort - Übergabestelle zu bestimmter Zeit - … INNOVATION CONSULT 27.4.2016 3 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Blitzlicht Physik - Strombereitstellung Produkt Elektrische Leistung Wirk-Leistung k/M/TW Produktion & Lieferung in bestimmter Qualität - Frequenz Spannung (Amplitude, zeitlicher Verlauf) in bestimmter Quantität - als Wirkleistung an bestimmten Ort - Übergabestelle zu bestimmter Zeit - in permanentem Gleichgewicht von Verbrauch Erzeugung weil direkte Speicherung elektrischer Energie großtechnisch nicht machbar T&D Erzeugung Verbrauch INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 4 2 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Rückblick vor Energiewende - klassische Energiesysteme Struktur Erzeugung folgt Nachfrage (1) Charakteristika Primärenergieträger überwiegend speicherbar - fossile Energieträger - nukleare Energieträger Smart Grids ? - Erzeugung vor Ort - schlanke Netze - regional autarke Energiesysteme Überregionales Netz Verbundnetz - Erhöhung der Stabilität der Energiesysteme - wechselseitige Stützung von Energiesystemen im Störungsfall INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Rückblick vor Energiewende 5 - klassische Energiesysteme Struktur Erzeugung folgt Nachfrage (2) Charakteristika Klassische Markt- und Technologieverhältnisse - Strompreis eng gekoppelt mit Primärenergiepreis & Erzeugungskosten - Technologie und Technologieeinsatz - Grundlast statischer Betrieb Laufwasserkraftwerke, thermische Kraftwerke mit großer (thermischen) Zeitkonstanten - Spitzenlast dynamischer Betrieb Pumpspeicherkraftwerke thermische Kraftwerke mit kleinen (thermischen) Zeitkonstanten - Lastabwurf / Lastbeschränkung INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 6 3 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende - Energiesysteme der Zukunft Struktur Erzeugung weitgehend getrennt von Nachfrage Unbundling 2 Charakteristika Primärenergieträger überwiegend nachhaltig & eingeprägt - Sonnenenergie direkt - Sonnenenergie indirekt PV Wind, Wasser, Biomasse Smart Grids - Erzeugung vor Ort schlanke Netze regional autarke Energiesysteme DSM & Prosumer Überregionales Netz Transportnetz - Rückgrat des Europäische Energiesystems - Energie-Fernübertragung von Erzeugungsregionen zu Verbraucherregionen versorgungstechnisch-physikalisch markttechnisch-handelsorientiert - Ersatz für Transportwege von Primärenergie - Regelenergie-Übertragung - wechselseitige Stützung von Energiesystemen im Störungsfall INNOVATION CONSULT 27.4.2016 7 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende - Energiesysteme der Zukunft Struktur Erzeugung weitgehend getrennt von Nachfrage Unbundling 2 Charakteristika Derzeitige Markt- und Technologieverhältnisse - Strompreis Stromhandelspreis verzerrt durch Förderungen - Technologie und Technologieeinsatz - Grund-/Spitzenlast immer dynamischer Betrieb vorrangig Energie aus eingeprägter Primärenergie volatil / fluktuierend / stochastisch WK & PV ergänzend Energie aus speicherbarer Primärenergie systematisch KW nach Merit-Order-Prinzip Kostenverzerrung Start-Stop-Betrieb Wechselbelastung LD ? - Demand-Side-Management INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 8 4 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende - Energiesysteme der Zukunft