CityGrid – Intelligente Energieversorgung einer Stadt

Intelligente Stromnetze (engl. Smart Grids) besitzen in Verbindung mit dem Aufbau einer umwelt­verträglichen Energieversorgung durch erneuerbare Energien wie Photovoltaik-, Windkraft- und Biogasanlagen ein erhebliches Potential zur effizienteren Stromversorgung. Da die Verfügbarkeit dargebotsabhängiger Energiequellen – vor allem Sonne und Wind – jedoch signifikant schwankt, kann eine sichere Versorgung nur dann gewährleistet werden, wenn die Flexibilität von Erzeugern und Verbrauchern erheblich ausgeweitet wird. In Zukunft sind daher eine optimale Nutzung von Energiespeichern sowie eine an die Energieverfügbarkeit angepasste Steuerung flexibler Erzeuger und Verbraucher unerlässlich. Die notwendige Synchronisation von Erzeugung und Verbrauch innerhalb eines Siedlungsgebietes kann nur durch entsprechende Kommunikationstechniken sichergestellt werden.

Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, ausgehend von den Bedürfnissen einer realen Stadt, ein auf andere städtische Siedlungsräume übertragbares Konzept für eine effiziente und stabile Energieversorgung zu erarbeiten, das auf regenerative Energieformen und der intelligenten – sicheren, robusten und effizienten – Kooperation von Strom- und Wärmeenergieerzeugern sowie den zugehörigen Verbrauchern und Speichern beruht. Die Eignung des Konzepts wird durch Simulationen und prototypische Implementierungen verifiziert.

Die Effizienz der Stromversorgung steigt u.a. durch eine intelligente Aktivierung geeigneter Energieverbraucher im Haushalt. Verbrauch muss stattfinden, wenn z.B. ein benachbartes Blockheizkraftwerk (BHKW) oder dargebotsabhängige Erzeuger liefern. Der sofortige Verbrauch bereitgestellter Strommengen wirkt den typischen Verlusten bei der Speicherung oder dem Transport entgegen. Im Forschungsprojekt soll die Vernetzung der Energieerzeuger und -verbraucher über eine geeignete Kommunikations- und Diensteplattform erfolgen und die Gesamteffizienz durch eine intelligente Regelung optimiert werden.

Heutige Verteilnetze sind so ausgelegt, dass Haushalten und Gewerbe, auch im Starklastfall, oft nur maximal etwa 10% der zulässigen Anschlusswerte tatsächlich bereitgestellt werden können. Es käme zu Überlastungen in den gemeinsam genutzten Teilen des Netzes (insb. Ortsnetztransformator und Niederspannungsleitung), wenn mehrere Endkunden dem Netz zeitgleich eine hohe Leistung entnehmen. Diese Problematik verschärft sich bei zunehmender Verbreitung von Elektrofahrzeugen mit einer Schnellladefunktion. Durch eine dezentrale Regelung, welche die vorhandene Netzkapazität berücksichtigt und die Möglichkeiten gleichzeitiger lokaler Erzeugung, z.B. durch BHKW einer Region, einbezieht, lässt sich ein bei nur geringen zusätzlich transportierten Energiemengen nicht wirtschaftlicher Netzausbau vermeiden. In einer weiteren Ausbaustufe kann eine solche Regelung u.U. beim Ausfall im überregionalen Netz eine lokale bzw. regionale Notversorgung im Inselnetzbetrieb ermöglichen. Die Voraussetzungen hierfür und die Frage der stabilen Inselregelung bei steigendem Anteil an Um- und Wechselrichtern im Netz sind zu untersuchen.

Für eine optimierte Auslastung des Verteilnetzes sind Informationen über zukünftige Verbrauchsaktivitäten in sowohl kurz- als auch langfristigen Zeitrahmen von großer Bedeutung. Denkbar wäre eine Informationsverteilung über das Stromnetz, Telefonnetz, Kabelnetz oder über Funk. Die Sammlung und Übertragung dieser Informationen über z.T. frei zugänglichen Kommunikationsmedien stellt nicht nur eine Herausforderung für das Kommunikationsnetz dar, sondern wirft entscheidende Frage zu Thema Rechtssicherheit und Datenschutz auf. Zur Zielerreichung verbindet der Forschungsschwerpunkt daher nicht nur die Gebiete Energiesysteme, Energienetze, Kommunikationstechnik und Regelungstechnik sondern auch das häufig wenig beachtete Gebiet des Datenschutzes.