Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke

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1 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke Dipl. - Ing. Heinz Hagenlocher Leitung Energy Automation Solutions Karlsruhe März 2013 AVAT Automation GmbH Derendinger Strasse 40, Tübingen Telefon Telefax

2 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

3 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

4 AVAT Automation GmbH, Tübingen Intelligente Konzepte zur Effizienzerhöhung bei der Energieerzeugung Reduzierung von CO 2 - und Schadstoff-Emissionen Nutzung regenerativer Energien Wir leisten einen umfassenden und nachhaltigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz sowie zur Schonung der endlichen Ressourcen. Dezentrale Energieerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung spielt eine Schlüsselrolle beim Klimaschutz. Wir sind eines der weltweit führenden Unternehmen bei dieser Technologie. Automation + Prozessleittechnik: komplette und durchgängige Systemlösungen für die Versorgungs- und Verfahrenstechnik runden unser Leistungsportfolio ab.

5 Meilensteine 1988: Frank Ganssloser startet mit einem Ingenieurbüro für dezentrale Energie- Erzeugung und Versorgungstechnik 1993: Gründung AVAT Automation GmbH in Tübingen (8 Mitarbeiter): Entwicklung von Steuerungen für BHKW- Gasmotoren und Automationslösungen für die Versorgungstechnik 2012: ca. 70 hoch qualifizierte, engagierte MitarbeiterInnen in interdisziplinären Teams: überwiegend Ingenieure verschiedener Fachrichtungen, Informatiker, Naturwissenschaftler.

6 Unsere Geschäftsbereiche EAS Energy Automation Solutions Automation + Leitsysteme für die Versorgungs- und Verfahrenstechnik Kompetenz in Automation und Prozessleittechnik + Expertise in Versorgungstechnik und Energiewirtschaft: Ganzheitlicher Ansatz, durchgängige Konzepte, individuelle und nachhaltige Lösungen genau für Sie passend! Partner für kommunale und regionale Versorger sowie den Anlagenbau. ECS Engine Control Systems Motormanagementsysteme für BHKW-Gasmotoren Dezentrale Energieerzeugung auf Basis KWK - AVAT ist Technologieführer weltweit Kompetenz Motormanagementsysteme: Software- und Systementwicklung + Know-How Gasmotoren u. Verbrennungsprozess Partner der Motorenhersteller

7 ECS Kompetenz Motormanagementsysteme: Expertise in Software- und Systementwicklung + Know-How Motor und Verbrennungsprozess Fachübergreifendes Wissen in der Gasmotorentechnologie Konzepte von der Idee bis zur Serienanwendung Technologieführer bei der Entwicklung von Motormanagementsystemen für Gasmotoren OEM-Partner von international operierenden Herstellern von BHKW-Gasmotoren für Produktentwicklung und Serienlieferung Kooperation mit führenden Entwicklern und Herstellern von Gasmotoren Zusammenarbeit mit Hochschulen und Forschungseinrichtungen Mitgliedschaft in internat. Gremien 7

8 Partner für kommunale und regionale Versorger Konzepte, Systeme, individuelle Lösungen Kompetenz in Automations- und Leittechnik + Expertise in Versorgungstechnik und Energiewirtschaft Automationstechnik: Messen, Steuern, Regeln Fernwirk-, Daten- und Kommunikationstechnik Leittechnik: Bedienen, Überwachen, Alarmieren, Archivieren Energie- und Lastmanagement, Optimierungsstrategien EAS BHKW-Automation - hocheffizente Energieerzeugung mit KWK vom Motormanagement-System bis zur Kraftwerks-Leittechnik Heizkraftwerke, Energie-Zentralen, Nah- und Fernwärme Verbundleitsysteme / Netzleittechnik Stadtwerke-Lösungen für Wasser, Gas, Wärme und Strom Erneuerbare Energien: Biogasanlagen, Biomasse-Heizkraftwerke Energetische Klärschlammverwertung (Synthesegaserzeugung) Virtuelle Kraftwerke / SmartGrids - optimierter Einsatz dezentraler Energieerzeuger, Speicher und Verbraucher Energiehandel-Softwaretools (Strom/Gas) 8

9 Unsere Kunden Stadtwerke Stadtwerke, regionale Versorger Öffentliche Auftraggeber Energiekonzerne, Anlagenbauer und Systemlieferanten Fernwärmegesellschaft Baden-Württemberg mbh Gasmotoren- Hersteller