Energie-Autarkie Leistungs-Autarkie Erzeugung nach Typ: Wind + Solar 8.4.2016 2.000 1.800 1.600 Wind 1.400 Solar tot 1.200 1.000 800 2.000 600 1.800 400 1.600 200 Wind 1.400 0 00 02 04 06 08 10 12 14 16 1.200 Solar 18 20 00 02 22 24 tot 1.000 800 29.3.2016 600 400 200 0 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 Quelle: APG INNOVATION CONSULT 27.4.2016 9 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Wirkleistung Blindleistung Wirkleistung P - Wirkleistungsübertragung Prinzip, unvollständig Lastflussrichtung = Energierichtung P=U.I Primärenergie Sonnenfossile … RLtg Wandler zB GEN Energie NICHT-elektrische Energie I U Nutzenergie Wandler zB MOT Elektrische Energie Elektrisches System mechanische thermische Lichtchemische Energie NICHT-elektrische Energie Nebenwirkungen Leitungsverluste Wärme Wth = R ⋅ i 2 Elektrisches Feld Kapazität C der Ltg. C ⋅ u2 Wel = 2 Spannungsabfall Magnetisches Feld Induktivität L der Ltg. L ⋅ i2 Wm = 2 Spannungsabfall INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 10 5 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Blindleistung Wirkleistung Blindleistung Q - Blindleistungspendelung Prinzip Lastflussrichtung = Energierichtung P=U.I RLtg Wandler zB GEN XLLtg verbraucherseitige Blindleistungsquellen I motorische Verbraucher Kompensation nichtlineare Verbraucher (Sub)-Harmonische U XCLtg Q Lastfluss pendelnd Elektrisches Feld Kapazität C der Ltg. Magnetisches Feld Induktivität L der Ltg. INNOVATION CONSULT 27.4.2016 11 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Wirkleistung Blindleistung Spannungsverhältnisse einer Leitung Lastflussrichtung = Energierichtung P=U.I ∆U Wirkleistungsänderung ∆U RLtg Wandler zB GEN XLLtg Blindleistungsänderung I U ∆U Q ϑ U1 U2 I2 U1 Änderung des Leitungswinkels ϑ Änderung des Spannungsabfalls ∆U U2 I2 INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 12 6 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Leitungswinkel δ Wirkleistungsübertragung über Leitung - Verdoppelung des Laststromes bei konstantem cosϕ, eingespeiste Blindleistung muss durch Erhöhung der Quellspannung erhöht werden ∆UL0 4kV j40MVar UQ0 10,77kV 21,8° δ XL.I.cosϕ = UQ.sinδ P= UQ ⋅ UV ⋅ sinδ XL UV0 10kV XL I I0 3,33 kA 100MVA + j0MVar UV UQ ZV 3~Wirklast 100 MW XL = 1,2Ω INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Leitungswinkel δ Wirkleistungsübertragung über Leitung ∆UL0 4kV j40MVar UQ0 10,77kV 21,8° δ XL.I.cosϕ = UQ.sinδ UV0 10kV ∆UL1 6,73kV ∆UL2 8kV j113MVar j160MVar UQ0 38,7° δ 10,77kV UV1 8,41kV UQ2 38,7° δ 12,8kV UV0 10kV I0 I1 2I0 3,33 kA 100MVA 5,61 kA 142MVA 6,67 kA 200MVA 3~Wirklast 100 MW XL = 1,2Ω P 200 MW bei unveränderter Quellspannung OHNE Spannungs- / Blindleistungsregelung P 200 MW bei erhöhter Quellspannung MIT Spannungs- / Blindleistungsregelung INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 7 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Leitungswinkel δ Wirkleistungsübertragung über Leitung - Verdoppelung der Leitungsimpedanz bei konstantem Laststrom eingespeiste Blindleistung muss durch Erhöhung der Quellspannung erhöht werden ∆UL0 4kV j40MVar UQ0 10,77kV 21,8° δ XL.I.cosϕ = UQ.sinδ P= UQ ⋅ UV ⋅ sinδ XL UV0 10kV XL I I0 3,33 kA 100MVA + j0MVar UV UQ ZV 3~Wirklast 100 MW XL = 1,2Ω INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Leitungswinkel δ Wirkleistungsübertragung über Leitung ∆UL0 4kV j40MVar UQ0 10,77kV 21,8° δ XL.I.cosϕ = UQ.sinδ UV0 10kV UQ0 ∆UL1 6,73kV ∆UL2 8kV j56,6MVar j80MVar 38,7° δ 10,77kV UV1 8,41kV UQ2 38,7° δ 12,8kV UV0 10kV I0 I1 I0 3,33 kA 100MVA 2,80 kA 70,7MVA 3,33 kA 100MVA 3~Wirklast 100 MW XL = 1,2Ω XL 2,4 Ω bei unveränderter Quellspannung OHNE Spannungs- / Blindleistungsregelung XL 2,4 Ω bei erhöhter Quellspannung MIT Spannungs- / Blindleistungsregelung INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 8 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Bereitstellung von Grundwellen-Blindleistung Quellen / Einspeiser - Synchrongenerator Leistungsflüsse • • • Mechanisch zugeführte Wirk-Leistung Elektrisch abgegebene Wirk- und Blindleistung Elektrisch zugeführte Magnetisierungs- = Blindleistung praktische Stabilitätsgrenze theoretische Stabilitätsgrenze ϑ=90° ϑ=70° Läuferstromerwärmung U N I′ e Wirk-Leistung Blind-Leistung /X d ϕ N =E p PN Turbine Statorstromerwärmung IN ϑN Ikap 0 0* I′e0 =U/Xd Iind INNOVATION CONSULT 27.4.2016 17 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Bereitstellung von Grundwellen-Blindleistung Quellen / Einspeiser - Synchrongenerator - Doppeltspeisender Asynchrongenerator - Vollumrichter praktische Stabilitätsgrenze Ausnützungsgrenze Wirkleistung theoretische Stabilitätsgrenze ϑ=90° ϑ=70° Läuferstromerwärmung U N cosϕN = 0,80 ϕN = 36,9° Pmax = 80 % Qmax = 60 % Smax = 100 % cosϕN = 0,90 ϕN = 25,8° Pmax = 90 % Qmax = 44 % Smax = 100 % cosϕN = 0,95 ϕN = 18,2° Pmax = 95 % Qmax = 31 % Smax = 100 % cosϕN = 0,97 ϕN = 14,1° Pmax = 97 % Qmax = 24 % Smax = 100 % I′ e /X d ϕ N =E p IN PN Turbine Statorstromerwärmung ϑN Ikap 0 0* I′e0 =U/Xd Iind INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 18 9 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Bereitstellung von Grundwellen-Blindleistung Kompensation - durch Drosselspulen im Netz i.A. stufig stellbar Freileitungen Q‘Ltg WENN T&D-Leistung unterhalb der natürlichen Leistung P < Pnat 2 MVAr/km Qkap > Qind Bereitstellung von Qind S 2000 MVA Drosselgruppen in den 400 kV-Schaltanlagen an Tertiärwicklung der Umspanner (30 kV oder 10 kV) Qind = 50 MVA Kabel T&D-Leistung IMMER unterhalb der natürlichen Leistung Bereitstellung von Qind immer erforderlich ca. Qind = 20 … 40 MVA je 20 … 40 km -10 MVAr/km INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 19 ab Energiewende Lastfluss & Blindleistung Bereitstellung von Grundwellen-Blindleistung Kompensation - durch Drosselspulen im Netz stufig stellbar INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 20 10 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Limits Strombelastbarkeit Freileitung & Kabel ∆U Leitungswinkel ϑLBetrieb > 30 … 45 ° Wirkleistung ϑ Leitungswinkel ϑ U1 (n-1)-Prinzip U2 Strombelastung von System z.B. Doppelleitung n = 2 Teilsysteme z.B. 4-fach Parallelkabelsystem n = 4 Teilsysteme I2 maximal (n-1) x Strombelastbarkeit von Teilsystem z.B. Doppelleitung 50 % z.B. 4-fach Parallelkabelsystem 75 % Thermische Grenze - Leitertemperatur INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 21 Energiewende Lastfluss - Limits thermisch Stromtragfähigkeit Freileitung am Beispiel Kabel Studie Teilverkabelung Prof. Brakelmann Duisburg / Essen Freileitung Doppelsystem 