Technische Universität Berlin
Fakultät III: Prozesswissenschaften
Institut für Energietechnik
Lehrstuhl für Maschinen- und Energieanlagentechnik
Potenzial des Lastmanagements als Ersatz für
Regelenergiekraftwerke
--
bei einem steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger
Diplomarbeit
Eingereicht von:
Karsten Schubert
Eingereicht am:
14. April 2005
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
4
Tabellenverzeichnis
5
Vereinbarungen
6
1 Einleitung
8
1.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2 Ziel und Methode der Arbeit
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2 Lastmanagement als Regelenergie
10
2.1 Begriff und Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Die Funktion des Lastmanagements in Stromnetzen . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Konventionelle Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 Erneuerbare Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Regelenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.1 Regelenergiekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.3 Steuerbare Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.1 Die Tonfrequenz-Rundsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.2 Die Funkrundsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.3 Telefon- und Datenleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.4 Geeignete Kommunikationsmittel für das Lastmanagement . . . . . 29
2.7 Virtuelle Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Zukünftige Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Bisherige Beispiele und Studien
37
3.1 Industrie und Dienstleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Das synchrone Lastmanagement der Stadtwerke Hannover . . . . . 37
3.1.2 Das virtuelle Regelenergiekraftwerk der Saarenergie AG . . . . . . 40
3.1.3 Virtueller Großverbraucher der HAW Hamburg . . . . . . . . . . . . 41
3.1.4 Energiepark KonWerl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.5 Die virtuellen Kraftwerke der Stadtwerke Schwäbisch Hall und der
Stadtwerke Unna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.6 EDISon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2
Inhaltsverzeichnis
3.1.7 Dispower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.8 Primärregelreserve durch das California Department of Water Re-
sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Haushalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 Erfahrungen der Berliner Studie ,,Zeitvariable lineare Stromtarife" . . 45
3.2.2 Erfahrungen der Eckernförder Studie ,,Kostenorientierte Strom-
preisbildung" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 Warmwasserspeicher in der Schweiz . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Auswertung der Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Eignung des Lastmanagement als Regelenergiereserve . . . . . . . 49
3.3.2 Motivation für die Betreiber von Lastmanagement . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Motivation für die Inhaber steuerbarer Lasten . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.4 Lastmanagement von Haushaltsgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Schätzung des Potenzials des Lastmanagements
54
4.1 Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Kriterien zur Identifizierung abschaltbarer Lasten . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1 Geringe Nutzeneinbußen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 Effektivität der abschaltbaren Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.3 Nebenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4 Weitere Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Industrie und Dienstleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 Identifizierung steuerbarer Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 Schätzung des Potenzials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Haushalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.1 Identifizierung steuerbarer Haushaltsgeräte . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.2 Technische Umsetzbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.3 Akzeptanz durch die Haushalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.4 Berechnung des Potenzials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.5 Kosten- / Nutzenabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 Bewertung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Fazit
75
Anhang
77
Literatur
89
3
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1
Abgrenzung des Lastmanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2
Übersicht über die an Stromnetzen beteiligte Einheiten . . . . . . . . . . . . 13
3
Schema der Kraft-Wärme-Kopplung (Quelle: Schmid (2003)). . . . . . . . . 15
4
Vergleich aktueller Szenarien zur künftigen Entwicklung der Windenergie-
nutzung in Deutschland (Quelle: dena (2005), S. 60) . . . . . . . . . . . . . 18
5
Zusammenhang der Regelenergiearten (Quelle: Bund der Energieverbrau-
cher (2004)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6
Funktionsprinzip der Funkrundsteuerung (Quelle: EFR (2004)) . . . . . . . 28
