Danksagung

An dieser Stelle möchte ich die Gelegenheit nutzen, um mich bei all denen zu bedanken, die mich bei meinem „Projekt Diplomarbeit“ tatkräftig unterstützt haben. Herrn Prof. Dr.-Ing. Harald Schwarz danke ich für die Möglichkeit, an seinem Lehrstuhl als studentischer Mitarbeiter tätig sein zu können. Ohne diese Tätigkeit währe es wohl nie zu der Diplomarbeit in der vorliegenden Form gekommen.

Im Besonderen bedanke ich mich bei meinem Betreuer Dipl.-Ing. Dirk Lehmann. Auf seiner Idee beruht das Thema für diese Diplomarbeit.

Herrn Torsten Rietschel (Stadtwerke Cottbus) und Frau Irene Friese (Elektroenergie-versorgung Cottbus) danke ich für die Bereitstellung der in dieser Arbeit verwendeten Daten. Ohne diese Daten währe es nicht möglich gewesen das „Projekt Diplomarbeit“ in dieser Art und Weise durchzuführen.

Meinen Eltern danke ich für die jederzeit tatkräftige Unterstützung und die gelegentlichen kritischen Worte.

Einen ganz besonderen Dank möchte ich an meine Verlobte Maria-Magdalena Matz (B.Sc.) richten. Sie hat mich nicht nur im Rahmen dieser Arbeit unterstützt, sondern das gesamte Studium über. Ohne Sie hätte ich dieses Ziel niemals erreicht.

Inhaltsverzeichnis

1  ZIELSTELLUNG  1

2  VORBETRACHTUNGEN  2

2.1  LASTPROFILE  2

2.2  WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG DER LASTPROFILE  5

2.3  NETZSTRUKTUR  8

2.4  ENERGIEWIRTSCHAFT  11

2.5  PHOTOVOLTAIK  13

2.5.1  TECHNIK DER PHOTOVOLTAIK  13

2.5.2  BEDEUTUNG DER PHOTOVOLTAIK.  15

3  LASTPROFILANALYSE  17

3.1  VORBEMERKUNG  17

3.2  ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEM DER STADT COTTBUS  17

3.3  LASTPROFIL DER STADT COTTBUS  18

3.3.1  TAGESLASTGANG  18

3.3.2  DETAILLIERTERE ANALYSE  30

3.3.2.1  GRUNDLAGE DER ANALYSE  30

3.3.2.2  WOCHENLASTGANG  31

3.3.2.3  MONATSLASTGANG  34

3.3.3  ABSCHLIEßENDE BEMERKUNG  36

3.4  PHOTOVOLTAIKEINSPEISUNGEN  37

3.4.1  AKTUELLER STAND IN COTTBUS  37

3.4.2  LASTPROGNOSE  39

3.5  AUSWIRKUNGEN DER PHOTOVOLTAIK AUF DEN LASTGANG DER STADT  

COTTBUS   45

IV

Inhaltsverzeichnis

4  HERAUSFORDERUNGEN IN DER ZUKUNFT  49

5  FAZIT  53

LITERATUR   55

ABK  ÜRZUNGSVERZEICHNIS  57

V

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

ABB.  1: LASTGANG DER STADT- UND ÜBERLANDWERKE LUCKAU - LÜBBENAU 2009  

ABB.  2: LASTGEBIRGE DER STADT- UND ÜBERLANDWERKE LUCKAU-LÜBBENAU JANUAR 2009  

ABB.  3: GEORDNETER LASTGANG DER STADT- UND ÜBERLANDWERKE LUCKAU - LÜBBENAU 2009  

ABB.  4: AUFBAU DES DEUTSCHEN ENERGIEVERSORGUNGSNETZES  

ABB.  5: ENTWICKLUNG EINES ENERGIETRÄGERS VON DER RESSOURCE ZUM ROHSTOFF  

ABB.  6: UMWANDLUNG EINES ROHSTOFFES IN NUTZBARE ENERGIE  

ABB.  7: PHOTOEFFEKT  

ABB.  8: DIFFUSION DURCH DIE RAUMLADUNGSZONE  

ABB.  9: MITTLERER TAGESLASTGANG FÜR DIE STADTWERKE COTTBUS 2009  

ABB.  10: VERGLEICH VON MAXIMUM, MITTELWERT UND MINIMUM  

ABB.  11: LASTGEBIRGE DER STADTWERKE COTTBUS FÜR APRIL 2009  

ABB.  12: GEORDNETER LASTGANG DER STADTWERKE COTTBUS 2009  

ABB.  13: TAGESLASTGANG DER STADTWERKE COTTBUS MIT LASTBEREICHEN  

ABB.  14: TAGESLASTGANG FÜR DIE STADT BOCHUM 2009  

ABB.  15: GEORDNETER TAGESLASTGANG DER STADT BOCHUM 2009  

ABB.  16: TAGESLASTGANG DER STADTWERKE MÜNCHEN 2009  

ABB.  17: GEORDNETER LASTGANG DER STADTWERKE MÜNCHEN 2009  

ABB.  18: VERGLEICH DER RELATIVEN TAGESLASTPROFILE  

ABB.  19: TAGESLASTGANG JE WOCHENTAG FÜR DIE STADT COTTBUS 2009  

ABB.  20: WOCHENLASTGANG DER STADT COTTBUS  

ABB.  21: WOCHENLASTGANG DER STADT BOCHUM  

ABB.  22: MONATSLASTGANG DER STADT COTTBUS  

ABB.  23: JAHRESLASTGANG DER STADT COTTBUS 2009  

ABB.  24: ENTWICKLUNG DER JAHRESARBEIT DER PV-ANLAGEN IN COTTBUS 2009  

ABB.  25: SOLARRECHNER 50HERTZ TRANSMISSION GMBH  

ABB.  26: REALE SONNENEINSTRAHLUNG IN COTTBUS 2009  

ABB.  27: VERGLEICH REALE UND PROGNOSTIZIERTE SOLAREINSTRAHLUNG  

VI

Abbildungsverzeichnis   

ABB.  28: RELATIVER ANTEIL VON PHOTOVOLTAIKEINSPEISUNGEN  

ABB.  29: VERGLEICH LASTBEDARF UND PV-EINSPEISUNG  

ABB.  30: GEORDNETER LASTGANG DER STADT COTTBUS 2009  

VII

Tabellenverzeichnis   

Tabellenverzeichnis   

TABELLE 1:  SPANNUNGSEBENEN IN DEUTSCHLAND  9

TABELLE 2:  ENTWICKLUNG DER PHOTOVOLTAIK IN DEUTSCHLAND  16

TABELLE 3:  NETZZUSAMMENSETZUNG  17

TABELLE 4:  VERGLEICH DER MARKANTEN LASTPROFILPUNKTE  29

TABELLE 5:  ENTWICKLUNG DER PHOTOVOLTAIK IN COTTBUS  37

VIII

1 Zielstellung

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, auf Grundlage von Leistungsdaten, ein Lastprofil für den Verbrauch an elektrischer Energie ¹ zu erstellen, welche eine Aussage über den Einfluss von Photovoltaikeinspeisungen ermöglicht. Dazu werden Daten der Stadtwerke Cottbus verwendet und anhand von Werten der Stadtwerke München, der Stadt- und Überlandwerke Luckau - Lübbenau und nmr - Netz Mittleres Ruhrgebiet GmbH verglichen. In dem ersten Teil der Arbeit werden die notwendigen Grundlagen hinsichtlich der Lastprofile und ihrer wirtschaftlichen Bedeutung gelegt, sowie auf die Netzstruktur, die Energiewirtschaft und die Photovoltaik eingegangen.

Der Kern dieser Arbeit ist der zweite Abschnitt. Hier wird zuerst das Energie-versorgungsnetz der Stadt Cottbus dargestellt. Anschließend wird das Lastprofil für das Jahr 2009 analysiert. Der Einfluss von Photovoltaikeinspeisungen wird ebenfalls untersucht und ausgewertet.

Der dritte Teil mit dem Titel „Herausforderungen in der Zukunft“ ist ein Aufzeigen von möglichen zukünftigen Forschungsschwerpunkten.

Eine abschließende und zusammenfassende Betrachtung erfolgt im vierten und letzten Teil dieser Arbeit.

¹ Unter Energie wird in dieser Arbeit generell elektrische Energie verstanden.

1

2 Vorbetrachtungen

2.1 Lastprofile

Der Kern dieser Arbeit ist die Auseinandersetzung mit den Lastprofilen bzw. mit den Lastgebirgen der Stadt Cottbus unter Berücksichtigung des Einflusses von erneuerbaren Energien, namentlich Photovoltaik (PV). Dabei stellt sich als Erstes die Frage: Was sind überhaupt Lastprofile?

Lastprofile, auch Lastganglinien genannt, sind die Belastungen in einem Energie-versorgungsnetz über einen Zeitraum und werden mit der Funktion Gl.: 1 P=f(T)

dargestellt. Sie ergeben sich aus den einzelnen Abnahmen je Zeitraum und stellen den absoluten oder relativen Verlauf des Bedarfs in einem Zeitraum dar. Dabei kommt es regelmäßig zu starken Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Dennoch lassen sich grundsätzlich periodische Muster erkennen und entsprechend anwenden. Die Daten zur Ermittlung der Lastprofile basieren auf den Mittelwert des Verbrauchs in einem Viertelstundenraster. Das bedeutet, es werden die einzelnen zeitlich kleinsten, messbaren Werte über die Zeit aufsummiert und durch die Anzahl der Werte geteilt. Das Ergebnis ist ein Durchschnittswert für die entsprechenden 15 Minuten. Problematisch hierbei ist jedoch, dass positive und negative Lastspitzen nicht oder nur unzureichend dargestellt werden können. Erst durch das Auftreten mehrerer, gleich gerichteter, erheblicher Lastspitzen wird der Mittelwert signifikant beeinflusst. [8; 16]

Graphisch lassen sich die so ermittelten Werte in einer Zeitreihe (Abbildung 1) für einen Tag oder als Mittelwert aller Lastwerte eines täglichen Zeitintervalls, einer Woche, eines Monat oder eines Jahres darstellen ² . Diese Darstellungsform ist das häufigste Instrument zur Informationsgewinnung hinsichtlich der zeitlichen Verbräuche. Dem gegenüber wird die geordnete Lastganglinie verwendet, um den maximalen und minimalen Leistungsbedarf zu ermitteln. Das heißt, es wird festgestellt, wie viel Kraftwerks- ² DieDaten der Stadtwerke Cottbus wurden in MWh zur Verfügung gestellt. Entsprechend sind alle

weiteren Angaben auf diese Einheit normiert.

