Demonstration intelligenter Netzzellen

Demonstration intelligenter Netzzellen

Im Teilprojekt „Demonstration intelligenter Netzzellen“ sollten die Tauglichkeit des zellulären Ansatzes für die Anforderungen des Netzes in verschiedenen Demonstratoren nachgewiesen werden. Die zellulär organisierten Netzzellen, also abgegrenzte und lokal zusammenhängende Netzbereiche sind dabei in der Lage, auf lokale Verbrauchs- und die Erzeugungsvorgänge zu reagieren. Dabei wurden die technischen Anforderungen an die enthaltenen Regelelemente des Netzes weitergegeben, worauf die Zelle entsprechend intelligent reagieren konnte. Einerseits galt dies für den Normalbetrieb und die Bereitstellung von Blindleistung als Systemdienstleistung, andererseits auch für Zustände, in denen sich Netzbereiche an ihre Kapazitätsgrenze annähern. Durch eine entsprechende Reaktion der Zelle wird das Netz wieder in einen dauerhaft zulässigen Bereich zurückgeführt.

Grundlage der Demonstrationsprojekte waren die Business Use Cases (aus den TP3-5). Diese wurden entsprechend den Vorarbeiten umgesetzt, und die Ergebnisse in TP 6 anhand praktischen Einsatzes getestet.

Arbeitspaket AP 6.1 – Koordination des Teilpakets 6

Innerhalb des Teilprojekts TP 6 koordinierte das Arbeitspaket AP 6.1 die Planung und Durchführung der Projektinhalte in Abstimmung mit den Arbeitspaketen AP 6.2-6.6. Arbeitspaket 6.1 war dabei für die interne Kommunikation und Projektabsprache verantwortlich, wie auch der Koordination mit der Gesamtprojektleitung und weiteren relevanten Teilprojekten von C/sells.

Arbeitspaket Ap 6.2 – Abstimmungkaskade

Im Vorhaben wurden folgende Unterarbeitspakete (UAP) unterschieden:

  • UAP 6.2.1 – Abstimmungskaskade in Regelzone TransnetBW

Das Ziel des Unterarbeitspakets UAP 6.2.1 war es, als Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) einen Beitrag dazu zu leisten, dass die im Projekt C/sells zu entwickelnden Lösungen die Systemstabilität, eine regelzonen- bzw. deutschlandweite Standardisierbarkeit und Ausrollbarkeit in ausreichendem Maße berücksichtigen. Insbesondere war sicherzustellen, dass die Systemstabilität in den Regelzonen auch bei breit angelegten Tests der weitgehend automatisierten Abstimmungskaskaden-Szenarien aus TP 4 unter Einbeziehung der Flexibilitätsplattform gewährleistet bleibt. Gleichzeitig war durch die übergreifende Koordination sicherzustellen, dass die Lösungen hinreichend konsistent zueinander sind. Dies betraf sowohl Daten-, Markt- als auch Netz-Themen im C/sells-Projekt. Dies erfolgte in enger Abstimmung mit TenneT (siehe UAP 6.2.2), die eine ähnliche Aufgabenstellung für ihre Regelzone zu erfüllen hatte.

  • UAP 6.2.2 – Abstimmungskaskade in Regelzone TenneT

Das Ziel dieses UAP war es, als ÜNB einen Beitrag dazu zu leisten, dass die im Projekt C/sells zu entwickelnden Lösungen die Systemstabilität, eine regelzonen- beziehungsweise deutschlandweite Standardisierbarkeit und Ausrollbarkeit in ausreichendem Maße berücksichtigen. Insbesondere war sicherzustellen, dass die Systemstabilität in den Regelzonen auch bei breit angelegten Tests der weitgehend automatisierten Abstimmungskaskaden-Szenarien aus TP 4 in Abhängigkeit der drei Ampelphasen unter Einbeziehung der Flexibilitätsplattform gewährleistet bleibt. Gleichzeitig war durch die übergreifende Koordination sicherzustellen, dass die Lösungen hinreichend konsistent zueinander sind. Dies betraf sowohl Daten-, Markt- als auch Netz-Themen im C/sells-Projekt. Dies erfolgte in enger Abstimmung mit TransnetBW (siehe UAP 6.2.1), die eine ähnliche Aufgabenstellung für ihre Regelzone zu erfüllen hatte.

