Fallstudien, Datenerfassung und Sammlung und Simulationen
Ein erster Beispielfall wurde in einem Dorf im Nordwesten von Schleswig-Holstein gefunden. Es besaβ Windenergie, eine Biogasanlage und Solaranlagen auf Privathäusern. Dieses Dorf strebt nach Autarkie von der externen Energieversorgung und machte es daher zu einem geeigneten Beispiel für unsere Studien. Die Partner installierten Ausrüstung zur Datenerfassung an zehn verschiedenen Stellen, die es ermöglichte im Sekundentakt Daten zu erfassen. Die Daten wurden analysiert und gingen in die Simulationen ein.
Ein weiterer Standort wurde mit dem GreenTEC Campus gefunden, wo wir eine intelligente Ladestation installierten, welche die DIEM Technologie auf das Laden von E-Mobilen anwendet. Zusätzlich analysierten wir die Nutzung einer Flotte von E-Mobilen einer Firma im Kreis-Ostholstein.
Auf dänischer Seite analysierten wir den Verbrauch von Ærø, einer kleinen Insel in der dänischen Südsee. Ærø erzeugt mehr Energie als es selbst verbraucht. Nichtsdestotrotz ist Ærø gezwungen Energie zu exportieren, da die Verbrauchsmuster der Einwohner nicht deckungsgleich mit der Energieerzeugung der Windkraftanlagen sind.
Schlieβlich haben wir noch einen Demostandort an der SDU in Sønderburg mit intelligenten Ladestationen für E-Fahrzeuge eingerichtet.
Datenerfassung
Wir erhielten Daten aus verschiedenen Quellen. In Bordelum und am GreenTEC Campus sammelten wir Daten über Wärme und Elektrizitätsverbrauch privater Haushalte, von photovoltaischen Systemen, landwirtschaftlichen Betrieben und von Ladestationen für E-Fahrzeuge über verschiedene Smart Meter. Die Daten wurden über das Datenverarbeitungssystem cbb Libra-Smart Metering verarbeitet. Wir entwickelten eine sichere Verbindung für die Datenerfassung und den Transfer zum Partner cbb und dem Datenerfassungsserver. Die gesammelten Daten konnten sichtbar gemacht und analysiert werden mit Hilfe des online Management Portals ‚enwiso‘ von cbb.
An anderen Orten, wie Beispielsweise auf Ærø, verwendeten wir Daten, die uns zur Verfügung gestellt wurden. Diese wurden durch vorhandene offizielle statistische Daten ergänzt, wo es notwendig war. Die Originalarbeiten zitieren alle verwendeten Quellen (unter dem Link Publikations).
OpenVPN Gateway für eine sichere Smart Meter Verbindung
Das Bild oben verdeutlicht unser Konzept für die Sammlung der Daten von allen Metern. Ein integrierter Single Board Computer basierend auf ARM diente als Hardware Plattform. Das verwendete Operationssystem war ein Debian Linux System, da es sich schon als kompatibel mit der Zielplattform der middelware opcsa von cbb erwiesen hatte. Wir installierten und konfigurierten einen OpenVPN client als sichere Kommunikation mit dem cbb Datenserver. Die Gates wurden individuell konfiguriert und vor Ort in Betrieb genommen.
Visualisierung und Analyse der Daten
Simulationen
Autarkie erreichen durch Integration und intelligente Steuerung von Speichern
Ländliche Räume besitzen ein hohes Potential für die Nutzung von erneuerbaren Energien. Speichertechnologien können den Grad an Autarkie, der erreicht werden kann, erhöhen. Daher entwickelten wir ein Simulationswerkzeug, das den Grad der Autarkie in Mikronetzen untersuchen kann. In diesem Simulationsmodell können der Elektrizitäts- oder der Wärmesektor oder beide betrachtet werden. Die Daten wurden für Bordelum (Nordfriesland, Deutschland) und die Insel Ærø in Dänemark gesammelt und analysiert. Einige Daten mussten durch offizielle statistische Datensätze ergänzt werden. Die Fallstudien zeigen, dass der Autarkiegrad vergröβert werden kann.
