Das intelligente Knotenkraftwerk (IKK)

Das Intelligente Knotenkraftwerk (IKK) bildet den technologischen Kern der eMIS. Das IKK ermöglicht in der kleinsten Ausbaustufe innerhalb eines Betriebes (vor dem Netzanschlusspunkt)  die Steuerung von verteilten Assets / Komponenten, wie etwa mobiler Energiespeicher (im Anwendungsfall ÖPNV sind es Elektrobusse), stationärer Energiespeicher (bspw. im Busdepot oder an Ladestandorten), und auch einspeisender Anlagen mit erneuerbarer Energie (bspw. einer Solaranlage auf dem Dach des Busdepots). Durch diesen „Aggregator“ werden die einzelnen Assets / Komponenten miteinander verknüpft, so dass sie als Kraftwerk an einem Netzknoten einwirken und am Energiemarkt agieren können. In weiteren Ausbaustufen erfolgt die Aggregation von Komponenten, welche im gleichen Verteilnetz angeschlossen sind. So können mehrere Betriebshöfe/Hausnetze, aber auch lokale Windparks und andere Verbraucher und Einspeiser integriert werden.

Dieses über mehrere Komponenten gebildete Kraftwerk kann auch Systemdienstleistungen für das Gesamtsystem, im Wesentlichen auf Verteilnetzebene, bereitstellen.

Das IKK dient darüber hinaus als Energiemonitoring- und Energieoptimierungsumgebung. Ziel des IKK ist es, die Gesamtsystemintegration im hauseigenen Netz des Kunden zu ermöglichen. Zudem erbringt die allgemeine Energiemarktintegration dieses aggregierten Kraftwerks und die dadurch ermöglichte Bereitstellung von Systemdienstleistungen für das öffentliche Verteilnetz entscheidende Mehrwerte:

1) Die Erzeugung netzdienlicher Aktivitäten kann erfolgen.

2) Eine gesteuerte und effiziente Energiebeschaffung für den kostenminimalen Betrieb von Elektrobussen ist möglich.

 

Das intelligente Knotenkraftwerk (IKK)

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Im Intelligenten Knotenkraftwerk (IKK) laufen sämtliche Informationen eines Netzes zusammen. Das IKK ist zuständig sowohl für die Aggregation aller Komponenten zu einem in Richtung Netz wirkenden Kraftwerk als auch für die intelligente Steuerung und Regelung aller Komponenten. Auch ein Energiemonitoring wird durch das eMIS-IKK durchgeführt. Das Systemintegrationskonzept der eMIS mit dem IKK betreibt aktiv Sektorenkopplung, verbessert den Redispatch im Verteilnetz und minimiert die Aufwendung für den notwendigen Netzausbau.

Für den Einsatz von Mobilitätsanwendungen muss CO2-frei erzeugter Strom aus erneuerbaren Energiequellen eingesetzt werden. Viele Regionen haben einen großen Stromerzeugungsanteil aus Windenergie oder Photovoltaik. Durch die Umstellung von zentralen Großkraftwerken auf dezentrale Erzeugung durch Solar- und Windenergie steigen die Anforderungen an Systemdienstleistungen insbesondere auf Verteilnetzebene.

Stromerzeugung in Mecklenburg-Vorpommern vor allem aus WindenergieNetzbetreiber müssen jederzeit einen störungsfreien und zuverlässigen Betrieb ihrer Stromnetze sicherstellen. Hierfür wird eine gute Steuerbarkeit und die Bereitstellung verschiedener Systemdienstleistungen benötigt, um Größen wie Spannung und Frequenz bei Abweichungen wieder in den Normalbereich zurückzuführen. Sogenannte Grid Codes sind im Netz zu erfüllen. Das intelligente Knotenkraftwerk wird ein wesentlicher Baustein für die Verteilnetzbetreiber, um die benötigten Systemdienstleistungen erhalten zu können.

Elektrofahrzeuge können während der Standzeiten flexibel geladen werden, oder sogar Energie zurückspeisen (Vehicle-2-Grid). Vor allem E-Busse mit definierten Fahrplänen eignen sich besonders für die Integration von erneuerbarem Strom. Durch die Einbindung einer netzdienlichen Ladeinfrastruktur und eines Lastenmanagements können so beispielsweise Lastspitzen im Stromnetz kompensiert werden.

Geplant ist die Entwicklung und Einbindung einer bidirektionalen und systemkompatiblen Ladeinfrastruktur (unter möglicher Einbindung verschiedener Hersteller). Diese ermöglicht, zusammen mit einer intelligenten Steuerungssoftware für das Lastenmanagement, sowohl weitere Optimierungen bei der Energiebeschaffung als auch die Bereitstellung von Systemdienstleistungen.

Die Second-Life-Strategie ist zentraler Baustein der Gesamtsystemintegration. Während der herkömmliche Lebenszyklus eines Busses 18 Jahre beträgt, umfasst die durchschnittliche Lebensdauer einer Batterie im Bus, aufgrund hoher Leistungsanforderungen an die Batterie, nur etwa 6 Jahre. Danach kann die Batterie in einen stationären Speicher transformiert und einem „zweiten Leben“ zugeführt werden. Die Batterie verfügt nach ihrem Einsatz im Bus immer noch über eine ausreichend hohe Leistungsfähigkeit für weitere Einsatzmöglichkeiten. Mit der eMIS-Lösung kann diese zweite Nutzung sogar in der vorhandenen Infrastruktur des Betreibers ermöglicht werden und diese sinnvoll, etwa für eine Lastspitzenkappung (mit weniger hohen Anforderungen an die Zyklenfestigkeit), ergänzen. Mit dieser nachhaltigen Verwendung trägt sie weiter zur Stabilisierung der Netze bei, nicht nur im Hausnetz des Betreibers.

Da es sich bei der Elektrifizierung des ÖPNV um eine neue Technologie handelt, können zukünftige E-Bus-Betreiber bisher nur auf wenige Erfahrungen zurückgreifen. Im herstellerunabhängigen eMIS Test- und Entwicklungszentrum bietet eMIS, u.a. durch die Bündelung von Betriebsdaten, ÖPNV-Betreibern (aber auch Betreibern einer Nutzfahrzeugflotte), Herstellern von Ladesäulen und Elektrobussen sowie Netzbetreibern die notwendige Entscheidungsgrundlage für die Ausrichtung auf Elektromobilität. Diese wird durch eine umfangreiche, objektive Prüfung der individuellen Anforderungen an das Fahrzeug sichergestellt.

Bidirektionale Ladeinfrastruktur

Die Ladeinfrastruktur bildet zusammen mit den angeschlossenen stationären oder mobilen Batterien die zentrale Komponente des Intelligenten Knotenkraftwerks. Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes wird die eMIS zusammen mit einem Partner eine bidirektionale Ladelösung entwickeln, welche sich optimal in das IKK einfügt.

Die Wirtschaftlichkeit der Integration von Vehicle-2-Grid-Lösungen in das IKK ergibt sich hauptsächlich aus der kurzfristigen Bereitstellung von Leistung aus den Batterien. Durch ein mitlaufendes Verschleiß- und Kostenmodell wird eine signifikante Erhöhung der Zyklenzahl der Batterien vermieden, bzw. nur dann zusätzlich Energie in den Fahrzeugbatterien umgesetzt, wenn die Erträge den zusätzlichen Verschleiß rechtfertigen.

Anbindung Zero-Life und Second-Life-Batterien

Durch die zukünftig rasant fortschreitende Elektrifizierung von Fahrzeugflotten ergeben sich bei der Energiebeschaffung und den Infrastrukturkosten neue Herausforderungen, welche durch einen Speichereinsatz ganz oder teilweise kompensiert werden können. Gleichzeitig laufen die ersten Batterien früherer Elektrifizierungsphasen aus der Lebensdauer heraus. Diese sind häufig in Bezug auf die Leistungsabgabe eingeschränkt, aber durchaus noch in der Lage, 80 % der ursprünglichen Energie zu speichern.

Diese Batterien können durchaus noch sinnvoll genutzt werden, indem sie als Second-Life-Speicher im IKK agieren. eMIS entwickelt dabei die notwendigen Schnittstellen zur Ladeinfrastruktur und zum IKK, um die gebrauchten Batterien optimal nutzen zu können.

