Kapitel 7

Zusammenfassung

7 Zusammenfassung Die Last- und Erzeugungssituation in Wohngebieten befindet sich derzeit im Wandel. Es ist mit einem weiteren Ausbau von privater PV-Erzeugung zu rechnen. Zudem werden sich einige Haushalte, die bereits über eine PV-Anlage verfügen, in Zukunft ein Hausspeichersystem beschaffen, um ihren Verbrauch zu einem höheren Anteil mit selbsterzeugter PV-Energie zu decken. Auf der Lastseite müssen mit Elektrofahrzeugen neue und hohe Lasten in die Netze der Wohngebiete integriert werden. Methodik In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit welchem die Stromversorgung von Wohngebieten netztechnisch simuliert werden kann. Die Wohngebiete bestehen aus Haushalten, PV-Anlagen, Hausspeichersystemen und Elektrofahrzeugen sowie der zugrunde liegenden Netztopologie. Die Lastflussberechnung innerhalb der Simulation berücksichtigt alle Erzeuger und Verbraucher als dreiphasige, unsymmetrische Potentiale. Die Simulation ist für Ganzjahressimulationen optimiert und ermöglicht Zeitschritte von fünf Sekunden bis zu einer Stunde. Es wurden die Netztopologien von 34 Wohngebieten aufbereitet, um sie im entwickelten Simulationsmodell verwenden zu können. Davon entsprechen 17 Netztopologien realen Wohngebieten und 17 Netztopologien synthetischen Referenz-Wohngebieten. Die Wohngebiete bestehen aus 14 – 350 Haushalten und sind ausschließlich Gebiete mit überwiegender Ein-/Zweifamilienhaus-Bebauung. Jeder Haushalt verfügt über einen individuellen, drei-phasigen Lastgang auf Basis realer Lastprofile und Messungen von Einzelgeräten. Das Fahrverhalten jedes simulierten Elektrofahrzeugs wird auf Basis von mehrmonatigen GPS-Fahrprofilen individualisiert. Die Erzeugungsgänge der PV-Anlagen werden auf Basis mehrerer, einjähriger Messungen an PV-Anlagen aus dem gleichen Ort modelliert. Im Simulationsmodell werden Regelungen für PV-Anlagen, Elektrofahrzeuge und Hausspeichersysteme implementiert, welche das Ziel verfolgen den Eigenverbrauch von selbsterzeugter PV-Energie zu erhöhen oder die Spannungsstabilität zu verbessern. Hierzu gehören spannungsabhängige und wirkleistungsabhängige Blindleistungsregelungen, eine spannungsabhängige Wirkleistungsregelung sowie eine Ladesteuerung der Elektrofahrzeuge zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs. Das Konzept des regelbaren Ortsnetztransformators wird ebenfalls im Modell implementiert. Hierbei finden die konventionelle Steuerung sowie eine lastflussabhängige Steuerung Anwendung. Das Simulationsmodell ermöglicht Auswertungen zur Spannungsstabilität, Betriebsmittelauslastung, Stromversorgung des Wohngebiets und zu den Einflüssen der Regelungen auf die einzelnen Anlagen und Elektrofahrzeuge. Ergänzt werden diese energietechnischen Berechnungsergebnisse um eine Abschätzung zu den Treibhausgasemissionen sowie um die Zusammensetzung der Energieträger der Stromversorgung der einzelnen Netzgebiete. Ergebnisse Wie aus vorherigen Untersuchungen bereits bekannt, konnten auch die Analysen dieser Arbeit zeigen, dass Elektrofahrzeuge eine Lastspitze am Abend verursachen. Diese überlagert sich mit der in etwa zur selben Zeit auftretenden Lastspitze der Haushalte. Die Höhe der Lastspitze wächst mit steigender Ladeleistung und mit steigender Verbreitung der Elektrofahrzeuge. Die

