Energie intelligent. Berlin, R. Mackensen (FhG IWES), M. Grundmann (Arge Netz GmbH), D. Schmidt (FhG IBP), C.

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1 Energie intelligent Verbindung von Energiesystem-Sektoren durch Informations- und Kommunikationstechnologien und sektorübergreifende lnfrastrukturlösungen Berlin, R. Mackensen (FhG IWES), M. Grundmann (Arge Netz GmbH), D. Schmidt (FhG IBP), C. Wittwer (FhG ISE)

2 Agenda - Das sektorübergreifende Energiesystem - Anwendungen im Energiesystem - Weiterer Bedarf an IKT Strukturen

3 Herkulesaufgabe Energiewende Energielandschaft - Aktuell und in der Zukunft Aktuelle Situation Erneuerbarer Energien Über 70 GW bei 1,5 Millionen Anlagen Anlagen überwiegend ohne Management Wenige Anlagen sind fernauslesbar Versorgungsstrukturen (Strom, Gas, Wärme, Verkehr, Wasser) weitgehend getrennt Lokale Stabilitätsgrenzen werden erreicht Erneuerbare Energien in 2050 Mehr als 250 GW und 5 Millionen Anlagen Vollversorgung - wirtschaftlich und verlässlich Alle Anlagen mit aktivem Management Smart-Grid / -Market flächendeckend etabliert Versorgungsstrukturen verbunden Solar Wind Biomasse > 250 GW 70 GW 1,5 Millionen Installierte Leistung Anzahl Anlagen Installierte Leistung Anzahl Anlagen Quellen: EEG-Anlagenstammdaten / DEWI / BDEW / DBFZ / Leitstudie 2011 / BMU / IWES

4 Primärenergieeinsatz aufgeteilt nach Verbrauchsektoren Die aktuelle Kosten-Nutzen-Diskussion zur Energiewende fokussiert immer noch stark auf den Stromsektor. Im Stromsektor selbst erwirtschaftet der EE-Ausbau kaum Kosteneinsparungen, da nur Kohle und Kernkraft ersetzt werden. Daraus folgen heute hohe Differenzkosten (z.b. EEG-Umlage).

5 Betrachtung des Gesamtsystems Energiewende Zukünftig wird der elektrische Strom zur dominierenden Energiequelle Durch die direkte Stromnutzung in neuen Anwendungen wie Elektromobilität und Wärmepumpen sind hohe Effizienzgewinne erreichbar Durch die direkte Bereitstellung von EE-Strom ohne Umwandlungsverluste reduziert sich der Primärenergiebedarf Effizienz Effizienz Effizienz

6 Hebel: Kopplung von Strom und Wärme KWK Durch die Nutzbarmachung des Phasenübergangs Strom Wärme ist es möglich, das Gesamtsystem effizienter zu gestalten. (Beispiel SUN-Region) Geeignete Technologien sind verfügbar. Quelle: Stadtwerkeunion Nordhessen 2014

7 Agenda - Das sektorübergreifende Energiesystem - Anwendungen im Energiesystem - Weiterer Bedarf an IKT Strukturen

8 Verknüpfung der Sektoren mit Virtuellen Kraftwerken Smart Market Services VK P Δ P Marktzugang P Echtzeitinformationen

9 Datenübertragung und -verarbeitung DSL Websecure, VPN OPC-XML DA Datenverarbeitung (Leitwarte) prob. Einspeiseprognosen Regelleistungsbänder Mögliche Einspeisung Netzfrequenzmessung Sollwerte Benutzeroberfläche Visualisierung IEC61850 MMS IEC CIM 61970/61968 VHP-Ready DSL VPN MPI Modbus TCP Satellitenübertragung Websecure, VPN OPC-XML DA Legende: Übertragungstechnik, Sicherheitskonzept, Kommunikationsprotokoll

10 Der Vitual Heat & Power Ready Standard Modulare, von Herstellern unabhängige Systeme erfordern Standardisierung, Gremienarbeit und internationale Abstimmung. Quelle: Industrieforum VHPready e.v.

11 Weitere Standards im Energiemanagementsystem Grid and Market: > IEC (Serial or TCP) > IEC CIM (TCP) > DNP V3.0 (TCP) > IEC sub-station/distributed generation (TCP) > Electronic Ripple Control (radio) PV Plant Components: > Modbus (Serial ) > RS-485 (Serial) > Proprietary inverters protocols (Serial or TCP) Local Energy Systems: > M-Bus (radio/wired) > ZigBee Smart Energy Profile (radio) > Konnex KNX > CANopen (CAN) > 6LoWPAN (radio) > LON > BACnet > Enocean Metering EMS > M-Bus (radio/wired) > ZigBee Smart Energy Profile (radio) > Smart Message Language SML (Serial/TCP/Optical) > DLMS/COSEM IEC > EDL21/SML > IEC > OSGP > IEC Industry > OPC (TCP) > Modbus (Serial or TCP) > IEC (TCP) > Fieldbuses Electric Vehicles > IEC (PLC) > CHAdeMO (CAN) > Open Charge Point Protocol (OCPP)

