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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Chancen der Digitalisierung für die Energiewende
Agenda:
1. Optimierungsbasierte Einsatzplanung für Batteriespeicher
2. Automatisierte Flexibilitätserkennung in Industrieprozessen
3. Neue Leitwartentechnologien zur Vollautomatisierung
4. Simulation, Analyse und Konzeption komplexer Energiesysteme
5. Systemintegration durch Sektorenkopplung
6. Vernetzte Mobilität & Smart Home Grid
7. Multikriterielle Nachhaltigkeitsbewertung
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Dezentrale optimierungsbasierte Einsatzplanung für
Batteriespeicher mittels stochastischer Prognosen
Speicher
→ Lasten / Erzeugung
zeitlich verschieben
EE, Lasten
→ Prognosen
Idee: besser ansteuerbare „smarte Zellen“ (DERs) durch Speicher
• Optimierungsbasierte Einsatzplanung für Batteriespeicher
• Kombination datengetriebener (unsicherer) Prognosen mit numerischer Optimierung
zur Minimierung prädizierter ökonomischer Kosten
• Realisierbarkeit eines besser vorhersagbaren Einsatzfahrplans
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Dezentrale optimierungsbasierte Einsatzplanung für
Batteriespeicher mittels stochastischer Prognosen
Dispatchable feeder Stochast. Prognosen für
Verbrauch und Erzeugung
Scheduling-Problem
Ergebnisse – Simulationen und Experimente am KIT Testsystem
Simulationen zeigen
signifikante Verbesserung!
R. Appino et al., On the Use of Probabilistic Forecasts in Scheduling of Renewable Energy Sources Coupled to Storages. Applied Energy, 2018
R. Appino et al., Scheduling Storage Operation with Stochastic Uncertainties - Feasibility and Cost of Deviation. PSCC, 2018
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Automatisierte Flexibilitätserkennung in
Industrieprozessen
Warum Flexibilitätserkennung?
• Aufzeigen bestehender Flexibilitätspotentiale
• Priorisierung bei der Flexibilisierung
• Wenig Aufwand von Anwenderseite (kein Prozesswissen nötig)
• Expertenwissen kann integriert werden
• Spezifische, personalisierte Anreize für Demand Side Management
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Automatisierte Flexibilitätserkennung in
Industrieprozessen
Standardprofile und deren Variationen erkennbar
Potentielle Flexibilität
L. Barth et.al., How much demand side flexibility do we need? - Analyzing where to exploit flexibility in industrial processes. ACM e-Energy, 2018
N. Ludwig et.al., Mining Flexibility Patterns in Energy Time-Series from Industrial Processes. Workshop Computational Intelligence, 2017
Prozesszeitreihe Motiv-Erkennung
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Neue Leitwartentechnologie: Automatisierter Multi-
Agenten-Ansatz für die Einsatzplanung
• Agenten machen Flexibilitätsangebote unter Berücksichtigung von Unsicherheiten
• Aggregator nutzt Unit Commitment Schedule & Optimization (UCSO) Service zur Berechnung von
geeigneten Gesamtlösungen
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External grid support service provider Aggregator VPP
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Neue Leitwartentechnologie: Generisches Container-
und Microservice-basiertes Framework für parallele
Ausführung von Optimierungsrechnungen
• Basisimplementierung für den
Unit Commitment Schedule and
Optimization (UCSO) Service
(siehe vorherige Folie)
• Berechnet sinnvolle Fahrpläne
für den Einsatz von Flexibilitäten
kooperierender DERs
• Erlaubt die hoch performante
Ausführung von Metaheuristik-
basierten Optimierungs-
problemen auf großen
Rechenclustern
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Simulation, Analyse und Konzeption komplexer
Energiesysteme auf allen Skalen vom Einzelgebäude
bis zum internationalen Netzverbund
Netzmodell Kenndaten
• 220/380-kV AC, HGÜ-Strecken
(Transportnetz)
• 110-kV AC (Verteilnetz), einschließlich der
