Anwendung zellularer Ansätze bei der Gestaltung zukünftiger Energieverbundsysteme

ORIGINALARBEITEN Elektrotechnik & Informationstechnik DOI 10.1007/s00502-017-0501-7 Anwendung zellularer Ansätze bei der Gestaltung zukünftiger Energieverbundsysteme J. Vopava, B. Böckl, L. Kriechbaum, T. Kienberger Im Rahmen der Thematik der Gestaltung eines smarten zukünftigen kommunalen Energieverbundsystems stehen die zukunftsgerechte Entwicklung der Infrastruktur der unterschiedlichen Energieträger (Wärme, Gas, Strom) sowie die CO2 -neutrale Energiebereitstellung aus regionalen Ressourcen und eine mögliche Sektorkopplung im Fokus. Basierend auf einem zellularen Ansatz wird im Rahmen des „FFG – Smart Cities Demo“-Projektes „Smart Exergy Leoben“ ein Modell entwickelt, welches zeigt, dass rund ein Drittel des elektrischen Gesamtenergieverbrauchs durch Ausbau von Photovoltaik in das örtliche Verteilernetz eingespeist werden kann, ohne im heute bestehenden Netz Überlastungen herbeizuführen. Das Modell zeigt, dass – wie zu erwarten ist – besonders in den Mittagsstunden beträchtliche Energieflüsse in die nächst höhere Netzebene rückgespeist werden. Soll der regionale Autarkiegrad eines solchen elektrischen Verteilernetzes erhöht werden, um Belastungen bzw. einen Ausbau der Netzebenen zu vermeiden, ist eine Integration von Speichern an strategischen Punkten in Betracht zu ziehen. Hierbei wird im gegenständlichen „FFG – Stadt der Zukunft“-Projekt „Move2Grid“ die Sektorkopplung des elektrischen Netzes mit Elektromobilität untersucht. Dabei gilt es, zukünftig abzuklären, in wieweit Ladestationen, welche möglicherweise mit stationären Speichern ausgestattet sind, zur Lastglättung beitragen können und so möglichweise nötige Netzausbaumaßnahmen reduziert werden können. Schlüsselwörter: zellularer Ansatz; elektrisches Netz; Mittelspannung; Verteilernetz; Photovoltaik Application of the cellular approach to design energy systems for the future. In order to design a smart urban energy system in the future, the focus is on developing infrastructure for the different energy sources (heat, gas, and electricity), producing energy from renewable energy sources and forcing their hybridisation. Based on the cellular approach it is the goal of the project “Smart Exergy Leoben” to develop a model which shows, that it is possible to feed the grid with about 1/3 of the total electricity consumption produced by photovoltaic systems without generating network congestions. Furthermore, the model shows that especially around midday, high-energy flows are returned into the high voltage level. To increase the degree of self-sufficiency of the local grid it is necessary to integrate storage systems at strategic points. The proposed project “Move2Grid” analyses the hybrid coupling of the electrical network and electro mobility. Within this project it should be shown, if grid stabilisation can be achieved by integrating charging stations with included storage systems. Another question, which should be answered during this project, is: Is it possible to reduce grid expansion projects by using demand side methods? Keywords: cellular approach; electrical grid; medium voltage; photovoltaics Eingegangen am 24. Jänner 2017, angenommen am 3. Februar 2017 © The Author(s) 2017. Dieser Artikel ist auf Springerlink.com mit Open Access verfügbar 1. Einleitung Durch den stetigen Zuwachs an erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen hat der Umgestaltungsprozess der heutigen Energieversorgungsnetze, die sogenannte Energiewende, bereits begonnen. Neben Zielen, wie effiziente Nutzung fossiler Energieträger oder Entwicklung neuer Speichertechnologien, steht auch die Gewährleistung einer nachhaltigen Energieversorgung im Fokus der Energiewende. Eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende, erfordert den Aufbau von intelligenten Energieverbundsystemen, welche neben dem Sektor Strom, auch die Bereiche Wärme sowie die Energieversorgung der Mobilität berücksichtigen. In sogenannten Smart Grids werden intelligente Erzeuger, Speicher, Verbraucher und Netzbetriebsmittel in Netzen zur Energieübertragung und -verteilung mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnik mit einander vernetzt und gesteuert [1]. In der konventionellen Netztopologie speisen zentral positionierte Großkraftwerke Energie in die Höchst- und Hochspannungsebene ein. Diese wird über die Hoch- und Mittel- in die Niederspannungs- 0 0000 0. Jahrgang ebene, transportiert und dezentral an kommunale Verbrauchersysteme abgegeben. Auch in der Mittelspannungsebene können große Verbraucher (z. B. Industriebetriebe) angeschlossen sein. Heute sind die meisten Windkraft- und Photovoltaikanlagen an das MS-Netz (Mittelspannung) angeschlossen. Photovoltaikanlagen, dessen Leistungen sich im zweistelligen kW-Bereich befinden (z. B. Anlagen auf Hausdächern), speisen in das Niederspannungsnetz ein. Die elektrischen Netze sind, wie sich aus der oben beschriebenen Historik bereits erahnen lässt, auf massive Einspeisungen von erneuerbaren Erzeugungsanlagen auf der Verteilungsebene nicht ausgelegt. Für den Vopava, Julia, Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben, Franz Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich (E-Mail: ); Böckl, Benjamin, Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben, Franz Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich; Kriechbaum, Lukas, Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben, Franz Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich; Kienberger, Thomas, Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben, Franz Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich © The Author(s) heft 0.0000 ORIGINALARBEITEN J. Vopava et al. Anwendung zellularer Ansätze bei der Gestaltung zukünftiger Abb. 1. Zelleneinteilung: Projekt „Smart Exergy Leoben“ Fall einer reinen Leistungsentnahme entlang einer Leitung sinkt die Spannung zum Ende hin einer Leitung ab. Wird an der gleichen Stelle einer Leitung nicht nur Leistung durch Verbraucher entnommen, sondern auch durch die Errichtung von erneuerbaren Erzeugungsanlagen eingespeist, ist eine Spannungsanhebung zu verzeichnen. Diese Anhebung kann zur Überschreitung von oberen Spannungsgrenzen führen, weshalb diese bei der Errichtung berücksichtigt werden müssen. Zudem ist auch die thermische Belastbarkeit der Betriebsmittel ein wichtiger Faktor bei der Errichtung und Netzintegration von erneuerbaren Erzeugungsanlagen. Eine Überschreitung der thermischen Belastbarkeit, werkstoffspezifische Grenztemperaturen, von Betriebsmitteln kann zu einer Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften führen und die Lebensdauer reduzieren. In elektrischen Netzen liegt ein zeitlich andauerndes Gleichgeweicht zwischen Verbrauchs- und Erzeugungsleistung vor, auch die im Netz verursachten Verluste sind in diesem Gleichgewicht zu berücksichtigen. Da Lastzu- und Lastabschaltungen zu Änderungen der Netzfrequenz und der Netzspannung führen, muss ein hoher Anteil an „gesicherter“ Leistung bereitgestellt werden, um Netzstörungen und etwaige Stromausfälle zu verhindern. Dieser Anteil wird au (...truncated)