Smart Operator Das intelligente Stromnetz der Zukunft Frank Kreidenweis Lechwerke AG, Augsburg Stellv. Projektleiter Smart Operator Lehrerfortbildung 18.06.2015 Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 1
Energiewende - Herausforderungen an den Verteilnetzbetrieb Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 2
Lechwerke Energieversorger in Süddeutschland Die Lechwerke >... sind regionaler Energiedienstleister in Bayern und Teilen Baden-Württembergs > erzeugen umweltfreundlich eigenen Strom überwiegend aus Wasserkraft. > setzen auf regionale Identität, Kundennähe und -betreuung. > sind ein Motor der wirtschaftlichen Entwicklung in der Region. > sind Teil der RWE-Gruppe. Essen Düsseldorf Köln Wiesbaden Bremen Dortmund Mainz Saarbrücken Kiel Hamburg Hannover Frankfurt Stuttgart Schwerin Berlin Potsdam Magdeburg Erfurt Nürnberg Augsburg Leipzig Dresden München Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 3
Das Kerngeschäft Stromverteilung Stromerzeugung Energievertrieb Datenkommunikation > Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetz > Planung, Errichtung, Ausbau, Betrieb und Nutzung > Netzführung > 35 Wasserkraftwerke > dezentrale Energieerzeugung > Strom- und Gasvertrieb > Stromhandel > Energiedienstleistungen > eigenes Glasfasernetz > Breitbandausbau in der Region > System- und Datenkommunikationslösungen Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 4
Unsere Unternehmensstruktur Vertrieb Lechwerke AG mit Eigentümerfunktionen Querschnittsfunktionen LEW Verteilnetz GmbH LEW Netzservice GmbH LEW Service & Consulting GmbH Bayerische Elektrizitätswerke GmbH LEW TelNet GmbH Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 5
Essen Düsseldorf Köln Wiesbaden Bremen Dortmund Mainz Saarbrücken Kiel Hamburg Hannover Frankfurt Stuttgart Schwerin Berlin Potsdam Magdeburg Erfurt Nürnberg Augsburg Leipzig München Dresden 380-kV-Leitung 220-kV-Leitung 110-kV-Leitung 380-kV-, 220-kV-, 110-kV-Umspannwerke Kennzahlen der LEW Verteilnetz GmbH Kennzahlen > Hochspannung (110 kv) Freileitung 1.800 km Umspannwerke 119 > Mittelspannung (20 kv) Freileitung 3.250 km Kabel 3.850 km Ortsnetzstationen 9.400 > Niederspannung (0,4 kv) Freileitung Kabel 9.100 km 14.500 km > Versorgte Fläche: 6.900 km² > Netzkunden: 547.000 > EEG-Anlagen: ~ 68.000 > Zahlung an reg. Erzeuger 680 Mio. > Investitionen (2013): 70 Mio. > Mitarbeiter: ca. 850 Zahlen gerundet! Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 6
Das LEW- Netz ist stark geprägt durch Zubau von EEG-Anlagen überwiegend Photovoltaik 70000 60000 50000 40000 30000 Entwicklung Anzahl EEG-Anlagen > Bayerisch-Schwaben verfügt über ideale Voraussetzungen für den Ausbau von Photovoltaik: Hohe Globalstrahlung Ländliche Prägung 20000 10000 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Biogas Deponie/Klärgas Solar Wasser (EEG) Wind Installierte EEG-Leistung in kw 2.000.000 1.800.000 1.600.000 1.400.000 1.200.000 1.000.000 800.000 600.000 400.000 200.000-2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Biogas Deponie/Klärgas Solar Wasser (EEG) Wind > Aktuell sind rund 68.000 EEG-Anlagen im LEW-Netzgebiet mit einer Leistung von ca. 1.890 MW angeschlossen überwiegend Photovoltaikanlagen > 2014 wurden 3.000 neue Anlagen ans Netz angeschlossen > In 2015 wird ebenfalls von 3.000 Neuanlagen ausgegangen. Die installierte Leistung steigt dabei nur gering an > Damit ist bereits heute an fast jedem fünften LEW-Netzanschluss eine PV-Anlage angeschlossen Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 7