Unterschiedliche Arten der Leistungsbereitstellung oder des Energieumsatzes zwischen Traktions- und Second-Life-Batterien haben verschiedene Alterungsprozesse der Batterien zur Folge. Durch ein intelligentes Nutzen- vs. Alterungsmodell für gebrauchte Batterien kann ein wirtschaftlich optimaler Einsatz ermöglicht werden, ohne die Batterien durch zu starke Nutzung ohne adäquate Mehrwerte zu schnell weiter altern zu lassen. Durch diese intelligente kombinierte Nutzung der Batterien kann das IKK eine große Bandbreite an Anwendungsfällenbei minimalem Ressourceneinsatz realisieren.

Technologie- und Entwicklungszentrum

Das eMIS Technologie- und Entwicklungszentrum stellt die Entwicklungs- und Betriebsumgebung des intelligenten Knotenkraftwerks dar. Neben den Aggregationsreglern des IKK werden hier auch die Energiemonitoring- und Energieoptimierungslösungen entwickelt und eine Demonstrationsumgebung aufgebaut.

Im herstellerunabhängigen eMIS Test- und Entwicklungszentrum werden Betriebsdaten gebündelt. eMIS bietet hier ÖPNV-Betreibern, aber auch Betrieben mit einer Nutzfahrzeugflotte, Herstellern von Ladesäulen und Elektrobussen sowie Netzbetreibern die notwendige Entscheidungsgrundlage für die Ausrichtung auf Elektromobilität an. Diese wird durch eine umfangreiche, objektive Prüfung der individuellen Anforderungen an das Fahrzeug sichergestellt.

Projekte

 

Forschungsprojekt EUniS

I. Motivation

Ländliche Verkehrsbetriebe, wie bspw. die Verkehrsgesellschaft Ludwigslust-Parchim (VLP), betreiben ihre derzeit dieselangetriebenen Busse vorwiegend zur Schülerbeförderung. Angesichts der politischen und gesellschaftlichen Ziele zur CO2-Einsparung ist insbesondere der Verkehrssektor aufgerufen, neue Konzepte zu entwickeln.

Durch den Einsatz von E-Bussen kann viel CO2 vor Ort eingespart werden. Der Einsatz von E-Bussen macht aber nur Sinn, wenn hierzu auch CO2-freier Strom aus erneuerbaren Energiequellen eingesetzt wird.

Mecklenburg-Vorpommern gehört zu den Bundesländern mit dem größten Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien – vor allem aus der Windenergie.

Somit ist es Ziel der VLP, mittelfristig die dieselangetriebene Fahrzeugflotte durch E-Busse zu ersetzen. Genau hier setzt das eMIS-Projekt an, indem der Einsatz von E-Bussen zur Schülerbeförderung erprobt und gleichzeitig durch die elektrischen Speicher der E-Busse netzunterstützende Dienstleistungen angeboten werden.

Die Investitionskosten für E-Busse sind hoch. Wie kann eine nachhaltige Nutzung und Finanzierung gewährleistet werden?

II. LÖSUNG SYSTEMINTEGRATION

Durch die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien steigen die Anforderungen an Systemdienstleistungen für die Verteilnetze. Bereits heute werden in Regionen mit vielen Wind- und Solaranlagen zunehmende Abregelungen der dezentralen Kraftwerke durchgeführt, da die erzeugten Strommengen nicht vom Netz aufgenommen werden können. Dies mindert den Anteil der regenerativen Strommengen und führt zu hohen Redispatchkosten. Lösungen sind hier gefragt.

Zielsetzung des Vorhabens EUniS ist die Entwicklung und Umsetzung eines nachhaltigen und innovativen Systemintegrationskonzepts zur Kopplung der Sektoren Verkehr und Strom, sowie der aktiven Teilnahme am Energiemarkt. Diese Kombination setzt den Gedanken der Sektorenkopplung auf lokaler Ebene direkt um und leistet einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Netzintegration erneuerbarer Energiemengen. Komplettiert wird diese Zielsetzung durch die Etablierung eines Testzentrums für die in dem Projekt entwickelten Lösungen.

