Hierarchische Betriebsführung für hybride Speichersysteme - Entwurf und Implementierung im Projekt Smart Region Pellworm

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1 Hierarchische Betriebsführung für hybride Speichersysteme - Entwurf und Implementierung im Projekt Smart Region Pellworm 1. Herbstworkshop der Professur für Energiespeichersysteme Dezentrale Sektorkopplung und Hybride Energiespeichersysteme TU Dresden Steffen Nicolai Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB

2 Fraunhofer Allianz Energie Fraunhofer Gesellschaft 66 Institute und selbstständige Forschungseinrichtungen Mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Forschungsvolumen: 1,9 Milliarden Euro Fraunhofer Allianz Energie Zusammenschluss von 18 Fraunhofer Instituten 4 Themenschwerpunkte Netzwerke als Unterstrukturen Koordinierungs- und Anlaufstelle Folie 2

3 Inhalt Projekt Smart Region Pellworm Entwurf und Implementierung der Betriebsführung Ergebnisse Weiterführende Arbeiten Folie 3

4 Demonstration eines hybriden Speichersystems für eine stabile, kosteneffiziente und marktorientierte Elektrizitätsversorgung auf Basis erneuerbarer Energien Projektzeitraum:

5 Das Konsortium Projektschwerpunkte E.ON E.ON Hanse AG E.ON New Build & Technology Fachhochschule Westküste - Projektmanagement, Projektumsetzung & Betrieb - Systemkonzept & Geschäftsmodelle - Redox-Flow Batterie - Technologieakzeptanz, Transparenz & Kundenverhalten - Beratung bei technischer Integration Fraunhofer Gesellschaft Fraunhofer IOSB-AST Fraunhofer UMSICHT Gustav Klein GmbH & Co.KG RWTH Aachen - Betriebsführung, Energiemanagementsystem - Netzmodellierung und berechnung - Modellierung thermischer Komponenten - Leistungselektronik für Li-Ionen Batterie - Übertragbarkeit / Geschäftsmodelle - Wissenschaftliche Gesamtbewertung Saft Batterien Gmbh - Li-Ionen Batterie 5

6 Übersicht Pellworm Insel Fläche: 37,44 km² Einwohner: ca. 1100, ca. 650 Haushalte Kreis: Nordfriesland, Gemeinde: Pellworm Wirtschaft: Tourismus (ca Betten) Landwirtschaft (ca. 50 Landwirte) Energiesystem Energiebedarf (elektr.): 7 GWh / Jahr MWh Speicherheizungen, Wärmepumpen Dezentrale Erzeugung (elektr.): 22 GWh /Jahr 1 15 GWh Wind 2,5 GWh PV (> 100 Anlagen) 4,5 GWh Biogas-Anlage Hybridkraftwerk (300kW Wind, 700 kwp PV) Verbindung zum Festland über zwei 20kV Seekabel 1 ( ) Folie 6

7 Kernaspekte Smart Region Pellworm Li-Ionen und Vanadium-Redox-Flow - Betrieb zweier innovativer komplementärer Batterietechnologien Einbindung flexibler Verbraucher auf Haushaltsebene Zentrale Optimierung der Versorgungsaufgaben durch ein Energiemanagementsystem Untersuchung und reale Implementierung zukünftiger Geschäftsmodelle auf Basis des Speichersystems Steigerung des lokalen Eigenverbrauchs erneuerbarer Energien (PV, Wind) Beitrag zur Gestaltung regulatorischer Rahmenbedingungen Blaupause für ein zukünftiges dezentrales Energieversorgungssystem 7

8 Konzeption des dezentralen hybriden Speichersystems Verschiedene Speichertechnologien im Bereich Minuten / Stunden -bis zu Stunden / Tage Kombination unterschiedlicher kommerziell verfügbarer Speichertechnologien zu einem Speichersystem führt zu einer Reduktion der Investitionskosten Konfiguration des Speichersystem muss auf priorisierte Anwendungsfälle angepasst werden Umrüstung thermischer Lasten zu flexiblen Lasten reduziert die Systemkosten der Integration erneuerbarer Energien P Out [MW] Minuten- Stunden - Speicher Stunden -Speicher P In [MW] Stunden-Tages -Speicher Stunden -Speicher Minuten- Stunden - Speicher W [MWh] 8

