Photovoltaik-Kraftwerke können helfen, die Netzspannung zu stabilisieren

1. IEFE Institute of Energy Systems
and Fluid-Engineering
School of
Engineering
Zurick University
of Applied Sciences
Zurich University of Applied Sciences
Photovoltaik-Kraftwerke können helfen,
die Netzspannung zu stabilisieren
Fabian Carigiet und Franz Baumgartner
Kontakt: cari@zhaw.ch
School of Engineering - Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
https://home.zhaw.ch/~bauf

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Agenda
 Lokale Spannungserhöhungen
 Fallbeispiel Dettighofen 2014
 Massnahmen Spannungshaltung
 Technischer und ökonomischer Vergleich der Massnahmen in
den Niederspannungsverteilnetzen (BFE Projekt 2016-2019)
 Beispiele WR-Regelungen (Wirk- und Blindleistungsregelung)
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 2

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Aktuelle Situation (Vergleich D-A-CH)
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 3
CO2
1m
Austria
230W / 3%
Schweiz
2020
4%(300W / Kopf)
Deutschland
560W / 9%
1m
1.6m2 PV Modul kostet 2020 ca. 100Fr
2023
8%
2026
12%
2029
16%
2030
20%
2031
24%
1.6m2 1.6m2 1.6m2 1.6m2 1.6m2
1.6m2
Energiestrategieziel
bis 2035
Energiestrategieziel
bis 2050

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Ohne dezentrale
Stromerzeugung oder
bei starker Bewölkung
Tagen
Mit dezentrale
Stromerzeugung
Spannung Niederspannungsverteilnetz
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 4
https://www.strom.ch/de/energiewissen/stromnetze
XX
X X
X
X
X
X

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Spannung Niederspannungsverteilnetz
Neue Situation
• Am Mittag: ΔU von 5% (UHaus > UTrafo)
• Am Abend: ΔU von -2% (UHaus < UTrafo)
Normen und Richtlinien zur Spannungshaltung:
• EN 50160: ∆𝑉𝑉 = ±10%
• D-A-CH-CZ Regeln: ∆𝑉𝑉 = +3% (+5%)
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 5
Infolge dezentraler Erzeugung
Bei Einhaltung ist die EN50160
immer gewährleistet
Ausnahme bei
entsprechender
Überwachung

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Fallbeispiel Dettighofen 2014
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 6
Wo wurde gemessen
Dettighofen 2014 (Deutschland)
PV Stromanteil: 46%
Installierte Leistung: 821 kWp (1.55kWp/Einwohner)

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Fallbeispiel Dettighofen 2014
24.03.2021 7
Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert
Referenz:
F. Carigiet, M. Niedrist, C. Scheuermann, and F. Baumgartner, ‘Case study of a low-voltage distribution grid with high
PV penetration in Germany and simulation analyses of cost-effective measures’, Prog. Photovolt. Res. Appl., 2015.
Messresultate: Spannung war während 10min grösser als die erlaubten
+10% der Nennspannug

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Technische Lösungen
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 8
Kupfer
Wechsel-
richter
Regelbarer
Trafo oder
Spannungs-
regler
Batterie
Eigen-
bedarf

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Klassifizierung und Ziele
• Technische Machbarkeit der
Lösungen für die einzelnen
Netztypen
• Ökonomische Bewertung der
Massnahmen
• Unterstüztung bzw. erster
Richtwert für Verteilnetzbetreiber
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 9
Netz-
klassen
Dorf
Urbane
Siedlung
Stadtrand
Ranking der Lösungen
anhand technischer und
ökonomischer
Bertrachtungen
Weiler
etc.

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Techno-ökonomischer Vergleich
Netz
Netz-
ausbau
PQ(U) Q(U)
Spannungs-
regler
Regelbarer
Trafo
Batterie
Stadtrand mit
Einkaufszentren
55-155 65-80 60-80 45-55 - >500
Urbane Siedlung
(mit MFH)
starkes
Netz
50-70 50-70 40-50 50-60
starkes
Netz
Urbane Siedlung
(mit Gewerbe)
starkes
Netz
40-60 40-60 75-85 55-65
starkes
Netz
Dorfzentrum
starkes
Netz
30-35 30-35 70-80 90-100
starkes
Netz
Dorfrand 160-450 90-130 90-125 50-60 70-80 >350
Weiler 490-1700 390-430 nicht möglich nicht möglich nicht möglich >2200
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 10
Kosten in CHF/kWp über 25 Jahre betrachtet