10 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

11 Energiewende - Herausforderung und Chance Der Ausbau der Erneuerbaren Energien Wind und PV führt zu zunehmender unstetiger Netzeinspeisung. Dies wiederum bedeutet Fluktuationen im Netz, da das Leistungsangebot starken - auch saisonalen - Schwankungen unterliegt. Der Strompreis am Spotmarkt korrelliert mit der Menge der aktuell eingespeisten Erneuerbaren Energien. Energiebalance: Um Angebot und Nachfrage im Stromnetz auszugleichen sind flexible Erzeugungsanlagen und intelligentes Lastmanagement genauso gefragt wie neue Möglichkeiten der mittel- und längerfristigen Energiespeicherung Das bisheriges klassische Energiesystem mit Erzeugern und Verbrauchern löst sich auf. Es gibt vermehrt Prosumer. Es entsteht ein Kapazitäts- bzw. Energie-Marktplatz, ein Internet der Energie. Energiewende gelingt nur mit Energieeffizienz KWK ist Schlüsseltechnologie Wenn die Energiewende gelingen soll, muss Energieeffizienz auf der Nachfrage- und der Angebotsseite ganz oben auf der Agenda stehen. Der volkswirtschaftliche Vorteil ist eindeutig: deutliche Reduzierung des fossilen Energieeinsatzes und damit der CO2-Emissionen. Die Kraft-Wärme-Kopplung ist eine Schlüsseltechnologie für eine verbesserte Energieeffizienz auf der Angebotsseite - KWK-Anlagen erreichen einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent Berlin ASUE

12 Virtuelle Kraftwerke Wichtige Bausteine beim Umbau des Energiesystems sind Virtuelle Kraftwerke (VPP Virtual Power Plant), ein Verbund dezentraler Energieerzeugungsanlagen mit informationstechnischer Vernetzung und zentraler Steuerung zur Einsatzoptimierung der Erzeuger. VKs ermöglichen eine kurzfristige und flexible nachfragegeführte Bereitstellung elektrischer Energie. Diese bedeutet aber auch veränderte Anforderungen an die Netzinfrastruktur, da Erzeugung und Verbrauch flexibler werden und zeitlich differieren können. Voraussetzung für eine effiziente Steuerung der vernetzten Anlagen und ein flexibles Lastmanagement ist die Erfassung und Übertragung aller Verbrauchsinformationen. Virtuelle Kraftwerke mit BHKWs Ausgleich fluktuierender Stromeinspeisungflexibel und ökologisch Eine künftig stärker marktorientierte Fahrweise der dezentralen KWK- Anlagen trägt zum Ausgleich der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind- und Solaranlagen bei, insbesondere auch durch die Möglichkeit ihrer Zusammenschaltung ( virtuelle Kraftwerke ). Sowohl im Hinblick auf ihre Flexibilität als auch ihre ökologische Bilanz schneiden sie dabei deutlich besser ab als die Anlagen im bestehenden Kraftwerkspark Berlin ASUE

13 Smart Grids Bei Smart Grids geht man noch einen Schritt weiter und integriert neben Erzeugern auch Verbraucher, Speicher und Netzinfrastruktur. Ein Smart Grid ermöglicht es durch intelligentes Management energie- und kosteneffizient zwischen einer Vielzahl von Verbrauchern, Erzeugern und in Zukunft auch verstärkt Speichern ein Gleichgewicht herzustellen. Smart Grids sind ein wichtiger Schlüssel zur Sicherstellung eines hocheffizienten und zuverlässigen Energiesystems der Zukunft. Smart Grids: moderne, intelligente Netze steuern Erzeuger, Speicher und Verbraucher Über nachfrageseitiges Lastmanagement soll sich in Zukunft die Energienachfrage stärker an das Angebot anpassen. Dafür werden moderne, intelligente Netze und geeignete Anreize benötigt. Diese so genannten Smart Grids werden zukünftig Stromerzeuger, Speicher, Verbraucher und das Stromnetz mit moderner Informationstechnik steuern Karlsruhe