Arbeitspaket AP 6.3 – Solare Verteilnetzschwerpunkte in Flächennetzen

Verteilnetze im ländlichen Raum müssen schon heute einen Großteil der solaren Einspeisung integrieren. Die Herausforderungen durch die starke solare Einspeisung betreffen sowohl ländlich geprägte Flächennetzbetreiber als auch Stadtwerke und bedingen eine verstärkte Nutzung von Flexibilitätsoptionen. Durch die zu erwartende Zunahme von dezentralen Erzeugungsanlagen in Flächennetzen kann eine sektorübergreifende Flexibilisierung von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern mit Hilfe neu zu entwickelnder intelligenter Anreizmechanismen zur Netzstützung beitragen.

  • UAP 6.3.1 – Intelligente Flexibilitätsanreize Osbayern

In Unterarbeitspaket UAP 6.3.1 wurde in ostbayrischen Gegenden, die besonders von Solarenergie geprägt sind, der Rollout von Smart Grids sowie Steuerboxen demonstriert und dabei wissenschaftlich begleitet. Dazu wurden die Ressourcen und das Knowhow mehrerer kleiner Netzbetreiber sowie des Flächennetzbetreibers Bayernwerk unter Einbindung und Erprobung zukunftsfähiger Hard- und Software zu einem solaren Verteilnetzschwerpunkt zusammengefasst. Diese Ergebnisse sollten sowohl einen technischen als auch ökonomischen Mehrwert liefern: Es wurden Anforderungskataloge für Smart-Grid Komponenten entwickelt und das optimale netzdienliche Verbrauchs-, Erzeugungs- sowie Speicherverhalten ermittelt. Die Entwicklung von Flexibilitätsanreizen ermöglicht den Anlagen die Teilnahme an einer zukünftigen Marktstruktur. Letztendlich sind durch dieses Unterarbeitspaket Handlungsempfehlungen für verschiedenste Stakeholder ableitbar.

Das Ziel der Tätigkeiten in UAP 6.3.1 war eine umfassende Evaluierung der Smart-Grid-Infrastruktur und Nutzung der erweiterten Datenbasis für eine robuste Netzplanung und eine effiziente Netzführung, insbesondere für das Engpassmanagement im Verteilnetz. Darüber hinaus sollte der Flexibilitätsbedarf im Verteilnetz durch Analyse von Einspeisemanagement-Daten und Netzsimulationen bestimmt werden.

Zur Erschließung der verschiedenen Flexibilitätsoptionen wurde als weitere Demonstrationszelle eine Flex-Plattform in der Projektregion Ostbayern entwickelt und implementiert. Ziel war dabei, die verschiedenen Anbieter von Flexibilität über neue Marktmechanismen insbesondere für den Einsatz zum Engpassmanagement verfügbar zu machen. Basis hierfür stellten die Analyse und der Vergleich verschiedener Integrationsmodelle sowie eine Untersuchung der Anforderungskriterien der beteiligten Akteure dar. Die regionalisiert erfassten und anhand Ihrer spezifischen Kennzahlen beschriebenen potenziellen Flexibilitätsoptionen standen dabei als Angebot der Nachfrage durch Flexibilitätsbedarf gegenüber. Auf der Plattform folgten daraufhin die Allokation und das Matching von Nachfrage und Angebot. Durch Integration der verfügbaren Flexibilitätsoptionen aus den beiden weiteren ostbayerischen Demozellen wurde die Wirksamkeit und Realisierbarkeit der Flex-Plattform getestet und bewertet.