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Vorteile:
• In vielen Fällen günstigste Lösung
• Kein Investment in IT und Überwachung nötig
• Verursacher ist Teil der Lösung
• Kann auch gegen Spannungsabfälle eingesetzt werden z.B.
Elektromobilität
Nachteile
• Inverter muss leicht überdimensioniert werden (10%)
• Netzberteiber braucht neu interne und externe (Kunden,
Installateure) Prozesse für die Umsetzung
Wirk- und Blindleistungsregelung PQ(U)
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Was ist Blindleistung?
 Sie ist im Netz immer vorhanden
(z.B. Motoren oder
Kondensatoren).
 Sie kostet, da sie
Leitungskapazität belastet.
 Sie kann die Spannung im Netz
erhöhen oder senken.
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 12
Kapazitive
Q-Einspeisung
Induktive
Q-Einspeisung

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Fall Dettighofen ohne Regelung
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 13
https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/iefe/news/news/event-news/wie-photovoltaikanlagen-zur-
spannungsregelung-beitragen/

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Fall Dettighofen mit PQ(U)-Regelung
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 14
https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/iefe/news/news/event-news/wie-photovoltaikanlagen-zur-
spannungsregelung-beitragen/

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Resultate während eines sonnigen Tages
Dettighofen (Typ: Dorfrand)
Ohne Regelung:
• Spannungserhöhung: 5.0% und 5.6%
PQ(U)-Regelung:
• Spannungserhöhung: 2.9% and 3.1%
Wie sieht die Situation über ein ganzes Jahr aus?
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 15
-2.1% -2.5%

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Resultate über ein ganzes Jahr
Dettighofen (Typ: Dorfrand)
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 16
Ref: Alain Schwab, «Analyse der Spannungshaltung in
Niederspannungsnetzen bei hohem Solarstromanteil für die
Elektromobilität», 2018, Bachelor Thesis, ZHAW IEFE
Ohne Regelung
∆𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 7.23%
Mit PQ(U)-Regelung
∆𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 2.39%
[1] [1]

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Resultate über ein ganzes Jahr
Ilanz (Typ: Urbane Siedlung mit MFH)
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Ref: Alain Schwab, «Analyse der Spannungshaltung in
Niederspannungsnetzen bei hohem Solarstromanteil für die
Elektromobilität», 2018, Bachelor Thesis, ZHAW IEFE
Ohne Regelung
∆𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3.98%
Mit PQ(U)-Regelung
∆𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 2.33%
[1] [1]

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Umsetzung in Österreich
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Regulierungsbehörde E-Control TOR Erzeuger Typ A:
Anschluss und Parallelbetrieb von Stromerzeugungsanlagen des Typs A und von
Kleinsterzeugungsanlagen (https://www.e-control.at/recht/marktregeln/tor)
Die Vorarlberger Energienetze GmbH (www.vorarlbergnetz.at) setzen dies schon seit
Jahren um (Stand März 2021: 5700 Wechselrichter mit PQ(U) Regelung)

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Zukunft Elektromobilität
Vier Szenarien (Schnellladung):
1. Keine Elektromobilität
2. 1 Elektroauto am
schwächsten Netzpunkt
3. 50% aller Häuser mit PV-
Anlagen haben ein
Elektroauto
4. 100% aller Häuser mit PV-
Anlagen haben ein
Elektroauto
Worstcase: Alle Elektroautos
werden gleichzeitig zu Mittag
geladen
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Zukunft Elektromobilität
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Ohne Regelung Mit PQ(U)-Regelung

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Zusammenfassung
 PV-Anlagen mit deren Wechelrichtern sind Teil der Lösung.
 Es gibt nicht nur die “eine Lösung”, sondern mehrere bzw.
Kombination von Lösungen.
 In vielen Fällen ist die PQ(U)-Regelung kosteneffizient.
 PQ(U)-Regelung kann auch eingesetzt werden um die
Spannung anzuheben (Elektromobilität).
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 21

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Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!
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Industriepartner:
Assoziierte Partner:
Dieses Projekt wurde vom Bundesamt für Energie (BFE,
SI/501370-01) gefördert.
https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=37871&Sprache=de-CH
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Danke
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert