umschalten auf energiewende mit intelligenter netztechnik.

Transkript

1 rwe Deutschland umschalten auf energiewende mit intelligenter netztechnik. Smart Operator. Das projekt zur effizienten Steuerung und Überwachung des niederspannungsnetzes. RWE Deutschland AG Kruppstraße Essen T F I

2 2 KOlumne VOrWOrt 03 für Die energiewende vor ort: Weniger netzausbau DurCH mehr netzintelligenz. Die Energiewende, über die viel gesprochen wird, ist im Stromverteilnetz längst da. Immer mehr kleine, dezentrale Erzeugungsanlagen, die ihren Strom zunehmend aus Sonne und Wind gewinnen, speisen ihn vor Ort ins Verteilnetz ein. Zwischen 2008 und 2013 hat sich die bundesweite Erzeugung aus EEG-Anlagen mehr als verdoppelt. Dieser Ausbau setzt sich dynamisch fort. Und mit diesem Tempo muss der Um- und Ausbau der Verteilnetze Schritt halten. Die Verteilnetze sind zu Energieeinsammlern geworden und müssen Leistungsschwankungen im Netz, die sich aus wetterabhängiger, dezentraler Erzeugung und verändertem Verbrauchsverhalten ergeben, zuverlässig beherrschen, ebenso wie sie Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit gewährleisten müssen. Die Zeiten der Bereitstellung von sicherem Strom ab Kraftwerk Richtung Verbraucher nach einfachen Standard-Lastprofilen sind vorbei. Wir als Energieversorger rücken noch näher zu unseren Kunden in den Städten und Gemeinden, Kunden, die als Prosumer selbst Energie produzieren, nutzen und in unsere Netze einspeisen. Dr. Joachim Schneider, Vorstand Technik, RWE Deutschland AG Für uns bedeutet Energiewende, diese mit Know-how und Innovationen voranzubringen. Dabei arbeiten wir in traditioneller Partnerschaft mit den Kommunen und ihren Bürgern und in enger Kooperation mit Wirtschaft und Wissenschaft an smarten Lösungen. So haben wir beim Projekt Smart Country die Bausteine für ein intelligentes, leistungsfähiges Stromverteilnetz auf dem Land erfolgreich in der Praxis getestet. Darauf aufbauend interessiert uns nun beim Projekt Smart Operator die Netzoptimierung durch künstliche Intelligenz im Ortsnetzbetrieb. Ziel ist es, die örtliche Netzinfrastruktur durch eine intelligente Steuerung mit neuartigen Komponenten effizienter zu nutzen. Hierzu kommuniziert erstmals ein Smart Operator im Verteilnetz mit intelligenter Gebäudetechnik in Testhaushalten. Dr. Joachim Schneider

3 04 Dezentrale erzeugung Dezentrale erzeugung 05 Dezentrale erzeugung. eine HerausforDerung für Die netze vor ort. Teil der Zukunftsnetze: Elektromobilität. Eine Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende sind Netze, die den neuen Anforderungen gewachsen sind. Die rasant steigende regenerative Erzeugungsleistung muss ohne Gefährdung der Netzstabilität sicher ihre Abnehmer erreichen. Energiewende findet auf dem Land statt Auf der Höchst- und Hochspannungsebene müssen die Stromautobahnen ausgebaut werden, um On- und Offshore-Windstrom aus Nord- und Ostdeutschland in die Verbrauchszentren im Westen und Süden unseres EEG-Anlagen im RWE-Verteilnetz in Megawatt Landes zu bringen. Das Gros der Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien aber erfolgt auf der Ebene der Nieder- und Mittelspannungsnetze. Nicht in den Städten, sondern auf dem Land sammeln die Verteilnetze rund 80 Prozent des dezentral erzeugten Stroms in Deutschland ein. Alleine an das Kilometer lange