Schon jetzt liegt LEW an 10. Stelle bei der installierten Leistung an EEG-Anlagen in Deutschland Verteilung der EEG-Erzeugungsanlagen in Deutschland (2013) > Dabei sind bei nur 20 Verteilnetzbetreibern ca. 80 % der gesamten in Deutschland installierten EEG-Leistung angeschlossen. > In Deutschland gibt es ca. 900 Verteilnetzbetreiber. > Vergütung der eingespeisten Erzeugung erfolgt über EEG-Umlage (gesamt rd. 24 Mrd. in 2014) in der entsprechenden Region. Quelle: Westnetz GmbH Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 8
Installierte Leistung in MW Durch die Energiewende sind deutliche Veränderungen der Lastflüsse im LEW Netz zu erwarten > Installierte Einspeiseleistung der dez. EEG-Anlagen Oktober 2014 rund 1.890 MW > Mit den Wasserkraftwerken liegt die installierte Einspeiseleistung damit bereits heute über dem Niveau der Netzhöchstlast 4.000 3.500 Installierte dez. Einspeiseleistung 2012 Prognose Bayerisches Energiekonzept > Prognose zum Ausbau der regenerativen Erzeugung im LEW Netzgebiet bis 2021 auf Basis des bayer. Energiekonzepts Energie innovativ (Mai 2011): 3.000 2.500 2.000 aktuelle Netzhöchstlast Windkraft: 2012 ca. 50 Anlagen mit 55 MW 2021 ca. 150 Anlagen mit 450 MW 1.500 1.000 Photovoltaik: 2012 ca. 60.000 Anlagen mit 1.350 MW 2021 ca. 100.000 Anlagen mit 2.200 MW Installierte Erzeugungsleistung in 2021 ca. 3.500 MW > Die Zeiten einer Energieüberproduktion und Rückspeisung ins Übertragungsnetz werden erheblich zunehmen 500-2012 2021 Wasserkraft (nicht EEG) Photovoltaik Wind Biogas / Deponiegas Wasser EEG KWK Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 9
Neue Herausforderung: Enorme Schwankungen bei der Erzeugung 1.400 1.200 Einspeisung ins LEW-Netz in MW 08.05.2013: 1.228 MW 1.000 800 600 400 200 23.11.2013: max.: 25 MW 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 0 Uhr 12 Uhr 0 Uhr Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 10
Lastfluss - neue Anforderungen an das Ortsnetz Lastfluss einer Ortsnetzstation im ländlichen Gebiet Vergleich 2003 und heute Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 11
Herausforderungen: Netzstabilität und Netzsicherheit bei dezentralen Einspeisungen Regelung dezentraler Einspeisungen (Wind- und Sonnenenergie): > Die Auswirkungen der dezentralen Einspeisung im LEW-Netz machen sich derzeit massiv im Nieder- und Mittelspannungsnetz bemerkbar. > Betriebliche Maßnahmen sind regional voll ausgeschöpft: Optimierte Spannungsregelung und Nutzung der Netzreserven Netzbelastbarkeit: > Betriebsmittel und Leitungen kommen durch eine hohe dezentrale Einspeisung zunehmend auch an die thermischen Belastungsgrenzen (Strombelastbarkeit). Spannungshaltung gemäß DIN EN 50160: > Durch hohe Einspeisung kommt das Netz zunehmend an die Grenze des oberen Spannungsbandes und muss ausgebaut oder verstärkt werden. Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 12
Herausforderung: Gewährleistung von Netzstabilität und sicherem Netzbetrieb bei dezentralen Einspeisungen Betriebliche Maßnahmen > Optimierte Spannungsregelung > Änderung und Anpassung des Schaltzustandes > Netzautomatisierung (Intelligente Netzstationen, regelbare Ortsnetz-Trafos etc.) > Optimierte Netzplanung (Nutzung von Netzreserven) Netzverstärkungen > Parallelleitungen > Querschnittsverstärkungen Netzerweiterungen > Grundsätzliche Restrukturierung im NS-Netz > Überregionale Anpassung des MS-Netzes > Zusätzliche Umspannungen MS/NS und HS/MS Spannung >106 % U n >104 % U n >102 % U n Strom > 80 % I n >100 % I n Ergebnis der Netzberechnung eines 20-kV-Teilnetzes Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 13
