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Echte virtuelle Kraftwerke

Bild 1.  Der offene Industriestandard Virtual Heat and Power Ready („VHPready“) definiert die Fernsteuerung sowie den Zusammenschluss von dezentralen ­­

Bild 1.  Der offene Industriestandard Virtual Heat and Power Ready („VHPready“) definiert die Fernsteuerung sowie den Zusammenschluss von dezentralen ­­

Bild 2. Das Fernwirk-Gateway Labline SG unterstützt den Standard „VHPready“ und ermöglicht somit die Kommunikation der verteilten Energieerzeugungsanlagen mit der Leitwarte

Bild 2. Das Fernwirk-Gateway Labline SG unterstützt den Standard „VHPready“ und ermöglicht somit die Kommunikation der verteilten Energieerzeugungsanlagen mit der Leitwarte

Der Ausbau von erneuerbaren Energien erhöht die Anforderungen an die Flexibilität der Übertragungs- und Verteilungsnetze. Eine Möglichkeit diese Schwankungen in den Griff zu bekommen sind virtuelle Kraftwerke. Mit Fernwirk-Gateways nach dem Industriestandard „VHPready“ lassen sich dezentrale Energieerzeuger nahtlos in virtuelle Kraftwerke integrieren. So wird die Versorgungssicherheit in der Energiewende gewährleistet.

Der Anteil der erneuerbaren Energien, hauptsächlich Photovoltaik und Windkraft, an der Stromerzeugung in Deutschland lag in 2014 bei 27,3 % – 3 % mehr als im Jahr davor. In zehn Jahren soll der Wert bei 40 % bis 45 % liegen. Mit der wachsenden Durchdringung der erneuerbaren Energien im System steigen auch die Fluktuation und Volatilität im Stromnetz. Diese Schwankungen lassen sich zum Beispiel mit virtuellen Kraftwerken ausgleichen, indem sie als übergeordnete Instanz die erneuerbaren Energieanlagen steuern.

Virtuelle Kraftwerke stabilisieren die Stromnetze
Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Zusammenschluss dezentraler Erzeuger, etwa von Biogas-, Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK), Windenergie-, Solar- und Wasserkraftanlagen, sowie dezentraler Lasten, zum Beispiel Wärmepumpen, Prozesserhitzer oder Batteriespeicher, zum Zweck der Übernahme von Systemdienstleistungen, beispielsweise zur Bereitstellung von Regelenergie. Solch ein vernetztes, flexibel regelbares und zentral gesteuertes Anlagensystem ermöglicht den Ausgleich von Schwankungen durch das koordinierte Zusammenwirken der ­dezentralen Energieressourcen (DER) und Lasten. Beispielsweise können BHKW Strom ins Netz einspeisen, wenn die erneuerbaren Energieanlagen gerade zu wenig produzieren. Wenn die erneuerbaren Energieanlagen zu viel Strom erzeugen, können die Wärmepumpen den überschüssigen Strom aus dem Netz entnehmen.
Über eine zentrale Leitwarte werden alle im virtuellen Kraftwerk vernetzten und regelbaren Anlagen angesprochen. Die Kommunikation zwischen DER und der Leitwarte war bisher nicht vollständig standardisiert. „VHP­ready“ sorgt jetzt dafür, dass sich Leitwarte und ­Anlage dabei auch verstehen.

Der offene Standard für virtuelle Kraftwerke
„VHPready“ steht für Virtual Heat and Power Ready. Der offene Industriestandard definiert die Fernsteuerung ­sowie den Zusammenschluss von dezentralen Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen, Verbrauchern und Energiespeichern zu virtuellen Kraftwerken. Das von Vattenfall initiierte „VHPready“-Protokoll wird mittlerweile von dem Industrieforum VHPready e.V. spezifiziert, eine ­Industrieallianz von über 35 Unternehmen aus den verschiedenen Bereichen des Energiemarkts mit dem Ziel, den Industriestandard für die Vernetzung dezentraler Energieanlagen, das Zertifizierungsprogramm und dazugehörige Prüfwerkzeuge zu entwickeln.
Der Standard „VHPready“ und seine Zertifizierung ­sorgen für ein nahtloses, sicheres und wirtschaftliches Zusammenwirken aller steuerbaren Komponenten sowie deren Kompatibilität, und bilden die Grundlage für flexible Aggregationen dezentraler Energieanlagen zu virtuellen Kraftwerken (Bild 1). Die kommunikationstechnische Basis bildet das TCP/IP-basierte und signalorientierte Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 oder ein ebenfalls TCP/IP-basierter, objektorientierter Ansatz gemäß IEC 61850. Die Sicherheit der Datenübertragung wird durch den Aufbau eines virtuellen privaten Netzwerks (VPN) auf Basis von „OpenVPN“ mit SSL/TLS-Verbindungen (Secure Sockets Layer, Transport Layer Security) gewährleistet.

Anforderungen an Fernwirk-Gateways
Die verteilten Energieerzeugungsanlagen müssen mit der Leitwarte des virtuellen Kraftwerks vernetzt werden. Die dafür notwendigen Kommunikations-Gateways müssen mit der SPS der Anlage vor Ort kommunizieren sowie mit der Zentrale über Ethernet oder Mobilfunk (GPRS/3G) verbunden sein. Die Kommunikation mit der Leitwarte findet mit „VHPready“ statt, während für die Kommunikation mit der lokalen Steuerung im Feld in der Regel Standards aus der Fabrikautomation, wie Modbus, Profibus oder Profinet, zum Einsatz kommen. Darüber hinaus müssen die Gateways in der Lage sein, eine gewisse Logik ausführen zu können, um die Befehle aus der Leitwarte (z. B. anschalten oder ausschalten) zu verstehen und auszuführen.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat HMS für virtuelle Kraftwerke die Familie der Labline-SG-Fernwirk-Gateways (Bild 2) entwickelt. Sie ermöglichen das Fernwirken und Fernwarten elektrischer Systeme, das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld, das Protokollieren von Anwendungsdaten oder Energieverbräuchen sowie die Darstellung von Daten oder Betriebszuständen.
Mit der Leitwarte kommunizieren die SG-Gateways über „VHPready“, entweder über das Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 oder nach IEC 61850. Für die Kommunikation mit der lokalen SPS im Feld steht eine Anybus-Compactcom-Schnittstelle zur Verfügung, mit der jede beliebige Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Technologie unterstützt wird – zum Beispiel Profibus, Profinet oder Ethernet/IP. Dadurch hat man einen universellen Schlüssel, um mit der SPS zu kommunizieren. Darüber hinaus werden Modbus, M-Bus und mehrere IO unterstützt, um beliebige Geräte im Feld anzuschließen.

Fazit
Die Energiewende und die Integration der erneuerbaren Energien im Stromnetz erfordern Lösungen, die die natürliche Volatilität und Schwankungen der Sonne- und Windenergie ausgleichen. Virtuelle Kraftwerke leisten mit der Vernetzung regelbarer Energieerzeuger einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit und zur Systemstabilität. Mit dem Industriestandard „VHPready“ werden dezentrale Energieerzeuger reibungslos in virtuelle Kraftwerke integriert. Die Fernwirk-Gateways Labline SG von HMS unterstützen den Standard „VHPready“. (no)

David Garcés ist Solution Architect bei HMS Labs, HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe.

David Garcés ist Solution Architect bei HMS Labs, HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe.