Stromnetze & Netzbetreiber

Übertragungsnetz (Höchstspannung 220/380 kV; EU-Transportnetz, Verbundnetz)

• Übertragung elektrischer Energie von Großkraftwerken zu den Abnahmeschwerpunkten in ganz Europa

Verteilnetz (Hochspannung 110 kV, Mittelspannung 30, 20, 10 kV, Niederspannung 0,4 kV (230 V))

• Hochspannungsnetze übernehmen die regionale Elektrizitätsversorgung. Sie werden aus Umspannstationen oder mittleren Kraftwerken gespeist und versorgen Großindustrie, Städte sowie größere Versorgungsgebiete

• Mittelspannungsnetze werden aus dem Hochspannungsnetz über Transformatoren und/oder Kleinkraftwerken gespeist und versorgen Industriebetriebe und Stadt und Landbezirke

• Niederspannungsnetze versorgen Wohngebiete und Gewerbebetriebe bis zu einer Gesamtleistung von rd. 1 MW

Leitungen:

Je nach Spannungsebene werden unterschiedliche Leitungen bzw. Kabel für die Übertragung und Verteilung eingesetzt. Hochspannungsleitungen (380 & 220 kV): erde stellt den Nullleiter da. Ober verläuft ein Schutzleiter gegen Blitzeinschläge, wegen der Gefahr von Lichtbögen Sicherheitsabstand zu Bäumen und Gebäuden nötig. Längenänderung durch thermische Ausdehnung muss eingeplant werden Hochspannungsleitungen (110 kV): führen mehrere Stromkreise über Phasen getrennte Kabel. In verschiedenen Bauarten möglich Mittelspannungsleitungen und -kabel: Drei Phasen in einem Kabel Niederspannungskabel: Drei Phasen plus Nullleiter

Umspannwerke:

Die verschiedenen Spannungsebenen sind über Umspannwerke miteinander gekoppelt in denen die Spannung entsprechend runter- bzw. hochtransformiert wird. Sie bestehen aus Leistungstransformatoren, schaltlagen so wie Mess- und Regeltechnik. Umspannwerke sind automatisiert und werden zentral gesteuert. Umspannung von mittel auf Niederspannung wird in kompakten Umspannstationen gemacht. Umspannwerke liegen oft nah an Kraftwerken. Für Fotos siehe Vorlesung

Haustechnik:

400 V Drehstromsteckdose: drei Phasen plus Nullleiter und Schutzleiter, nur bei Elektroherd o.Ä. 230 V Steckdose: eine Phase plus Nullleiter und Schutzleiter

früher: tabil und gut vorherzusagen

zukünftig: Stabil und gut vorherzusagen, aber zukünftig höhere Last und neue, bisher unbekannte Belastung durch Elektromobilität

Früher: Geringe dezentrale Einspeisung

Zukünftig: Hoher Anteil dezentraler Einspeisung, Photovoltaik mit starker Fluktuation Einspeisung kann lokale Last im Netzbereich überschreiten

früher: Transformation von oben nach unten

zukünftig: Transformation in beide Richtungen

früher: keine/ wenig Sensorik und Messtechnik

zukünftig: Zustand in kritischen Netzpunkten oder auf Sammelschiene muss messtechnisch erfasst und zur Steuerung herangezogen werden

früher: keine Kommunikation

zukünftig: Messdaten aus dezentraler Erzeugung erforderlich zur Netzsteuerung

• „Betreiber von Energieversorgungsnetzen sind verpflichtet, ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges Energieversorgungsnetz diskriminierungsfrei zu betreiben, zu warten und bedarfsgerecht zu optimieren, zu verstärken und auszubauen, soweit es wirtschaftlich zumutbar ist.“

• • „möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche“ leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Strom und Gas

• • „Sicherstellung eines wirksamen und unverfälschten Wettbewerbs bei der Versorgung mit Elektrizität und Gas und der Sicherung eines langfristig angelegten leistungsfähigen und zuverlässigen Betriebs von Energieversorgungsnetzen“

