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„VHPready“ für virtuelle Kraftwerke

Bild 1. Dezentrale Energieerzeugungsanlagen müssen kommunikativ an eine zentrale Leitwarte angeschlossen werden, um ihre Regelung zu automatisieren

Bild 1. Dezentrale Energieerzeugungsanlagen müssen kommunikativ an eine zentrale Leitwarte angeschlossen werden, um ihre Regelung zu automatisieren

Bild 2. Der „VHPready“-Standard ist in der Kleinsteuerung

Bild 2. Der „VHPready“-Standard ist in der Kleinsteuerung

Bild 3. Mit der Funktionsbaustein-Bibliothek „PowerWorx“ können auch Strom-, Gas- und Wärmemengenzähler sowie zusätzliche Heizkessel und Pufferspeicher angekoppelt werden

Bild 3. Mit der Funktionsbaustein-Bibliothek „PowerWorx“ können auch Strom-, Gas- und Wärmemengenzähler sowie zusätzliche Heizkessel und Pufferspeicher angekoppelt werden

Zur besseren Regelung des Stromnetzes können dezentrale Energieerzeugungseinheiten zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengeschlossen werden. Hierbei spielt die Kommunikationsinfrastruktur eine große Rolle. Mit dem „VHPready“-Standard, der von allen Steuerungsklassen von Phoenix Contact unterstützt wird, lässt sich der Implementierungsaufwand vereinfachen.

Laut dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) wurde der Bruttostromverbrauch im Jahr 2014 bereits zu 27,3 % durch Sonne, Wind, Biomasse und Wasser gedeckt. Das wird als positives Signal im Zusammenhang mit der Energiewende gesehen. Parallel bringt die zunehmende Abhängigkeit vom fluktuierenden Primärenergieangebot aber auch Herausforderungen mit sich: Um das Stromnetz stabil betreiben zu können, muss ein Leistungsgleichgewicht gegeben sein. Das bedeutet, Stromproduktion und -verbrauch müssen sich permanent ausgleichen.
In der Vergangenheit erzeugten die konventionellen Großkraftwerke den Strombedarf auf Basis manueller ­Regelmechanismen. Darüber hinaus stellten sie Systemdienstleistungen zur Stabilisierung des Netzbetriebs zur Verfügung. Das Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) hat nun dazu beigetragen, dass derartige Kraftwerke teilweise durch wetterabhängige und folglich volatile Stromproduzenten, wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen, ersetzt worden sind. Da die Sonnen- und die Windenergie nicht zugeschnitten auf den jeweiligen privaten und ­industriellen Abnehmer zur Verfügung stehen, steigt das Ungleichgewicht zwischen Stromproduktion und -verbrauch mit der Anzahl regenerativer Energieerzeugungsanlagen an. Zwecks Ausgleich der Differenz und Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebs gibt es prinzipiell zwei Alternativen: die Installation zusätzlicher Speichermöglichkeiten oder die dynamische Anpassung von Stromproduktion und -verbrauch zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands. Je schneller und genauer ein solcher Zustand dann erreicht ist, desto weniger neue Speicher werden benötigt.

