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Dipl.-Phys. Andreas Kießlingwiss.-techn. Projektleiter moma MVV Energie AG

SECHZEHNTES KASSELER SYMPOSIUM ENERGIE-SYSTEMTECHNIK 2011

6. + 7. Oktober 2011, Kassel, Fraunhofer IWES

E-Energy-Projekt

Modellstadt Mannheim

OGEMA – Dezentrales Energiemanagement im Praxistest

Paradigmenwechsel sowie Stärkung regionaler und nachhaltiger Konzepte

Begriffe zum intelligenten Energiesystem Zellulares Systemmodell Neue Rahmenbedingungen

im Verteilungsnetz Systemmodell zum Objektenergiemanagement

OGEMA als Dienstevermittlungsumgebung für Verbindung mit bidirektionalen Energiemanagementsystemen in den Objekten

moma - Praxistests

Agenda

3

• Verteilte Energiegewinnung und –steuerung zentral und dezentral

• Energiemanagementsysteme (zentral & dezentral) optimieren Energieströme

• Aktive Rolle von Kunden und Stärkung Wertschöpfung in Regionen

• Kommunikationstechnik als Basis für neue Dienstleistungen an den Kunden

• Verteilte Energiegewinnung und –steuerung zentral und dezentral

• Energiemanagementsysteme (zentral & dezentral) optimieren Energieströme

• Aktive Rolle von Kunden und Stärkung Wertschöpfung in Regionen

• Kommunikationstechnik als Basis für neue Dienstleistungen an den Kunden

• Zentrale Energiegewinnung und zentrale Steuerung

• Passive Rolle des Kunden und wenig regionale Wertschöpfung

• Kaum Kommunikation/Interaktion

in den Verteilungsnetzen

• Zentrale Energiegewinnung und zentrale Steuerung

• Passive Rolle des Kunden und wenig regionale Wertschöpfung

• Kaum Kommunikation/Interaktion

in den Verteilungsnetzen

Paradigmenwechsel mit Energiewende

Stärkung nachhaltiger, regionaler und wettbewerblicher Konzepte

Lineare Wertschöpfungsstufen Lineare Wertschöpfungsstufen

Vernetzte Wertschöpfungsstufen Vernetzte Wertschöpfungsstufen

Evolution zum Internet der Energie Evolution zum Internet der Energie

Ziel: 100 % Erneuerbare Energien (EE), Erhöhung Energieeffizienz Anforderung: Beherrschbare Kosten für Bürger und Wirtschaft und

Erhaltung Versorgungssicherheit Maßnahmen und neue Chancen:

Erschließung aller zentralen und dezentralen Chancen (EE, KWK und Speicher) mit engerer Verbindung regionaler Versorger und Kommunen

Verbesserung der wirtschaftliche Position von Bürgern und Kommunen als eigenständig handelnde Teilnehmer im Energiemarkt

Ausgleich schwankender Erzeugung mit neuen Flexibilitäten und Speichern bei sinkendem Anteil fossiler und nuklearer Erzeugung

Versorgungssicherheit durch Diversifizierung Erzeugung / Steuerung

Energieeffizienz durch spartenübergreifendes Denken für Strom, Wärme und Gas, Senkung Transportverluste durch regionale Mechanismen

Energieeffizienz in Kundenobjekten mit neuen Chancen aus der Verbindung von Energielieferung und -dienstleistung

Neue IKT-gestützte Formen der Netzführung bei höherer Volatilität der Energieflüsse und höherer Komplexität der zu steuernden Elemente

neue Chancen für Verteilungsnetzbetreiber beim Betrieb notwendiger Infrastrukturen

Paradigmenwechsel mit Energiewende

Begriffe zum intelligenten Energiesystem Domänen und Systemgrenzen

Regional-märkte

Akteureim

Energie-Markt

Groß-handels-märkte

Über-tragungs-

netz

Verbundene Objekte

VerbundeneUnterobjekte

ZentraleEnergie-gewin-nungs-anlagen

Gate-wayGate-way

Ein-Speisung

DEA

Energie-nutzungObjekt-geräte

Gate-wayGate-way

Ein-speisungObjekt-erzeug.

