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Auch in diesem Jahr bietet das House of Energy als Alternative zum traditionellen House of Energy Kongress eine Reihe von Online-Foren in der zweiten Jahreshälfte an.

Um die Energiewende ganzheitlich zu betrachten, rücken neben wirtschaftlichen und technische Themen in diesem Jahr vor allem Aspekte der Nachhaltigkeit und Verantwortung in den Fokus.

Programm am 24. November 2021

Begrüßung und Einführung | Anja Schaldach, House of Energy

Moderation | Prof. Dr. Ingo Jeromin, Hochschule Darmstadt

 4 Impulsvorträge

• Smart Grid Lab Hessen | Sophia Pfeffer, Ingenieurbüro Pfeffer
• Betriebsszenarien eines Smart Grid | Dr. Ralf Bucher, Tractebel
• Komponenten eines Smart Grid | Andreas Kühn, Jean Müller
• Sicherheit smarter Systeme | Ulfilas J. Schröder, QGroup

Fragerunde mit den Teilnehmern

Verabschiedung | House of Energy

Anmeldungen sind bis zum 23. November möglich.

Die Teilnahme ist kostenlos.

Sowohl im vierten als auch um fünften Online-Forum der diesjährigen Kongressreihe wurde das Thema Sektorenkopplung behandelt.

Am 24. November 2021 wurde im ersten Teil das Projekt Smart Grid Lab Hessen vorgestellt, welches im Dezember 2020 vom House of Energy initiiert wurde. Es wird über das Land Hessen aus den Mitteln des europäischen EFRE Fonds (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) gefördert.

Anja Schaldach vom House of Energy und Prof. Dr. Ingo Jeromin von der Hochschule Darmstadt (Konsortialführer des Projektes) begrüßten die rund 40 Teilnehmenden. Prof. Jeromin führte in das Thema ein und erläuterte, dass die für eine erfolgreiche Energiewende essenziellen regenerativen Energien meist aus vielen kleineren Erzeugungsanlagen stammen, die zu einem System zusammenzubringen und entsprechend zu steuern sind. Ohne genügend Intelligenz in den Energieversorgungsystem und Stromnetzen, insbesondere auch in der Niederspannungsebene, könnten die Ziele der Energiewende nicht erreicht werden. Das Smart Grid Lab Hessen solle dieses im realen Umfeld simulieren.

Smart Grid Lab Hessen

Sophia Pfeffer vom Ingenieurbüro Pfeffer stellte zunächst den Aufbau des Forschungsprojektes vor. Der Fokus läge auf dem Niederspannungsnetz und solchen Komponenten, die einen Einfluss auf die Lastkurven haben: PV-Anlagen, Ladesäulen für E-Mobilität, Elektrische Wärmepumpen und Batteriespeicher. Dabei stünden sechs Aspekte im Mittelpunkt:

• Sicherheitskonzepte zur Datenkommunikation
• Entwicklung von Algorithmen
• Test von Komponenten
• Monitoring von Daten
• Datenübertragung
• Resilienzanalyse

Der Fokus läge dabei auf der Betrachtung des hessischen Verteilnetzes, die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf deutsche und auch auf internationale Verteilnetze werden im Projekt aber ebenfalls behandelt.

Grundsätzlich gäbe es zwei Kernfragen:

1. Wie wird sich das Niederspannungsnetz verändern?
2. Welche Probleme werden sich ergeben und wie kann man diesen entgegenwirken?

Um diese Fragen zu beantworten und echte Lastkurven zu untersuchen, wurde ein Reallabor im Ingenieurbüro Pfeffer in Rödermark mit realen Komponenten hessischer Verteilnetze (PV-Anlage, Ladesäule, Elektrische Wärmepumpe, Batteriespeicher, intelligente Ortsnetzstation) installiert. Zentraler Bestandteil des Labors werden 8 Wechselrichterpaare sein, die Quellen und Senken im Netz nachbilden werden. Die verschiedenen Netzabschnitte können dabei so geschaltet werden, dass unterschiedliche Netztopologien abgebildet werden. (ländlich, dörflich, vorstädtisch und städtisch)

In den Komponenten der Sekundärtechnik (Messtechnik, Leitwarte, Fernwirktechnik, Cloud) wird darüber hinaus die Sicherheit der Kommunikationswege untersucht.