Lösungsansatz: das smarte Stromnetz Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 14
Eine Intelligenz im Netz überwacht den Netzzustand und optimiert die Netznutzung > Im Zentrum des intelligenten Stromnetzes arbeitet der Smart Operator > Er ist über Kommunikationstechnik (z. B. Glasfasernetz) mit Stromerzeugern, Verbrauchern und Speichern im Stromnetz verbunden > Er erfasst Einspeisungen, Aufnahmefähigkeit, Lasten und Speichermöglichkeiten im Stromnetz > Er verarbeitet Wetterdaten und Lastprognosen > Der Smart Operator stimmt diese Faktoren aufeinander ab und steuert die Komponenten an > Ausgleich der Netzlasten nach dem Grundsatz Last folgt Erzeugung Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 15
Der Smart Operator regelt selbständig das lokale Niederspannungsnetz und reguliert die Netzlasten Der Stromfluss im Ortsnetz Stromeinspeisung und verbrauch ohne Smart Operator Stromeinspeisung und verbrauch mit Smart Operator > Das Ziel ist der Ausgleich von schwankenden Lasten und wachsenden Einspeisungen im Stromnetz durch eine intelligente Steuerung in einem abgegrenzten Netzbereich Last folgt Erzeugung Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 16
Die Steuerung des Smart Operator enthält drei Grundfunktionen Prognosebildung Aufruf alle sechs Stunden Bildung von Prognosen für die nächste 24 Stunden- Periode Vorgabe individueller Lastprofile an die angeschlossenen Komponenten und Haushalte Realzeitregelung Aufruf jede Minute Lastflussberechnung zur Kontrolle des aktuellen Netzzustands ggf. Ausgabe von aktualisierten Lastprofilen Lernvorgang Der Smart Operator lernt und optimiert seine interne Handlungsstrategie durch Bewertung seiner Aktionen Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 17
Das passiert im Haushalt Home Energy Controller Kommunikation mit allen intelligenten Hausgeräten über herstellerspezifische Funkprotokolle Kommunikation mit dem Smart Operator Steuerung des Geräteeinsatzes im Haushalt entsprechend den Lastprofilvorgaben des Smart Operators Visualisierung für den Kunden Intelligente Hausgeräte Wahlmöglichkeit des Kunden zum Start des Gerätes zwischen Smart Operator oder sofort Rückmeldung des Gerätestatus an den Home Energy Controller Steuerung durch den Home Energy Controller Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 18
Das Projekt Smart Operator wird mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft realisiert > Projektpartner sind: Stadt Schwabmünchen RWE Deutschland AG (Koordination, Einbindung in das Projekt Smart Country ) PSI (Entwicklung Hardware, Systemintegration) RWTH Aachen (Steueralgorithmus Smart Operator, Simulation) Universität Twente (Algorithmus Home Energy Controller, Haussteuerung) Hersteller von Netzkomponenten und Geräten (Horlemann, Stiebel Eltron, Hoppecke, Maschinenfabrik Reinhausen) > RWE erprobt die Smart Operator Steuerung in zwei weiteren Netzgebieten im Rhein-Hunsrück (Kisselbach, Wincheringen) Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 19
Smart Operator Das intelligente Netz der Zukunft in der Siedlung Wertachau Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 20
In der Siedlung Wertachau bauen die Lechwerke das erste intelligente Stromnetz in ihrem Gebiet Ziele des Projekts: > Erproben eines Niederspannungsnetzes mit Smart Operator-Steuerung und intelligenten Komponenten > Effizientere Nutzung lokaler Netzinfrastruktur durch intelligente Steuerung und Komponenten > Praktische Erfahrungen für den zuverlässigen Netzbetrieb und die Netzausbauplanung > Erfahrungen mit Smart Metern und der Kommunikationsanbindung von Haushalten über ein Glasfasernetz > Erfahrungen mit dem Einbau und Betrieb intelligenter Netzkomponenten und Hausgeräte > Akzeptanz der Smart Operator-Steuerung bei Kunden > Aktiver Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 21