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jährliche Lastspitze ist deutlich höher als die mittlere, abendliche Lastspitze des Tages. Das Verhältnis der jährlichen zur mittleren, täglichen Lastspitze ist von der Anzahl der Fahrzeuge und somit von der Größe des Wohngebietes abhängig. Bei kleineren Wohngebieten ist das Verhältnis höher als bei größeren Wohngebieten. Eine Erhöhung der PV-Erzeugung im Wohngebiet reduziert die jährliche Lastspitze des Netzgebietes nicht. Hausspeichersysteme haben ebenfalls einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die maximale jährliche Last und die maximale Rückspeisung in das Mittelspannungsnetz. Bei Haushalten mit PV-Anlagen und Hausspeichersystemen reduzieren diese die mittlere, tägliche Lastspitze etwas, aber auch hier haben sie keinen Einfluss auf die jährliche Lastspitze. Der selbstverbrauchte Anteil an eigenerzeugter Energie steigt in Haushalten durch die Verwendung von Hausspeichersystemen von ca. 28 % auf 66 %. Der mittlere PV-Eigendeckungsgrad der Haushalte steigt ebenfalls von ca. 20 % auf 43 %. Die mittlere Ladegleichzeitigkeit der Elektrofahrzeuge ist abends gegen 19 Uhr mit etwa 25 % am höchsten. Die maximale Ladegleichzeitigkeit des gesamten Jahres ist abhängig von der Anzahl der Elektrofahrzeuge im Wohngebiet und ist Faktor zwei bis drei höher als die mittlere Ladegleichzeitigkeit. Eine Ladesteuerung für Elektrofahrzeuge zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs erhöht den PV-Anteil an der Fahrenergie der Elektrofahrzeuge in Haushalten ohne Hausspeichersysteme von 7,3 % auf 31,7 %. In Haushalten mit Hausspeichersystemen fällt die Erhöhung von 32,5 % auf 45,0 % geringer aus. Die mittlere, elektrische Fahrprofilabdeckung reduziert sich durch die Ladesteuerung um etwa 0,4 %. Das Peak-Shaving der PV-Erzeugung auf 70 % der Modulleistung reduziert den Ertrag der untersuchten PV-Anlagen um etwa 2,7 %. Durch Peak-Shaving der tatsächlichen Rückspeisung auf 70 % der Modulleistung können diese Verluste um bis zu 60 % reduziert werden. Elektrofahrzeuge, welche mit einer spannungsabhängigen Blindleistungsregelung und zugleich mit einer Wirkleistungsregelung zur Verbesserung der Spannungsstabilität ausgestattet sind, heben die Spannung an den Stellen im Wohngebiet mit der geringsten Spannung um 2-3 %-Punkte an. Die durch die Blindleistungsregelung bereitgestellte Blindleistung zur Spannungsanhebung reduziert den Blindleistungsbedarf des Wohngebietes und entlastet dadurch den Ortsnetztransformator und die Stromleitungen geringfügig. Für das Referenzszenario 2030 beträgt die Reduktion der maximalen Auslastung des Ortsnetztransformators in etwa 2,5 %. Die mittlere, elektrische Fahrprofilabdeckung sinkt durch die Wirkleistungsregelung zur Verbesserung der Spannungsstabilität im Mittel über alle Fahrzeuge um ca. 0,03 %. Ein regelbarer Ortsnetztransformator, welcher lastflussabhängig gesteuert wird, hebt die Spannung gegenüber einem konventionell gesteuerten regelbaren Ortsnetztransformator, im Fall hoher Elektrofahrzeuglasten, stärker an. Bei der im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Kennlinie ist die Spannungsanhebung durch den lastflussabhängig geregelten Ortsnetztransformator in etwa 2 %-Punkte höher. Für das Referenzszenario 2030, welches die erwartete Energieversorgungssituation eines Wohngebietes im Jahr 2030 widerspiegelt, wird festgestellt, dass ohne weitere Netzstabilisierungsmaßnahmen bis zu 17 % der untersuchten Netze einen Netzausbaubedarf

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8 - Weiterer Forschungsbedarf

aufweisen um die EN 50160 einzuhalten. Hierbei handelt es sich ausschließlich um Netze mit mehr als 100 Hausanschlüssen. Fazit Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die zu erwartenden Auswirkungen von weiteren PV-Anlagen, Hausspeichersystemen und Elektrofahrzeugen auf Niederspannungsnetze gering sind. Bestehende Konzepte wie Ladesteuerungen, Blindleistungsmanagement und regelbare Ortsnetztransformatoren können kritische Netzsituationen in den kommenden Jahren vermeiden. Um notwendige Netzverstärkungsmaßnahmen, induziert durch Elektrofahrzeuge, in zehn bis zwanzig Jahren zu vermeiden, ist eine spannungsabhängige Blindleistungsregelung bei Elektrofahrzeugen zur Spannungsanhebung aus technischer Sicht sinnvoll. Im Falle sehr geringer Spannungen wird auch eine zeitweise Reduktion der Ladeleistung empfohlen, da dies positive Auswirkungen auf die Spannung hat und die elektrische Fahrprofilabdeckung der Elektrofahrzeuge nicht nennenswert beeinflusst.