  • UAP 6.3.2 – Übergeordneter Abgleich Bayern

Das Unterarbeitspaket „Übergeordneter Abgleich Bayern“ aggregierte die Ergebnisse aus den bayerischen Zellen und eruierte mögliche Stadt-Land-Effekte. Zusätzlich wurde der Ausgleich zwischen den einzelnen Sektoren Wärme und Strom optimiert. Die Beteiligung aller für die Fragestellung relevanten bayerischen Zellen ermöglicht den Wissenstransfer zwischen verschiedensten Akteuren.

Basierend auf den Ergebnissen der Partner wurden die marktspezifischen und technischen Charakteristika der unterschiedlichen Zellen im Rahmen einer Austauschplattform der beteiligten Akteure verglichen, die Replizierbarkeit der entwickelten Methoden und Business Use Cases sichergestellt sowie Auswirkungen zwischen solarem Erzeugungsschwerpunkt und urbanen Lastzentren analysiert.

Publikationen (Auswahl)

Zeiselmair, Andreas / Bogensperger, Alexander / Köppl, Simon / Estermann, Thomas / Wohlschlager, Daniela / Müller, Mathias (2018): ALTDORFER FLEXMARKT (ALF). Konzeptbeschreibung, Zielsetzung, Funktionsweise und Prozesse des Altdorfer Flexmarkts

Faller, Sebastian / Bogensperger, Alexander / Köppl, Simon / Kießling, Andreas (2020): Anwendungshilfe Use Case Methodik. Eine praktische Anwendungshilfe für die Use Case Entwicklung

Köppl, Simon / Zeiselmair, Andreas / Estermann, Thomas / Wohlschlager, Daniela / Springmann, Elisabeth / Hinterstocker, Michael / Ganz, Kirstin / Dossow, Patrick / Ronczka, Marilen Elisa / Növer, Ralf / Sippenhauer, Thomas (2020): C/sells AP 6.3 Abschlussbericht. Solare Verteilnetzschwerpunktein Flächennetzen

Springmann, Elisabeth / Köppl, Simon / Estermann, Thomas (2020): KOF und ALF – Wie passen Flexibilitätsplattformen mit der Koordinierungsfunktion des FNN zusammen? FfE Discussion Paper 2020-03

Zeiselmair, Andreas / Estermann, Thomas / Köppl, Simon / Faller, Sebastian (2020): Altdorfer Flexmarkt (ALF) Use Case Beschreibung

Sippenhauer, Thomas (2021): Verankerung von Flexibilität in der Netzplanung

Sippenhauer, Thomas / Brückl, Oliver (2021): Erschließung der Flexibilitätspotenziale eines Trinkwasserversorgungssystems

Arbeitspaket AP 6.4 – Umsetzung intelligenter Messsysteme

Das Arbeitspaket befasste sich mit der Erprobung und wissenschaftlichen Bewertung der Auswirkung von hohen Anteilen dezentraler Einspeisung durch Prosumenten. Der Einsatz von intelligenten Messystemen (iMSys) in Kombination mit Komponenten zur direkten Kommunikation mit den Anlagen der Prosumenten soll einen tieferen und detaillierteren Einblick in die Auswirkungen der Interaktion von Prosumenten mit dem Verteilnetz und mit Märkten geben, und die Wirksamkeit der Nutzung von Flexibilitäten in den unterschiedlichen Ampelphasen analysieren.

  • UAP 6.4.2 – Netzzustandserfassung Ulm Einsingen

Das Ziel des Unterarbeitspakets 6.4.2 war die Überprüfung einer zuverlässigen Netzzustandsbestimmung basierend auf intelligenten Messystemen (iMSys) und Photovoltaikanlagen mit einer Leistung >7 kWp. Die iMSys sollten außerdem dazu genutzt werden Photovoltaik-Überschussstrom in power-to-heat-Ansätzen (P2H) zu demonstrieren. Durch die Netzsimulation in Kombination mit den ermittelten Ansätzen sollte in Zukunft eine Reduktion der Anzahl der Messstellen bei gleichzeitiger Steigerung der Zuverlässigkeit der Netzzustandsbestimmung erreicht und wissenschaftlich evaluiert werden.
Das Testgebiet in Einsingen umfasste 130 Wohngebäude mit jährlich 1 GWh Verbrauch und 211 MWh Photovoltaik-Einspeisung. In diesem Unterarbeitspaket sollten Maßnahmen zu Flexibilisierung von Photovoltaik-Einspeisung und Nutzung von zusätzlichen P2H-Lasten in den Testgebieten Einsingen und Hittistetten demonstriert werden.

  • UAP 6.4.3 – Niederspannungs-Rückspeisung Hittistetten

Das Testgebiet in Hittistetten umfasste 118 Gebäude mit jährlich 1 GWh Verbrauch und 1 GWh Photovoltaik-Einspeisung (PV). In Hittistetten sollte der Fokus auf Systemdienstleistungen gelegt werden, hierzu sollten in allen PV-Anlagen mit einer Nennleistung größer 7 kWp Smart Meter und intelligente Steuerungskomponenten installiert werden. Im Testgebiet Hittistetten wären 43 Anlagen mit einer Gesamtnennleistung von 1045 kWp betroffen gewesen. Simulierte dezentrale Regelungsansätze mit Power-to-Heat Lösungen (P2H), sollten validiert, und um Systemdienstleistungen im Zellverbund erweitert werden. Zusätzlich sollten bei den Prosumenten Messtechnik implementiert werden, um Simulationsmodelle zur Netzzustandsbewertung im Testgebiet zu validieren. Außerdem sollten Daten zu den Technischen Anlagen der Heiz- und Warmwassererzeugung erfasst werden, um die Auswirkungen auf weitere Energieträger analysieren zu können.

  • UAP 6.4.4 – Intelligentes Verteilnetz Schwäbisch Hall

Die Demonstration des Unterarbeitspakets UAP 6.4.4 fokussierte im Verteilnetz der Stadtwerke Schwäbisch Hall auf die innere Abstimmungskaskade und die Maximierung der regenerativen Erzeugungsaufnahme. Die Aufrüstungen der Netzführungssysteme wurden bis auf die Prognose im Rahmen von UAP 6.2.1 vorgenommen.

Im Mittelspannungsnetz der Stadtwerke Schwäbisch Hall, das neben der Stadt Schwäbisch Hall die angrenzenden Gemeinden Michelbach, Rosengarten, Michelfeld, Untermünkheim, Mainhardt, und Wüstenrot umfasst, werden derzeit rund 71.000 Einwohner im Querverbund mit Strom, Gas, Wärme und mit Wasser versorgt. In Summe sind derzeit rund 120 MW Einspeiseleistung installiert einschließlich der vorhandenen Notstromaggregate, die maximale Netzabgabe liegt bei rund 68 MW. Durch die Netze Ottobrunn, Mölln, Bad Oldesloe, Ratzeburg, Bad Neuenahr, Sankt Augustin ist die Verbundleitwarte als Verteilnetzbetreiber (VNB) zweiter Ebene in den Regelzonen der TransnetBW, TenneT und Amprion aktiv. Die Verbundleitwarte ist Dienstleister für 20 Netzbetreiber in Deutschland.

  • UAP 6.4.5 – Monitoring NS-/MS-Netze

Grundlage für die Nutzung netzdienlicher Flexibilität war ein geeignetes Monitoring des Netzzustandes in kritischen Netzbereichen durch den Netzbetreiber. Gebraucht wurden zeitnahe für den Netzbetrieb erforderliche Informationen zu kritischen Netzparametern wie z.B. Spannung, Blindleistung, Belastung in den betroffenen Netzbereichen. Jedoch reichten eine IKT-Infrastruktur und entsprechende Sensorik auf Seiten des Netzbetreibers noch nicht aus, um Flexibilitätsbedarf zu erkennen und am Flexibilitätsmarkt nachzufragen.

