Bidirektionales Energiemanagement für Lasten und Kleinkraftwerke im Niederspannungsnetz - Strategie, Umsetzung und Anwendungen -

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1 Fachtagung Innovative Schritte zur Autarkie , St. Pölten, Österreich Bidirektionales Energiemanagement für Lasten und Kleinkraftwerke im Niederspannungsnetz - Strategie, Umsetzung und Anwendungen - Jan Ringelstein, Dr. Christian Bendel, David Nestle, ISET e.v. ISET e.v., Königstor 59, D Kassel, Tel.: , jringelstein@iset.uni-kassel.de 1 Forschung und Entwicklung Gründung Kassel DeMoTec Hanau 1988 als An-Institut der Universität Kassel, seit 1995 zweiter Standort in Hanau zur Energie- Systemtechnik für die Erneuerbaren Energien Personal Jahreshaushalt rund 150 Wissenschaftler, Angestellte und Studenten, entspricht einer Personalkapazität von 110 Vollzeit- Beschäftigten rund 9 Mio. Euro Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.v. Finanzierung Vorstand rund 1,5 Mio. Euro Grundfinanzierung Land Hessen sowie Projektfinanzierung Hessen, Bundesregierung, EU und Industrie Prof. Dr. Jürgen Schmid (Vors.) Prof. Dr. habil. Peter Zacharias Dr. Oliver Führer 2 1

2 Mitarbeiter/-innen der FuE-Bereiche Forschung und Entwicklung zur Energie- Systemtechnik Anlagentechnik und Leistungselektronik für die Erneuerbaren Energien Information und Energiewirtschaft Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.v. Energiewandlung und Regelungstechnik Energetische Biomassenutzung 3 Schwerpunkte 1. Istzustand und Problemstellung 2. Strategie: Konzept der dezentralen Entscheidung 3. Technische Umsetzung: Das bidirektionale Energiemanagement-Interface 5. Resümee und Ausblick 4 2

3 Stromverbrauch in Deutschland 2006 in TWh (Summe: 539,5 TWh) 74,8 44,8 8,3 16,3 253,3 Industrie Haushalte Handel u. Gewerbe Öffentl. Einrichtungen Landwirtschaft Verkehr Quelle: BMWi: Energiedaten, ,0 - ca. 50 % des deutschen Stromverbrauchs im Niederspannungsnetz - ca. 50% des Gesamtendenergiebedarfs für Prozess- und Raumwärme entfallen auf Haushalte - keine aktuelle Messung - keine aktuelle Beobachtbarkeit 1. Istzustand und Problemstellung 5 Die Dezentralisierung der Energiesysteme aus Sicht des Niederspannungsnetzes Systemgrenze 20/ 0,4 kv - steigender Anteil dezentraler Energieumwandlungsanlagen im Nieder- und Mittelspannungsnetz (NSN, MSN) - Stromverbrauch und Stromerzeugung freizügig - Leittechnik und Kommunikation nur bis zur Systemgrenze, kein aktives Management im NSN beginnende Netzprobleme EEG-Entwurf: Notabregelung von DEA über 100 kw 1. Istzustand und Problemstellung 6 3

4 Die Dezentralisierung der Energiesysteme aus Sicht des Niederspannungsnetzes Systemgrenze 20/ 0,4 kv Ziel: regenerative und dezentrale Energiequellen effizient nutzen, Abregelung vermeiden Stromverbrauch und Stromerzeugung optimal Kommunikation auch im NSN ( Smart Grid ) benötigt Energiemanagement, messtechnische Erschließung des NSN, Anreize für die Endkunden! 1. Istzustand und Problemstellung 7 Projekt DINAR: Projektteam und Konzept der dezentralen Entscheidung Konzept der dezentralen Entscheidung: - Erstmals vorgestellt Hohe Anzahl verteilter Erzeuger und Lasten kleiner Leistung - Bottom-up Ansatz - Verzicht auf direkte Fahrplanvorgaben durch Zentrale - Nutzung lokaler Intelligenz - Integrierbarkeit in liberalisiertes Marktumfeld Gefördert durch das Bundesumweltministerium 2. Strategie: Konzept der dezentralen Entscheidung 8 4

