E-Energy-Projekt Modellstadt Mannheim

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1 E-Energy-Projekt Modellstadt Mannheim Erfahrungen mit regionalen Marktplätzen im E- Energy-Projekt Modellstadt Mannheim Andreas Kießling Stabsabteilung Technologie & Innovation MVV Energie AG Abschlussworkshop Marktdesign für nachhaltige regionale elektrische Energiemärkte 07. Mai 2013, Essen

2 moma in E-Energy Smart Energy made in Germany Von den Leuchttürmen in die Fläche 2

3 moma-szenario Die Energiewende stellt neue Anforderungen und bietet Chancen Sie muss alle Bereiche der Gesellschaft erreichen Transparenz ist erforderlich und Wissen über Beteiligung Interaktion zwischen lokalen und übergeordneten Strukturen ist notwendig Vielfältige Flexibilitäten zur Lösung aller Anforderungen sind notwendig Dafür werden Smart Grids als Basisinfrastruktur benötigt moma hat Maßstäbe für diese Lösungen durch einen zellularen Ansatz geliefert Erste Geschäftsmodelle wurden identifiziert, sind aber nur erste Schritte für zukünftige Funktionen auf der Basis von Smart Grids

4 Neue Anforderungen führen zur Vernetzung Stärkung nachhaltiger und regionaler Konzepte Aufgabenbewältigung mit Engagement der Bürger, der Kommunen und der Wirtschaft, Energie bewusster einsetzen sowie Energiedienste auf Grundlage neuer Chancen anbieten und nutzen Fossile und nukleare Energieträger Zentrale Energiegewinnung und zentrale Steuerung Planbare Erzeugung Passive Rolle des Kunden und wenig regionaler Wertschöpfung Vielfalt von Energieträgern und verbundenen Energieflüssen Zentralität und Dezentralität in Energiegewinnung mit bidirektionale Flüssen Volatilität der Erzeugung Aktive Rolle von Kunden und Stärkung Wertschöpfung in Regionen führt zur Komplexität der Steuerung 4

5 Neue Anforderungen erhöhen Komplexität Zellularer Ansatz im Verbundsystem und Flexibilität Paradigmenwechsel und Komplexitätsbeherrschung Wachsende Komplexität: Zunehmende Vielfalt, Konnektivität und Organisiertheit des Energiesystems aufgrund von dezentraler und fluktuierende Erzeugung Komplexitätsreduktion: Gesamtsystem als ein Regelkreis zerlegen in ein System aus Systemen mit verbundenen Regelkreisen mittels Zellen mit verteilter Automatisierung (moma-ansatz im Bild rechts) Schnelle Lösung lokaler Probleme Datenreduktion Optimierungskaskade: Energetische und monetäre Optimierung bidirektional unter Berücksichtigung der Anforderung über- und untergeordneter Ebenen Berücksichtigung regionaler Marktaspekte Systemdienstleistungen auf allen Ebenen EMG: Energy Management Gateway

6 Neue Geschäftsmodelle aus Flexibilitäten moma-anwendungsfälle Zellulare Steuerungstopologie Variable Lieferund Netzpreise Flexible Erzeugung Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Erschließung von 5 Kategorien für Flexibilisierungsoptionen Speicher Nachfragesteuerung Import-/ Export Spartenverbund Kälteanlagen Flexibilitätspotentiale Gebäude Zentral Regelbare Gaskraftwerke Dezentral Eigennutzungssteuerung Langzeitspeicher (Tage bis saisonal) Kurzzeitspeicher (Sekunden bis Stunden) Anreizsteuerung Variable Tarife Direktsteuerung Virt. Kraftwerk, Netzsteuerung Zellulare Netze Europaverbund bis Microgrids Regionalmärkte lokaler Ausgleich, Power to gas Kombikraftwerke,Gasnetze Wärmesteuerung KWK, Wärmenetze Nur mittels IKT können alle notwendigen Flexibilitätsoptionen erschlossen werden, die für eine stabile Energieversorgung und eine optimale Nutzung der Marktfunktionen notwendig sind. Smart Grids sind notwendig

7 Regionalität und zellulares moma-modell Komponenten und Funktionen Zentr. Erzeugung Übertragung Verteilung Dezentrale Erzeugung Kunden Rolle Markt Markets System, Geräte Enterprises Marktpartner Betrieb TSO Services DSO Aggregator (Marktautomat / Pool-BEMI) Quelle: EU Mandat 490; mit Abb. moma- Komponenten Station (Lokale Automation) Feld Substation Automation (Netzautomat) Kunden Energiemanagementsystem (Energiebutler / BEMI) Smart Meter Prozess EM DEA Speicher Gerät A Gerät B 7

8 Smart Grid Ziele und Architekturen EU Commission Task Force for Smart Grids Quelle: EU TF Smart Grid EG 1 Functionalities 8

9 Verbindung Smart Grid / Smart Building Liegenschaft und Verteilnetzbereich als Basiszellen OGEMA: Allianz für Schnittstelle Smart Grid / Smart Building Kommunikations- Gateway: Standards aus Markt und Netz und zu Geräten Diensteplattform: offene, standardisierte Basisdienste für Energiemanagement Gebäude 9

