In diesem Beitrag werden wir darlegen, wie die Flexibilität, die durch Elemente wie Elektrofahrzeuge, Wärmepumpen, Speichersysteme usw. bereitgestellt wird, verschiedenen Akteuren im Stromsystem einen Mehrwert bieten kann
Wir werden prüfen, welche Dienste die Aggregation der Flexibilität den verschiedenen am System beteiligten Akteuren anbieten kann. Einige dieser Dienste sind miteinander kompatibel, so dass die Aggregation von Flexibilität zwei oder mehr kompatible Dienste gleichzeitig für mehr als einen Akteur anbieten könnte. In anderen Fällen könnten die angebotenen Dienste unvereinbar sein, und die lokale Regulierung, der Anbieter der Aggregation oder der Markt müssen eine Auswahl treffen. In den folgenden Abschnitten werden die Produkte, die die Aggregation von Flexibilität den verschiedenen Akteuren des Systems anbieten kann, und der Mehrwert für jeden einzelnen Kunden erläutert.
Flexibilitätswert für Verteilernetzbetreiber
Das Ausmaß, in dem Elektrizitätsversorgungsunternehmen das Geschehen in ihren Netzen kontrollieren können, ist auf der Hoch- und Mittelspannungsebene akzeptabel, in Niederspannungsnetzen jedoch in vielen Fällen sehr gering oder gar nicht vorhanden. Unter Umständen verfügen die Umspannwerke, die das Niederspannungsnetz mit dem Mittelspannungsnetz verbinden, über Stufenschalter, die es ihnen ermöglichen, die Ausgangsspannung des Transformators in Abhängigkeit von der Belastung der von ihnen versorgten Niederspannungsleitungen bis zu einem gewissen Grad zu regulieren. Die Anzahl der Vorgänge, die mit dieser Art von Geräten durchgeführt werden können, ist jedoch sehr begrenzt, da sie in den meisten Fällen manuell durchgeführt werden müssen und eine einmal geänderte Anzapfung für einen langen Zeitraum in dieser Position verbleibt, so dass dieser Mechanismus in einem Kontext, in dem die Dynamik der Lastschwankungen schnelle Schwankungen des Spannungsniveaus verursacht, nicht akzeptabel ist. Ähnliches könnte man über den Einsatz von Kondensatorbatterien sagen, die Blindleistung in das System einspeisen und so die Spannung erhöhen. Einerseits ist ihr Einsatz nicht sehr weit verbreitet und ihre Kontrollmechanismen erlauben keine schnelle und kontinuierliche Regelung der eingespeisten Blindleistung.
Ein weiteres zu berücksichtigendes Problem ist die mögliche Überlastung von Leitungen und Transformatoren. Es muss berücksichtigt werden, dass das Niederspannungsnetz in städtischen Gebieten in vielen Fällen eine sehr komplexe Topologie aufweist, die es ermöglicht, die Last von einigen Umspannwerken auf andere zu verteilen, d.h. eine bestimmte Leitung kann (nicht gleichzeitig) von zwei oder mehreren Umspannwerken gespeist werden, wodurch eine gewisse Überlastung vermieden werden kann. Aber auch hier gilt, dass diese Rekonfiguration in den meisten Fällen manuell erfolgt und einmal vorgenommen, über Monate oder Jahre hinweg statisch bleibt, so dass diese Technik auch nicht den dynamischen Steuerungsanforderungen gerecht wird, die für die Verwaltung verteilter Ressourcen wie Elektrofahrzeuge, Solarzellen, Batterien usw. mit hoher Variabilität erforderlich sind.
