ZEITREIHEN-MANAGEMENT
PROGNOSE OPTIMIERUNG BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
PROZESS
KASKADIERUNG
E-MAILBENACHRICHTIGUNG
ONLINEMONITORING
HOHERAUTOMATISIERUNGSGRAD
ZEIT- UNDEREIGNISGESTEUERT
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
AUTO-MATISIERUNG
SCHEDULER - AUTOMATISIERUNG SDL
HOHER AUTOMATISIERUNGSGRAD
- Zeitgesteuert- Ereignisgesteuert- Kalenderabhngig- Online-Monitoring- E-Mail-Benachrichtigung- Prozess-Kaskadierung
ANWENDUNGSFELDER
- Import und Export von Mess-, Fahrplan- und Prognosewerten- bermittlung von Lastprofilen, Netz- und Summenzeitreihen, Prf- und Datenstatus- Durchfhrung von Plausibilittstests und Ersatzwertbildung- Komplexe Berechnungen, z.B. Allokationen, freie Aggregationen, Optimierung und Prognose- Prognosetraining- Ausgabe von Datenbankreports
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
KONTAKT
Fraunhofer-Institutsteil Angewandte Systemtechnik ASTAm Vogelherd 5098693 Ilmenau, Germany
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ZEITREIHEN-MANAGEMENT
PROGNOSE OPTIMIERUNG NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
AUTO-MATISIERUNG
MABIS, GABI, KOV
BILANZIERUNG
PROGNOSE& BILANZIERUNG
FREIEAGGREGATION
MEDIENBERGREIFEND STROM, ERDGAS, BIOGAS
MULTI-ZEITREIHENMATHEMATIK
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
BILANZKREIS-MANAGEMENT
BILANZKREISMANAGEMENT BKM
FLEXIBLE MEDIENVERWALTUNG
- Strom, Erdgas, Biogas- Weitere Medien
EINFACHES MASSENDATENHANDLING
- Multi-Zeitreihenmathematik- Prognose- Bilanzierung- Freie Aggregation
BNETZA-KONFORM
- EnWG- MaBiS- Fahrplanmanagement- GaBi, GaBi Gas- KOV
METHODEN
- Stammdatenverwaltung fr:- Marktteilnehmer- Lastprofile- Energieliefervertrge- Energiebezugsvertrge- Kontrolle der abgerechneten Energiemengen
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PROGNOSE OPTIMIERUNG BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
AUTO-MATISIERUNG
RECHTLICHER RAHMEN
ENWG, EEG, BDEW-KASKADE
EEGREFERENZMESSUNG
FLEXIBLEVERWALTUNG
UNTERSTTZUNG ALLERMELDEPROZESSE
DISKRIMINIERUNGSFREIELEISTUNGSREDUKTION
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
NETZMANAGEMENTSYSTEM NMS
RECHTLICHER RAHMEN
- EnWG ( 13, 14)- EEG ( 6, 11, 12, 66)- BDEW-Kaskade
FLEXIBLE VERWALTUNG
- EEG-Anlagen- EEG-Anlagenbetreiber- Netzbetreiber- Netzabschnitte- Netzkunden
MARKTGERECHT
- Diskriminierungsfreie Leistungsreduktion- Ermittlung entgangener EEG-Vergtung- Untersttzung aller Meldeprozesse
ERFASSUNG UND ABFRAGE
- Ist-Einspeisung- Ist-Lasten- EEG-Referenzmessung
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ZEITREIHEN-MANAGEMENT
PROGNOSE OPTIMIERUNG BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
AUTO-MATISIERUNG
MABIS, GABI, KOV
FAHRPLANMANAGEMENT
PROGNOSE& BILANZIERUNG
FREIEAGGREGATION
MEDIENBERGREIFEND STROM, ERDGAS, BIOGAS
MULTI-ZEITREIHENMATHEMATIK
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGSMANAGEMENT NNM
FLEXIBLE MEDIENVERWALTUNG
- Strom, Erdgas, Biogas- Frischdampf, Ammoniak- Weitere Medien
EINFACHES MASSENDATENHANDLING
- Multi-Zeitreihenmathematik- Prognose- Bilanzierung- Freie Aggregation
BNETZA-KONFORM
- MaBiS- Fahrplanmanagement- GaBi- GaBi Gas- KOV
METHODEN
- Synthetische Methoden (z.B. Typtage)- Analytische Methoden (z.B. Z-Faktoren)- Bereitstellung der Daten fr Mehr- und Mindermengenabrechnung
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PROGNOSE BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
AUTO-MATISIERUNG
KRAFTWERKSEINSATZ-
OPTIMIERUNG
VIRTUELLEKRAFTWERKE
SZENARIENRECHNUNG
GRAFISCHER MODELLEDITOR
QUERVERBUND
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
OPTIMIERUNG
OPTIMIERUNG RPS
OPTIMIERUNG
- Kraftwerkseinsatz- Querverbund- Virtuelle Kraftwerke- Beschaffung- Handel- Regelenergie- Speicher
MODELLTYPEN & SOLVER
- LP- MIP- QMIP etc.- NLP- MINLP etc.
- CPLEX- CONOPT- LINDO etc.
KOMFORTABLE BEDIENUNG
- Grafischer Modelleditor- DragnDrop- Szenarienrechnung- Umfangreiche Modellbibliotheken
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EMS-EDM-PROPHET-Reporting.pdf
ZEITREIHEN-MANAGEMENT
PROGNOSE OPTIMIERUNG BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
AUTO-MATISIERUNG
DASH-BOARD
FR MOBILE ENDGERTE& BROWSER
REPORTING: EMS-EDM PROPHET GOES CLOUD
STATUSBERWACHUNGUND START VON PROZESSEN
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
LAST & EINSPEISE-MANAGEMENT
REPORTING
FEATURES
- Untersttzung aller Unternehmensebenen - Dashboard-Funktion - Abruf von Kennzahlen - Soll-Ist-Vergleiche - Statusberwachung der automatisierten Prozesse - Starten von Jobs - Individuelle Gestaltung - Hohe Performance - Browserbasiert - Fr mobile Endgerten (Smartphone/Tablet)- Verschlsselter Zugriff- Interner Cloud-Server
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ZEITREIHEN-MANAGEMENT PROGNOSE OPTIMIERUNG BILANZKREIS-
MANAGEMENTNETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
AUTO-MATISIERUNG
REVISIONSSICHERES
DATENMANAGEMENT
PERFEKTEDATENQUALITT
HOHEFLEXIBILITT
UMFASSENDE KONNEKTIVITT
ZEITREIHENANALYSE
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
ZEITREIHENMANAGEMENT ZRM
REVISIONSSICHER
- Historisierung, Versionierung- Archivierung, Protokollierung- Datensperrung
FLEXIBEL
- Mehrmandantenfhigkeit- Beliebige Zyklen ab 1 min- Maeinheitenumrechnung- Sommer-/Winterzeitregeln- Beliebige Zeitzonen- Umfangreiche Zeitreihenmathematik - Massendatentauglich
ZEITREIHENANALYSE
- Hauptkomponentenanalyse- Autokorrelation, Kreuzkorrelation- Visuelle Analyse, X-Y-Kennlinie- Histogramm
KONNEKTIV
- CSV, Excel, XML, TXT- DWD- EDIFACT- SQL, SOA- FTP/SFTP, E-Mail
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ZEITREIHEN-MANAGEMENT
OPTIMIERUNG BILANZKREIS-MANAGEMENT
NETZNUTZUNGS-MANAGEMENT
NETZMANAGE-MENTSYSTEM
AUTO-MATISIERUNG
AUTOMATISCHES
TRAINING
VIRTUELLEKRAFTWERKE
INTEGRIERTEDATENANALYSE
MEDIENBERGREIFEND STROM, GAS, FERNWRME
AR, ARX, ARMAX, KNN
EMS-EDM PROPHETEnergie- und Energiedatenmanagement
PROGNOSE
ZEITREIHENPROGNOSESYSTEM ZPS
PARAMETER
- Messwerte- Wetter- Kalender- Produktionsplne- Events- Ferien
BESTER NUTZERKOMFORT
- Integrierte Datenanalyse- Umfangreiche Methodenbibliothek- Automatisches Training- Intelligentes Tuning- Fehleranalyse- Reporting
MEDIENBERGREIFEND
- Strom, Gas, Fernwrme
METHODIK
- Kurz,- Mittel- und Langfristprognosen- Lineare & nichtlineare Zeitreihenmodelle- Musterbasierte Vorhersagen- Ein- und Ausgangsmodelle- Ergebnisabhngige Modelle- Bis zu 30 exogene Einflussfaktoren
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Energiesysteme-DynaGridControlCenter-Die_dynamische_Leitwarte_der_Zukunft.pdf
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
DYNAGRIDCENTER: DIE DYNAMISCHE LEITWARTE DER ZUKUNFT
Herausforderung
Die bertragungsnetzbetreiber (NB) sind
eine der zentralen Akteure fr das Gelingen
der Energiewende in Deutschland. Inzwi-
schen stammt jede dritte Kilowattstunde
der Bruttostromerzeugung in Deutschland
aus Erneuerbaren Energien, grtenteils
aus fluktuierenden, wetterabhngigen
Quellen. Das fhrt auch zu deutlich gestie-
genen Aufwendungen fr den Netzbetrieb.
Neben dem klassischen Netzausbau steigt
auch die Bedeutung von Energiedaten,
Prognosen und Sensorik fr die NBs.
Auerplanmige Eingriffe der NBs in
die Fahrplne von Kraftwerksbetreibern
(ReDispatch) und das Abregeln von
Windkraftanlagen (Eisman) sind von der
Aunahme zur Regel geworden. Umso-
wichtiger ist es, kritische Netzsituationen in
den Leitwarten automatisiert zu erkennen
und entsprechende Gegenmanahmen ein-
zuleiten. Hier setzt das Forschungsprojekt
DynaGridCenter an.
Funktionen der Leitwarte
1. Dynamische Systembeobachtbarkeit inkl.
Identifikation und przise Auswertung der
dynamischen Reserven im Netz
2. Prozessgerechte und kontinuierliche
Errechnung sowie Durchfhrung von
prventiven und korrektiven Steuerungs-
manahmen zur Systemstabilisierung unter
Einsatz hochprziser synchroner Messgerte
wie z.B. PMU, RTU unter Bercksichtigung
moderner Kommunikationsschnittstellen
zur Sicherstellung der Prozessablufe.
3. Intelligente Messdatenauswertung /
Priorisierung bereits auf Stationslevel unter
Einhaltung von Performance und unter
Beachtung von Herausforderungen zum
Thema IT-Sicherheit (Cybersecurity)
4. Vorhersage des dynamischen Netzverhal-
tens im Havarie- / Fehlerfall
5. Kontinuierliche, hierarchische Validierung
der aktuellen oder zu ndernden Schutz-
und Reglereinstellungen in Bezug auf den
aktuellen Netzzustand
Fraunhofer-Institutsteil
Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Abteilung Energie
Dipl.-Ing. Steffen Nicolai
Telefon +49 3677 461-112
Andr Kummerow M.Sc.
Telefon +49 3677 461-1505
Projektbeirat
50Hertz Transmission GmbH
Amprion GmbH
TenneT TSO GmbH
TransnetBW GmbH
1
1 Dynamische Leitwarte von
DynaGridControlCenter
Bild: SIEMENS AG
1
Schwerpunkte Fraunhofer IOSB-AST
Algorithmen zur dynamischen System-beobachtbarkeit inkl. Identifikation und przise Auswertung dynamischer Vorgnge im Netz, AC/DC und Ultranet
Intelligente DynaGridCenter-Messdatenauswertungsapplikation unter Einhaltung von Performance und IT-Sicherheitsaspekten
Datenkompression
Hierarchisches Verfahren zur Elimination redundanter Informationen (rumlich-zeitliche Datenkompression)
Kompressionsraten: 3 bis 18 verlustfreie Kompression: vollstndige
Wiederherstellung der Originaldaten
Extraktion potentieller Fehlermuster
aus historischen Datenstzen
Einsatz maschineller Lernverfahren zur Ausreierdetektion
Automatisierte Auswertung von Massendaten
Analyse Signalverhalten im Zeit- und Frequenzbereich (z.B. Wavelet-Transformation)
Automatisierte Bewertung kritischer Netzsituationen sowie dynamisches Verhalten des Netzes
Online-Detektion von Netzfehlern (z.B.
Generatorausflle)
Detektion typischer Fehlerarten durch Mustererkennung im Online-Betrieb
Einsatz maschineller Lernverfahren (z.B. knstliche neuronale Netze, Support Vektor Maschinen)
Dynamische Netzsimulationen und Bewertung von Ausfallszenarien
Projektkonsortium
Fraunhofer-Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Fraunhofer IFF TU Ilmenau Otto-von-Guericke-Universitt
Magdeburg
Ruhr-Universitt Bochum Siemens AG
2
1 Auf Basis von PMU-Daten
entwickelte Auswerteverfahren
1
2 Analysewerkzeug zur Bewertung
dynamischer Netzsituationen
1
2
Energiesysteme_Hybrider-Stadtspeicher.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
DER HYBRIDE STADTSPEICHER:REGIONALES GRID BALANCING MIT VIRTUELLEN ENERGIESPEICHERN
Keine einzelne Speichertechnologie
lst das Problem
Zwar gelten Energiespeicher als Schlssel
fr die zuknftige Systemintegration der
erneuerbaren Energien. Doch die nach wie
vor hohen Speicherkosten lassen auch in
Zukunft eher einen Energiespeicher-Mix
erwarten, der fr den spezifischen Einsatz-
zweck (Kurz- und Langfristspeicherung,
Leistungsabgabe, Skalierbarkeit) viel besser
als eine Einzeltechnologie geeignet ist.
Neben der Speicherung von elektrischem
Strom werden zuknftig aber auch thermi-
sche Speicher sowie ein geschicktes Last-
und Erzeugungsmanagement notwendig
sein, um den fluktuierenden Charakter
der erneuerbaren Energien zu begegnen.
Fr eine effiziente Netzintegration dieser
dezentralen Komponenten knnte ein
virtueller Speicher dienen.
Der virtuelle Energiespeicher
als Lsung fr das Verteilernetz
Im Forschungsprojekt Hybrider
Stadtspeicher arbeitet das Fraunhofer
AST gemeinsam mit anderen Fraunhofer-
Instituten an einer kombinierten Hard- und
Softwareplattform, mit der Energiespeicher,
-erzeuger und -lasten zu einer virtuellen,
regelbaren Speichereinheit verknpft
werden knnen. Mit diesem Ansatz knnen
die Vorteile der einzelnen Komponenten
optimal genutzt werden. Ziel ist es, eine
nachhaltige und kosteneffiziente Lsung
fr das Verteilernetz zu entwickeln und
damit das Grid-Balancing schon inner-
halb regionaler Strukturen zu ermglichen.
Neben den einzelnen Komponenten
addressiert das virtuelle Speicherkonzept
auch eine 24-Stunden-Prognose von
Energieerzeugung und -verbrauch, um die
Potentiale des virtuellen Speichers optimal
auszuschpfen.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Abteilung Energie
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 461-102 [email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 461-111 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1
1 Der hybride Stadtspeicher vereint
die Vorteile von realen Energiespei-
chern, Lastverschiebepotentialen und
regelbarer Strom- und Wrmeerzeu-
gung in einer planbaren Einheit
1 2
Vorteile
Kombination von dezentralen, realenEnergiespeichersystemen (z.B. Redox-Flow-Batterie, Lithium-Ionen-Akku), flexibler Energieerzeugung (z.B. BHKW, Notstromdiesel im Krankenhaus) und verschiebbaren Lasten (z.B. Wrme-pumpe, Warmwassererzeugung) zu einer regelbaren Gesamteinheit fr den Netzbetreiber
Hybridkonzept: Kombination vonWrme- und Stromerzeugung
Sehr gute Skalierbarkeit desGesamtsystems
Ein hybrider Stadtspeicher in jedemzehnten Ortsnetz knnte fast 6 GWEnergiespeicherleistung in Deutschland zur Verfgung stellen
Projektleitung
Fraunhofer-Institut fr Umwelt-, Sicher-heits- und Energietechnik UMSICHT
Projektpartner
Fraunhofer IOSB, InstitutsteilAngewandte Systemtechnik AST
Fraunhofer-Institut fr Solare Energie-systeme ISE
Fraunhofer-Institut fr Silizium-technologie ISIT
2 Typisches Stadtquartier. Quelle:
Kai Krner from Dresden Seevorstadt/
Groer Garten, CC BY 2.5
2
Energiesysteme_IuK-Energie-Labor.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
IUK-ENERGIE-LABOR:FR DIE ENERGIESYSTEME DER NCHSTEN GENERATION
Die Herausforderung
Die europischen Energiesysteme haben
sich ber Jahrzehnte hinweg entwickelt
und wurden in Abhngigkeit ihrer
technischen und wirtschaftlichen Randbe-
dingungen optimiert. Seit einigen Jahren
unterliegen sie einem tiefgreifenden Wan-
del, hervorgerufen durch die Liberalisierung
der Energiemrkte und durch Manahmen
fr die kostengnstige, umweltgerechte
und nachhaltige Bereitstellung und
Nutzung von Energie.
Hieraus resultieren neue Geschftsmodelle
mit umfangreichen elektronischen Ge-
schfts- und Kommunikationsprozessen
und damit ein verstrkter Wettbewerb
um wirtschaftliche, effiziente und sichere
Prozesse. Diese neuen Herausforderungen
mssen beherrscht werden und erfordern
geeignete Strategien und Werkzeuge.
Hierbei werden Informations- und Kommu-
nikationstechnologien (IuKTechnologie)
zur Erschlieung weiterer Effizienzpoten-
tiale eine zentrale Rolle spielen. Das Ziel
sind intelligente Energiesysteme, welche
durch Verknpfung mit IuK-Technologien
mglichst im Rahmen einer durchgngigen
Applikationsstruktur entstehen.
Dazu sind neue IuK-Technologien sowie
Methoden und Verfahren fr das nahtlose
Zusammenspiel aller Betriebsmittel zu
entwickeln, um auch zuknftig eine durch-
gngig konomisch und kologisch opti-
male Energieversorgung zu gewhrleisten.
Hierzu gehren insbesondere die Erhhung
der Netzstabilitt, die optimale Einbindung
bestehender elektrischer Anlagen
und neuer, dezentraler Kleinsterzeuger,
die Vermeidung von Netzengpssen, die
Minimierung der Energiekosten oder auch
die automatische Netzrekonfiguration im
Strfall.
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1 2
Aufgabe
Im IuK-Energie-Labor des Fraunhofer AST
und des Fachgebietes Elektrische Energie-
versorgung der TU Ilmenau sollen die im
vorangegangenen Abschnitt dargestellten
Forschungsthemen fr die zuknftige
Ausgestaltung der Energieversorgung unter
Nutzung modernster Labor- und Testfeldbe-
dingungen untersucht werden. Die
Schwerpunkte der Forschungs- und
Entwicklungsarbeiten sind:
innovative IuK-Technologien und Kon-zepte zur Fhrung, berwachung undzum Monitoring von Energiesystemen fr liberalisierte Energiemrkte,
Algorithmen und Technologien frganzheitliches Energiemanagement frStrom, Gas und Wrme/Klte,
virtuelle Kraftwerke durch koordinierteBetriebsfhrung dezentral verteilterEinspeisungen wie z.B. Windkraft- oder Photovoltaikanlagen,
echtzeitfhige Erfassung, bertragungund Verwaltung von Massendaten zuroptimalen Einbindung fluktuierender dezentraler Einspeisungen,
Untersuchung und Entwicklung vonIuK-Technologien fr das Demand-Side-Management und fr die energiebrsli-che Anbindung von Privathaushalten,
Home-Portal-Interface zur Abrechnungund Visualisierung des Verbrauchs vonPrivathaushalten,
volldigitale Schutz- und Leittechnikinsbesondere fr dezentrale Energieer-zeugeranlagen,
Antihavarietraining fr elektrischeEnergiesysteme und
Testplattform fr leittechnische Kompo-nenten industrieller Anbieter.
die Untersuchung verschiedenster FuE-
Themen wie z.B. virtuelle Kraftwerke,
Betriebsfhrung von Insel-/Arealnetzen,
Demand-Response und Demand-Side-
Management. Im Fachgebiet Elektrische
Energieversorgung liegt der Fokus des
IuK-Energie-Labor auf energietechnischen
Themen, insbesondere zu Fragen der
Netzbetriebsfhrung und Systeminteg-
ration. Hierzu wurde ein Trainings- und
Simulationssystem fr elektrische
bertragungs- und Verteilnetze, bestehend
aus Prozessleitsystem, Echzeitnetzsimulator
(RTDS), physikalischem Netzmodell und
digitalen Schutzeinrichtungen, aufgebaut.
Weitere beteiligte Partner sind das Fraun-
hofer Institut UMSICHT Oberhausen,die
SWE Energie GmbH und das Solardorf Kett-
mannshausen. Ihre Untersttzung besteht
in der Bereitstellung von ausgewhlten
Messwerten zur aktuellen Erzeugungs- und
Bedarfssituation fr die rechnergesttzte
Simulation eines mglichst realen Versuchs-
und Testfeldes.