14 Vom Smart Grid zum Smart Market Quelle: Bundesnetzagentur 2012

15 Was hat AVAT mit virtuellen Kraftwerken zu tun? 25 Jahre BHKW-Automation - über 500 PJ BHKW Know-How BHKW-Motormanagement-Systeme (ca. 6,5 GW el.) Kompetenz in Automation und Leittechnik + Expertise in Versorgungstechnik und Energiewirtschaft Erfahrung mit Heizkraftwerken/Wärmeversorg.(Energieeffizienz!) Fokus auf mittlere bis größere Anlagen (Kosteneffizienz!) Virt. Kraftwerk Unser Thema seit 13 Jahren: Vernetzung und Einsatzoptimierung räumlich verteilter BHKWs (Pool) Ganzheitlicher Ansatz: Automation + Anlagentechnik/Hydraulik VK-Integration von Bestandsanlagen, ggf. inkl. Anpassung Sensorik/Messumformer, Aggregate, hydraul. Einbindung, etc. Durchgängige Lösungen vom Feldgerät bis zur Leitebene, vom intelligenten Interface bis zum zentralen Server mit Schnittstelle zum Stromhandel kompl. Projektlösungen aus einer Hand. Optimierter BHKW-Einsatz Energie- und Lastmanagement Virtuelle Kraftwerke Demand Side Management Virtuelle Stromspeicher

16 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

17 Virtuelles Kraftwerk 3 Lösungsansätze Lösungsansatz 1: Preisgesteuertes Erzeugungsmanagement: Einsatzoptimierung von BHKWs Lösungsansatz 2: Preisgesteuertes Lastmanagement: Lastverschiebung (Demand Side Management) Lösungsansatz 3: Preisgesteuertes Erzeugungs- und Lastmanagement: Power-to-Heat (Virtueller Stromspeicher)

18 Lösungsansatz 1: Preisgesteuertes Erzeugungsmanagement: Einsatzoptimierung von BHKWs Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von einzelnen BHKW durch Vernetzung der Anlagen Optimierung durch ein zentrales Leitsystem Spitzenlast-Abdeckung von Bedarfsspitzen(Peak Shaving): Zuschaltung der BHKW sobald die Netzlast steil ansteigt Strombezugsoptimierung Nutzung der durch intelligentes Wärmespeicher-Management sich ergebenden Flexibilitäten der BHKW Mögliche Zusatzerlöse durch Vermarktung von Regelenergie und Reserveleistung Vermarktungsmöglichkeit der Flexibilitäten am Spotmarkt

19 Lösungsansatz 2: Preisgesteuertes Lastmanagement: Lastverschiebung (Demand Side Management) Automatisch geregelte Anpassung des Stromverbrauchs an die regenerative Stromerzeugung Nutzung des Lastverschiebepotenzials bei energieintensiven und flexiblen, d.h. steuerbaren oder unterbrechbaren Verbrauchern. Geeignete Anlagen sind zb. Pumpen in der Wasserversorgung, Kühlhäuser, Ladestationen, Trocknungsanlagen, etc. Wirtschaftliche Effekte durch Verlagerung der Betriebszeiten dieser Verbraucher in Zeitphasen hoher regenerativer Einspeisung, d.h. niedriger Spotmarktpreise Demand Side Management Grafik: etap

20 Lösungsansatz 3: Preisgesteuertes Erzeugungs- und Lastmanagement: Power-to-Heat (Virtueller Stromspeicher) Nutzung von EE- Überschuss-Strom zur Erzeugung von Wärme Wärmespeicherung in Form von Heißwasser: einfach und effizient Hybride Wärmeerzeugung: flexibel steuerbare Kombination von fossilen und elektrischen Wärmeerzeugern Gezielter Einsatz unterschiedlicher Strom- und Wärmeerzeuger bzw. Stromverbraucher: Strom- und Wärme-Erzeugung durch BHKW in Strom-Spitzenlastphasen, d.h. Zeiten hoher Strompreise Betrieb von Wärmepumpen und/oder Elektro-Erhitzer (Stromverbraucher) bei Strom-Überschuss, d.h. Zeiten niedriger Strompreise Intelligentes Wärmespeicher-Management zur zeitlichen Entkopplung der stromgeführten Wärmeerzeugung von der Wärmelast Berechnung der optimalen Betriebszeiten der Aggregate abhängig von Wetter- und Wärmebedarfsprognose sowie verfügbarer Speicherkapazität

21 Vorteile Power-to-Heat Effiziente, dezentrale und flexible Nutzung von EE-Überschuss-Strom Substitution fossil erzeugter Wärme durch Wärme aus EE-Strom bei gleichzeitig hoher Primärenergie-Einsparung Ausgleich saisonaler Schwankungen von EE-Erzeugung bzw. Wärmeabnahme durch Nutzung des Gasnetzes als virtuellen Stromspeicher Nutzung des Stromnetzes als Marktspeicher durch Strom-Einspeisung in Zeiten geringer EE-Erzeugung Strom-Entnahme in Zeiten von EE-Überangebot Hohe Flexibilität bzgl. Wärme- und Stromerzeugung bzw. Verbrauch: Zeiten und Mengen können dem aktuellen Bedarf angepasst werden Mögliche Zusatzerlöse durch Bereitstellung von Regelenergie bzw. durch Stromhandel am Spotmarkt Ausgleich von Netzlastschwankungen verfügbare Technik: einfach, bewährt und preisgünstig Aber: Die aktuellen energiepolitischen und gesetzlichen Randbedingungen schränken die Wirtschaftlichkeit noch stark ein!