9 Systemkonzept Geschäftsmodell Betriebsführung Technologieportfolio Elektrospeicherheizungen Direktvermarktung EE Lokale Netzdienstleistung Lokale Versorgung Multifunktionaler Betrieb Prognose Optimierung Fahrpläne Day-Ahead Intraday Li-Ionen Batterie Redox-Flow Batterie Haushaltsspeicher Energie Management System als Plattform Schnittstelle zwischen Betriebsführung und Prozess Import und Ermittlung der Prognosen für Erzeugung und Bedarf Ausführen der Optimierungsmodelle der Betriebsführung Day-Ahead und Intraday Fahrpläne für alle aktiven Komponenten des Systems Folie 9

10 Geschäftsmodellanalyse Geschäftsmodell Beschreibung Marktrolle GM 1: Direktvermarktung EE Kombination von fluktuierender Erzeugung und Speichersystemen in verschiedenen Märkten: Day-Ahead und Intraday Markt Regelleistungsmarkt EE-Anlagen Betreiber VPP Betreiber GM 2: Lokale Netzdienstleistung Hauptziel ist die Netzintegration der EE und die Unterstützung beim Betrieb des Verteilnetzes Vermeidung der Abregelung, die Spannungsstützung und Verlustreduzierung geplant als Anwendung Verteilnetzbetreiber GM 3: Lokale Versorgung Direkte Versorgung lokaler Kunden aus Energie regionaler EEs Einsatz der Speichersysteme zum lokalen Ausgleich von Erzeugung und Bedarf Vertrieb EE-Anlagen Betreiber VPP Betreiber VPP = Virtuelles Kraftwerk GM 4: Multifunktionaler Betrieb Kombination von lokaler Versorgung und Markteinsatz Zusätzliche Berücksichtigung der Netzanforderungen mit dem Ziel der Reduzierung Abregelung Vertrieb EE-Anlagen Betreiber VPP Betreiber 10

11 Blick auf den Aufstellungsort Redox-Flow Batterie Regelbare Ortsnetztrafos Konverter der Lithium-Ionen Batterie Lithium-Ionen Batterie 11

12 Inhalt Projekt Smart Region Pellworm Entwurf und Implementierung der Betriebsführung Ergebnisse Weiterführende Arbeiten Folie 12

13 Betriebsführung -Struktur Folie 13

14 Vorgehensweise Datenerfassung Datenanalyse Modellbildung Messtechnische Ausrüstung ONS Smart Meter Datenübertragung und Archivierung EMS Validierung Messdaten Analyse Messwerte für Modellbildung und Prognose Modellbildung aller Komponenten Entwurf der Teilmodelle der Optimierung Geschäftsmodellanalyse Bewertung Anwendungsfälle Auswahl Technologieportfolio Priorisierung Betriebsführungsstrategie Entwurf Optimierungsmodelle der BF- Strategien Parametrierung auf Basis GM-Analyse Inbetriebnahme / Demobetrieb Schrittweise Inbetriebnahme der Betriebsführung Umfangreicher Demobetrieb Folie 14

15 Betriebsführung Folie 15

16 Gesamtmodell Optimierung Folie 16

17 Optimierungsmodell Peak Shaving Hybridkraftwerk Folie 17

18 Ablauf der hierarchischen Betriebsführung PLANUNG Prognosen HyKW (DA) Stufe: Day-Ahead DA Fahrpläne Spotmarkt (DA) Zyklus: 24h Ausführung: Uhr Stufe: Intraday- Auktion ID-A Fahrpläne EPEX-ID-Auktion Zyklus: 24h Ausführung: Uhr Prognosen HyKW (ID) Stufe: (kontinuierlicher) Intraday ID Fahrpläne Spotmarkt (ID) Zyklus: 3h Ausführung: xx.48 Uhr DISPATCH Istwerte HyKW Stufe: Kurzfrist KF Fahrplan LIB Fahrplan RFB Zyklus: 5min Ausführung: xx.x5 Uhr + 2min Folie 18

