E-Energy-Projekt Modellstadt Mannheim OGEMA – Dezentrales Energiemanagement im Praxistest Dipl.-Phys. Andreas Kießling wiss.-techn. Projektleiter moma MVV Energie AG SECHZEHNTES KASSELER SYMPOSIUM ENERGIE-SYSTEMTECHNIK 2011 6. + 7. Oktober 2011, Kassel, Fraunhofer IWES

Agenda 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

Paradigmenwechsel mit Energiewende Stärkung nachhaltiger, regionaler und wettbewerblicher Konzepte Zentrale Energiegewinnung und zentrale Steuerung Passive Rolle des Kunden und wenig regionale Wertschöpfung Kaum Kommunikation/Interaktion in den Verteilungsnetzen 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  Lineare Wertschöpfungsstufen  Vernetzte Wertschöpfungsstufen  Evolution zum Internet der Energie 3

Paradigmenwechsel mit Energiewende 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

Ausbau eines erweiterten Energieinformationsnetzes Begriffe zum intelligenten Energiesystem  Domänen und Systemgrenzen Regional- märkte Akteure im Energie- Markt Groß- handels- Über- tragungs- netz Verbundene Objekte Verbundene Unterobjekte Zentrale gewin-nungs- anlagen Gate- way Ein- Speisung DEA nutzung Objekt- geräte speisung erzeug. Kernkraft Fossil Erneuerbare 1) & 2) Vertei- lungs- Zentral Dezentral Anlagen im Netz Ausbau eines erweiterten Energieinformationsnetzes Erzeuger

Begriffe zum intelligenten Energiesystem  Domänen und Systemgrenzen 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  Aufgabenstellung Beherrschung volatilerer sowie kombinierter zentraler und dezentraler Erzeugung 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 Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 7

Begriffe zum intelligenten Energiesystem  Aufgabenstellung 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 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 Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 8

Begriffe zum intelligenten Energiesystem  Aufgabenstellung Funktionen und Rollenzuordnungen 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 Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 9

Begriffe zum intelligenten Energiesystem  Definition Smart Grid Echtzeitvernetzung aller Systemkomponenten Die Beherrschung dieser komplexen Energieflüsse erfordert die Vernetzung von Generatoren, Speichern, von Netzbetriebsmitteln und den Energienutzern mittels IKT bis hin in den Niederspannungsbereich. Diese echtzeitfähige Vernetzung als Kopplung des Netzes der Energie mit dem Netz der Information ermöglicht die Steuerung aller Systemkomponenten des gesamthaften Energiesystems. Damit verbunden entwickeln sich neue Netztechnologien zur dezentralen Automatisierung und neue Marktplatztechnologien zur Kommunikation der Marktpartner.

Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 11

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

Zellulares Systemmodell  Neue Rahmenbedingungen Verteilnetz 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

Marktplatz der Energie und Netzsteuerung Zellulares Systemmodell  Neue Rahmenbedingungen Verteilnetz Objektnetzzelle mit Energiemanagement Verteilnetzzelle mit Softwareagent: Marktmoderator Netzmoderator Systemzelle mit Marktplatz der Energie und Netzsteuerung Energie Information Zellulares Netzmodell: Verteilungsnetzzellen im Netzmaschen des Niederspannungsbereiches verbunden mit Objekten der Kunden über Versorgungsleitung und Kommunikationsleitung Verteilungsnetzzellen wiederum untereinander verbunden zum gesamthaften Verteilungsnetz in Verbindung von Versorgungsleitungen und Kommunikationsleitungen Gesamtes Netz wiederum überlagert durch eine zentrale Netzführung und einen Marktplatz der Energie zur Marktpartneranbindung Damit gesamthafte Abbildung des intelligentes Energiesystems als Smart Grid 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-Energiemanagement Europäische 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 Metering System Elektrizität / Gas / Wärme / Wasser Smart Grid System Elektrizität / Gas / Wärme Automatisierung in Anschlussobjekten Liegenschaften Ladesäulen Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 15

Systemmodell Objekt-Energiemanagement Begriffe am 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-Energiemanagement Getrennte Sichten Messen und Steuern Automatisierung in Anschlussobjekten hat viele Ziele eines davon ist Energiemanagement zu steuernde Geräte unterliegen anderen Rechtsbereichen Smart Metering System Elektrizität / Gas / Wärme / Wasser Smart Grid System Elektrizität / Gas / Wärme Energiemanagement Anschlussnutzer Teil von Objektautomation Anschlussobjekt Anschlussnehmer Liegenschaften Ladesäulen Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid Gerätesteuerung Geräte, dezentr. Erzeuger Elektromobile 17

Systemmodell Objekt-Energiemanagement Getrennte Sichten Messen und Steuern Systemempfehlung der DKE- Fokusgruppe Inhouse-Automation und Beschlussvorlage im nationalen Lenkungskreis Normung Smart Grid Anschluss- objekt eines nehmers mit mehreren nutzern (Unterobjekt) Pro Anschlussnutzer (Unterobjekt): Anreizkurven, Steuerkurven, Bedarfskurven, Angebotskurven Last- und Erzeugungs-management, Virtuelle Kraftwerke, Energiehandel, Systemdienst-leistungen … über Smart Grids 1 bis n Energie Management Gateways (EMG) Dient dem Energie- und Inhouse Management in der Hand des Kunden Pro Meter-Gateway 1 bis n Anschlussnutzer Smart Metering Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid ein Meter Gateway (BSI-Schutzprofil) für 1 bis n Anschlussobjekte Pro Anschlussnutzer: Messwerte, Tariffierung, Abrechnung, Visualisierung Eichrecht / BSI Schutzprofile dient dem Auslesen und Abrechnen des Meters in der Hand des Messstellenbetreibers Anschlussobjekte: Wohn- und gewerbliche Objekte, Industrie, mobile Objekte 18

