1
MONA 2030 - Merit Order Netz-Ausbau 2030
2
Nutzung
elektrischer
Energie für
Mobilität und
Wärme Sicherer
Netzbetrieb
Mehrwert für
gesamtes
Energiesystem Technisch-
wirtschaftliches,
aber auch
ökologisch-
gesellschaftliches
Optimum
Zukunft
Stromnetz
Merit Order Netz-
Ausbau 2030
3
www.ffe.de/mona
Szenarien
Netztopologie Lastgänge
Typnetze
Projektsteckbrief MONA 2030 – Systemübergreifender Vergleich Netzoptimierender Maßnahmen
Maßnahmen
SIM
UL
AT
ION
SIM
UL
AT
ION
Merit Order
Eckdaten
• Projektlaufzeit: 10/2014 bis
09/2017
• 16 Projektpartner: VNBs, ÜNBs
und Industrie aus DE und AT
• Budget: 2,64 Mio. €
Motivation
Ganzheitliche, systemübergreifende
Bewertung Netzoptimierender
Maßnahmen für eine robuste und
nachhaltige Netzplanung auf Basis
eines transparenten Szenario-
Prozesses
4
MONA – Szenarien
5
www.ffe.de/mona
Szenario-E
ntw
icklu
ng
Untersuchung des Themenumfeldes
1 Identifikation potenzieller Einflussfaktoren
2 Untersuchung der Wirkzusammenhänge der Einflussfaktoren
3 Auswahl von Schlüsselfaktoren und Bestimmung von Störfaktoren
4 Festlegung geeigneter Deskriptoren und Entwicklung der Schlüsselfaktoren
Bildung von Rohszenarien
6 Erarbeitung der MONA-Szenarien
Aufbereitung der Szenario-Daten für die Bewertung der NoM
5
Die Entwicklung der MONA-Szenarien gliedert sich in sechs Phasen
6
www.ffe.de/mona
Es konnten 18 Schlüsselfaktoren identifiziert und kategorisiert werden, die Grundlage der Szenarien bilden
Verbrauchsfaktoren Erzeugungsfaktoren
• Konventioneller
Kraftwerkspark
• Erneuerbarer
Kraftwerkspark
• Einsatz der KWK
• Speichertechnologien
Externe Faktoren
• CO2-Preise
• Brennstoffpreise
• Ausbau europäischer
Übertragungskapazitäten
• Technologische Entwicklungen
Rahmenfaktoren
• Digitalisierung der Energieversorgung
• Gesellschaftliche Akzeptanz für Infrastrukturprojekte
Regionalisierung und Simulation
• Umweltziele
• Politische Eingriffe
• Europäische Marktkopplung
• Wirtschaftsstruktur und -wachstum
• Demografische Entwicklung
• Energieeffizienz
• Struktur/Technologie der Wärmebereitstellung
• Verkehrsaufkommen und -struktur
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www.ffe.de/mona
ÜN Abgebildet
in ISAaR
VN Abgebildet
in GridSim
SZ
EN
AR
IEN
Auswertung
Verfügbare Netzoptimierende
Maßnahmen auf ÜN-Ebene (z.B. indust. Demand Response, Power2Gas)
Einfluss ÜNB
Erzeugungs- und Verbrauchsgang
je Netzknoten und Netzebene
Erzeugungs- und
Verbrauchsfaktoren,
Informationen über
Spannungsebenen
Auswertung
Basisnetz-Topologie
Einzellastgänge
Typnetze
Erzeugungsgang und Verbrauch Erzeugungs- und
Verbrauchsfaktoren
Auswertung
Der Szenarien-Prozess als Grundlage für Netzsimulationen
Einfluss VNB,
IKT-Anbindung
Verfügbare Netzoptimierende
Maßnahmen auf VN-Ebene (z.B. steuerbare Haushaltsverbraucher)
8
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TOP-Ergebnisse aller MONA-Arbeitspakete: Die TOP 4 der MONA-Szenarien
Ein transparenter Szenario-Prozess1 hat gezeigt, dass mithilfe von fünf
Szenarien eine differenzierte Bewertung von NoM möglich ist.
1
Das Potenzial von NoM wird stark durch die Entwicklung des regulatorischen
Rahmens sowie den daraus resultierenden Einflussmöglichkeiten der
netzrelevanten Akteure bestimmt.