• unverzüglich vorrangigen Netzanschluss am nächstgelegenen Netzverknüpfungspunkt —> gesamtwirtschaftlich günstigster Netzverknüpfungspunkt

• Netzanschluss darf nicht wegen fehlender Netzkapazitäten vom Netzbetreiber verweigert werden

• unverzügliche und vorrangige Abnahme von EE-Strom

• Optimierung, Verstärkung und Ausbau der Netze, wenn dies für EE erforderlich —> sofern dies wirtschaftlich zumutbar ist

• Schadensersatz ggü. Anlagenbetreiber wenn Netzbetreiber seine Pflichten mit Absicht nicht erfüllt

• Kosten der Optimierung, Verstärkung und des Ausbaus trägt der Netzbetreiber

Sofern die Sicherheit oder Zuverlässigkeit des Elektrizitätsversorgungssystems in der jeweiligen Regelzone gefährdet oder gestört ist, sind die Betreiber der Übertragungsnetze berechtigt und verpflichtet, die Gefährdung oder Störung zu beseitigen durch

• netzbezogene Maßnahmen, insbesondere durch Netzschaltungen,

• marktbezogene Maßnahmen, insbesondere durch den Einsatz von Regelenergie, vertraglich vereinbarte abschaltbare und zuschaltbare Lasten, Information über Engpässe und das Management von Engpässen sowie

• zusätzliche Reserven, insbesondere die Netzreserve nach § 13d und die Kapazitätsreserve nach § 13e.

—> Einsatz von Redispatchmaßnahmen (mit finanzieller Entschädigung für die Anlagenbetreiber) oder Reservekraftwerken

Regulierung durch die Bundesnetzagentur:

• Energieregulierung = Überwachung der Betreiber von Energieversorgungsnetzen durch die Bundesnetzagentur und die Landesregulierungsbehörden

• Ziel der Regulierung ist die Schaffung von Voraussetzungen für mehr Wettbewerb auf den Märkten für Energieerzeugung, Energiehandel und Energielieferungen

• Genehmigung der Netzentgelte für die Durchleitung von Strom und Gas

• Verhinderung bzw. Beseitigung von Hindernissen beim Zugang zu den Energieversorgungsnetzen für Lieferanten und Verbraucher

• Standardisierung der Lieferantenwechselprozesse

• Verbesserung von Netzanschlussbedingungen für neue Kraftwerke

—> Netzbetreiber werden von der BNetzA kontrolliert hinsichtlich des sicheren Netzbetriebs und des diskriminierungsfreien Netzzugangs, der Kosten und Renditen

• unterschiedliche Auslastung der Netze

• Ansteigende Erzeugung in den unteren Spannungsebenen

• Alter der Netze

• Qualität der Netze

• Integrationskosten EE

• Kosten durch Netzausbau und Versorgungssicherheit (Redispatch, Reservekraftwerke)

• im Netzgebiet aufgetretene Kosten für vermiedene Netzentgelte

—> Kosten für Bau, Betrieb und Instandhaltung der Stromnetze werden durch due Netzentgelte pro durchgeleiteter kWh gedeckt, Regulierung der Netzentgelte erfolgt durhc die BNetzA

• Betriebsführung: Gewährleistung eines sicheren Betriebs des Gesamtsystems, alle angeschlossenen Erzeugungseinheiten und lasten überwachen und steuern, zunehmende Komplexität erhöht informations- und steuerbedarf

• Versorgungswiederaufbau: Wiederherstellung der Stromversorgung bei Blackouts, zentrales Konzept für das Hochfahren schwarzstartfähiger Großkraftwerke auf übertragungsnetzebene

• Frequenzhaltung: Stabilisierung der Netzfrequenz auf die Sollfrequenz von 50 Hz durch Gleichgewichtshaltung von Erzeugung und Verbrauch —> hierfür sind ÜNB zuständig

• Spannungshaltung: Spannung muss auf einem Bereich von +/- 10% der Nennspannung beim Endverbraucher gehalten werden. —> hierfür sind VNB zuständig

Durch die Veränderung in der Erzeugung haben diese Aufgabenbereiche an Umfang gewonnen.

