Holare Systeme für den Umgang mit komplexen Anforderungen im Strom-, Gas- und Wärmesystem. Ludwig Karg, B.A.U.M. Consult München / Berlin

Transkript

1 Holare Systeme für den Umgang mit komplexen Anforderungen im Strom-, Gas- und Wärmesystem Ludwig Karg, B.A.U.M. Consult München / Berlin

2 Analogie Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

3 Domänen von PolynergyNet Mittelspannungs-Domäne (Strom) Niederspannungs-Domäne (Strom) Gas-Domäne (Mittel- und Niederdruck) Wärme-Domäne Breitband Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

4 Auf dem Weg in eine neue Welt herkömmliches System rgänzung des Netzes durch Sensorik zur erbesserung der Planbarkeit rgänzung durch Aktorik zur Automatisierung häufiger(er) Schaltvorgänge im Netz (intelligente Netze) insatz von Sensorik und Aktorik zur inbindung von Netznutzern (Smart Grids) statische Gruppen von rzeugern und erbrauchern (irtuelle Kraftwerke, zellulare Systeme) dynamisch veränderbare Gruppen von rzeugern und erbrauchern (Holares System) Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

5 Holone nergetische Holone sind dynamisch veränderbare Gruppen von Holaren lementen. Sie besitzen (in Anlehnung an das von Arthur Koestler definierte systemtheoretische Modell) folgende grundlegende Fähigkeiten: über die eigenen Angelegenheiten selbst entscheiden (Autonomie) mit anderen Holonen Informationen zu deren Zustand austauschen (Kommunion) sich mit anderen Holonen zu einem neuen Holon zusammenschließen (Fusion) in neue Holone zerfallen (Division) lemente integrieren, die zuvor keinem Holon angehört haben (Integration), oder lemente ausscheiden (Separation). Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

6 Das holare Modell (Auszug) Das gesamte Holare ersorgungssystem setzt sich aus Holonen zusammen. Innerhalb jedes Holons wird zu jedem Zeitpunkt gleich viel nergie bereitgestellt ( erzeugt ) wie verbraucht. Holone bestehen aus Holaren (energetischen) lementen. Holare lemente besitzen die Möglichkeit, mit mindestens einem Holonmanager zu kommunizieren. Holonmanager können holare lemente über Steuersignale beeinflussen (z. B. rzeugung, maximaler erbrauch). In jedem Holon gibt es eine Instanz Holonkoordinator, die mit Holonmanagern im eigenen Holon und den Holonkoordinatoren in anderen Holonen kommunizieren kann. Alle holaren lemente, die mit dem gleichen Holonmanager kommunizieren, bilden ein Holares Objekt. Holone können sich nach Holon-Regeln zu größeren Holonen zusammenschließen oder in kleinere Holone zerfallen. Die Umsetzung der Regeln erfolgt dezentral durch die Holonkoordinatoren und Holonmanager. Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

7 Holare lemente rzeugungselement () erbrauchselement () stellt nergie bereitstellt, die von erbrauchern im Holon genutzt wird (z. B. P-Anlage, Windrad, BHKW); stellt auch Systemdienstleistungen (z. B. Blindleistung) bereit verbraucht nergie, die von rzeugern im Holon bereitgestellt wird (z. B. Kühlschrank, Ladegerät, Gasheizung, -Auto-Batterie Umwandlungselement (U) wandelt nergie aus einer nergiedomäne in die nergieform einer oder mehrerer anderer nergiedomänen um. Die Teilelemente und gehören jeweils zu (unterschiedlichen) Holonen in den jeweiligen nergiedomänen. (z. B. BHKW, Gasheizung, PtG, PtH, Ortsnetztrafo ) Speicherelement (S) Leitungselement (L) nimmt nergie aus einer Domäne auf und gibt sie zeitlich verschoben wieder in die gleiche Domäne ab (z. B. Pumpspeicher, stationäre Batterie, rückspeisefähige -Auto-Batterie) verbindet,, U und S und ist in der Lage, den nergiefluss zwischen lementen abzubilden Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