Betriebsszenarien eines Smart Grid

Dr. Ralf Bucher von Tractebel Engineering zeigte zu Beginn seines Vortrags verschiedene ausgeführte Referenzprojekte in den Bereichen Smart Grid, Li-Ion Batteriespeicher und erläuterte eine Studie zu einer leistungsstarken Seekabelverbindung zwischen Deutschland und UK.

Zur Verdeutlichung der komplexen und dynamischen Anforderung an Netze mit hoher Wind- und Solar-Einspeisung stellte Dr. Bucher die hohe Schwankungsbreite der Erzeugung durch Erneuerbare Energien in Deutschland und der Landes-Verbrauchsleistung anhand von realen GW-Wirkleistungsdaten im Sommer und Winter 2020 dar.

Die Definition und Testung von Smart Grid Betriebsszenarien sei notwendig, um die Versorgung im realen Alltag dauerhaft und effizient sicherstellen zu können. Für das Projekt Smart Grid LAB Hessen wurden auf Grundlage von wetterabhängigen (PV, Wind) und technischen (Speicher, E-Mobilität, Rückspeisung, Stromverbrauch) Parametern 11 Szenarien erstellt. Herr Dr. Bucher stellte in seinem Vortrag zwei besonders kritische Szenarien heraus, die ein Netz beherrschen können muss und für die für das Projekt Netzanalysen mit der Simulationssoftware PowerFactoy berechnet wurden:

1. Hohe PV-/Windleistung, Speicherkapazität nicht vorhanden, Verbrauchslast gering

• Ergebnis sei ein Spannungsanstieg im Netz über den gesamten Strangverlauf

2. Geringe PV-/Windleistung, Speicherkapazität verfügbar, Verbrauchslast hoch

• Ergebnis sei eine Spannungsbandverletzung (Spannungsfall bis zu 7%) vor allem in den Abendstunden während E-Auto-Ladevorgängen

Ziel sei es unter Einsatz von steuerbaren Hardwarekomponenten und Batteriespeichern, Lösungsansätze zu erarbeiten, um Spannungsqualität in jedem Betriebszustand sicherzustellen. Darüber hinaus sollen Netzausbau- und Betriebsstrategien entwickelt werden, um die Netzkapazitäten effizienter zu nutzen. Man wolle außerdem einen technischen Leitfaden zur Steuerung und Planung von intelligenten Netzen entwickeln.

Die im Smart Grid Lab Hessen gewonnenen Erkenntnisse dienen mittelfristig auch der Realisierung der notwendigen globalen Energiewende.

Komponenten eines Smart Grid

Im Projekt Smart Grid Lab Hessen beschäftigt sich die Firma Jean Müller damit, wie man von der manuellen Schaltung zur automatischen Schaltung kommen kann und welche Komponenten man dafür verwenden kann, sodass das Niederspannungsnetz selbstständig reagiert. Andreas Kühn stellt in seinem Vortrag die einzelnen Komponenten von der Trafostation bis hin zum Hausanschlusskasten vor.

Dafür beschreibt er zunächst die einzelnen Technologien zu Messung und dann deren Zusammenspiel. Grundsätzlich würde man bei der Messtechnik zwischen Sensorik und Erfassung unterscheiden.
Zur Sensorik zählen Stromwandler, Rogowskispulen, die insbesondere für die Nachrüstung vorteilhaft sind, und Spannungsabgriffe, die direkt am Stromleiter angebracht werden könnten, um dort den Strom oder die Spannung zu messen.
Die Technologien zur Erfassung seien beispielsweise Erfassungsmodule zur Sensorsignale und Datensammler sowie Datenauswerter. Genau wie in den Schaltgeräten, befänden sich auch in den Messgeräten Erfassungsmodule. Darüber hinaus wurde in den Messgeräten von JEAN MÜLLER auch eine Speicherkarte verbaut, sodass man aus den Daten Schlüsse für das Netz ziehen kann, auch wenn vor Ort noch keine Datenverbindung sei.