EnWG §11: „Betreiber von Energieversorgungsnetzen sind verpflichtet, ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges Energieversorgungsnetz diskriminierungsfrei zu betreiben, zu warten und bedarfsgerecht zu optimieren, zu verstärken und auszubauen, soweit es wirtschaftlich zumutbar ist.“

• ÜNB

o Überregionale Energieverteilung (Hoch- und Höchstspannung)

o Grenzüberschreitender Stromtransport (europäisches Verbundnetz ENTSO-E)

o Frequenzhaltung / Halten des Leistungsgleichgewichts o Einsatz von Regelleistung

• VNB:

o Verteilung bis zum Verbraucher (hauptsächlich Mittel- und Niederspannung)

o Spannungshaltung

• Waage zwischen Verbrauch und Erzeugung muss im Gelichgewicht sein

o Erzeugung oder Verbrauch bei Abweichung anpassen

• Frequenz auf 50 Hz +-200mHz halten

• Einsatz von Regelenergie

• Redispatch

• Reservekraftwerke

• Einspeisemanagement

• Anpassungsmanagement

• ÜNB:

o Überregionale Energieverteilung (Hoch- und Höchstspannung) o Grenzüberschreitender Stromtransport (europäisches Verbundnetz ENTSO-E)

o Frequenzhaltung / Halten des Leistungsgleichgewichts

o Einsatz von Regelleistung

• VNB:

o Verteilung bis zum Verbraucher (hauptsächlich Mittel- und Niederspannung)

o Spannungshaltung

Aus Netzbetreibersicht

• Sinkt die Netzfrequenz, arbeiten netzgekoppelte Maschinen langsamer – Kraftwerke laufen langsamer und erzeugen weniger Energie

• Umgekehrt laufen Netzgekoppelte Maschinen bei zu hoher Frequenz zu schnell und Kraftwerke produzieren zu viel Energie

• Netz-Trennung von Kraftwerken jeglicher Art bei zu hoher Abweichung von 50Hz

Aus Verbrauchersicht

• Netzfrequenzabhängige Prozesse verändern sich

o Motoren laufen zu schnell oder zu langsam

Ja, Lissabon und Warschau liegen im Gleich Verbundnetz und haben daher die gleiche Frequenz

Nein,, Köln und Moskau hängen nicht am gleichen Verbundnetz und haben daher auch nicht immer die gleiche Frequenz

• http://www.netzfrequenzmessung.de/verlauf.htm

• Drehzahl netzgekoppelter Maschinen hängt direkt mit der Netzfrequenz zusammen

• Messung ist an jeder netzgekoppelten Steckdose möglich

Es gibt einen Totbereich von +/- 10mHz in welchen keine Anpassung erfolgt

• Wird 49,99 Hz unterschritten oder 50,01Hz überschritten Greift die Primärregelleistung unverzögert ein.

• Die ÜNB sind für die Einhaltung der Frequenz verantwortlich

• Erhöhung = Zu viel Strom im Netz/Zu wenig Leistung am Netz • Senkung = Zu wenig Strom im Netz/Zu viel Leistung am Netz

Einsatz von Regelenergie

o Positive Regelenergie bei Frequenzabsenkung

▪ Erhöhung von Kraftwerksleistung / Abschaltung von Lasten

▪ Bsp. Ausspeichern von Pumpspeichern

o Negativer Regelenergie bei Frequenzerhöhung

▪ Absenken von Kraftwerksleistung / Zuschalten von Lasten

▪ Bsp. Einschalten von Pumpenleistung

Zu starke Frequenzabweichung führt zur Netztrennung von Kraftwerken

o Blackout ist eine mögliche Folge

o Enorme Schänden können entstehen

Die europäischen Übertragungsnetzbetreiber haben sich im Rahmen von Kooperationsverträgen verpflichtet, das europäische Stromnetz gemeinsam abzusichern

Ausgleich von Ungleichgewichten zwischen Erzeugung und Verbrauch.

