Energieinformatik Technologische Beiträge zur Energiewende. H.-Jürgen Appelrath und Sebastian Lehnhoff. Ossiacher Energy Talks 2012

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1 Energieinformatik Technologische Beiträge zur Energiewende H.-Jürgen Appelrath und Sebastian Lehnhoff Ossiacher Energy Talks 2012

2 2 Aktualisierung zu Ossiach 2011: Future Energy Grid (FEG) abrufbar unter

3 3 Vorgehen der FEG-Studie in Kapitel bis Energieszenarien Schlüsselfaktoren Technologiefelder Entwickeln der Technologiefelder Zukunftsszenarien Zuordnung von Entwicklungsschritten Logische Abhängigkeiten der Entwicklungsschritte Analyse und zeitliche Schlussfolgerungen für Migrationspfade Abbildung: acatech STUDIE Future Energy Grid, Februar 2012, S. 29

4 4 Schlüsselfaktoren und Zukunftsprojektionen SF 1 Ausbau elektr. Netzinfrastruktur SF 2 Systemweite IKT-Infrastruktur SF 3 Flexibilisierung des Verbrauchs Konventioneller Ausbau nach heutigen Regeln Keine/ geringe Lastverschiebung Insellösungen Smart Grid - orientierter Ausbau des Verteilnetzes Primär Industriekunden Ausbau des Ausbau von Verteil- europäischen und Transportnetz Verbundnetzes Plug & Play Primär Hohe Haushaltskunden Gesamtbeteiligung SF 4 Energiemix Klassisch CO 2 -neutral, planbar Regenerativ, fluktuierend SF 5 Neue Services und Produkte SF 6 Endverbraucherkosten SF 7 Interoperabilität Standardisierung SF 8 Politische Rahmenbedingungen Konservativ Basic Services Killer-Apps Hohes Niveau, geringe Volatilität Zurückhaltend, abwartend Energiekonservativ Niedriges Niveau, hohe Volatilität Proprietäre Systeme Uneinheitlich energieprogressiv Niedriges Niveau, geringe Volatilität Politisch getrieben Hohes Niveau, hohe Volatilität Marktgetrieben Konsequent energieprogressiv Szenario 20. Jahrhundert Projektionen ohne prägenden Szenario-Bezug Szenario Komplexitätsfalle Szenario Nachhaltig Wirtschaftlich Abbildung: acatech STUDIE Future Energy Grid, Februar 2012, S. 73

5 5 IKT-basierte Energiesysteme im FEG Abbildung: acatech STUDIE Future Energy Grid, Februar 2012, S. 100

6 6 Bausteine der Energieinformatik Gesamtsicht (statt Komponentenblicke) auf Energiesysteme IKT in der Energiewirtschaft Energieeffizienz Orientierungshilfen / Referenzmodelle / Architekturen / Interoperabilität / Modellbildung / Simulation / Energieeffizienz in der IKT: green IT Consulting Integration Algorithmen Unterstützung energieintensiver Prozesse mit IKT: Querschnittsthemen: Sicherheit, Rechtliches, Partizipation, IT for green bisher sehr stromlastige Betrachtung, Erweiterung auf Hybridnetze nötig ( Lehnhoff)

7 7 Orientierungshilfe für IT-Verantwortliche der Energiewirtschaft Herausforderungen Viele heterogene, sich ändernde Anforderungen (Unbundling, DER) Kosten-, Zeit- und Qualitätsdruck durch zunehmenden Wettbewerb Auswirkungen auf IT-Landschaften?: Enterprise Architecture Mgmt. (EAM) Lösungsansatz: Nutzung eines Referenzmodellkatalogs für die Energiewirtschaft IT-Standards, regulatorische Vorgaben, Referenzmodelle, unternehmensextern unternehmensintern Relevante Beschreibungen für EAM Sammlung Energie-RMK Repository Differenzierte Ontologien Semantische Integration Auswahl potentiell relevanter Informationsquellen Betroffene Bereiche der IT-Landschaft Identifikation und Projektion

8 8 Gesamtarchitektur: Interoperabilität mittels IT-Standards Integrationssicht: Seamless Integration Architecture (IEC 62357) Sicherheit, Datenmanagement, Energy Market Participants Utility Customers Utility Service Provider Other Businesses Marktintegration, Geschäftsprozesse Kommunikation Netzleitsysteme, SCADA, Apps, Network, System and Data Management ( ) End-to-end Security Standards and Recommendations ( ) CIM Extensions Inter-System / Application Profiles (CIM XML, CIM RDF) / Common Information Model (CIM) Component Interface Specification (CIS) / SIDMS SCADA Apps TC13 WG14 Revenue Meters EMS Apps RTUs or Substation Systems DMS Apps Substation Devices Market Operation Apps Devices beyond the Substation IEDs, Relays, Meters, Switchgear, CTs, VTs Engineering & Maintenance Apps Bridges to other Domains Technology mappings External IT Apps Technische Anlagen, Feldsysteme Field Devices and Systems using Web Services DERs, Meters TASE.2 Other Control Centers

9 9 Simulationsorientierte Modellbildung Lösungsraum der DER-, Netz- und IKT-Infrastruktur Vielfältige Ausprägungen von Stromnetz, DER, speichern und IKT denkbar Analyse von Lastflüssen im Netz bei Ausbau von DER / Speichern Benchmarking und Erprobung optimierter Steuerungskonzepte Lösungsansatz: Simulation mit Hilfe eines Frameworks z.b. Mosaik Modell Beschreibung Szenariodefinition Komposition & Ausführung Analyse 20 kv Control Strategy Client 400 V 400 V Configuration Results Server