12 Erneuerbares Kraftwerk der ARGE Netz GmbH VK - Beispielprojekte KombiKraftwerk 2 VK Regio:VK Stadtwerkeunion Nordhessen

13 Ogema - Open Gateway Energy Management Alliance Über 40% des Endenergieverbrauchs in Deutschland findet in und an Gebäuden statt. Heizung, Kühlung, Warmwasser, der Betrieb von Elektrogeräten und perspektivisch auch der Betrieb von Elektrofahrzeugen sind dabei die wichtigsten Bereiche. Die Open Gateway Energy Management Alliance (OGEMA) stellt eine offene Software-Plattform für Energiemanagement in diesem Bereich zur Verfügung. Quelle:

14 Power / Load in kw FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten OpenMUC Energy Management Framework Market Weather Modulares Software Framework für Monitoring und Steuerung Java / OSGi, open source Kommunikationsgateway Datenhaltung, Steuerung, Monitoring, Visualisierung Vielseitig einsetzbar. Projekterfahrung: DEMAX: Multi utility metering (M-Bus), CHP control, Back Office integration Smart Metering: Wireless metering (wireless M-Bus) Energiefernleitsystem: CPV-Plant Gateway (IEC as WAN protocol), Integration of pv inverters, power quality devices, meters etelligence: Regional Energy market (CIM / IEC 61850) Hei-Phoss: Home Energy Management for PV Battery System Electric Mobility: Smart Charging Infrastructure Linux OSGi Load forecasting Scheduling Controlling Smart Meter (CIM) Bidding and Market communication Monitoring and Controlling Meter-Bus data manager database Driver PLC PLC CHP / Boiler Mod- Bus Fieldbus Controller Th. Load Prod. Power Sold/Scheduled Power Prediction of thermal load

15 Agenda - Das sektorübergreifende Energiesystem - Anwendungen im Energiesystem - Weiterer Bedarf an IKT Strukturen

16 Sicherheitsanforderungen an Smart Grid Strukturen Bdew netzampel Das Thema Sicherheit und Zuverlässigkeit zieht sich wie ein roter Faden durch das Thema Energieversorgung. Gesetzgebung setzt Rahmen mit Gesetzen (IT- Sicherheitsgesetz, BMI), Verordnungen (Messsystemverordnung, BMWI) und technischen Richtlinien (Schutzprofil, BSI) Quelle: Siemens Infrastructure & Cities, Der Energieblog, Becker, Büttner, Held

17 Informationsaustausch zwischen Netzebenen Energieinformationsnetze Die Verzahnung der Netzebenen erfordert einen intensiven Informationsaustausch. Das Konzept der Energieinformationsnetze stellt sicher, dass alle relevanten Informationen zur Netzbetriebsführung in der notwendigen Aggregationsstufe vorliegen und übertragen werden. Quelle: Verband kommunaler Unternehmen VKU, 2012

18 Netzsteuerung contra Markt - Netzampelmechanismus Bdew netzampel Der sichere Netzbetrieb erfordert zukünftig Mechanismen, die technische Möglichkeiten verteilter Erzeugung zu nutzen in der Lage sind.

19 Wärme [MWh] FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Netzentlastung durch neue Geschäftsmodelle PtH Erdgaskessel GuD Wärmeverbrauch Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Datum Im Zuge der Gesamteffizienz sind Geschäftsmodelle zur Verwertung von EinsMan-Strom im Wärmesektor denkbar. Hierfür sind Anpassungen in den Tarifmodellen erforderlich. Quelle: Agora Studie Power-to-Heat zur Integration von ansonsten abgeregeltem Strom aus Erneuerbaren Energien

20 Zusammenfassung Die Zukunft ist elektrisch. Das Energiesystem wird flexibler, Erzeugung fluktuierender (Wind, PV), Lasten müssen in der Flexibilität folgen. Der Bedarf nach Informationsaustausch steigt, vertikal zwischen Netzebenen, horizontal zwischen Erzeugung und Verbrauch. Sektorübergreifender Ansatz notwendig, erst Effizienzmaßnahmen, dann systemischer Ausbau. IKT Systeme stützen schon heute den Netzbetrieb, IKT kann und muss diese Entwicklung weiter unterstützen. Es wird verschiedene Ausprägungen der Ansätze geben, zentral gesteuerte (virtuelle Kraftwerke), anreizbasierte (Homeautomation) und vollautomaische (50,2 Hz Problematik) geben. Es werden neue Rollen und neue Akteure definiert werden (Gateway-Administration / Messstellenbetreiber) Bei weiteren Entwicklungen ist die Waage zu halten zwischen Technik, Regulatorik und Geschäftsmodellen

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Reinhard Mackensen Leiter Abteilung Energieinformatik und Informationssysteme Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Tel: +49(0)