Kurzfassung der Dissertation von Herrn Dr. Christian Wagner (TU Dortmund), Gewinner des GEE-Preis 2020 in der Kategorie “Beste Dissertation”

GEE Preis 2020 online

„Integration und Bewertung der Spitzenkappung als Planungsgrundsatz zur wirtschaftlichen Netzentwicklung in Mittelspannungsnetzen“

Der strukturelle Wandel des Ener-gieversorgungssystems führt durch die zunehmend dezentral fluktuie-rende Einspeisung zu einer grund-legenden Veränderung der Versor-gungs- und Planungsaufgabe von elektrischen Verteilnetzen. Leis-tungsflüsse werden zunehmend fluktuierend und bidirektional, wodurch die bisherige Konvention zur Auslegung der Verteilnetze als unzureichend angesehen werden kann. Die oftmals durch sehr hohe Rückspeisung von vorzugsweise dargebotsabhängigen Erzeugern wie Windenergieanlagen (WEA) und Photovoltaikanlagen
(PVA) verursachten Kapazitätsüber-schreitungen induzieren einen teilweise deutlichen Netzausbau-bedarf im Verteilnetz. Die Notwen-digkeit der Netzertüchtigung orien-tiert sich dabei üblicherweise an der über das Jahr maximal erwarte-ten Rückspeiseleistung und erfolgt über konventionelle Ausbaumaß-nahmen. Diese umfassen beispiels-weise das Verlegen von parallelen Leitungen oder Leitern mit größe-rem Querschnitt sowie die Installa-tion von leistungsstärkeren Trans-formatoren. Bei der Ertüchtigung der Netze wird jedoch weder die Dauer noch die Häufigkeit der angenommenen Rückspeiseleistung berücksichtigt. Dies führt dazu, dass Kapazitäten geschaffen werden, die viel Kapital binden, jedoch nur in wenigen Stunden des Jahres tat-sächlich benötigt werden.
Eine effiziente Möglichkeit zur Reduktion des durch die Einspei-sung von dezentralen Energieum-wandlungsanlagen (DEA) induzierten Netzausbaubedarfs ist die temporä-re Leistungsreduktion (Abregelung) dieser Anlagen in Zeiten hoher Einspeisung und gleichzeitig gerin-ger Netzlast. Diese Situationen treten nur selten auf, sodass die Netzbelastung durch die temporäre Abregelung der DEA deutlich redu-ziert werden kann, dabei aber nur eine vergleichsweise geringe nicht eingespeiste Energiemenge im Jahresverlauf hingenommen wer-den muss. Konsequenterweise wurde im Jahr 2016 in Deutschland die Spitzenkappung als planerischer Freiheitsgrad eingeführt. Die Spit-zenkappung erlaubt es Betreibern von Elektrizitätsversorgungsnetzen die elektrische Energie aus Wind-kraft an Land und Photovoltaik in der Netzplanung um bis zu drei Prozent zu reduzieren. Dabei lässt der Gesetzgeber jedoch offen, wie die Spitzenkappung umgesetzt und in die Verteilnetzplanung integriert werden kann.
Die vorliegende Untersuchung setzt an dieser Stelle an und fokussiert sich auf die Integration und Bewer-tung der Spitzenkappung als Pla-nungsgrundsatz zur wirtschaftlichen Netzentwicklung in Mittelspan-nungsnetzen (MS-Netzen). Aus dieser Zielsetzung heraus werden die drei wesentlichen Forschungs-fragen dieser Arbeit abgeleitet.

