Andreas Götz Zukünftige Belastungen von Niederspannungsnetzen unter besonderer

151 Pages·2016·2.78 MB·German

Andreas Götz

Zukünftige Belastungen von Niederspannungsnetzen unter besonderer
Berücksichtigung der Elektromobilität

Andreas Götz

Zukünftige Belastungen von Niederspannungsnetzen
unter besonderer Berücksichtigung
der Elektromobilität

Universitätsverlag Chemnitz

2016
Impressum

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Universitätsverlag Chemnitz
09107 Chemnitz
http://www.tu‐chemnitz.de/ub/univerlag

Herstellung und Auslieferung
Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG
Am Hawerkamp 31
48155 Münster
http://www.mv‐verlag.de

ISBN 978‐3‐944640‐79‐2

http://nbn‐resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1‐qucosa‐198403
Zukünftige Belastungen von Niederspannungsnetzen
unter besonderer Berücksichtigung
der Elektromobilität

von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte

Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor‐Ingenieur
(Dr.‐Ing.)

vorgelegt
von Dipl.‐Ing. Andreas Götz
geboren am 05. Oktober 1980 in Erlabrunn

Gutachter: Prof. Dr.‐Ing. Wolfgang Schufft
Prof. Dr.‐Ing. Manfred Hübner

Tag der Verteidigung: 02. Februar 2016
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................................................. vi 
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................................................. ix 
Symbolverzeichnis .............................................................................................................................................. x 
Vorwort ................................................................................................................................................................ xiii 
1  Einleitung ...................................................................................................................................................... 1 
1.1  Hinführung .......................................................................................................................................... 1 
1.2  Überblick .............................................................................................................................................. 2 
2  Grundlagen ................................................................................................................................................... 3 
2.1  Das Elektroenergiesystem ............................................................................................................ 4 
2.2  Aktuelle Trends im Elektroenergiesystem .......................................................................... 12 
2.3  Gesetzliche Randbedingungen .................................................................................................. 14 
2.4  Grundlagen der Netzplanung .................................................................................................... 16 
2.5  Herausforderungen im zukünftigen Elektroenergiesystem ........................................ 24 
3  Zukünftige Belastungen der Niederspannungsnetze............................................................... 27 
3.1  Methodik ............................................................................................................................................ 27 
3.1.1  Beschreibung der Bearbeitungsstruktur .................................................................... 27 
3.1.2  Aufgabenstellungen .............................................................................................................. 29 
3.2  Bestimmung und Bewertung der zukünftigen Belastungen ........................................ 30 
3.2.1  Prognose zukünftiger Elektroenergiebedarfe .......................................................... 30 
3.2.2  Entwicklungstendenzen dezentraler Energieerzeuger ........................................ 37 
3.2.3  Intelligente Energiemanagementsysteme .................................................................. 38 
3.2.4  Energiespeicher ..................................................................................................................... 42 
3.3  Auswirkungen der zukünftigen Belastungen auf die Netzplanung .......................... 44 

vi
Inhaltsverzeichnis
4  Einflüsse der Elektromobilität ........................................................................................................... 47 
4.1  Die Elektromobilität ...................................................................................................................... 47 
4.1.1  Allgemeines .............................................................................................................................. 47 
4.1.2  Ladetechnologien .................................................................................................................. 50 
4.1.3  Die zukünftige Ladeinfrastruktur ................................................................................... 51 
4.1.4  Die zufällige Ladung von Elektrofahrzeugen ............................................................. 56 
4.2  Modellierung von Ladevorgängen am privaten Ladestandort ................................... 59 
4.2.1  Mathematische Grundlagen angewendeter Verteilungen ................................... 60 
4.2.1.1  Beschreibung der Ankunfts‐ und Wiederstartzeit ......................................... 65 
4.2.1.2  Ermittlung des Ladeenergiebedarfs ..................................................................... 67 
4.2.2  Modellierung der Ladestartzeit ....................................................................................... 70 
4.2.2.1  Funktionsweise des Simulationsprogrammes ................................................. 71 
4.2.2.2  Vergleich der angewendeten Verteilungen ....................................................... 79 
4.2.2.3  Analyse normalverteilter Ladestartzeiten ......................................................... 81 
4.2.3  Ermittlung der zulässigen Anzahl an Elektrofahrzeugen .................................... 91 
4.3  Auswirkungen auf die Planung von Niederspannungsnetzen .................................... 96 
5  Schluss .......................................................................................................................................................... 99 
5.1  Zusammenfassung ......................................................................................................................... 99 
5.2  Ausblick ........................................................................................................................................... 101 
Anhang ............................................................................................................................................................... 105 
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................................... 121 
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................................ 133 
Tabellenverzeichnis ..................................................................................................................................... 135 
Lebenslauf......................................................................................................................................................... 137 