RWE-Verteilnetz sind mittlerweile über dezentrale Erzeugungsanlagen angeschlossen. Damit nehmen die Leistungsschwankungen im Verteilnetz zu. Denn Flaute und bedeckter Himmel bescheren Windkraft- und Solaranlagen Erzeugungspausen, genauso wie zu viel Sonne und Wind die Netze an ihre Belastungsgrenze bringen. Dabei muss das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch gemanagt werden, um einen effizienten Netzbetrieb zu ermöglichen. Innovationen: Smart Country und Smart Operator Richtungweisend ist das Projekt Smart Country in der Eifel. Die eingesetzten Betriebsmittel wie ein Mittelspannungsregler und die Kopplung eines Biogasspeichers mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zum Ausgleich von Schwankungen bei der Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen haben ihren Praxistest bereits bestanden. Ein daran anknüpfendes Pilotprojekt in Rheinland Wind Onshore Wasserkraft Biomasse Deponie-/Klärgas Solar Eine Handlungsoption, die Ortsnetze dieser Entwicklung anzupassen, ist der Ausbau der Netze, um deren Kapazität zu erhöhen. Unsere Alternative ist der optimierte Betrieb bestehender Verteilnetze mit intelligenten Netzkomponenten. Bei der Entwicklung und Untersuchung der Praxistauglichkeit solcher Innovationen ist RWE gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft Schrittmacher. Stromverbraucher werden zu Erzeugern. Pfalz und Bayern ist der Smart Operator: Es testet, wie Ortsnetze mit intelligenter Überwachung und Steuerung optimiert genutzt werden können. Dabei erfasst der Smart Operator Verbrauchs-, Erzeugungsund Wetterdaten und entwickelt daraus fortlaufend Einspeise- und Lastprognosen. Sie helfen, das bestehende Netzpotenzial durch Netzsteuerung mittels intelligenter Netzkomponenten und smarter Haustechnik besser auszunutzen. Heutige und zukünftige energieversorgung stellt neue Anforderungen An die netze 3 Höchstspannung 1 3 Optimierte Nutzung bestehender Infrastruktur Die zukünftige Situation auf Ortsnetzebene ist gekennzeichnet durch: > immer mehr dezentrale Erzeugung insbesondere durch Photovoltaik- und KWK-Anlagen > steigende Anzahl von E-Autos und Möglichkeit der Nutzung ihrer Batterien als Energiespeicher > ein verändertes Verbrauchsverhalten, verbunden mit dem Einsatz smarter Haustechnik und -geräte > neue Stromspeichertechnologien auch im Haus Mehr Energieeffizienz im Haushalt. Hochspannung Mittelspannung 6 Niederspannung On- / Offshore-Windparks 3 Kraftwerke 5 Biomasse-BHKW Netzstromspeicher Industrie 4 Solarkraftwerk 6 Einsatzgebiet Smart Operator Trafostation mit Smart Operator

4 06 Smart OperatOr Smart OperatOr 07 Der smart operator im niederspannungsnetz Dr.-Ing. Andreas Breuer, Leiter Neue Technologien, RWE Deutschland AG 11 Der Smart Operator ist eine kleine Box mit großer Wirkung, untergebracht in der Ortsnetzstation. Voller Hightech und programmiert mit einem Algorithmus wertet er laufend Daten aus dem Niederspannungsnetz aus und trägt dazu bei, Netze sicher und wirtschaftlich zu betreiben Home Energy Controller Photovoltaik Ladebox 10 Niederspannungsschalter 12 Wetterstation Intelligenter Zähler Stromspeicher Netzstromspeicher 11 Niederspannungs- und Kommunikationsnetz 13 Smart Operator in Trafostation Intelligente Hausgeräte Heizung / Wärmespeicher 14 Mittelspannungsnetz 9 Ladesäule