  1. Wie kann die Spitzenkappung umgesetzt werden und wie können die verschiedenen Verfahren zur Umsetzung der Spitzenkappung in den (etab-lierten) Planungsprozess von Verteilnetzen integriert wer-den?
  2. Wie viel zusätzliche Netzan-schlusskapazität kann durch den Einsatz von Spitzenkap-pungsverfahren in Mittelspan-nungsnetzen gewonnen wer-den?
  3. Wie wirkt sich die Spitzenkap-pung monetär auf den Netz-ausbaubedarf in Mittelspan-nungsnetzen aus und wie hoch sind gegebenenfalls zu erzie-lenden Einsparungen?
    Um die die Signifikanz der gewon-nenen Erkenntnisse zur gewährleis-ten und um allgemeine Handlungs-empfehlungen ableiten zu können, erfolgen die durchgeführten Analy-sen nicht nur exemplarisch für einzelne Mittelspannungsnetze und Zeitreihen, sondern für umfassende und repräsentative Stichproben. Die bei der Beantwortung der Forschungsfragen gewonnen Er-kenntnisse können wie folgt zu-sammengefasst werden:
    Für die Integration der Spitzenkap-pung in die Verteilnetzplanung ist die Dauer und Häufigkeit von kriti-schen Belastungssituationen der Netze entscheidend, da nach aktu-eller Gesetzeslage sichergestellt werden muss, dass die über das Jahr nicht eingespeiste Energie-menge drei Prozent nicht über-steigt. Heute erfolgt die Dimensio-nierung des Netzes jedoch aus-schließlich anhand von Extremwert-Szenarien (sog. Worst-Case-Planung), die die vollständige Bandbreite aller möglichen Netzzu-stände abbilden sollen. Üblich ist die Analyse des Starklast- und Rück-speisefalls. Die Abbildung dieser beiden Netznutzungsfälle in der Netzplanung erfolgt anhand von auf die installierte Leistung bezogenen Skalierungsfaktoren und berücksich-tigen die angenommene Gleichzei-tigkeit zwischen Last und Erzeugung im jeweiligen Fall. Zwar werden mit diesem Ansatz potenziell alle mög-lichen Belastungssituationen be-rücksichtigt, jedoch kann weder eine Aussage über deren reale Auftrittswahrscheinlichkeit getrof-fen werden noch darüber, ob die angenommenen Szenarien über-haupt real auftreten. Die konventi-onelle Planung resultiert folglich häufig in Überkapazitäten.
    Ein geeigneter Ansatz zur Berück-sichtigung der Zeitkopplung zwi-schen Energie und der in der Netz-planung dimensionierungsrelevan-ten Leistung ist die zeitreihenba-sierte Netz-planung. Bei dieser Planungsvariante werden Netznut-zer durch gemessene oder simulier-te Leistungsprofile abgebildet und die resultierende Netzbelastung für alle diskreten Zeitschritte (i. d. R. alle Stunden- oder Viertelstunden eines Jahres) der Leistungsprofile bestimmt. Darüber hinaus kann die Analyse von Zeitreihen auch als vorgelagerter Schritt in der Netz-planung erfolgen, um die ange-nommenen Extremwertszenarien besser an die realen Belastungssitu-ationen anzunähern und die im Zuge der Spitzenkappung im Jahres-verlauf abgeregelte Energie bewer-ten zu können.
    Die Spitzenkappung kann pauschal oder dynamisch erfolgen. Die pau-schale Spitzenkappung basiert auf festen Reduktionsfaktoren, die zur Skalierung der planerisch zu be-rücksichtigenden Anlagenleistung von WEA und PVA genutzt werden können. Die pauschale Spitzenkap-pung kann dabei unmittelbar in den gängigen Planungsprozess integriert werden. Die dynamische Spitzen-kappung erfolgt hingegen durch die bedarfsgerechte und zeitlich flexib-le Leistungsanpassungen der DEA. Dabei ist sie effizienter, d. h. bei gleicher planerischer Abregelung können mehr DEA in das Netz inte-griert bzw. eine stärkere Vermei-dung von Netzausbau erzielt wer-den als bei der pauschalen Spitzen-kappung. Die dynamische Spitzen-kappung jedoch aufwendiger. Sie bedingt u. a. Leistungszeitreihen in mindestens stündlicher Auflösung, rechenfähige Netzmodelle und ausreichende Überwachbarkeit des aktuellen Netzzustandes. Folglich kann die dynamische Spitzenkap-pung nicht ohne Anpassungen in den gängigen Planungsprozess integriert werden.
    Die zur Abbildung der pauschalen Spitzenkappung notwendigen Re-duktionsfaktoren für PVA und WEA werden durch die vorgelagerte statistische Auswertung von 1350 gemessenen Leistungszeitreihen realer und über ganz Deutschland verteilter DEA ermittelt. Die ermit-telten Reduktionsfaktoren sind 0,87 für WEA und 0,7 für PVA und kön-nen unmittelbar deutschlandweit für die Netzplanung verwendet werden. Die Abbildung der dynami-schen Spitzenkappung kann nicht isoliert von der Leistungsflussrech-nung des elektrischen Netzes erfol-gen. Für jeden Zeitschritt muss die sich unter Berücksichtigung der Last- und Erzeugungszeitreihen einstellende Netzbelastung be-stimmt und die notwendige Abre-gelung räumlich und zeitlich opti-miert ermittelt werden. Hierzu wird ein Simulationsmodell aufge-stellt, welches die dynamische Spitzenkappung als Einsatzplanungs-problem bzw. als sogenannten linearisierten Security Constrained Optimal Power Flow abbildet und in Form einer mathematischen Optimierung löst. Der entwickelte Simulationsansatz erlaubt die Analy-se der Spitzenkappung als Pla-nungsoption für eine größere An-zahl an Verteil-netzen, wodurch nicht nur exemplarische, sondern statistisch repräsentative Aussagen über die Wirkweise der Spitzen-kappung als Planungsgrundsatz getroffen werden können.
