Sicher in die Energiezukunft mit dezentralen Energiesystemen

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1 Folie 1 Sicher in die Energiezukunft mit dezentralen Energiesystemen Prof. Gerd Heilscher Smart Grids Forschungsgruppe Hochschule Ulm Viktor Kaplan-Lecture Wien

2 Seite 2 Smart Grids Forschungsgruppe Ulm Hochschule Ulm 4000 Studierende Institut für Energie- und Antriebstechnik 12 Professoren 35 MitarbeiterInnen 1500 qm Laborfläche Energie- Meteorologie Energie- Wirtschaft Netzanalyse, -Planung, -Betrieb Smart Grids Forschungsgruppe 10 MitarbeiterInnen 6 Doktoranden 4 Fachgebiete Energie- Informatik Bildquellen: eigene Arbeiten, links unten : BSI, TR Seite 14

3 Seite 3 Agenda Blaupause Energiewende zentral => dezentral Baustellen Dezentrale Energiesysteme Digitalisierung Resilienz Umweltverträglichkeit Bildquelle:C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

4 Seite 4 Blaupause Energiewende C/sells Terminmarkt langfristiger Stromgroßhandel Spotmarkt kurzfristiger Stromgroßhandel Systemdienstleistungsmarkt übertragungsnetzdienlich verteilnetzdienlich Aggregator virtuelles Kraftwerk OTC lokaler Energieaustausch ÜNB Regelzonenstabilität Abstimmungskaskade VNB regionale Netzzellen CLS-Mgt Prüfen/Messen/Steuern Gateway-Admin Zugriffe auf imsys regeln HS MS/NS Kernkraft Kohle, Gas, Staudinger Großkrotzenburg imsys imsys Prosumer Speicher C/sells C/sells Wasserkraft Neckarwestheim Philippsburg Gundremmingen imsys imsys imsys Wasserkraft PV, Wind Last Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

5 Seite 5 Herausforderung Energiewende C/sells Terminmarkt langfristiger Stromgroßhandel Spotmarkt kurzfristiger Stromgroßhandel Systemdienstleistungsmarkt übertragungsnetzdienlich verteilnetzdienlich Aggregator virtuelles Kraftwerk OTC lokaler Energieaustausch ÜNB Regelzonenstabilität Abstimmungs - kaskade VNB regionale Netzzellen CLS-Mgt Prüfen/Messen/Steuern Gateway-Admin Zugriffe auf imsys regeln HS MS/NS Kernkraft Kohle, Gas, Wasserkraft imsys imsys imsys Prosumer Speicher Wasserkraft C/sells imsys imsys PV, Wind Last Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

6 Seite 6 C/sells zelluläre Netze Projektüberblick - Ziele 50 Partner Transportnetze 9 Partizipation 30 Mio Einwohner Regionale Netze mit hohem Anteil EE 35 Demozellen Prosumer Städtische Netze und Lastzentren 2000 Steuerbare Lasten 100 Mio Projektvolumen Partizipations-/Quartiermodelle und neue Dienste 50 Mio Förderung Das Energiesystem der Zukunft im Sonnenbogen Süddeutschlands Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

7 Seite 7 Agenda Blaupause Energiewende Dezentrale Energiesysteme Reallabore Ulm Zelluläre Netze Flexibilität Digitalisierung Resilienz Bildquelle: Bilder 2018 Google, Kartendaten 2018 GeoBasis-DE/BKG ( 2009),Google

8 Seite 8 Seite 8 Smart-Grids Forschungsgruppe Hochschule Ulm, Stadtwerke Ulm, Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm Ulm/Neu-Ulm Netze GmbH Netze GmbH Blick in das Reallabor... an einem wolkigen Tag Einsingen Hittistetten Ausblick 21 PV-Anlagen 100 % PV 48 PV-Anlagen 136 Hausanschlüsse 110 Hausanschlüsse x4 Solareinspeisung: 2-3 x Energiebedarf 4-10 x Lastspitze Abhängig von Modultechnologie Auswirkung Netz: Trafobelastung Kabelbelastung Spannungsbänder 23 % PV Anteil am Strombedarf 100 % PV Anteil am Strombedarf Projekt ORPHEUS: gefördert durch EU-FP7-ICT-Smart Citys

