Integration der Betriebsführung eines HGÜ-Overlay-Netzes in die Leitungs-Frequenz-Regelung eines Drehstrom-Verbundnetzes

Der Anteil Erneuerbarer Energien in Deutschland und in Europa allgemein nimmt signifikant zu, um so den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu senken. Die Errichtung eines Großteils derartiger Erzeugungsanlagen kann aufgrund von klimatischen Gegebenheiten nur an wenigen Orten erfolgen, die Lasten bleiben weiterhin dezentral verteilt und konventionelle Kraftwerke werden sukzessive abgeschaltet. Daher wird ein durchgängig automatisiertes und leistungsfähiges Elektroenergieübertragungsnetz zum Langstreckentransport großer Energiemengen unverzichtbar. Eine mögliche Lösung dieser Herausforderung ist ein europaweit vermaschtes Overlay-Netz. Dieses kann auf der HGÜ-Technologie basieren und verbindet Regionen großer Einspeisung aus regenerativen Quellen mit Lastzentren. Aufgrund seiner technologischen Eigenschaften gegenüber einem AC-Netz muss ein HGÜ-Overlay-Netz Systemdienstleistungen wie die Leistungs-Frequenz-Regelung aktiv unterstützen, damit die Systemstabilität und Versorgungssicherheit ebenso sichergestellt werden können, wie mit dem heutigen auf allen Netzebenen realisierten AC-Netz. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren für die Beteiligung eines HGÜ-Overlay-Netzes am Regelleistungstransport entwickelt. Gleichzeitig realisiert diese Betriebsführung auch die anteilige Übernahme anderweitig hervorgerufener Leistungsflüsse z.B. durch Energiehandelsgeschäfte. Numerische Fallstudien zeigen einige Vorteile dieses Verfahrens bei unterschiedlichen Störungen des AC-DC-Übertragungsnetzes auf. Es wird gezeigt, dass ein HGÜ-Overlay-Netz mit der entwickelten Betriebsführung das AC-Netz um einen einstellbaren Anteil der Leistungsflüsse entlastet und die Leitungs-Frequenz-Regelung z.B. im Hinblick auf Schnelligkeit und Frequenzabweichungen verbessert