7
Gesichertes Leistungsangebot eines virtuellen Kraftwerks, das Windkraft
und Biogas kombiniert (Quelle: Lange (2004)) . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8
Vision Energieversorung im Jahre 20xx (Quelle: Bitsch (1999)) . . . . . . . 33
9
Wandel in der Energieversorgung (Quelle: Bitsch, Erge und Zachari-
as (2002), S. 15 c 2001 Copyright Siemens AG). . . . . . . . . . . . . . . 36
10
Automatisierung des Lastabwurfs (Quelle: Röhrig (1998), S. 235) . . . . . . 38
11
Schema eines zweistufigen virtuellen Regelenergiekraftwerks . . . . . . . . 50
12
Stromverbrauch im Jahr 2003 nach Kundengruppen in Prozent (Quelle:
VDEW (2004b), S. 13) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
13
Potenzialprofil für Werktage im Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
14
Potenzialprofil für Werktage im Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
15
Potenzialprofil für Samstage im Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
16
Potenzialprofil für Sonntage im Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
17
Potenzialprofil für Werktage im Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
18
Potenzialprofil für Samstage im Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
19
Potenzialprofil für Sonntage im Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1
Kennzahlen der Grundlastkraftwerke im Jahr 2003 (Quelle: VDEW (2004a)) 14
2
Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung 2004 (vorläu-
fige Abschätzung) (Quelle: BMU (2005); ausgenommen rechte Spalte) . . . 16
3
Vergleich verschiedener Speichersysteme (Quelle: Rothert (1998)) . . . . . 24
4
Anteil verlagerter Haushaltsgeräte der Berliner Studie (in v. H. der Haus-
halte; Quelle der Daten: Hanitsch et al. (1993), S. 72)
. . . . . . . . . . . . 46
5
Vor- und Nachteile der Kundengruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6
Spanne des Anteils steuerbarer Lasten (Quelle: Röhrig (1998), S. 245) . . 59
7
Berechnung des Potenzials des Lastmanagements aus den Daten der Stu-
die der Stadtwerke Hannover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8
Eignung der wichtigsten Haushaltsgeräte für Lastmanagement . . . . . . . 61
9
Anteil verlagerter Haushaltsgeräte der Berliner Studie (in v. H. der Haus-
halte; Quelle der Daten: Hanitsch et al. (1993), S. 72)
. . . . . . . . . . . . 66
10
Gemittelter Verlagerungsfaktor der Geräteklassen nach der Berliner Studie
67
11
Anteil verlagerter Haushaltsgeräte der Eckernförder Studie (Quelle: Pilhar,
Möhring-Hüser und Morovi´c (1997), S. 5759; Der Grund für die zu 100 %
fehlenden Werte sind in der Quelle nicht genannt.) . . . . . . . . . . . . . . 67
12
Beteiligungsfaktor der Haushalte für Lastmanagementmaßnahmen . . . . . 69
13
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Werktagen im
Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
14
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Werktagen im
Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
15
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Samstage im
Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
16
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Sonntage im
Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
17
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Werktagen im
Winter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
18
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Samstage im Winter 85
19
Nutzungsvektoren und Leistung der Haushaltsgeräte an Sonntage im Winter 87
5
Vereinbarungen
Vereinbarungen
Abkürzungsverzeichnis
BEWAG
Berliner Kraft- und Licht (Bewag)-Aktiengesellschaft
BMU
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicher-
heit
dena
Deutsche Energie-Agentur GmbH
DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
DSM
Demand-Side-Management
EVU
Energieversorgungsunternehmen
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz
IER
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung,
Universität Stuttgart
IFEU
Institut für Energie- und Umweltforschung
KWK
Kraft-Wärme-Kopplung
LM
Lastmanagement
SLM
Synchrones Lastmanagement
VDEW
Verband der Elektrizitätswirtschaft e.V.
VDN
Verein der Netzbetreiber e.V. beim VDEW
WI
Wuppertal Institut
Formelzeichen
A
Anteil
b
Beteiligungsfaktor
G
Gruppengrenzen
L
Leistung
P
Potenzial
6
Vereinbarungen
Indizes
B
Bereich
D
deutschlandweit
d
Tag
G
Haushaltsgerät
GG
Großgerät
GK
Geräteklasse
HH
Haushalte
j
Jahreszeit (Sommer/ Winter)
max
maximal
o
oben
q
Quartil
u
unten
T
Tarif(gruppe)
t
Stundenintervall eines Vektors
WW
Warmwasserbereiter und Kleinheizgeräte
7
1 Einleitung
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
,,In elektrischen Versorgungssystemen muss die Leistungserzeugung jederzeit dem Leis-
tungsbedarf entsprechen."
1
Daher wird ein entsprechend ausgerichteter Kraftwerkspark
unterhalten, der es ermöglicht, auf Laständerungen der Verbraucherseite mit den not-
wendigen Leistungsänderungen auf der Erzeugerseite zu reagieren.
2
Bei unerwarteten
Schwankungen ist kurzfristig Regelenergie einsetzbar, um Abweichungen zu kompensie-
ren.