5 Konzept der dezentralen Entscheidung - Hausanschlusskasten (bisher) ist künftig und bleibt technische und juristische Systemgrenze! - dezentrale Entscheidung aufgrund zentraler und dezentraler Informationen : Bidirektionales Energiemanagement - Interface KWK Netzbetreiber Energieversorger Internetanbieter Gasnetzbetreiber 2. Strategie: Konzept der dezentralen Entscheidung 9 Funktionen und Konzepte des - zentrale Information: variable Tarifprofile - automatische Optimierung des Geräteeinsatzes durch - Nutzer erhält alle optimierungsrelevanten Informationen per PDA - Nutzerinteraktion möglich - Beobachtung Netzanschlusspunkt - Nutzung offener Kommunikationsstandards Nutzer Fahrplan- Eingriff MSI 1 ZI 3 Fahrplan-, Kosteninf. EMS 2 MMI 4 Nutzereingriff Datenfluss 1 Mess- und Steuerinterface 2 Energiemanagementsystem 3 Zählerinterface 4 Mensch-Maschine-Interface schaltbare Last schaltbare Last steuerbare Last ~ = steuerbare Erzeugung 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface 10 5

6 Projekt DINAR: -Testaufbau im DeMoTec - Labor Verbraucher Steuerbare Lampenwand Kommunikationsschnittstelle Verbra ucher Energietra nsferschnittstelle KWK-Anlagen PV-WR schaltbar Netz Trockner Gefrierschrank 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface Trockner Webbasierte Kommunikation auf Grundlage von IEC KWK-Anlagen, Lasten Schaltboxen WLAN WLAN Preisprofil Bediendisplay Last- /Erzeugungsprofilzähler (Internet / XML) Zählerdaten Netz-Messdaten WLANRouter Leitstelle Ethernet Ethernet RS-232 Rechnerkern Netzmessung/ -überwachung 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface 12 6

7 Bediendisplay des (PDA Personal Digital Assistant) Kosten Preisprofile (variable Tarife) Einsatzpläne 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface Teststand im DeMoTec-Labor: zwei Testhaushalte Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface 14 7

8 Teststand im DeMoTec Labor: KWK Anlagen mit Wärmespeichern 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface 15 Teststand im DeMoTec Labor: Ergebnisse des Feldtests - Testbetrieb von Juli-Oktober Simulation von Wärmebedarfsprofilen und ungemanageten Lasten - Preisübertragung von Städtischen Werken Kassel AG bzw. Strombörse EEX erfolgreich Gerät Kühl/Gefrier- Kombination KWK-Anlage Mögliche Abschaltdauer (Testergebnis) 5-7 h (befüllt) h Einsparung bzw. Zusatzerlös (Testergebnis) 2,50 /a (ca. 8% der Netto- Jahreskosten) 8,37 /a theoretische Einsparung bzw. Zusatzerlös (Studie der EUS GmbH) 0,47.. 2,38 /a, je nach möglicher Abschaltdauer 10 /a - Noch nicht realisierte Einsparungen und Zusatzerlöse: Energieverbrauchssenkung, Senkung der Netznutzungsentgelte, weitere Dienstleistungen 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface 16 8

9 Energiemanagement im Inselbetrieb: Dez Kommunikation: Ethernet Elektrische Leitungen Batteriestromrichter (Netzbildner) PV-Anlage (abregelbar) schaltbare Lasten Dieselaggregat (optional) Simulator kleine Windkraftanlage CAN-Bus Messwerte Rechnerkern Netzüberwachung (ISET) Frequenzmessung 3. Technische Umsetzung: das bidirektionale Energiemanagement-Interface im Umfeld des liberalisierten Energiemarktes Übertragungsnetzbetreiber Bilanzkreisverantw. Regelen. 17 Regelenergiemarkt Stundenreserve EnergieDienstleister n ge tun eis l t s g, en un -D i es g l N b V ra nun h hle Zä brec A Fe rn üb En e ma rgiena gem ent Verteilnetzbetreiber EEX Spotmarkt Zu-/Verkauf Pool- ~ ~ er wa ch un g ~ ~ = ~ Energiehandel Energiehandel Zählerfernauslesung Dienstleistung Dienstleistung 18 9

10 zum Ausgleich fluktuierender Einspeisung aus PV und Wind - Ergebnisse - Ziel: Reduktion der benötigten Leistung aus regelbaren Kraftwerken bei geringer prognostizierter Einspeisung aus PV und Wind - Simulation von 6400 mit Kühlschränken und Waschmaschinen Anteil der Arbeit aus regelbaren Kraftwerken in MWh/a 1.000,00 900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 ca. 17% Reduktion ca. 30% Reduktion mit Management ohne Management 67% 81% 104% 124% 146% 166% Möglicher Anteil von PV und Wind an der Stromlieferung 19 Energieanteile am Gesamtenergieverbrauch mit und ohne Management von Lasten und KWK-Anlagen Anteil Anteil am am Gesantenergieverbrauch Gesamtenergieverbrauch 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% -30% 19% 27% 19% 27% 35% 34% 67% 67% Überschuss Überschüssiger aus PV und Energieanteil Wind Energieanteil Energieanteil aus regelbaren aus Kraftwerken Energieanteil Energieanteil aus KWK- aus KWK- Anlagen Energieanteil Energieanteil aus PV aus und PV und Wind -17% 39% 39% 47% 47% 67% 66% 0% -20% -20% -27% -20% -27% Mit KWK- Anlagen und Mit KWK- Anlagen ohne Management Mit KWK und Mit Management KWK, ohne Management Management -6% Mit Management Mit Management -14% Ohne Management Ohne Management 20 10

11 Mögliche Energie- und Verteilnetz-Dienstleistungen Kritischere Betriebszustände Normalbetrieb Abfahren Lastgangvorgabe Spitzenlastreduktion Bereitstellung Regelleistung Gefährdeter Betrieb Störbetrieb DEA-Sicherheitsabschaltung automatische Netzüberwachung, Überwachung Versorgungszustand der Kunden Netzengpassüberwachung und - management Störungsmeldung an VNB Netzwiederaufbau Lokale Spannungshaltung und Verbesserung der Power Quality Kundeninformation über Systemzustand Fehlereingrenzung Inselnetzmodus 21 Untersuchung mittels -Simulation 22 11

12 -Reaktion auf geändertes Tarifprofil 23 Smart Metering und Hybridfahrzeuge umfasst Smart Metering -Funktionen: - Fernauslesung der Zählerinterfaces, ¼ h Erfassung Last- und Erzeugungsprofile - Anwendungen: - Feedback ermöglicht Prognose der Kundenreaktion - Aktuelle Verbrauchsinformation per PDA - Leistungsbegrenzung säumiger Kunden durch EMS möglich Einbeziehung privat genutzter Plug-in Hybrids - Hohe Anzahl elektrischer Speicher mit kleinem Speicherinhalt ~ - Management durch ist ideale Strategie - Anwendungen: - Aufladung der Hybridfahrzeuge unter Ausnutzung regenerativer Quellen - Zusatzpotenzial für Spitzenlastreduktion und Regelleistung 24 12

13 Resumee und Ausblick - Umsetzbarkeit des Konzeptes der dezentralen Entscheidung technisch und durch Simulation nachgewiesen - Markenanmeldung: - Neu: ISET-+ Automatische Optimierung mit flexibler und aktiver Einbindung des Kunden Minimierung benötigter Kommunikation durch dezentrale Entscheidung keine Online-Kommunikation Standardisierte Kommunikation keine teure Leittechnik Messtechnische Erschließung des NSN, marktkonforme Verteilnetzmanagement Schnittstelle zwischen VNB und EDL - Parallelbetrieb mit virtuellem Kraftwerk möglich - Technik von morgen erfordert neue Rahmenbedingungen 5. Resumee und Ausblick 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Jan Ringelstein ISET e.v., Königstor 59, D Kassel, Tel.: , jringelstein@iset.uni-kassel.de 26 13

14 Resumee und Ausblick ~ Windenergie Photovoltaik Biomasse Erzeugte Leistung in kw Tageszeit in Stunden 5. Resumee und Ausblick 27 14