2
Für die Abbildung der Möglichkeiten im zukünftigen Stromnetz und die
Bewertung von NoM ist eine regionalisierte Darstellung von Erzeugung und
Verbrauch entscheidend.
3
1Regett, A.; Wachinger, K.; Zeiselmair, A.: Schlüsselfaktoren für den Einsatz netzoptimierender Maßnahmen - Zwischen
Transparenz und Komplexität in: BWK Ausgabe 12/2015, S. 48-50. Düsseldorf: Verein Deutscher Ingenieure (VDI), 2015
Maßgebliche Faktoren für die Bewertung von NoM sind das Erreichen der
Energiewende-Ziele, der Digitalisierungsgrad, die gesellschaftliche Akzeptanz
und die Brennstoff- und CO2-Preisentwicklung
4
9
MONA – Basisdaten
10
www.ffe.de/mona
<
FREM – Regionalisiertes Energiesystemmodell der FfE
Aufbau und Struktur
Datenformate
csv, png, xls, pbf, shp, xml, grib, …
Datenquellen
destatis, DWD, DLR, OSM, EEX, …
Automatisierte
Aktualisierung
Basiert auf
Phyton, SQL, …
Datenbasis
Projekt-
arbeit
Basis für
Berechnungen
11
www.ffe.de/mona
Basisdaten – Detaillierte Abbildung von Erzeugungs-anlagen: z.B. Wohin entwickeln sich die VLS von WEA?
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
2000 2005 2010 2015
mit
tle
rer
Ertr
ag in
h/a
Jahr
Ertrag
zzgl. Windertragsindex©FfE MOS-RegMod_00747
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
mit
tle
rer
Ertr
ag in
h/a
WEA bzw. Szenario
2012
2013
©FfE MOS-RegMod_00749
Szenario „MOS, Mix 2030“
• Neue WEA mit im Mittel 120 m Nabenhöhe
• Repowering nicht explizit berücksichtigt
• VLS höher als im NEP (2.000 h/a) + 30 TWh Windstrom
Modellierung basierend auf COSMO-EU Wettermodell des DWD und verschiedenen Kennlinien (Herstellerangaben)
y = 1,0567xR² = 0,9518
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000
EEX
in M
W
Modell in MW
©FfE z_int-100 Regionenmodell_00049
12
www.ffe.de/mona
Basisdaten: Regional hoch aufgelöste Verbrauchsdaten – Lastgang für zwei ausgewählte Wochen
Beispiele
01020304050607080
050
100150200250300350400
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
De
uts
chla
nd
in G
W
Ve
rbra
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astg
ang
Lan
dkr
eis
in M
W
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00586
Sommer
Winter
01020304050607080
050
100150200250300350400
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
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ang
De
uts
chla
nd
in G
W
Ve
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Lan
dkr
eis
in M
W
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00586 0
10
20
30
40
50
60
70
0
50
100
150
200
250
300
350
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
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ast
gan
g D
eu
tsch
lan
d in
GW
Ve
rbra
uch
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ast
gan
g La
nd
kre
is in
MW
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00587
01020304050607080
01020304050607080
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g D
eu
tsch
lan
d in
GW
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g La
nd
kre
is in
MW
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00589 01020304050607080
01020304050607080
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
De
uts
chla
nd
in G
W
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
Lan
dkr
eis
in M
W
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00588
0102030405060708090
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
De
uts
chla
nd
in G
W
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
Lan
dkr
eis
in M
W
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00591 01020304050607080
0
200
400
600
800
1.000
1.200
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g D
eu
tsch
lan
d in
GW
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g La
nd
kre
is in
MW
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00590
01020304050607080
050
100150200250300350400450500
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
De
uts
chla
nd
in G
W
Ve
rbra
uch
erl
astg
ang
Lan
dkr
eis
in M
W
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00593 01020304050607080
050
100150200250300350400450
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g D
eu
tsch
lan
d in
GW
Ve
rbra
uch
erl
ast
gan
g La
nd
kre
is in
MW
private Haushalte Wärmepumpe NSH Verkehr
Landwirtschaft GHD Industrie, Netzbezug Ensto-E
©FfE MOS-RegMod_00592
Bochum
Flensburg
München
Altötting (ChemDelta Bavaria)
13
www.ffe.de/mona
Clusteranalyse realer Niederspannungsnetzdaten zur Identifikation repräsentativer Basisnetztopologien Untertitel
14
www.ffe.de/mona
Erstellung eines konsistenten Übertragungsnetzmodells für Deutschland und (reduziert) für Europa
2
BNETZA-Datensatz
• Amprion, Transnet BW,
TenneT, 50Hz
• APG
3
Zukünftige Projekte
1
Statische
Netzmodelle
• Daten nach EnWG §12f
• NEP, ONEP für Deutschland
• TYNDP für Europa
• HVDC Projekt-Websites
4
OSM-Daten und
Google Maps
• Georeferenzierung
• Manuelle Zuweisung bei
fehlenden Datensätzen
Technical
Info.