Berichte aus der Energietechnik

Das wichtigste Ziel bei der Weiterentwicklung der derzeitigen Energieversorgungsstruktur stellt die Schaffung eines ausgewogenen Verhältnisses von Versorgungssicherheit, Nachhaltigkeit undWirtschaftlichkeit dar. Der absehbare, weltweit stark zunehmende Energieverbrauch wird die bei der Nutzung fossiler Brennstoffe auftretenden Probleme wie Ressourcenknappheit sowie Schadstoff- und CO2-Emissionen weiter verschärfen. Der verstärkte Einsatz regenerativer Energiequellen, wie Wind- und Solarenergie stellt eine Lösungsoption dar, wobei die teilweise stark schwankende Erzeugung durch intelligente Netzstrukturen inklusive Energiespeichern sowie sogenannte Schattenkraftwerke, befeuert mit regenerativen und im abnehmendem Umfang fossilen Brennstoffen, dem Bedarf angepasst werden muss.Umdie Anforderungen der sich abzeichnenden zukünftigen Energieversorgungsstruktur erfüllen zu können, müssen Energieversorgungsanlagen bei moderaten Investitions- und Betriebskosten hocheffizient und damit u. a. mit Blick auf Abwärmenutzung dezentral, emissionsarm und in Hinblick auf Anwendung und Betrieb hochflexibel sein. Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Systeme erzielen durch die direkte Umwandlung von in Kohlenwasserstoffen gespeicherter chemischer Energie in elektrische Energie auch bei geringen Leistungen hohe Wirkungsgrade und erfüllen auch die anderen oben aufgeführten Anforderungen. In der Arbeit werden innovative Konzepte für baulich, thermisch und stofflich hochintegrierte oxidkeramische Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC))-Systeme mit optionaler CO2-Abscheidung entwickelt und untersucht. Zunächst erfolgt die Ausarbeitung von Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung, wie die Verschaltung der Gaserzeugungseinheit mit der Brennstoffzelle nach dem Prinzip der chemischen Wärmepumpe oder die serielle elektrische Verschaltung der Einzelzellen. Diese Optionen werden anschließend bezüglich ihrer thermodynamischen Grenzen, wie maximal erzielbare Wirkungsgrade oder maximal möglicher interner Abwärmenutzung, evaluiert. Darauf aufbauend erfolgt unter Beachtung des Stands der Technik eine methodische Konzeption und Konstruktion eines SOFC-Systems, bei dem Reformierungsreaktor, Brennstoffzelle sowie die thermische Gaskonditionierung in einem Stack-Modul vereint sind. Diese Grundeinheit kann den Anwendungs-, Betriebs- und Brennstoffanforderungen angepasst werden und stellt aufgrund des hohen baulichen Integrationsgrades sowie der nur geringen Anzahl an zusätzlich benötigten peripheren Komponenten ein sehr kompaktes System dar. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die mathematische Modellierung der entsprechenden Systemkomponenten sowie die Modellimplementierung in das institutseigene, C++ basierte Kreislaufsimulationsprogramm ENBIPRO (Energie-Bilanz-Programm). Mittels der mathematischen Modelle werden SOFC-Systeme basierend auf dem entwickelten integrierten Stack- und System-Konzept für verschiedene Brennstoffe und Systemverschaltungen simuliert. Die Simulationsergebnisse dienen als Grundlage für eine abschließende Analyse und Bewertung des entwickelten Stack-Designs und zugehöriger Systemverschaltungen. Sie zeigen deren grundsätzliche Funktionalität und Machbarkeit sowie das hohe Potential des Konzeptes bezüglich der Erfüllung der eingangs erwähnten Anforderungen, wie elektrische Systemwirkungsgrade z.B. für Methan als Brennstoff von bis zu 70% und nur geringe Wirkungsgradeinbußen bei CO2-Abscheidung.The most important aim concerning the further development of the existing energy supply is to create a balanced relation between sustainability, supply guarantee and profitability. The increasing energy demand is going to tighten the problems related to the use of fossil fuels as limited resources and pollutants- and CO2- emissions. The augmented use of renewable energy sources represents a possible solution, but the fluctuating energy production e.g. of wind- and solar-farms has to be adapted to the energy demand by applying smart grids and energy storage devices. To meet the demands of a future energy supply, generating stations have to be high efficient, high flexible, cost effective and suitable for decentralized combined heat and power productionas and have to have low-emission. Due to the direct electrochemical conversion of hydrocarbons, Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) achieve high electrical efficiencies even at low power outputs and have a great potential to meet also the other listed demands. In this thesis, innovative concepts for structurally, thermally and materially integrated SOFC-systems with optional CO2-capture are developed and analyzed. Initially, options to increase the electrical system-efficiency as coupling of fuel reforming and fuel cell based on the principle of the chemical heat pump and a electrically cascaded stack structure are developed and evaluated regarding e.g. theoretically achievable efficiencies. Based on this evaluation and the state of the art, a new planar stack- and system-design with direct internal reforming and without bipolar plates is systematicly constructed. This basic unit can be adopted to different fuel-, operation- and application-requirements and represents a compact system with only few balance-ofplant- components. Due to the thermal and material couplings, the SOFC-waste heat can be directly used to supply the necessary heat for the endothermic reforming process. Additionally, a part of the hot anode off-gas, consisting mainly of water vapor, is recycled as a reforming agent. Therefore, based on the principle of the chemical heat pump, depending on the fuel used, system efficiencies of more than 60% can be achieved, even though the SOFC itself reached only an electrical efficiency of approximately 50%. Because of the cascaded SOFC structure resulting in high fuel utilization, postcombustion of the waste gases is no longer necessary. Due to the fact that SOFC membrane allows only an oxygen-ion flow and thus represents an air separation unit and the SOFC design without the mixing of anode and cathode flows, a simple CO2-separation can be realized by condensing the water vapor out of the anode off-gas. In the second part of the thesis mathematical models of the SOFC-system-components are developed and implemented in the C++ based cycle simulation software ENBIPRO (Energie-Bilanz-Programm) owned by the institute. Applying the mathematical models different stack- and system-concepts for several hydrocarbons as fuel are simulated. The simulation results serve as base for the final evaluation of the stack- and system-design concerning operation and feasibility and show the capability of the concept to meet the demands listet above as high electrical system-efficiencies up to 70% and nearly efficiency-neutral CO2-separation

Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung. Endbericht zum TA-Projekt

