13.05.2016

Smart Grids zur Stabilisation der Stromnetze

Offener Industriestandard auf dem Vormarsch

Die Versorgungssicherheit in der Energiewende soll durch innovative Applikationen wie Lastmanagement und virtuelle Kraftwerke gewährleistet werden. Ihre Aufgabe ist es, die natürlichen Schwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen. Der offene Industriestandard VHPready fördert dabei die Einbindung industrieller Anlagen und Lasten in die Leitwarte und die notwendige Kommunikation.

Autor: David Garcés, HMS Industrial Networks GmbH.


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Bild: HMS Industrial Networks GmbH

Die Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien - Biomasse, Photovoltaik oder Windkraft - lag in Deutschland im Jahr 2015 bei 33 Prozent. In zehn Jahren soll der Anteil der erneuerbaren Energien bei 40 bis 45 Prozent liegen. Mit dem Anwachsen der erneuerbaren Energien im System steigen Fluktuation und Schwankungen im Stromnetz. Der Ausbau von erneuerbaren Energien erhöht die Anforderungen an die Flexibilität der Übertragungs- und Verteilungsnetze. Dabei entfallen laut der Internationalen Energieagentur IEA ca. 42 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs auf die Industrie. Der Anteil der erneuerbaren Energien im Strommix und das Gewicht der Industrie im gesamten Stromverbrauch deuten darauf hin, dass für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewendeziele die Zusammenarbeit der Energie- und Fertigungsnetze nötig ist. Eine Möglichkeit, die natürlichen Schwankungen in den Griff zu bekommen, sind virtuelle Kraftwerke und Lastmanagementapplikationen. Beide bilden einen Pool von jeweils dezentralen Energieanlagen und elektrischen Lasten, die gemeinsam von einer übergeordneten Instanz gesteuert werden. VHPready bildet dabei den Industriestandard für die Vernetzung der dezentralen Energieerzeuger und der elektrischen Lasten mit der Leitwarte des virtuellen Kraftwerks bzw. des Lastmanagementsystems. Mit Fernwirk-Gateways nach VHPready soll eine nahtlose Integration möglich und dadurch die Versorgungssicherheit in der Energiewende gewährleistet werden.

Virtuelle Kraftwerke stabilisieren die Stromnetze

Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Zusammenschluss dezentraler Erzeuger, z.B. von Biogas-, Kraft-Wärme-Kopplungs-, Windenergie-, Solar- und Wasserkraftanlagen, und steuerbarer Lasten (z.B. Wärmepumpen, Prozesserhitzer oder Batteriespeicher) zum Zweck der Übernahme von Systemdienstleistungen, etwa zum Bereitstellen von Regelenergie. Ein virtuelles Kraftwerk kombiniert die Energieanlagen zu einem vernetzten, flexibel regelbaren und zentral gesteuerten Anlagensystem und ermöglicht den Ausgleich von Schwankungen durch das koordinierte Zusammenwirken der dezentralen Energieressourcen und Lasten. So sind Blockheizkraftwerke in der Lage, Strom ins Netz einzuspeisen, wenn die erneuerbaren Energieanlagen zu wenig produzieren. Wärmepumpen können hingegen überflüssigen Strom aus dem Netz entnehmen, wenn die erneuerbaren Energieanlagen zu viel Strom erzeugen. Die zentrale Leitwarte spricht alle im virtuellen Kraftwerk vernetzten und regelbaren Anlagen an. Die Kommunikation zwischen den Energieerzeugern und der Leitwarte war jedoch bisher nicht vollständig standardisiert. Der Kommunikationsstandard VHPready soll jetzt dafür sorgen, dass sich Leitwarte und Anlage dabei über Herstellergrenzen hinweg verstehen.

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Offener Standard für virtuelle Kraftwerke

VHPready steht für Virtual Heat and Power Ready. Die Version 4.0 ist ein offener Industriestandard für die Fernsteuerung und 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. Dabei handelt es sich um eine Industrieallianz von über 40 Unternehmen aus den verschiedenen Bereichen des Energiemarktes (Betreiber von virtuellen Kraftwerken, Energieversorger, Übertragungsnetzbetreiber, BHKW-Hersteller und Anbieter von industriellen Kommunikations-Gateways) mit dem Ziel, den Industriestandard für die Vernetzung dezentraler Energieanlagen, das Zertifizierungsprogramm und dazugehörige Prüfwerkzeuge zu entwickeln. Den funktionalen Kern von VHPready bildet eine umfangreiche Datenpunktliste, mit der sich die unterschiedlichen Energieanlagen und Lasten in die Leitwarte einbinden lassen. Diese Liste legt die Formate der Daten fest, die bidirektional in Überwachungs- und Kontrollrichtung zwischen Leitwarte und dezentraler Energieanlage ausgetauscht werden. Das kommunikationstechnische Fundament auf Basis von TCP/IP bilden die Fernwirkprotokolle IEC60870-5-104 oder IEC61850. Die Sicherheit der Datenübertragung wird durch eine geschlossene Benutzergruppe und den Aufbau eines virtuellen privaten Netzwerks gewährleistet.

Fernwirk-Gateways für Fertigungs- und Energienetze

Die verteilten Energieanlagen müssen mit der Leitwarte des virtuellen Kraftwerks vernetzt werden. Dafür ist es notwendig, dass die Gateways einerseits mit der SPS der Anlage vor Ort kommunizieren und dass sie andererseits auch mit der Zentrale über Ethernet oder Mobilfunk verbunden sind. 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 auszuführen, um die Befehle aus der Leitwarte (z.B. anschalten, ausschalten oder die Fahrpläne) zu verstehen und auszuführen. Für das Realisieren von Lastmanagementanwendungen und virtuellen Kraftwerken hat das Unternehmen HMS die Anybus-SG-Gateway-Familie entwickelt. Die Gateways ermöglichen die Fernwirkung und Fernwartung elektrischer Systeme sowie das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld. Mit der Leitwarte kommunizieren die SG-Gateways über VHPready, entweder über das Fernwirkprotokoll IEC60870-5-104 oder mit dem modernen Standard IEC61850. Für die Kommunikation mit der lokalen Steuerung in der Fabrik stellen sie eine Profinet-, eine Profibus- oder eine Ethernet/IP-Schnittstelle zur Verfügung. Durch Anybus lässt sich die Schnittstelle mit jedem beliebigen Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Standard ersetzen, wie Ethercat oder Powerlink. Dadurch erhalten Anwender einen universellen Schlüssel, um sich mit der SPS auszutauschen. Darüber hinaus werden Modbus, M-Bus und mehrere I/Os unterstützt, um beliebige Geräte im Feld anzuschließen.

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