5 08 projektziele projektziele 09 mit fortlaufender DatenausWertung zur effizienten netzsteuerung. SMART OPERATOR: INTELLIGENTE ERFASSUNG UND BÜNDELUNG VON INFORMATIONEN AUS DEM Zwei Projektphasen KOORDINATION VON ERZEUGUNG UND VERBRAUCH ORTSNETZBEREICH Herzstück des Projekts ist der Smart Operator, oder der örtlichen Stromtankstelle, werden gebün- eine kleine Box, die in der Trafostation des Orts- delt verarbeitet und die Ergebnisse fortlaufend Daten erfassen Netzzustand ableiten Smart Operator netzes eingebaut werden kann. Als Nahtstelle zwischen Haushalten, Industrie- und Gewerbekunden und Verteilnetz managt der Smart Operator protokolliert und ausgewertet. Mit den so selbstständig generierten Erfahrungen mehrerer Tage und Wochen steuert der Smart Operator dann das selbstständig das lokale Niederspannungsnetz und Netz so intelligent, dass die Netzkapazität optimal Netz steuern und optimieren Prognose erstellen Regelbarer Ortsnetztrafo Niederspannungsschalter gleicht schwankende Lasten und Einspeisungen im Netz aus. Erforderlich ist dazu die kontinuierliche Sammlung und Auswertung von Daten aus dem Netz über Stromverbrauch, Einspeisung und genutzt wird. Das Smart Operator-Projekt gliedert sich in zwei Phasen. Phase eins ist die Entwicklung und der Batteriespeicher im Netz Speicherung. Aufbau des Smart Operator mit Mess- und Regeltechnik, intelligenten Netzkomponenten und Ladesäule Elektrofahrzeuge Das Niederspannungsnetz und das Kommunikationsnetz bilden dazu eine Allianz, wobei die in den Haushalten freiwilliger Projektteilnehmer installierten Home Energie Controllern (HEC). Intelligente Zähler Kommunikation über das örtliche Glasfasernetz oder über Powerline Communication (PLC) läuft. Die Projektphase zwei, die Validierungsphase, Home Energy Controller (HEC) Das PLC-Konzept nutzt die bereits vorhandenen Stromleitungen zur Datenübertragung. Daten, wie liefert die Erkenntnisse aus dem konkreten Betrieb des Smart Operator im Niederspannungsnetz der beispielsweise aus Haushalten, von der Wetterstation Modellregionen. Ziele des Projekts > die Funktionalität des Smart Operator zu Wir brauchen nicht nur Solarmodule, Windenergie- testen, der über Kommunikationstechnik mit anlagen, Elektroautos, intelligente Haushaltsgeräte dezentralen Erzeugern, Verbrauchern und und Stromzähler. Wir brauchen für die Energiewen- Stromspeichereinrichtungen im Niederspan- de im Stromnetz vor Ort eine intelligente Koordina- nungsnetz verbunden ist. Stromangebot und -nachfrage ohne Smart Operator Stromangebot und -nachfrage mit Smart Operator tion aller angeschlossenen Erzeuger, Verbraucher > durch Transparenz der Netzzustände und Verar- und Speicher, so Stefan Willing von RWE Deutsch- beitung von Wetterdaten und Einspeise- und land, Leiter des Smart Operator-Projekts. Ziele des Praxistests sind: Lastprognosen Erzeugung und Verbrauch auszugleichen. > Spannungsqualität und Versorgungssicherheit Verbrauch morgens abends Verbrauch morgens abends > mit einem Bottom-up-Ansatz die Aufnahmefähigkeit der Netze vor Ort für erneuerbare bei der Energiewende in den ländlichen Kreisen und Kommunen zu sichern und den Bürgern eine Einspeisung mittags Einspeisung mittags Energie zu erhöhen und dabei das Erfordernis möglichst wirtschaftliche Nutzung von Strom zu konventionellen Netzausbaus zu reduzieren. ermöglichen.