10 Ergebnisse Praxistest Mannheim Interaktion: Praxistest wurde überwiegend positiv von den Teilnehmenden wahrgenommen, nicht zuletzt auf Grund intensiver Betreuung Haushalte reagierten überwiegend manuell auf das Preissignal Preiselastizitäten: Durchschnittlich reagieren Haushalte auf eine 100%ige Preisänderung mit einer 11%igen Verbrauchsreaktion Engagierte Haushalte zu bestimmten Zeiten mit einer 35%igen Lastverschiebung: Nutzung von Großverbrauchern in preisgünstigen Zeiten Automatische Steuerung: teilweise Verlagerung in Nachtstunden Produktattraktivität: Nur 10% der Haushalte möchten keinen variablen Stromtarif. 30% sind bereit für eine automatische Steuerung und Stromvisualisierung Geld auszugeben. Ein Preis von 1-2 im Monat scheint akzeptabel.

11 Ergebnisse Praxistest Mannheim Bestimmte Gruppen erreichen bis zu 35 % Preiselastizität Stündlich aufgelöste Preiselastizitäten basierend auf Verbrauchsdaten von Juni bis einschließlich Oktober Unterteilung in 3 unterschiedliche Nutzungsgruppen auf Basis von selbstberichteten Angaben in der Abschlussbefragung im Oktober 2012.

12 Regionalität und zellulares moma-modell Modellierung und Simulation Softwareautomaten (Moderatoren und Energiebutler) in Verteilnetzzellen und Objektnetzzellen zur Ausbildung einer Schwarmintelligenz im Energieorganismus Energiebutler (Gateway und Energiemanagement) 12

13 Ergebnisse Technische Simulation Struktur der Simulationsumgebung Sim.-datanet Client/Server Sim.-datanet Client/Server Sim.-datanet Client/Server DigSilent Local Grid DigSilent Global Grid Text Files Local DigSilent I/F Module LFC results SVC setpoints Text Files.csv Global DigSilent I/F Module planned P/Q setpoints U, Grid Agent Module Java P/Q (stationary val.) U, (LFC results) PCCSim C/C++ Agent Interaction Agent Interaction GUI Grid Cell Control.csv Grid Agent.log Data Acquisition Optimization Grid Agent Interaction P schedules for DER 1)-4) var. grid fees Market Agent Module Java GUI (optional) control Data display during simulation during simulation.csv MA & Pool-BEMI.log Procurement / Plant Scheduling Tariff Generation PC 1 (VNZ Server) Bids, P/Q P/Q setpoints metering data var. Tariffs.csv Sim Master.log DER units at PCCs 1) BEMI var. tariff controlled DER 2) Local Agent controlled DER 3) Flexible DER, direct control 4) DER with local U/Q control 5) non-controlled DER PC 2 (Distribution Grid Cell) 13

14 Zentrale Ergebnisse Technische Simulationen Technische Simulation mehrerer interagierender Verteilnetzzellen Struktur interagierender Netzautomaten: Die Automaten, die lokales Energiemanagement (EM) beim Kunden durchführen, interagieren direkt mit dem übergeordneten Niederspannungs (NS)-Automaten. Diese interagieren wiederum untereinander und mit dem übergeordneten Mittelspannungs (MS) Automaten. Die Kette setzt sich bis in die Hochspannungs (HS)-Ebene fort, auf der die weitere Interaktion im Bereich der Übertragungsnetze / Bilanzkreisverantwortlichen (BKK) angesiedelt ist. Ziel der Interaktion ist sowohl Energie als auch Systemsystemdienstleistungen zwischen den einzelnen Zellen zu teilen.

15 Spannung [p.u.] Spannung [p.u.] Ergebnisse Technische Simulationen Spannungsregelung mehrerer interagierender Verteilnetzzellen Ohne Regelung Max. Spannung Mit Regelung Min Spannung Toleranzband Jahresverlauf des Spannungsminimums und maximums im Mittelspannungs-Benchmarknetz ohne und mit Regelung durch interagierende Netzautomaten. Die Interaktion sieht die Durchführung einer Verhandlung in Echtzeit vor, wobei die Netzautomaten Angebote zur Änderung von Verbrauch oder Erzeugung von Wirkoder Blindleistung von Automaten in der Netzzelle und anderen Netzautomaten in Anspruch nehmen, um Spannungshaltung zu betreiben. Die Algorithmen können so angepasst werden, dass die maximale Spannungsüberhöhung im Netz durchgehend unter 2% bleibt.