22 Power-to-Heat : Substitution von Primärenergie durch EE-Strom Substitution von fossil erzeugter Wärme durch Wärme aus EE-Strom unter Einsatz hybrider Wärmeerzeuger Substitutionspotenzial ergibt sich aus dem Anteil fossil erzeugter Wärmeenergie am Endenergieverbrauch Blaue Segmente = In hybriden Wärme- Erzeugern theoretisch nutzbare Anteile des Endenergie-Verbrauchs in Deutschland. 52% = ca TWh/a *) *) zum Vgl. PSW Atorf: 0,25 TWh/a = 0,2 Quelle: AG Energiebilanzen e.v. BM für Wirtschaft und Technologie. FhG-Institut f. System-u.Innovationsforschung, München 2009

23 Windmühlen taugen nicht für preiswerte öffentliche Stromversorgung.[ ] Für preiswerte Raumheizung, [ ] taugen sie dagegen sehr gut: Die von wechselnden Winden getriebenen Mühlen produzieren billig Strom mit schwankender Spannung und geben ihn mit einer Art Tauchsieder in den heimischen Wasserspeicher ab. Wind: Heizung für Millionen Spiegel Ausgabe 52/1980 Auch heute noch ist die Beherrschung der Einspeisung erneuerbarer Energien eine große Herausforderung: Volatile Erzeugung und flexible Nachfrage zu jedem Zeitpunkt effizient aufeinander abzubilden wird zu einer komplexen energielogistischen Aufgabe!

24 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

25 Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Unterschiedliche VK-Strukturen verschiedene Ansätze Zentrales Lösungskonzept: sehr viele gleiche/gleichartige Anlagen (Schwarm) Neuanlagen ohne individuellen Anpassungsaufwand Anlagen im unteren Leistungsbereich (Mikro-KWK) geringe Komplexität ohne Regelungsfunktionen einfache Schnittstellen, einheitliche Protokolle wenig zu übertragende Daten Preissensibilität bzgl. Aufschaltung auf Virtuelles Kraftwerk einfaches Gateway, geringe (absolute) Kosten

26 Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Unterschiedliche VK-Strukturen verschiedene Ansätze Konzept mit dezentraler Intelligenz: unterschiedliche Arten und Konfigurationen von Anlagen Kombination von Erzeugern und Verbrauchern (Bestands-)Anlagen mit individuellen Anpassungsaufwand Komplexere Anlagen im oberen Leistungsbereich Anforderungen an Mess-, Steuer- u. Regelungstechnik unterschiedlichste Schnittstellen und Protokollen Vielzahl von lokal anfallenden Daten Intelligenter Interface-Controller, höhere (absolute) Kosten, aber bei größeren Anlagen relativ preisgünstig

27 Konzept mit dezentraler Intelligenz

28 Konzepte mit dezentraler Intelligenz Vorteile: Hohe Anlagenverfügbarkeit : bei Ausfall der Kommunikation sicherer, autarker Betrieb der dezentralen Energie-Anlagen (DEA) mit lokale Optimierung möglich (auch über mehrere Tage) Datensicherheit und Konsistenz: kein Datenverlust, da bei Verbindungsausfall lokal anfallende Daten zwischengespeichert und bei Verbindungsaufbau übertragen werden Datenschutz: Der Datenaustausch zwischen DEA und zentralem System ist begrenzt auf nur wenige relevante Informationen Einfache Strukturen: reduzierte Komplexität in der nächst höheren Ebene durch selbstregelnde Einheiten, die ihre Flexibilität autark ermitteln

29 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

30 Ein VK mit Vernetzung komplexerer, größerer Anlagen stellt höhere Anforderungen an die Automation. Neben einer umfassenden Messwert-Erfassung sind Steuer- und Regelungsmöglichkeiten der einzelnen dezentralen Energie- Anlagen (DEA), jeweils bestehend aus einer individuellen Kombination von Erzeugern, Verbrauchern und Speichern, erforderlich. Eine zentrale Optimierung einer individuellen DEA hätte eine lfd. Übertragung einer Vielzahl von Messwerten und Daten zur Folge. Bei entsprechend vielen DEAs entsteht eine zunehmend schwer beherrschbare Komplexität. Eine lokale regelungstechnische Optimierung minimiert dagegen die dezentralen Einflüsse auf das zentrale System, reduziert die Komplexität und sichert zudem einen sicheren und autarken Betrieb der DEA auch bei Ausfall der Kommunikation.

