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Abb. 3: Kommunikationsstruktur mit BEMI.
© ISET, Kassel

Abb. 4: Marktteilnehmer im BEMI-Pool.
© ISET, Kassel
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Forschungsprojekt DINAR

In dem im Rahmen von DINAR entwickelten Konzept werden Energieverbraucher und Betreiber dezentraler Anlagen zu Marktteilnehmern, die je nach aktuellem Bedarf elektrische Energie liefern oder abnehmen (Abb 2). Die bisherigen reinen Energiehändler bieten jetzt zusätzliche Energiedienstleistungen an. Der Energiedienstleister führt einen bidirektionalen Energiehandel zwischen seinen Kunden und den übergeordneten Energiemärkten, wie zum Beispiel der Strombörse EEX durch, fungiert also sowohl als Energielieferant als auch -abnehmer. Eine zusätzliche Vermarktungsmöglichkeit für die dezentral erzeugte elektrische Energie ist der Verkauf von Ausgleichsenergie oder die Teilnahme am Regelenergiemarkt.

Der Energiedienstleister versorgt die Kunden mit zentralen Informationen über variable Tarife für Verbrauch und Einspeisung, die unter anderem aus dem aktuellen Spotmarktpreis der EEX generiert werden. Diese Tarife werden durch eine Leitstelle an dezentral entscheidende Einheiten, die Bidirektionalen Energiemanagement-Interfaces (BEMI), verteilt. Diese reagieren durch die automatische Zu- oder Abschaltung von Lasten oder dezentralen Energieversorgungsanlagen und minimieren dadurch die Stromkosten für den Kunden. Da sich die Reaktion der Kunden auf variable Tarife innerhalb eines Versorgungsgebietes relativ genau prognostizieren lässt, stellt dieses Verhalten ein für den Energiedienstleister verlässliches, für den Kunden transparentes und flexibles Instrument zur Beeinflussung des Last- und Erzeugungsverlaufes dar.

Dieses Instrument kann z.B. dafür genutzt werden, die Abregelung etwa von Windenergie- oder Photovoltaikanlagen zu vermeiden, wenn die Einspeisung aus diesen Quellen die aktuelle Last übersteigt. Auf eine künstliche Absenkung des Verbrauchstarifs durch den Energiedienstleister würden die „elektronischen Energiemanager“ im betreffenden Netzabschnitt durch Zuschaltung von Lasten reagieren. In Zukunft können das auch Plug- in Hybridfahrzeuge sein.

Bidirektionales Energiemanagement- Interface (BEMI)

Für ein weitgehend automatisiertes, dezentrales Energiemanagement benötigen die Kunden entsprechende Hard- und Software zum automatischen Schalten von elektrischen Lasten und Erzeugern. Hierfür entwickelten die Forscher ein bidirektionales Energiemanagement- Interface (BEMI), welches als dezentrale Intelligenz den konventionellen Zählerschrank im Hausanschluss ersetzt (Abb 3). Es empfängt von der Leitstelle zentrale Informationen, insbesondere das Preisprofil für den Folgetag. Basierend darauf wird der optimale Einsatzplan für alle angeschlossenen Geräte berechnet. Dies sind Verbraucher wie z.B. Kühlgeräte, Warmwasserboiler, Klimaanlagen, Waschmaschinen, Trockner und, sofern vorhanden, Stromerzeuger wie z.B. KWK- Anlagen. Zukünftig dürften auch Systeme mit Batteriespeicher, Ladeeinrichtungen von Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellen- Heizgeräte eine wichtige Rolle spielen.

Ein Zählerinterface erfasst die verbrauchten und erzeugten Leistungsflüsse und übermittelt die Daten zur Leitstelle. Die viertelstündliche Erfassung von Last und Erzeugung ist entscheidend dafür, dass auch im liberalisierten Strommarkt der optimierte zeitliche Einsatz der Geräte abgerechnet und vergütet werden kann. Manche Geräte – wie z.B. Kühlschränke, deren Innentemperatur vom BEMI überwacht wird – können gesteuert werden, ohne dass der Kunde davon Notiz nimmt. Bei anderen Geräten, wie z.B. Waschmaschinen, muss der Kunde aber über den geplanten Einsatz informiert werden und die Möglichkeit haben, den vom BEMI errechneten Fahrplan auf Wunsch zu ändern. Ermöglicht wird das über einen handelsüblichen Handheld- Computer mit WLAN, mit dem der Nutzer Informationen abfragen und Modifikationen an Einsatzplänen und Parametern vornehmen kann.