Geo-
graphic
Info.
15
MONA-Maßnahmen
16
www.ffe.de/mona
Identifikation von Netzoptimierende Maßnahmen (NoM) und anschließende Klassifizierung
Blindleistungs- management
Gleichspanungs- verteilnetz
Demand Side Management in Haushalten
Regelbarer Orts- netztransformator
Elektrofahrzeuge zur Netzentlastung
Quartierspeicher zur Netzentlastung
Freileitungs- monitoring
Hybridisierung Strom, Wärme, Gas
Hausspeicher- systeme zur
Netzentlastung
Topologische Schalthandlungen
Einspeise- management / Redispatch
Demand Response in der Industrie
Längsregler
Konventioneller Netzausbau
17
www.ffe.de/mona
Ganzheitliche Analyse der Netzoptimierenden Maßnahmen anhand etwa 70 Kriterien Die einzelnen Kriterien gliedern sich in vier übergreifende Kategorien
Wirtschaft Technologie
Sekundärer Mehrwert und Beitrag
zur Betriebsführung Gesellschaft & Umwelt
Betrieblich Technisch
Netzebene
Abrufbarkeit
IKT-Bedarf
Störungsanfälligkeit
Spannungshaltung Einfluss auf den
Blindleistungshaushalt
Wirkungsgrad
Akteur
Variable Betriebskosten Lebensdauer
Einsatzpotenzial
Investitionen Fixe Betriebskosten
Technisches Risiko
Landschaftseingriff und
Flächenverbrauch
Lärmbelastung
Verfahrensgestaltung
EMV
Frequenzhaltung
Auswirkung auf die
Betriebsführung
Bereitstellung von Betriebsreserven
Erhöhung der Autarkie
eines Netzgebiets
Zusätzlicher Mehrwert Frequenzhaltung
18
www.ffe.de/mona
Morphologischer Kasten als Kenngrößen-Datenbank für alle NoM – hier P2H: Kategorie „Wirtschaft und Politik“ Die Kategorie „Wirtschaft und Politik“ umfasst alle Kriterien der einzelnen Maßnahmen, welche die Wirtschaftlichkeit der Maßnahme für alle Akteure bestimmen.
Wirtschaft & Politik
Akteure
Alle Stakeholder der Energiewirtschaft
Investitionen
Definition Unterscheidung der Anlage & der Erschließung (Teil IKT)
Anlagen:
Heizstab ca. 18 €/kWel
Elektrodenheizkessel ca. 80 – 160 €/kWel
Luft/Wasser-Wärmepumpe ca. 1500 €/kWth
Sole/Wasser-Wärmepumpe ca. 2100 €/kWth
Kostenwälzung
Dezentral reduzierte Netzentgelte für einzelne Verbraucher (uVE)
Zentral Kosten für Regelleistung (Leistungsvorhaltung) wird auf
die Netzentgelte umgelegt.
Wer zahlt die NoM?