6 10 projektbausteine projektbausteine 11 leistungsfluss und energieeinsatz WerDen optimiert. Intelligente Hausgeräte. Smart Meter. Stromladesäule. Der Smart Operator als autonome Steuereinheit im intelligenten Orts- Im Zusammenspiel mit dem Home Energy Control- > Batteriespeicher sind Energiespeicher, die der netz wurde von Spezialisten der Rheinisch-Westfälischen Technischen ler im Haus und den Komponenten im Netz werden Speicherung dezentral erzeugter erneuerbarer Hochschule (RWTH) Aachen mit einem Algorithmus programmiert. der Leistungsfluss im Ortsnetz und der Energie- Energie zum Zwecke der späteren Nutzung Er verarbeitet anonymisierte Verbraucherdaten, nutzt Wettervorher- einsatz im Haushalt optimiert. Dies sind die im dienen. Dazu wird elektrische Energie in sagen und erstellt aus aktuellen Kundendaten und langfristigen Erfah- Smart Operator-Projekt zum Einsatz kommenden chemische Energie umgewandelt. Als Puffer- rungen Prognosen über zu erwartende Einspeiseleistungen und Lasten. Netzkomponenten: batterie für Solarstrom werden Blei- und Lithium- Bei einem Überangebot an erneuerbarer Energie sorgt er für deren ionenakkumulatoren eingesetzt. Nutzungsmöglichkeit vor Ort durch Speicherung. So wird der Stromfluss > Intelligente Zähler (erweiterte Smart Meter) > Stromladesäule ist die Lademöglichkeit für Elek- optimiert und das Ortsnetz stabil gehalten. Der Smart Operator enthält sind digitale Stromzähler mit Schnittstelle zum trofahrzeuge, bei der die Batterie eines solchen dabei drei Grundfunktionen: Kommunikationsnetz. Sie erfassen, wann wie Fahrzeugs mittels Kabelverbindung mit Strom viel Strom verbraucht wurde, und ermöglichen aufgeladen wird. Prognose erstellen: es mit dieser Transparenz, Stromfresser im > Aufruf alle sechs Stunden Haushalt zu identifizieren und günstige Tarif- > Bildung von Prognosen für die nächste 24-Stunden-Periode zeiten zu nutzen. KOMMUNIKATION ZWISCHEN SMART OPERATOR, > Errechnung von Einspeise- und Lastprofilen > Home Energy Controller basieren auf der intelli- HOME ENERGY CONTROLLER UND HAUSGERÄTEN genten Haussteuerung RWE SmartHome und Netze steuern und optimieren: > Aufruf jede Minute > Erfassung der aktuellen Netzdaten von intelligenten Zählern/Messstellen sind Bindeglied zwischen smartem Haushalt und Smart Operator. Der Datenaustausch ermöglicht die effiziente Nutzung von dezentral Smart Operator > Ableiten des Netzzustands und Steuern des Netzes erzeugtem Strom. > Intelligente Hausgeräte verbinden ressourcen- Lernvorgang: schonende Eigenschaften mit Kommunikations- > Selbstlernende Optimierungsfunktion fähigkeit. Sie werden über den Home Energy Controller (HEC) gesteuert. Home Energy Controller > Regelbarer Ortnetztrafo, eingebaut in einer Transformatorenstation, regelt Spannungsschwankungen im Netz aus. Die Regelung E-Mobilität Ladebox Elektrischer Speicher vergleicht die Spannung in der Station mit dem vom Smart Operator übermittelten Sollwert. > Niederspannungsschalter im Ortsnetz- Heizung/Wärmepumpe Warmwasserspeicher bereich werden zur besseren Verteilung der Energie in Teilnetzbereichen eingesetzt. Sie befinden sich zusammen mit Schutz- Intelligente Hausgeräte Photovoltaik geräten im Niederspannungsschrank und Smart Operator. Batteriespeicher im Netz. Innenansicht Ortsnetztransformator. sind fernsteuerbar.

