Zukunftsfähige Energiesysteme Herausforderungen und Potentiale für die Informatik Prof. Dr. Hartmut Schmeck, Institut AIFB +IAI + Forschungszentrum Informatik INSTITUT FÜR ANGEWANDTE INFORMATIK UND FORMALE BESCHREIBUNGSVERFAHREN (AIFB) INSTITUT FÜR ANEGWANDTE INFORMATIK (IAI) KIT-Schwerpunkt COMMputation Forschungszentrum Informatik KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Europäische Energieziele: Strategic Energy Targets 20-20-20: März 2007: EU Ziele für das Jahr 2020: 20% Reduktion der EU CO 2 -Emissionen. 20% Anteil erneuerbarer Energien an Europäischem Energieverbrauch 20% erhöhte Energieeffizienz. Ehrgeizigere Ziele Deutschlands: Herbst 2010: 35% EE bis 2020, 50% bis 2030, 80% (??) bis 2050 Frühjahr 2011: Energiewende Beschleunigter Ausstieg aus Atomenergie 2 Hartmut Schmeck
Probleme: Fluktuationen von Stromverbrauch und Stromerzeugung Kurz und längerfristige Fluktuationen Flaute Ungleichgewicht Fluktuationen in verschiedenen Zeitskalen, wenig vorhersehbar Regenerative Energiequellen wenig steuerbar 3 Hartmut Schmeck
Studie zu Energiesituation 2050 (Meteorologisches Basisjahr 2007) Quelle: Fraunhofer IWES 4 Hartmut Schmeck
Probleme durch Dezentralität: Netzengpässe im 0,4 kv-verteilungsnetz Spannungserhöhung durch PV-Einspeisung Spannungsabfall durch hohe Last (E-Auto) Darstellung ermöglicht durch Modellregion MeRegio (E-Energy) Quelle: Stephan Kautsch ABB 5 Hartmut Schmeck
Fluktuation im Niederspannungsnetz Spannungsqualität Einfluss durch wetterbedingte Fluktuation der PV-Einspeisung Lokaler Effekt, erfordert dezentrale Reaktion 6 Hartmut Schmeck
Energiemanagement: Ausgleich von Nachfrage und Versorgung Traditionell: Nachfrage kann nicht gesteuert werden Elektrizität kann nicht gespeichert werden. Prinzip: Versorgung folgt der Nachfrage (Regelenergie: Primär-, Sekundär-, ) Zukünftig: Versorgung nur partiell steuerbar und dezentral Potentielle Umkehrung des Stromflusses Neues Prinzip: Nachfrage muss der Versorgung folgen! Erfordert Flexibilisierung der Nachfrage Starke Dezentralisierung des Energiemanagements Versorgung HS MS NS Nachfrage Versorgung HS MS NS Nachfrage Versorgung 7 Hartmut Schmeck
Energiesystem der Zukunft Übertragungsnetz Kurz und längerfristige Fluktuationen Flaute Ungleich gewicht Spannungserhöhung durch PV Verteilnetz + Sammelnetz Spannungsabfall durch E-Auto Energiefluss (Elektrizität) Informationsfluss (Energieinformationsnetz mit verteilter Systemintelligenz) 8 Hartmut Schmeck
Physikalisches Stromnetz SLP SLP SLP Privatkunden SLP RLM Gewerbekunden ExtraHighVoltage Level High Voltage Level MediumVoltage Level LowVoltage Level RLM Industriekunden Energie erzeuger Übertragungsnetz betreiber Verteilnetz betreiber Messstellen betreiber Energie Verbraucher/ erzeuger 9 Hartmut Schmeck
Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht Das Das Bild Bild kann zurzeit angezeigt werden. nicht nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt nicht angezeigt werden. werden. Das Das Bild Bild kann kann zurzeit zurzeit nicht nicht angezeigt angezeigt werden. werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht Das Bild kann zurzeit Das angezeigt werden. nicht Bild angezeigt kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann werden. zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht Das Bild kann angezeigt werden. zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht Das Bild kann angezeigt werden. zurzeit nicht angezeigt werden. Aktuelle Energiemarktkommunikation MSB Lief errant VNB (DSO ) MSB Privatkunden ÜNB (TSO ) Lief errant LM VNB (DSO ) MSB Gewerbekunden Regelkraftwerk RLM Industriekunden Energie erzeuger Übertragungsnetz betreiber Verteilnetz betreiber Messstellen betreiber Energieerzeuger Und verbraucher 10 Hartmut Schmeck