vii

Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung Beschreibung
BDEW Bundesverband der Energie‐ und Wasserwirtschaft e.V.; am
19.07.2007 aus Zusammenschluss von VDEW, VDN, BGW und VRE
entstanden.
BGW Bundesverband der deutschen Gas‐ und Wasserwirtschaft
DISQUAL UNIPEDE‐Expertengruppe (DIStribution QUALity)
EE Erneuerbare Energien
EE‐Anlagen Anlagen zur Umwandlung erneuerbarer Energien für die Bereitstel‐
lung elektrischer beziehungsweise thermischer Energien
EEB Elektroenergiebedarf
Efz Elektrofahrzeug
IK‐Infrastruktur Informations‐ und Kommunikationsinfrastruktur
Pkw Personenkraftwagen
RLM Registrierende Lastgangmessung
RLM‐Endkunden Endkunden mit registrierender Lastgangmessung (vorrangig in der
Mittel‐ und Hochspannungsebene angeschlossen)
SLP Standardlastprofil
SLP‐Endkunden Endkunden, deren Lastbedarf mittels Standardlastprofil prognosti‐
ziert wird (in der Niederspannungsebene angeschlossen)
SoC State of Charge (Ladezustand)
ÜNB Übertragungsnetzbetreiber
UNIPEDE Union internationale des producteurs et distributeurs d'énergie élec‐
trique (International Union of Producers and Distributors of Electri‐
cal Energy)
VBA Programmiersprache Visual Basic for Applications
VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
VDEW Verband der Elektrizitätswirtschaft e.V.; seit 2007 im BDEW aufge‐
gangen
VDN Verband der Netzbetreiber e.V.
VNB Verteilnetzbetreiber
VRE Verband der Verbundunternehmen und Regionalen Energieversor‐
ger in Deutschland

ix
Symbolverzeichnis
Größe Beschreibung
(cid:1832)(cid:4666)(cid:1876)(cid:4667) Verteilungsfunktion der Zufallsgröße (cid:1850)
(cid:1985)(cid:4666)(cid:2009)(cid:4667) Gammafunktion an der Stelle α
(cid:1834) Unterbrechungshäufigkeit (SAIFI‐System Average Interruption Fre‐
(cid:2905)
quency Index)
(cid:1840) Bevölkerungszahl des versorgten Bilanzraumes
(cid:2886)(cid:2906)
(cid:1840) Anzahl an Elektrofahrzeugen (allgemein)
(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936)
(cid:1840) Zulässige Anzahl an Elektrofahrzeugen (Die Anzahl an Elektrofahrzeu‐
(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936),(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934)
gen unabhängig von der Ladevariante, bei der kein Netzausbau infolge
der Elektromobilität notwendig wird)
(cid:1840) Zulässige Anzahl an Elektrofahrzeugen bei
(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936),(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:2931)(cid:2924)(cid:2912)
unbeeinflusster Ladevariante
(cid:1840) Zulässige Anzahl an Elektrofahrzeugen bei
(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936),(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:2936)(cid:2912)
zentral beeinflusster Ladevariante
(cid:1840) Zulässige Anzahl an Elektrofahrzeugen bei
(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936),(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:2936)(cid:2931)(cid:2916)
zufälliger Ladevariante
(cid:1840)   Anzahl der insgesamt versorgten Endkunden
(cid:2889)(cid:2895),(cid:2917)(cid:2915)(cid:2929)
(cid:1840)   Anzahl der unterbrochenen Endkunden je Versorgungsstufe
(cid:2889)(cid:2895),(cid:3037)
(cid:1840) Anzahl der Wohnungen
(cid:2907)
(cid:1842) Elektrische (Wirk‐)Leistung, im Zusammenhang mit einem Energiebe‐
zug auch Last genannt (z. B. Lastbedarf, Netzlast)
(cid:1842) Ladelast eines Elektrofahrzeugs (allgemein)
(cid:2922)(cid:2911)(cid:2914)(cid:2915)
(cid:1842) Maximale Netzlast (maximaler Wert des zu bewertenden Lastprofils)
(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934)
(cid:1842) Maximale Netzlast einer Wohnung
(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:2869)
(cid:1842) Maximale Ladelast eines Elektrofahrzeugs
(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:2889)(cid:2916)(cid:2936)
(cid:1842) Maximale Netzlast der i‐ten Wohnung
(cid:2923)(cid:2911)(cid:2934),(cid:3036)
(cid:1842) Mittlere Netzlast des zu bewertenden Lastprofils
(cid:2923)(cid:2919)(cid:2930)(cid:2930)(cid:2915)(cid:2922)
(cid:1842) Wert der Netzlast zur Dimensionierung des Ortsnetztransformators
(cid:2926)(cid:2922)(cid:2911)(cid:2924)
(cid:1842) Maximal zulässige Netzlast für ein Betriebsmittel
(cid:2936)(cid:2931)(cid:2922)
(cid:1843) Nichtverfügbarkeit (SAIDI‐ System Average Interruption Duration In‐
(cid:2905)
dex)
(cid:1844) Statistische Spannweite
x