9 Reallabor Hittistetten Last und PV-Einspeisung HEUTE Seite 9 Last > PV PV > Last (heute) PV(100%) > Last Projekt NATHAN-PV: gefördert durch BMBF FH-PROFUNT-Programm

10 Seite 10 Reallabor Hittistetten Last und PV-Einspeisung ZUKUNFT Last > PV PV > Last (heute) PV(100%) > Last Projekt NATHAN-PV: gefördert durch BMBF FH-PROFUNT-Programm

11 Seite 11 Netzzustand- ampel Netzzustandampel Netzzustandampel Zelluläre Netze Abstimmungskaskade - Zellkommunikation Netzzustandampel Kaskaden- Process Netzzellen Assets Legende one to many Aggreagation Idententische Datenmodelle 1 m 1 m 1 m ampel Netzzustand- Zelle HöS Netz 1 m Zelle HS Netz 1 m Zelle HS Station 1 m Zelle MS Strang 1 m Zelle NS Netz Flexibiltät Grid Asset Flexibiltät Grid Asset Flexibiltät Grid Asset Flexibiltät Grid Asset Flexibiltät Grid Asset Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

12 Seite 12 Nachbarzelle Zelluläre Netze Herausforderung Markt Energie(Dienstleistungen) Information Austausch mit anderen Zellen nach dem Subsidiaritätsprinzip Cell weitgehend autonome Entscheidungen innerhalb einer Zelle zur Erfüllung der Zellaufgaben sells Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

13 Seite 13 Zelluläre Netze Arbeitsfelder C/sells 5500 Prosumer Zell- Information (statisch, dynamisch) Abstimmungskaskade VNB-ÜNB Datenarchitektur (SGAM) Datenmodelle (CIM) Plug&Play (IEC61850) Netzzustand bestimmen 50 e-laden 528 NS-Zellen Steuerung Regelung Handel Energieinformationsnetz Controllable Local Systems intelligentemesssysteme Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

14 Seite 14 Zelluläre Netze Flexibilitäten definieren und einsetzen Flexibilitäten-Kataster Statische Informationen Standort, Inbetriebnahmedatum, Technische Kennwerte, Zellenzugehörigkeit, Netztopologie Sporadische Informationen Betriebszustand, Statuszustände, Kommunikation Lastprofile, Last- /Erzeugungsprognosen Zyklische Informationen Einspeise-/Lastverläufe, Speicher-/Ladestände, Projekt C/sells: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

15 Seite 15 Agenda Blaupause Energiewende Dezentrale Energiesysteme Digitalisierung Beobachtbarkeit Steuerung Standards Resilienz Bildquelle: Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, TR-03109, Seite 14.

16 Seite 16 Digitalisierung in der Musik 40 Jahre persönliche Erfahrungen Digitalisierung in der Musik Bildquellen: Musikkasette: Wikipedia, Lizenz CC BY-SA 3.0, CD: Cover Columbia Records, Santana Abraxas von Martin Klarwein, Logo Spotify, Ipod: Anton Schubert (de:benutzer:anschub) - Taken and uploaded on de:wp by, GPL,

17 Seite 17 Digitalisierung der Energiewende Sicheres Energie-Informationsnetz Systemarchitektur für das Smart Meter Gateway Controlable Local Systems (CLS) befinden sich noch in der Definition und steuern: Solareinspeiser KWKs E-Ladesäulen Flexible Lasten LMN (Local Metrological Network) WAN (Wide Area Network) HAN (Home Area Network) Bildquelle: D. Laupichler, Cyber-Sicherheit für die Digitalisierung der Energiewende, BSI-Forum , Seite 40, Bonn.

