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FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten

Energie intelligent

Verbindung von Energiesystem-Sektoren

durch Informations- und Kommunikationstechnologien und

sektorübergreifende

lnfrastrukturlösungen

Berlin, 06.11.2014

R. Mackensen (FhG IWES), M. Grundmann (Arge Netz GmbH), D. Schmidt (FhG IBP), C. Wittwer (FhG ISE)


Agenda

- Das sektorübergreifende Energiesystem

- Anwendungen im Energiesystem

- Weiterer Bedarf an IKT – Strukturen


Installierte Leistung Anzahl Anlagen Installierte Leistung Anzahl Anlagen

Solar

Wind

Biomasse

Herkulesaufgabe Energiewende

Energielandschaft - Aktuell und in der Zukunft

Aktuelle Situation Erneuerbarer Energien

Über 70 GW bei 1,5 Millionen Anlagen

Anlagen überwiegend ohne Management

Wenige Anlagen sind fernauslesbar

Versorgungsstrukturen (Strom, Gas, Wärme,

Verkehr, Wasser) weitgehend getrennt

Lokale Stabilitätsgrenzen werden erreicht

Erneuerbare Energien in “2050“

Mehr als 250 GW und 5 Millionen Anlagen

Vollversorgung - wirtschaftlich und verlässlich

Alle Anlagen mit aktivem Management

Smart-Grid / -Market flächendeckend etabliert

Versorgungsstrukturen verbunden

Quellen: EEG-Anlagenstammdaten / DEWI / BDEW / DBFZ / Leitstudie 2011 / BMU / IWES

70 GW 1,5 Millionen

> 250 GW


Primärenergieeinsatz aufgeteilt nach Verbrauchsektoren

Die aktuelle Kosten-Nutzen-Diskussion zur Energiewende fokussiert

immer noch stark auf den Stromsektor.

Im Stromsektor selbst erwirtschaftet der EE-Ausbau kaum Kosteneinsparungen,

da nur Kohle und Kernkraft ersetzt werden.

Daraus folgen heute hohe Differenzkosten (z.B. EEG-Umlage).


Betrachtung des Gesamtsystems Energiewende

Effizienz

Effizienz

Effizienz

Zukünftig wird der elektrische Strom zur dominierenden Energiequelle

Durch die direkte Stromnutzung in neuen Anwendungen wie Elektromobilität und Wärmepumpen

sind hohe Effizienzgewinne erreichbar

Durch die direkte Bereitstellung von EE-Strom ohne Umwandlungsverluste

reduziert sich der Primärenergiebedarf


KWK

Hebel: Kopplung von Strom und Wärme

Quelle: Stadtwerkeunion Nordhessen 2014

Durch die Nutzbarmachung des Phasenübergangs Strom Wärme

ist es möglich, das Gesamtsystem effizienter zu gestalten.

(Beispiel SUN-Region)

Geeignete Technologien sind verfügbar.


Agenda





Verknüpfung der Sektoren mit Virtuellen Kraftwerken

∑ P

Δ P

∑ P

VK

Echtzeitinformationen

Marktzugang

Smart Market Services


Legende: Übertragungstechnik, Sicherheitskonzept, Kommunikationsprotokoll

Datenverarbeitung (Leitwarte)

• prob. Einspeiseprognosen

• Regelleistungsbänder

• Mögliche Einspeisung

• Netzfrequenzmessung

• Sollwerte

• Benutzeroberfläche

• Visualisierung

• IEC61850 MMS

• IEC CIM 61970/61968

• VHP-Ready

•Satellitenübertragung

•Websecure, VPN

•OPC-XML DA

•DSL

•Websecure, VPN

•OPC-XML DA

•DSL

•VPN

•MPI

•Modbus TCP

Datenübertragung und -verarbeitung


Der Vitual Heat & Power – Ready Standard

Modulare, von Herstellern unabhängige

Systeme erfordern Standardisierung,

Gremienarbeit und internationale Abstimmung.

Quelle: Industrieforum VHPready e.V.


EMS

Grid and Market:

> IEC 60870 (Serial or TCP)

> IEC 61970 CIM (TCP)

> DNP V3.0 (TCP)

> IEC 61850 sub-station/distributed

generation (TCP)

> Electronic Ripple Control (radio)

Local Energy Systems:

> M-Bus (radio/wired)

> ZigBee Smart Energy Profile

(radio)

> Konnex KNX

> CANopen (CAN)

> 6LoWPAN (radio)

> LON

> BACnet

> Enocean

PV Plant Components:

> Modbus (Serial )

> RS-485 (Serial)

> Proprietary inverters protocols

(Serial or TCP)

Metering

> M-Bus (radio/wired)

> ZigBee Smart Energy

Profile (radio)

> Smart Message Language

SML (Serial/TCP/Optical)

> DLMS/COSEM IEC 62056-

21

> EDL21/SML

> IEC 62056-21

> OSGP

> IEC 61107

Industry

> OPC (TCP)

> Modbus (Serial or TCP)

> IEC 61131-3 (TCP)

> Fieldbuses

Electric Vehicles

> IEC 15118 (PLC)

> CHAdeMO (CAN)