In diesem Zusammenhang muss gesagt werden, dass dezentrale Ressourcen nicht nur Flexibilität in dem Sinne bieten, dass sie ihre Leistung variieren oder ihren Verbrauch im Laufe der Zeit verlagern können, sondern ein gemeinsames Merkmal ist, dass sie über Umrichter an das Netz angeschlossen sind, deren Funktionskatalog sehr umfangreich ist. Sowohl Elektrofahrzeuge mit einfacher oder bidirektionaler Ladung als auch Wärmepumpen, Akkumulationssysteme, Photovoltaikanlagen und andere Ressourcen sind über Umrichter an das Netz angeschlossen, die eine sehr schnelle Veränderung der Arbeitsbedingungen ermöglichen. Vorschriften wie die von der IEEE in ihrer Norm 1547 über die Anforderungen an Umrichter für den Anschluss verteilter Ressourcen an das Netz [1] vorgeschlagenen oder die von der Arbeitsgruppe WG17 des technischen Komitees TC57 der IEC gemachten Fortschritte zur Anpassung der Norm IEC 61850 über Systeme zur Automatisierung von Energieversorgungsunternehmen beinhalten bereits diese Art von Funktionalität für intelligente Umrichter [2]. Eine detaillierte Beschreibung der oben genannten Funktionalitäten würde den Rahmen dieses Dokuments sprengen und kann in der Literatur in Dokumenten wie dem vom (Electric Power Research Institute) EPRI in seinem Bericht über "Common Functions for Smart Inverters" [3] vorgeschlagenen gefunden werden. Zusammenfassend könnte man sagen, dass die beschriebenen Funktionen die Grundlagentechnologien für die Umsetzung der gesamten Palette von Produkten und Dienstleistungen sind, die die flexiblen Ressourcen den Verteilern und auch den übrigen Akteuren des Systems bieten können. Der Wert, den die Aggregation von Flexibilität für den Betrieb eines Verteilernetzes bieten kann, ist somit der folgende:
- Überlastungsmanagement: Wenn die aggregierten Ressourcen in einem bestimmten geografischen Verteilungsgebiet konzentriert sind, könnte die Aggregation der Flexibilität die Ressourcen so koordinieren, dass ein Betriebspunkt für den Verteiler unterhalb der Überlast gewährleistet ist. Ein Beispiel wäre das koordinierte Aufladen von Elektrofahrzeugen, wodurch Spitzenlasten vermieden und somit der Bedarf an Investitionen in die Netzwartung und -erweiterung durch den Verteiler verringert werden könnte. Normalerweise kann die Nachfragespitze in einem Niederspannungsnetz, je nach Verbraucherprofil, entweder mittags oder nachts auftreten. Das Verteilernetz muss über die notwendige Infrastruktur verfügen, um diese Lastspitzen zu bewältigen, die in der Regel nur sehr kurz andauern, was bedeutet, dass es die meiste Zeit mit einer überdimensionierten Infrastruktur arbeitet. Die Aggregation der Flexibilität würde es ermöglichen, die Überlastung der Infrastruktur durch die Koordinierung der Flexibilität zu lösen und so zur Verbesserung der Versorgungsqualität beizutragen, während die Verteilerunternehmen gleichzeitig Infrastrukturinvestitionen einsparen könnten.
- Spannungsregelung: Wie bereits erwähnt, stehen den Verteilern derzeit nur sehr wenige Mechanismen zur Spannungsregelung zur Verfügung, die bestenfalls eine langsame Dynamik aufweisen. In diesem Fall ist zu erwähnen, dass die dezentralen Geräte wiederum über ein unzureichend genutztes Gut verfügen, das die Spannungsregelung ermöglicht, nämlich die Umrichter, die in Solaranlagen, Speichersystemen, in einigen Systemen zum Aufladen von Elektrofahrzeugen usw. vorhanden sind. Netzanschlusswandler nutzen den Nennstrom nur für sehr kurze Zeit, im Falle von Solargeneratoren zum Beispiel nutzen sie diesen maximalen Strom höchstens zur Einspeisung von Wirkleistung in der Stunde maximaler Einstrahlung an einem sonnigen Tag, den Rest der Zeit arbeiten sie unterhalb ihrer Nennleistung. In diesem Fall kann diese Kapazität zur "kostenlosen" Einspeisung von Blindleistung für den Eigentümer der Anlage genutzt werden, so dass eine lokale Spannungsregelung im Verteilungsnetz erfolgt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Beispiel der Solarumrichter angeführt wurde, weil im Falle einer Nachfragespitze an einem bewölkten Tag oder in der Nacht, die große Spannungsabfälle verursacht, die volle Kapazität der Solarumrichter zur Einspeisung von Blindleistung und zur Erhöhung der Netzspannung genutzt werden könnte. Darüber hinaus besteht bei Verteilungsnetzen aufgrund des hohen R/X-Verhältnisses (Widerstand/Reaktanz) eine hohe Korrelation zwischen dem Verbrauch/der Einspeisung von Wirkleistung und der Spannungshöhe, so dass in den Wechselrichtern auch eine Volt-Watt-Steuerung implementiert werden könnte. Diese Steuerung würde einen übermäßigen Spannungsanstieg oder -abfall aufgrund einer übermäßigen Einspeisung oder eines übermäßigen Verbrauchs dezentraler Ressourcen verhindern. In diesem Fall könnte und sollte diese Art der Steuerung in Fahrzeugaufladesystemen, V2G-Systemen, Wärmepumpen usw. installiert werden.