3er-Bündelleiter 679-AL1/86-ST1A Strombelastbarkeit 1 System im Störungsfall im Normalbetrieb (n-1) Kabel 3 x 1150 A = 3450 A 6 x 1150 A = 6900 A 60% 4140 A Vierfachsystem (N)2XS(FL)2Y 1x2500 RMS/400 Strombelastbarkeit m = 0,9 1 System 4 Systeme 3 Systeme (n-1) 1 x 1450 A = 1450 A 4 x 1450 A = 5800 A 3 x 1450 A = 4350 A INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 22 11 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Limits thermisch Kabel Stromtragfähigkeit Freileitung Leistungsbilanz Freileitung Seilleiter 679-AL1/86-ST1A Strombelastbarkeit 1150 A / 80 °C bei 35 °C 0,6 m/s gemäß Webs-Modell Wärme-Input Joule‘sche Verluste Sonneneinstrahlung 78,2 W/m 16,6 W/m 94,8 W/m Wärme-Output Strahlung Konvektion bei 0,6 m/s 29,0 W/m (5,7 W/m²K) 65,8 W/m (12,9 W/m²K) 94,8 W/m Doppelsystem 3er-Bündelleiter 679-AL1/86-ST1A Strombelastbarkeit 2 x 3450 A Stromverdrängung nicht berücksichtigt INNOVATION CONSULT 27.4.2016 23 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Limits thermisch Stromtragfähigkeit Freileitung Kabel Leistungsbilanz Kabel (N)2XS(FL)2Y 1x2500 RMS/400 Verlegung in Rohr Boden 20 °C 1 W/Km feucht / 35 °C 0,4 W/K trocken Schirm einseitig geerdet oder Cross bonding Quelle: Brakelmann Strombelastbarkeit ~1450 A Strombelastbarkeit ~1300 A Kabel / 90 °C m = 0,9 / 90 °C m = 1,0 (1,1 W/m²K) 4er-System Strombelastbarkeit 5800 A m = 0,9 Strombelastbarkeit 5200 A m = 1,0 INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 24 12 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Limits thermisch Stromtragfähigkeit Freileitung Kabel Verlustleistung je Leiter ϑL = 90 °C, beidseitig geerdet, Cross-bonding Verlegung Boden 20 °C 1 W/Km feucht / 35 °C 0,4 W/K trocken Verlustleistung unabhängig von Leiterquerschnitt und Leiterwerkstoff (Cu / Al) abhängig von Verlustleistungskonzentration und Bodeneigenschaften und Belastungsgrad 1,0 07 VPE-Kabel 400 kV Verlustbelag 100 % Flachlage Flachlage gebündelt Skineff. gebündelt Skineff. 170 %, Strom 100 % 1 System, m = 1 2 Systeme, m = 1 1 System, m = 1 2 Systeme, m = 1 130 % 20 W/m 15 W/m 12 W/m 8 W/m I = 100% I = 85% I = 70% I = 58% Freileitungsseil Umgebung ϑU = 35 °C vW = 0,6 m/s PS‘ = 900 W/m² Verlustleistung abhängig von Leiterquerschnitt und Leiterwerkstoff Seilleitertemperatur 80 °C 50 … 120 W/m INNOVATION CONSULT 27.4.2016 25 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Limits thermisch Stromtragfähigkeit Freileitung Kabel 1600 Strombelastbarkeit [A] 1400 1200 1000 800 Cu-Kabel erdverlegt Flachlage 1System m=1 600 AL/ST-Seilleiter 400 200 0 500 1000 1500 2000 2500 Leiterquerschnitt [mm²] INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 26 13 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Investitionsebene Netzausbau - zusätzliche Leitungen - Leitungen mit erhöhter Stromtragfähigkeit INNOVATION CONSULT 27.4.2016 27 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Investitionsebene Netzertüchtigung unter weitgehender Bestandswahrung Umbau auf bestehenden Trassen - Spannungs-Upgrading z.B. von 220 kV 380 kV Leitungsmasten bleiben (mit Adaptierungen) unverändert Ersatz von Mastauslegern + Hängeketten Isoliertraversen Quelle: APG INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 28 14 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Investitionsebene