Erdkabel, 110 kV Bahnstromnetz
• HVDC Kopfstationen (N/S-Links,
Ultranet,…)
• Randbedingungen: Last- und
Erzeugungsprofile für Lastflussrechnung,
geographisch nach LAU-1
(Verbandsgemeinden) strukturiert
• Verschiedene Netzausbaustufen (nach
NEP) und Kraftwerkparks (nach BNA-
Listen) → 2030
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Semantische Datenmodellierung Wärmesektor –
Bsp. Einzelgebäudemodelle des KIT Campus Nord
GebäudemodelleCityGML
RohrnetzwerkeLandXML
BohrungenBoreholeML
SimulationCityGML Energy ADE
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Digitale Wärmebedarfskarten als Instrument zur
Planung von Wärmenetzen
• Modellierung des Wärmebedarfs nach
Sektoren (Wohnen, GHD, Industrie)
• Verschiedene Raumbezugseinheiten
möglich: Einzelobjektebene - lokal - regional
• Identifikation von Wärmequellen und -
senken sowie deren räumliche Beziehung
• Verknüpfung von Geo- und Fachdaten
mittels GIS
Entscheidungsgrundlage für
standortspezifische Wärmenetzoptionen
Vorgelagertes Planungstool zur Prüfung
technischer und wirtschaftlicher
Machbarkeit
Puzzlestück einer smarten Wärmewende
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Kopplung der Energiesektoren Strom und Mobilität als
netzstabilisierendes Element
Kraftstoffe als Stromspeicherelement
Speicherung in
Salzkavernen
Elektrolyse
H2O + EE-Strom → Wasserstoff H2
H2 + CO2 +
EE-Strom
Methan CH4 (Erdgas, LNG)
Methanol CH3OH (fl.)
CH3OH + EE-Strom Dimethylether C2H6O (fl.)
C2H6O + EE-Strom Oxymethylenether (OME)
(flüssig, Dieselersatz)
Bidirektionale Kopplung
Stromnetz E-Fahrzeuge
Digitale
Kommunikationsebenen
Fahrzeug Ladestation
Hausnetz / Infrastruktur
Hausnetz / Infrastruktur
Verteilnetz Erzeugung
Rückverstromung mit
Brennstoffzellenfzg.
CH4 H2
Herausforderung: Viele ver-
teilte E-Fahrzeuge mit unter-
schiedlichen Anforderungen
• Intelligentes lokales Lastmanagement nötig
• Abstimmung mit Verbraucher, Verteilnetz und
Erzeuger für optimales Laden und Rückspeisen
H2
CH4
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Digitalisierung der Energiewende aus Sicht der Mobilität
ist wichtig für…Vernetzte Mobilität
• Ermöglicht die Reduktion des Energiebedarfs und
damit limitierter und nicht-limitierter Emissionen
im Verkehr
SynBioPTx
• Bedarfsgerechte Bereitstellung volatiler
Energieträger, z.B. für Einsatz von erneuerbaren
Kraftstoffen in Range-Extender (RE) Elektrofahrzeugen
• Lastflexible dynamische Produktsynthesen
Smart Home Grid
• Bedarfsgerechte Energiebereitstellung bzw.
Energieverwaltung
• (RE-)Elektrofahrzeuge als Pufferspeicher
• Lade- und Entladevorgänge unabhängig vom Fahrzeugbesitzer
• Zeitabhängiges computerunterstützendes Laden (Demand Side
Management)
• Bidirektionales Laden (Vehicle-to-Grid)
© Jan Gutzeit
© Paul Trainer (DBFZ)
© Jan Gutzeit
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Digitalisierung erfordert umfassende Nachhaltigkeits-
bewertung basierend auf multiplen Kriterien
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Aufwand
Ökologie
Sicherheit
Gesellschaft
& Politik
Ökonomie
Technologie
Kriterienkategorien
Bei der Nachhaltigkeitsbewertung muss die komplexe Kriterien- und Akteursstruktur
berücksichtigt werden. Im Rahmen einer multikriteriellen Analyse wird der technische
Lebenszyklus sowie die Spannungsfelder bewertet.
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Auswirkung
Netz
Handel
Vertrieb
Verbraucher/Anwender
/Prosumer
Umwelt
Gesellschaft
Erzeuger
Akteure
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Digitalisierung …
• … ermöglicht die Virtualisierung komplexer Energiesysteme
• … führt zu wirtschaftlichem und sicherem Betrieb komplexer Energiesysteme
• … führt zu verbesserter Netzplanung für effizienteres Gesamtsystem
• … ermöglicht Berechnung hochkomplexer Szenarien
• … ist Enabler und Beschleuniger der Energiewende
Vielen Dank!