Das virtuelle Kraftwerk
Mittlerweile ist eine recht hohe Anzahl Erzeugungsanlagen ans Stromnetz angeschlossen, sodass sich diese nicht mehr manuell regeln lassen. Für einen möglichst effi­zienten Netzausbau ist es deshalb erforderlich, die dezen­tralen Anlagen kommunikativ an eine zentrale Leitwarte anzubinden und ihre Regelung zu automatisieren (Bild 1). Der Zusammenschluss vieler dezentraler Energieeinheiten bildet virtuell ein Kraftwerk nach, dessen Energieertrag gut planbar ist. So wird aufgrund der großen Teilnehmerzahl und der räumlichen Verteilung eine hohe Prognosegüte erzielt. Ein solches virtuelles Kraftwerk kann eine Größenordnung einnehmen, die es erlaubt, dass es an der Strombörse oder am Regelenergiemarkt teilnehmen darf. Aufgrund der automatisierten Regelung bietet es dort Systemdienstleistungen, wie eine Spannungs- und Frequenzerhaltung, an und unterstützt bei einem Netzausfall den Wiederaufbau der Versorgung.
Das virtuelle Kraftwerk muss den Strom nicht zwangsläufig regional produzieren und zur Verfügung stellen. Es kann zum Beispiel ausschließlich aus deutschlandweit installierten Blockheizkraftwerken und Windenergie­anlagen bestehen. Der erzeugte Strom kann über die Börse oder den Regelenergiemarkt verkauft werden. Hierbei stellt das virtuelle Kraftwerk nur den betriebswirtschaftlichen Teil des intelligenten Stromnetzes der Zukunft dar und ist physikalisch nicht auf eine Region begrenzt. Wird der Strom regional produziert und konsumiert, spart dies allerdings Netzentgelte ein und entlastet das Stromnetz.

Durch flexible Stromabnahme Geld sparen
Im Rahmen des Marktmodells der Stromeigenversorgung wird zunächst zentral die Bilanzsumme gebildet. Dabei handelt es sich um eine Prognose aus der Differenz zwischen der wetterabhängigen Stromerzeugung und dem zu erwartenden Verbrauch innerhalb der Bilanzgrenzen des virtuellen Kraftwerks. Anschließend folgt die Ermittlung, wie sich diese Differenz optimal auf die zahlreichen angeschlossenen flexiblen Stromproduzenten verteilen lässt. Der speziell für jeden Teilnehmer des virtuellen Kraftwerks errechnete Sollwert von Verbrauch und Erzeugung wird dann von der Leitwarte an ihn übermittelt. Strom, der innerhalb des virtuellen Kraftwerks nicht selbst produziert oder konsumiert werden kann, steht für den Handel über die Börse zur Verfügung. Weicht die tatsächliche Stromerzeugung oder der -verbrauch von den kalkulierten Werten ab, ist die Differenz über den Regelenergiemarkt zu beziehen.
Wenn sich diese Mechanismen etabliert haben, profitieren auch flexible Verbraucher, wie Kühlhallen oder Ladestationen für Elektroautos, von einem virtuellen Kraftwerk. Sie erhalten in dem Zeitraum günstigeren Strom, in dem zu viel Energie im Netz vorhanden ist. Elektroautos können beispielsweise bei starkem Wind ­bevorzugt geladen werden, da die Stromproduktion der Windenergieanlagen dann am größten ist. Auf diese ­Weise entlasten die Elektroautos das Stromnetz, ohne dass der Lebenszyklus ihrer Batterie nachteilig beeinflusst wird. Durch den Einsatz flexibler Stromverbraucher sowie die Anpassungsfähigkeit bestehender Stromerzeuger lässt sich der Bedarf an Stromspeichern folglich reduzieren.

