BTGA Almanach 2024

Technische Trends und Normung
Abbildung 2:
Zellulares
Energiesystem
es, das Gesamtproblem der zeitdiskreten Bedarfsdeckung
in kleinere Teilprobleme aufzuteilen,
indem das Energiesystem von unten
nach oben geregelt wird. Die hohe Autonomie
und Autarkie jeder Energiezelle reduzieren
den zentralen Steuerungs- und Kommunikationsaufwand
erheblich.
Nach dieser anfänglichen Optimierung
kann der Zell-Manager (ZM) unter der Voraus
set zung eines restriktionsfreien Betriebs
direkt mit dem Strommarkt interagieren. Dabei
hat er die Flexibilität, Energie zu kaufen,
wenn die Nachfrage hoch ist und die Preise
niedrig sind. Oder er verkauft überschüssige
Energie, wenn die Nachfrage gering ist und
die Preise attraktiv sind. Dieser direkte Zugang
zum Strommarkt ermöglicht es der Zelle,
dynamisch auf Marktschwankungen zu
reagieren und wirtschaftlich sinnvolle Entscheidungen
zu treffen, um die Ener gie versor
gung zu optimieren und gleichzeitig die
Kosten zu minimieren. Somit spielt der ZM
eine entscheidende Rolle bei der effizienten
Nutzung der dezentralen Energieanlagen
und trägt dazu bei, eine nachhaltige und kosten
günstige Energieversorgung zu gewährleisten.
Die Festlegung von Restriktionen obliegt
dem lokalen Clustermanager (LCM), der
mehrere Level-0-Zellen in regionaler Nähe
koordiniert. Dabei erhält der LCM lediglich
notwendige und aggregierte Informationen
von den untergeordneten Zellmanagern –
und zwar basierend auf dem Subsidiaritätsprinzip
und unter Berücksichtigung des Datenschutzes.
Nach dieser Informationsaggregation
überwacht der LCM nicht nur das Nieder-
und Mittelspannungsnetz, sondern gleichermaßen
auch Fernwärme- und Gasnetze
auf mögliche zukünftige Grenzwertverletzungen
sowie Unter- und Überversorgungen.
Gegebenenfalls werden Beschränkungen für
die untergeordneten Zellen festgelegt.
Die höchste Instanz in diesem Energiesystem
ist der zentrale Clustermanager (ZCM).
Er koordiniert die Level-1-Zellen, die Strommärkte
und das Hochspannungsnetz auf
Grundlage der zellularen Charakteris tiken.
Um zu überprüfen, ob die Implementierung
des zellularen Ansatzes zu einem koordinierten,
aber auch versorgungssicheren
Energiesystem führt, wird im Rahmen des
Forschungsvorhabens ein Beispielquartier
untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei
auf ländlichen Gebieten, in denen die Wärmenachfragedichte
oft nicht ausreicht, um
Nahwärmenetze zu etablieren. Als Alternative
stehen dezentrale Energieanlagen zur
Verfügung, die bei einer direkten Kopplung
mit dem Stromsektor die Komplexität weiter
erhöhen können, beispielsweise bei Wärmepumpen
oder Blockheizkraftwerken. Bei
der zukünftigen Ausgestaltung des Anlagenparks
für ländliche Energiezellen wird ein
besonderes Augenmerk auf festbiomassebasierte
Hybridsysteme (FBHS) gelegt.
Festbiomassebasierte Hybridsysteme
FBHS sind eine Kombination aus mehreren
erneuerbaren Energieerzeugern mit einem
biogenen Energieerzeuger, wie exemplarisch
Abbildung 3: Biomassebasiertes Hybridsystem
in Abbildung 3 dargestellt ist. Dabei wird
die dezentrale Nutzung von Biomasse in diesen
Systemen von verschiedenen Faktoren
wie Netzstabilität und wirtschaftlichen Indikatoren
beeinflusst. Biomassekessel, Blockheizkraftwerke
(BHKW) oder Kamine werden
deshalb nur dann eingesetzt, wenn die
Leistung der Hauptwärmequelle, beispielsweise
eine Wärmepumpe, nicht aus reicht
oder die Nutzung mit erheblichen wirtschaftlichen
Nachteilen verbunden ist. Diese
Nachteile können exemplarisch auftreten,
wenn hohe Strompreise den Einsatz einer
Wärmepumpe unwirtschaftlich machen.
Die Biomasseanlage wird nach dem Prinzip
betrieben, dass nur so viel Wärme erzeugt
wird, wie tatsächlich benötigt wird oder gespeichert
werden kann. Dieser Steuerungsmechanismus
ermöglicht eine bedarfsorientierte
Strom- und Wärmeerzeugung und
kann Schwankungen in der Strom- und Wärmeerzeugung
durch Wind- und Sonnenenergie
zum Teil ausgleichen. Das trägt dazu bei,
den Autarkiegrad der Zellen zu erhöhen und
lokale Spitzenbedarfe zu glätten [5].
Es ist wichtig zu betonen, dass Biomasse
nur dann eingesetzt wird, wenn es keine andere
ökologische und wirtschaftliche Alternative
gibt, beispielsweise für Prozesswärme
oder die Wärmeversorgung in ländlichen
Gebieten. Das gewährleistet eine effiziente
Nutzung des begrenzten Potenzials der Biomasse
[5–8].
Der kostenoptimale Anlagenpark
ländlicher Quartiere
Um den zellularen Ansatz mit einer kosteneffizienten
Gestaltung eines Anlagenparks in
einem ländlichen Quartier zu vereinen, wird
auf die Methode der Energiesystemmodellierung
zurückgegriffen. Im ersten Schritt
wird der optimale Anlagenpark des ländlichen
Quartiers berechnet. Dabei wird das
Gebiet durch eine Zellenstruktur abgedeckt,
bestehend aus mehreren Level-0-Zellen innerhalb
einer Level-1-Zelle, um den zellularen
Ansatz zu berücksichtigen. Interaktionen
über diese Grenzen hinweg werden als
Stromimport oder -export mit einem Verteilungsnetz
zu dynamischen Preisen betrachtet.
Die Optimierung erfolgt nach dem Prinzip
des Bluefield-Ansatzes, der die Struktur
des Ortes (Straßen, Häuser und Energiebedarfe)
im Gegensatz zu vorhandenen Energieanlagen
berücksichtigt.
Zur Ermittlung der kosteneffizienten Anlagenkonfiguration
wird dem Optimierer eine
Auswahl an Energieanlagen mit den entsprechenden
wirtschaftlichen und technischen
Parametern vorgegeben. Auf Grundlage dieser
Vorgaben entscheidet der Optimierer,
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