—> Regelleistung muss in beiden Richtungen verfügbar sein, positiv und negativ!

ÜNB zuständig für den Einsatz und die Ausschreibung von Regelenergie.

Netzsystem besitzt eigene Trägheit (0 - 30 s)

-Momentanreserve: Rotationsenergie der Turbinen und Generatoren

-Netzselbstregeleffekt: Leistungsaufnahme direkt-gekoppelter Maschinen wird mit sinkender Frequenz geringer

-Rückgang dieser Effekte durch Rückbau von Kraftwerken und Einsatz von Frequenzwechselrichtern

Primärregelenergie (0 - 5 min)

-automatische vollständige Aktivierung innerhalb von 30 s

-Ausschreibung in Deutschland täglich für 1 Tag im voraus in 4h Blöcken, Mindestangebotsgröße 1 MW

Sekundärregelenergie (30 s - 15 min)

-vollständige Erbringung innerhalb von maximal 5 min

-Ausschreibung in Deutschland: täglich für 1 Tag im voraus in 4h Blöcken, Mindestangebotsgröße: 5 MW und 6x 4h Blöcke

Tertiärregelenergie/ Minutenreserve (15 min - 1h, mehrere Stunden bei mehreren Störungen)

-z.B. Start von Gasturbinen-Kraftwerken oder Änderung der Leistungsaufnahme industrieller Prozesse (abschaltbare Lasten)

-Ausschreibung in Deutschland: täglich (Vortag 10 Uhr), Mindestangebotsgröße 5 MW und 6x 4h Blöcke

Bilanzausgleich

Wenn ein Blackout droht, darf der Netzbetreiber Lasten abwerfen um einen Blackout zu verhindern. Zuvor müssen jedoch alle Maßnahmen wie der Einsatz von Regelenergie oder abschaltbare Lasten eingesetzt werden.

Brown-Out = gesteuerte Abschaltung

—> Kurzfristige Reduktion der Verbrauchsleistung oder nahezu kompletter Verzicht auf Strombezug ohne nachteilige Auswirkungen auf Produktionsprozess

Blackout = Folge von Netzüberlastungen und unvorhergesehenen Schadensfällen - ein letztes Mittel ist die Notabschaltung von Netzgebieten

• Abschaltbare Lasten sind Teil der Regelenergie geworden und werden von geeigneten Industriebetrieben angeboten

• Pufferung des “Brownouts” im Unternehmen möglich durch Wärmespeicherung in Öfen, Kältespeicherung in Kühlhäusern, …

• Aktivierung bei starkem Frequenzabfall

• Vergütung über Leistungspreis, der aus Ausschreibung ermittelt wurde

• allerdings gelten hier auch die Anforderungen der Mindestgröße, Präqualifikation etc.

• Verordnung für Abschaltbare Lasten ist Juni 2022 ausgelaufen, abschaltbare Lasten sind jetzt in §13 EnWG integriert

• Netzausbau

• Regelung der Blindleistung (PV)

• Regelbarer Ortsnetztrafo

• Netzregler (Längsregler)

Konventionelle ONT sind nicht Regelbar und haben ein starres Übersetzungsverhältnis

RONT bestehen aus Transformator, Regler und Laststufenschalter zur Einstellung der Spannung unter Last ohne Versorgungsunterbrechung

—> Übersetzungsverhältnis wird durch den Laststufenschalter im RONT im laufenden Betrieb durch Veränderung der (ganzzahligen) Windungszahl per Schrittmotor verändert

• RONT sollten in bestehende Ortsnetzstationen passen und daher nicht größer als normale, bereits vorhandene Transformatoren sein

• Wartungsfreier Betrieb über mehrere Jahre/Jahrzehnte

• Automatischer Betrieb mittels Messwerten aus lokalem Netz möglich, oder Fernsteuerung von Netzwarte