Zukünftige Energiemarktkommunikation Regelkraftwerk Energieerzeuger Und verbraucher 11 Hartmut Schmeck
Strom- und Datenflüsse im Energiesystem Stromerzeuger Stromfluss Kommunikation PV PV-Anlage Trafohaus (20kV / 0,4kV) DSL IZ Herd WaMa E-Auto SB BHKW EEX oder andere Märkte BKV Stromanbieter 12 Hartmut Schmeck
Effekte von Elektrofahrzeugen (EVs) Mobilität in Deutschland, (Umfrage 2008): Mittlere tägliche PKW Nutzung < 1 h, 94% der Fahrten < 50 km Mittlere Kapazität der Batterien der EVs: 20 kwh Bei 1 Million BEVs (Ziel für 2020): potentiell verfügbare Speicherkapazität von ~ 20 GWh Laden mit 3,7 kw: ~ 3,7 GW potentielle Lade-/Entladeleistung Folglich: hohe Last, eventuell auch hohe Leistung (falls Rückspeisung möglich) Mittlere Ladezeit: Einphasig 3,7 kw: 5 bis 7 Std. Dreiphasig 11 kw: ~ 2 Std (aber hohes Risiko der Netzüberlastung!) Potentiell hohe Flexibilität für Lastverschiebung, aber auch potentiell hohe Spitzenlast! Großes Potential für Netzstabilisierung durch intelligente Ladesteuerung 13 Hartmut Schmeck
Potential der Lastbalancierung durch Elektromobile Power P in kw Power P in kw 150 100 50 150 100 50 0 0-50 00:00 original grid load curve Solar power infeed 06:00 12:00 Time 18:00 EV <-> Grid Exchange Charging/Infeed Uncontrolled EV energy charging 1 2 00:00 Power P in kw 150 100 50 0-50 00:00 Flexible Anpassung des Lastprofils 3 4 Power P in kw 150 100 50 0 06:00 resulting load curve Drive Energy Charging 12:00 Time 18:00 00:00-50 00:00 06:00 12:00 Time 18:00 00:00-50 00:00 06:00 12:00 Time 18:00 00:00 14 Hartmut Schmeck
Polynetze erweiterte Ausgleichsmöglichkeiten power gas heat HS Power storage Power transmission grid Power plants Wind Power Plant Steam Power Plant Gas &Steam PP H2 / methanation Gas transmission grid gas management Bio-PP Gas storage Power power management Wind storage Integrated intelligent biogas H2 / methanation energy management Gas buffer Heat distribution grid heat management MS Power distribution grid Gas distribution grid NS PV E-Mobility H2- Mobility G T G T CHP boiler Bio-CHP Heat pump Thermal storage 15 Hartmut Schmeck
Zukunftsfähige Energiesysteme benötigen intelligente Verbindung von Strom-, Gas- und Wärmenetzen durch Energieinformationsnetze Stromversorgung wird dezentraler und fluktuierend Ausgleich von Schwankungen durch Speicherung erforderlich ( u.a. über das Gasnetz) Bereitstellung von Ausgleichsenergie durch Demand Side Management erfordert Information über Situation im Verteilungsnetz Erschließung und Ausnutzung von Nachfrageflexibilität nur durch intelligenten IKT-Einsatz möglich Stabilisierung der Netze und Verlässlichkeit durch Verbindung von Regelungs- und Energietechnik mit Verfahren der Informatik Sicherheit der Systeme erfordert spezielle Maßnahmen ( Angewandte Sicherheitstechnologien) 16 Hartmut Schmeck
Potential für Energiesystemdienstleistungen Effektive und effiziente Information über den aktuellen Zustand der relevanten Komponenten in Transport- und Verteilnetzen (Dezentralität) Gestaltung von Systemdienstleistungen wie Blindleistungskompensation, Demand Response (Ausgleichsenergie), Lastverschiebung (decentralized demand and supply management) Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Erschließung und Ausschöpfung des Potentials an Flexibilisierung der Nachfrage und zur Erhöhung der Akzeptanz Methoden und Architekturen zur Erhöhung der Verlässlichkeit der Energieversorgung: Ausfallsicherheit, Schutz vor Angriffen ( Cyber Security ), Vertrauenswürdigkeit, 17 Hartmut Schmeck