8 Domänen und Holare lemente NB: s ist noch zu entschieden, wie wir das Umspannwerk darstellen wollen. Mittelspannungs-Domäne (Strom) Niederspannungs-Domäne (Strom) NB: Biogas BHKW, P-Anlage, Windanlage etc.) haben ihr außerhalb des Betrachtungsraums, gehören also keiner Domäne von PN an. Insofern sind es keine Umwandler Umwandler und nur diese stehen generell zwischen Domänen und verbinden diese. Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

9 Domänen und Holare lemente Niederspannungs-Domäne (Strom) Gas-Domäne Wärme-Domäne Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

10 Holone in den Domänen Mittelspannungs-Domäne (Strom) HK Niederspannungs-Domäne (Strom) HK HK Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

11 Holone und Holare Objekte Mittelspannungs-Domäne (Strom) HK Niederspannungs-Domäne (Strom) HM HM / HK HM HM / HK HM Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

12 Beispiele Holarer lemente :Kühlschrank: TYP MAX 150W MAXMAX 150W MIN 0W MINMIN 0W LG Lastgang AKT 150W FLX max. Länge der Aus -Phase; ASB -Bus AKF -Bus ZHM S 230 Hausnetz IS -Bus LAG 32U BS Huber :P-Anlage: TYP MAX 3,5 kwp MAXMAX 4,5 kwp MIN 0W MINMIN 0 LG AKT FLX ASB AKF ZHM - S IS Lastgang (Prognose) 2 kw jeder Leistungswert zwischen 0 und einem Prognosewert einstellbar ansteuerbarer Wechselrichter ansteuerbarer Wechselrichter 230 Hausnetz WLAN LAG 32U BS Maier S:Batterie: TYP S/ MAX 4 kw MAXMAX 5 kw MIN MINMIN 0 LG AKT - FLX ASB AKF ZHM S IS abhängig von Kapazität und Ladezustand; für Regelleistung freigehaltene Zeiten und Kapazitäten über Internet ansteuerbarer Wechselrichter Ladezustand etc. 400 Hausnetz LAG 34U Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

13 Holare erbindungen 1 2 LF 1 LF 2 H 11 LF 8 LF 3 H 22 LF 5 H 14 H 23 LF 6 LF 7 H 25 LF 9 LF 10 LF 11 LF 12 LF 13 LF 14 LF 15 LF 16 LF 17 LF Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

14 nergetische Zustände im Holon Überversorgung Der Bedarf (nergie, Leistung, Qualität) aller erbraucher in allen eingeschlossenen holaren lementen kann (von rzeugern, Speichern, Umsetzern im Holon) gedeckt werden (grün), wobei ggf. mehr produziert und abgegeben werden könnte (dunkelgrün). Normalversorgung Minimalversorgung Holarer Brownout Heartbeat- Zustand Holarer Blackout Der für das Holon definierte Minimalbedarf (nergie, Leistung) kann für alle holaren lemente (unter Nutzung deren Flexibilitäten) gedeckt werden. Die Minimalversorgung ist nicht gesichert, aber alle Holonkoordinatoren, Holonmanager und Steuerboxen sind voll versorgt und in der Lage, das Holon in eine Minimal-versorgung zu bringen bzw. mit einem anderen Holon zu fusionieren Holonmanager und Steuerboxen sind im Ruhezustand und können von einem vollversorgten Holon-Koordinator geweckt werden Holonkoordinator, Holonmanager und Steuerboxen sind nicht versorgt bzw. ausgeschaltet. Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

15 Zustände eines Holons rzeugung im Holon (1) Normalbedarf Minimalbedarf Ruhebedarf Holonmanager (1) Zur rzeugung zählt auch die vom (R)ONT bzw. Umspannwerk bereitgestellte Leistung. In Phase 4 dürfte die rzeugung ausschließlich von einem Batteriesystem bei den Holonmanagern stammen. Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

