Grid4Mobility – Engpassmanagement durch Blockchain für die E-Mobilität

Die Verkehrswende ist das neue große Thema insbesondere hinsichtlich des Engpassmanagements in Elektrizitätsverteilnetzen. Wie kann der Gleichzeitigkeit im Ladeverhalten begegnet werden?
 Im Rahmen von enera erprobt EWE mit weiteren Partnern einen Blockchain-basierten Ansatz - Grid4Mobility - als Kompromiss zwischen Netzdienlichkeit und reinen Marktlösungen.

Unter dem Dach der dena wurde Grid4Mobility in der Multi-Stakeholder-Studie  Blockchain in der integrierten Energiewende regulatorisch, rechtlich und ökonomisch bewertet.

Es ist 18 Uhr, die Bewohner der Ortschaft Frühlingsfeld vor den Toren von Neustadt pendeln ein. Einfamilienhäuser links und rechts der Spielstraße, gepflasterte Einfahrten vor verklinkerten Garagen oder hölzernen Carports reihen sich aneinander. 
Was auffällt, ist dass diese tägliche Rückkehrroutine fast ohne Geräusche vonstattengeht, wie eine stille Karawane ziehen die E-Autos verschiedenster Hersteller vorbei. Nur noch selten hört man in dieser stillen Rushhour das Motorengeräusch eines Verbrenners.

Auch Inga Neumann ist Teil dieser E-Karawane und biegt im geleasten Tesla auf ihre Hauseinfahrt ab. Wie üblich stellt sie den Wagen ab, steigt aus und steckt mit routiniertem Handgriff das Ladekabel in die Wallbox. In diesem Moment erlischt im gesamten Ortskern das Licht – Blackout!

Nach dem Zubau mit erneuerbaren Energien in den letzten Jahren ist dieses Szenario das neue Schreckgespenst im Rahmen der zunehmenden Elektromobilität. Vermehrt gleichzeitig auftretende Ladevorgänge, die die Ortsnetze überlasten und mit ihrer Lastgleichzeitigkeit die Verkehrswende mit der Stromtankstelle zu Hause unmöglich machen. Die Verkehrswende hat noch nicht einmal begonnen und wir fragen uns: Ist das nur ein Schreckgespenst? Was ist hier bereits bekannt, welche Lösungen gibt es und wo beginnt Wunsch oder gar Fiktion? 
Vorweg, wir maßen uns nicht an, die Antworten zu kennen oder Lösungen in der Schublade zu haben, auch wir nähern uns der Thematik herantastend, simulativ wo es geht und im Rahmen erster Feldtests. Doch nähern wir uns der Problemstellung durch eine systematische Betrachtung der Lösungsoptionen an.

Zunächst könnte man, wie sonst auch beim Betrieb von Elektrizitätsnetzen üblich, das Ortsnetz für die potentiell höchste denkbare Lastspitze dimensionieren und das vorhandene Netz entsprechend verstärken. Die Frage ist, wohin soll das führen - bei potentiell ca. 100 Hausanschlüssen in einem typischen Ortsnetz mit ggfs. zwei e-Mobilen pro Haushalt und jeweils Ladeanschlüssen mit 22 kW, die alle gleichzeitig laden? Schnell wird klar, dass ein gesteuertes Laden - quasi eine „Entgleichzeitigung“ (obwohl es das Wort so nicht gibt) der Ladevorgänge eine geeignete Lösung darstellen könnte. Eine Variante dabei wäre bei der Feststellung einer Überlast am Ortsnetz-Trafo über eine Art Rundsteuersignal alle angeschlossenen Wallboxen gleichermaßen zu drosseln. Der große Nachteil liegt aber auch auf der Hand: der tatsächliche Ladebedarf wird dabei nicht adressiert. Viele könnten sicherlich auch später laden, einige bräuchten aber vielleicht in dem Moment doch ein schnelles Nachladen, z.B. wenn man abends doch noch schnell zum Sport muss. Eine andere Variante ist auch schnell gefunden: Der Markt soll es regeln. Sprich: wer in Engpassmomenten dringend laden muss, der soll auch mehr für seine Ladung bezahlen. Ärgerlich, wenn dann nur noch reiche Leute abends wegfahren können. Für die Ärmeren kommt dann vielleicht doch eher der elektrifizierte öffentliche Personennahverkehr in Frage. Neben diesen beiden Extremen - der reinen Netzsicht und der reinen Marktsicht – sollten sich doch weitere Verfahren für ein gesteuertes Laden finden lassen, die beide Seiten harmonisch zusammenbringen können. Ein Verfahren – Grid4Mobility soll hier kurz skizziert werden.

