Netzintegration von Dezentralen Erzeugern im Smart Grid der Zukunft

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1 Netzintegration von Dezentralen Erzeugern im Smart Grid der Zukunft Dezentrale Erzeuger, Verbraucher und Speicher als Basisfunktionalität von Smart Grids Dr.-Ing Christof Wittwer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 6. Solartagung Rheinland-Pfalz Umwelt-Campus Birkenfeld, 09. September 2010

2 Fraunhofer ISE Geschäftsfelder Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Solarthermie Silicium-Photovoltaik Alternative Photovoltaik-Technologien Regenerative Stromerzeugung Wasserstofftechnologie

3 Marktbereich Intelligente Energiesysteme Forschungs-, Entwicklungs- und Beratungsaktivitäten Intelligente Energiesysteme Ökonomie und Systemintegration Energie-Gateways und Elektromobilität Energiemanagement und Netze Nutzerverhalten und Feldtests Ökonomie und Systemintegration: Analysen, Studien und Beratung in den Bereichen Energiewirtschaft, -recht und -politik, Geschäftsmodelle und Betriebsführungsstrategien Energiemanagement und Netze: Elektrische und thermische Energiesysteme im Verteilnetz, Modellbildung und Simulation von Netzen und Energiesystemen, Optimierung, Micro Grids, Smart Energy Lab Energie-Gateways und Elektromobilität: Software- und Hardwareentwicklung, Embedded Systems, Smart Metering-Prototypen, Kommunikationstechnik Nutzerverhalten und Feldtests: Verhaltenswissenschaften, sozioökonomische Begeleitforschung, Feedback, Statistik und Stochastik

4 Strukturwandel der Energienetze Steigender Anteil Erneuerbarer Energien Leitszenario 2009, Bruttostromerzeugung bis zum Jahre 2050 EEG (neu): EE bis 2020 auf mindestens 30 % erhöhen KWKG (neu): KWK auf 25 % Netzlast in Deutschland liegt zwischen 40 und 80 GW (2005)

5 Strukturwandel der Energienetze Neue Anforderungen auf dem Energiemarkt Herausforderung Effizienzsteigerung und Einsparung Integration dezentraler und fluktuierender Erzeugung in das Gesamtsystem der Energieversorgung Intelligente Abstimmung von Verbrauch und Erzeugung (z. B. durch flexible Tarifsysteme auch für die dezentrale Erzeugung aus der Novellierung des KWKG) Wandel der Stromnetze in das sog.»smart Grid«

6 Strukturwandel der Energienetze Energienetz der Zukunft: Rekommunalisierung

7 Strukturwandel der Energienetze Rekommunalisierung von Netzen Erzeugung findet zunehmend im Verteilnetz statt Integration von erneuerbaren Energien erfolgt maßgeblich in der Verteilnetzebene Verteilnetzbetreiber müssen zunehmend den intelligenten Netzbetrieb koordinieren (Rekommunalisierung) In dieser Ebene entstehen Synergien für Strom- und Wärmeerzeugung, z. B. im Nah- und Fernwärmebereich

8 Strukturwandel der Energienetze Was ist ein Smart Grid? Umgestaltung der Stromverteilnetze von der zentralen Struktur zu einer Mischung aus zentraler und dezentraler Erzeugung und Einspeisung Geschickte Stromerzeugung, intelligent ausgelegte Transportwege und ein cleveres Lastmanagement Intelligente, automatisierte Netzbetriebsführung und Netzwartung Vision einer»smarten«infrastruktur mit hoher Anpassungsfähigkeit an sich wandelnde Anforderungen

9 Strukturwandel der Energienetze Energie- und Netzmanagement Import/Export Operation 400 V 110 / 220 / 380 kv 10 / 20 kv Herausforderungen: Integration dezentraler Erzeugung (. usw Einfluss fluktuierender Erzeuger (Wind, PV Integration gekoppelter thermisch-elektrischer ( BHKW ) Systeme Netzstabilität (z.b. Auslastung von Netzleitungen bei hoher Einspeisung aus ( Photovoltaik Einbeziehung von Verbrauchern als»aktive«( Tarife Partner (zum Beispiel über dynamische Ausnutzung der neuen Möglichkeiten der Kommunikationtechnik (Beispiel: Monitoring und Betriebsführung auch kleinerer dezentraler ( möglich Lasten und Erzeuger wird

10 Strukturwandel der Energienetze Netzausbaukosten

11 Elemente der Smart Grids Management in Verteilnetzen Energiemanagementund Betriebsführungssysteme zur Integration dezentraler Erzeuger, Speicher und Lasten Software und Hardware für Steuersysteme Virtuelle Kraftwerksverbünde Intelligente Laststeuerung (»Demand Side Management«) Netzdienstleistungen Smart Metering-Systeme Leitzentrale PV + Last Last Management Brennstoffzelle Vorhersagen Betrieb BHKW 10 kv 400 V Batterie

12 Elemente der Smart Grids Energie- und Netzmanagement Direkte Steuerung vs. Tarifanreizsteuerung Intelligentes Energiemanagementsystem PoMS Optimierte Betriebsführung verteilter Komponenten im Verteilnetz erlaubt optimierten Betrieb Flexible Optimierungskriterien: ökonomisch, ökologisch, technisch) Steuerung PIB PIB: PoMS Interface Box PCU Prognose PCU PCU: PoMS Central Unit 20 kv 400 V PV + Last Last BZ Industrie BHKW Batterie