Zentrale Überwachung aller angeschlossenen Stromproduzenten
Es gibt bereits eine ganze Reihe virtueller Kraftwerke, welche die Erprobungsphase erfolgreich abgeschlossen haben. Dabei wurden die Kommunikation und die Logik­abläufe für jedes einzelne Kraftwerk separat festgelegt. Entsprechend hoch waren deren Engineering- und Implementierungsaufwand und damit auch die Gesamtkosten.
Um nun die Vernetzungsaktivitäten möglichst gering zu halten, bedarf es einer standardisierten Schnittstelle für dezentrale Energieeinheiten. Eine solche hat der ­“Vattenfall-Konzern”:http://www.vattenfall.de mit „VHPready“ entwickelt. Der Standard wurde im Februar 2014 vom „Industrieforum VHPready e. V.“ unter Leitung des Fraunhofer Fokus übernommen. Dabei hatte es sich der Verein zum Ziel gesetzt, einen Standard für die Fernwirk-Protokolle DIN EN 60870-5-104, DIN EN 61850-7-420 und DNP3 (Distributed Network Protocol) zu schaffen, der sich an alle dezentralen Stromerzeuger und -speicher sowie flexiblen Verbraucher richtet. Zu diesem Zweck wurden die individuellen dezentralen Einheiten zusammengefasst und deren Datenübertragung zum virtuellen Kraftwerk wurde vereinheitlicht.
Möchte ein Anlagenbetreiber seine Energieerzeugungseinheit nach dem „VHPready“-Standard zertifizieren lassen, muss die Kommunikation zugriffssicher über VPN-Tunnel (Virtual Private Network) erfolgen. Nach der erfolgreichen Zertifizierung kann sich die Anlage dann an jedes virtuelle Kraftwerk ankoppeln, das den Standard unterstützt. Ein weiterer Vorteil von „VHPready“ ergibt sich aus der Integration von Warmwasserspeichern: Wird zu viel Strom produziert, lässt sich die überschüssige Energie so für die Aufheizung der Speicher durch einen zusätzlichen Heizstab verwenden, solange die Energie nicht elektrisch gespeichert werden kann. Das spart fossile Energieträger ein. Darüber hinaus können mit dem virtuellen Kraftwerk die angebundenen Anlagen zentral überwacht werden. Somit liegen direkt Informationen über Störungen in den dezentralen Einheiten vor und Maßnahmen zu deren Behebung können eingeleitet werden. Fällt das System eines Stromerzeugers aus, können andere Erzeuger den fehlenden Strom über Direktschaltbefehlen kompensieren oder flexible Verbraucher werden abgeschaltet.

Einfache Ankopplung über Funktionsbausteine
Phoenix Contact ist eines der 15 Gründungsmitglieder des „Industrieforum VHPready e. V.“ Somit kann das Unternehmen seine langjährigen praktischen Erfahrungen in die (Weiter-)Entwicklung von „VHPready“ einfließen lassen. Der Blomberger Automatisierungsspezialist setzt den Standard für dezentrale Energieeinheiten in seiner Kleinsteuerung ILC 171 um (Bild 2). Der Inline Controller verfügt über zwei Ethernet-Schnittstellen für Modbus TCP und Profinet. Über die acht digitalen Eingänge können auch S0-Signale verarbeitet werden. Zudem lässt sich der ILC 171 unter anderem durch Module für Modbus RTU, M-Bus und Temperatursensoren sowie zur Pulsweitenmodulation erweitern. Fahrpläne werden bis zu vier Tage in einem Ringspeicher abgelegt. Daher weiß das Blockheizkraftwerk selbst bei einem Verbindungsausfall, welche Leistungsstufe zuvor in der Leitwarte für die nächste Viertelstunde berechnet wurde. Falls sich die Leistungsbilanz des virtuellen Kraftwerks kurzfristig ändert, lassen sich die Fahrpläne durch Direktschaltbefehle überschreiben.
Versorgt ein Blockheizkraftwerk lokal angeschlossene Prozesse mit Wärme, hat dies die höchste Priorität und das virtuelle Kraftwerk wird entsprechend informiert. Auf Basis der von Phoenix Contact erstellten Funktionsbaustein-Bibliothek „PowerWorx“ können ebenfalls Strom-, Gas- und Wärmemengenzähler sowie zusätzliche Heizkessel und Pufferspeicher angekoppelt werden (Bild 3). Diese kommunizieren dann ohne weitere Parametrierung mit der Leitwarte und loggen Zählerstände automatisch auf einer in die Steuerung eingeschobene SD-Karte.(ih)

Philipp Dauer ist Mitarbeiter im Industry Management Wind bei der Phoenix ­Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. pdauer@phoenixcontact.com

Philipp Dauer ist Mitarbeiter im Industry Management Wind bei der Phoenix ­Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. pdauer@phoenixcontact.com

Sebastian Prus ist Mitarbeiter im Industry Management ­Infrastructure bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. sprus@phoenixcontact.com

Sebastian Prus ist Mitarbeiter im Industry Management ­Infrastructure bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. sprus@phoenixcontact.com