Optimale Speicherintegration in einem Niederspannungsnetz zur Maximierung der Aufnahmefähigkeit von verteilten Erzeugungsanlagen

Abstract

Die Energiewende hin zu einem nachhaltigen und CO2 -neutralen Energieversorgungssystem ist eine der größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Entsprechend dem European Green Deal sollen bereits bis zum Jahr 2030 bereits 45 % der innerhalb der EU verbrauchten Energie aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft stammen. Da die erneuerbaren Energiequellen aber einerseits nicht konstant zur Verfügung stehen, sondern sowohl tages- als auch jahreszeitlich stark schwanken, und andererseits meist nicht zentral, sondern räumlich verteilt und auf verschiedenen Netzebenen angeschlossen sind, ergeben sich neue Herausforderung für das Stromnetz und insbesondere die Notwendigkeit, Energie in größerem Umfang als bisher zu speichern. In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, wie Energiespeicher im Niederspannungsnetz positioniert, dimensioniert und betrieben werden müssen, um nach technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten die steigende Stromproduktion durch dezentrale Photovoltaik-Anlagen optimal in das Stromnetz zu integrieren. Die technische Betrachtung erfolgt mittels Leistungsflussberechnungen in PSS SINCAL zur Beurteilung von Spannungsbandverletzungen und Betriebsmittelüberlastungen, Verlusten und dem Austausch von Wirk- und Blindleistung mit dem übergeordneten Netz. Darüber hinaus werden die Einsatzmöglichkeiten eines Speichersystems im Fall eines Blackouts berücksichtigt und die Auswirkungen auf den Netzwiederaufbau untersucht. Die wirtschaftliche Bewertung erfolgt auf Basis der Investitionskosten für die Kunden und des Netzbetreibers sowie der erwarteten Erlöse und Einsparungen durch den Speichereinsatz. Für die ökologische Bewertung wird eine CO2-Bilanz der eingesetzten Speichertechnologien erstellt und diskutiert, wie gut die benötigten Rohstoffe verfügbar sind, unter welchen Bedingungen sie gewonnen werden und ob die Speichersysteme recycelt werden können. Die Berechnungen werden für ein typisches reales Ortsnetz mit 59 Kundenanschlüssen durchgeführt. Der Haushaltsverbrauch wird mit einem ZIP-Modell beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass auf dem Dach jedes Kunden eine Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 5 kW installiert ist. Darauf aufbauend werden fünf Szenarien entwickelt, berechnet und bewertet, wobei es sich bei zwei Szenarien um kundenseitig installierte Batteriespeichersysteme mit unterschiedlichen Betriebskonzepten handelt, bei zwei um netzseitig installierte zentrale Batteriespeichersysteme und bei einem um einen Wasserstoffspeicher.Als Resultat der Arbeit stehen schlussendlich robuste Methoden zur Verfügung, mit denen im Zuge einer ganzheitlichen Betrachtung die Speicherintegration nach technischen, ökonomischen und ökologischen Parametern optimiert werden kann.Die Ergebnisse zeigen, dass unter den in dieser Arbeit getroffenen Annahmen und Rahmenbedingungen kundenseitig installierte Batteriespeichersysteme mit netzdienlicher Betriebsweise die effektivste Möglichkeit sind, Spannungsbandverletzungen und Betriebsmittelüberlastungen im Netz zu vermeiden. Darüber hinaus scheint diese Variante auch aus ökonomischer und ökologischer Sicht eine adäquate Lösung darzustellen.

The energy transition towards a sustainable and CO2-neutral energy supply system is one of the most significant global challenges of the 21st century. According to the European Green Deal, 45 % of the energy consumed within the EU should come from renewable sources such as photovoltaics, wind and hydropower by 2030. The large-scale integration of distributed energy resources provokes significant challenges for the operation of the distributed grid because they have not only volatile behavior but are spatially distributed being connected to different grid points. Using storage technologies is one alternative to overcome these challenges and increase the hosting capacity of the grid on distributed generation.This work examines where energy storage devices should be positioned, dimensioned, and operated in the low-voltage grid to increase the hosting capacity of the grid on distributed generation (rooftop photovoltaics) from a technical, economic, and ecological perspective. The technical evaluation is carried out using power flow calculations with PSS SINCAL to assess voltage limit violations and infrastructure overloads, losses, the exchange of active and reactive power with the higher-level grid, etc. It also covers the possible uses of a storage system in the event of a blackout and the effects on network reconstruction. The economic evaluation is carried out on the basis of the investment costs for the customers and the grid operator, as well as the expected revenues and savings resulting from the use of storage. For the ecological assessment, a CO2-balance of the used storage technologies is carried out, and it is discussed how readily the necessary raw materials are available, under what conditions they are obtained and whether the storage systems can be recycled.The calculations are carried out for a typical real household network serving 59 customers. Their load is modelled using the ZIP model. A 5 kWp photovoltaic system is assumed to be installed on each customer’s rooftop. Five scenarios are developed, calculated and evaluated, with two scenarios dealing with customer-installed battery storage systems with different operating modes, two based on grid-installed central battery storage systems, and one using a hydrogen storage system.The main result of this work are the reliable methods with which storage integration can be optimized according to technical, economic and ecological parameters as part of a holistic approach.The calculation results show that, under the assumptions and framework conditions made in this work, customer-installed battery storage systems with a grid-friendly operating mode are the most effective way to avoid voltage limit violations and infrastructure overloads in the grid. In addition, this variant also seems to represent an adequate solution from an economic and ecological perspective.