Besonderes Augenmerk bei der Erkennung des Netzzustandes wurde auf die Rückwirkungen marktdienlicher Systeme bei Haushalts- und Gewerbekunden im Niederspannungsnetz gelegt, da die Kenntnis der Rückwirkungen für einen künftigen Betrieb dieser Netze unumgänglich ist. Dafür wurden Netzstränge in Niederspannungsnetzen ausgewählt und zum Teil mit PV-Speicher-Lösungen (Batterie, Tauchsieder, Wärmepumpen) und Homemanagementsystemen ausgestattet. Bei dem Test des intelligenten und integrierten Verteilnetzmanagementsystems sollte geklärt werden, wie zukünftig ein sicherer Betrieb der Niederspannungsnetze selbst in kritischen Netzzuständen gewährleistet und der Netzausbau dadurch reduziert werden kann.

Arbeitspaket AP 6.5 – Direkte Anlagenkontrolle

Das Arbeitspaket befasste sich mit dem Roll-Out und dem Betrieb von größeren Infrastrukturen intelligenter Messysteme (iMSys). Zielsetzung war die Evaluierung der Funktions- und Massenfähigkeit der technischen und organisatorischen Vorgaben, als auch deren Implementierung in Hardware und Software, im Rahmen von großflächigen Feldversuchsinstallationen. In den regional verschiedenen Feldversuchsprojekten wurden unterschiedliche innovative Konzepte der vorangegangenen Arbeitspakete im Rahmen von Demonstratoren auf deren Praxistauglichkeit geprüft.

  • UAP 6.5.1 – Rollout-Probe intelligenter Messsysteme Nord-/Mittelhessen

Aufbauend auf vorhergehenden Testphasen, welche die Basis für eine Spezifizierung zukünftiger intelligenter Messsystem (iMSys)- „Gesamtarchitektur“ bilden, sollte in dem nachfolgend beschriebenen Pilotvorhaben das bis dahin finalisierte Konzept zur Einführung sowie der Umgang mit und die zukünftige Nutzung getestet werden. Dazu gehörten die „zentral“ zu etablierenden und in die Bestandslandschaft der Netz- bzw. Messstellenbetreiber zu integrierenden neuen Systeme und Prozesse, die zukünftig auszuprägenden Rollout-Prozesse, die einzusetzenden Kommunikationstechnologien sowie die zukünftigen Hardwarekomponenten.

Ziel ist war es zum einen, die Prozesse und den Rollout effizient umzusetzen sowie Optimierungspotentiale aufzuzeigen und zu nutzen („Rollout-Generalprobe“). Zum anderen sollte ein aus Sicht der verschiedenen Akteure wirtschaftlich und technologisch optimaler Kommunikationsmix erarbeitet und getestet werden. Weiterhin sollten die Möglichkeiten und der Nutzen der neuen Kommunikationsplattform iMSys aus Sicht dieser Akteure erprobt und zu etabliert werden.

  • UAP 6.5.2 – Intelligente Netzzustandserfas­sung Ortenau

Im Unterarbeitspaket UAP 6.5.2, der Verteilnetzzelle „Intelligente Netzzustandserfassung Ortenau“ wurden 5.000 intelligente Messsysteme (iMSys) zur Evaluation der Administration eingesetzt. Weiterhin wurden Steuerboxen an signifikanten Zählpunkten installiert und Analysen der Netzdienlichkeit hochvariabler Tarifmodelle und unterschiedlicher Datenübertragungsmedien im Netz Mittelbaden angestellt. Die Auswirkungen der durch die Preise induzierten Lastverlagerungen, die Kundenakzeptanz von variablen Tarifmodellen sowie die Akzeptanz und Usability der komplexen Mess- und Abrechnungskonzepte variabler Tarifmodelle wurden untersucht. Über die Laufzeit des Projektes erfolgte ein kontinuierliches Monitoring der Verbindungsqualität der unterschiedlichen zur Anwendung gebrachten Kommunikationsmedien. In Abhängigkeit der gemessenen Servicequalität wurden Vorschläge erarbeitet, für welche Geschäfts- und Anwendungsfälle, welche Art von Kommunikationsmedium unter wirtschaftlichen Aspekten zu empfehlen ist.