Das Projekt Smart Operator in der Wertachau Projektphase 1 (2012 2013) Aufbau der Infrastruktur, Einbau intelligenter Zähler Projektphase 2 (2013 2015) Smart Operator, intelligente Komponenten, Funktionstest, Betrieb Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 22
Auftakt in der 1. Jahreshälfte 2012 115 Haushalte nehmen am Projekt teil > August 2012: Offizieller Projektstart rund 115 Haushalte nehmen am Projekt teil > Oktober 2012: Spatenstich für das Glasfasernetz anschließend Projektierung, Verlegung, Montage des Glasfasernetzes > Januar 2013: Die gesamte Infrastruktur ist installiert und betriebsbereit > Breitband und Telefonie durch LEW TelNet: Erste Kunden ab Mitte Januar freigeschaltet SmOp-Anschlusskasten in der Kundenanlage > März 2013: Inbetriebnahme des Smart Operators und der Zählerdatenübertragung (ohne Steuerfunktion > Mai 2013: Auswechslung aller 160 Zähler gegen Smart Meter abgeschlossen > Juni 2013: Visualisierung der Zählerdaten (15-Minutenwerte) für jeden Teilnehmer im Internet im LEW Energiecockpit Visualisierung der Zählerdaten auf Internetportal Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 23
Erfolgreiche Inbetriebnahme am 01.07.2014 > August 2013: Labortest der Smart Operator Funktion im Labor der RWTH Aachen mit realen Komponenten erfolgreich abgeschlossen > August 2013 November 2013 Einbau der intelligenten Netzkomponenten (ON-Station, zentraler Batteriespeicher, Emobility-Ladesäule) > Dezember 2013 Auszeichnung Leitprojekt 2013 des KUMAS-Umweltnetzwerks > Dezember 2013 Juni 2014 Einbau der intelligenten Hausgeräte und HEC in 25 Haushalten Zentraler Batteriespeicher mit Ladesäule > 1. Juli 2014: Inbetriebnahme der Steuerfunktion des Smart Operators > April 2015: Auszeichnung Gestalter der Energiewende durch StMWi > bis 31.12.2015: Auswertung, Validierung, Optimierung, Ergebnisse Einbau Hausgeräte Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 24
Der Smart Operator ist in Betrieb und die Erprobungsphase mit allen Haushalten und Betriebsmitteln läuft Eingebaute Betriebsmittel Komponente Anzahl Smart Meter 160 Ortsnetzstation mit regelbarem Ortsnetztrafo 1 Zentraler Batteriespeicher 1 Wetterstation 1 Schaltbare Lastschaltleisten 3 Emobility-Ladesäule (öffentlich) 1 Waschmaschine 16 Wäschetrockner 16 Spülmaschine 8 Wärmepumpe Heizung 3 Wärmepumpe Warmwasser 2 Batteriespeicher 5 Warmwasser-Standspeicher - PV-Anlage mit Speicher 2 E-Mobility Wallbox 3 Die Hausgeräte sind in 25 Haushalten eingebaut Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 25
Der Smart Operator-Manager stellt die wesentlichen Informationen über das Ortsnetz zur Verfügung Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 26
Der Smart Operator kommuniziert mit den Haushalten nur über Lastprofile > Der Smart Operator erstellt Priorisierungskurven aus Netzinformationen und Wetterdaten und sendet diese an den Home Energy Controller > Der Home Energy Controller eines jeden Haushalts bildet daraus mehrere alternative Lastprofile für den Smart Operator Smart Operator Priorisierung > Der Smart Operator wählt für jeden Haushalt ein Lastprofil des Home Energy Controllers aus > Die intelligenten Hausgeräte beim Kunden werden über die Smart Home Technik entsprechend der Lastprofile angesteuert Lastprofile eines Home Energy Controllers Ansteuerung der Hausgeräte über Smart Home Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 27