    Zur Analyse, der durch den Einsatz von Spitzenkappung zusätzlich nutzbaren Netzanschlusskapazität in Mittelspannungsnetzen werden 123 MS-Netze untersucht. Die Ergebnis-se zeigen, dass die dynamische aber auch die pauschale Spitzenkappung gut geeignet sind, um die nutzbare Netzanschlusskapazität zu steigern. Durchschnittlich kann diese in den analysierten MS-Netzen um 29 % (pauschal) bzw. 53 % (dynamisch) gesteigert werden. In einzelnen Netzen kann die Netzanschlusskapa-zität sogar um bis zu 82 % bzw. 147 % gesteigert werden. Die Effektivi-tät beider Spitzenkappungskonzep-te ist dabei abhängig vom konkre-ten MS-Netz.
    Für die ökonomische Bewertung der Spitzenkappung müssen neben den Netzausbauinvestitionen auch die Kosten des durch die Spitzen-kappung induzierten betrieblichen Einspeisemanagements quantifiziert werden. Hierzu wird ein weiteres Simulationsmodell entwickelt, welches die Stufung von Transfor-matoren, die bedarfsgerechte Blindleistungsbereitstellung von DEA sowie das betriebliche Einspei-semanagement abbildet. Die Er-gebnisse zeigen, dass die betrieb-lich notwendige und kompensati-onspflichtige Abregelung aufgrund der unterschiedlichen Regularien und des hierarchischen Einsatzes von operativen Netzentlastungs-maßnahmen deutlich geringer als die planerisch angenommenen 3 % ausfällt. Durch diese quantitative Erkenntnis wird eine einfache, aber präzisere Abschätzung der durch die pauschale sowie dynamische Spit-zenkappung tatsächlich induzierten Entschädigungszahlungen ermög-licht, wodurch ein wesentlicher Mehrwert gegenüber den bisher üblichen Abschätzungen geschaffen wird.
    Für die Bewertung der Investitio-nen des zur Spitzenkappung ggf. ergänzend noch notwendigen konventionellen Netzausbaus sowie die im Referenzszenario, d. h. Netzausbau ausschließlich durch konventionelle Maßnahmen, anfal-lenden Investitionen wird ein regelbasierter heuristischer Prozess entwickelt. Dieser ermöglicht die automatisierte technisch-ökonomische Bewertung des Netz-ausbaubedarfs für eine beliebig große Anzahl von Verteilnetzen und Untersuchungsszenarien. Mithilfe dieses Prozesses kann, der sich für unterschiedliche Entwicklungssze-narien und verschiedene Pla-nungsoptionen einstellende Inves-titionsaufwand für einzelne oder eine beliebig große Anzahl von Verteilnetzen analysiert werden. Dies ermöglicht die schnelle und vergleichende Bewertung neuer Planungsoptionen (z. B. Spitzenkap-pung) hinsichtlich des anfallenden Investitionsaufwands.
    Mithilfe der entwickelten Modelle und Prozesse wird abschließend bewertet, wie stark die notwendi-gen Investitionen zur Ertüchtigung des MS-Netzes durch die Spitzen-kappung reduziert werden können. Die Bewertung erfolgt anhand der Detailanalyse einer Stichprobe aus 48 realen MS-Netzen für zwei un-terschiedlich prognostizierte Ver-sorgungsaufgaben (inkl. Sektoren-kopplung) in Baden-Württemberg im Jahr 2030, wobei die Ergebnisse der Stichprobe mittels Extrapolati-on auf die gesamte Untersuchungs-region ausgeweitet werden. Bei heutigen Rahmenbedingungen können die notwendigen Investiti-onen unter Berücksichtigung anfal-lender Kompensationszahlungen für Einspeisemanagementmaßnahmen um ca. 12 % bis 21 % reduziert werden.
    Die Arbeit zeigt, dass die Spitzen-kappung ein gut geeignetes Instru-ment zur effizienten Planung von MS-Netzen ist. Die Höhe der erziel-ten Einsparungen ist dabei abhängig von der gewählten Spitzenkap-pungsstrategie und Versorgungsauf-gabe. Durch die dynamische Spit-zenkappung können höhere Einspa-rungen als durch die pauschale Spitzenkappung erzielt werden. Da nur in einem Teil der MS-Netze Einsparungen generiert werden, sollte die Spitzenkappung nicht uneingeschränkt und grundsätzlich als Planungsvariante herangezogen, sondern bedarfsgerecht und gezielt eingesetzt werden

Dr. Christian Wagner
Dr. Christian Wagner, Ehem. TU Dortmund, Beste Dissertation 2020

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