• Marktintegration dezentraler Energien

    Integrierte Lösung für virtuelle Kraftwerke

Virtuelle Kraftwerke (VKW) spielen eine entscheidende Rolle für die notwendige Marktintegration dezentraler Energieerzeugungsanlagen. Es wird eine integrierte Lösung vorgestellt, die ein VKW vollständig abbildet. Dabei wird nicht nur die hierfür notwendige Kommunikationsinfrastruktur betrachtet, sondern auch eine Lösung für die gestiegenen Anforderungen an ein intelligentes Portfoliomanagement der nächsten Generation dargestellt.

Der Begriff des „virtuellen“ Kraftwerks scheint unpassend angesichts der sehr realen Anlagen, die zu einem steuerbaren Verbund zusammengeschaltet werden. Im Grunde handelt es sich bei VKW um die Bildung eines Portfolios dezentraler Erzeuger, Energiespeicher und lastverschiebbarer Verbraucher, aus deren unterschiedlicher Charakteristik und Optionalität – ein geeignetes Marktmodell vorausgesetzt – interessante Vermarktungsoptionen entstehen können.

Im Gegensatz zur virtuellen Vertragswelt, die das übliche Portfolio eines Energiehändlers dominiert, sollte hier also eher von einem Realportfolio gesprochen werden. Dies schließt natürlich konventionelle Erzeugungsanlagen und Verbraucher ein.

Das klassische Energiemanagement in vorliberalisierten Zeiten hatte das gesamte Instrumentarium zur Erzeugungssteuerung und Lastbeeinflussung zur Verfügung. Mit dem Unbundling ging jedoch den Energieversorgern, Händlern und Vertrieben die erforderliche Kommunikationsinfrastruktur verloren, da diese beim Netzbetreiber verblieb. Gleichzeitig bestand keine Notwendigkeit zur Verbrauchsbeeinflussung mehr, da die ökonomischen Anreize fehlten.

Mit zunehmendem Ausbau der Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen und der daraus folgenden Volatilität der Preise ist dies nun anders. Das bedingt den Aufbau einer effizienten, bezahlbaren und sicheren Kommunikationsinfrastruktur, die dem Energiehandel und -Vertrieb zur Verfügung steht und die den Anschluss und die Integration der unter dessen Verwaltung stehenden Anlagen in das Steuerungskonzept ermöglicht.

Portfoliomanagement der nächsten Generation

Durch den Aufbau einer eigenen Kommunikationsinfrastruktur entstehen nicht nur erweiterte Möglichkeiten der Einflussnahme auf das Portfolio zur Durchsetzung verschiedener Bilanzierungsziele und Vermarktungsoptionen, sondern auch eine zeitliche Erweiterung des Handlungsspielraums in den intraday Bereich hinein bis hin zur Echtzeitsteuerung der Anlagen.

Dadurch gewinnt das Portfoliomanagement in der bisher bekannten Form eine neue Dimension und es kann durchaus von einer nächsten Generation und neuen Qualität der erforderlichen Portfoliomanagement- und Optimierungssysteme gesprochen werden.

Im Folgenden wird eine neue Systemlösung vorgestellt, die in Kenntnis dieser Anforderungen konzipiert wurde und diesem Anspruch gerecht wird.

Der optimale Einsatz der Flexibilität am Markt und somit der optimale Nutzen des VKW im Gesamtportfolio wird auf Basis einer stochastischen Optimierung ermittelt. Das Optimierungsverfahren trägt dabei dem stochastischen Charakter des Energiemarktes, der fluktuierenden Erzeugung, unsicheren Zufluss- Prognosen zu Speicherseen und anderen Unwägbarkeiten des Marktes Rechnung, die in hochvolatilen Preisen ihren Niederschlag finden.

Dieses Verfahren weist unter unsicheren Randbedingungen für viele Anwendungsfälle erhebliche Performance- und Ergebnisvorteile auf.