In den Haushalten der Projektteilnehmer sind die Hausgeräte über die Smart Home Technik vernetzt > Alle intelligenten Hausgeräte sind über die Smart Home Technik und individuelle Übertragungsprotokolle der Hersteller angebunden > Wärmepumpe, Warmwassersspeicher und Batteriespeicher sind immer an die Smart Operator Steuerung angebunden > Bei Waschmaschine, Trockner, Geschirrspüler und Emobility- Ladebox kann zwischen Smart Operator Start und Sofortstart gewählt werden Intelligente Hausgeräte > Für die Bereitstellung der Flexibilität erhalten die Projektteilnehmer einen Bonus Display der Waschmaschine Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 28
Mit der fortlaufenden Datenauswertung wird die Netzsteuerung optimiert > Zählerdatenübertragung und archivierung auf Datenbank-Server > Umfangreiche Datenanalysen liefern neue Erkenntnisse über das Netz > Aufgrund der hohen Datenmengen automatisierte Datenanalyse notwendig > Validierung der Funktion des Smart Operators Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 29
Erste Ergebnisse und Ausblick Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 30
U Min -4% U Min -4% Die Smart Operator Steuerung läuft stabil und hält die Spannungsgrenzen sehr gut ein Beispiel: 06.10.2014, Globalstrahlung-Prognose 136 W/m², Globalstrahlung-Ist 152 W/m² Betrieb ohne Smart Operator Betrieb mit Smart Operator 2014-10-06 12:30 4% 2014-10-06 12:30 4% 3% 3% SSU Max 2% SSU Max 2% 1% 1% 0% 0% -1% -1% U_SS = 0.98635 p.u. U_max = 0.98635 p.u. U_min = 0.96871 p.u. -2% -3% U_SS = 1.0114 p.u. U_max = 1.0114 p.u. U_min = 0.99388 p.u. -2% -3% > Ohne Smart Operator Steuerung wären die definierten Spannungsgrenzen verletzt Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 31
Fehlende Standardisierung bedingt einen komplexen Aufbau > Sehr komplexer und umfangreicher Aufbau > Sehr komplexe Funktionsweise durch ineinander greifende Algorithmen im Ortsnetz und in den Haushalten > Fehlende Standardisierung von Protokollen und Geräteschnittstellen der intelligenten Komponenten > Autonomes, lernendes Regelsystem. Vielzahl von Steueroptionen erschweren Auswertung und Optimierung Komplexe Anbindung der Hausgeräte > Sehr detaillierte Messwerte über die elektrischen Größen eines Ortsnetzes (Spannung, Symmetrie, Lastfluss, Profile) > Vielfältige gesetzliche, regulatorische, datenschutztechnische, versicherungsrechtliche Bedingungen > Hoher Aufwand zur Erfüllung der Datenschutz- und ISMS- Vorgaben > Sehr zuverlässige Datenübertragung über Glasfasernetz Detaillierte Messwerte jeder Komponente Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 32
Großes Interesse am Projekt in der Öffentlichkeit und in den Medien > Sehr positives Feedback der Projektteilnehmer > Smart Operator Steuerung aus technischer und netzwirtschaftlicher Sicht machbar > Unterschiedliche Akzeptanz der Gerätesteuerung > Aufgrund Unbundling-Vorgaben wenig Möglichkeiten des Netzbetreibers für tarifliche Anreize > Markttauglichkeit für Netzanwendung schwer umsetzbar > Einbeziehung vertrieblicher Aspekte sinnvoll > Anpassung und Erweiterung der Projektziele aufgrund zukünftig wesentlich umfangreicherer Nutzungsmöglichkeiten der Smart Operator Steuerung Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 33
Smart Operator Das intelligente Netz der Zukunft in der Siedlung Wertachau Lechwerke AG Projekt Smart Operator Telefon: 0800 539 638 4 (kostenlos) E-Mail: smartoperator@lew.de Lechwerke AG 18.06.2015 Seite 34