Energieträgerübergreifende Planung und Analyse von Energiesystemen

ORIGINALARBEITEN Elektrotechnik & Informationstechnik DOI 10.1007/s00502-017-0504-4 Energieträgerübergreifende Planung und Analyse von Energiesystemen M. Heimberger, T. Kaufmann, C. Maier, S. Nemec-Begluk, A. Winter OVE, W. Gawlik Das gesamte Energiesystem der Strom-, Gas- und Wärmeversorgung befindet sich in einem Umbruch. Dieser Umbruch wird einerseits durch eine Veränderung in der Erzeugungsstruktur und andererseits durch ein geändertes Verbraucherverhalten getrieben. Besonders das elektrische System wird durch diese Veränderungen an seine betrieblichen Grenzen gebracht. Die Kopplung vorhandener Infrastrukturen bietet hier eine mögliche Abhilfemaßnahme, die zusätzlich zu einer besseren Ausnutzung bestehender Infrastrukturen führen kann. In diesem Artikel werden die an der Technischen Universität Wien am Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe (Arbeitsgruppe Elektrische Anlagen) entwickelten Methoden zur Planung, Auslegung und dem Betrieb von Hybridnetzen („Universal Grids“) vorgestellt und Ergebnisse anhand durchgeführter Forschungsprojekte veranschaulicht. Schlüsselwörter: Hybridnetze; systemübergreifende Energieversorgung; Energiespeicher; Energieeffizienz; Exergieeffizienz; Optimierung Planning and analysis of universal grids. The entire energy system of electricity-, gas- and heat-supply faces major changes. These changes are driven by evolution of the generation structure on the one hand and by changes in the consumer behavior on the other hand. Because of that, especially the electrical power system is brought to its limits. The coupling of existing energy infrastructure could be a possible solution to this problem, which could also result in a better utilization of energy networks. This paper describes methods and achieved results for planning, analyzing and operating hybrid grids (“universal grids”), developed in research projects associated with this field at the Institute of Energy Systems and Electrical Drives (ESEA) at the TU Wien. Keywords: universal grid; multi-system energy supply; energy storage; energy efficiency; exergy efficiency; optimization Eingegangen am 19. Jänner 2017, angenommen am 15. März 2017 © The Author(s) 2017. Dieser Artikel ist auf Springerlink.com mit Open Access verfügbar 1. Einleitung 1.1 Motivation für Hybridnetze Ein erheblicher Anteil (ca. drei Viertel) des gesamten österreichischen Endenergiebedarfes wird mit fossilen Energieträgern gedeckt [1, 2]. Im Bereich Raumwärme beträgt der nicht erneuerbare Anteil ca. 59 Prozent [3], bei der Stromproduktion liegt dieser Anteil gemäßStromkennzeichnung dagegen bei ca. 13 Prozent [4]. Österreich hat sich zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Einsparung von Endenergie bekannt und seine Bestrebungen in den „2020 Zielen“ festgehalten. Diese geben folgendes vor [5]: • Gemessen am Bruttoinlandsverbrauch soll der Anteil erneuerbarer Energieträger auf 34 Prozent und am Endenergieverbrauch im Verkehrssektor auf 10 Prozent erhöht werden. • Die Treibhausgasemissionen in Sektoren, die nicht dem Emissionshandel unterliegen, müssen um mindestens 16 Prozent gegenüber den Emissionen aus 2005 reduziert werden. Für Sektoren, die dem Emissionshandel unterliegen, gilt eine Reduktion um 21 Prozent. • Die Energieeffizienz soll gegenüber einem Baseline-Szenario um 20 Prozent erhöht werden. Für die Erreichung der österreichischen „2020 Ziele“ ist deshalb der weitere Ausbau regenerativer Erzeuger in der Energieversorgung unumgänglich [6]. Vor allem das bestehende elektrische Verteilnetz ist auf einen massiven Ausbau dezentraler, erneuerbarer 0 0000 0. Jahrgang Einspeisung (insbesondere Windkraft und Photovoltaik) nicht vorbereitet und stößt meist durch Spannungsbandverletzungen oder Betriebsmittelüberlastungen auf Probleme. Durch erneuerbare Erzeugungsanlagen können sehr große Erzeugungsspitzen aufgrund der hohen Gleichzeitigkeit in der Erzeugung auftreten, die das elektrische Energiesystem an seine Leistungsgrenzen bringen. Zudem treten die hohen Erzeugungsspitzen meistens nicht zeitgleicht mit den Lastspitzen auf, was in einem sehr volatilen Residuallastprofil resultiert. Das Residuallastprofil stellt die Differenz zwischen Erzeugung und Verbrauch dar. Hier stehen mehrere Abhilfemaßnahmen zur Verfügung: Netzausbau, Abregelung, Speicherintegration, Demand Side Management (DSM) oder Kopplung bestehender Energieinfrastrukturen. Netzausbau und Abregelung der regenerativen Einspeiser stellen derzeit diskutierte Abhilfemaßnahmen bei Netzengpässen dar. Durch Abregelung wird eine gezielte Reduktion der Heimberger, Markus, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich (E-Mail: ); Kaufmann, Thomas, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich; Maier, Christoph, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich; Nemec-Begluk, Sabina, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich; Winter, Alexander, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich; Gawlik, Wolfgang, Technische Universität Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Gußhausstraße 25-25a/370-1, 1040 Wien, Österreich © The Author(s) heft 0.0000 ORIGINALARBEITEN M. Heimberger et al. Energieträgerübergreifende Planung und Analyse eingespeisten Leistung erzielt. Zusätzlich kann mittels eines Einsatzes von Speicher- und Kopplungstechnologien das Residuallastprofil verändert werden. Durch koordiniertes Ein- und Ausspeichern bzw. Umwandlung in eine andere Energieform, ist somit auch die Vermeidung von Netzengpässen möglich. Eine Erhöhung des regenerativen Energieverbrauchs und die Verlagerung der „erneuerbaren Energie“ in andere Energiesysteme werden damit zusätzlich gewährleistet. Die aktive Änderung bzw. Anpassung des Stromverbrauchs auf der Verbraucherseite wird in dieser Arbeit als Demand Side Management (DSM) bezeichnet. Mittels DSM kann ein Teil des Stromverbrauchs entsprechend dem Erzeugungsverlauf angepasst werden und somit eine Glättung des Residuallastprofils realisiert werden. Abregelung ist mit Sicherheit der am einfachsten zu realisierende Ansatz und je nach Ausbaugrad der erneuerbaren Energieträger müsste auch nur ein Bruchteil der theoretisch jährlich erzeugten Energiemenge abgeregelt werden. Jedoch stellt dies keine Lösung für Erzeugungslücken dar. Elektrische Langzeitspeicher wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke sind in ihrem zusätzlichen Ausbau in Österreich oder Europa aufgrund der geographischen Anforderungen begrenzt. Und direkte elektrische Speicher in Form von Batteriespeicher sind für großtechnische Umsetzungen (einige 100 MW und einige 100 MWh) im Verhältnis z (...truncated)