31 Effektive Steuerungs- und Regelungsmechanismen erfordern genaue Kenntnis über die aktuelle Erzeugungsund Lastsituation sowie den Speicherladezustand. Erforderlich sind geeignete Sensoren sowie eine entsprechend ausgelegte Messwert-Erfassung und - Verarbeitung um jederzeit ein aktuelles Abbild der Regler- Eingangsgrößen zu haben. Die Steuerung der DEA ermittelt aus diesen Randbedingungen und lokaler Lastprognose eine Flexibilität der Anlage (Erzeugungsprognose) und bietet diese dem überlagerten zentralen System an. Werden dem dezentralen System auch aktuelle Börsenpreis-Informationen zur Verfügung gestellt, kann zudem direkt ein börsenpreisoptimierter Anlagen-Fahrplan erstellt und an das zentrale System übertragen werden.

32 Die überlagerte Leittechnik optimiert anlagenübergreifend und abhängig von einer gewählten Strategie den Einsatz der vernetzten DEAs, abhängig von deren angebotenen Flexibilität. Mögliche Strategien sind, zb. Regelenergievermarktung, Börsenhandel, Eigenerzeugung, Bezugsspitzenkappung, Netzstabilisierung, etc. Somit ergeben sich in der Regel wirtschaftliche Vorteile wie Zusatzerlöse, Einsparungen bei Bezugskosten und Netzausbaukosten, aber auch Netzstabilität. Ebenso wird die Integration der Erneuerbaren Energien erleichtert.

33 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

34 Funktionale Anforderungen an die DEA-Automationsstation Sicherstellung der Wärmeversorgung lokale Regelung von Netzvorlauftemperatur, außentemperaturgeführt Heizkreise (Anzahl parametrierbar) Brauchwasserbereitung Kessel -Vorlauftemperatur Frei parametrierbare Zeitschaltuhren (z.b. für Nachtabsenkung) Erfassung aller relevanten Messwerte (Temperaturen) Erfassung, Logging und Übertragung von Zählerdaten (Strom, Gas, Wärme) Erfassung der Meldungen der Sicherheitseinrichtungen (GWA, BMA) Anlagenüberwachung

35 Funktionale Anforderungen an die DEA-Automationsstation lokale Optimierung von Erzeugung/Verbrauch/Speicherung: Anwahl/Abwahl der unterschiedlichen Wärmeerzeuger Pufferspeicher-Management Zuschaltung steuerbarer Verbraucher (zb. Elektro- Direkterhitzer für Wärmespeicher) Ermittlung der lokalen Wärmebedarfsprognose, errechnet aus historischen Daten und vom Server übertragenen Wetterprognosen Ermittlung der Flexibilitäten für die DEA-übergreifende VK- Optimierung, d.h. Prognose bzgl. des Bereichs der BHKW- Laufzeit (Erzeugungsprognose) Autarke Umsetzung der vom Server übertragenen Soll- Fahrpläne und Ausführung von Direktsteuerbefehlen

36 System-Anforderungen an die DEA-Automationsstation Stabiler, autarker Betrieb der DEA Controller mit uneingeschränkte SPS-Funktionalität modulares System, skalierbare Leistung, Speicher erweiterbar Standard-Programmierumgebung IEC Automation: Messen, Steuern, Regeln Anlagenvisualisierung / Anlagenstatusübersicht Datenlogging, Trendkurven, Monitoring, Alarmierung Betriebstagebuch Umfangreiche (Fern-) Parametrierbarkeit der DEA Anlagen-Konfiguration Selbstanmeldung der DEA am Server (Auto-Konfiguration) Besonderheiten bei Aufschaltung von Bestandsanlagen: Veraltete unterlagerte Steuerungen für BHKW, Kessel, etc Sonder-Signale, proprietäre Schnittstellen und Protokolle hohe Anforderungen an Flexibilität bzgl. System + Systemhaus

37 Anforderung Kommunikation Offenes System, Internetzugang, Webserver, standardisierte IEC-Protokolle, Kommunikation mit Server über sichere VPN-Tunnel- Verbindung Übertragung aller relevante Mess- und Zählwerte, Statusinformationen, Alarme, Betriebstagebuch, etc. Zyklische Übertragung von Erzeugungsprognosen, Messwerte und Status-informationen Übertragungszyklus parametrierbar Im Fernzugriff: Parametrierung, Statusinformationen, Diagnose, Software-Download, etc. Statusinformation/Visu via Webzugriff mit internetfähigem Gerät, lokal (Panel) oder aus der Ferne