Ebenso wie Laständerungen auf der Verbraucherseite stellt die fluktuierende Einspei-
sung aus erneuerbaren Energieträgern ins Stromnetz auf der Erzeugerseite ein Problem
dar. Das schwankende Dargebot von Wind und Sonneneinstrahlung führt dazu, dass die
zu erwartende elektrische Leistung, die aus diesen alternativen Energien erzeugt wird,
im Voraus nicht genau bestimmt werden kann. Für das Versorgungssystem sind diese
Schwankungen auf der Erzeugerseite gleichbedeutend mit denen auf der Lastseite. Da
beide stochastisch unabhängig voneinander sind, können sie sich addieren und damit
den Regelaufwand erhöhen.
Die Schwankungen mit Hilfe von eigens dafür vorgesehenen Kraftwerken zu kompensie-
ren, ist aus technischer Sicht zwar zielführend, jedoch stehen diese Reservekraftwerke
die meiste Zeit still und sind im Vergleich zu Grundlastkraftwerken weniger wirtschaft-
lich. Als Alternative könnte der Regelenergiebedarf durch Lastmanagement bereitgestellt
werden.
3
Auf diese Weise werden Schwankungen auf der Verbraucher- und Erzeuger-
seite durch eine Veränderung der Gesamtlast ausgeglichen, wodurch wiederum der Ein-
satz von Reservekraftwerken verringert werden kann. Voraussetzung für die Regelung
durch Lastmanagement ist, dass ein ausreichendes Potenzial an steuerbaren Lasten be-
reit steht, welches im Bedarfsfall von den Netzbetreibern abgeworfen oder zugeschaltet
werden kann.
4
Kirby und Hirst sind sogar der Meinung, dass mit dem Lastmanagement
eine der größten, noch kaum genutzten Ressourcen im Energiebereich zur Verfügung
steht.
5
1.2 Ziel und Methode der Arbeit
Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, das Potenzial des Lastmanagements als
Ersatz für Regelenergiekraftwerke abzuschätzen. Lastmanagement wird bisher vor allem
1) vgl. Dany (2000), Umschlagrückseite.
2) vgl. Leonhard und Müller (2002), S. 30.
3) vgl. Kirby und Hirst (1999).
4) unter der Voraussetzung, dass ausreichend Netzkapazität vorhanden ist.
5) vgl. ebd., S. 1.
8
1 Einleitung
zur Verstetigung des Leistungsbedarfs innerhalb von Unternehmen oder Verteilungsnet-
zen verwendet. Zur Nutzung als Regelenergie sind zum Teil technische und organisato-
rische Veränderungen im Bereich der Stromversorgung notwendig. Vor allem gilt dies für
Haushaltsgeräte, da dort zusätzliche technische Einbauten notwendig sind, die eine effi-
ziente Beteiligung am Lastmanagement ermöglichen. Eine vollständige Umsetzung des
Lastmanagements wird in diesen Fällen erst mit dem schrittweisen Austausch der Altge-
räte möglich. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, erstreckt sich der Zeithorizont
der vorliegenden Untersuchung auf die kommenden 15 Jahre.
In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen der Arbeit dargestellt. Ausgehend von
der Versorgungsstruktur und den angeschlossenen Einheiten wird die generelle Eignung
von Lastmanagement zur Stabilisierung von Stromnetzen gezeigt. Abschließend wird ein
Ausblick zur zukünftigen Entwicklung des Versorgungsnetzes gegeben.
Kapitel 3 stellt anhand verschiedener Studien und Untersuchungen Beispiele für den Ein-
satz von Lastmanagement und virtuellen Kraftwerken in der Praxis vor. Die Erfahrungen
werden anschließend ausgewertet und bilden die Grundlage für die nachfolgende Quan-
tifizierung des Potenzials.
In Kapitel 4 wird das Potenzial des Lastmanagements anhand ausgewählter Lasten ge-
schätzt. Die Quantifizierung erfolgt zum einen für die Industrie und Dienstleistungen und
zum anderen für Haushalte. Während für den erstgenannten Bereich die Schätzung auf
Praxiserfahrungen basiert, wird für den sehr homogenen Bereich der Haushalte auf sta-
tistische Grundlagen zurückgegriffen, die ausgewertet und durch weitere Annahmen er-
gänzt wurden.
9
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