Aufgabenangepasst können andere Optimierungsalgorithmen und Verfahren eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise im sehr kurzfristigen Bereich von Vorteil sein, in dem die Stochastik keine nennenswerte Rolle mehr spielt.

Nach Ermittlung des optimalen Kraftwerkseinsatzes können Steuersignale oder Fahrpläne an die Anlagen übermittelt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, durch Aussendung von Preissignalen die Nachfrage bei preissensitiven Verbrauchern zu beeinflussen. Die Umsetzung aller Steuervorgaben der Optimierung erfolgt über ein integriertes SCADA-System.

PSI<em>vpp</em> Überwachungs- und Steuerungssystem

Kontakt

Dr. Benno Zielonka
Geschäftsführer
PSI Energy Markets GmbH, Aschaffenburg
Telefon: +49 6021 366-351
em-vertrieb@psi.de
www.psi-energymarkets.de

Klaus Becker
Geschäftsführer
PSI Nentec GmbH, Karslsruhe
Telefon: +49 721 94249-20
kbecker@psi.de
www.psinentec.de

PSIvpp – eine schlüsselfertige Gesamtlösung für VKW

Bei der vorgestellten Lösung werden alle erforderlichen Aspekte eines VKW in einer integrierten, aus Einzelmodulen bestehenden Lösung abgebildet. Dies beginnt beim Anschluss der Anlagen an intelligente Controller, die auch eine dezentrale Steuerung ermöglichen und reicht über eine leistungsfähige Kommunikationskette zur Übertragung der Steuerbefehle und Online-Erfassung der Verbrauchs- und Erzeugungsdaten bis hin zur Integration des Realportfolios in ein übergeordnetes Energieportfolio und dessen optimaler Vermarktung.

Die Lösung basiert auf drei Hauptkomponenten:

  1. einem zentralen Portfoliomanagementsystem mit einem stochastischen Verfahren zur Portfoliobewertung und -optimierung
  2. einem schlanken und effizienten SCADA-System zur Datenerfassung, Steuerung und Überwachung der Anlagen
  3. der Smart Telecontrol Unit, einer Hardwarebox zur dezentralen Ankopplung und Steuerung der Anlagen

Alle Komponenten sind im integrierten Gesamtansatz nahtlos miteinander verbunden jedoch auch als „stand alone“ Lösungen einsetzbar.

Schaubild
Prinzipaufbau des Virtuellen Kraftwerks

Zentrales Portfoliomanagementsystem

Wetterdaten
Wetterdaten und Einspeiseprognosen für Windkraft- und Photovoltaikanlagen

Das Portfoliomanagement dient der Abbildung und Bewertung sämtlicher Anlagen des VKW, der Ermittlung der optimalen Vermarktungsstrategie und optional der Integration des VKW in ein übergeordnetes Gesamtportfolio.

Im Vertragsmanagement werden alle physischen und kommerziellen vertraglichen Beziehungen der beteiligten (Markt-)rollen abgebildet und alle Komponenten des VKW modelliert. Es erfolgt eine Kosten-, Erlös- und Ergebnisberechnung. Diese bildet die Grundlage für die ebenso integrierte Abrechnung. Hierbei können auf der Basis eines flexiblen Zeitreihensystems und eines programmierbaren Formelsystems mit mehr als 100 energiewirtschaftlichen Funktionen auch komplexe Vergütungs- und Verrechnungsmodelle abgebildet und abgerechnet werden.

Zur verbesserten Einbindung dezentraler Energien in den Energiemarkt muss die Prognosegüte der zu erwarteten Einspeisung verbessert werden. Hierzu wurden neue Prognosemodelle entwickelt. Dieses gibt Planungssicherheit bei der Integration der VKW-Erzeugungsmengen in das Gesamtportfolio und ermöglicht die Optimierung unter gleichzeitiger Berücksichtigung des Lastverschiebungspotentials auf der Absatzseite. Auch hierfür wurden Prognosemodelle entwickelt, die sowohl die Charakteristik unterschiedlicher Produktionsprozesse berücksichtigen müssen als auch die Preissensitivität des Verbrauchs.