Aufbau
Das IuK-Energie-Labor fr intelligente Ener-
giesysteme ist am Fraunhofer AST und am
Fachgebiet Elektrische Energieversorgung
der Technischen Universitt Ilmenau
aufgebaut. Am Fraunhofer AST werden vor
allem die energiewirtschaftlichen Aufgaben
und Marktprozesse, insbesondere Fragen
zum Energiemanagement, Energiedaten-
management, Lieferantenwechselprozess
und Automated-Metering untersucht. Zu
diesem Zweck verfgt das IuK-Energie-
Labor des AST ber modernste IT-Systeme,
wie sie in kommunalen und regionalen
Energieversorgungsunternehmen in den
Bereichen Zhl- und Messwesen, Vertrieb,
Beschaffung und Netz zu finden sind.
Sie stellen Funktionen zur automatischen
Datenerfassung, zum Fernwirken und
Fernsteuern sowie zur Vorhersage und
Optimierung bereit und ermglichen
Energiesysteme_Machbarkeitsstudie-Intelligentes-Netz-Ritten.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
SAISONALE ENERGIEAUTARKIE MIT ERNEUERBAREN ENERGIEN: MACHBARKEITSSTUDIE RITTEN
Herausforderung
In Regionen mit einem besonders hohen
Anteil an erneuerbaren Energien stoen die
Verteilnetze bereits heute teilweise an die
Grenzen ihrer Belastbarkeit. Gerade die Ein-
speisung aus einer Vielzahl von dezentralen
Photovoltaikanlagen kann ohne intelligente
Fhrung des Verteilnetzes schon heute zu
starken Netzbelastungen und Teilabschal-
tungen fhren. Auf der anderen Seite kann
eine Vielzahl von dezentraler Erzeugung
auch die Mglichkeit erffnen, Inselnetze
zu betreiben. Intelligente Automatisierungs-
und Regelungstechnologien in Verbindung
mit der Netzleit-, Schutz- und Fernwirktech-
nik kann diese beiden Probleme praktisch
gemeinsam lsen. Im Netzparallelbetrieb
knnen kritische Netzzustnde behoben
werden, bei einem Black Out kann das Netz
als Inselnetz betrieben werden. Allerdings
sind Inselnetze komplexe Systeme, die eine
exakte Analyse von Erzeugung, Verbrauch
sowie der Netzinfrastruktur einschlielich
der Sekundrtechnik erfordern.
Beispielhaft fr diese Herausforderungen
ist die Netzregion Ritten in der Nhe von
Bozen in Sdtirol mit Ihren ca. 2.500
Einwohnern und einer stattlichen Anzahl an
Gewerbe und Industrieunternehmen.
Die Machbarkeitsstudie
Im Auftrag der Etschwerke Netz AG - dem
grten Regionalversorger in Sdtirol,
erstellte das Fraunhofer AST gemeinsam
mit der Sprecher Automation Deutschland
GmbH die Machbarkeitsstudie fr das
Inselnetz Ritten. Inhalt dieser Machbarkeits-
studie war die Prfung der Mglichkeit,
das bestehende Mittel- und Niederspan-
nungsnetz im Netzgebiet Ritten mit 20
Ortsnetzstationen im Fall eines Black- Outs
als autarke Insel betreiben zu knnen.
Institutsteil Angewandte System-
technik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Abteilung Energie
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 461-102
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1
1
Wissenschaftliche Analyse
Fraunhofer AST
Modellierung und Simulation der Inselnetzstruktur mit PowerFactory
Analyse und Bilanzierung der Energie- daten mit EMS-EDM PROPHET
Stationre Leistungsfluss- und Kurzschlusssimulation
Stationre Leistungsuntersuchungen Untersuchung Spannungsband im
Mittelspannungsnetz
Datenaufbereitung und Plausibilittsun-tersuchungen
Planung der Messreihen fr die hochauf-lsenden Messungen
Blindleistungsbetrachtung
Technische Untersuchungen
SPRECHER AUTOMATION GmbH
Fernwirkkonzept (incl. Wiederaufbau nach Black Out)
Erstellung des Reglerkonzeptes incl. Bercksichtigung der Photovoltaik
Erstellung des Schutzkonzeptes (Netz- und Maschinenschutz)
Erstellung eines Automatisierungskon-zeptes
Schaltkonzept bei Schwarzstart des Netzes
Konzept zur Synchronisation aus Insel zu Netzparallelbetrieb
Kommunikationskonzept zur Regelung und Stabilittssicherung im Inselbetrieb
Kommunikationskonzept als Rckgrad des Inselnetzbetriebes
Integration in die Netzleitstelle der Etschwerke Netz AG
Ergebnisse der
Machbarkeitsstudie
In den Sommermonaten und der bergangszeit ist ein Inselnetzbetrieb der gesamten Region Ritten technisch realisierbar
Tragende Sule fr die Stabilitt und Frequenz des Inselnetzes sind Biomasse-Kraftwerke sowie ein stationres Notstromaggregat
In Verknpfung mit Energiespeichern kann Photovoltaik zustzlich einen Beitrag zur Netzstabilitt leisten
Die Realisierung des Inselnetzes mit optionalem Netzparallelbetrieb hat berregionalen Leuchtturmcharakter fr die Netzintegration von Erneuerbaren Energien in einer lndlichen Region
In Ritten knnen zahlreiche Technolo-gien eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) praktisch erprobt und umgesetzt werden
Projektkonsortium
Fraunhofer-Anwendungszentrum Systemtechnik AST
Sprecher Automation Deutschland GmbH
Auftraggeber
Etschwerke Netz AG, Azienda Energetica Reti S.p.A.
2
1 Lastgang einer PV-Anlage
im Sommer
Energiesysteme_OROP.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
SMARTE SOFTWARELSUNGEN FR VERTEILERNETZE UND SMART GRID: OPEN RESEARCH AND OPERATION PROTOTYPE (OROP)
Herausforderung
Der Groteil des insgesamt 1,78 Millionen
Kilometer langen Stromnetzes in Deutsch-
land besteht aus Nieder- und Mittelspan-
nungsnetzen. Diesen klassischen Verteiler-
netzen kommt im Zuge der Energiewende
eine besondere Bedeutung zu: An Ihnen
sind nicht nur der grte Teil der Wind- und
Photovoltaikkraftanlagen und damit weit
ber 1 Millionen Stromerzeugungsanlagen
angeschlossen, sondern auch neue Anstze
und Entwicklungen wie Elektromobilitt,
erweiterte Betriebsfhrungsaufgaben,
Smart Metering, Wrmepumpen, BHKWs
und Demand-Side-Management werden
grtenteils in den Verteilernetzen umge-
setzt. Fr die Anforderungen sind neuartige
Planungs- und Betriebsfhrungs- sowie
Trainingslsungen notwendig.
Lsung
Mit der Forschungsplattform OROP (Open
Research and Operation Prototype) wird ein
Funktionsmuster gezeigt, das innovative
Anstze der Planung und des Netzbetriebs
fr Verteilernetzbetreiber ermglicht. In
einer GIS-hnlichen Umgebung knnen
Erzeuger und Lasten eines zuknftigen
Smart Grids modelliert und analysiert
werden. Darber hinaus sind auch Zeitrei-
hensimulationen mglich, mit denen Be-
triebsfhrungsstrategien berprft werden
knnen. OROP wird in Forschungsprojekten
im Bereich E-Mobility eingesetzt und
erprobt lokales und ffentliches Last- und
Lademanagement.
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 [email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1
1 Screenshot OROP
1 2
Features
GIS-basierter Entwurf von Verteilernetzen
Symmetrische und asymmetrische Netzberechnungen
Kapazittsabschtzungen fr Verteilernetze
Netzbelastungsanalyse GUI fr OpenDSS
Anwendungsfelder
FuE-Plattform fr Smart-Grid-Anwendungen
FuE-Plattform fr GIS-basierte Infrastrukturanalysen
Kapazittsanalysen fr dezentrale Anlagen (PV, Wind, BHKW, Energiespeicher)
Analyse des Einsatzes von regelbaren Ortsnetztransformatoren (RONT)
Analyse von lokalen und ffentlichen Last- und Lademanagementtechnologien
Monte-Carlo-Simulation sich verndern-der Versorgungsaufgaben
Ausblick
Ankopplung an EMS-EDM PROPHET Statistische Analysen dynamischer
und statischer Daten
Untersttzung von CIM (Common Information Model)
Ankopplung an SCADA-Systeme Parallelisierung der Netzberechnungen Trainingsplattform zur Aus- und Weiter-
bildung fr Verteilernetzbetreiber
2 GUI OROP
2
Energiesysteme_OROP_MCS.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
METHODIK ZUR EVALUIERUNG ASYMMETRISCHER LASTEN UND EINSPEISER ZUR ANWENDUNG IN DER NETZPLANUNG
Lsungsansatz
Monte-Carlo-Simulation mit OROP
Lasten und Einspeiser knnen nach den
technischen Anschlussbedingungen der
Verteilernetzbetreiber bis zu 4,6kVA/230V,20A
einphasig angeschlossen werden. Nach den
gngigen Normen und Vorgehensmodellen
der Netzbetreiber ist ein Anschlussbegehren
zulssig, wenn am Anschlusspunkt die
Asymmetrie (Gegensystem /Mitsystem)
nicht 2% berschreitet und gesichert
ist, dass die am Anschlusspunkt rea-
lisierten Spannungen das Niveau von
90% der Nennspannung weder unter-
schreiten noch 110% berschreiten.
Die Beurteilung der Anschlussmglichkeiten
von Elektrofahrzeugen, Wrmepumpen
und Klimaanlagen sowie dezentralen
Einspeisern, wie z.B. BHKW, Photovoltaik-
anlagen, etc. in Verteilernetzen wird nach
Stand der Technik durch Anwendung der
symmetrischen Leistungsflussberechnung
durchgefhrt. Gerade in Niederspannungs-
netzen wird die verfgbare Netzkapazitt
durch diese Vereinfachung falsch beur-
teilt und es mssen Reservekapazitten
eingeplant werden. Ein Abschtzen der
Netzkapazitt wird zustzlich durch
Unsicherheiten erschwert, welche die
Lokalitt des Anschlusses solcher Anlagen
im Netz sowie die Phasenwahl betreffen.
In OROP wird eine asymmetrische Leis-
tungsflussberechnung verwendet, welche
ein exakteres Modell der tatschlichen
Vorgnge eines elektrischen Netzes liefert.
Die Monte Carlo Simulation verwendet
zudem einen probabilistischen Ansatz,
welcher diese Unsicherheiten kompensiert
und es ermglicht eine statistische Repr-
sentation der Anschlusskapazitt eines
Verteilernetzes unter Verwendung eines
vertretbaren Rechenaufwands zu erstellen.