38 smartenergy - AIC der Anlagen-Interface-Controller: VK-Intelligenz vor Ort Ansteuerung der Anlagenkomponenten Umsetzung des einsatzoptimierten Betriebs gemäß vorgegebenen Soll-Fahrplänen Pufferspeichermanagement Wärmebedarfsprognose Erfassung, Speicherung und Übertragung von Verbrauchs- und Einspeisedaten Speicherladezustand und Messwerten Betriebs- und Zustandsinformationen Funktionsüberwachung der Anlagenkomponenten Sicherstellung autarker Betriebs bei Kommunik.-Ausfall Auslösung von Warnungen, Störmeldungen, Alarmen Intergrierte Smart-Metering Funktionalitäten Tarif-Management

39 smartenergy AIC die ganze Kommunikation vor Ort Vernetzung über sichere und geschützte DSL / VPN-Tunnel- Verbindungen mit IPsec (=sichere IP-Übertragung) TCP/IP-Socket-Kommunikation Übertragung via HTTP/FTP (XMLoder CSV-Dateien) oder IEC Protokoll, (IEC in Vorbereitung) Web-Server ermöglicht Zugriff mit Smartphone via Internet (Anlagenstatus) Schnittstelle zur Anlagentechnik: MBus, diskrete Analog/Digital-E/A- Signale, IEC /104 VPN-Tunnel HTTP/FTP AVAT VK-eManager Internet Webserver 1 AVAT Leitsystem VPN- Router Modem 1 (DSL, Kabel ) VPN-Router 1 Firewall HTTP/FTP VPN-Tunnel Webserver n Fernzugriff FairEnergie Fernzugriff Hochschule RT Modem n (DSL, Kabel ) VPN-Router n VPN-Tunnel

40 Automations- und Leittechnik für virtuelle Kraftwerke AVAT Automation GmbH, Tübingen Einleitung Struktur eines Virtuellen Kraftwerks Zentrale Konzepte vs. dezentrale Intelligenz Anforderung an die Automationsund Leittechnik Schnittstelle zur Anlagentechnik Konkrete Projektbeispiele

41 Konkrete Projektbeispiele Lösungsansatz 1: Preisgesteuertes Erzeugungsmanagement Einsatzoptimierung von BHKWs Virtuelles Kraftwerk Reutlingen Lösungsansatz 2: Preisgesteuertes Lastmanagement Lastverschiebung (Demand Side Management) Wasserversorgung Rottenburg Lösungsansatz 3: Preisgesteuertes Erzeugungs- und Lastmanagement Power-to-Heat (Virtueller Stromspeicher) Wärmeversorgung Liegenschaft Land B-W

42 Lösungsansatz 1: Preisgesteuertes Erzeugungsmanagement Einsatzoptimierung von BHKWs Virtuelles Kraftwerk Reutlingen smartenergy-server Energie- und Lastmanagement EEG KWKG Internet AIC Anlagen-Interface- Controller Fotos: COMUNA-METAL, SENERTEC

43 Virtuelles Kraftwerk Reutlingen Virtuelles Kraftwerk Ein Gemeinschafts-Pilotprojekt der FairEnergie Reutlingen, zusammen mit der Hochschule Reutlingen, dem Steinbeis- Forschungszentrum und AVAT Automation. Ziel Strompreis-geführter, wirtschaftlich optimierter Einsatz bereits installierter BHKWs im Verbund, unter Einbezug der jeweils lokal vorhandenen Heizkraftwerks-Infrastruktur und unter Sicherstellung der lokalen Wärmeversorgung. Vorgehen BHKWs und Wärmespeicher in geeigneten Objekten werden mit intelligenten Anlagen-Interface-Controllern (smartenergy-aic) ausgestattet und mit einem zentralen Leitsystem (smartenergy- Server) über Internet verbunden. Steinbeis-Forschungszentrum Wärme- und Energietechnik, Stirling Maschinen