Der optimale Einsatz der Flexibilität am Markt und somit der optimale Nutzen des VKW im Gesamtportfolio wird auf Basis einer stochastischen Optimierung ermittelt. Das Optimierungsverfahren trägt dabei dem stochastischen Charakter des Energiemarktes, der fluktuierenden Erzeugung, unsicheren Zufluss- Prognosen zu Speicherseen und anderen Unwägbarkeiten des Marktes Rechnung, die in hochvolatilen Preisen ihren Niederschlag finden.

Dieses Verfahren weist unter unsicheren Randbedingungen für viele Anwendungsfälle erhebliche Performance- und Ergebnisvorteile auf.

Aufgabenangepasst können andere Optimierungsalgorithmen und Verfahren eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise im sehr kurzfristigen Bereich von Vorteil sein, in dem die Stochastik keine nennenswerte Rolle mehr spielt.

Nach Ermittlung des optimalen Kraftwerkseinsatzes können Steuersignale oder Fahrpläne an die Anlagen übermittelt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, durch Aussendung von Preissignalen die Nachfrage bei preissensitiven Verbrauchern zu beeinflussen. Die Umsetzung aller Steuervorgaben der Optimierung erfolgt über ein integriertes SCADA-System.

Überwachungs- und Steuerungssystem in Echtzeit

Für die sichere Datenkommunikation und technische Steuerung sowie Überwachung der Anlagen sorgt ein schlankes, effizientes und hochverfügbares SCADA-System, welches zugleich auf langjährigen Erfahrungen der PSI mit großen High- End-Leitsystemen beruht. Es gewährleistet die sichere Erfassung und Übertragung von Erzeugungs- und Verbrauchsdaten und dient zudem als Überwachungs- und Steuerungssystem in Echtzeit.

Durch die detaillierte Modellierung der Objekte wird eine Visualisierung und Steuerung der Erzeugungseinheiten, der Speicher und (großen) Lasten/Verbraucher gewährleistet. Die grafische Aufbereitung unterstützt die einfache Kontrolle der Prozesse und gibt einen Überblick über den aktuellen Status des Gesamtsystems. Das hierarchische Anzeigekonzept gestattet sowohl eine übersichtliche Gesamtansicht als auch eine Detailansicht bis auf die Ebene der Einzelanlagen. Die Hochverfügbarkeit wird durch Unterstützung einer verteilten, redundanten Systemarchitektur erreicht.

Die Implementierung in Java sorgt sowohl für eine hohe Nutzerfreundlichkeit und die nahtlose Integration der Komponenten des VKW mit dem zentralen Portfoliomanagementsystem als auch für weitestgehende Plattformunabhängigkeit.

Protokolle sowie Funktionalitäten zum Alarmmanagement, die eine Priorisierung der Alarmmeldungen und Filterung nach Dringlichkeit und Zeitpunkt unterstützen, runden die Lösung ab.

Neben der Anzeige, Speicherung und Archivierung von Prozessinformationen gestattet das SCADA-System auch die Steuerung und Überwachung einer nahezu beliebigen Anzahl angeschlossener intelligenter Endgeräte, sogenannter Smart Telecontrol Units (STU). An diese werden die Steuer- und Regelvorgaben des Zentralsystems in Echtzeit übermittelt.

Steuerungssystem
Darstellung der Anlagenübersicht im Überwachungs- und Steuerungssystem
Anlagenübersicht
Detaildarstellung einer Einzelanlage im Überwachungs- und Steuerungssystem

Smart Telecontrol Unit (STU)

Mit der von PSI entwickelten Smart Telecontrol Unit (STU) steht ein intelligentes Gerät zur Anbindung der VKW-Komponenten zur Verfügung. Messdaten und Meldungen der verschiedenen Erzeuger und Verbraucher werden auf der STU gesammelt, gespeichert und an das übergeordnete VKW-Leitsystem weitergeleitet. Die STU unterstützt neben den üblichen Fernwirkprotokollen wie IEC 60870-5-101/-103/-104, IEC 61850 und DNP3 auch proprietäre Fernwirkprotokolle, industrielle Protokolle (Modbus, CANopen) sowie zahlreiche Zählerprotokolle (SML, SYM2, DLMS, IEC 62056-21).

