Das Flexibilitätswerk als Zukunftsweiser für die Energiewende

Die Energieversorgung befindet sich inmitten eines grundlegenden Wandlungsprozesses. Eine zunehmende Anzahl an dezentraler Erzeugung, technischen Lösungen zur Eigenbedarfsoptimierung oder auch neue regulatorische Vorgaben wie die noch umzusetzende EU-Strommarktrichtlinie verändern klassische Versorgungsstrukturen sowie Prozesse. Neue Akteure, z.B. Energiegemeinschaften oder Prosumer, treten in den Markt ein und müssen zur Anpassung des Rollenverständnisses von Energieversorgern und Stadtwerken führen. Eine Stärkung des Dienstleistungsangebots ist zwingend erforderlich.

In diesem Spannungsfeld starteten DieEnergiekoppler im Jahr 2021 mit dem Markteinstieg der hochautomatisierten Systemlösung „Flexibilitätswerk“. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form eines Virtuellen Kraftwerks. Mit dem Einsatz des Flexibilitätswerks wird die Vermarktung der Flexibilitäten, d.h. der Steuerbarkeit der Energieanlagen aus den Sektoren Strom, Wärme und Mobilität, ermöglicht.

Hervorgegangen ist das Unternehmen aus einer 9-jährigen Forschungsstrategie an der Technischen Universität Dresden. Im Fokus der Forschungsarbeiten lagen dabei die Systemarchitekturen und Algorithmen zur Flexibilitätsbeschreibung und optimierten Vermarktung der flexibel verschiebbaren Energieproduktion und des Energiebedarfs. Die Arbeit konzentrierte sich insbesondere auf die Vernetzung von Kleinstanlagen mit der Motivation, eine Lösung der folgenden Kernprobleme Virtueller Kraftwerke zu finden:

1. Hohe initiale Kosten durch Bereitstellung kundenspezifischer, auf den Anwendungsfall zugeschnittener Lösungen.
2. Hohe Implementierungskosten für die Einbindung von Energieanlagen in ein Virtuelles Kraftwerk durch Installationsaufwände und ganz wesentlich auch durch die Konfigurationsaufwände (Sensorzuordnung, Parameteridentifikation der Energieanlagen, etc.).
3. Geringe Betriebserlöse, da die Lösungen typischerweise auf eine Vermarktungsoption zugeschnitten werden.

Die Forschungsarbeiten resultierten in einer neuartigen Systemarchitektur für Virtuelle Kraftwerke auf Basis dezentraler Intelligenz, dem Flexibilitätswerk. Vergleichbar mit dem 5G-Kommunikationsstandard werden Daten durch die intelligente swarmBOX, die dezentral an den Energieanlagen installiert wird, vorverarbeitet. Selbstlernende Verfahren erstellen Prognosen zu nicht beeinflussbaren Bedarfen (Strom, Wärme und Mobilität), die die Energielagen bereitstellen müssen. Die Parameter der Energieanlagen werden automatisiert identifiziert und die Flexibilität bzw. Steuerbarkeit der Energieanlagen prognostiziert. Diese Flexibilitätspotenzialprognose berücksichtigt damit alle relevanten Restriktionen für die übergeordnete Steuerung der Energieanlagen.

Ein weiteres Merkmal der Flexibilitätsprognose ist, dass sie vom Typ der Anlage (z.B. Wärmepumpe, Elektrofahrzeug oder Batteriespeicher) unabhängig ist und somit eine Abstraktionsebene hin zum übergeordneten Koordinator swarmHUB generiert wird. Diese Abstraktionsebene ist Grundlage für den hohen Standardisierungsgrad und die Technologieoffenheit des Flexibilitätswerks. Durch die allgemeingültige Flexibilitätsbeschreibung können zudem verschiedene Anwendungsfälle zuverlässig kombiniert werden, z.B. die Eigenbedarfsoptimierung von Photovoltaik (kurz: PV) und Batteriespeichern im Gewerbe in Kombination mit einer Flexibilitätsvermarktung (z.B. Regelleistung). Diese Kombination wird durch die Einsatzplanung im swarmHUB auf Basis des Flexibilitätspotenzials erreicht.

Erprobt wurde die technische Lösung im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Technischen Universität Dresden in einem mehrjährigen Feldtest mit der EWE AG. Die Vernetzung von mehreren Blockheizkraftwerken mit thermischen Speichern sowie Heizstäben ermöglichte dabei den koordinierten, stromoptimierten Betrieb der bis dahin wärmegeführten Energieanlagen.

Das Flexibilitätswerk, welches in etwa drei Monaten aufgebaut und in den Produktivbetrieb gehen kann, reduziert durch die Standardisierung und das hohe Maß an Automatisierung mit selbstlernenden Algorithmen die Implementierungskosten um bis zu 70 %. Insbesondere werden Kostensenkungen im Bereich der Konfigurationsaufwände erzielt. Zudem erlaubt die Kombination verschiedener Anwendungsfälle für die Vermarktung eine Erhöhung der Betriebserlöse um bis zu 18 %. Zusammen ergibt sich durch die Vernetzung mit dem Flexibilitätswerk der wesentliche Vorteil, dass auch kleinere Energieanlagen wirtschaftlich vernetzt werden können.

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