44 Virtuelles Kraftwerk Reutlingen Zentrale Optimierung Das Leitsystem optimiert anlagenübergreifend und abhängig von einer gewählten Strategie den Einsatz der vernetzten DEA, z.b. : Verschiebung der BHKW-Laufzeiten in die Zeitphasen niedriger regenerativer Einspeisung, d.h. hoher Spotmarktpreise, unter Ausnutzung der sich bei intelligentem Wärmespeicher-Management ergebenden Flexibilitäten Flexibilität Die Berechnung dieser Flexibilität erfolgt dezentral in den intelligenten AICs aus einer lokalen Wärmebedarfs- und Erzeugungsprognose Erlösorientierte BHKW Einsatzoptimierung Netzstabilität Lastspitzen- Kappung (Peak- Shaving) Optimierung Energiebezug Strom/Gas Kurzfristige Bereitstellung Regelenergie Option Spotmarkthandel

45 Virtuelles Kraftwerk Reutlingen Lastprognose Aus den der jeweiligen DEA vorhandenen Randbedingungen (Wetterprognose, historische Daten, Gebäudekenngrößen, etc. ) wird über einen geeigneten Algorithmus eine Wärmebedarfs- Prognose (Lastprognose) ermittelt und sukzessive adaptiv optimiert. BHKW-Laufzeitprognose Aus der Lastprognose wird unter Berücksichtigung von Anlagen- und Gebäudeverhalten ein BHKW-Laufzeit-Prognoseprofils errechnet. Diese BHKW-Laufzeitprognose wird in Form einer minimalen und maximalen BHKW-Laufzeitgrenzlinie (Erzeugungs-Flexibilität) an das Leitsystem übertragen. Soll-Fahrplan Unter Einbezug aller angebotenen Flexibilitäten ermittelt das Leitsystem wiederum die optimalen BHKW-Laufzeit-Sollprofile (Fahrpläne) für jede auf das virtuelle Kraftwerk aufgeschaltete DEA. Dezentral: Berechnung Lastprognose Ermittlung der Flexibilität (Laufzeitprognose) Zentral: Optimierung und Generierung Soll-Fahrpläne

46 Stromvermarktungspreise Gesetzl. Randbed. (EEG, KWK) Optimierungs-Strategien Erzeugungs-Management smartenergy - Server BHKW Erzeugungs-Flexibilität Sollfahrplan Lastprognose Erzeugungsprognose -Algorithmus smartenergy - AIC Wetterprognosen Kalenderdaten Historische Werte Gebäudekonstanten Speicherladezustand Betriebszustand Messdaten (Außentemp., VL/RL- Temp. ) Betriebsdaten (BHKW, SLK, ) Anlagenparameter Anlagenkonstanten Steuerbefehle DEA (BHKW, Spitzenlastkessel, Speicher, )

47 Dezentrale Energieerzeugungsanlagen Komponenten: BHKW Pufferspeicher mit Ladezustandserfassung Spitzenlastkessel Verbrauchserfassung (Strom- und Wärmemengenzähler) Temperaturfühler (Außen-Temperatur, VL, RL, x-mal Speicher) Anlagen-Interface- Controller AIC Steinbeis-Forschungszentrum Wärme- und Energietechnik, Stirling Maschinen

48 Virtuelles Kraftwerk Blockdiagramm Netzleittechnik smartenergy Server smartenergy AIC Anlagen-Interface-Controller BHKW Controller BHKW Pufferspeicher Spitzenlast-- Gaskessel Solarthermie

49 Virtuelles Kraftwerk Systemaufbau smartenergy Server Internet Erzeugungsprognose ( Flexibilität ) Statusinformationen AIC 1 Internet Erzeugungsfahrplan Direktsteuerbefehle Wetterprognosen AIC 2 AIC 3 AIC n smart Energy AIC Anlagen- Interface- Controller

50 smartenergy - AIC VK-Intelligenz vor Ort Basisfunktionalitäten AIC Sicherstellung der Wärmeversorgung Lokale Regelung und Optimierung Intelligentes Speichermanagement Berechnung von Day-Ahead-Lastprognosen (Wärmebedarf) der einzelnen Verbraucher anhand konkreter Vergangenheitsdaten unter Einbeziehung von Wetterprognosen über spezielle Algorithmen und Strategien Generierung von Erzeugungsprognosen (Flexibilität) Anlagen-Parametrierung Anlagen-Visualisierung/Monitoring (Warnung, Störmeldung, Alarmierung) System-Überwachung, Sicherheitsmanagement

51 smartenergy - Server E-Management-Strategien für den Betrieb des virtuellen Kraftwerks Einsatzoptimierung der im VK zusammengeschalteten BHKW nach wählbaren Optimierungsstrategien Zentrales Fahrplan-Management unter Einbeziehung der Erzeugungsprognosen (Flexibilitäten) der aktuellen Netzlastsituation von gewählten Strategien (Bezugsverträgen, Vermarktungsoptionen, Spotmarktpreisen, ) gesetzl. Rahmenbedingungen (EEG, KWK, ) Generierung anlagenspezifischer Soll-Fahrpläne und Übertragung an die AICs Online-Optimierung: Laufende Einbeziehung der aktl. Erzeugungsprognosen Schnelles Ausregeln von Abweichungen durch Fahrplan-Aktualisierung Spontan-Anforderung BHKW (Peak-Shaving) Kommunikation mit übergeordneter Netzleittechnik SCADA-Funktionen: Visualisierung, Archivierung, Protokollierung

52 smartenergy - Server Besonderheiten smartenergyautomation Auto-Config: neu aufgeschaltete DEA werden automatisch erkannt und ins System integriert; Datenmodell und Archive für Messwerte generiert etc. Anlagenvisualisierung über importiertes R+I - Schema mit variabler Messwertanzeige ohne Programmänderung online anpassbar Störungs-/ Wartungsmanagement der aufgeschaltenen Anlagen Wartungsverträge mit geringen Reaktionszeiten Betreibermodelle mit hoher Verfügbarkeit Übersichtliche GoogleMaps TM -Darstellung Daten-Export auf EXCEL TM - Basis zur weiteren Auswertung (automatisierbar)

53 Lösungsansatz 2: Preisgesteuertes Lastmanagement Lastverschiebung (DSM) Wasserversorgung Rottenburg Wirtschaftliche Betriebsoptimierung von Wasserversorgungsanlagen mit Pumpwerken und Speichern Nutzung des Lastverschiebepotenzials, d.h. der vorhandenen Flexibilitäten bei der Befüllung von Wasserhochbehältern Verschiebung der Einsatzzeiten von Pumpen zur Speicherfüllung in Phasen hoher regenerativer Einspeisung, d.h. niedriger Spotmarktpreise Generierung optimierter Anlagenfahrpläne auf Basis von Strompreis-Prognosen, des prognostizierten Speicherabflusses und des aktuellen Füllstandes Laufende Berücksichtigung von Intraday-Preisänderungen sowie Regelenergie-Preisschwankungen Min- und Max-Füllstände und sonstige Randbedingungen zur Sicherstellung der Wasserversorgung sind parametrierbar.

54 Lösungsansatz 3: Wärmeversorgung Liegenschaft Land B-W Preisgesteuertes Erzeugungs- und Lastmanagement Power-to-Heat : Virtueller Stromspeicher Hybrid-Kraftwerk - Substitution von Erdgas durch EE-Strom flexible Wärmeerzeugung mit Kombination von fossilen und elektrischen Wärmeerzeugern Börsenpreis-gesteuerter Einsatz unterschiedlicher Strom- und Wärmeerzeuger bzw. Stromverbraucher: BHKW zur hocheffizienten Strom- und Wärme-Erzeugung Elektrisch betriebene Wärmepumpe und elektrischer Wärmeerzeuger Wärmespeicher mit intell. Speichermanagement zur Entkopplung der stromgeführten Wärme-Erzeugung von der Wärmelast Automatische Berechnung der optimalen Betriebszeiten der Aggregate abhängig von Wetter- und Wärmebedarfsprognose, verfügbarer Speicherkapazität aktueller regenerativer Stromeinspeisung (Börsen-Spotmarktpreise).

55 Power-to-Heat Hybride Wärme- Erzeugung mit BHKW und Wärmepumpe im Vergleich zur konventionellen Wärmerzeugung mit Gaskessel- Anlagen. Hohe Primärenergie Einsparung und Markteffekte durch Börsenpreis-Differenzen

56 Fazit Virtuelle Kraftwerke sind wichtige Bausteine beim Umbau des Energiesystems, sind ohne lange Planungszeiten kurzfristig verfügbar, können vorhandene Infrastrukturen intelligent nutzen und haben keine Akzeptanzprobleme. Innovative Konzepte wie Virtuelle Stromspeicher nutzen auf ideale Weise überschüssigen EE-Strom und sparen gleichzeitig Primärenergie ein. Der Strommarkt wird zum Kapazitätsmarkt mit Erzeugungs-, Speicher- und steuerbaren Lastkapazitäten. Das Stromnetz wird zum Marktplatz! IT-, Kommunikations-, Automatisierungs- und Energie- Infrastruktur wachsen zusammen. Intelligentes Erzeugungs- und Lastmanagement wird zum entscheidenden Erfolgsfaktor. Benötigt werden hierfür passende technische Lösungen sowie kompetente und erfahrene Partner. vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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