KIT Energy Smart Home Labor Energy Management Panel (EMP) Visualisierung der Energienutzung EMP Intelligente Haushaltsgeräte EMP BHKW Erschließung der Präferenzen der Bewohner EMP Beobachtet und steuert elektrische/thermische Verbraucher & Erzeuger EMS A/C EMP Ladestation Smart Meter Solar Wechselrichter 18 Hartmut Schmeck
Szenario Smart Home Intelligente Haushaltsgeräte Können kommunizieren (mit zentraler Instanz/untereinander). Kennen ihren Zustand, können Zustand kommunizieren. Können auf Steuerung reagieren. Auto Als mobiler Speicher an Haus angeschlossen Bidirektionale Nutzung Großer Verbraucher/Erzeuger Dezentrale Stromerzeuger (PV/BHKW) PCM Decke (Kühlung) Simulationskomponente ( 4-Quadrantensteller ) Interaktion Geräte, Bewohner, Haus Sparsam interagieren, viel automatisieren Haus Bewohner Geräte Vorschläge unterbreiten ( Waschmaschine u. Geschirrspüler morgens vorbereiten => können tagsüber eingeplant werden) 19 Hartmut Schmeck
Benutzerinteraktion im Energy Smart Home Lab Energy Management Panel Informieren Transparente Information über aktuellen Energieverbrauch Information über Verbrauchshistorie Spielräume erschließen Eingabe zeitlicher Freiräume Konfiguration von Benutzerpräferenzen 20 Hartmut Schmeck
Benutzerinteraktion - EMP Informieren Transparente Information über aktuellen Energieverbrauch Information über Verbrauchshistorie Spielräume erschließen Eingabe zeitlicher Freiräume Konfiguration von Benutzerpräferenzen 21 Hartmut Schmeck
Benutzerinteraktion - EMP 22 Hartmut Schmeck
Benutzerinteraktion - EMP 23 Hartmut Schmeck
Nachfragereaktionen im Feldtest MeRegio (ca. 1000 Endkunden) [Hillemacher et al. 2012] Der Verbrauch steigt in Stunden mit günstigen Tarifen (grüne Linien) und sinkt in Stunden mit teuren Tarifen (rote Linien); bis zu 30 % Lastverschiebungspotential Größtes Potenzial zur Lastreduktion: In den frühen Morgenstunden und in den Abendstunden Größtes Potenzial der Laststeigerung: In den späten Morgenstunden und am frühen Nachmittag 24 Hartmut Schmeck
Energiemanagement-System: Software-Architektur des Organic Smart Home Beobachten+ Vorhersagen Beobachten + Steuern Lernen + Steuern Kommunizieren 25 Hartmut Schmeck
Verbesserung der Eigenversorgung durch Lastoptimierung Anteil der Eigenversorgung mit Strom aus PV und -BHKW (typisches Profil eines 5-Personenhaushalts, ohne stationäre Speicher) optimiert nicht optimiert Quelle: F. Allerding 26 Hartmut Schmeck
Gesteuert selbstorganisierendes Energiemanagement (regional) Lastverschiebung mit vielen Geräten Beachte Restriktionen der Geräte Nutze Elitegruppe für sofortige Reaktion elite group Analog zu Primär-/Sekundär-Regelenergie power internet Verbrauch Erzeugung time 27 Hartmut Schmeck
Heterogene Kommunikation EVU Netzbetreiber Benutzer Partner Gebäude-EMS PLC EIB/KNX Zigbee HabiTEQ REST (XML, HTTP) Miele@home Lastflexibilisierung Systemdienstleistungen A/C Smart Plugs Smart Meter Dezentrale elektrische und thermischer Energieversorgung Intelligente und konventionelle Haushaltsgeräte Elektrische und thermische Energiespeicher 28 Hartmut Schmeck
FZI House of Living Labs (HoLL) smartmobility smartautomation smartenergy smarthome Automotive MobileIT / SatNav Ambient Assisted Living Service Robotics 29 Hartmut Schmeck
Living Lab smartenergy solar panels A/C (room: Hollywood) smartmobility smartautomation smartenergy smarthome Automotive Service Robotics MobileIT / SatNav Ambient Assisted Living power inverters battery storage hot water tanks condensing boiler combined heat and power adsorption chiller cold water tanks 30 Hartmut Schmeck
