Energie überall - wie Photovoltaik die Energiewende beschleunigt
Dr. Gerd Bettenwort, Dr. Thorsten Bülo, Joachim Laschinski, Denis Mende, Dr. Matthias Victor,
SMA Solar Technology AG, Sonnenallee 1, 34226 Niestetal
Die Photovoltaik (PV) weist außerordentliche Eigenschaften auf, die gerade beim Übergang von einer zentralen zu einer dezentralen Energieversorgung sehr hilfreich sind. Ihre Unabhängigkeit von besonderen Standortvoraussetzungen ermöglicht eine (Teil-)Energieversorgung in der Fläche, also in unmittelbarer Verbrauchernähe, und kann damit sowohl die Verteil- wie auch die Übertragungsnetze unmittelbar entlasten. Mit der inzwischen erreichten Grid Parity [3] sind inzwischen auch die Stromerzeugungskosten einer am Eigenbedarf ausgerichteten PV-Anlage niedriger als der Strompreis beim Energieversorger. In wenigen Jahren wird sogar die Grid Parity für Industriestromkunden erreicht werden [5].
Die Energiewende kann daher über einen gezielten Ausbau der Photovoltaik in der Fläche durch viele kleine PV-Anlagen schnell Fahrt aufnehmen. Auf die aufwändige und langwierige Verstärkung der Übertragungsnetze muss hier nicht gewartet werden. Voraussetzung dafür ist vielmehr, dass die über den Eigenbedarf hinaus erzeugte Energie lokal verteilt und genutzt werden kann. Als Alternative zum klassischen Netzausbau werden in diesem Beitrag daher die Potenziale verschiedener Technologien und Maßnahmen aufgezeigt, mit denen alle Akteure ihren eigenen Beitrag zum gemeinsamen Gelingen der Energiewende leisten können: Netzbetreiber, PV-Anlagenbetreiber und Politiker.
Aufnahmekapazität des Netzes
Die im Energiekonzept 2050 [1] vorwiegend unterstützten Maßnahmen, Ausbau der Windenergie im Meer und Verstärkung der Netze sind für den Transport zentral erzeugter Energie ausgelegt. Weil Teile der Investitionen in den Ausbau der 110kV-Ebene fließen, wird die Windenergie im Binnenland und gleichzeitig der Zubau von PV-Kraftwerken unterstützt. Auf PV-Anlagen der MW-Klasse entfallen in Deutschland nur 15% der solaren Stromerzeugung [4]. Jedoch wird der Solarstrom vornehmlich durch PV-Anlagen im Kilowattbereich erzeugt, die in die Niederspannungsnetze einspeisen. Eine zügige Erhöhung der Aufnahmekapazität dieser Netze (Hosting Capacity, kurz HC) ist deshalb für die Integration der PV der maßgebende Erfolgsfaktor.
Empfehlenswerte Maßnahmen
Unter Zuhilfenahme einer Szenarienanalyse, der sog. Grid Hosting Capacity Effect Analysis“ (GCEA) [17], können die Maßnahmen zur HC-Steigerung für ländliche, dörfliche und Vorstadtnetze bewertet werden.
PV-Anlagen die über eine Blindleistungseinspeisung verfügen, müssen geringfügig größer dimensioniert werden, erhöhen jedoch die Aufnahmekapazität des Netzes um 44% (statist. Wert, siehe dunkelblaues Histogramm im Diagramm).
Reicht dies nicht aus, empfiehlt sich der Einsatz regelbarer Ortsnetztransformatoren. Eine HC-Steigerung von typisch 300% (rotes Histogramm) wird mit recht geringem Investitions- und Installationsaufwand erreicht (ca. 10% der regulären Netzerneuerungskosten [18]) und ist, umgelegt auf die Stromkunden, durch lokale Energieversorger bzw. Netzbetreiber zu erbringen.
Durch lokales Last- und Batteriemanagement (LBM) besteht die Möglichkeit, deutlich mehr PV-Energie als Eigenverbrauch zu verwerten. Zudem bietet sich die Nutzung dieses weiteren Freiheitsgrads zur Erhöhung der HC an. Wenn sich viele Haushalte innerhalb eines Netzabschnitts an einem synchronisierten LBM beteiligen, ist eine HC-Erhöhung von 25- 50% machbar [17].