7 12 projektpartnerschaft projektpartnerschaft 13 in partnerschaft mit Kommunen, WirtsCHaft, WissensCHaft machen Wir Den test. Das Smart Operator-Projekt ist Teil der praxisorientierten Untersuchung und Bewertung neuer, smarter Netzkonzepte in den ländlichen Regionen. Einer der Projektpartner von RWE ist das Institut für Hochspannungstechnik der RWTH Aachen. Die Verbindung von Energiekompetenz mit wissenschaftlicher Expertise ist dabei Grundlage für die Entwicklung innovativer Lösungen für die sichere und wirtschaftliche Stromversorgung von morgen. Projektpartner von RWE Deutschland Pilotkommune Schwabmünchen / Bayerisch-Schwaben Durchgeführt wird das bis 2015 laufende Projekt in drei Pilotgemein- Beobachtung eines Ortsnetzes, Optimierung mittels den, wobei unterschiedliche Aspekte des Smart Operator-Netzkonzepts intelligenter Netzkomponenten und smarter Haustechnik. fokussiert werden. In allen Modellregionen sind Aufbau und Nutzung > 150 Haushalte, 25 mit intelligenten Haushaltsgeräten des örtlichen Kommunikationsnetzes Bestandteil des Projekts. Denn > 23 Photovoltaikanlagen nur so können die Projektbausteine untereinander kommunizieren. Die mit 160 kwp Erzeugungsleistung Haushalte und Unternehmen nehmen freiwillig an dem Projekt teil. > 10 Nachtspeicherheizungen, Die Einbindung der Bürger vor Ort ist Voraussetzung für das Gelingen WInCHerIngen geht KISSelBaCH geht 8 elektrische Warmwasserspeicher > Kommunikationsnetz über Glasfaser Pilotgemeinde Kisselbach / Rhein-Nahe-Hunsrück Beobachtung eines Ortsnetzes, Optimierung mittels der Energiewende. Vorteilhaft für die Teilnehmer ist die Ausstattung ihrer Haushalte mit dem Home Energy Controller, der mit der Bereitstellung von Kundendaten hilft, Strom im Haushalt sinnvoll einzusetzen. Batteriespeicher und Niederspannungsschaltgeräten. > 200 Haushalte SCHWaBmÜnCHen geht > 12 Photovoltaikanlagen mit 170 kwp Erzeugungsleistung > 21 Nachtspeicherheizungen, 1 elektrischer Warmwasserspeicher, 6 Wärmepumpen > Kommunikationsnetz über Glasfaser Pilotgemeinde Wincheringen / Mosel-Trier Beobachtung von Messpunkten in zwei Ortsnetzen, Netzoptimierung mittels intelligenter Netzkomponenten. > 220 Haushalte > 13 Photovoltaikanlagen mit 210 kwp Erzeugungsleistung > 2 Nachtspeicherheizungen, 37 Wärmepumpen > Powerline Communication (PLC) Spatenstich in Schwabmünchen (v. l.): Markus Litpher (Mitglied LEW-Vorstand), Bundestagsvizepräsident Eduard Oswald, Bürgermeister Lorenz Müller, stellv. Landrat Johann Häusler. Smart Operator ermöglicht Integration von mehr Sonnenstrom ins Netz.

8 14 Fragen zum projekt Fragen zum projekt 15 Das smart operator-gespräch. fragen an WissensCHaft und projektleitung. Der Smart Operator ist einer der intelligenten Bausteine, die auf Ortsnetzebene helfen, die bestehende Stromversorgungs-Infrastruktur optimaler zu nutzen. Dazu macht er sich laufend ein Bild über das Versorgungsnetz und steuert dieses effizient. Er bringt die Energiewende voran und intelligente Lösungen ins Fachgespräch. Was versteht man unter einem Smart Operator? Stefan Willing: Der Smart Operator ist ein taschenbuchgroßes Modul, vergleichbar mit einem kleinen Computer. Installiert in Ortsnetzstationen des lokalen Stromnetzes bündelt dieser Computer alle wesentlichen Informationen aus dem Niederspannungsnetz, an dem auch die Haushalte angeschlossen sind: Wie viel Strom steht aktuell zur Verfügung? Wie viel wird nachgefragt? Stehen Stromspeicher zur Verfügung wie beispielsweise Batterien oder an eine Ladestation angeschlossene Elektroautos? Welche Leistung bieten Photovoltaikanlagen auf dem Hausdach? Warum brauchen wir einen Smart Operator? Stefan Willing: In der alten Welt floss der Strom nur in eine Richtung: vom Kraftwerk stufenweise heruntergespannt bis hin zu den Verbrauchern. Die neue Energiewelt ist deutlich vielseitiger: Stromverbraucher werden beispielsweise zu