10 Beiträge aus der Informatik

11 11 Power2Gas(2Power) Prozesskopplung Gaserzeugung CH 4 /H 2 Flexibilisierung hybrider Prozesse Elektrifizierung von Verdichterstationen Stromverbrauch Stromeinspeisung Gaseinspeisung Gasverbrauch Flexibilisierung hybrider Prozesse Verstromung GuD/KWK/Brennstoffzelle Virtuelle Gasspeicher

12 12 SmartGrid Techniken Im Stromnetz Konkrete Umsetzungen von Smart Grid-Optimierungsansätzen in der Energieinformatik Lastverschiebung/-flexibilisierung (DSM, V2G) Einsatzplanung durch Agententechnologien (Virtuelle Kraftwerke) Intelligenter Netzbetrieb (Maximierung der EE-Aufnahmefähigkeit) Hohe konzeptionelle Nähe zu komplementären Herausforderungen in Gasnetzen Verbindung über Power2Gas(2Power)-Prozesskette Kern: Prozessdistanzminimierung im Hybridnetz über Smart Grid- Optimierungsansätze und komplementäre Ansätze im Gassektor

13 13 Prozessdistanzminimierung: Lastverschiebung Im Hybridnetz Lastverschiebung/-flexibilisierung von Gasverbrauchern: Reduktion von Ein-/Ausspeicherprozessen durch einspeisungsbasierte Verbrauchersteuerung Lastverschiebung hybrider Verbraucher: Umschaltbare Kompressoren (Wärme-/Kälteerzeugung) Netzbetriebsmittel (Verdichter) Industrielle Prozesse (z.b. thermische Schmelzprozesse) Mobilität (Hybridantrieb Elektro/Gas) Beispielfragestellung: Algorithmen zur automatischen Umstellung von bivalenten Verbrauchern in Abhängigkeit einer Einspeiseprognose

14 14 Smart Grid Techniken Im Stromnetz Konkrete Umsetzungen von Smart Grid-Optimierungsansätzen in der Energieinformatik Lastverschiebung/-flexibilisierung (DSM, V2G) Einsatzplanung durch Agententechnologien (Virtuelle Kraftwerke) Intelligenter Netzbetrieb (Maximierung der EE-Aufnahmefähigkeit) Hohe konzeptionelle Nähe zu komplementären Herausforderungen in Gasnetzen Verbindung über Power2Gas(2Power)-Prozesskette Kern: Prozessdistanzminimierung im Hybridnetz über Smart Grid- Optimierungsansätze und komplementäre Ansätze im Gassektor

15 15 Prozessdistanzminimierung: Einsatzplanung mit Agenten Im Hybridnetz Agentenbasierte Ansätze zu Virtuellen Kraftwerken mit fahrplanbasierter Einsatzplanung Vergleichbare Einsatzfelder im Gassektor: Virtuelle Gasspeicher Speicher stellen das wesentliche Instrument dar zur Energieportfoliooptimierung und Bezugsoptimierung Marktplattform für Gasspeicherkapazitäten: Europe s Trading Platform for Natural Gas Storage Capacities Gasspeicherzugang bislang nicht reguliert Virtuelle Gasspeicher für Großkunden und Gaslieferanten Beispielfragestellung: Wie kann man agentenbasierte Ansätze Virtueller Kraftwerke auf die Marktintegration Virtueller Gasspeicher übertragen? Wesentlich: Berücksichtigung der Dynamik von Anlagenpool und -verhalten zur optimierten Nutzung variabler Verträge

16 16 Smart Grid Techniken Im Stromnetz Konkrete Umsetzungen von Smart Grid-Optimierungsansätzen in der Energieinformatik Lastverschiebung/-flexibilisierung (DSM, V2G) Einsatzplanung durch Agententechnologien (Virtuelle Kraftwerke) Intelligenter Netzbetrieb (Maximierung der EE-Aufnahmefähigkeit) Hohe konzeptionelle Nähe zu komplementären Herausforderungen in Gasnetzen Verbindung über Power2Gas(2Power)-Prozesskette Kern: Prozessdistanzminimierung im Hybridnetz über Smart Grid- Optimierungsansätze und komplementäre Ansätze im Gassektor

17 17 Prozessdistanzminimierung: Intelligenter Netzbetrieb Im Hybridnetz Neue Input- und Stellgrößen im Gasnetzbetrieb Einspeisung auf unteren Druckebenen möglich Messung der Gasqualität (H 2, Kohlenwasserstoffe) Speicherkapazität des Netzes ( Line Packing ) Erhaltung relevanter Betriebsgrößen Brennwert (Druck, Volumenstrom) in einem zulässigen Bereich Analogie zum geführten el. Netzbetrieb Netzanschlussvertrag, Gasnetzzugangsverordnung Beispielfragestellung: Smarte Verdichtersteuerung in Abhängigkeit von Einspeisungen auf mehreren Druckebenen Wesentlich: Kontinuierliche (zeitlich/räumliche) Beobachtung der Gasqualität

18 18 Fazit Der Betrieb eines Hybridnetzes erfolgt Stromnetz-geführt Optimierung über den Ansatz einer IKT-gestützten Prozessschrittminimierung möglich Das Gesamtsystem hat im Vergleich zum Smart Grid ein nochmals drastisch gesteigerte Komplexität Strom-, Gas- und Fernwärmenetze, Versorgungsnetze für Kraftstoffe Die Betriebsführung ist nur über verteilte IKT-Ansätze möglich Planung/Optimierung erfordert regionalisierte Ansätze Migrationspfade müssen frühzeitig aufgezeigt werden Es bedarf systemisch wirkender Förderanreize

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