Einzelanlage
Smart Telecontrol Unit (STU)

Neben der Telegrammweiterleitung übernimmt die STU dabei auch die erforderliche Protokollwandlung. Eine integrierte Soft-SPS, die mittels Industrie-Standard IEC 61131 programmiert werden kann, ermöglicht bei Bedarf die zusätzliche Steuerung und Überwachung von Anlagen.

Intelligente Applikationen, sogenannte Smart Apps, ermöglichen eine lokale Optimierung des Prozesses bereits auf Anlagen- bzw. Micro-Grid-Ebene. Dazu gehören Kurzfristoptimierungen sowie autonome Störbehandlungen. Dies erfolgt individuell angepasst an die Bedürfnisse des Virtuellen Kraftwerks und unter Einbeziehung der speziellen Eigenschaften der angebundenen Ressourcen. Durch das Nachladen von Anwendungen können die VKW flexibel an zukünftige Anforderungen angepasst werden.

Die STU ermöglicht die sichere Anbindung dezentraler Erzeuger und Verbraucher nach BDEW-Whitepaper. Ein gehärtetes STU-System bietet dabei die Voraussetzung für eine sichere Kommunikation. Der gesamte Datenverkehr zwischen dem Zentralsystem, dem Übertragungsnetzbetreiber und den dezentralen Ressourcen wird durch VPN-Tunnel verschlüsselt. Über LDAP und RADIUS ist eine zentrale Benutzerauthentifizierung möglich.

Ein Konfigurationsserver sorgt für eine sichere Konfiguration und Aktualisierung der STU.

Für die Bereitstellung von Sekundär- Regelleistung übernimmt die STU auch die Aufgabe der redundanten Kommunikation mit dem Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB). Die Kommunikation mit dem ÜNB erfolgt über eine serielle Schnittstelle nach IEC-60870-5-101. Für den Datenaustausch mit dem Zentralsystem wird das Protokoll in die netzwerkfähige Variante IEC-60870-5-104 gewandelt und über ein IPSec-VPN gesichert.

Die Unterstützung vielfältiger Kommunikations- Schnittstellen ermöglicht in Verbindung mit den integrierten IP Routing- Funktionen die Unterstützung flexibler, redundanter Netzstrukturen. Durch die integrierte Firewall-Funktion wird die Kommunikation zusätzlich abgesichert. 

Virtuelles Kraftwerk – realer Nutzen

Die Geschäftsmodelle, die das aktuelle Marktmodell zulässt, sind in ihrer Attraktivität derzeit begrenzt.

Dennoch gibt es einige interessante und lukrative Vermarktungsoptionen im Regelleistungsmarkt, insbesondere bei der Bereitstellung negativer Regelleistung. Neben der zusätzlichen Wertschöpfung aus der Vermarktung des Realportfolios entstehen darüber hinaus Möglichkeiten, die beschriebene Infrastruktur auch dem jeweiligen Netzbetreiber als Dienstleistung zur Verfügung zu stellen, sofern bspw. die Abschaltung von Anlagen aus Sicherheitsgründen erforderlich sein sollte.

Generell wird es wenig sinnvolle Alternativen zu einem künftigen Marktmodell geben, das für eine stärkere Markteinbindung der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen und entsprechende finanzielle Anreize sorgt.

Mit der Flexibilität der vorgestellten Lösung, die durch ihre Skalierbarkeit sowohl die wirtschaftliche Vermarktung kleinerer Anlagen unterstützt, als auch die Performanceanforderungen großer Mengengerüste erfüllt und darüber hinaus die erforderliche Sicherheit der Daten gewährleistet ist man für den kommenden Markt jedenfalls gut gerüstet.