2

leistung mindestens bereitstehen muss und für wie lange [8; 16].

Eine weitere Möglichkeit der graphischen Darstellung ist das sogenannte Lastgebirge (Abbildung 2). Hierbei werden die einzelnen Tageszeitreihen dreidimensional als Flächendiagramm nebeneinander dargestellt. Der Gesamtzeitraum kann einen Monat oder ein Jahr betragen. Hieraus lassen sich sodann unter anderem jahreszeitliche Verschiebungen des Leistungsbedarfs erkennen und/ oder bewerten [8; 16].

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Es wird in den Lastganglinien grundsätzlich nicht nach den Abnehmern unterschieden, sondern nach der Spannungsebene und nach der abgenommenen Leistung je Zeitintervall. Der Hintergrund ist, für die operative Netzbetriebsführung ist es nicht wichtig, wer im aktuellen Moment die Leistung bezieht, sondern ausschließlich wie viel. Erst für die strategische Netzführung und -entwicklung ist es von entscheidender Bedeutung, wer wo wie viel Leistung maximal nachfragt, da das speisende Netz entsprechend ausgelegt werden muss. Die Netzauslegung und Optimierung rückt zunehmend in den Vordergrund, um die langfristige Stabilität in dem Energieversorgungsnetz zu sichern.

Dieses Abnahme- und Verbrauchsverhalten entspricht aber gerade nicht dem Idealverlauf einer Lastganglinie. In diesem Idealfall wäre die jeweils benötigte Menge an elektrischer Energie je Zeiteinheit nicht nur kurzfristig bekannt, sondern mindestens mittelfristig planbar (hinsichtlich der benötigten Leistung und dem Zeitraum, in welchem die Energie nachgefragt wird). Diese Informationen würden die Netzbetriebsführung erheblich vereinfachen und die Möglichkeit der Automatisierung deutlich erhöhen. [8]

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2.2 Wirtschaftliche Bedeutung der Lastprofile

Die primäre Aufgabe der Energieversorgungsunternehmen (EVU) ist es, den Verbraucher mit Energie zu versorgen. Dabei legt ausschließlich der Verbraucher fest, wann er in welchem Maße Energie verwenden will. Um darüber hinaus auch die Netzstabilität garantieren zu können, ist es zwingend notwendig einen sogenannten Kraftwerksfahrplan zu erstellen. Das heißt, es wird festgelegt, wann welches Kraftwerk in welchem Umfang elektrische Energie generiert. Insbesondere die großen thermischen Kraftwerke benötigen eine Anlaufzeit von mehreren Stunden. [2; 8; 9]

Grundsätzlich besteht nun die Möglichkeit, sämtliche Kraftwerke im Stand - by - Modus laufen zu lassen. Dieses ist aber weder ökonomisch, noch ökologisch sinnvoll. Es bedarf mithin einer Möglichkeit die benötigte Last zu prognostizieren, um zum einen finanzielle und zum anderen materielle Reserven und Ressourcen zu schützen. Dabei sind jedoch diverse technische Restriktionen zu beachten. Die Vorgabe einer Spannungsebene, sowie eines Toleranzbereichs wird als netztechnische Restriktion bezeichnet. Dem gegenüber werden unter anderem die Verpflichtungen zur Mindestabnahme von Brennstoffmengen und von Mindesteinsatzzeiten als betriebstechnische Restriktion bezeichnet. Ihr Zusammenspiel führt im Ergebnis zu einem Fahrplan, welcher auf Grundlage von verschiedenen Freiheitsgraden innerhalb der Restriktionen erstellt wird. Das Ziel eines EVU´s wird dabei immer die Erzielung des maximalen Deckungsbeitrages sein, also maximale Erlöse minus minimaler Kosten. [2; 8; 9]

Eine Prognose auf Basis von Vergangenheitswerten ermöglicht eine grundsätzliche Tendenz abzuleiten. Dazu werden insbesondere Lastprofile verwendet. Zum einen lassen sich die zeitlichen Anforderungen darstellen und zum anderen die benötigte Leistung. Die benötigte Mindest- und Maximalleistung lässt sich am Besten aus einer geordneten Lastganglinie entnehmen. Das Maximum der geordneten Lastganglinie stellt mithin das Maximum der bereitzustellenden Energie dar. [2; 4; 8; 9] Abbildung 3 zeigt eine solche Linie auf Basis von ¼ h - Maximalwerten.

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