Kern des Projektes ist die Verknüpfung der elektrischen Energieerzeugung und des steuerbaren Verbrauchs durch dezentrale Aggregationsregler in Form von Intelligenten Knotenkraftwerken (IKK). Diese fassen die Energiebedarfe und die Flexibilitätspotentiale vieler mobiler Speicher zusammen und berücksichtigen auch die technischen Rahmenbedingungen und Limitierungen. Das Ergebnis ist ein großer „Flexibilitätsraum“, welcher an einem Netzknoten wie ein physikalischer Speicher oder ein Kraftwerk wirken kann. Mit diesem Aggregat kann lokaler erneuerbarer Strom genau dann verbraucht bzw. gespeichert werden, wenn er produziert wird, unter Berücksichtigung der Anforderungen des Netzes. Somit kann eine Interaktion am Energiemarkt stattfinden und das lokale Netz entlastet werden. Dazu steuert das IKK kontinuierlich die Energieflüsse der einzelnen Komponenten, um das Optimierungsziel unter den gegebenen Rahmenbedingungen zu erreichen.

Partner der eMIS im Projekt EUNIS

Das Projekt „Entwicklung und Umsetzung eines nachhaltigen und innovativen Systemintegrationskonzepts für die Sektorenkopplung von Verkehr und Strom“ wird federführend von der eMIS Deutschland GmbH geleitet und strukturiert. Komplettiert wird das Verbundvorhaben durch die Kooperation oder Zusammenarbeit mit erfahrenen Partnern:

Die Schweriner Wemag AG ist ein bundesweit aktiver Öko-Energieversorger mit regionalen Wurzeln in Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg. Das Energieunternehmen liefert seinen Kunden neben Strom, Erdgas und Netzdienstleistungen u. a. auch die Planung und den Bau von Photovoltaik- und Speicheranlagen sowie Elektromobilität.  Die Wemag AG ist mit den Abteilungen Technische Innovationen/ Speichertechnologie und Energiebeschaffung / -vermarktung in das Projekt involviert.

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Die Wemag Netz GmbH stellt als regionaler Netzbetreiber in den westlichen Teilen Mecklenburg-Vorpommerns sowie in Teilen Brandenburgs und Niedersachsens die notwendige Infrastruktur zur Aufnahme, Übertragung und Verteilung von Elektrizität bereit. Sie ist eine Tochtergesellschaft der Wemag AG. Die Fläche des Netzgebietes beträgt rund 8.000 km2, die Gesamtleitungslänge ca. 15.000 Kilometer. In großem Umfang speist die Wega Netz auch regenerative Energien aus Wasserkraft-, Windkraft-, Biomasse und Photovoltaik ins Netz.

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Die Enercon GmbH ist einer der führenden Hersteller von Windenergieanlagen. Das Unternehmen mit Stammsitz in Aurich kann auf eine mehr als 30-jährige Erfahrung in der Branche der erneuerbaren Energien zurückgreift. Über das Kerngeschäftsfeld von Windkraftanlagen hinaus ist Enercon Systemanbieter für die Versorgung mit erneuerbaren Energien, treibt weltweite Lösungen zu ihrer Integration voran und engagiert sich in Zukunftstechnologien wie Energiespeicherung, E-Mobilität und Smart Grids.

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Die Verkehrsgesellschaft Ludwigslust-Parchim mbH (VLP) betreibt den öffentlichen Personennahverkehr mit Omnibussen im Landkreis Ludwigslust-Parchim sowie im Amt Neuhaus des Landkreises Lüneburg. Derzeit führt die VLP den  Linienverkehr mit rund 200 Omnibussen auf 172 Linien durch. Die VLP erbringt die gesamte Wertschöpfungskette von Verkehrsplanung, Verkehrssteuerung und Verkehrsleistung bis hin zur Wartung, Reparatur, Reinigung und Betankung der Omnibusse.

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Das Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V. (IKEM) mit Sitz in Berlin und Greifswald forscht seit 2009 als gemeinnütziger Verein und unabhängiges Institut zu den wichtigsten Fragen der Energie- und Mobilitätswende. Der Fokus liegt dabei auf den Wechselwirkungen zwischen Klimaschutz, Recht, Ökonomie und Politik sowie der Akzeptanz für Energie- und Klimaschutzprojekte.

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Die Deutsche WindGuard GmbH aus dem niedersächsischen Varel gehört zu den führenden unabhängigen Dienstleistungsanbietern der Windenergiebranche. Die Firmengruppe operiert seit 2000 in den Bereichen Abnahmen & Betriebsführung, Standortanalysen, Messungen, Consulting und Zertifizierung. Die Deutsche WindGuard steht für unabhängige, herstellerneutrale Beratung.

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