Erzeugern von Strom und Wärme mit eigener Photovoltaikanlage auf dem Dach oder einem kleinen Blockheizkraftwerk im Keller. Die Verteilnetzbetreiber können nicht exakt kalkulieren, wann wie viel Strom aus diesen Quellen zur Verfügung steht und wie viel gebraucht wird. Denn in einer Welt mit immer flexibleren Lebensgewohnheiten ist auch der Stromverbrauch weniger kalkulierbar geworden. Das führt zu stärkeren Schwankungen zwischen Stromangebot und Stromverbrauch eine Herausforderung für die Spannungsqualität vor allem im ländlichen Verteilnetz. Der Smart Operator nimmt diese Herausforderung an. Was kann das Gerät? Stefan Willing: Der Smart Operator bietet jederzeit ein komplettes Bild über das Netz in der Niederspannung, registriert Einspeisungen vor Ort aus Wind und Photovoltaik sowie den Stromverbrauch und die Speichermöglichkeiten im Netz, koordiniert flexible Verbrauchsstellen wie Wasch- und Spülmaschinen und neue Stromspeichermöglichkeiten wie zum Beispiel Warmwasserspeicher mit den aktuellen Einspeisungen, wertet alle Daten aus und nutzt die Ergebnisse zur effizienten autonomen Steuerung des Netzes. Was macht den Smart Operator so intelligent? Prof. Armin Schnettler: Im Rahmen des Projekts Smart Operator hat das Institut für Hochspannungstechnik der RWTH Aachen einen lernenden Algorithmus entwickelt, der das Verteilungsnetz autark führt. Unter Berücksichtigung von externen Einflussfaktoren wie Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit und Temperatur, die maßgeblich Einspeisung und Verbrauch bestimmen, lernt der Algorithmus die vorhandenen Flexibilitäten im Netz so einzusetzen, dass der Netzzustand optimiert wird. Zusätzlich lassen sich aus diesem Lernvorgang Fahrplanprognosen der vorhandenen Betriebsmittel wie Batteriespeicher ableiten, um einen vorausschauenden Betrieb zu ermöglichen. Etwaige Störungen bzw. Ausfälle von Kommunikationstechnik oder Betriebsmitteln erkennt der Algorithmus und versucht mit seinen verbleibenden Möglichkeiten das Netz weiterhin optimal zu betreiben. Wie sind Haushalte und Smart Operator verbunden? Stefan Willing: Voraussetzung für die Funktion eines Smart Operator sind Messstellen wie beispielsweise die intelligenten Stromzähler in den Haushalten. Diese erfassen minutengenau, wie viel Strom im Haushalt verbraucht oder selbst erzeugt wird. Mit einem weiteren Gerät, dem Home Energy Controller, können wir den Energieverbrauch eines Haushaltes so optimieren, dass die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien so gut wie möglich vor Ort genutzt wird. Welche Vorteile bietet der Smart Operator für das Strom-Ortsnetz? Stefan Willing: Der Smart Operator optimiert das Verhältnis zwischen Verbrauch und Erzeugung. Dadurch können zeitliche Verschiebungen zwischen Stromangebot und Stromnachfrage so weit wie möglich ausgeglichen werden. Das Netz wird dadurch aufnahmefähiger, insbesondere für Strom aus erneuerbaren Energien. Der Smart Operator signalisiert dafür über den Home Energy Controller intelligenten Haushaltsgeräten oder der Ladebox fürs Elektroauto, wann es besonders sinnvoll ist, in Aktion zu treten: nämlich dann, wenn viel Strom aus Wind- oder Sonnenkraft angeboten wird. Das vergrößert zusätzlich den Spielraum der Stromkunden, ihr Verbrauchsverhalten ganz individuell energie- und kostensparend auszurichten. Welche Vorteile hat die Zusammenarbeit zwischen Hochschule und RWE? Prof. Armin Schnettler: Das Projekt Smart Operator zeigt, dass ein solches Zusammenspiel schnell und effizient zu Fortschritt und Erfolg führen kann. Die Erfahrungen, die beide Seiten gewinnen, können in weitere Projekte und Forschungsvorhaben einfließen, um die Energiewende effizienter, schneller und detaillierter mitzugestalten. Prof. Dr. Armin Schnettler, Stefan Willing, Leiter Institut für technik, RWTH Aachen Projektleiter Smart Hochspannungs- RWE Deutschland, Operator