> Open Charge Point

Protocol (OCPP)

Weitere Standards im Energiemanagementsystem


VK - Beispielprojekte

Erneuerbares Kraftwerk der ARGE Netz GmbH

KombiKraftwerk 2

Regio:VK – Stadtwerkeunion Nordhessen

VK


Ogema - Open Gateway Energy Management Alliance

Über 40% des Endenergieverbrauchs in Deutschland findet in und an Gebäuden statt. Heizung,

Kühlung, Warmwasser, der Betrieb von Elektrogeräten und perspektivisch auch der Betrieb von

Elektrofahrzeugen sind dabei die wichtigsten Bereiche. Die Open Gateway Energy Management

Alliance (OGEMA) stellt eine offene Software-Plattform für Energiemanagement in diesem

Bereich zur Verfügung.

Quelle: http://www.ogema.org/


Modulares Software Framework für Monitoring und Steuerung

Java / OSGi, open source

Kommunikationsgateway

Datenhaltung, Steuerung, Monitoring, Visualisierung

Vielseitig einsetzbar. Projekterfahrung:

DEMAX: Multi utility metering (M-Bus), CHP control, Back

Office integration

Smart Metering: Wireless metering (wireless M-Bus)

Energiefernleitsystem: CPV-Plant Gateway (IEC 61850 as

WAN protocol), Integration of pv inverters, power quality

devices, meters

eTelligence: Regional Energy market (CIM / IEC 61850)

Hei-Phoss: Home Energy Management for PV Battery

System

Electric Mobility: Smart Charging Infrastructure

www.openmuc.org OpenMUC Energy Management Framework

Po

we

r / L

oa

d in

kW

Th. Load

Prod. Power

Sold/Scheduled

Power

Prediction of

thermal load

Linux

OSGi (CIM)

Bidding and Market

communication

Monitoring and Controlling

Driver

Meter-Bus PLCMod-

Bus

CHP /

PLC

Boiler

Smart

Meter

Fieldbus

Controller

data

manager

database

Load forecasting

Market

Scheduling

Weather

Controlling

CIM


Agenda





Sicherheitsanforderungen an Smart Grid Strukturen

Bdew netzampel

Quelle: Siemens Infrastructure & Cities, Der Energieblog, Becker, Büttner, Held

Das Thema Sicherheit und Zuverlässigkeit zieht sich wie ein roter Faden durch

das Thema Energieversorgung. Gesetzgebung setzt Rahmen mit Gesetzen (IT-

Sicherheitsgesetz, BMI), Verordnungen (Messsystemverordnung, BMWI) und technischen

Richtlinien (Schutzprofil, BSI)


Informationsaustausch zwischen Netzebenen

Energieinformationsnetze

Die Verzahnung der Netzebenen erfordert einen intensiven Informationsaustausch.

Das Konzept der Energieinformationsnetze stellt sicher, dass alle relevanten Informationen zur

Netzbetriebsführung in der notwendigen Aggregationsstufe vorliegen und übertragen werden.

Quelle: Verband kommunaler Unternehmen VKU, 2012


Netzsteuerung contra Markt - Netzampelmechanismus

Bdew netzampel

Der sichere Netzbetrieb erfordert zukünftig

Mechanismen, die technische Möglichkeiten verteilter Erzeugung zu nutzen

in der Lage sind.


Netzentlastung durch neue Geschäftsmodelle

Quelle: Agora Studie „Power-to-Heat zur Integration von ansonsten abgeregeltem Strom aus Erneuerbaren Energien“

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Datum

Wärm

e [

MW

h]

PtH

Erdgaskessel

GuD

Wärmeverbrauch

Im Zuge der Gesamteffizienz sind Geschäftsmodelle zur Verwertung von EinsMan-Strom

im Wärmesektor denkbar. Hierfür sind Anpassungen in den Tarifmodellen erforderlich.


Energie intelligent

Die Zukunft ist elektrisch. Das Energiesystem wird flexibler, Erzeugung fluktuierender (Wind, PV),

Lasten müssen in der Flexibilität folgen. Der Bedarf nach Informationsaustausch steigt, vertikal

zwischen Netzebenen, horizontal zwischen Erzeugung und Verbrauch.

Sektorübergreifender Ansatz notwendig, erst Effizienzmaßnahmen, dann systemischer Ausbau.

IKT Systeme stützen schon heute den Netzbetrieb, IKT kann und muss diese Entwicklung weiter

unterstützen. Es wird verschiedene Ausprägungen der Ansätze geben, zentral gesteuerte

(virtuelle Kraftwerke), anreizbasierte (Homeautomation)

und vollautomaische (50,2 Hz Problematik) geben.

Es werden neue Rollen und neue Akteure definiert werden

(Gateway-Administration / Messstellenbetreiber)

Bei weiteren Entwicklungen ist die Waage zu halten zwischen Technik, Regulatorik und

Geschäftsmodellen

Zusammenfassung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dr.-Ing. Reinhard Mackensen

Leiter Abteilung Energieinformatik

und Informationssysteme

Fraunhofer-Institut für Windenergie

und Energiesystemtechnik

Tel: +49(0)561-7294-245

[email protected]

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