FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Chancen der Digitalisierung für die Energiewende

Agenda:

1. Optimierungsbasierte Einsatzplanung für Batteriespeicher

2. Automatisierte Flexibilitätserkennung in Industrieprozessen

3. Neue Leitwartentechnologien zur Vollautomatisierung

4. Simulation, Analyse und Konzeption komplexer Energiesysteme

5. Systemintegration durch Sektorenkopplung

6. Vernetzte Mobilität & Smart Home Grid

7. Multikriterielle Nachhaltigkeitsbewertung

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Dezentrale optimierungsbasierte Einsatzplanung für

Batteriespeicher mittels stochastischer Prognosen

Speicher

→ Lasten / Erzeugung

zeitlich verschieben

EE, Lasten

→ Prognosen

Idee: besser ansteuerbare „smarte Zellen“ (DERs) durch Speicher

• Optimierungsbasierte Einsatzplanung für Batteriespeicher

• Kombination datengetriebener (unsicherer) Prognosen mit numerischer Optimierung

zur Minimierung prädizierter ökonomischer Kosten

• Realisierbarkeit eines besser vorhersagbaren Einsatzfahrplans

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Dezentrale optimierungsbasierte Einsatzplanung für

Batteriespeicher mittels stochastischer Prognosen

Dispatchable feeder Stochast. Prognosen für

Verbrauch und Erzeugung

Scheduling-Problem

Ergebnisse – Simulationen und Experimente am KIT Testsystem

Simulationen zeigen

signifikante Verbesserung!

R. Appino et al., On the Use of Probabilistic Forecasts in Scheduling of Renewable Energy Sources Coupled to Storages. Applied Energy, 2018

R. Appino et al., Scheduling Storage Operation with Stochastic Uncertainties - Feasibility and Cost of Deviation. PSCC, 2018

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Automatisierte Flexibilitätserkennung in

Industrieprozessen

Warum Flexibilitätserkennung?

• Aufzeigen bestehender Flexibilitätspotentiale

• Priorisierung bei der Flexibilisierung

• Wenig Aufwand von Anwenderseite (kein Prozesswissen nötig)

• Expertenwissen kann integriert werden

• Spezifische, personalisierte Anreize für Demand Side Management

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Automatisierte Flexibilitätserkennung in

Industrieprozessen

Standardprofile und deren Variationen erkennbar

Potentielle Flexibilität

L. Barth et.al., How much demand side flexibility do we need? - Analyzing where to exploit flexibility in industrial processes. ACM e-Energy, 2018

N. Ludwig et.al., Mining Flexibility Patterns in Energy Time-Series from Industrial Processes. Workshop Computational Intelligence, 2017

Prozesszeitreihe Motiv-Erkennung

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Neue Leitwartentechnologie: Automatisierter Multi-

Agenten-Ansatz für die Einsatzplanung

• Agenten machen Flexibilitätsangebote unter Berücksichtigung von Unsicherheiten

• Aggregator nutzt Unit Commitment Schedule & Optimization (UCSO) Service zur Berechnung von

geeigneten Gesamtlösungen

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External grid support service provider Aggregator VPP

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Utility

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Neue Leitwartentechnologie: Generisches Container-

und Microservice-basiertes Framework für parallele

Ausführung von Optimierungsrechnungen

• Basisimplementierung für den

Unit Commitment Schedule and

Optimization (UCSO) Service

(siehe vorherige Folie)

• Berechnet sinnvolle Fahrpläne

für den Einsatz von Flexibilitäten

kooperierender DERs

• Erlaubt die hoch performante

Ausführung von Metaheuristik-

basierten Optimierungs-

problemen auf großen

Rechenclustern

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Simulation, Analyse und Konzeption komplexer

Energiesysteme auf allen Skalen vom Einzelgebäude

bis zum internationalen Netzverbund

Netzmodell Kenndaten

• 220/380-kV AC, HGÜ-Strecken

(Transportnetz)

• 110-kV AC (Verteilnetz), einschließlich der

Erdkabel, 110 kV Bahnstromnetz

• HVDC Kopfstationen (N/S-Links,

Ultranet,…)

• Randbedingungen: Last- und

Erzeugungsprofile für Lastflussrechnung,

geographisch nach LAU-1

(Verbandsgemeinden) strukturiert

• Verschiedene Netzausbaustufen (nach

NEP) und Kraftwerkparks (nach BNA-

Listen) → 2030

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Semantische Datenmodellierung Wärmesektor –