Netzertüchtigung unter weitgehender Bestandswahrung - Spannungs-Upgrading Quelle: PFISTERER INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 29 Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Investitionsebene Netzertüchtigung unter weitgehender Bestandswahrung - Hochtemperatur-Seilleiter z.B. TAL-Verbund-Seilleiter TAL … hochtemperaturbeständige Aluminium-Zirkon-Legierung temperaturbeständig bis 150 °C z.B. ZTAL/HACIN-Seilleiter ZTAL … hochtemperaturbeständige Aluminium-Zirkon-Legierung temperaturbeständig bis 210 °C HACIN … Al-beschichtete INVAR (Stahl-Nickel-Legierung) z.B. HOT & BLACK-Seilleiter schwarz beschichtete Seiloberfläche Erhöhung des Emissionsgrades ε (Wärmeabgabe durch Strahlung) Vorteil höhere Strombelastbarkeit 80 °C 150 °C 100 % 145 % 210 °C 165 % Nebeneffekte Durchhang nimmt zu HACIN: Reduktion des Dehnkoeffizienten ab ca. 90 °C auf <25 % Transition-Temperatur Erhöhung des Leitungswinkels höhere Strombelastung INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 30 15 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Betrieb an der Grenze Abbau von Reserven Thermal Rating - statisch Freileitung - Anpassung der Strombelastbarkeit an aktuelle Umgebungsbedingungen Nutzung der Reserven vgl. mit Strombelastbarkeit unter Bemessungs-Umgebungsbedingungen ϑU = 35 °C vW = 0,6 m/s PS‘ = 900 W/m² - Umgebungstemperatur - Windgeschwindigkeit - Solarstrahlung - Anwendungsfall Einspeisung von WKA: Starklast ϑL = ϑU ( IB2 ⋅ R AC (ϑL ) + PS' A wirks Starkwind Solarstrahlung ) S (α th (ϑL )A wirks )C + (α th (ϑL )A wirks )R + ϑU Umgebungstemperatur Windgeschwindigkeit INNOVATION CONSULT 27.4.2016 31 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Abbau von Reserven Betrieb an der Grenze Thermal Rating - statisch Freileitung - 20 1800 18 1600 16 1400 14 1200 12 1000 10 80°C +25°C vWind 80°C -20°C vWind 800 Strombelastbarkeit unter Bemessungs-Umgebungsbedingungen 600 8 100°C +25°C vWind 80°C +25°C Zeitkonstante 6 80°C -20°C Zeitkonstante 400 4 100°C +25°C Zeitkonstante 200 thermische Zeitkonstante [min] Betriebsstrom [A] Seilleiter 1 x AL3/ST 240/40 2000 2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Windgeschwindigkeit [m/s] INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 32 16 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Betrieb an der Grenze Abbau von Reserven Thermal Rating - dynamisch Freileitung, Kabel, Betriebmittel - Nutzung der thermischen Trägheit Thermische Zeitkonstante τ - z.B. Kurzzeitbetrieb im Störungsfall nach Teillast Doppelleitung mit gleichartigen Systemen ungestörter Betrieb Teillast (n-1-Prinzip), jedoch je 0,6 Iz Störung: Ausfall eines Systems Lastfluss über gesundes System kurzzeitig 1,2 Iz, Zeitfenster für Netzumschaltungen dann Lastfluss über gesundes System kurzzeitig ≤1,0 Iz ϑL1 = 100 °C Temperatur t − ϑL = (ϑL1 − ϑL0 ) 1 − e τ + ϑL0 80 °C ϑL0 = 50 °C Zeit Strom 120 % 100 % 60 % Zeit INNOVATION CONSULT 27.4.2016 33 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Ertüchtigung Abbau von Reserven Betrieb an der Grenze Thermal Rating - dynamisch - Freileitung, Kabel, Betriebmittel Nutzung der thermischen Trägheit - Thermische Zeitkonstante τ 20 1800 18 1600 16 1400 14 1200 12 1000 10 80°C +25°C vWind 80°C -20°C vWind 800 8 100°C +25°C vWind 80°C +25°C Zeitkonstante 600 