Technische Universität Berlin

Fakultät III: Prozesswissenschaften

Institut für Energietechnik

Lehrstuhl für Maschinen- und Energieanlagentechnik

Potenzial des Lastmanagements als Ersatz für

Regelenergiekraftwerke

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bei einem steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger

Diplomarbeit

Eingereicht von:

Karsten Schubert

Eingereicht am:

14. April 2005

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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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