16 Ziele und Strategien im holaren System 1. Soweit möglich sollen alle erbraucher in allen holaren lementen in allen Holonen des Gesamtsystems vollversorgt werden (gemäß Normalbedarf). 2. Ist eine ollversorgung nicht möglich, so soll (ggf. durch Neuordnung der Holone) für möglichst viele holare lemente eine Mindestversorgung 1) ihrer erbraucher gewährleistet werden. 3. Im Falle von negativen internen oder externen inflüssen sollen deren Auswirkungen auf die ersorgung minimiert werden - auch unter Betrachtung von Kostenaspekten - (auch durch präventive Maßnahmen) soll möglichst schnell und möglichst kostengünstig ein fehlerfreier Zustand erreicht werden. 1) Die Mindestversorgung ist je holarem lement individuell und dynamisch zu definieren. Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

17 Prinzipien der Holonbildung (Diskussionsgrundlage) Gerät ein Holon in den gelben Zustand, so wird versucht, es mit anderen Holonen zu einem neuen Holon zusammenzuschließen, das sich dann im grünen Zustand befindet. Ist ein Holon im gelben Zustand und ein Übergang in den grünen Zustand nicht möglich, so wird für alle Holaren lemente zuvorderst deren Minimalversorgung gewährleistet, eine vereinzelt höhere ersorgung ist entsprechend vorherigen ereinbarungen zu leisten. In dieser Situation wird weiterhin hin versucht zu fusionieren. Ist ein Holon im grünen Zustand, so wird versucht es in kleinere Holone zu zerlegen, sofern diese alle im grünen Zustand bleiben und die Rahmenbedingungen (Wirtschaftlichkeit, Resilienz, ) erfüllt sind. Kommt ein Holon in den dunkelgrünen Zustand, so bietet es seinen Überschuss an und zeigt die Bereitschaft, mit anderen Holonen zu fusionieren und damit ggf. ein größeres Holon zu bilden, das sich im (dunkel)grünen Zustand befindet). Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

18 Fehlereintritt traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Hochspannungsnetz 110 k offene vollautomatisiert intritt des Fehlers (Ausfall der kompletten Ortsnetzstation) nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter geschlossene offene

19 Netzabschaltung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) vollautomatisiert Hochspannungsnetz 110 k Automatisierte Abschaltung des fehlerbehafteten Netzabschnittes durch die Schutztechnik (es erfolgt eine Rückmeldung an die Netzleitstelle) offene nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter ON geschlossene offene

20 rsatzversorgung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Hochspannungsnetz 110 k Wiederversorgung der unterlagerten Niederspannungsnetzabschnitte mittels mobilen Netzersatzanlagen Niederspannungsnetz (0,4 k) geschlossene vollautomatisiert nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter ON geschlossene offene

21 Wiederherstellung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) vollautomatisiert Hochspannungsnetz 110 k Nach Beseitigung des Fehlers (Austausch von Betriebsmitteln bzw. rrichten eines Provisoriums) wird der Normalzustand (Schaltzustand) wieder hergestellt, dies erfolgt durch das Betriebspersonal vor Ort unter inbezug der Netzleitstelle offene nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter geschlossene offene

22 Fehlereintritt holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k 1 6 Holon A 5 7 vollautomatisiert 2 A vollautomatiisert ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter 4 BHKW 8 BHKW offene 3 B geschlossene Holon B

23 Neubildung von Holonen holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k 6 5 Holon C 1 7 vollautomatisiert 2 Holon A vollautomatiisert ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter BHKW 10 8 BHKW Holon B

24 Wiederherstellung holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k 6 5 Holon C 1 7 vollautomatisiert 2 Holon A vollautomatiisert ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter BHKW 10 8 BHKW Holon B

25 Fazit Das Holare Modell erlaubt eine einheitliche Beschreibung mehrerer nergiedomänen. 1) Holare Systeme versprechen hohe Resilienz bei niedrigen Kosten. Holare Objekte könnten die lemente eines neuen Marktmodells sein. 1) auch in einem zukünftigen Gleichstromsystem Ludwig Karg, Smart Grids Week, Wien

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