In diesem Fall muss berücksichtigt werden, dass die Aggregation von Flexibilität in einigen Fällen nicht mit den für den Verteiler bereitgestellten Engpassmanagementdiensten vereinbar ist, d.h. der BKV kann vom Aggregator eine Verbrauchserhöhung verlangen, die jedoch nicht mit der Vermeidung von Engpässen in einem bestimmten Verteilergebiet vereinbar ist. Für diese Fälle müssen Mechanismen zur Priorisierung der Leistungserhöhungs- oder -senkungsaufträge eines Aggregators vorhanden sein, wenn dieser gleichzeitig Produkte für BKV und Verteiler anbietet [4].
Wert der Flexibilität für die Bilanzierung
Je nach Art der Flexibilität sind die Dienstleistungen, die die Aggregation der Flexibilität den Anbietern von Ausgleichsdiensten (BSP) bieten kann, eindeutig:
- Primäre Steuerung: Bei diesem Modell könnten die verteilten Ressourcen durch die Bündelung der Flexibilität so konfiguriert werden, dass sie sehr schnell und automatisch auf Änderungen der Netzfrequenz reagieren. Dies stellt keine technische Schwierigkeit dar, da die Umrichter, die als Schnittstelle zwischen den dezentralen Ressourcen und dem Netz dienen, über PLL-Systeme (Phase Locked Loop) verfügen, die es ihnen ermöglichen, sich mit dem Netz zu synchronisieren und somit Frequenzschwankungen abzuschätzen. Im Falle von Elektrofahrzeugen könnte das Ladegerät bei Erkennen eines Einbruchs der Netzfrequenz automatisch die Ladung unterbrechen und so zur Wiederherstellung der Frequenz und zur Unterstützung des Systems beitragen. Wären die Fahrzeuge zudem mit V2G-Technologie ausgestattet, könnten sie ebenfalls auf einen Frequenzabfall reagieren und Strom einspeisen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Energie, die bei der Primärregelung verwaltet wird, relativ gering ist, da ihre Dauer einige Sekunden nicht überschreitet, so dass die Ladezeiten der Fahrzeuge in dem beschriebenen Beispiel nicht beeinträchtigt würden.
- Sekundärregelung: Das Aktivierungssignal für die Flexibilität würde automatisch in einem zentralen Kontrollsystem erzeugt, das die Aktivierung der Leistungserhöhung oder -senkung nach Zonen vorschreibt. In diesem Fall sollte die zu erhöhende oder zu senkende Leistung auch für kurze Zeiträume aufrechterhalten werden, die durch die Dauer der Ausgleichsperioden (15 Minuten) bestimmt werden, so dass die Aktivierung dieses Dienstes in den allermeisten Fällen keinen relevanten Komfortverlust für die Flexibilitätsanbieter mit sich bringen würde. Mit anderen Worten, die bloße Tatsache, dass sich das Ein- oder Ausschalten einer Wärmepumpe oder das Aufladen eines Elektrofahrzeugs um 15 Minuten verzögert, hätte praktisch keine Auswirkungen auf den Endverbraucher.
- Tertiärregelung: Das Geschäftsmodell für die Bereitstellung von Flexibilität zur Teilnahme an der Tertiärregelung ist dem für die Sekundärregelung beschriebenen sehr ähnlich, aber in diesem Fall ist die Reaktionszeit länger und die zu erhöhende oder zu senkende Leistung muss über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Derjenige, der große Mengen an Flexibilität verwaltet, könnte die verschiedenen von ihm verwalteten Anlagen zeitlich gestaffelt kurzzeitig mit Leistungserhöhungen oder -senkungen beauftragen, so dass die Maßnahme insgesamt die erforderlichen zwei Stunden andauert, ohne dass es zu Komforteinbußen für die Endbesitzer der Flexibilität kommt.
Bei Dienstleistungen, die für den Ausgleich von Mengenabweichungen erbracht werden, kann es zu Unvereinbarkeiten mit Dienstleistungen für Verteilernetzbetreiber kommen, wenn die Dienstleistungen gleichzeitig für beide Akteure angeboten werden.
Spezifische Produkte für Prosumenten oder aktive Verbraucher
Der Prosumer ist der Hauptakteur und der eigentliche Anbieter der Flexibilität.