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 [email protected]
Dipl.-Ing. Steffen Nicolai
Telefon +49 3677 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1
1 2
Features
GIS-basierter Entwurf von Verteiler-netzen im Kernsystem OROP
Symmetrische und asymmetrischeNetzberechnungen mit OpenDSS
Kapazittsabschtzungen frVerteilernetze fr symmetrische undunsymmetrische Lasten/Einspeiser
Ermittlung von Fingerprintsunterschiedlicher Netze
Anwendungsfelder
FuE-Plattform fr Smart-Grid Planung FuE-Plattform fr GIS-basierte
Infrastrukturanalysen
Kapazittsanalysen fr dezent-rale Anlagen (PV, Wind, BHKW,Energie- und Leistungsspeicher)
Analyse des Einsatzes von Netzrege-lungen (z.B. lokales Lastmanagement,RONT, U-Q-Regelung etc. pp.)
Ausblick
Bercksichtigung U-Q-Regelungdezentraler Anlagen
Bercksichtigung cosphi(P) Regelungdezentraler Anlagen
Integration RegelbarerOrtsnetztransformatoren
Integration phasen- und strangselektiverRegler
Nachbildung von Vorgehensmodellenzum Netzausbau
2 Modellierungs-, Konfigurations- und
Auswertungsoberflche in OROP
2
Energiesysteme_SuperGrid.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
ZUKUNFTSPROJEKT SuperGridDIE STROMAUTOBAHN DER ZUKUNFT
Herausforderung
Mit ber 80 GW installierter Wind-
kraftleistung und fast 30 GWp installierter
Photovoltaik-Kapazitt ist Europa weltweit
fhrend beim Ausbau der erneuerbaren
Energien. Die damit verbundene,
zunehmend volatile Stromerzeugung stellt
nicht zuletzt das herkmmliche 380kV-
bertragungsnetz vor erhebliche Heraus-
forderungen. Als technologische Ergnzung
bietet sich hier die Entwicklung eines eu-
ropischen Overlay-Netzes auf Basis von
Hochspannungs-Gleichstrom-bertragung
(HG) an, mit dem der erneuerbare Strom
wesentlich effizienter ber groe Distanzen
verteilt und Schwankungen besser
ausgeglichen werden knnen. Gleichzeitig
ist eine solche Netzstruktur auch Grundlage
zur Umsetzung visionrer Ideen wie z.B. des
DESERTEC-Konzepts, mit der in Zukunft
Solarstrom aus Nordafrika nach Europa
geliefert werden knnte.
Fraunhofer-Zukunftsprojekt SuperGrid
HG ist besonders fr lange Transportwege
und groe Energiemengen geeignet. Mit
einer einzigen Leitung knnen bis zu 5000
MW bertragen werden - das entspricht
der Leistung von drei bis fnf Atomkraft-
werken. Bisher existieren weltweit jedoch
nur wenige Leitungen, die in der Regel als
Punkt-zu-Punkt-Verbindung umgesetzt
sind. Im Zukunftsprojekt SuperGrid un-
tersuchen Wissenschaftler des Fraunhofer
AST nun Anstze fr die Betriebsfhrung
und den Netzschutz eines vermaschten
HG-Transportnetzes. Dabei sollen unter-
schiedliche Kraftwerkstechnologien wie z.B.
auch Solarkraftwerke (CSP) bercksichtigt
werden, wie sie etwa im Rahmen des
DESERTEC-Konzepts zur langfristigen
Stromversorgung auf Basis erneuerbarer
Energien angedacht sind.
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Systemtechnik AST
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98693 Ilmenau, Germany
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1
1 Mit integriertem Salzspeicher er-
reichen CSP-Kraftwerke deutlich mehr
Volllaststunden als Photovoltaik
Quelle: World Bank Photo Collection
(CC BY-NC-ND 2.0)
1 2
Technische Umsetzung & Lsung
Analyse der IST-Situation des europischen und nordafrikanischen bertragungsnetzes (ENTSO-E)
Untersuchung des Ausbaupotentials auf Basis vermaschter DC-Netze
Untersuchung mglicher Strategien zur Betriebsfhrung, Netzschutz und Netzstabilitt
Prototypische Umsetzung fr Netzschutz und Betriebsfhrung
Konzeption von Simulationsmodellen der bertragungsnetze MENA/ENTSO-E
Analyse von Wechselwirkungen zwi-schen HVAC- und HVDC-Netzen
Betriebsfhrung und Netzschutz von vermaschten HVDC-Anlagen
Prototypische Softwarekomponenten fr sptere kommerzielle Nutzung
Projektleitung
Fraunhofer-Institut fr Solare Energiesys-teme ISE
Projektpartner
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Fraunhofer-Institut fr Integrierte Syste-me und Bauelementetechnologie IISB
Fraunhofer-Institut fr Werkstoff-mechanik IWM
3 Europisches AC-Verbundnetz
2
2 Nordafrika bietet ein riesiges Potential
fr CSP-Kraftwerke. Bildquelle:
Guilherme Jfili, CC BY 2.0
3
Energiesysteme_eTelligence.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
ETELLIGENCE: LEUCHTTURM- PROJEKT IM RAHMEN VONE-ENERGY
Die Herausforderung
Die sichere und ausreichende Versorgung
mit elektrischer Energie, basierend auf
deren umweltvertrglicher Erzeugung, ist
eines der wichtigsten globalen Themen der
Gegenwart und Zukunft. Vor dem Hinter-
grund einer notwendigen Reduktion der
CO2-Emissionen und der begrenzten fossi-
len Energieressourcen wird der Energiemix
der nheren Zukunft zu einem beachtlichen
Teil aus erneuerbaren Energien
bestehen. Der wachsende Anteil der Strom-
erzeugung aus erneuerbaren Energien stellt
das heutige Versorgungssystem jedoch vor
neue Herausforderungen. Die bestehenden
Versorgungsstrukturen gehen typischerwei-
se von einer zentralen Energieerzeugung in
groen Kraftwerksblcken und von
Lastflssen in Richtung der Endkunden
und deren bekanntem Verbrauchsverhalten
aus. Demgegenber sind die erneuerbaren
Energien dezentral und im Fall der
Windenergie und Photovoltaik nur fluktuie-
rend verfgbar. Neben der beeintrchtigten
Planbarkeit der Erzeugung fhrt dies in
der Regel auch zu einem zustzlichen
temporren Ungleichgewicht
zwischen Erzeugung und Verbrauch. Die
Kompensation erfordert die Bereitstellung
von zustzlicher Regelenergie in Form von
vorzuhaltender Kraftwerksleistung. Des
Weiteren erfolgt die Einspeisung der
erneuerbaren Energie zu einem erheblichen
Teil in der Verteilernetzebene, so dass es
hierdurch zu einer Umkehr der Leistungs-
flsse von der Verteiler- in die bertra-
gungsnetzebene kommen kann. Die derzeit
verfgbaren elektrischen Netze haben i. d.
R. diesen Sachverhalt bei der Auslegung
ihrer Betriebsmittel nicht bercksichtigt
und stoen heutzutage an ihre Grenzen.
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gefrdert vom:
1 2
Aufgaben und Ergebnisse
Im eTelligence-Projekt wird gezeigt, dass die
Informations- und Kommunikationstechno-
logien in Kombination mit den vorhande-
nen Strukturen der Energiewirtschaft eine
Optimierung der Versorgungssituation er-
mglichen. Dabei spielen umweltpolitische,
Versorgungssicherheits- und Effizienzziele
fr das Projekt eine groe Rolle. Das Projekt
eTelligence schafft die Grundlagen und
die Komponenten fr ein zukunftsfhiges
regionales Energieversorgungssystem.
Hierzu werden ein regionaler Marktplatz,
neue Tarif- und Anreizprogramme,
Steuerungsalgorithmen fr dezentrale
Erzeugeranlagen und virtuelle Kraftwerke
sowie innovative Betriebsfhrungskonzepte
fr das Verteilnetz entwickelt. Notwendig
hierfr ist eine standardisierte Infrastruktur
fr Geschfts- und Betriebsfhrungs-
prozesse. Das Projekt demonstriert die
Funktionsfhigkeit und die Effektivitt
des Lsungsansatzes in der Modellregion
Cuxhaven, die ber eine gut geeignete
Netztopologie verfgt sowie ber eine
Vielzahl von dezentralen Erzeugern und
Groverbrauchern. Darber hinaus bietet
sie als berregional
bedeutendes touristisches Ziel mit ber
drei Mio. bernachtungen pro Jahr
eine hervorragende Plattform fr die
breitenwirksame Prsentation der EEnergy-
Wettbewerbsideen, des Projekts eTelligence
und seiner Ergebnisse.
Dem Fraunhofer AST fllt die Leitung des
Teilprojekts Intelligente Verteilnetze,
welches unter anderem die Erfassung und
Weitere Ergebnisse im Bereich der Netzbe-
triebsfhrung sind:
Konzepte zur Optimierung und Betriebs-fhrung von Verteilernetzen auf Basis von vermarktbaren Netzsystemdienstleis-tungsprodukten,
Technische Lsung fr die Spannungs-Blindleistungsoptimierung mit virtuellen
und konventionellen Kraftwerken,
Technische Lsung fr die Wirkleistungs- Blindleistungsoptimierung mit virtuellen
und konventionellen Kraftwerken,
Technische Algorithmen sowie ggf. Lsungen fr adaptive Netzschutzpara-metrierung und
Neue Verfahren zur Berechnung der Netznutzungsgebhr.
Modellierung des Verteilernetzes der Stadt
Cuxhaven umfasst, zu. Die Herausforde-
rung fr die Netzbetriebsfhrung besteht in
der optimalen Einbindung von dezentralen
Erzeugern und der Generierung von
vermarktbaren Netzsystemdienstleistungs-
produkten wie z.B. der Bereitstellung
von Blindleistungsprodukten, um trotz
Liberalisierung und den damit verbundenen
diskriminierungsfreien Marktstrukturen eine
optimale konomische und kologische
Systemfhrung des Energiegesamtsystems
zu realisieren. Hierzu werden die beste-
henden Freiheitsgrade in der Steuerung
dezentraler Einspeisungen mittels eines
durchgngigen Lastmanagements fr eine
aktive Betriebsfhrung unter Bercksichti-
gung einer optimalen Verteilnetznutzung
verwendet.
Auftraggeber und Partner
BMWi und BMU EWE AG Fraunhofer-Allianz Energie BTC AG OFFIS e.V. ko-Institut energy & meteo systems GmbH
Energiesysteme_gesteuertes Laden 3.0.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
GESTEUERTES LADEN V3.0: NETZINTEGRATION VON ELEKTRO-MOBILITT
Ausgangslage
2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf
Deutschlands Straen unterwegs sein, so das
Ziel der Bundesregierung. Um dieses Vorhaben
zu realisieren ist es von entscheidender Be-
deutung, nicht nur die Technologie, sondern
auch die Infrastruktur inklusive Ladestationen
weiter voran zu treiben.