16 Ökonomische und Ökologische Auswertung Kostenbetrachtung für Infrastruktur und Betrieb Jährliche Kosten in Mio. /a Operative Kosten Kosten Infrastruktur Mannheim 2030 mit Preisanpassung der Infrastrukturkosten Deutschland 2030 ohne Preisanpassung der Infrastrukturkosten (Sensitivitätsanalyse) 1, ,3 1013,3 1,47 313,4 642,5 Summe 3, ,7 1655,8 Kosten sind hier wie auch in folgenden ökon. Folien wie folgt bestimmt: Investitionskosten werden über Lebensdauer und Realzins in Annuitäten umgerechnet. Diese werden zu den laufenden Kosten addiert. Entsprechend sind die ausgewiesenen jährlichen Kosten zu verstehen. Für zusätzliche Business Cases würden nur mehr zusätzliche operative Kosten relevant, da die gleiche Infrastruktur genutzt werden könnte. Die Infrastrukturkosten wurden im moma für 2020 erhoben. Diese Werte gehen in ohne Preisanpassung ein. Mit Preisanpassung berücksichtigt die zu erwartenden Kostensenkung von IT-Geräten von 2020 bis Die relativ hohen operativen Kosten weisen insbesondere auf eine große ökonomische Bedeutung der Robustheit der Technik und der Usability hin.

17 Ökonomische und Ökologische Auswertung Volkswirtschaftlicher Vorteil hier als Beschaffungsvorteil, besonders die Wirkung über Rückwirkung auf Börsenpreise: in Mio. /a DE2030 Gesamte ökonomische Vorteile aus variablen Tarifen 1.103,1 davon: Geringerer Zubau von Gasturbinen-Kraftwerken 31,2 davon: Beschaffungsvorteil 1.071,9 davon: Haushalte 454,7 davon: betriebswirtschaftlich für Beschaffungsvorteil nutzbar 196,4 davon: durch Veränderungen des Börsenpreisvektors 258,2 davon: andere Endverbraucher (durch Veränderungen des Börsenpreisvektors) 617,2 davon: durch Reduktion des durchschnittlichen Börsenpreises 482,6 Nutzung von Flexibilitäten wirken hier stark über Veränderungen (Änderung des Mittelwerts und Änderungen der Verteilung) des Börsenpreises. Diese Änderungen entsprechen Änderungen der (kurzfristigen) Grenzkosten. Nutzung von Flexibilitäten könnten stark über Senkung (Veränderungen) durchschnittlicher Börsenpreise (i.e. Grenzkosten) wirken Vorteile für nicht an variablen Tarifen teilnehmenden Verbrauchern können beträchtlich sein

18 Ergebnisse des Praxistest Dresden moma-system Hohe Verfügbarkeit der Moma-Architektur: 97% im Gesamtsystem bei Einsatz von Prototypen Übertragbarkeit der in Modellstadt Mannheim entwickelten IT- Architektur wurde nachgewiesen. Strom Wärme Mannheim Dresden MVV DREWAG Spezifische Aussagen zum Feldversuch Dresden Thermisches Verschiebepotential innerhalb von 4 Stunden von KWK-Anlagen von bis zu 20% möglich ohne Behaglichkeitseinbußen beim Endnutzer Potentialbegrenzend wirkt die Warmwasseraufbereitung. 18

19 Ergebnisse des Praxistest Dresden P el. P el. t t Einsatzplanung Versorger Starkwind Windkraftbetreiber Stromnetz KWK Netzbetreiber Marktplatz übergelagertes Netz Regelung ohne Behaglichkeitseinbuße Wärmeübergabestation P th. Hausanschlußstation Hausanschlußstation Pufferspeicher Gaskessel BHKW Fernwärmenetz Regelung ohne Behaglichkeitseinbuße

20 7 moma Thesen EE, Flexibilität, Regionalität, VNB als SG-Enabler Subsidarität & Transformation: Erschließung zentraler und dezentraler Chancen auf Grundlage Erneuerbarer Energien unter Beteiligung von Unternehmen, Kommunen und Bürgern Gesellschaftliches Engagement: Erfolg der Energiewende durch Engagement aller gesellschaftlichen Kräfte beim Umbau des Energiesystems sowie interdisziplinäre Zusammenarbeit Transparenz: Veränderungsprozesse erfordern Wissen über Zusammenhänge und wirtschaftliche Chancen für alle Beteiligten Verbundenheit: Regionale Interessen (dezentrale Angebote, regionale Produkte und Verteilungsnetz) im zellularen Denken fördern bei Integration in übergeordnete zentrale Erzeugungsangebote (zentrale Erzeugung und Großhandel) und Steuerungsmechanismen (Übertragungsnetze) Flexibilität: EBIT aus Flexibilitäten und Speicherlösungen zur Beherrschung eines Energiesystems mit hohem Anteil dezentraler und fluktuierender Erzeugung zum intelligenten Zusammenspiel von Markt und Netz Modernisierung: erweiterte Vernetzung der Energieinfrastruktur in Niederspannungsbereiche und hin zum Endkunden mit IKT (Smart Grid) sowie Sicherstellung von Netzzuverlässigkeit sowie Informationssicherheit (Cyber Security), verbunden mit Maßnahmen zu Netz- und Speicherausbau Regelwerk: Gestaltung neuer energiewirtschaftlicher und regulatorischer Rahmenbedingungen für neues Markt- und Systemdesign mit dem Staat als notwendigen Änderungskoordinator und Regelwerkgestalter

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Phys. Andreas Kießling Systemarchitekt wiss.-techn. Projektleitung MVV Energie AG Luisenring Mannheim Telefon: +49 (621) Mobil: +49 (172) Telefax: +49 (621)

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