KernkraftFossilKernkraftFossil

ErneuerbareErneuerbare

1) & 2)1) & 2)

Vertei-lungs-netz

Zentral

Vertei-lungs-netz

Dezentral

Ein-Speisung

DEA

Energie-nutzungAnlagenim Netz

Energie-nutzungObjekt-geräte

Ein-speisungObjekt-erzeug.

Ausbau eines erweiterten EnergieinformationsnetzesAusbau eines erweiterten Energieinformationsnetzes

Ein-speisungZentraleErzeuger

Ein-speisungZentraleErzeuger

Energie-nutzungAnlagenim Netz

Domänenkategorien und Wirkungsdomänen im Energiesystem

Domänenkategorie Energiegewinnungsanlagen

Domänenkategorie Stromnetze

Domänenkategorie Netznutzerobjekte (Anschlussobjekte)

Domänenkategorie Energienutzungseinrichtungen

Domänenkategorie Energiemarkt

Wirkungsdomäne

Systembereich mit definierten Grenzen, in dem die Aktivität eines Anwendungsfalles abläuft, mit dem eine grobe Einteilung des gesamthaften Energiesystems (Smart Grid) anhand des physikalischen Stromflusses bzw. der informationstechnischen Verbindungen vorgenommen werden kann.

Begriffe zum intelligenten Energiesystem Domänen und Systemgrenzen

• Smart Grid adressiert die Vernetzung von Erzeugung, Speicherung, Verbrauch und Netzbetriebsmitteln mittels Informations- und Kommunikationstechnologie zum Zwecke der Automatisierung von Netz- und Marktprozessen bis hin zum Endkunden

• Ziel der Automatisierung ist die Beherrschung komplexerer Markt- und Netzregelkreise zur Ausbilanzierung von Erzeugung und Verbrauch durch Einbeziehung volatilerer sowie kombinierter zentraler und dezentraler Erzeugung

• Regelkreise sind geprägt durch interne und übergeordnete Zieldefinitionen (Markt- und Netzrahmen), Messeinrichtungen, Stell- und Steuereinrichtungen sowie Reglern zur Bestimmung von Maßnahmen bei Abweichungen (Automaten)

• Regelkreise im Elektrizitätsmarkt abgebildet durch Bilanzierungs-, Liefer- und Ausgleichprozesse

• Regelkreise im Elektrizitätsnetz abgebildet durch Kennwerte der Powerqualität, Netzflüsse, Kontrolle Powerqualität, Systemdienstleistungen bei Abweichungen

Beherrschung volatilerer sowie kombinierter zentraler und dezentraler Erzeugung

Begriffe zum intelligenten Energiesystem Aufgabenstellung

• Anforderung 1: Messeinrichtungen sowie Geräte und Anlagen als Stell- und Steuereinrichtungen einzubeziehen (Sensorik- und Aktorikfunktion)

• Anforderung 2: Kommunikation zu Messeinrichtungen sowie Stell- und Steuereinrichtungen zwischen Markt- und Netzprozessen sowie Energiediensten in der Liegenschaft des Endkunden sicher zu gestalten (Gatewayfunktion)

• Anforderung 3: Automatisierung der Energiedienste in Liegenschaft des Endkunden mit Energiemanagementsystem (EM als Diensteplattform- und Dienstefunktion)

• Anforderung 4: Automatisierte Diensteinteraktion zwischen Energiemanagement in Liegenschaften sowie Markt- und Netzprozessen

Ausdehnung der Regelkreise für Markt- und Netzprozesse bis hin zum Endkunden zur Beherrschung der Anforderungen bezüglich erneuerbarer Energien, höherer Anteile von Dezentralität, Energieeffizienz und Integration verschiedener Energiesparten


