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of Applied Sciences
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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%
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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
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Technische Lösungen
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Netz-
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Regelbarer
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starkes
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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
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Wirk- und Blindleistungsregelung PQ(U)
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 11
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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
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https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/iefe/news/news/event-news/wie-photovoltaikanlagen-zur-
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Resultate während eines sonnigen Tages
Dettighofen (Typ: Dorfrand)
Ohne Regelung:
• Spannungserhöhung: 5.0% und 5.6%
PQ(U)-Regelung:
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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
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 18
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
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 19
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Zukunft Elektromobilität
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 20
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
22
Danke
24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert

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Energie- und Umweltforum März 2021 - Fabian Carigiet

  • 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
  • 2. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 3. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 4. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 5. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 6. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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)
  • 7. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 8. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 9. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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.
  • 10. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 11. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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) 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 11
  • 12. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 13. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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/
  • 14. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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/
  • 15. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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%
  • 16. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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]
  • 17. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences Resultate über ein ganzes Jahr Ilanz (Typ: Urbane Siedlung mit MFH) 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 17 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]
  • 18. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences Umsetzung in Österreich 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 18 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)
  • 19. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 19
  • 20. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences Zukunft Elektromobilität 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert 20 Ohne Regelung Mit PQ(U)-Regelung
  • 21. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences 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
  • 22. IEFE Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering School of Engineering Zurick University of Applied Sciences Zurich University of Applied Sciences Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! https://home.zhaw.ch/~bauf 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 22 Danke 24.03.2021 Energie- und Umweltforum: Stromnetze und ihre Rolle für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert