Vom klassischen Energieversorgungsnetz
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- Christina Hertz
- vor 8 Jahren
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Transkript
1 Vom klassischen Energieversorgungsnetz zum Smart Grid Ingo Wolff Vorsitzender der ITG im VDE IMST GmbH Kamp-Lintfort 1
2 Übersicht Das klassische Energieversorgungsnetz Erste Schritte, um Informations- und Kommunikationstechnik t im Energienetz einzuführen Verteilte Energiequellen im Netz und ihre Auswirkungen Das Europäische Modell für ein intelligentes Energieversorgungsnetz Neue Energieübertragungsnetze und Energiespeicher Die lokale Architektur des intelligenten Energieverteilnetzes Das generische Modell eines Energieinformationsnetzes Das Konzept des Smart Home Elektrische Fahrzeuge als kontrollierbare Last in lokalen Netzwerken? Das Gateway als ein Datenübertragungs- und Sicherheitssystem 2
3 Historische Entwicklung des Energieversorgungsnetzes 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert Zentralisierte Energieversorgungssysteme Dezentralisierte i t Energieversorgungssysteme Mehr große Kraftwerke mit größerer Effizienz und Zuverlässigkeit Energieverteilnetze und Frequenzkontrolle stabilisieren das Netz Kleine Energieerzeugungsanlagen führen (wieder) zu mehr Dezentralisierung i Smart Grid Lokale Energieversorgungssysteme, betrieben durch Städte und Industrie Referenz: Siemens 3
4 Das klassische Energieversorgungsnetz Kraftwerk Hochspannungstransformator Übertragung Energie Erzeugung Niederspannungstransformator Mittelspannungstransformator Verteilnetzwerk Industrie und Wirtschaft Private Verbraucher Automatisierungseinrichtungen Elektrische Leistung fließt unidirektional vom Kraftwerk zum Verbraucher 4
5 Das NIST Modell (USA) für ein neues Netz Elektrischer Leistungsfluss Sichere Datenkommunikation Bereiche des Netzes Entflechtung der Energienetze Für neue Services und Kommunikation zwischen neuen Marktpartnern wird IKT benötigt Source: NIST 5
6 Anforderungen an ein neues Energienetzwerk Politische Forderungen in Deutschland und Europa Abschalten der Atomkraftwerke (vor allem in Deutschland) in kurzer Zeit Reduzierung des Energieverbrauchs und Erhöhung der Energieeffizienz Reduzierung und Kompensation der Kapazitäten von Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken Aufbau von Offshore- und terrestrischen Windparks, fotovoltaischen Energiewandlern und Biogas-Stationen, neuen Übertragungsnetzen Aufbau von elektrischen Energiespeichern (Akkumulatoren, Pumpspeicherkraftwerken, Wasserstoffspeichern, Druckluftspeichern usw.) Integration der Elektromobilität (Elektrofahrzeuge) als ein alternatives Speicher- system? 6
7 Das erweiterte, europäische NIST Modell Elektrischer Leistungsfluss Sichere Datenkommunikation Bereiche Verteilte Energiequellen erfordern eine neue Klasse von Einsatzbereichen. Verteilte Energiequellen haben Einfluss auf Regulierung und Gesetzgebung Eine Vielzahl von verteilten Energiequellen sind (in Deutschland und anderen Ländern) bereits Realität DER-Verteilte Energiequellen z.b. Wind-, Solar-, Bio-, Kleinkraftwerke, Speicher, Elektroautos 7
8 Konzept eines Europäischen Modells Markt Betrieb Service Provider Pan-Europäisches Energie- austausch- System Übertragung Verteilung Verbraucher Kraftwerke Verteilte Energieerzeuger DER Anwendungsbereich einer lokalen Mikronetz- Architektur Sichere Datenkommunikation Elektrischer Leistungsfluss schwarz: Original NIST Quelle: Bereiche blau: europ. Hinzufügungen CEN/CENELEC/ETSI 8
9 Neue Energiequellen brauchen neue Netze Quelle: Volker Quaschning 2012 Deutschland: 2013: Installierte Photovoltaik-Leistung: MWp Installierte Wind-Leistung: MWp Photovoltaik-Quellen im Süden, Windkraft im Norden Benötigt: Neue Hochspannungsübertragungsleitungen, 380 kv, 3,800 km bis Notwendige Investitionen in Europa: Circa 300 Mrd Euro für das Übertragungsnetzwerk. Quelle: FhG 9
10 Energiespeicher werden dringend benötigt Beispiel: Pumpspeicherkraftwerk Leistung vom Kraftwerk Leistung zum Verbraucher Überschussleistung Verluste ca. 20% Obersee Pumpe Generator Untersee 10
11 Energiespeicher werden dringend benötigt Beispiel: Wasserstoffspeicherstation Leistung vom Kraftwerk Leistung zum Verbraucher Verluste ca % Elektrolyse- Einheit Überschussleistung Brennstoffzellen- Generator Wasserstoff- speicher 11
12 Energiespeicher werden dringend benötigt Beispiel: Druckluftspeicher Noch große Verluste Luft Erdgas Weltweit nur 2 Stationen, 2 weitere geplant Source: Crotogino, 2006 Kompressor Motor/Generator Gasturbine Speicherkaverne 12
13 Anforderungen an Energieversorgungsnetze Allgemeine Anforderungen an das Energienetz Versorgungssicherheit, Beherrschung von Teilausfällen, Schwarzstart-Fähigkeit Robustheit und Ausfallsicherheit Sicherheitsanforderungen - Betriebssicherheit - Verfügbarkeit, Sicherheit gegen menschliche und technische Fehler - Sicherheit gegen Angriffe von außen 13
14 Zielsetzungen für das zukünftige Smart Grid Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes Energie-Mix mit hohem Anteil erneuerbarer Energien Energieeinsparung und hohe Energieeffizienz Verträglichkeit mit der Umwelt Lokale Erzeugung erneuerbarer Energie- zellulares Effiziente Smart Grid (intelligentes Energie speicherung Energienetz) Zukunftsziele Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit Lokale Energiesteuerung, Management Versorgungs- g sicherheit Das Verteilnetzwerk muss einen bidirektionalen Leistungsfluss ermöglichen Messungs-, Steuerungs- und Kommunikations- techniken müssen ins Netz integriert werden Die verwendete IKT macht das Netz komplex Notwendige Entwicklungen 14
15 Vom alten Energiesystem zum Smart Grid Windparkanlage Information Automatisierung Smart Meter e-mobil Kohlekraftwerk Informa ation Elektrische Energie Elektrische Energie Smart Meter Automati- sierung Klein- Kraftwerk Speicher Photovoltaik Gas-, Ölkraftwerk Elektrische Energie Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie Intelligente Verteilnetzzelle Smart Metering Prosumer: 15 Energie-Erzeugung, -Speicherung
16 Zellulare Energienetz-Struktur Objektzellen Verteilnetzzellen Energie Markt Netz Information Energie Markt Netzwerk Steuerng Markt Netz Markt Netz Systemzellen Strategien für die Netz- Infrastruktur Integration ti der Einspei- i sung erneuerbarer Energien Entwicklung von Verteilnetzwerken, zugeschnitten auf die Marktbedürfnisse Einfügung von Steuerungsund Regelungstechnik im Verteilnetzwerk Einführung von Querverbindungen zwischen den Zellen Aufbau einer zellularen Netzstruktur Objektzellen: Wohnhäuser, Gebäude, Grundstücke, Industrie Objekte Verteilnetzzellen: Lokales Verteilnetzwerk (Gebiet, das durch einen Transformator versorgt wird, aber weitgehend autonom ist) 16 Systemzellen: z.b. Regionaler Energieversorger (Stadtwerke)
17 Die Fundamentale Struktur eines Smart Grid smarte Erzeugung smarte Übertragung Verteilung Smart Grid Kommunikation zwischen allen Systemkomponenten smarter Verbrauch smarte Speicherung Interdisziplinäre Technologien: Daten messen, sammeln, prozessieren, Netzwerk-Steuerung, -Regelung 17
18 Das Smart Grid mit Energie- und Datennetz Windparkanlage Übertragungsnetz Smarte Industrie Photovoltaikfarm Verteilnetzwerk Rechenzentrum Klassisches Kraftwerk Datennetz Energienetz intelligente Knoten Speicher Energie-Wärme-Erzeugung Smarte Häuser, Gebäude 18
19 Generisches Modell des Energieinformationsnetzes Business Business Layer Function Layer Function Layer Information Layer Information Layer Outline of Usecase Subfunctions Data Model Data Model Secu urity Communication Layer Communication Layer Component Layer Smart Grid Plane Domainen Component Layer DER: Distributed Energy Resources Generation Transmission Distribution Domains DER Protocol Customer Premise Market Enterprise Operation Station Zones Field Process Zonen Protocol 19
20 Die physikalische Komponenten-Ebene Generation Transmission Distribution DER Customer Premise Market Enterprise Operation Station Field Process Physikalische Verteilung aller teilnehmenden Komponenten im Smart Grid Energiesystem- Einrichtungen, Schutz- und Steuergeräte, Netzwerkinfrastruktur und Computer Legend: CRM: Customer Relationship Management DER: Distributed Energy Resource DMS: Data Management System HMI: Human Machine Interface HES: Home Electronic system HAN: Home Area Network HV: High Voltage LV: Low Voltage MV: Medium Voltage 20 RTU: Remote Terminal Unit
21 Die Kommunikations-Ebene Market Enterprise Kommunikationsprotokolle Kummunikations- Methoden Generation Transmission Distribution DER Customer Premise Operation Station Field Process Legend: CRM: Customer Relationship Management DER: Distributed Energy Resource DMS: Data Management System HMI: Human Machine Interface HES: Home Electronic system HAN: Home Area Network HV: High Voltage LV: Low Voltage MV: Medium Voltage OLE: Object Linking and Embedding OPC: OLE for Process Control RTU: Remote Terminal Unit 21
22 Die Informations-Ebene Market Enterprise Software, Betriebssysteme, Middleware, Daten Modelle Operation Generation Transmission Distribution DER Customer Premise Station Field Process Legend: CIM: Common Information Model CRM: Customer Relationship Management DER: Distributed Energy Resource DMS: Data Management System HMI: Human Machine Interface HES: Home Electronic system HAN: Home Area Network HV: High Voltage LV: Low Voltage MV: Medium Voltage RTU: Remote Terminal Unit 22
23 Die Funktions-Ebene Market Enterprise Operation Anwendungsfälle, Funktionen und Dienstleistungen, Unter- funktionen, funktionale und nicht funktionale Anforderungen Generation Transmission Distribution DER Customer Premise Station Field Process Legend: CRM: Customer Relationship Management DER: Distributed Energy Resource DMS: Data Management System HMI: Human Machine Interface HES: Home Electronic system HAN: Home Area Network HV: High Voltage LV: Low Voltage MV: Medium Voltage RTU: Remote Terminal Unit 23
24 Die Geschäfts-Ebene Generation Transmission Distribution DER Customer Premise Market Enterprise Operation Station Field Process Geschäftsmodelle im Bereich Informationstechnik t ik Ökonomische und regulatorische Strukturen Geschäftsprozesse Geschäftsanteile der Marktpartner Legend: CRM: Customer Relationship Management DER: Distributed Energy Resource DMS: Data Management System HMI: Human Machine Interface HES: Home Electronic system HAN: Home Area Network HV: High Voltage LV: Low Voltage MV: Medium Voltage 24 RTU: Remote Terminal Unit
25 Der Markt-Platz Smart Grid Prod. Geschäftsebene Informations- Kommunikationsebene TNP DNP Sup. SPr. Dea MPO SP Con Legende: Prod. Producer TNP Transmission Net Provider DNP Distribution Net Provider Sup Power Supplier SPr. Small Producer Con Consumer Dea Dealer MPO Measuring Point Operator SP Service Provider Infrastrukturebene 25
26 Die Intelligente und Autonome Systemzelle Intelligente, lokale und autonome Systemzellen als Teil des Smart Grid Systemzelle 2 Systemzelle n Lokale Versorgung und lokale Infrastruktur mit: Elektrischer Energie (Klein- kraftwerke, Windkraft-, Solaranlagen, biologische small Kraftwerke, Speicher) power smarte Speicher Wärme station Industrie Gas zum Wasser System Abwasser Übertragungsnetz zum System Glasfaser Smart Homes und Smart Buildings Kommunikationsnetzwerk Industrie Festnetzwerk (z.b. xdsl,, Koaxkabel, Glasfaser) Smart Homes, Mobiles Netzwerk (z.b. GPRS, Systemzelle 1 UMTS, LTE) mobile Buildings Kommunikation 26
27 Smart Home als Variable Last in Smart Grid Photovoltaik- Generator Elektrofahrzeug genutzt als Speicher Tarifinformationen, Energiemanager Source: worldchanging com/smarthouse Steuer- und Regelungstechniken Verbindung zu Breitban-IP-Netzwerk Smart Grid Breitband Datenver- bindung Verbinndung zum Energielieferanten Smart Meter, Kleinkraftwerk Home Area Network (HAN) Steuerungs- und Energiemanagement-Software Steuerung nach variablen Tarifen, abhängig gg von der Erzeugung regenerativer Energie Systemkomponenten: Beleuchtungssteuerung Heizungssteuerung Steuerung Klimaanlage Intelligente, steuerbare Haushaltsgeräte Hausautomatisierungssysteme Elektrische Energiespeicher (Batterie) Warmwasserspeicher Elektrofahrzeug als Speicher Kleinkraftwerk Photovoltaikanlage Kleiner Windenergiegenerator Smart Meter Energiemanager 27
28 Das Smart Home Photovoltaik-Generator Display zur Darstellung und Bedienung Energiemanager Intelligente Hausgeräte Energiemanage- ment Netzwerk (HAN) Prosumer Gateway Mehrfach Messung e-kfz Kleinkraftwerk Gas-Wasser-Elektrizität Meter Gateway Verbindung zum Smart Grid Energienetzwerk Source: Messnetzwerk Steuerungs- und Kommunikationsnetzwerk 28
29 Das Energiemanagement Netzwerk Power Line Communication, eine Kommunikationstechnik, die die Elektroleitungen als Übertragungsmittel nutzt Wireless Local Area Network (WLAN), IEEE a-z, Frequenzbänder 2,4 GHz und 5,8 GHz, Bluetooth, IEEE , 2.4 GHz Band, Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA), für Anwendungen in lokalen Automatisierungsprozessen WirelessHART-System, ein offener Industriestandard d d ZigBee, ein Industriestandard im 2.4 GHz Band, MeshScape, basierend auf IEEE , nanoloc, einauf der Basis von IEEE a entwickelter Standard Wireless- or wired- m-bus,, eine drahtgebundene oder drahtlose Version eines Standards für die Übertragung von Smart-Meter-Daten für Elektrizität, Gas und Wasser, spezifiziert in EN
30 Schutzprofil für Smart Metering Gateways autorisierte externe Einrichtung WAN autorisierte externe Einrichtung - Kommunikationseinheit zwischen HAN und Außennetz - Generiert Daten mit Authentizität und Integrität - Überträgt Kommunikations- und Steuerungssignale Gateway y( (TOE) Sicherheitsmodul Meter Meter LMN Meter CLS, z.b. Solaranlage HAN Prosumer CLS, z.b. Elektrofahrzeug WAN: Wide Area Network HAN: Home Area Network LMN: Local Metrological Network CLS: Controllable Local Systems Source: BSI 30
31 Zusammenfassung Smart Grids sind sehr komplexe, räumlich weit ausgedehnte Computer Physikalische Systeme, sie kombinieren das klassische Energieübertragungsnetz mit modernen Informations- und Kommunikationstechniken sowie mit der Automatisierungstechnik. Smart Grids können eine Antwort auf die aufgrund der zunehmenden Fluktuation des Leistungsflusses im elektrischen Energieversorgungsnetz auftretenden Steuerungsprobleme sein. Smart Grids können die Versorgungssicherheit erhöhen, weil sie die Abhängigkeit von einigen, wenigen Energiequellen verringern. Smart Grids ermöglichen höher effiziente Energieversorgungssysteme und bieten neue Dienstleistungen an. Smart Grids verbessern die Position der Energieverbraucher. Smart Grids bieten die Möglichkeit, die Energieeffizienz durch Verbindung cross-sektoraler Techniken (z.b. Elektrizität, Heizung, Klimaanlage in einem Haus) zu erhöhen. Aber: Es gibt noch eine große Vielzahl ungelöster Probleme!!! Wir sind gerade am Anfang der Diskussion. 31
32 Vielen Dank! 32
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