Christian Wakolbinger, Dipl.-Ing. Lothar Fickert Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ernst Schmautzer, Dipl.-Ing. Dr. Helmut Malleck, Dipl.-Ing. Dr.

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1 Dependency of the ICT-Sector from the Electrical Energy Supply and mitigating potential of Smart Grids Christian Wakolbinger, Dipl.-Ing. Lothar Fickert Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ernst Schmautzer, Dipl.-Ing. Dr. Helmut Malleck, Dipl.-Ing. Dr. Technische Universität Graz Institut 1

2 Übersicht Status Quo und Herausforderungen IKT-Befragung Zusammenführung von IKT- und Energieversorgungs-Netz Beispiel ( Orkan Paula ) Smart Meter Spezifikationen Warum Smart Grids? Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Blackouts bei öffentlicher Stromversorgung und IKT-Betrieb Unsere Gesellschaft stützt sich im Privat- und Geschäftsbereich immer mehr auf funktionsfähige IKT-Dienste Dienste. In Sonder- und Notsituationen kommen der Sprachkommunikation über Mobilnetze, aber auch im Festnetz, überragende Bedeutung zu. Alle IKT-Lösungen benötigen eine gesicherte Stromversorgung. Länger andauernde Totalausfälle der Stromversorgung führen binnen kurzer Zeit zu einem IKT-Zusammenbruch. Bei Notfällen kann weder Rat noch Hilfe von Blaulichtorganisationen eingeholt werden. Dramatische Situationen - auch unmittelbar nach stabiler Wiederkehr der Stromversorgung - sind absehbar. 3

4 Status Quo Herausforderung: Zusammenbruch des Energieversorgungssystems Eingeschränkte Möglichkeit zum Betrieb von kleinen Inseln im Energieversorgungssystem Große Erzeugungseinheiten und/oder ein Hochspannungstransport - Versorgungsnetz zum Hochfahren des Energieversorgungsnetzes 4

5 Status Quo Beeinträchtigte t kritische Infrastruktur Notruf Mobilfunk Festnetz Wasserversorgungssystem Heizsysteme Alarmanlagen Öffentliche Beleuchtung etc. 5

6 Befragung Wie stark glauben Sie, ist die IKT-Infrastruktur vom öffentlichen Stromnetz abhängig? eil in % Ant Einschätzung der allgemeinen IKT 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0 % 0 % Nicht 9 % 27 % 64 % teil in % Ant Einschätzung der firmen-internen IKT 35,0 % 30,0 % 25,0 % 20,0 % 15,0 % 10,0 % 5,0 % 0,0 % 26,7 % 26,7 % 26,7 % 6,7 % 13,3 % Sehr Wenig Stark Sehr Nicht Sehr Wenig Stark Sehr wenig stark wenig stark Anteil in % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Verteilung der Medien zur Kontaktaufnahme 44 % 49 % 0 % 6 % 1 % 6

7 Trend Weg von Festnetz hin zu Mobilfunk % Anteil der Haushalte in , , Festnetz t in % Mobiltelefon in % Trend Festnetz Trend Mobilfunk Warum genauere Betrachtung des Mobilfunks? Trend hin zu Mobilfunk Hohe Durchdringung in der Bevölkerung Wird von der Bevölkerung als Notkommunikationsmittel gesehen 7

8 IKT-Netztopologie Ohne SV 8

9 Zusammenführung von IKT- und Stromversorgungszellen Allgemeine Betrachtung Worst Case Betrachtung an den Grenzen der MS-Versorgungszellen 9

10 Szenario, mögliche Lösung und Herausforderungen Szenario Ausfall des übergeordneten Netzes Intakte dezentrale Erzeuger Nicht genügend Erzeugungsleistung von dezentralen Erzeugern Lösung Routing der el. Energie mit Hilfe von Smart Metern und Herausforderungen Lasten Quelle: DI-Arbeit Wakolbinger Blindleistungs-Management Inselverhalten Inrush-Effekt 10