Hierzu mssen vor allem die Voraussetzungen
fr eine positive Kaufentscheidung geschaffen
werden, z.B. ein marktgerechter Preis, Attrak-
tivitt der Fahrzeuge und Spass am Fahren,
problemloses und unkompliziertes Laden und
es drfen dem zuknftigen Kunden auch keine
Nachteile durch die Nutzung der Fahrzeuge
entstehen. Hierfr mssen unter anderem er-
folgskritische Faktoren, wie z.B. umstndliche
Ladevorgnge und Reichweitenbegrenzung
technisch gelst werden.
Ziele
Ziel des Forschungsprojekts Gesteuertes
Laden V3.0 ist es, im Bereich der Dienst-
leistungen eine neuartige Energie-Lsung
fr Elektro-Fahrzeugbetreiber zu entwickeln,
welches ein intelligentes Energiemanagement,
das zeitliche Schwankungen der Verfgbarkeit
von regenerativen Energien und die struktu-
rellen Randbedingungen mit einbezieht.
Das Forschungsziel des Fraunhofer AST in die-
sem Projekt ist es, anhand einzelner Szenarien
die anfallenden Kosten unter dem Gesichts-
punkt des konomischen und kologischen
Nutzens fr Partner und Kunden zu bewerten
und zu evaluieren. Aus den gewonnenen
Ergebnissen sollen betriebswirtschaftliche
und politische Handlungsempfehlungen und
Manahmen formuliert werden.
1 Niederspannungsnetz
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau, Germany
Abteilung Energie:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 461-111 [email protected]
Dipl.-Ing. Falk Schaller
Telefon +49 3677 [email protected]
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1
gefrdert durch:
Umsetzung
Das Ladekonzept welches im Rahmen des
Projektes MINI E Berlin powered by Vattenfall
V1.0 und Gesteuertes Laden V2.0 entwi-
ckelt wurde, dient dem Forschungsprojekt
Gesteuertes Laden V3.0 als Grundlage und
wird in diesem Vorhaben weiterentwickelt.
Gleichzeitig wird es durch die Erfahrungen,
die das Fraunhofer AST in Forschungsprojekten
wie eTelligence und Systemforschung Elektro-
Mobilitt (FSEM) gesammelt hat, ergnzt.
Bisher ist der Ladevorgang nur ber eine
Planungsfunktion vorgesehen. In der Theorie
wird bei der Berechnung der max. Ladeleistung
eine Schtzung ber die Lastentwicklung
am Hausanschluss abgegeben. Hierbei wird
ermittelt, wie die zulssige Ladeleistung
eines Fahrzeugs unter Bercksichtigung der
zuknftigen Netzbelastung ausfallen kann.
Ein kritischer Punkt ist die Prognostizierbarkeit
der Last und Einspeisung. Dieser Aspekt
wurde bisher nur ungengend bercksichtigt.
Daraus leitet sich die Notwendigkeit eines
Regelungsansatzes ab, der den Planungsansatz
untersttzt.
Projektpartner
VDI/VDE Innovation und Technik GmbH (Projekttrger)
Bayrische Motoren Werke AG (Verbundkoordination)
Fraunhofer-Institutsteil Agewandte Systemtechnik IOSB-AST
EWE AG Technische Universitt Ilmenau Technische Universitt Chemnitz Clean Energy Sourcing GmbH Vattenfall Europe Innovation GmbH
2 bergabe der Fahrzeuge in Berlin
Energietechnik_FP-Intelligente-Energiesysteme-QR.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
FORSCHUNGSPLATTFORMINTELLIGENTE ENERGIESYSTEME
Die Herausforderung
Der immer grer werdende Anteil
fluktuierender Einspeisung aus Wind- oder
Sonnenenergie stellt insbesondere die
Stromnetzbetreiber vor groe Herausforde-
rungen und fhrt zum Teil schon heute zu
regionalen Netzengpssen. Um langfristig
eine ausreichende Versorgungssicherheit
trotz des weiter steigenden Anteils der
erneuerbaren Energien gewhrleisten zu
knnen, sind intelligente Energiesysteme,
so genannte Smart Grids, notwendig.
Sie verknpfen die einzelnen Elemente wie
Erzeugung, Verbrauch und in Zukunft
auch Energiespeicher ber leittechnische
Systeme und ermglichen somit ein
optimales, ganzheitliches Zusammenspiel.
Mit der Forschungsplattform Intelligente
Energiesysteme verfgt das Fraunhofer
AST ber ein reales Smart Grid, mit
dem unterschiedliche Szenarien, wie
beispielsweise aktive Lastverschiebungen
ber Energiespeicher und der autonome
Inselbetrieb, aber auch die Auswirkungen
von E-Mobilitt auf die Versorgungsnetze,
untersucht werden knnen.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
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Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
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1
1 Elektromobilitt
2 Wetterstation
3 Redox-Flow-Batterie
4 Nachgefhrte PV-Anlagen
2 3 4
1 2
Forschungsschwerpunkte
Die Forschungsplattform Intelligente Ener-
giesysteme stellt die Infrastruktur fr eine
Vielzahl an FuE-Vorhaben bereit. Sie setzt
sich aus dem IuK-Energie-Labor und dem
2009 errichteten Energiepark zusammen
und ist Grundlage fr die Entwicklung
zuknftiger IT-Lsungen fr bertragungs-
und Verteilnetzbetreiber, insbesondere
von Energiemanagementsystemen sowie
Vorhersage- und Optimierungswerk-
zeugen. Auch fr zahlreiche Forschungs-
projekte wie z.B. eTelligence, RESIDENS
oder der Fraunhofer Systemforschung Elek-
tromobilitt kann die Forschungsplattform
Intelligente Energiesysteme Anwendung
finden. Sie besteht erzeugerseitig aus
mehreren dezentralen Komponenten. Dazu
gehren eine Kleinwindkraftanlage (20
kW) sowie nachgefhrte und stationre
PV-Systeme (18 kWp). Zustzlich verfgt
die Forschungsplattform ber zwei
verschiedene Energiespeichersysteme, eine
Redox-Flow-Batterie mit einer
Ausstattung und Leistungsmerkmale
Kleinwindkraftanlage 20 kW Photovoltaik, nachgefhrt: 10 kWp Photovoltaik, stationr: 8 kWp Erdwrmepumpe: 10 kWth Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit
100 kWh Speicherkapazitt
Zwei Schwungmassespeicher mit jeweils 10 bzw. 15 kW Nennleistung
Zwei Elektrofahrzeuge (Batterie mit einer Kapazitt von jeweils 8,2 kWh)
Flexible, programmierbare AC-Last Volldigitalisiertes Leitsystem Wetterstation Steuerbare Verbraucher: Waschma-
schine, Geschirrspler, Gefrierschrank, Trockner
Wahlweise netzgekoppelter Betrieb und Inselbetrieb mglich
Leittechnische Anbindung an das IuK-Energie-Labor
Kapazitt von 100 kWh zur mittelfristigen
Speicherung elektrischer Energie und zur
Kurzfristspeicherung zwei Schwungmas-
sespeicher mit insgesamt 25 kW Nennleis-
tung. Ergnzt wird die Forschungsplatt-
form Intelligente Energiesysteme durch
zwei Elektrofahrzeuge, intelligente Weie
Ware und eine Erdwrmepumpe mit 10
kW thermischer Leistung. Alle Kompo-
nenten sind auf Ieittechnischer Ebene mit
dem IuK-Energie-Labor vernetzt, welches
wiederrum Funktionen zur automatischen
Datenerfassung bereitstellt. Damit kann
an zuknftigen energiewirtschaftlichen
Aufgaben und Marktprozessen wie z.B.
Vorhersage und Optimierung, Bilanz-
kreismanagement, virtuelle Kraftwerke,
Automated Metering und Demand
Side Management geforscht werden. Des
Weiteren kommen Phasenmessgerte
(PMUs) zum Einsatz, die eine berwachung
des Netzzustandes ermglichen und mit
ihren hochauflsenden Messungen Rck-
schlsse auf die Lastflsse im Verteilnetz
zulassen.
1 Herzstck der Anlage ist die
100 kWh-Redox-Flow-Batterie
2 Je nach aktueller Stromerzeu-
gung lassen sich in der Forschungs-
plattform Verbraucher intelligent
zu- bzw. abschalten
3 Erzeuger, Verbraucher und
Speicher sind ber ein volldigita-
lisiertes Leitsystem miteinander
vernetzt
1
2 3
Energietechnik_Innovationsstudie-Pellworm.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
ENERGIESYSTEME DER ZUKUNFT: INNOVATIONSSTUDIEPELLWORM
Ausgangslage
Schon heute steht die Nordseeinsel
Pellworm fr den mglichen Energiemix
der Zukunft: Whrend die vor Ort vorhan-
denen dezentralen Anlagen jhrlich ber
22 Millionen kWh Strom erzeugen, werden
von den knapp 1200 Inselbewohnern
nur 7 Millionen kWh verbraucht. Auf
der Nordseeinsel engagiert man sich
bereits seit Jahrzehnten fr Erneuerbare
Energien: Schon 1983 entstand hier das
Hybridkraftwerk Pellworm, damals eines
der grten seiner Art in Europa. Trotz der
Vielzahl an dezentralen Energieerzeugern
ist weiterhin eine Stromverbindung zum
Festland notwendig, um zum einen lokale
berschsse abzufhren, aber auch um
in bestimmten Zeiten Energie vom
Festland zu importieren.
Die Innovationsstudie
Ziel der Innovationsstudie Pellworm war es,
das Potential zur Umsetzung eines Smart
Grid auf Pellworm zu identifizieren.
Dafr wurde nicht nur die technische
Ausgangssituation (Strombedarf und
-erzeugung, Randbedingungen, Ener-
giespeicheroptionen) analysiert, sondern
auch die Akzeptanz der Brger und die am
Markt verfgbaren Technologiekomponen-
ten hinterfragt. Ergebnis: Zusammen mit
einem zentralen Energiespeicher und einem
flexibleren Lastmanagement kann der
Energiebezug vom Festland um bis zu 90
Prozent reduziert werden. Die Innovations-
studie wurde zusammen mit der
E.ON Hanse AG, der Schleswig-Holstein
Netz AG, der Fachhochschule Westkste,
dem Kompetenzzentrum Windenergie
(CEwind) und dem Fraunhofer AST ange-
fertigt und durch die Innovationsstiftung
Schleswig-Holstein gefrdert.
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Telefon +49 3677 461-102 [email protected]
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1 Hybridkraftwerk Pellworm
1
1 2
Ergebnisse
Pellworm erzeugt mit einer installierten Leistung von rund 9 MW (Wind, Photovoltaik, Biomasse) pro Jahr fast die dreifache Menge an Strom, die im selben Zeitraum von den lokalen Verbrauchern bentigt wird.