Grid4Mobility setzt auf eine intelligente Lösung von Netzengpässen unter der Maxime, dass die Einschränkungen für Haushalte möglichst nicht spürbar sein sollen und ein kooperatives Ladeverhalten sich für jeden lohnt. Frau Neumann hat den Blackout in Neustadt verursacht, da sie genau wie alle anderen ihr Auto gleichzeitig und ohne Rücksicht auf das Netz geladen hat. Dabei benötigt Frau Neumann ihr Auto vielleicht erst wieder am nächsten Morgen und es bleibt genug Zeit das Auto langsam über die ganze Nacht aufzuladen. Anders sieht es vielleicht bei ihrem Nachbarn aus, der sein Auto in einer Stunde wieder benötigt. Eine optimale Ladestrategie ohne Komforteinbußen muss solche Unterschiedlichkeiten berücksichtigen. Aber wie kann so etwas konkret aussehen? Bei Grid4Mobility handelt es sich um ein kooperatives und orchestriertes Ladeverhalten im Niederspannungsbereich. Im Hintergrund verhandeln Software-Agenten dezentral über die richtige Ladestrategie. Grundlage hierfür sind Fahrpläne und Prognosen für erwartete Netzengpässe. Die Agenten verhandeln hierbei so lange, bis kein Engpass mehr auftritt und berücksichtigen in Ihrer Verhandlung das zu erwartende Ladeverhalten so wie die Bereitschaft das Ladeverhalten anzupassen um einen Engpass zu vermeiden. Wer sich bereit zeigt das Laden seines E-Autos flexibel anzupassen um ein Netzproblem zu vermeiden, erhält hierfür eine Belohnung – den ENERCOIN. Reicht die Bereitschaft zum flexiblen Laden einmal doch nicht aus um einen Engpass zu vermeiden und der Netzbetreiber muss drosselnd eingreifen, so kann ein höheres ENERCOIN-Konto die Stromdrosselung durch den Netzbetreiber vermeiden… Wer sich häufig kooperativ zeigt wird belohnt. Aber nicht nur Ladevorgänge spielen bei Grid4Mobility eine Rolle, sondern auch andere große Haushaltsverbraucher sollen perspektivisch über sogenannte Energiemanagementsysteme für die Bereitstellung von Flexibilitäten herangezogen werden können. Eine große Herausforderung hierbei ist die Entwicklung von realistischen Prognosen (sogenannten Fahrplänen) für den erwarteten Energiebedarf im Haus.

Der kooperative Ansatz von Grid4Mobility spiegelt sich auch in der Nutzung eines transparenten Blockchain-Ansatzes auf Ethereum-Basis wieder. Wichtige Informationen wie Fahrpläne und Verhandlungsergebnisse der Agenten werden in der Blockchain persistiert. In Smart Contracts wird der Wert von Flexibilität zum jeweiligen Zeitpunkt durch den Netzbetreiber festgelegt und bei Einhaltung der Lastverschiebung aus den Verhandlungen automatisch dem Bereitsteller der Flexibilität gutgeschrieben. Während in Deutschland zukünftig Smart Meter Gateways als sichere Datenquelle gelten und auch eine zentrale Variante von Grid4Mobility ohne Blockchain denkbar ist, sind transparente und fälschungssichere Lösungen im internationalen Kontext ein wichtiger Beitrag für die Akzeptanz einer intelligenten Netzengpassvermeidung.

Gemeinsam mit einem starken Partnerkonsortium aus Bosch, OFFIS, BTC AG, PPC AG, Siemens und der Hochschule Fresenius geht EWE nun den nächsten Schritt und erprobt das intelligente Laden mit allen erforderlichen Komponenten im Rahmen eines Feldtests. Hierbei wird zunächst ein reales Haus mit Energiemanagement-System, Smart Meter Gateway und Elektroauto ausgestattet. Im Rahmen der ersten Testphase muss sich das Ladeverhalten in Abstimmung mit einer virtuellen Nachbarschaft auf simulierte Netzengpässe einstellen.

Im zweiten Schritt steht dann die Erprobung von Grid4Mobility in einer kompletten Nachbarschaft an.