11 Aufbau des Energieversorgungsnetzes im ländlichen Raum HS DE DE DE Komp. MS DE DE DE DE DE DE Quelle: DI-Arbeit Wakolbinger DE Dezentrale Erzeugungseinheit HS Hochspannung MS Mittelspannung Komp. Kompensation Spule 11

12 Institut Orkan Paula Quelle: DI-Arbeit Wakolbinger Graz, 10.Horst Februar 2010 Professor Cerjak,

13 Blackouts bei öffentlicher Stromversorgung und IKT-Betrieb Smart Meter System Aufbau des AMIS-Systems von Siemens Quelle: Siemens AG Österreich Quelle: Siemens AG Österreich 13

14 Spezifikationen für leistungsstarke Smart Meter Zählertypen für 1-(, 2-) und 3- Phasen Hausnetze Messung von Wirkleistung, -energie, Blindleistung, -energie, Spannung, Strom, Leistungsfaktor, Energieflussrichtung (Bezug oder Einspeisung) und softwaretechnische Weiterverarbeitung (Analyse der Energiequalität - Power Quality Monitoring (PQM) -) Fern-Ablesung, -Steuerung und -Diagnose über Power Line Communication (PLC) oder Funk Diverse lokale Datenschnittstellen wie IR, USB, LAN, Display etc. zum Auslesen der Messdaten Kommunikation mit anderen Geräten im Haus wie eine Direktansteuerung über S0-Impulsausgang (nach DIN 43864), Bussysteme wie USB oder LAN Kommunikation mit anderen Smart Metern im Netz um z.b. ein Smart Micro Grid erzeugen zu können Interne Uhr mit Synchronisierung i über PLC oder ähnliches h Lastunterbrechung mit bistabiler verbrauchsarmer Abschalteinrichtung Leistungsbegrenzung g g mit Lastunterbrechung bei konfigurierbarer Leistungsbegrenzung g g (für Notbetrieb von Netzen, bei begrenzt vorhandenen Erzeugungsleistungen) Externes Lastschaltgerät zum direkten Schalten von Lasten (Warmwasserboiler etc.) Manipulationserkennung mit Alarm 14

15 Warum Smart Grids? Schwierigkeit bei Aussagen zu Future Networks sind Ungewissheiten in der Zusammensetzung der Primärenergie,... in den vom liberalisierten Markt bedingten Energieströmen,... in der momentanen Leistungserbringung vieler erneuerbarer Energiequellen. Strategie e zur Bewältigung g von Ungewissheiten e ist, Flexibilität und Robustheit in die Netze einzubauen durch Forschung und Entwicklung von Smart Grids. Quelle: Ch. Sasse Electricity Networks of the Future (IEEE 2006) 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Stromnetze e können länger ausfallen. a IKT-Abhängigkeiten von der Stromversorgung bleiben bestehen. Ohne IKT werden Notsituationen zur Krise. Batterien, unterbrechungsfreie Stromversorgungen,... werden zu einem nachhaltigen Geschäft. Intelligente Stromnetze, angepasst an IKT-Erfordernisse in Notfällen, sollten für das kommende Jahrzehnt zum Ziel werden. 16

17 Dependency of the ICT-Sector from the Electrical Energy Supply and mitigating potential of Smart Grids Technische Universität Graz Institut Inffeldgasse 18-I /A-8010 Graz Tel. :++43/(0)316 / Fax.:++43/(0)316 / overron@sbox.tugraz.at t t t Christian Wakolbinger, Dipl.-Ing. Lothar Fickert Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ernst Schmautzer, Dipl.-Ing. Dr. Helmut Malleck, Dipl.-Ing. Dr. 17

18 Reserve 18

19 Parallel Resonanz 19

20 Elektrizitätsversorgungs-Netztoplolgie 20