Der hohe Anteil an Elektroheizungen, der rund 10 Prozent des Jahresstrom-bedarfs von Pellworm entspricht, ist fr den Einsatz als flexible Last (DSM, Demand Side Management) geeignet.
ber 75 Prozent der Bevlkerung steht Erneuerbaren Energien und dem Ausbau des Stromnetzes aufgeschlossen gegenber.
Durch die Kombination von flexiblen Lasten und einem Energiespeicher kann der Energiebezug vom Festland um bis zu 90 Prozent reduziert werden.
Fr die Realisierung eines Smart Grid ist ein Ausbau der Infrastrukur (IuK-Technologie in Haushalten, Automatisierungstechnologie fr ber 50 Ortsnetzstationen) notwendig.
Durch die Realisierung eines Smart Grid knnen die Netzstruktur auf Pellworm sowie die vorgelagerten Netze entlastet werden.
Empfehlungen
In einem ersten Schritt wird die Errichtung eines Kern-Smart-Grid empfohlen, der die IuK-Technologie, einen Energiespeicher moderater Gre, das Hybridkraftwerk und die Integration der Elektrospeicherheizungen fr ein Lastmanagement umfasst.
Die Spezifikation und Umsetzung des Kern-Smart-Grid sollte in enger Absprache mit System- und Komponen-tenlieferanten durchgefhrt werden, da Standardisierungen, Normungen und letzlich auch die praktischen Erfahrungen fr ein reales Smart Grid nur begrenzt vorliegen.
Die schrittweise Umsetzung erhht auch die Investitionssicherheit, da gewonnene Erfahrungen und zuknftige Entwicklungen (z.B. Standardisierungen) bercksichtigt werden knnen.
Spter kann das Kern-Smart-Grid um weitere steuerbare Erzeuger, Speicher und Lasten zu einem Voll-Smart-Grid erweitert werden.
Pellworm bietet mit seiner Erzeugungs-struktur und den in der Studie gewon-nenen Erkenntnissen eine geeignete Plattform, zentrale Fragestellungen fr die zuknftige Energieversorgung zu beantworten.
Projektfrderung
Projektpartner
2 Ablaufdiagramm zur Umsetzung
eines Voll-Smart-Grid auf Pellworm
2
Energietechnik_Smart_Region_Pellworm.pdf
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INTELLIGENTES VERTEILNETZ & ENERGIESPEICHER: SMART REGION PELLWORM
Ausgangslage
In den Voruntersuchungen der Innovations-
studie Pellworm wurden die Potentiale und
Mglichkeiten zum Aufbau eines Smart Grid
auf der Nordseeinsel ermittelt. Pellworm ist
auf Grund des sehr hohen Anteils an Erneu-
erbaren Energien fr ein derartiges Projekt
prdestiniert.
Betrachtet wurden sowohl die aktuellen
Erzeugungs- und Bedarfsmengen an
elektrischer Energie, die technische Aus-
gangsituation bezglich der Komponenten
eines zuknftigen Smart Grids als auch die
Technologieakzeptanz der Bevlkerung.
In verschiedenen Modellierungen des Ener-
giesystems wurden mgliche Einsatzszena-
rien stationrer Energiespeicher in Kombi-
nation mit flexiblen Lasten voruntersucht.
Zielfunktion der Einsatzszenarien war u.a.
die Minimierung des Bezuges von Energie
vom Festland.
Ziele
Das Projekt Smart Region Pellworm bein-
haltet den Aufbau und Betrieb eines hybri-
den Speichersystems als zentrales Element
eines Smart Grids. Neben zwei stationren
Speichern unterschiedlicher Technologien
(Li-Ionen-Batterie, Redox-Flow-Batterie),
wird der hybride Ansatz ergnzt durch
unidirektionale Speichersysteme wie z.B.
Elektro-Speicherheizungen, Wrmpumpen
oder einer auf der Insel vorhandenen Bio-
gasanlage.
Im Rahmen des Projektes werden umfas-
sende Analysen derzeitiger und zuknftiger
Geschftsmodelle hybrider Speichersysteme
durchgefhrt.
Die Erfahrungen bei der Umsetzung und dem
Betrieb sollen, ebenso wie die Untersuchun-
gen der Geschftsmodelle, in die Analyse
der bertragbarkeit des Pellworm-Ansatzes
auf andere Netzregionen einflieen.
1 Hybridkraftwerk Pellworm
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1
Umsetzung
Die Aufgaben des Fraunhofer AST umfassen
Entwurf und Umsetzung der Betriebsfh-
rung des hybriden Speichersystems fr
verschiedene Anwendungsflle. Basierend
auf einer umfangreichen Analyse der
Messdaten des Energiesystems erfolgt die
Modellierung aller relevanten elektrischen
und thermischen Komponenten und die
Einbindung in die Optimierungsmodelle
der Betriebsfhrungsstrategien. Auf
Basis der untersuchten Geschftsmodelle
werden die Zielfunktionen der Betriebsfh-
rungsanstze erstellt. Dabei sind sowohl
bilanzielle als auch technische Restriktionen
des Energiesystems zu bercksichtigen.
Dies umfasst u.a. die einzubeziehenden
Daten der Kunden und der Einspeisung, des
aktuellen Netzzustandes sowie exogener
Einflussgren, wie z.B. Wetterdaten oder
Sondersituationen wie u.a. Netzengpsse
oder Einspeisemanagement. Eine besondere
Herausforderung stellt hierbei die Kombi-
nation mehrerer unterschiedlicher, teilweise
gegenlufiger Zielfunktionen fr eine opti-
male Betriebsfhrung dar. Die Abbildung
der verschiedenen zeitlichen Ebenen der
Betriebsfhrung wird durch einen mehrstu-
figen Optimierungsansatz ermglicht.
Den operativen Kern der Betriebsfhrungs-
lsung bildet das Energiemanagementsys-
tem EMS-EDM PROPHET. ber die vor-
handenen Schnittstellen zu allen beteiligten
Systemen werden die relevanten Mess- und
Prognosewerte bertragen. Auf deren Basis
werden in den Optimierungsmodellen der
Betriebsfhrung die Fahrplne der aktiven
Elemente des Energiesystems ermittelt.
Auswertung
Eine grundstzliche Aussage der Funkti-
onsweise der Betriebsfhrungsstrategien
erfolgt durch Auswertung der relevanten
Kenngren des Energiesystems mit und
ohne aktiver Beeinflussung durch die
Betriebsfhrung. Besondere Beachtung bei
der Auswertung findet die Darstellung der
anteiligen Einflsse der Vorgaben durch die
Geschftsmodelle und die Anforderungen
aus der Netzbetriebsfhrung. Ein weiterer
Schwerpunkt der Auswertung wird die
detaillierte Betrachtung des Verhaltens
des Gesamtsystems in Sondersituationen,
bezglich des Netzzustandes, sein.
Projektpartner
E.ON Hanse AG (Konsortialfhrer)
Gustav Klein GmbH Fraunhofer AST und UMSICHT Fachhochschule Westkste RWTH Aachen IFHT Saft Batterien GmbH Schleswig-Holstein Netz AG
1
2 Integriertes
Energiemanagementsystem im
realen Marktumfeld
Energiewirtschaft_FENIA.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
FENIA - DAS KRAFTWERKS-MODELL FR DEUTSCHLAND
Herausforderung
Der rasante Ausbau der erneuerbaren
Energien - allein 2013 waren in Deutschland
Wind- und Photovoltaikanlagen mit einer
kummulierten Leistung von rund 67.000
MW installiert - sorgt im Bereich der kon-
ventionellen Stromerzeugung zu erhhten
Investitionsunsicherheiten. Ob zuknftige
Volllaststundenzeiten, Merit-Order-Preise
oder KWK-Bedarfe: Fr den Bau und Betrieb
regelbarer, nicht-fluktuierender Leistung
werden belastbare Kennzahlen bentigt, auf
deren Basis langfristige Investitionsentschei-
dungen getroffen werden knnen. Diese
Daten betreffen dabei nicht nur die konven-
tionelle Stromerzeugung, sondern durch die
Direktvermarktung auch verstrkt die Strom-
erzeugung aus erneuerbaren Energien.
FENIA
Mit dem Fundamentalmodell FENIA (Funda-
mentalmodell der Energiewirtschaft des Insti-
tutsteils Angewandte Systemtechnik) wurde
ein leistungsfhiges Tool zur Simulation der
zuknftigen Merit-Order-Preise geschaffen.
Grundlage dafr ist die Energiemanage-
mentlsung EMS-EDM PROPHET mit ihrem
State-of-the-Art Optimierungsmodul RPS.
In FENIA sind der gesamte deutsche
Kraftwerkspark blockscharf sowie die
Erzeugungskapazitten aus erneuerbaren
Energien und Pumpspeicherkraftwerken
hinterlegt. Sowohl fr die Vergangenheit
als auch fr die Zukunft knnen damit
die stundenscharfe Einsatzfolge und
Auslastung von Kraftwerkstechnologien,
Energiespeichern oder neuen Technologien
anhand der Merit-Order bestimmt werden.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 461-111
Dipl.-Math. Steffi Naumann
Telefon +49 3677 461-104
www.iosb-ast.fraunhofer.de
1
1 Mit FENIA kann die zuknftige
Auslastung konventioneller Strom-
erzeugung bestimmt werden. Foto:
Creative Commons Attribution-Share
Alike 2.5 Generic
1 2
Features
Blockscharfe Abbildung des gesamten deutschen Kraftwerksparks inklusive erneuerbarer Energien und Pump-speicherkraftwerke u.a. auf Basis der BNetzA-Kraftwerksliste mit einer Gesamtkapazitt von mehr als 180.000 MW
Abbildung der zuknftigen Stromerzeu-gung aus erneuerbaren Energien auf Basis des Netzentwicklungsplans Strom (NEP) 2013 fr die Jahre 2023 und 2033
Hohe Korrelation des Merit-Order-Preises aus dem Modell zum EEX Day-Ahead-Preis fr das Vergleichsjahr 2011
Stundenscharfe Auflsung Betrachtung je Bundesland mglich Bercksichtigung der Grenzkuppelkapa-
zitten und der Handelssalden mit den europischen Nachbarstaaten
Anwendungsfelder
Simulation zuknftiger Merit-Order-Preise
Erhhte Sicherheit bei Investitions-entscheidungen und zuknftigen Instandsetzungmanahmen
Bestimmung zuknftiger Volllaststunden fr konventionelle Stromerzeugung und Energiespeicher
Volkswirtschaftliche Betrachtungen des preisoptimalen Abfahrens heutiger und zuknftiger Residuallasten
2 MERIT-Order-Modell
Modelleigenschaften
Gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung (GGLP)
Zielfunktion: Minimierung der Gesamt-systemkosten
Zeitbasis: Stunde Einfache Modellierung mittels grafischen
Topologieeditior
Anlegen und verwenden von Szenarien zur Modellvariation
Umfangreicher Mathematikfunktionen zur Berechnung individueller Aufgaben
Offenheit fr kundenspezifische Verfahren
Automation
Systemvoraussetzungen
Optimierungssystem: EMS-EDM PROPHET
Modellierungssprache: GAMS Solver: CPLEX / GUROBI
Energiewirtschaft_Fraunhofer-Systemforschung-Elektromobilitaet.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
SYSTEMFORSCHUNG ELEKTROMOBILITT:
NETZINTEGRATION UND ENERGIE-
WIRTSCHAFTLICHE PERSPEKTIVEN
Die Herausforderung
Ob elektrische Verteilnetze - insbesondere
innerhalb von Stdten und Gemeinden
- derzeit fr eine simultane Abnahme
von Einzelverbrauchern und zustzlicher
Elektromobilitt ausgelegt sind, ist bisher
noch nicht hinreichend erforscht. Die Leis-
tungsgrenzen dieser Netze knnten durch
die oftmals parallelen Ladevorgnge der
Elektrofahrzeuge (z.B. zur Feierabendzeit)
berschritten werden. Demzufolge mssen
die Netzbetreiber dieser Regionen zuknftig
zwischen dem Ausbau der eigenen Netze
oder einem intelligenten Lademanagement
whlen. Fr ein regelbares, lastabhngiges
Be- und Entladen der Batterie knnen dafr
zustzliche Informationen zwischen den
beteiligten Akteuren (Netzbetreiber, Hnd-
ler, Ladestationsbetreiber, Endverbraucher)
ausgetauscht werden.