Die Methode der GCEA wurde bewusst bisher nicht auf städtische Netze angewendet, da urbane Strukturen in der Regel über eine sehr hohe HC bei extrem schwacher Durchdringung mit PV verfügen. D.h. die HC-Grenzen sind noch nicht einmal ansatzweise erreicht. U.a. fehlen etablierte Marktmodelle zwischen Mietern und Vermietern, die einen Anreiz für die urbane PV bieten würden. Hier ist der Gesetzgeber gefragt.
Fazit
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Die Lösungen zum Ausbau der PV stehen bereit!
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Die Kosten liegen deutlich unter denen eines klassischen Netzausbaus.
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Die Investitionskosten für neu errichtete PV-Anlagen sinken dramatisch.
Keine andere regenerative Energiequelle kann so rasch und systemkompatibel erschlossen werden. Jeder Akteur (Hersteller, Energieversorger, Netzbetreiber, Politik und Gesellschaft) muss heute seinen Beitrag leisten, dann kann die Energiewende über die Photovoltaik viel früher als erwartet und für jeden sichtbar gemeinsam zum Erfolg gebracht werden.
Hier zur Präsentation
Literatur
[1]http://www.bundesregierung.de/Content/DE/Artikel/2012/01/2012-01-20-energiewende.html
[2] A.T. Kearney: Solar PV Electricity, A mainstream power source in Europe by 2020, EPIA, 2009
[3] V. Wachenfeld: Leistungselektronik von PV-Anlagen nach Erreichen der Grid Parity, ETG-Kongress 2009
[4] H. Wirth: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland. Fraunhofer ISE, Fassung v. 27.07.2012
[5] Prognose zur Vergütungs- und Strompreisentwicklung, Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE, Stand 10.04.2012; Daten: BMU, EEG 2012, BMWI
[6] VDE-AR-N 4105 - Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz. August 2011
[7] D. Mende, Y. T. Fawzy, D. Premm, S. Stevens: Increasing the Hosting Capacity of Distribution Networks for Distributed Generation Utilizing Reactive Power Control – Potentials and Limits, 2nd International Workshop on Integration of Solar Power into Power Systems, Lissabon, 2012
[8] B. Engel: Technologien zur PV-Netzintegration, PV Energy World, Intersolar 2012 München
[9] T. Bülo, D. Mende, B. Engel, D. Geibel, T. Degner; K. Boldt,; J.-P. da Costa, W. Kruschel, P. Zacharias, F. Sutter, T. Hug: Spannungshaltung in aktiven, intelligenten Niederspannungsnetzen. VDE Kongress Smart Grid, Stuttgart, 2012
[10] K. De Brabandere: Dezentrale Netzstützung durch PV-Wechselrichter am Niederspannungsnetz. Workshop zur dezentralen Netzstützung, Goslar, 2009
[11] D. Beister: Anspruchsvolles lokales Energiemanagement für die optimale PV-Netzintegration. VDE Kongress Smart Grid, Stuttgart, 2012
[12] R. Mallwitz, C. Althof, S. Buchhold, E. Kiel: First 99% PV Inverter with SiC JFETs on the Market – Future Role of SiC. PCIM Nürnberg. 2012.
[13] Technical Guideline „Generating Plants Connected to the Medium-Voltage Network – Guideline for generating plants’ connection to and parallel operation with the MV network“, June 2008, BDEW, Berlin
[14] Rules and transition periods for specific requirements in addition to the Technical Guideline: Generating Plants Connected to the MV Network, 2011
[15] B. Valov: Change of Network Operation after Interconnection of Renewables. International Workshop „Power Supply Systems with Renewables“ Polytechnische Universität Tomsk, Russland, 2009
[16] D. Premm, T. Fawzy, O. Glitza, V. Sakschewski, G. Bettenwort, B. Engel: How to represent PV Plants in Grid Integration Studies A Generic Approach, EUPVSEC 2011
[17] D. Mende, D. Premm: Erhöhung der Aufnahme-kapazität von Niederspannungsnetzen - Grenzen und Potenziale, 28. Symposium Photovoltaische Solarenergie, 6.-8. März 2013
[18] Jens Bömer, Bernhard Hasche, Karsten Burges: Abschätzung der Kosten für die Integration großer Mengen an Photovoltaik in die Niederspannungsnetze und Bewertung von OptimierungspotenzialeOptimierungspotenzialen, ecofys-Studie, http://www.solarwirtschaft.de/fileadmin/media/pdf/Ecofys_Netzintegration_lang.pdf,
20.3.2012