  • UAP 6.5.3 – Verteilnetzinformationssystem Ulm

Ziel des Unterarbeitspakets UAP 6.5.3 war die gezielte Bewertung der Wirksamkeit einer Installation von 1.000 intelligenten Messsystemen und 300 CLS-Steuerungskomponenten, welche die Flexibilität der Stromerzeugung in Ulm verbessern, und netzstabilisierend wirken sollten. Im Verteilnetzgebiet der Stadt Ulm sind 528 öffentliche Transformatoren installiert. Im Stadtgebiet befinden sich bereits Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 17,2 MW, deren Leistung größer als 7 kW ist. Eine koordinierte Einbettung von intelligenten Messsystemen und Regelungskomponenten in das Verteilnetz der Stadt Ulm kann Flexibilität in den gelben oder roten Phasen der Netzampel in Verbindung mit angrenzenden Netzzellen bereitstellen, sowie zur Stabilisierung von Spannungs- und Lastproblemen beitragen.

Arbeitspaket AP 6.6 – Flexible Abstimmung Netz-Markt

Im Arbeitspaket AP 6.6 wurde ein prototypischer regionaler Flexibilitätsmarkt zur Bereitstellung netzdienlicher Flexibilität auf Verteilnetzebene entwickelt und in der Modellregion Nord-/Mittelhessen simuliert. Das Arbeitspaket gliederte sich in fünf Module:

  1. Die Schaffung eines RegioFlexMarkts auf Basis der IKT-Infrastruktur. Dabei wurden technische Lösungen aus den Teilprojekten TP 3 bis 5, sowie standardisierte IKT-Lösungen aus der Energiewirtschaft berücksichtigt.
  2. Entwicklung des RegioFlexMarkt-Systemdesigns: Analyse der vorhandenen Netzstrukturen sowie der potenziellen Marktakteilnehmer bzw. Anbieter netzdienlicher Flexibilität. Zusätzlich wurden die technischen Anforderungen zur Aufrechterhaltung der Systemsicherheit definiert.
  3. RegioFlexMarkt Marktdesign: Beschreibung der grundlegenden Marktanforderungen an die RegioFlexMarkt-Plattform und Definition der Rolle und Rechte der Marktakteure. Design der erforderlichen RegioFlex-Produkte im Hinblick auf ihre Art, den Ort im ausgewählten Netzgebiet, den zeitlichen Vorlauf und die Dauer des Abrufs sowie Entwicklung des Auktions- und Ausschreibungsverfahrens.
  4. Feldversuch: Pilotierung der RegioFlexMarkt-Handelsplattform und das Testen der Use Cases. Bestimmung einer oder mehrerer Netzaggregationsbereiche in der Modellregion, die für die Erprobung eines regionalen Flexibilitätsmarktes geeignet sind, und Auswahl der Flexibilitätsanbieter. Hierzu sollten reale Industriekunden und Erzeuger mittels wirtschaftlicher Anreize für eine Teilnahme gewonnen werden.
  5. Die Durchführung des Feldversuchs: beinhaltete den Betrieb eines prototypischen Handelssystems in der Modellregion. Neben der technischen Simulation diente dieses Modul insbesondere der Untersuchung von Anreizwirkungen.

Publikationen (Auswahl)

Fait, Larissa / Heilmann, Erik / Hoffner, Laura / Ißler, Robert / Wetzel, Heike (2021): Dokumentation der Haushaltsbefragung im Rahmen des „ReFlex“-Feldtests

Heilmann, Erik / Ißler, Robert / Hoffner, Laura / Wetzel, Heike / Fieseler, Tobias (2021): Beschreibung des „ReFlex“-Feldtests

Heilmann, Erik / Ißler, Robert / Wetzel, Heike / Terecik, Alexander / Wojtek, Sebastian (2021): Beschreibung der Plattformsoftware „ReFlex“