Im Rahmen der Fraunhofer Systemfor-
schung Elektromobilitt FSEM werden
durch das Fraunhofer AST die Anforderun-
gen fr die Netzintegration der E-Mobilitt
analysiert, die beteiligten Marktakteure
identifiziert und relevante energiewirt-
schaftliche Aspekte der Kommunikation
untersucht. Unter dem Gesichtspunkt
der Wirtschaftlichkeit werden mgliche
Mehrwertdienste durch die Nutzung
der Fahrzeugspeicher unter Beachtung
der Anforderungen an die Infrastruktur
(Ladestationen, Abrechnungseinrichtung,
Netzausbau) bewertet.
Fraunhofer-Anwendungszentrum
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 [email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
www.forum-elektromobilitaet.de
gefrdert vom:
1 2
Forschungsschwerpunkte
Netzintegration von E-MobilittZielstellung in diesem ersten Forschungs-
schritt ist es, eine umfassende Anforde-
rungsanalyse von Elektromobilitt an die
elektrischen Versorgungsnetze zu generie-
ren. Auf Basis modellbasierter Netzsimula-
tionen werden dabei Regelungskonzepte
fr eine intelligente Netzbetriebsfhrung
entworfen. Bercksichtigt werden dabei
auch elektrische Speicherpotentiale der
Elektrofahrzeuge und der damit mgliche
Ausgleich von Spitzenlasten im
Verteilernetz.
Energiewirtschaftliche und regulatorische Perspektiven
Auf Basis der derzeit geltenden ener-
giewirtschaftlichen Richtlinien und den
Ergebnissen der Netzanforderungen an
die E-Mobilitt werden in einem zweiten
Schritt Konzepte zur Realisierung von
Be- und Entladeszenarien aufgestellt, wie
sie beispielsweise in Abbildung 1 skizziert
sind. Dabei werden die wesentlichen
Marktakteure identifiziert und mit dem Ziel
einer optimalen Betriebsfhrung des Netzes
(z.B. die Vermeidung eines kosten- und
zeitintensiven Netzausbaus) intelligent ver-
knpft. Weitere Untersuchungen umfassen
die hierfr notwendigen Technologien
wie Smart-Metering oder Demand-Side-
Management.
Mobil mit StromIm Verbundprojekt Fraunhofer Systemfor-
schung Elektromobilitt FSEM beteiligen
sich mehr als 30 Fraunhofer-Institute.
Ziel ist die Entwicklung von Prototypen
fr Hybrid- und Elektrofahrzeuge, um den
Einstieg der deutschen Automobilindustrie
in die Elektromobilitt zu untersttzen.
Das Bundesministerium fr Bildung und
Forschung BMBF frdert dieses Vorhaben
mit insgesamt 44 Mio Euro aus den
Konjunkturprogrammen I und II.
GeschftsmodelleIn Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer
ISI und dem Fraunhofer UMSICHT wird in
einem letzten Schritt ein Referenzmodell
fr die Bewertung von Geschftsmodellen
fr verschiedene E-Mobilitts-Szenarien
entwickelt. Dieses Modell bercksichtigt
unter anderem die Anschaffungskosten,
Wartung, Ladestationen, Infrastruktur
sowie die entsprechenden Amortisations-
zeitrume und dient als Grundlage fr die
Generierung innovativer Geschftsmodelle,
beispielsweise fr Verteilnetzbetreiber, im
Rahmen der zu erwartenden Wachstums-
prognosen des E-Mobilitts-Marktes.
Mgliche IuK-Vernetzung und Rollenverteilung von Lieferanten,
Netzbetreiber und Ladestationsbetreiber
Energiewirtschaft_REGEES.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
REGENERATIVES ELEKTRISCHES ENERGIE-SYSTEM MIT OPTIMALER NETZINTEGRATION VON ERNEUERBAREN ENERGIEN
Herausforderung
Die ambitionierte Zielstellung der deutschen
Bundesregierung, erneuerbaren und damit
grtenteils fluktuierenden Stromerzeugern
einen Anteil von 50 Prozent an der
Stromerzeugung bis zum Jahr 2030 (2050:
80 Prozent) zu ermglichen, stellt die Netz-
betreiber vor eine groe Herausforderung.
Mit einer Bruttostromerzeugung von rund
190 TWh in 2015 wird bereits jede dritte
Kilowattstunde in Deutschland aus Wind,
Sonne, Biomasse oder Wasserkraft gewon-
nen. Allerdings: Allein fr die Abschaltung
Erneuerbarer Energien aufgrund zu stark
ausgelasteter Verteiler- und bertragungs-
netze fielen 2014 Kosten in Hhe von rund
150 Millionen EUR an. Hinzu kommen
so genannte Redispatch-Manahmen
an 8116 Stunden im Jahr - das sind
Eingriffe der bertragungsnetzbetreiber
in die Fahrplne von Kraftwerken, um
Leitungsberlastungen zu vermeiden. Die
Energiewende tritt damit schon heute in
die Phase der Systemintegration ein, in der
Netzertchtigung und -erweiterung sowie
die Hebung von Flexibilittsmanahmen
immer wichtiger werden.
Lsung
Im Forschungsprojekt REGEES (Optimale
Betriebs- und Regelungsstrategien fr das
zuverlssige elektrische Energieversor-
gungssystem Deutschlands bei vollstndiger
Integration der Einspeisung aus erneu-
erbaren Energien im Zeithorizont 2030)
unter Leitung des Fraunhofer AST soll ein
mglichst hoher Anteil an erneuerbaren
Energien optimal in das Stromversorgungs-
system eingebunden werden. Dazu werden
Lsungen fr die gekoppelte Betriebsfh-
rung zwischen Verteilernetzbetreiber und
bertragungsnetzbetreiber entwickelt
sowie eine koordinierte Markt- und Netz-
Betriebsfhrung untersucht.
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 461-102
Sindy Schmidt B.A.
Referentin Abteilung Energie
Telefon +49 3677 461-162
www.iosb-ast.fraunhofer.de
www.regees.de
1 2
Gesamtziele des Projektes
Erschlieung der Flexibilittspotentiale von Kraftwerken fr Regelungsprozesse
Innovative Netzbetriebsfhrung unter Einbindung aller Netzebenen (horizontal-vertikale Leistungsflussoptimierung inklusive eines zuknftig mglichen Overlay-Netzes)
Netzbergreifende Nutzung aller verfgbaren Speicher-, Regel- und Flexibilittspotentiale
Beitrag erneuerbarer Energien zur Bereit-stellung von Systemdienstleistungen
Schwerpunkte
Anforderungen an den Stand-by-Kraftwerkspark
Katalog der notwendigen Vernderun-gen der regulatorischen Rahmens zur Erreichung der 100 Prozent-Integration der EE bei 50 Prozent Anteil an der Bruttostromerzeugung 2030
Optimierungs- und Simulationsmodelle fr die Markt-Netzbetriebsfhrung unter Bercksichtigung der Marktrollen und deren Verantwortlichkeiten
Katalog fr die zeitliche Bereitstellung und Verteilung der erforderlichen In-formationen zwischen den Akteuren des Marktes und des Netzes fr die Umset-zung der Markt-Netzbetriebsfhrung
Projektpartner
Fraunhofer IOSB, Institutsteil Angewand-te Systemtechnik AST (Koordination)
Fraunhofer-Institut fr Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF
Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg
Technische Universitt Ilmenau Siemens AG
REGEES ist Teil der
2
2 bersicht zu den geplanten Be-
triebsfhrungsanstzen
Energiewirtschaft_RESIDENS.pdf
I n s t I t u t s t e I l a n g e w a n d t e s y s t e m t e c h n I k a s t
RESIDENS: SmaRt-mEtERINg IN DER PRaxIS
die herausforderung
Elektronische Zhler, auch als so genannte
Smart Meter bezeichnet, werden als
technisch geeignete Lsung angesehen,
um im groen Mastab Energieeffizienz-
potenziale im Bereich von Privathaushalten
zu erschlieen. Smart Metering erlaubt
dem Endkunden dabei wesentlich
genauer als bisher, sich ber sein eigenes
Energieverbrauchsverhalten zu informieren
und ermglicht damit einen bewuteren
Umgang mit Energie. Des Weiteren knnen
mit Smart Metering flexible Tarife, beispiels-
weise lastabhngig bei monatlicher oder
vierteljhrlicher Abrechnung, eingefhrt
werden. Die mglichen Auswirkungen
auf Energieerzeuger, Dienstleister, Netzbe-
treiber und nicht zuletzt den Endkunden
sind Gegenstand des vom Thringer
Ministerium fr Bildung, Wissenschaft
und Kultur gefrderten RESIDENS-Projekts
(effizienteRe energienutzung durch
systemtechnische Integration des privaten
endabnehmers). Dabei wird ein inter-
disziplinrer Ansatz verfolgt, der sowohl
die Netzsicht als technisches System, die
energiewirtschaftlichen Beschaffungs- und
Abrechnungsprozesse als auch den
Endabnehmer als elektrischen Verbraucher
und dessen individuelle Einstellungen und
Verhaltensweisen bercksichtigt. Zentrales
Element zur Verbraucherkommunikation
ist eine interaktive Weboberflche, die
den Endabnehmer ausfhrlich ber den
aktuellen Tarif, den Gesamtverbrauch und
Verbrauchscharakteristika, etwa Vergleiche,
zum Vortag, Vormonat oder auch Vorjahr,
informiert. Angedacht ist ein Versuchsfeld
von bis zu 200 Probanden, die im Rahmen
der Projekts mit entsprechender Zhlertech-
nologie und flexiblen Tarifen im Netz der
Stadtwerke Ilmenau GmbH ausgestattet
werden.