Abgesehen von den Vorteilen, die die Prosumenten durch die Bereitstellung der oben genannten Dienste haben könnten, kann die Verwaltung der Flexibilität den Prosumenten direkt zugute kommen. Diese Dienste sind wie folgt [4; 5]:
- Optimierung der Nutzungszeiten: Die Tarife, die Einzelhändler ihren Kunden anbieten, haben in einigen Fällen variable Preise in den verschiedenen Tageszeiten und in einigen Fällen können diese Preise sogar dynamisch in Echtzeit variieren. Die Flexibilität kann genutzt werden, um die Fähigkeiten und Gewohnheiten der Kunden zu verstehen und so viel Last wie möglich von Zeiten mit hohen zu Zeiten mit niedrigen Preisen zu verlagern, damit der Verbraucher den größten Nutzen aus seiner Flexibilität ziehen kann, indem er seine Energiekosten reduziert.
- Kontrolle der maximalen Leistung: Ein sehr wichtiger Begriff in den meisten Stromtarifen, die von Einzelhändlern angeboten werden, ist der so genannte Leistungsbegriff oder die Kapazitätsgebühr, die die Kosten für die Verfügbarkeit von Spitzenleistung darstellt. Mit anderen Worten, der Nutzer zahlt mehr, je höher die Spitzenleistung ist, die er verbrauchen kann. In vielen Fällen macht der Leistungsanteil einen sehr großen Teil des Tarifs aus, und der Nutzer erreicht diese Leistung nur in bestimmten Situationen, z. B. beim Aufladen des Fahrzeugs zur gleichen Zeit wie die Verbrauchsspitze im Haushalt. Nehmen wir an, dass ein Nutzer einen Photovoltaikgenerator, ein Akkusystem und ein Elektrofahrzeug besitzt. Nehmen wir weiter an, dass die überschüssige Energie, die das PV-Panel während des Tages erzeugt, zum Aufladen der Batterie verwendet wird und dass die Batterie um 19 Uhr beginnt, sich zu entladen, weil der Stromverbrauch des Hauses zu steigen beginnt. Um 22 Uhr beginnt das Elektrofahrzeug mit dem Aufladen, aber die Batterie ist bereits entladen, so dass der gesamte Strom des Fahrzeugs und des Hauses aus dem Netz bezogen werden muss, was einen hohen Spitzenwert bedeutet und die Notwendigkeit mit sich bringt, die Laufzeit des Tarifs und damit die Gesamtkosten zu erhöhen. Mit dieser Flexibilität könnte man die Batterie tagsüber aufladen, aber nicht um 19 Uhr mit der Entladung beginnen, sondern warten, bis das Fahrzeug um 22 Uhr Strom benötigt, und die Batterie gegen das Fahrzeug entladen, wodurch die Auswirkungen des Fahrzeugs geringer wären und der Nutzer die Laufzeit des Tarifs reduzieren könnte. Dies ist nur eines von unzähligen Beispielen, die man anführen kann.
- Selbstregulierung: Ähnlich wie beim vorigen Produkt und für Prosumer, die über erhebliche flexible Kapazitäten verfügen, würden Selbstausgleichstechniken es ermöglichen, alle flexiblen Ressourcen des Prosumers auf integrierte und optimale Weise zu verwalten, wobei Energieeinkaufs- und -verkaufspreise, Kapazitäten und Verbrauchergewohnheiten berücksichtigt werden.
- Kontrollierte Inselbildung: Bei schwachen Netzen mit Netzqualitätsproblemen wie Mikroausfällen oder Unter- bzw. Überspannungsproblemen könnte die Aggregation von Flexibilität den Verbraucher absichtlich vom Netz isolieren und ihn für eine bestimmte Zeit autark machen.
[1] "IEEE Draft Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", IEEE P1547.1/D9.8, Dezember 2019, S. 1-283, 2019.
[2] T. C. 57 IEC, "IEC 61850: Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung von Energieversorgungsunternehmen", International Electrotechnical Commission Std, Bd. 53, S. 54, 2010.
[3] Common Functions for Smart Inverters: 4th Edition, EPRI, Palo Alto, CA, 2016, 3002008217.
[4] P. Olivella-Rosell, P. Lloret-Gallego, Munné-Collado, R. Villafafila-Robles, A. Sumper, S. Ottessen, J. Rajasekharan, and B. Bremdal, "Local Flexibility Market Design for Aggregators Providing Multiple Flexibility Services at Distribution Network Level," Energies, vol. 11, p. 882, 2018.