Elektrische Autarkie von Bordelum (vgl. Poster von Malte Myrau in den Publikationen)
In einigen Gemeinden möchten die Einwohner unabhängig von ihrem Energieversorger werden. Wir haben simuliert bis zu welchem Grad und unter welchen Bedingungen diese Autarkie über den Zeitraum eines Jahres erreicht werden kann. In die Simulation gingen die elektrischen Verbräuche, PV Erzeugung, eine Windkraftanlage und eine Biogasanlage ein. Die Verbräuche wurden simuliert mit Hilfe eines Verbrauchssimulators der TU Chemnitz. In sieben verschiedenen Szenarien wurde der Effekt von individuellen Speichern oder einer zentral im Dorf zu etablierenden Redox-Flow Batterie untersucht und die Kapazität der Speicher variiert. Zusätzlich wurde die resultierende Last auf das Netz evaluiert, denn eine wachsende Spitzenlast könnte zu teuren Netzausbauten führen.
Fälle für die Simulationen
I | Exstierende PV Anlagen auf Gebäuden werden ergänzt mit einem Batteriespeicher: 8-10 kWh. |
II-a | Gebäude, die noch kein PV haben, werden mit 9,7 kWp PV und 4,9 kWh Batteriespeicher ausgestattet. |
II-b | Wie II-a, aber mit 9,7 kWh Batteriespeicher. |
III | Redox Flow Batterie für ein lokales Verteilsystem 2200kWh. |
IV | Windkraftanlage für das lokale Verteilsystem. |
V | Kleine Redox Flow Batterie (560 kWh) kombiniert mit Windenergie. |
VI | Verwendung der existierenden Biogasanlage für die Versorgung mit Strom (875 kWel). |
Das folgende Diagramm zeigt, dass vollständige Autarkie nur mit der Biogasanlage als Elektrizitätsversorger möglich ist. Allerdings ist es in anderen Fällen durchaus machbar, nah an Autarkie zu kommen. Beachten wir weiterhin, dass die Spitzenlast für das externe Netz minimiert werden sollte, dann ist Fall III das einzige Szenario, das die Spitzenbelastung verringert (grüne Farbe) und somit systemdienlich ist.
Elektrische und Wärme Autarky von Bordelum
In einem zweiten Schritt betrachteten wir den elektischen und den Wärmsektor. Die Wärmeversorgung wurde im Modell mit Wärmepunpen, Heizstäben und Wärmespeichern simuliert und mit dem aktuellen Zustand verglichen.
Wir stellten fest, dass ein sehr hoher Grad an Autarkie von 99 % ohne CO2 Emissionen im elektrischen und thermischen Sektor möglich sind. Dies erfordert Sektorenkopplung von Wärme und Elektrizität sowie Wärmespeicher und Elektrizität aus erneuerbaren Quellen. Wie auch im Fall davor ist ein zentraler Wärmespeicher vielen verteilten Wärmespeichern vorzuziehen. Ein Haus soll über eine Wärmepunpe verfügen und zusätzlich sollte wie in Fall III ein zentraler elektrischer Speicher existieren.
Alle Simulationen betrachten nur das Dorf Bordelum und nicht den Einfluss, den das externe Versorgungsnetz hat. Dieser Effekt wird von der EUF analysiert und ist im Unterpunkt 'Lokales optimiertes Energiemanagement' erläutert.
Ökonomische Aspekte wurden in dieser Studie nicht betrachtet.
Ærø’s Grad an Autarkie, Simulation
In dieser Studie analysierten wir den momentanen Zustand der elektrischen und thermischen Energieversorgung an allen Orten mit Fernwärmenetz auf Ærø. Danach wurde der Einfluss der elektrischen Fähre und einer Redox Flow Batterie auf die Autarkie der Insel evaluiert. Wie auch im Falle Bordelum, so ist es von Vorteil für den Grad an Autarkie, einen zentralen Speicher,einzurichten. Dabei ist es wichtig die Gröβe vorsichtig zu dimensionieren, da der Grad an Autarkie im Bereich von 0 - 500 kWh um etwa 0.48% steigt, aber im Bereich von 4500 kWh -5000 kWh lediglich um 0.24%.
| Parameter | Inklusive Fähre | Ohne Fähre | Unterschied |
|---|---|---|---|
| Autarkie (%) | 66,21 | 67,15 | -0,94 |
| Eigenverbrauch (%) | 52,96 | 50,98 | 1,98 |
Schlussfolgerungen
Im Falle Bordelum finden wir, dass eine Redox Flow Batterie innerhalb des Verteilsystems zu einem hohen Grad an Autarkie (83%) führt und zusätzlich die Spitzenbelastung des Netzes senkt (-16%). In allen Fällen ist es ratsam eine zentrale Speichereinheit zu nutzen im Vergleich zu Speichern bei einzelnen Prosumern. In den untersuchten Fällen war der Eigenverbrauch der erzeugten Energie nicht sehr hoch. Sowohl Bordelum als auch Ærø produzieren mehr Strom als sie selbst verbrauchen.