Gegenwärtig befindet sich das deutsche Energiesystem in einem Umbruchprozess historischen Ausmaßes. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien etwa die Hälfte und bis 2050 mindestens 80 % des Strombedarfs decken. Dies stellt teilweise völlig neue Anforderungen an die Stromnetze, sodass aktuell ein erheblicher Handlungsdruck erwachsen ist, die Netze aus- bzw. umzubauen sowie neue Betriebskonzepte zu entwickeln, damit eine zuverlässige und sichere Stromversorgung auch weiterhin gewährleistet werden kann. Der TAB-Bericht gibt einen breiten Überblick über den Stand des Wissens und der Diskussion zu vielen der mit dem Aus- und Umbau der Stromnetze verbundenen Fragestellungen. Dazu gehören neben dem Umfang des Aus- und Umbaubedarfs die Identifikation von modernen Technologien und Betriebsweisen für Stromnetze sowie die Beschreibung ihres Entwicklungsstands bzw. Forschungs- und Entwicklungsbedarfs. Da eine Fokussierung allein auf technologische Aspekte zu kurz greifen würde, wurde eine Reihe weiterer relevanter Einflussfaktoren und Themenbereiche in den Blick genommen. Dies betrifft zum einen ökonomische Aspekte, u. a. die Kosten und Nutzen des Einsatzes bestimmter Technologien, beispielsweise von sogenannten Smart Metern. Zum anderen werden aber auch Dimensionen der Folgewirkungen in den Blick genommen, insbesondere Datenschutzfragen in modernen Stromnetzen, die mehr und mehr mit Informationsnetzen verschmelzen (Smart Grid), sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bzw. die Gesundheit. Last but not least werden Fragen der öffentlichen Beteiligung und der Akzeptanz des Baus von Stromtrassen thematisiert, die in letzter Zeit enorm an Bedeutung gewonnen haben. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 9 I. EINLEITUNG 25 II. STROMNETZE UND STROMVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 33 1. Systemdienstleistungen 36 2. Trends und Treiber für die zukünftige Entwicklung der Netze 39 3. Smart Grid 41 4. Stromnetz im Verhältnis zu anderen Flexibilisierungsoptionen 47 III. AUS- UND UMBAUBEDARF DER STROMNETZE 49 1. Übertragungnetze 49 1.1 Kritik am Verfahren 52 1.2 Kritik an Annahmen und Ergebnissen 57 1.3 Schlussfolgerungen, diskutierte Lösungsvorschläge 59 2. Verteilnetze 61 3. Auswirkungen eines verzögerten Netzausbaus 68 IV. MODERNE TECHNOLOGIEN UND BETRIEBSWEISEN FÜR STROMNETZE 71 1. Übertragungsnetze 71 1.1 Freileitungsmonitoring 71 1.2 Hochtemperaturleiterseile 72 1.3 Erhöhung der Übertragungsspannung 73 1.4 Leistungselektronik zur Steuerung von Lastflüssen 73 1.5 Wide Area Monitoring Systems 74 1.6 Erdkabel 76 1.7 Phasenschiebertransformatoren 78 1.8 Hochspannungsgleichstromübertragung 79 1.9 Supraleitende Komponenten 81 1.10 Gesamtübersicht der Technologien und Verfahren 82 2. Verteilnetze 84 2.1 Regelbare Ortsnetztransformatoren 84 2.2 Einspeisenetze 86 2.3 Hochtemperatursupraleiterkabel 87 2.4 Technologien zur dezentralen Bereitstellung von Systemdienstleistungen 88 2.5 Sensorik im Netz/Automatisierung 90 3. Smart Meter 91 3.1 Warum Smart Meter? 92 3.2 Ordnungsrahmen 95 3.3 Kosten-Nutzen-Analyse 96 3.4 Ländervergleich 101 3.5 Datenschutz und Datensicherheit bei Smart Meter 102 V. ZUKUNFTSSZENARIEN FÜR DAS STROMNETZ 109 1. Europäisches Supergrid 109 2. Die Szenarien des Umweltbundesamtes 112 2.1 Szenario »International Grosstechnik« 113 2.2 Szenario »Regionenverbund« 113 2.3 Szenario »Lokal autark« 115 3. Betrieb des Stromnetzes in regionalen Zellen 117 3.1 Definition und Abgrenzung 118 3.2 Funktionalität und technische Umsetzung 119 3.3 Mögliche technische Varianten 121 3.4 Bewertung 123 3.5 Möglicher Regelungsbedarf 131 3.6 Fazit 134 4. Digital Grid 135 VI. ZUVERLÄSSIGKEIT UND SICHERHEIT 137 1. Kosten von Stromausfällen 138 2. Versorgungsqualität 141 2.1 Smart Grid: »safety« und »security« 144 2.2 Qualität der Stromversorgung als Produktmerkmal 151 VII. UMWELT- UND GESUNDHEITSAUSWIRKUNGEN 153 1. Auswirkungen auf die Umwelt 153 1.1 Freileitungen 154 1.2 Erdleitungen 161 1.3 Elektromagnetische Felder durch Freileitungen, Erdkabel und gasisolierte Leitungen 166 1.4 Fazit 171 2. Mögliche Risiken für die Gesundheit 171 2.1 Allgemeines zu Feldwirkungen und Grenzwerten 172 2.2 Wirkmodelle und Bewertung von Evidenz 173 2.3 Wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Bewertung biologischer Wirkungen 180 2.4 Grenzwertdiskussion 186 2.5 Forschungsbedarf 192 2.6 Strategien der Risikobewertung und des Risikomanagements 192 2.7 Fazit 193 VIII. AKZEPTANZ DES STROMNETZAUSBAUS 195 1. Konfliktfelder beim Netzausbau 196 2. Öffentliche Wahrnehmung und das Beteiligungsparadoxon 197 3. Bürgerbeteiligung bei der Planung des Netzausbaus 198 4. Erfolgsfaktoren für Bürgerbeteiligungsverfahren 201 5. Fazit 203 LITERATUR 205 1. In Auftrag gegebene Gutachten 205 2. Weitere Literatur 205 ANHANG 229 1. Tabellenverzeichnis 229 2. Abbildungsverzeichnis 23