Erstellung repräsentativer Typnetze zur Abbildung von zukünftigen Netzbelastungen

Poster und Tagungsbeitrag von Britta Kleinertz, Mathias Müller, Michael Hinterstocker und Florian Samweber im Rahmen der Konferenz "Zukünftige Stromnetze" am 31. Januar und 01. Februar 2017 in Berlin

Vorgetragen am 31.01.2017

Repräsentative Typnetze als Grundlage für einen objektiven Vergleich Netzoptimierender Maßnahmen

Die Diskussion über zukünfte Stromnetze mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energie und neuen Verbrauchern erfordert eine detaillierte Analyse klassischer (z. B. Blindleistungsmanagement) und innovativer (z. B. Power2Heat) Netzoptimierender Maßnahmen (NoM). Zur techno-ökonomischen Evaluierung dieser NoM sind fundierte, praxisnahe Lastfluss-Simulationen entscheidend. Praxisnahe und damit verwertbare Simulationen sind nur möglich, wenn realistische Typnetze, bestehend aus repräsentativen, realen Netzdaten (sogenannte Basisnetztopologien) und realistische Last- und Erzeugungsgänge zur Verfügung stehen. Diese können zu sogenannten Typnetzen zusammengeführt werden und als Berechnungsgrundlage für Simulationen dienen. Für das Projekt MONA 2030 wurden solch praxisnahe und verwertbare Typnetze gemeinsam mit zahlreichen Akteuren der Energiewirtschaft erarbeitet und in das Netzsimulationstool GridSim implementiert. Das Vorgehen hierbei wird im Folgenden beschrieben.

Clusterung von Niederspannungsnetzen zu Basisnetztopologien

Grundlage zur Erstellung von Basisnetztopologien sind reale Netzdaten verschiedener Verteilnetzbetreiber (siehe Abbildung 1). Diese Netzdaten werden in Hinblick auf Charakteristika wie Anzahl der Netzstränge, Anzahl der Hausanschlüsse und Leitungslängen untersucht. Im nächsten Schritt werden diese Kriterien, mittels eines hierarchischen Clusterverfahrens analysiert, um ähnliche Netze zu identifizieren, diese in Cluster zusammenzufassen und daraus schließlich ein repräsentatives Netz je Cluster abzuleiten. Die Methodik liefert sieben typische Niederspannungs-Netze, welche um zwei Extremnetze ergänzt werden. Eine Verknüpfung mit typischen Siedlungen ist weiterhin notwendig, um den Netzanschlusspunkten Strom- und Wärmelastgänge zuordnen zu können.

 

Ausgangsnetze

Abbildung 1: Ausgangsnetze zur Ableitung der Basisnetztopologien

 

Konsistentes Siedlungsmodell für Gebäude- und Bewohnerstruktur

Das FREM (FfE Regionalisiertes Energiesystemmodell) beinhaltet für Deutschland unter anderem gemeindescharfe Daten zur Verteilung von Gebäudetypen, ihres Baualters und ihres Wärmebedarfes. Hieraus lässt sich eine Abhängigkeit der Gebäudezusammensetzung und ihrer Eigenschaften in Abhängigkeit von Siedlungstypen und Stadtkategorien ableiten. Im Vergleichsprozess ergeben sich 36 typische Siedlungscluster mit den in Abbildung 2 dargestellten Charakteristika. Direkt aus den Gebäudedaten lassen sich verschnitten mit Temperaturprofilen und der Methode der Standardlastprofile individuelle Raumwärmelastgänge berechnen.

 

Siedlungsmodell

 

Abbildung 2:    In- und Output des Siedlungsmodells zur Bestimmung von repräsentaiven, realisitischen zukünftigen Netzbelastungen

Für die Skalierung der Strom- und Trinkwarmwasserlastgänge ist die Anzahl der Bewohner je Wohneinheit essenziell. Basierend auf den Daten des Zensus 2011 werden die Gebäudedaten um eine realistische Verteilung der Personenanzahl pro Wohneinheit ergänzt.

 

Verknüpfung der Komponenten zu Typnetzen

Die Verknüpfung von Basisnetztopologien mit Siedlungsdaten zu Typnetzen erfolgt in einem dreistufigen Verfahren. In einem ersten Schritt werden alle Siedlungscluster mit geringer Relevanz, bezogen auf den Gebäudebestand in Deutschland aus der weiteren Betrachtung ausgeschlossen. Über den Clusterungsprozess der Basisnetztopologien ist dies für diese bereits geschehen, so dass gewährleistet ist, dass nur relevante Basisnetztopologien und Siedlungscluster miteinander verknüpft werden.

Im nächste Schritt werden die unterschiedlichen Basisnetztopologien mit allen Siedlungsclustern im Referenzszenario (Status quo) simuliert und die resultierende Netzbelastung (Spannungsabweichung und Betriebsmittelauslastung) ermittelt. Für den Status quo können damit für jedes Cluster kritische Netzsituationen identifiziert werden. In der Referenz bereits kritische Kombinationen werden ausgeschlossen, da es aktuell in den Niederspannungsnetzen nicht zu kritischen Netzzuständen kommt.

Basierend hierauf, der aus den Kabellängen abgeleiteten Siedlungsstrukturdichte und der Relevanz der einzelnen Siedlungscluster, kann in einem dritten Schritt jede Basisnetztopologie mit einem Siedlungscluster verknüpft werden. In Abbildung 3 ist beispielhaft das Typnetz einer Kleinstadt dargestellt.

 

Netz 8001

 

Abbildung 3:    Beispielhaftes Kleinstadt-Typnetz

Die erarbeitete Kombination der Basisnetztopologien mit Gebäude- und Bewohnerstruktur ermöglicht es, sowohl die elektrischen als auch die thermischen Lastgänge an jedem Netzanschlusspunkt realitätnah abzubilden.

 

Fazit

Für den Vergleich von klassischen und innovativen Netzoptimierenden Maßnahmen kann auf die mit obiger Methodik erstellten, repräsentativen Typnetze zurückgegriffen werden. Sie stellen eine auf unterschiedlichste Siedlungen übertragbare Basis für Simulationen und energiewirtschaftliche Analysen dar.

 

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