13 Elemente der Smart Grids Energie- und Netzmanagement Prognosen von Last und Erzeugung Berücksichtigung von Bezugskosten und Einspeisungsvergütung Definition der Gütekriterien Optimierungsverfahren zur Fahrplanerstellung

14 Smart Grid Pilot DEMAX Optimierung der Netzbetriebsführung z. B. Kostenoptimierung im Betrieb der BHKWs?

15 Smart Grid Pilot DEMAX Flexible Einspeisetarife SOC c el (t)

16 Elemente der Smart Grids Energie- und Netzmanagement Intelligente vernetzte Systeme Internet-integrierbare Embedded Systems mit frei programmierbaren Regelungssystemen Systemintegration durch Gateway-funktionalität Einsatz auch für skalierbare Monitoringsysteme/ Effizienzkontroll-systeme

17 Elemente der Smart Grids Basistechnologie Smart Metering Bidirektionale Kommunikation Transparenter Energieverbrauch und Kosten Webbasierte Tarifwahl und Lieferantenwechsel Multi-Metering und Mehrwertdienste Kundenspezifische Tarife Intelligente Geräte und Anlagen Integration von dezentralen Erzeugern ins Netzmanagement

18 Basistechnologie zur Integration Erneuerbarer Energie Kommunikationstechniken für Energiesysteme Erzeuger DSL GSM Exklusive Kommunikationsinfrastruktur pro System (Telefonmodem, GSM, ISDN, DSL) bisher ausschließlich proprietäre Kommunikationsprotokolle Verbraucher Regler Power -line Herausforderungen: Datensicherheit Integrales Kommunikationskonzept Standardisierung

19 Basistechnologie zur Integration Erneuerbarer Energie Kommunikationsstandards IEC Kommunikationsprotokoll für Betriebsführung dezentraler Erzeuger - großer Protokoll-Overhead, daher Verwendung nicht ausschließlich für Smart Metering Smart Metering Language (SML) + Kommunikationsprotokoll für Smart Metering - nicht geeignet für Steuerungsaufgaben Virtual Privat Network (VPN) + direkte Punkt zu Punkt Verbindung + hohe Sicherheit gegen Manipulation

20 IKT-Gateway als offene Systemlösung Kommunikationsschnittstellen in Gebäuden LAN, PLC, ZigBee Secondary communication, customer display Local interface Messung Controller Kommunikation Kommunikation Kommunikation Tertiary communication to external server SML-DLMS, ASCII (IP/VPN) Messen Schalten Messen Kommunikation Primary communication MBus, ZigBee, OBIS

21 IKT-Gateway als offene Systemlösung MUC-Controller Vorteile: Zähler darf dumm sein Keine unnötige Redundanz Gateway kann auch Smart Grid Funktionalitäten Übernehmen Schwierigkeiten: Standardisierung von Kommunikationsschnittstellen und Funktionalitäten (z.b. Tarifierung) Eichrecht Verschiedene physikalische Gegebenheiten im Gebäude Sehr viele Akteure mit unterschiedlichen Interessen Local Area Network Primary Communication Gateway/ MUC-Controller Wide Area Network Tertiary Communication Abrufserver

22 Smart Grid Pilot DEMAX Intelligente Vernetzung mit dem DEMAX-Konzept BMWi gefördertes InnoNet-Projekt Partner: Görlitz, Senertec, EWS, SSV- Embedded, Steinbeis, inpower IKT Konzepte: Smart Grids, Smart Metering, Smart Home, Standardisierung; MUC Wireless Mbus etc IT Systemintegration Modellbasiertes Energiemanagement, fokussiert auf verteilte Erzeuger, Konsumenten, BHKWs und Speicher Tarifbasierte Anreizsysteme Dienstleistungen einer direkten Kommerzialisierung

23 Smart Grid Pilot DEMAX Struktur des Kommunikationsnetzwerks

24 Elektromobilität Netzintegration von Elektrofahrzeugen (V2G)

25 Elektromobilität Optimierung von Energieflüssen

26 Elektrofahrzeugen Betankung von E-Fahrzeugen mit erneuerbaren Energien

27 Intelligentes Lademanagement von E-Fahrzeugen Be- und Entladung mit Tarifen Parameter Verbrauch 0.2 kwh/km Batterie 20 kwh P max 3.5 kw

28 Smart Energy Lab Intelligente vernetzte Erzeuger, Speicher und Lasten im Privathaushalt Labortechnische Abbildung aller Energieflüsse mit flexibler Szenarienwahl Plattform für die Analyse, Bewertung und Entwicklung von Smart Homes und Smart Grid-Lösungen im Verteilnetz Ausstattung: KWK, Wärmespeicher, PV-Simulator, PV-Wechselrichter, Inselwechselrichter, elektrische Speicher, Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge, moderne Informations- und Kommunikationstechnologien

29 Smart Energy Lab Dienstleistungen Integrationsbewertung thermischer und elektrischer Anlagen im System für Entwickler und Betreiber von elektrischen und thermischen Kleinerzeugungsanlagen (PV, KWK, Wärmepumpen, ), Lasten (z. B. Waschmaschinen, Geschirrspühler) und Speichern für Privathaushalte Funktions- und Kommunikationstests von Energiemanagementsystemen: Smart Metering-Systemen im Multispartenbereich und intelligente Energie-Gateways (»Kunden- Boxen«). Testen und bewerten der von mobilen Zähl- und Abrechnungssysteme Effizienzbewertung von Energiemanagement und Erzeugungsanlagen: Langzeittests von Energiemanagementgeräten nach Energieeffizienzkriterien, Eigenstromnutzung

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