Sensorik- und Aktorikfunktionen beim Endkunden über

Messtechnik sowie Steuertechnik des Inhaber der Liegenschaft zur objektinternen Führung (Inhouse Automation) sowie

über Smart Metering-System des Messtellenbetreibers zur geeichten Messung, Tarifiierung, Abrechnung und Visualisierung für Produkte eines Lieferanten

Diensteplattform- und Dienstefunktion sowie Gatewayfunktion beim Endkunden über

Energiemanagementsysteme der Liegenschaft in Hohheit des Objektinhabers und –nutzers

Metering-Systeme in der Liegenschaft oder für eine Summe von Liegenschaften in Hohheit des Messstellenbetreibers

Funktionen und Rollenzuordnungen


Echtzeitvernetzung aller Systemkomponenten

Begriffe zum intelligenten Energiesystem Definition Smart Grid

Zellulares Systemmodell Neue Rahmenbedingungen Verteilnetz

Zellularer Energieorganismus und Komplexität

Zentrale Steuerbarkeit und Kontrolle wird mit zunehmender Anzahl dezentraler Komponenten komplexer

Vielfalt, Organisiertheit und Verbundenheit

Komplexität kann durch individuelle, aber gleichzeitig verbundene Strukturen reduziert werden

Diese Strukturen handeln selbstoptimierend, aber gleichzeitig als Gesamtsystem intelligent und kooperativ mit hoher Synergie.

moma verfolgt zellularen Systemansatz mit jeweils lokalen Agenten innerhalb der Zellen mit der Zielrichtung einer dezentralen und verteilten Automatisierungslösung

Energiebutler mit BEMI-Systemlösung in Objektnetzzellen

Verteilte Moderatoren mit dezentralen Netz- und Marktplatzfunktionen in Verteilnetzzelle

verteile Steuerungsstruktur mit autonomiefähigen, aber synergetisch zusammen arbeitenden Regelkreisen (Zellen)

Verbindung zur zentralen Steuerung mit Minimierung der Formen der aufgezwungenen Zentralsteuerung

Entsprechende Geschäftsmodelle und Anreizsysteme für alle Marktbeteiligten im Umfeld der beschriebenen Architektur sind zu definieren

Untereinheiten besitzen eine autonome Natur

eigenständige Regelkreise mit allen Energiesystemelementen

Drittens ist eine hochgradige Vernetzung der Untereinheiten notwendig

Peer-to-Peer-Kommunikation zu Nachbarn

Beherrschung der nichtlinearen Kausalität der Beeinflussung unter Gleichen aufgrund hochgradiger Vernetzung und die Rückkopplung der Regelschleifen innerhalb der Zellen untereinander

neue Anforderungen bei der Simulation von Netzen zur zukünftigen Netzplanung


Objektnetzzellemit

Energiemanagement

Verteilnetzzellemit

Softwareagent:MarktmoderatorNetzmoderator

Systemzellemit

Marktplatz der Energie und

Netzsteuerung

Energie

Information

Herausforderung: Zunehmende Komplexität des Energiesystems aufgrund von

dezentraler und fluktuierende Erzeugung und Marktliberalisierung

Lösungsansatz: „Große Aufgabe in kleine Aufgaben zerlegen“ mittels zellularer Struktur

mit verteilter Automatisierung (weniger komplexe dezentrale Regelung), die zentral

parametrisiert wird.


Systemmodell Objekt-EnergiemanagementEuropäische Sichtweise in Mandat 490

Smart metering systems may exist in the context of larger smart grid infrastructures and may co-exist with home automation systems

The communications infrastructures supporting these applications may be separate or may be usefully shared

Smart MeteringSystem

Elektrizität / Gas / Wärme / Wasser

Smart GridSystem

Elektrizität / Gas / Wärme

Automatisierung inAnschlussobjekten

LiegenschaftenLadesäulen

Anschlussobjekt

Verbindung zwischen der Anlage zur Versorgung mit Energie und Wasser und einer postalischen Regionalstruktur eines Kundengebietes als Gebäude, Gelände oder sonstige Einrichtung