18 Folie 18 Digitalisierung Anwendungen für das CLS-Modul Abgesicherte Abfrage von Messwerten und Steuerung von energietechnischen Anlagen CLS-Modul stellt über das CLS-Center eine sichere verschlüsselte Verbindung zur Verfügung Verbindung der Backendsystem mit dem CLS Center Integration von CLS-Modulen in eine Smart Meter Infrastruktur Smart Meter Gateway überwacht Zugang zum CLS-Modul und stellt TLS verschlüsselte Verbindung mit CLS-Center her Zwischen CLS-Modul zusätzliche End to End Verschlüsselung der Daten Projekt CLS-APP-BW: gefördert durch Land Baden Württemberg

19 Seite 19 CLS Management IEC Digitalisierung Beobachtbarkeit & Steuerung dezentraler Systeme Netzbetreiber Direktvermarkter Betriebsführer - Dienste IEC CLS Komp. Solarstrom CLS Komp. Speicher Controllable Local System e-tanken CLS Komp. Power to Heat Projekt CLS-APP-BW: gefördert durch Land Baden Württemberg

20 Seite 20 Digitalisierung Kommunikation & Steuerung Status & Outlook Technical Operation Economic Operation Distribution Control Future DER Market Ancillary Services Fit and forget Get out of the way Stay on Information needs Power Energy Voltage. Curtailment Parameter adaption Plug and Play Static Data Cellular aproach Based on decentr. energy systems Projekt IEA-PVPS: gefördert durch BMWI, SINTEG-Programm

21 CIM IEC 61970/61968 Information CIM CIM CIM Digitalisierung Standards für Verteilnetzbetreiber MS NS Netzelemente GIS- System OK? Common Netzberechnung Kennwerte Asset- Managmt. OK? Modell Open Interface Schaltzustand Leittechnik OK? Zählerwerte EDM OK? Projekt ESOSEG: gefördert durch BMWI, Programm Intelligente Stromnetze

22 Seite 22 Agenda Blaupause Energiewende Dezentrale Energiesysteme Digitalisierung Resilienz fail-safe safe to fail Systemarchitektur Cybersecurity Bildquelle: Verlag blanvalet, Marc Elsberg, Blackout ISBN:

23 Seite 23 Resilienz Robustes Stromnetz Robustes Stromnetz Prinzip FAIL-SAFE Hohe Redundanz Hohe Reserven in der Auslegung N-1 Prinzip Resilientes Stromnetz Prinzip SAFE TO FAIL Reaktion auf unvorhergesehene Störungen Funktionswiederherstellung nach Ausfall Selbstorganisation Dezentrale Systeme, Speicher und Flexibilität nutzen Bildquelle: Bitkom, Diskussionspapier Ausallsicherheit des Energieversorgungssystems von der Robustheit zur Resilienz,

24 Seite 24 Resilienz Systemarchitektur Systemarchitektur Modular Selbständige Zellen Klar strukturierte Systemarchitektur Abhängigkeit IKT Energie Organisatorische Maßnahmen Zutrittskontrollen Gefahrenbewußtsein bei Mitarbeitern Rollenmodelle Informations-Sicherheits-Management- System (ISO 27001) Bildquelle: Bitkom, Diskussionspapier Ausallsicherheit des Energieversorgungssystems von der Robustheit zur Resilienz,

25 Seite 25 Schlussbemerkung Bürger einbeziehen Sonnenstudio Friseurstudio Küchenstudio Autostudio ENERGIESTUDIO Bildquelle: Möbel Kraft, _rote-Kueche-Nolte-Alpha-Lack-01.jpg,

26 Seite 26 Kontakt Smart-Grids-Forschungsgruppe Ulm Prof. Gerd Heilscher Hochschule Ulm - University of Applied Sciences Institut für Energie- und Antriebstechnik Eberhard Finckh Str Ulm Tel Mobil: heilscher@hs-ulm.de; Sekretariat: Sabine Hofbauer Tel hofbauer@hs-ulm.de; Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm Netze GmbH Florian Meier Karlstraße Ulm florian.meier@ulm-netze.de