6 80°C -20°C Zeitkonstante 400 4 100°C +25°C Zeitkonstante 200 thermische Zeitkonstante [min] Betriebsstrom [A] Seilleiter 1 x AL3/ST 240/40 2000 2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Windgeschwindigkeit [m/s] INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 34 17 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Beeinflussung Lastflusssteuerung durch Längs- und Querregelung Leitungen mit gleichem Impedanzbelag & gleicher Stromtragfähigkeit Iw1 65 % 35 % Iw2 Quelle: APG INNOVATION CONSULT 27.4.2016 35 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Beeinflussung Lastflusssteuerung durch Längs- und Querregelung Netzmasche Kreisstrom = Ausgleichsstrom Erreger-Transformator IA … in Wirkstromrichtung Wirkleistung Iw1 50 % IA 50 % ∆U Serien-Transformator Iw2 = Iw1 ∆U IA ϑ 50 % 50 % U1 induktive Leitungsimpedanz Zusatzspannung ∆U um 90 ° gedreht zur Systemspannung QUER-Spannung QUER-Regelung U2 I2 INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 36 18 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Lastfluss - Beeinflussung Lastflusssteuerung durch Längs- und Querregelung Phasenschiebertransformator – Prinzip Quelle: APG ACADEMY Phasenschiebertransformatoren INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 37 Energiewende Lastfluss - Beeinflussung Lastflusssteuerung durch Längs- und Querregelung Phasenschiebertransformator INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 38 19 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Speicherung Speicher - Basiselement jedes physikalischen Systems Basis Statistikbroschüre 2015 e-control Elektrizität in Österreich Verbrauch 2014 69000 GWh Netzverluste 3430 GWh Großspeicher 2500 GWh Füllgrad 80 % 360 d 5% 192 GWh/d 3150 GWh Erzeugung Wasserkraft, Lauf-KW Speicher KW Thermische KW 30000 GWh 15000 GWh 16000 GWh 45,7 % 23,0 % 24,5 % 5600 MW 23 % 8000 MW 33 % 8000 MW 33 % 45,7/23 = 1,99 23,0/33 = 0,70 24,5/33 = 0,74 Wind-KW PV 3900 GWh 500 GWh 65500 GWh 5,9 % 0,7 % 99,8 % 2700 MW 11 % 6,6/11 = 0,60 24300 MW 100 % Speichereisatz Erzeugung 15000 GWh / 8000 MW = 1875 h ´ 21,4 % von 8760 h INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 39 Energiewende Speicherung Speicher - Basiselement jedes physikalischen Systems Basis Statistikbroschüre 2015 e-control Elektrizität in Österreich Versorgung Österreichs nur aus Großspeichern Füllgrad 100 % 3150 GWh / 192 GWh = 16,4 d Füllgrad 50 % 1580 GWh / 192 GWh = 8,2 d INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 40 20 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis 2016 INNOVATION CONSULT MARKT versus PHYSIK – eine Herausforderung der Energiewende Energiewende Speicherung Speicher - Basiselement jedes physikalischen Systems Basis Statistikbroschüre 2015 e-control Elektrizität in Österreich Versorgung Österreichs nur aus Großspeichern Füllgrad 100 % 3150 GWh / 192 GWh = 16,4 d Füllgrad 50 % 1580 GWh / 192 GWh = 8,2 d Sollte man die Gas- und Rohölspeicher reduzieren und auf tagesaktuellen Kontingentankauf übergehen ? INNOVATION CONSULT 27.4.2016 MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende 41 Danke für Ihr Interesse Hansjörg Hauer [email protected] INNOVATION CONSULT 27.4.2016 160427 ÖGOR Markt vs Physik MARKT versus PHYSIK - eine Herausforderung der Energiewende H.Hauer 42 21
