Autoren: Barbara Altmann, Alexander Heilmann, Michael Lange, Jörg Linnemann (alle EWE VERTRIEB GmbH)

Wie Hausspeicher, Heizschwerter und Gas-Hybrid-Heizungen über ein Virtuelles Kraftwerk effizient am Energiemarkt teilnehmen können.

Die dezentrale Energiewelt von morgen ist kleinteilig und demokratisiert. Im Folgenden sollen Stromerzeugung, Stromverbrauch sowie der Wärmebedarf eines Prosumers mit seinem Wunsch nach Beteiligung, Autarkie und Komfort in den Mittelpunkt gestellt werden. Im Energiesystem nimmt der Anteil fluktuierender Einspeisung durch erneuerbare Energieanlagen in den Verteilnetzen stetig zu und führt häufig zu einer Netzüberlastung. Auch kleine Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern und hybride Heizgeräte können dann netzdienliche Flexibilität zur Verfügung stellen.

Um diese sogenannten Kleinstanlagen effizient über ein virtuelles Kraftwerk einzubinden, fehlten bislang häufig passende Konzepte zur Anbindung, Prognose und zum Betrieb dieser Anlagen. Ein wichtiger Schritt um Kosten der Anbindung und Steuerung zu reduzieren, ist der zeitlich stark verzögerte roll-out von Smart Meter Gateways im Markt. Zudem gab es bisher keine geeigneten Standards zur Anbindung und Steuerung von solchen kleinteiligen Flexibilitäten auf der zukünftigen Messinfrastruktur.

Eine gute Lösung hierfür bietet die voranschreitende Digitalisierung. Dadurch werden Datenströme zum essentiellen Rohstoff für neue Geschäftsmodelle, wovon Hersteller von Kleinstanlagen und das Energiesystem gleichermaßen profitieren können. Einerseits können die Hersteller anhand der Datenströme aus den Anlagen die Wartung verbessern und Ihren Kunden innovative Dienstleistungen anbieten, andererseits kann ein darauf ausgelegtes virtuelles Kraftwerk die automatisierte, systemdienliche Einbindung von Kleinstanlagen in das Energiesystem gewährleisten und die Flexibilität an den Energiemärkten vermarkten.

Aggregatoren managen einen dynamischen Anlagenpool mit individuellen Kundenbedürfnissen

Um verschiedene Kundenbedürfnisse und Chancen an den Energiemärkten bestmöglich miteinander zu verbinden, werden individuelle Algorithmen für die Prognose und eine optimale Steuerung der Kleinstanlagen benötigt. Daran wurde  unter anderem mit Herstellern von Hausspeichern und Heizgeräten gearbeitet, wodurch die Wertschöpfung optimiert werden konnte.

Hierfür wurden zwei getrennte Anlagenpools gebildet, in denen gleichartige Anlagen mit unterschiedlichen Standorten virtuell aggregiert und zusammen mit dem Virtuellen Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH in das Energiesystem eingebracht wurden. Dieses Konzept ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.

Anbindung von Anlagen-Communities über Aggregatoren an das Virtuelle Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH

Abbildung 1: Anbindung von Anlagen-Communities über Aggregatoren an das Virtuelle Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH

Der Anlagenpool Hausspeicher:

Freie Speicherkapazitäten von Hausspeichern so zu nutzen, dass für die Kunden ein Mehrwert entsteht, ist das Ziel der Aggregation. Im ersten Schritt wurden 60 Kunden für ein Hausspeichersystem mit Photovoltaikanlage akquiriert. Dabei stand die individuelle und optimale Auslegung des Hausspeichersystems im Vordergrund, so dass unterschiedliche Kundensituationen berücksichtigt werden konnten. Die erforderliche Mess- und Steuertechnik war bereits im Hausspeichersystem integriert. Aus der jeweils freien Kapazität eines Speichers wurde die Kapazität des Anlagenpools bestimmt. Die Aggregation erfolgte virtuell in einer Cloud, in der die Daten der einzelnen Hausspeicher gesammelt wurden. Ein voll automatisierter Algorithmus erstellte daraus eine Prognose für die gesamte verfügbare Flexibilität des Pools. Damit wurde die speicherbare Menge an Energie in den Folgestunden in Echtzeit bestimmt. Die ersten Ergebnisse aus dem Feldtests weisen darauf hin, dass im Sommer und in den Übergangszeiten der Speicher tendenziell durch Strom aus der Photovoltaik-Anlage gut gefüllt ist. Bei nahezu vollem Speicher besteht wenig freie Kapazität zur Speicherbeladung und somit wenig Flexibilität. Im Winter hingegen ist es umgekehrt. Die Anzahl der sonnigen Tage ist gering, sodass häufig ausreichend freie Kapazität und damit Flexibilität zur gezielten Stromaufnahme vorhanden ist.

Der Anlagenpool Heizgeräte:

Eine Optimierung des Zusammenspiels von Anlagen bei einer möglichst großen Flexibilitätslieferung aus Kleinstanlagen wird durch die direkte Zusammenarbeit zwischen Herstellern und dem Expertenteam von EWE VERTRIEB GmbH ermöglicht. Mit zwölf Kunden, davon zehn mit einer Gas-Hybrid-Heizung (Gas-Brennwertgerät mit einem integrierten elektrischen Durchlauferhitzer) und zwei Brennwertgeräten mit Heizstäben im Warmwasserspeicher, wurde der Anlagenpool Heizgeräte gebildet. Die Flexibilität der Heizsysteme besteht darin, dass jeweils ein elektrischer Heizstab die Wärmebereitstellung aus Gas durch elektrischen Strom substituiert. Dies war immer dann der Fall, wenn ein Überangebot von grünem Strom im Netz aufgelöst werden musste. Die für die Anbindung an das Virtuelle Kraftwerk notwendige Mess- und Steuertechnik wurde mit einem Kommunikationsmodul an der jeweiligen Anlage umgesetzt. Dieses sendet wesentliche Parameter an die virtuelle Cloud. Aus den Wärmebedarfen des Haushaltes konnte so ein Algorithmus für Flexibilitätsprognosen in nahezu Echtzeit abgeleitet werden. Neben dem Nachweis der technischen Machbarkeit sind weitere Einflussparameter auf das Potenzial zur Flexibilitätslieferung untersucht worden. Wesentlich sind dabei Uhrzeit und Außentemperatur. In den Testhaushalten waren die Zeiträume von 04:00 Uhr bis 12:00 Uhr und 16:00 Uhr bis 20:00 Uhr am besten für eine Flexibilitätslieferung geeignet. Bei Außenlufttemperaturen unter 4 °C war das Flexibilitätspotenzial um ca. 74 % höher als bei Temperaturen über 10 °C. Somit sind Uhrzeit und Außentemperatur wichtige Einflussparameter auf die Flexibilitätslieferung aus Heizsystemen. Übertragen auf Jahreszeiten ergibt sich daraus, dass in den Wintermonaten tendenziell ein höheres Flexibilitätspotenzial, als in der Übergangszeit und im Sommer, bereit steht.

Im Ergebnis ist das Virtuelle Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH eine voll automatisierte Schnittstelle zu den Energiemärkten und bietet alle notwendigen Dienstleistungen für Aggregatoren von Kleinstanlagen, um neue Geschäftsmodelle erfolgreich  auszugestalten.

Neue Geschäftsmodelle auf Basis der aggregierten Flexibilität von Kleinstanlagen

Eine Vielzahl neuer Algorithmen im Virtuellen Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH ermöglicht es, sich an daraus hervorgehende  Geschäftsmodelle anzupassen. Auf diese Weise sind Erzeuger und Verbraucher für die Energiewelt von Morgen gerüstet. Eine besondere Herausforderung hierbei war es, auch kleine Anlagen effizient einzubinden, zu aggregieren und netzdienlich in den enera-Markt zu integrieren (siehe Abbildung 2). Daran haben Kunden und Partner gleichermaßen mitgewirkt. Neu war die Rolle des Aggregators von Kleinstanlagen. Diese kann entweder durch den Hersteller der Anlagen oder als Dienstleistung durch das Virtuelle Kraftwerk der EWE VERTRIEB GmbH übernommen werden.

Das virtuelle Kraftwerk - Schnittstelle zwischen Kunde und Markt

Abbildung 2: Das virtuelle Kraftwerk - Schnittstelle zwischen Kunde und Markt

Aggregatoren und Besitzer von Kleinstanlagen benötigen einen kostendeckenden und wirtschaftlich  attraktiven Rahmen, um am neuen Energiesystem teilzunehmen. Die Kosten für die technische Ertüchtigung der Anlagen, den Kundenservice, die Vermarktung der Flexibilität und der Strom sind wesentliche Kostentreiber.

Hausspeicher und Heizgeräte sind im Projekt hinter dem Stromzähler installiert, so dass alle Abgaben und Umlagen auf den Strompreis vollständig in Rechnung gestellt werden. Jedoch erbringen die Haushalte eine netzdienliche Systemdienstleistung, die bislang nicht kompensiert wird. Beim Abruf der Flexibilität über den enera-Markt entstehen Erlöse, die sich durch die Zahlungsbereitschaften der Netzbetreiber ergeben. Dabei handelte es sich für Flexibilität aus Hausspeichern und Heizgeräten um einen Maximalbetrag von 5 Cent pro Kilowattstunde Strom. Im Vergleich mit den benannten Kosten wird schnell deutlich, dass eine Bereitstellung von Flexibilität für einen regionalen Flexibilitätsmarkt unter den aktuellen Rahmenbedingungen nicht gewährleistet werden kann. Es sind Verbesserungen des wirtschaftlichen Rahmens notwendig, um Kleinstanlagen in einen regionalen Flexibilitätsmarkt zu integrieren. Diese könnten zum Beispiel über finanzielle Zuschüsse zur Flexibilisierung der Anlagen, höhere Erlösmöglichkeiten oder eine Befreiung der Flexibilitätslieferung von Steuern, Abgaben und Umlagen erfolgen. Eine weitere Hürde für Aggregatoren ist die Mindestmenge an Flexibilität, um am Energiemarkt teilnehmen zu können. Hier kann das Virtuelle Kraftwerk über ein „Multipooling“-Konzept Flexibilität aus den Kleinstanlagen mit Flexibilität aus beispielsweise Biogasanlagen oder großen Batteriespeichern koppeln und gemeinsam vermarkten. EWE VERTRIEB ermöglicht so den Zugang zu den Regelenergiemärkten auch für kleine Anlagenpools.

Somit ist eine Vermarktung der Flexibilität aus Kleinstanlagen an konventionellen Energiemärkten möglich, an denen sich derzeit bei ähnlicher Kostenstruktur attraktivere Erlösaussichten bieten.