Investition: Anlagenbetreiber
Steuerung: Netzbetreiber
19
www.ffe.de/mona
Exemplarische Detailanalysen NoM: Berechnungs- methodik für Gesamtpotenzial von Freileitungsmonitoring
Input Daten Zwischenergebnisse Identifikation Ergebnis
stündliches
Überlastungspotenzial
jedes
Leitungsabschnitts in %
Zuordnung von
Leitungsabschnitt zu
Leitung
Verknüpfung der OSM-Netze mit
statischem Netzmodell
Berechnung der
Leitungsauslastung
mit statischem
Netzmodell
Berechnung der
Leitungsauslastung
mit stündlichem
Überlastungspotenzial
mit FLM
Statisches Netzmodell
der FfE
Leitungen mit
dem höchsten
FLM-Potenzial
Leitungen mit
der höchsten
Belastung
stündliches Überlastungspotenzial
je Leitung
Vergleich der
Berechnungen
+
Ableitung des
Gesamtpotenzials
ISAaR
20
www.ffe.de/mona
Freileitung
• Überspannung von Wald möglich, Schutzstreifen
eingeschränkt nutzbar
• Feldstärke: el. bis 9kV/m, mag. 52 μT
• Geräuschentwicklung (bes. bei Feuchtigkeit)
• Avifaunistische Gefährdung
Exemplarische Detailanalysen NoM: Bewertung der Umweltauswirkungen des konventionellen Netzausbaus
Erdkabel
• In Waldgebiet Schneise nötig, landwirtschaftliche
Nutzung möglich, Bebauung nicht möglich
• Zusätzliche zahlreiche Muffenbauwerke notwendig
• Großflächiger Eingriff in Bodenstruktur (gerade
während Bauphase), Austrocknung des Bodens
• Keine Immissionen (ggf. durch Nebenbauwerke)
Große Unterschiede in der Schutzgutbewertung
zwischen Freileitung und Erdkabel
Individuelle, kleinräumige Bewertung der verschiedenen Schutzgüter
21
www.ffe.de/mona
Andreas Zeiselmair, M.Sc. Quartierspeicher
An
sp
rec
hp
art
ne
r
Fazit
Regulatorische Hürden und
finanzielle Doppelbelastung machen
einen Einsatz zur Netz- oder
Eigenverbrauchsoptimierung
aktuell nicht wirtschaftlich.
Zu
kü
nft
ige
En
twic
klu
ng
• Die NoM wird hauptsächlich im Verteilnetz auf
Niederspannungsebene eingesetzt
• Einsatz im Mittelspannungsnetz ist ebenfalls möglich
• Netzanschluss erfolgt an einem eigenen Netzknoten
Ein
sa
tzg
eb
iet
Ein
ord
nu
ng
Syn
erg
ien
&
Me
hrw
ert
• Hohe Forschungsanstrengungen bieten Potenzial für
starke Senkung der Batterie-Zellpreise
• Hohe Dynamik in der aktuellen Marktentwicklung mit
einer Vielzahl an Pilotprojekten
• Notwendige Anpassung des regulatorischen
Rahmens sind gefordert und zu erwarten
• Synergien bestehen für die Zukunft hinsichtlich
Eigenverbrauchsoptimierung im Quartier
• Multi-Use Ansätze bieten weitere Erlöspotenziale bei
Vermarktung an weiteren Märkten
• Vielzahl an Vermarktungsoptionen prinzipiell denkbar,
insbesondere bei Vermarktung im Pool
• Standardausführung bietet einfache Installation und
flexiblen (mobilen) Einsatz
• Erhöhung des Autarkiegrads des Netzgebiets
möglich
• Unbundling-Vorgaben verhindern flexiblen Multi-Use
Betrieb durch Netzbetreiber
Erstellung von Steckbriefen aller NoM als Überblick der Detailanalysen – z.B. „Quartierspeicher“
22
www.ffe.de/mona
Erste Ergebnisse: z.B. Regulatorische Bewertung der NoM
Netzorientierte
Maßnahmen
Netzoptimierende
Betriebsführung
Netzoptimierende
Betriebsmittel
Konventionelle
Maßnahmen
Legende
Speicher
(Netzasset)
ONT
Längsregler
Freileitungs-
monitoring
Entflechtungskonform Entflechtungshürden
C/O-Verhältnis
Quartier-
speicher*
E-Fzg.