Bsp. Einzelgebäudemodelle des KIT Campus Nord

GebäudemodelleCityGML

RohrnetzwerkeLandXML

BohrungenBoreholeML

SimulationCityGML Energy ADE

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Digitale Wärmebedarfskarten als Instrument zur

Planung von Wärmenetzen

• Modellierung des Wärmebedarfs nach

Sektoren (Wohnen, GHD, Industrie)

• Verschiedene Raumbezugseinheiten

möglich: Einzelobjektebene - lokal - regional

• Identifikation von Wärmequellen und -

senken sowie deren räumliche Beziehung

• Verknüpfung von Geo- und Fachdaten

mittels GIS

Entscheidungsgrundlage für

standortspezifische Wärmenetzoptionen

Vorgelagertes Planungstool zur Prüfung

technischer und wirtschaftlicher

Machbarkeit

Puzzlestück einer smarten Wärmewende

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Kopplung der Energiesektoren Strom und Mobilität als

netzstabilisierendes Element

Kraftstoffe als Stromspeicherelement

Speicherung in

Salzkavernen

Elektrolyse

H2O + EE-Strom → Wasserstoff H2

H2 + CO2 +

EE-Strom

Methan CH4 (Erdgas, LNG)

Methanol CH3OH (fl.)

CH3OH + EE-Strom Dimethylether C2H6O (fl.)

C2H6O + EE-Strom Oxymethylenether (OME)

(flüssig, Dieselersatz)

Bidirektionale Kopplung

Stromnetz E-Fahrzeuge

Digitale

Kommunikationsebenen

Fahrzeug Ladestation

Hausnetz / Infrastruktur

Hausnetz / Infrastruktur

Verteilnetz Erzeugung

Rückverstromung mit

Brennstoffzellenfzg.

CH4 H2

Herausforderung: Viele ver-

teilte E-Fahrzeuge mit unter-

schiedlichen Anforderungen

• Intelligentes lokales Lastmanagement nötig

• Abstimmung mit Verbraucher, Verteilnetz und

Erzeuger für optimales Laden und Rückspeisen

H2

CH4

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Digitalisierung der Energiewende aus Sicht der Mobilität

ist wichtig für…Vernetzte Mobilität

• Ermöglicht die Reduktion des Energiebedarfs und

damit limitierter und nicht-limitierter Emissionen

im Verkehr

SynBioPTx

• Bedarfsgerechte Bereitstellung volatiler

Energieträger, z.B. für Einsatz von erneuerbaren

Kraftstoffen in Range-Extender (RE) Elektrofahrzeugen

• Lastflexible dynamische Produktsynthesen

Smart Home Grid

• Bedarfsgerechte Energiebereitstellung bzw.

Energieverwaltung

• (RE-)Elektrofahrzeuge als Pufferspeicher

• Lade- und Entladevorgänge unabhängig vom Fahrzeugbesitzer

• Zeitabhängiges computerunterstützendes Laden (Demand Side

Management)

• Bidirektionales Laden (Vehicle-to-Grid)

© Jan Gutzeit

© Paul Trainer (DBFZ)

© Jan Gutzeit

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Digitalisierung erfordert umfassende Nachhaltigkeits-

bewertung basierend auf multiplen Kriterien

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Aufwand

Ökologie

Sicherheit

Gesellschaft

& Politik

Ökonomie

Technologie

Kriterienkategorien

Bei der Nachhaltigkeitsbewertung muss die komplexe Kriterien- und Akteursstruktur

berücksichtigt werden. Im Rahmen einer multikriteriellen Analyse wird der technische

Lebenszyklus sowie die Spannungsfelder bewertet.

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Auswirkung

Netz

Handel

Vertrieb

Verbraucher/Anwender

/Prosumer

Umwelt

Gesellschaft

Erzeuger

Akteure

FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital

Digitalisierung …

• … ermöglicht die Virtualisierung komplexer Energiesysteme

• … führt zu wirtschaftlichem und sicherem Betrieb komplexer Energiesysteme

• … führt zu verbesserter Netzplanung für effizienteres Gesamtsystem

• … ermöglicht Berechnung hochkomplexer Szenarien

• … ist Enabler und Beschleuniger der Energiewende

Vielen Dank!