Das vom BEMI zur Verfügung gestellte Web- Interface kann über das Internet auch für Ferneingriffe genutzt werden. Verbrauchs- und Erzeugungsdaten für die Abrechnung werden auf einen zentralen Server übertragen und dort dargestellt. Dasselbe gilt für Messwerte der Spannung, Frequenz und Impedanz für die Netzüberwachung, die durch das Mess- und Steuerinterface (MSI) des BEMI zur Verfügung gestellt werden.

Realisierung und Testbetrieb

Das BEMI wurde im Rahmen des Projekts DINAR als Laboraufbau realisiert. Zur Demonstration und Verifikation wurden im DeMoTec- Labor des ISET zwei Testhaushalte aufgebaut (Abb. 1). Diese verfügen über verschiedenartige Kühlgeräte und Wäschetrockner, welche von den BEMIs gemanagt werden. Zur Deckung von simulierten Wärmebedarfsprofilen werden in den Testhaushalten außerdem zwei verschiedene KWK- Anlagen betrieben. Zur zeitlichen Entkopplung von Wärmebedarf und Stromerzeugung sind die Anlagen über Speicher mit der Wärmesenke verbunden. Die BEMIs optimieren den Einsatz der KWK- Anlagen auch unter Berücksichtigung des Wärmespeicherinhalts.

Ein dauerhafter Testbetrieb dieses Aufbaus wurde im DeMoTec- Labor von Juli bis Oktober 2007 durchgeführt, wobei die variablen Tarife für einen der Haushalte von der EEX, für den anderen vom regionalen Versorger, den städtischen Werken Kassel AG, übertragen wurden. Durch das Management wurden Einsparungen erzielt, die z.B. für ein Kühlgerät etwa 8% der Jahres- Nettogesamtkosten betragen.

Anwendungen

Die möglichen Anwendungen des BEMI betreffen einerseits das Wirkenergiemanagement, das sich unter anderem zur Integration fluktuierender Erzeugung nutzen lässt. In einem simulierten Szenario wurde das Lastmanagement mit 6400 BEMI mit Waschmaschinen und Kühlschränken verwendet, um ein Einspeisedefizit aus Photovoltaik und Wind auszugleichen. Dafür werden heute zentrale Mittel- und Spitzenlastkraftwerke eingeplant. Mit dem BEMI- Management würde sich die benötigte Leistung aus diesen Kraftwerken um etwa 30% reduzieren.

Mit der Zählerfernauslesung und Netzzustandsüberwachung werden aber auch Smart- Metering Funktionen sowie Verteilnetz- Dienstleistungen ermöglicht. Unter diesem Begriff werden Funktionen zusammengefasst, die den Verteilnetzbetreiber beim Netzbetrieb und bei der technischen Integration verteilter Erzeuger unterstützen. Dazu gehört die Überwachung des Versorgungszustands bis hin zur Verbesserung der Spannungsqualität und Netzengpassüberwachung. Um dies zu ermöglichen, muss eine große Anzahl der bidirektionalen Energiemanagement- Interfaces (BEMI) durch eine übergeordnete Komponente gebündelt werden. Dieses „Pool- BEMI“ bildet die technische Schnittstelle zwischen Energiedienstleister und Verteilnetz- Leitstelle und befindet sich zurzeit in der Entwicklung.

Das Prinzip der dezentralen Entscheidung wird auch für das übergeordnete Management eingesetzt. Das bedeutet, dass auch das Pool- BEMI nicht direkt über den Einsatz der dezentralen Erzeuger und Lasten entscheidet. Der im Projekt DINAR verwendete Mechanismus der variablen Tarife soll jedoch so erweitert werden, dass die BEMI dem Pool- BEMI Informationen über freie Ressourcen – beispielsweise Erzeugungspotenziale – liefern und somit eine aktivere Rolle spielen. Das Pool- BEMI aktiviert diese Ressourcen mit Hilfe von Preissignalen, die es den BEMI als zentrale Information zur Verfügung stellt.

Zusätzlich steht es in Verbindung mit dem Verteilnetzbetreiber und steht als technische Schnittstelle für die Verteilnetz- Dienstleistungen zur Verfügung. Auch dezentrale Energieversorgungsanlagen wie Photovoltaik- oder kleine Windkraftanlagen können mit der BEMI- Technologie als aktive Einheiten in das System eingebunden werden.

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