(Laden)*
Hausspeicher
*
Hybridisierung
Strom/Wärme*
DSM
DR
EinsMan &
Redispatch
* Netzbetreiber ≠ Anlageneigentümer
rONT
1
2
3
Blindleistungs-
management
4
5
Ladesäulen
0
HGÜ
HS/HöS
Konventioneller
Kabelbau NS/MS
23
MONA-Einsatzreihenfolge
24
www.ffe.de/mona
Verwendung von Simulationstools für Netzberechnung Die GridSim zur Berechnung von Verteilnetzen
Auswirkungen der
Parameter auf das
Stromnetz und Netzgebiet
Jahressimulation mit
Lastflussberechnung
Ladesteuerungen
rONT
Q-Regelungen
P-Regelungen Quartierspeicher
Netzausbau Längsregler
NoM Netzgebiete
Stat. Batterien Elektrofahrzeuge
PV-Anlagen Haushaltslasten
Netztopologie
Wiederholungen
Szenarien
Berechnungsergebnisse je Zeitschritt und Objekt
Spannungen Ströme Reglerzustände SoC
Auswertungen
Spannungsgrenzen Auslastung Netzstabilität CO2 Kosten
Zufallsverteilungen
25
www.ffe.de/mona
Vielfältige Auswertungsmöglichkeiten durch Lastflussberechnungen in Verteilnetzen
26
www.ffe.de/mona
ISAaR
Integriertes Simulationsmodell zur Anlageneinsatz- und -ausbauplanung mit Regionalisierung
Kraftwerksausbau- und -einsatz Wirtschaftlichkeit von
Speichern Speicherausbau- und -einsatz Netzauslastung Sektorkopplung Exportposition Systemgesamtkosten Strompreismodellierung CO2-Emissionen Wärmepreise Abregelung EE ...
Dateninput Analyse
27
www.ffe.de/mona
Nutzwertanalyse auf Basis des Morphologischen Kastens zur Erstellung einer Ausbaureihenfolge
Gruppierung ähnlicher Kriterien Bestimmung repräsentativer Faktoren
Investitionen
Betriebskosten
Lebensdauer
…
Annuitätische Kosten
Flexibilität und Regelbarkeit
Leistungsgradient
Regelgenauigkeit
…
Flexibilitätskoeffizient
€
Aus etwa 67 Kriterien erfolgt durch Aggregation in repräsentative Faktoren
als Grundlage für eine ganzheitliche, systemübergreifende Bewertung
28
www.ffe.de/mona
Bisherige Veröffentlichungen, Konferenzen und Workshops im Projekt MONA 2030
Okt. 2014 Projektstart
Nov. 2014 Workshop
Im Lenkungskreis
Dez. 2014 Veröffentlichung
BWK Magazin Projektstart, Ausblick
Nov. 2014 energy20 week
gibt Projektstart bekannt
Sept. 2017 Projektende Feb. 2015
Veröffentlichung bayern innovativ
Verfahren, Szenarien
März 2015 Veröffentlichung
Österreichs Energie Aufbau, Ziele
Juni 2015 2. Workshop im Lenkungskreis
Sept. 2015 Veröffentlichung BWK Magazin
Umfang, Optimum, Mehrwert, Ausblick
Sept. 2015 Veröffentlichung et Zeitschrift
Trends, Entwicklungen
Okt. 2015 Veröffentlichung et Zeitschrift
Erklärung Morph. Kasten
Jan. 2016 3.Konferenz zukünftige
Stromnetze Elektrifizierung, EE (v.a. Wind), NoM Überblick,
Kennzahlen
März 2016 31. Symposium PV Solarenergie
NoM, Integration PV
Nov. 2015 Symposium
ISESO Modellierung Übertragungsnetz
Nov. 2015 3. Workshop im Lenkungskreis
März 2016 10. Konferenz zu
Speicherung von EE (IRES), Bedeutung
Energiespeicher für die Netzintegration
Apr. 2016 Workshop des
Lenkungskreises
Nov. 2016 VDE/IKT
Mai 2016 ATZ: Netzintegration mit
Elektrofahrzeugen im systemübergreifenden
Vergleich
Nov. 2016 5. Workshop im Lenkungskreis
Apr. 2017 Öffentliche
Ergebnisveranstaltung
29
www.ffe.de/mona
Unterstützung des Projekts MONA 2030
16 Unternehmen
unterstützen das Projekt..
... und ermöglichen damit bis September 2017
über 15 Personenjahre an Netzforschung!
Merit-Order Netzausbau 2030
30
www.ffe.de/mona
Kontakt zum Projekt MONA 2030
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.
Projektleitung: Florian Samweber
Simon Köppl
Tel.: 089 / 15 81 21 – 55
E-Mail: [email protected]
Adresse: Am Blütenanger 71
80995 München
Web: www.ffe.de/mona