Anschlussnehmer

Eigentümer von Anlagen eines Anschlussobjektes zur Belieferung mit Energie als Elektrizität, Gas oder Fernwärme auf Grundlage eines Vertrages zwischen Verteilungsnetzbetreiber und Eigentümer

Anschlussnutzer

Bezieher von Energie über die Anlagen eines Anschlussobjektes des Anschlussnehmers auf Grundlage eines Vertrages zwischen dem Lieferanten und dem Energienutzer

Systemmodell Objekt-EnergiemanagementBegriffe am Anschlussobjekt

Systemmodell Objekt-EnergiemanagementGetrennte Sichten Messen und Steuern

Smart MeteringSystem

Elektrizität / Gas / Wärme / Wasser

Smart GridSystem

Elektrizität / Gas / Wärme

Anschlussobjekt Anschlussnehmer

LiegenschaftenLadesäulen

Automatisierung in Anschlussobjekten hat viele Ziele

eines davon ist Energiemanagement

zu steuernde Geräte unterliegen anderen Rechtsbereichen

EnergiemanagementAnschlussnutzer

Teil von Objektautomation

GerätesteuerungGeräte, dezentr. Erzeuger

Elektromobile

Smart Metering

Pro Anschlussnutzer:Messwerte, Tariffierung,

Abrechnung, Visualisierung

Last- und Erzeugungs-management,Virtuelle Kraftwerke,Energiehandel,Systemdienst-leistungen …über Smart Grids

ein Meter Gateway (BSI-Schutzprofil) für 1 bis n Anschlussobjekte

Pro Anschlussnutzer (Unterobjekt):

Anreizkurven, Steuerkurven, Bedarfskurven, Angebotskurven

1 bis n Energie Management Gateways (EMG)

Dient dem Energie- und Inhouse Managementin der Hand des Kunden

Eichrecht / BSI Schutzprofiledient dem Auslesen und Abrechnen des Metersin der Hand des Messstellenbetreibers

Systemempfehlung der DKE- Fokusgruppe Inhouse-Automation und Beschlussvorlage im nationalen Lenkungskreis Normung Smart Grid Systemempfehlung der DKE- Fokusgruppe Inhouse-Automation und Beschlussvorlage im nationalen Lenkungskreis Normung Smart Grid

Anschluss-objekt einesAnschluss-nehmers mitmehrerenAnschluss-nutzern (Unterobjekt)

Pro Meter-Gateway 1 bis nAnschlussnutzer

Anschlussobjekte: Wohn- und gewerbliche Objekte, Industrie, mobile Objekte


Public IP-Network (p.a. telecommuncation)Private IP-Network (p.a. energy provider)

Actor:Meter Gateway (MG)

Meter Communication Network

Meter

Meter (Electricity, gas, water,

heat of each household)

either/oreither/or

Actors:Energy Management GW

Common sematic layerUnified Language

Meter Meter ObjectdevicesConsuming or Providing Energy

smart appliances, consuming, producing and storing devices

Core Network Layer (Mapping)

Existend Standard

existing standard

existing standard

either/oreither/or

Actors:Energy Management Gateway

(EMG)


Empfehlungen für Technische Richtlinie zur EnWG-Novelle

•Kein deutscher Alleingang gegen die europäische Meinung

•Gesetzgebungsverfahren sollte Innovationsschub aus nationalen Leuchtturmprojekt E-Energy und Geräteindustrie nicht gleich wieder einschränken

DAHER:

•Meter Gateway (MG) und Energie Management Gateway (EMG) sind logisch getrennte Komponenten in Hohheit verschiedener Rollen im Energiesystem

•MG als Schnittstelle zu geeichten Messeinrichtungen in Hohheit des MSB

•EMG als Schnittstelle zu Energiemanagementssystem (EM) und Sensorik / Aktorik in Hohheit des Endkunden

•Unterschiedliche Anforderungen bezüglich bidirektionaler Kommunikation und Informationssicherheit für MG und Meter sowie EMG und EM / Sensorik / Aktorik führt zu zwei Schutzprofilen

•Vereinigung von MG und EMG in einem Residential Gateway optional möglich und sinnvoll, aber zwei verschiedene Anforderungsprofile für Schutzprofil

•Gesetzestext sollte begriffliche Trennung vornehmen für

Messeinrichtung (Messen, Tariffieren, Abrechnen, Visualisieren)

Steuereinrichtung (Anreizkurven, Steuerkurven, Bedarfskurven, Angebotskurven)

Systemmodell Objekt-EnergiemanagementBSI-Schutzprofil und EnWG-Novelle

Systemmodell Objekt-Energiemanagement Abbildung in moma-Objektnetzzelle

OGEMA und Standardisierung: Dienstevermittlungsumgebung

moma: Energiebutler = Energiemanager + EM - Gateway

Systemmodell Objekt-Energiemanagement Verbindung mit BEMI-System

Systemmodell Objekt-Energiemanagement OGEMA-Struktur

OGEMA Basis-Services

Devices (represented as Resources 61850)

Freezer Micro-CHP Electricity Price

Communication drivers (Technology Implementation Selection in Pilot phase)

IEC61850

…

…SML CIM

Least Cost routing

Energy Automation Services

Device SpecificEnergy Services

Timecontrol

Resource Access Priority Managm.

Web-Interface

Data Logging

Resourceadministration

User Administration

Remote Access Control

Remote Update

+ServiceZigBeeKNX others

EfficiencyAnalysis

EmergencyPower

Reduction

FreezerManagement

Micro CHP Management

Price-basedScheduler

EmergencyPower

Reduction

Least CO2

routingLeast Cost

routing

Energy Automation Services

Price-basedScheduler

EmergencyPower

Reduction

Least CO2

routing

moma – Praxistests

Juli 2009Juli 2009 Okt 2010Okt 2010 Oktober 2011Oktober 2011

1. Praxistest„Innovativer Stromzähler“1. Praxistest„Innovativer Stromzähler“

2. Praxistest„Flexibler Strompreis“2. Praxistest„Flexibler Strompreis“

3. Praxistest„SmarTest Energiebutler“3. Praxistest„SmarTest Energiebutler“

20 Feldtestkunden(dez. Anlagenbetreiber)

Prüfung der technischen Realisierbarkeit (Installation, Daten- übertragung)

20 Feldtestkunden(dez. Anlagenbetreiber)

Prüfung der technischen Realisierbarkeit (Installation, Daten- übertragung)

200 Feldtestkunden (dez. Anlagenbetreiber, private Haushalte) Dynamische Strompreis- Signale (Ermittlung Last- verschiebungspotential)

Akzeptanz der neuen Technologien (Energiebutler)

200 Feldtestkunden (dez. Anlagenbetreiber, private Haushalte) Dynamische Strompreis- Signale (Ermittlung Last- verschiebungspotential)

Akzeptanz der neuen Technologien (Energiebutler)

1.500 Feldtestkunden(dez. Anlagenbetreiber,Gewerbe- und Haushalte)

Repräsentative Aussagen:

• Kundenverhalten• Lastverschiebung• Netzverhalten• Umweltauswirkungen• Wirtschaftlichkeit

1.500 Feldtestkunden(dez. Anlagenbetreiber,Gewerbe- und Haushalte)

Repräsentative Aussagen:

• Kundenverhalten• Lastverschiebung• Netzverhalten• Umweltauswirkungen• Wirtschaftlichkeit

KomplexitätsgradKomplexitätsgrad

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MVV Energie AGLuisenring 4968159 Mannheim Telefon: +49 (621) 290-3351Mobil: +49 (172) 9794884Telefax: +49 (621) 290-3475 andreas.kiessling@mvv.dewww.mvv-energie.dewww.modellstadt-mannheim.dewww.e-energy.de

Dipl.-Phys.Andreas KießlingSystemarchitektwiss.-techn. Projektleitung