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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)
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
Agenda
- Das sektorübergreifende Energiesystem
- Anwendungen im Energiesystem
- Weiterer Bedarf an IKT – Strukturen
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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).
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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
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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.
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
Agenda
- Das sektorübergreifende Energiesystem
- Anwendungen im Energiesystem
- Weiterer Bedarf an IKT – Strukturen
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Verknüpfung der Sektoren mit Virtuellen Kraftwerken
∑ P
Δ P
∑ P
VK
Echtzeitinformationen
Marktzugang
Smart Market Services
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
Der Vitual Heat & Power – Ready Standard
Modulare, von Herstellern unabhängige
Systeme erfordern Standardisierung,
Gremienarbeit und internationale Abstimmung.
Quelle: Industrieforum VHPready e.V.
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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
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VK - Beispielprojekte
Erneuerbares Kraftwerk der ARGE Netz GmbH
KombiKraftwerk 2
Regio:VK – Stadtwerkeunion Nordhessen
VK
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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/
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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
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Agenda
- Das sektorübergreifende Energiesystem
- Anwendungen im Energiesystem
- Weiterer Bedarf an IKT – Strukturen
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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)
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
Netzsteuerung contra Markt - Netzampelmechanismus
Bdew netzampel
Der sichere Netzbetrieb erfordert zukünftig
Mechanismen, die technische Möglichkeiten verteilter Erzeugung zu nutzen
in der Lage sind.
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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.
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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
FVEE – Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten
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