Institutsteil angewandte systemtechnik ast
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider
Telefon +49 3677 [email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 [email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de www.residens-projekt.de
1 2
Zielstellungen
Entwurf und Umsetzung eines IT-Konzepts zur Einbindung von Smart-Metering in reale energiewirtschaftliche Verarbeitungs- und Datenaustauschpro-zesse
Optimale Einbindung der Smart-Meter-Daten in das Energiedatenmanagement und Bercksichtigung im Rahmen des Energiemanagements des Energiehan-dels
Systemtechnische Optimierung des Rckkopplungssystems unter Einbe-ziehung aller relevanten Akteure des liberalisierten Strommarkts insbesondere von Lieferanten und Endabnehmern
Konzeption und praktische Umsetzung von Optimierungsmodellen zur Bedarfssteuerung unter Bercksich-tigung fluktuierender Einspeisung mittels Endabnehmerbeeinflussung zur Minimierung der Regelenergie und Mehrmindermengen
Projektpartner
Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
Fraunhofer-Institut fr Digitale Medien-technologie IDMT
Friedrich-Schiller-Universitt Jena, Institut fr Energiewirtschaftsrecht
Stadtwerke Ilmenau GmbH Technische Universitt Ilmenau
Entwicklung und praktische Erprobung eines Betriebsmanagements zur geziel-ten Motivation der Endabnehmer unter Bercksichtigung des Energiemarkts
Entwurf und Implementierung eines Regelungskonzepts zur zeitgleichen Einbindung von Windenergie zur Strom-versorgung der Endabnehmer unter Bercksichtigung des Energiemarkts
Analyse von Zuverlssigkeit und Band-breitenanforderung beim Einsatz von Smart-Metering fr die endabnehmerori-entierte Regelenergieminimierung
Weboberflche des Smart-Meter-Clienten
Energiewirtschaft_sMobiliTy.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
sMobiliTy: INTELLIGENTES LAST- UND LADEMANAGEMENT FR ELEKTROFAHRZEUGEAufgabenstellung
Die Grundidee hinter dem Projekt Smart
Mobility in Thringen und dessen
Teilprojekt iLLMAN,geleitet durch das
AST, ist die Entwicklung einer Cloud-
basierten System- und Serviceplattform fr
Elektromobilitt.
Die neuartige Realisierung einer IKT-
Plattformkonzeption, welche existierende
Systeme ber die Verwendung einer Cloud
miteinander verbindet, wird im Rahmen
des Vorhabens durch die beispielhafte
Entwicklung moderner Applikationen fr
den Bereich Smart Car und Smart Traffic
aufgebaut und in den Feldversuchen
sMobiliTy City Erfurt und sMobiliTy
Power Management erprobt.
Ziel
Das Ziel des Teilprojektes iLLMAN
ist die Konzeption und Umsetzung
einer Softwarelsung zur Realisierung
verschiedener Anstze der Beeinflussung
von Ladevorgngen fr Elektrofahrzeuge
und Nutzung der sMobiliTy-Cloud.
Ausgehend von dem Aspekt einer
kostengnstigen Lsung erfolgt die
Erprobung unter Verwendung der
Funkrundsteuertechnik. Die Anstze
werden mittels deterministischer
sowie probabilistischer Simulationen
untersucht und im Feldtest praktisch
erprobt. Die Basis hierfr ist die Analyse,
Bewertung und Weiterentwicklung
bestehender Marktkonzepte, Methoden
der lokalen Last- und Einspeiseprognose
sowie Techniken der Optimierung zur
Netzbetriebs- und der Bilanzkreisfhrung.
Institutsteil Angewandte
Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau, Germany
Abteilung Energie:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 461-111
Dipl.-Ing. Alexander Arnoldt
Telefon +49 3677 461-183
www.iosb-ast.fraunhofer.de
martSMobili yThringen1
http://vimeo.com/75005003
Umsetzung
In Abgrenzung zum aktuellen Stand der
Wissenschaft und der bereits realisierten
Lsungen werden bei Smart Mobility
Thringen drei wesentliche neuartige
Anstze verfolgt:
Die Entwicklung einer interoperablen, herstellerunabhngigen und lsungs-offenen System- und Serviceplattform als IKT-infrastruktur zur Vernetzung und optimalen Nutzung aller fr die Elektromobilitt relevanten technischen Systeme.
Die Nutzung lokaler Verkehrsdaten zur Realisierung einer Fahrerassistenz ber ein reisezeiten- und reichweitenoptimie-rendes Navigationssystem.
Die Verwendung der verfgbaren und bereits etablierten Funkrund-steuertechnik zur Umsetzung eines EnWG-konformen gesteuerten Ladens von E-Fahrzeugen und die Ermittlung der Nutzerakzeptanz sowie der netzkriti-schen Faktoren in einem Feldversuch.
F&E-Schwerpunkte
Lokale Prognosen fr Last & Einspeisung Optimierungsmodelle zur Umsetzung
geeigneter Ladestrategien
Prototypische Umsetzung eines Last- und Lademanagements
Marktkonformer Feldversuch Simulation neue lokale Mrkte zur
Untersttzung der Netze
Untersuchungen zur Informations-redundanz fr kosteneffiziente Infrastruktur
Einfluss des Cloud-Ansatzes auf Energiewirtschaftlicher Prozess
Ausarbeitung eines Betreiberkonzeptes fr diskriminierungsfreie, zugngliche Infrastrukturen
Projektpartner
INNOMAN GmbH (Konsortialfhrer)
Bauhaus Universitt Weimar Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST
envia Mitteldeutsche Energie AG EPSa - Elektronik & Przisionsbau
Saalfeld GmbH
HKW Elektronik GmbH IMMS GmbH Landeshauptstadt Erfurt TAf mobile GmbH ACX GmbH
2
2 Betreiberkonzept mit seinen
unterschiedlichen Akteuren
und Infrastrukturen. Diese
interagieren durch die Smart
Mobility Cloud miteinander.
1 Copyright: Ingo Daute/
Fraunhofer
Energiewirtschaft_sMobilityCOM_Wirtschaftlich_Elektromobil.pdf
I N S T I T U T S T E I L A N G E W A N D T E S Y S T E M T E C H N I K A S T
sMobilityCOM - WIRTSCHAFTLICH ELEKTROMOBIL
Herausforderung
Die Branche der ambulanten Pflegedienste
eignet sich durch die hohe Zahl an
Fahrzeugen und die typischen Touren-
verlufe besonders als early adopter
fr Elektroautos. Die Unternehmen
arbeiten uerst kostensensibel, was
Herausforderung und Chance zugleich ist.
Durch den Einsatz innovativer Fahrzeuge
mit geringeren Energiekosten und einer
hheren Jahresfahrleistung wird die
Wirtschaftlichkeitsschwelle eher erreicht.
Den wirtschaftlichen und komfortablen
Einsatz von Elektrofahrzeugen hat sich das
Konsortium von sMobilityCOM zum Ziel
gesetzt.
Ziele
Im Rahmen des Projektes wird fr
elektro-mobilittsbasierte Dienstleister
ein integriertes Informations- und
Kommunikationssystem fr den Einsatz
der Fahrzeuge entwickelt. Es verknpft ein
prdiktives Flottenmanagement mit einem
prdiktiven Last- und Lademanagement.
Die Entwicklung richtet sich dabei an den
Bedrfnissen und Anforderungen von
ambulanten Pflegediensten aus, um den
Einsatz der Elektrofahrzeuge wirtschaftlich
zu gestalten. Fokus des Fraunhofer IOSB-
AST ist es, wie eine Flotte an E-Fahrzeugen
sowohl netzfreundlich als auch wirtschaft-
lich in die Niederspannungsnetze integriert
werden kann.
Fraunhofer-Institutsteil
Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Abteilung Energie:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg
Telefon +49 3677 461-111
Dipl.-Ing. Alexander Arnoldt
Telefon +49 3677 461-183
www.iosb-ast.fraunhofer.de
www.smobility.net
1
1
Optimierung fr ein prdiktives, netz-
und marktdienliches Last- und Ladema-
nagement
Der Forschungsfokus des Fraunhofer
IOSB-AST liegt auf der netz- und markt-
dienlichen Integration von E-Fahrzeugen
bzw. E-Flotten und bercksichtigt dabei
eine Vielzahl an Lsungsanstzen: Zum
einen die Ladeplanung mit Hilfe innovativer
neuer Modelle unter Bercksichtigung der
Einsatzplanung von Elektrofahrzeugen
(Mobility Ready on Demand). Zum anderen
die Reduktion der Netzanschlusskosten
innerhalb des bestehenden rechtlichen
Rahmens, welche auch eine einsatzop-
timierte Leistungssteuerung (Intelligente
Quartiere) von E-Fahrzeugen oder E-Flotten
ermglichen sollen. Weitere Aspekte sind
lokal erzeugte Erneuerbare Energien sowie
Eigenverbrauchsoptimierung. Im Rahmen
dieser Anstze werden insbesondere:
vorhandenen Verfahren zur Netzanalyse bzw. Netzkapazittsabschtzung fr die Niederspannung weiterentwickelt,
Methoden zur optimalen Betriebsfh-rung fr ein prdiktives netz- und markt-dienliches Last- und Lademanagement ausgearbeitet
sowie Flexibilitten von steuerbaren Verbrauchern ermittelt.
Ergebnisse / Feldtest
Prdiktive Restriktionsplanung Netzanalysen zur Integration heteroge-
ner EV-Flotten
Optimierung fr Last- und Objektma-nagement
Bercksichtigung von Flexibilitten Verteilte Optimierung Modellierung dezentraler Erzeu-
gungs- und Verbrauchseinrichtungen
Lokale direkte und prohabilistische Prognose
Lokale Lasten Lokale EV Lokale Einspeisung Deep Learning
Projektkonsortium
DAKO EDV-Ingenieur- und Systemhaus GmbH
envia Mitteldeutsche Energie AG Fraunhofer IOSB-AST HKW Elektronik GmbH INNOMAN GmbH (Konsortialfhrer)
Anwendungspartner
AWO AJS gGmbH Volkssolidaritt Thringen gemein-
ntzige GmbH
Lebenshilfe Erfurt Service gGmbH
2
1 Technisches Konzept des Last- und
Lademanagements
1
1
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