Messung Stromertrag und -verbrauch PV-Generator Würth Solar EnergyManager A+C: PV-Ertrag D: PV-Überschuss F: KWK-Zuschuss PV-Eigenverbrauch: A + C - D B für Abrechnung nicht relevant Starcheck Display DI1 DI2 - + LINE OUT Backup- Ertragszähler A Backup- Umschaltung S0 B S0 Verbraucher mit Backup Shunt SHUNT STROM- SENSOR Lastzähler (4 Büros) AC GRID DC-Trenner/ Sicherung TEMP C Ertragszähler D E restliche Verbraucher im Gebäude F Einspeise-/ Bezugszähler Energiespeicher BHKW BHKW-Ertragszähler Netz 31 Hartmut Schmeck
Energy Management Panel (EMP) 32 Hartmut Schmeck
Szenarien für Energiemanagement Wesentliche Aufgabe: Erschließung und Nutzung von Lastflexibilität Smart Home Intelligente Haushaltsgeräte mit Smart Grid Fähigkeiten Nutzung von Hausautomatisierungssystemen fürs Energiemanagement Smart Building Gebäudeenergiemanagement (Strom, evtl. auch Wärme) Intelligentes dezentrales Lastmanagement Smart Office und Smart Factory Effiziente Produktionsprozesse mit optimierter Nutzung erneuerbarer Energien ( Green Production ) Reduktion von Lastspitzen, Angebot von Demand Response Diensten ein Smart Grid ermöglichen durch dezentralisiertes Lastmanagement (load shaping, load shifting) Energiesystemdienstleistungen (Blindleistung, Spannungshaltung,...) 33 Hartmut Schmeck
Smart Energy Themen Ökonomische Aspekte Zeitvariable Stromtarife Lastbasierte Stromtarife Anreizsysteme??? Selbstversorgung Unabhängige Versorgung von Netzsegmenten Unabhängige Versorgung einzelner Gebäude Grüne Versorgung Höchstmöglicher Anteil erneuerbarer Energie Berücksichtigung von Netzanforderungen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch Reaktion auf Netzprobleme (Engpässe, Frequenz-, Spannungsschwankungen) Verlässlichkeit und Sicherheit Stabilisierung des Netzes Datenschutz, Cyber Security 34 Hartmut Schmeck
Herausforderungen für IKT (Auswahl) Informationen liefern über aktuellen Zustand des Energiesystems Auflösung zeitlich? räumlich? Aggregationsgrad Datenschutz, Datensparsamkeit,, Sicherheit Lastprognose und -optimierung im Verteilnetz (und auch in den anderen Netzen) Historische Daten Wetter Intelligentes Demand-side Management Berechnung von Preis- und Steuersignalen (Echtzeit???) Dezentrale Marktmechanismen Erschließung und Ausnutzung von Freiheitsgraden (Haushaltsgeräte, Produktionsanlagen, Batterien) Lokal? Regional? Zentral? ( Kombination!) Ausnutzung vorhandener Infrastruktur (wenig neue Investitionen!) 35 Hartmut Schmeck
Fazit Umbau des Energiesystems bringt zwangsläufig Wandel von zentralen zu dezentralen Strukturen Vielzahl von Herausforderungen nicht nur an Informatik und Energietechnik, auch an rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Vielzahl von Möglichkeiten für neue Services und Geschäftsmodelle IKT Lösungen bieten Potential für Stabilisierung des Energiesystems und für Energieeinsparung durch Verbrauchstransparenz, nicht nur im Smart Home, sondern in Smart Locations (KMU, Produktion, Verwaltung, ) Ziel: Gewährleistung der Stabilität des Energiesystems durch dezentrale intelligente Steuerung ohne Komfortverlust. Zentrale Herausforderung ist die adäquate Gestaltung eines Energieinformationsnetzes mit verteilter Systemintelligenz Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?? 36 Hartmut Schmeck
Kontakt Prof. Dr. Hartmut Schmeck KIT Campus-Süd Institut AIFB Geb. 05.20 76133 Karlsruhe hartmut.schmeck@kit.edu www.aifb.kit.edu www.commputation.kit.edu http://meregiomobil.forschung.kit.edu www.fzi.de 37 Hartmut Schmeck