Systemmodell Objekt-Energiemanagement Getrennte Sichten Messen und Steuern Private IP-Network (p.a. energy provider) Public IP-Network (p.a. telecommuncation) either/or either/or Actor: Meter Gateway (MG) Actors: Energy Management Gateway (EMG) Actors: Energy Management GW Meter Communication Network Common sematic layer Unified Language Core Network Layer (Mapping) Existend Standard existing standard existing standard Meter (Electricity, gas, water, heat of each household) Meter Objectdevices Consuming or Providing Energy smart appliances, consuming, producing and storing devices 19

Systemmodell Objekt-Energiemanagement BSI-Schutzprofil und EnWG-Novelle 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) Rollendefinitionen in der EU Task Force Smart Grid, Expert Group Roles and Responsibilities gemappt mit den deutschen Rollendefinitionen in der DKE Normungsroadmap Smart Grid 20

Systemmodell Objekt-Energiemanagement  Abbildung in moma-Objektnetzzelle Vorstellung des Systemkonzepts von der Objektnetzzelle (Haus oder Wohnung) mit Verbraucher und Erzeuger über ein Energiemanagment-System in die Verteilnetzzelle mit Netz- und Marktmoderatoren hin zu einem ganzen Organismus bestehend aus vielen Zellen. In dem Systemmodell übernimmt der Energiebuttler die Rolle als bidirektionales Gateway hin zur Verteilnetzzelle als auch die Plattform, um einzelne Komponenten des Hauses zu bedienen. Unter den Komponenten versteht man Verbraucher (z. B. eine Waschmaschine ein Kühlschrank) als auch Stromerzeuger wie z. B. µKWK-Anlagen. Ebenfalls erlaubt das System die Visualisierung und später Analyse des eignen Verbrauchs. Dabei wird hohen Wert auf den Datenschutz gelegt. Z. B. werden sensible Daten wie eine zeitlich hochaufgelöste Verbrauchsmessung nicht nach außen gegeben. Diese Daten bleiben in der Objektnetzzelle und können dort Visualisiert bzw. ausgewertet werden. ALTERNATIV-TEXT Entwicklung, Produktion und Lieferung der BEMI-Komponenten inkl. Energiebutler für Gebäude und Vorbereitung des Feldtests 2 ab August 2010 Die Komponenten der mit dem Energiebutler im Gebäude verbundenen Komponenten des bidirektionalen Energiemanagement-Interfaces (BEMI) wurden fertig erstellt und können ab Mai 2010 bei den Kunden des 2. Feldtests installiert werden. Der Energiebutler wird für den 2. Feldtests zusätzlich zu den Services im Rahmen des variablen Tarifes Träger weiter Energiedienste, insbesondere von Services zur Verbrauchsvisualisierung über eine Direktverbindung zur Smart-Metering-Domäne im Gebäude, ohne zeitlich hoch aufgelöste Verbrauchsdaten außerhalb der Kundendomäne zu speichern. Damit entstehen weitere Services zur Energiekostensenkung, die gleichzeitig durch das zellulare Modell und die Datenhoheit beim Kunden, die Themen Datenschutz und Datensicherheit mit einem hohen Stellenwert behandeln.

Systemmodell Objekt-Energiemanagement  Verbindung mit BEMI-System OGEMA und Standardisierung: Dienstevermittlungsumgebung moma: Energiebutler = Energiemanager + EM - Gateway

Resource Access Priority Managm. Price-based Scheduler 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 Specific Energy Services Time control Resource Access Priority Managm. Web-Interface Data Logging Resource administration User Administration Remote Access Control Remote Update +Service ZigBee KNX others Efficiency Analysis Emergency Power Reduction Freezer Management Micro CHP Management Price-based Scheduler Least CO2

moma – Praxistests Komplexitätsgrad Juli 2009 Okt 2010 Oktober 2011 1. Praxistest „Innovativer Stromzähler“ 2. Praxistest „Flexibler Strompreis“ 3. Praxistest „SmarTest Energiebutler“ 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) 1.500 Feldtestkunden (dez. Anlagenbetreiber, Gewerbe- und Haushalte) Repräsentative Aussagen: Kundenverhalten Lastverschiebung Netzverhalten Umweltauswirkungen Wirtschaftlichkeit Komplexitätsgrad Die Feldtests verlaufen in drei Schritten. Aktuell wird gerade der Feldversuch 2 mit 200 Kunden gestartet. Fokus diese Feldtest ist die Systemarchitektur zu testen und einen der vier Geschäftsmodelle (=Lastmanagement durch variable Preise) umzusetzen. Im August 2011 wird der 3. Feldtest mit 1500 Kunden gestartet. Dort werden die restlichen drei Geschäftsmodelle umgesetzt werden und die Architektur verbessert.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Phys. Andreas Kießling Systemarchitekt wiss.-techn. Projektleitung MVV Energie AG Luisenring 49 68159 Mannheim Telefon: +49 (621) 290-3351 Mobil: +49 (172) 9794884 Telefax: +49 (621) 290-3475 andreas.kiessling@mvv.de www.mvv-energie.de www.modellstadt-mannheim.de www.e-energy.de