19 BF-Strategie: Markt mit EPEX und RL-Markt Stufe: Day-Ahead Pool / OTC Spotmarkt Intraday- (Auktion) Prognose EE HyKW Intraday Erzeugung HyKW Intraday Spotmarkt Day-Ahead Stundenpreise EPEX Spot RLM Angebot Hybrides Speicher Modul Li-Ionen-Batterie Redox-Flow- Batterie Messwert Fahrplan / Vorgabe Prognose Eingangsgröße Optimierungsvariable Aktueller SoC LIB Aktueller SoC RFB Day-Ahead Vermarktung der Energie aus Hybrid-Kraftwerk an EPEX Vorhaltung Energie- und Leistungsreserve für Regelenergiemarkt Folie 19

20 Betriebsführung: zeitlicher Ablauf 9 h 11 h 15 h 0 h 6 h 12 h 18 h 0 h 6 h 12 h 18 h 0 h P DA-Prognose (Meteomedia) O Optimierung: Day-Ahead O Optimierung: Intraday-Auktion P O ID-Prognose (Meteomedia) ID-Optimierung P O ID-Prognose (Meteomedia) ID-Optimierung P O ID-Prognose (Meteomedia) ID-Optimierung P O ID-Prognose (Meteomedia) ID-Optimierung P O Prognosen Meteomedia Optimierung Lieferzeitpunkt Prognosen Meteomedia Ausführungszeitpunkt Optimierung Folie 20

21 Inhalt Projekt Smart Region Pellworm Entwurf und Implementierung der Betriebsführung Ergebnisse Weiterführende Arbeiten Fraunhofer IOSB-AST, Folie 21

22 W Wirkleistung [kw] 100 Demonstration Beispiel: Peak Shaving Hybrid-Kraftwerk P erz,max P einsp,max Speicher Einspeisung :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 P PV P PVprogID P PVprogDA P Speicher P delta P HyKW Begrenzung der Rückspeisung HyKW Day Ahead Optimierung (täglich) Ermittlung max. Leistung HyKW Intraday Optimierung (alle 3 h) Max Rückspeisung HyKW als Eingang DA SoC Trajektorie als Restriktion Erzeugung Fraunhofer IOSB-AST, Folie 22

23 Demonstration Beispiel Multifunktionaler Betrieb Folie 23

24 Demonstration Beispiel Multifunktionaler Betrieb Folie 24

25 Ergebnisse Betriebsführung SRP Zentrale Betriebsführung für das Energiesystem Pellworm konnte umgesetzt und positiv erprobt werden Wesentlicher Schwerpunkt beim Aufbau war Erfassung und Übertragung der Daten Modellierung und fortlaufende Adaption der Teilsysteme in den Optimierungsmodellen der Betriebsführung Ansatz der mehrstufigen Optimierung konnte erfolgreich getestet werden Monitoring von Smart Grid Strukturen stellt Herausforderung für Netzbetreiber dar Weiterentwicklung der zentralen Betriebsführung um dezentrale / verteilte Ansätze Folie 25

26 Inhalt Projekt Smart Region Pellworm Entwurf und Implementierung der Betriebsführung Ergebnisse Weiterführende Arbeiten Folie 26

27 Weiterführende Arbeiten Fortsetzung der Arbeiten im Projekt SRP 2 Detailliertere Untersuchung einzelner Geschäftsmodelle mit dem Ziel der Kommerzialisierung Schaffung der Voraussetzungen für Teilnahme der Speichersysteme am Regelenergiemarkt Einbindung der Speichersysteme in verschiedene VPP Entwicklung dezentraler / verteilter Ansätze der Betriebsführung Folie 27

28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Steffen Nicolai Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB Gruppe Energiesysteme und -komponenten Vogelherd Ilmenau Tel.: +49 (0) 3677 / steffen.nicolai@iosb-ast.fraunhofer.de Folie 28