Das Zusammenspiel der einzelnen Technologien startet bei einer Schaltleiste mit integrierter Messtechnik, welche zu einem Erfassungsgerät mit Verbindungen zu Rogowskispulen geht. Dieses wandelt die analogen Daten in digitale um. Parallel dazu werden auch die Daten der Stromwandler und weiterer analogen Messwerte in den Datenerfassungsmodulen zusammengefasst und in Mastersystemen (ModBus RTU) verarbeitet. Von dort können Daten aus der Cloud oder einem übergeordneten System abgerufen und weiterverarbeitet werden.  Über eine Software können dann Daten herstellerunabhängig visualisiert werden.

Die im Schaltgerät integrierte Elektronik würde es ermöglichen, Anlagen schnell aufzubauen und Fehlermöglichkeiten auszuschließen, da man die Daten über das Bus-System übermitteln kann und die Verteilung geordnet und ohne unnötige Verkabelung aufgebaut werden würde.

Sicherheit smarter Systeme

Sichere Sekundärtechnik und deren Leistungsfähigkeit für ihre Software sei für das Management fortwährender Bedrohungen wichtig. Risiken seien zu beseitigen, bzw. durch ausreichende Segregation nach Risikoaspekten zu deckeln. Ulfilas J. Schröder von der QGroup ist für das Projekt Smart Grid Lab Hessen bei dem Verbundpartner verantwortlich. Zeitgleich erarbeitet er im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes KRITEX gemeinsam mit den Projektpartnern die Sicherheits- und rechtliche Anforderungen in einer im Gegensatz zum Lab historisch gewachsenen Infrastruktur. Es seien die folgenden Ziele nach BSI besonders wichtig:

• Verfügbarkeit des Systems muss aus Sicherheitssicht gewährleistet werden
• Gewährleistung der Integrität, um Fehlerhafte Informationen zu vermeiden
• Vertraulichkeit der informationstechnischen Systeme
• Authentizität, damit das System identifizieren kann, von welcher Komponente die Information kommt
• Der Netzwerkverkehr muss überwacht werden

Durch eine vorherrschende marktgetriebene Transformation würde Herstellern, Versorgern, Kunden und Netzbetreibern in verschiedenen Bereichen (u.a. hinsichtlich Ortsnetzstationen, Smart Home) heute noch eine Regulierung fehlen, welche den dezentralen Kontroll- und Steuerbedarf abdeckt. Zukünftig würden bei Vorliegen einer Regulierung Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit in der Vernetzung zu erfüllen sein, die Hersteller, Netzbetreiber und Energie-Versorgungsunternehmen derzeit noch schwer abschätzen können.

Die Hersteller müssten die Sicherheit ihrer neuen Produkte anpassen, seien aber (auch vor dem Hintergrund von Lieferschwierigkeiten von elektronischen Bauteilen) unsicher, welche Leistungsfähigkeit ihren Produkten beizugeben ist, um die zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Mehr Sicherheit in den digital vernetzten Geräten anzulegen, könne bei Unterdimensionierung des Geräts im ungünstigsten Fall einen aufwändigen Austausch des Geräts erfordern, wenn diese die für Updates erforderliche Leistung nicht vorhalten. Weiter hätten aber die Versorger Ausfälle zu verhindern. Sie können nicht auf Regulierung warten, sondern müssen nachrüsten, sodass sie gefahrlaufen, die Komponenten wieder austauschen zu müssen, wenn diese zukünftige Regularien nicht erfüllen können.
Auf der anderen Seite würden die Konsumenten aber bereits neue Technologien nutzen. Folglich würde der Regulator von der Realität überholt werden und Hersteller, Netzbetreiber und Versorger müssten sich an die geänderte Risikolage anpassen.

Die QGroup untersuche daher im Projekt Smart Grid LAB Hessen ebenso wie im Kritex-Projekt die Ausprägung der digitalen Sicherheit und Resilienz der Komponenten (Smart Grid Lab: Komponenten des LAB; Kritex: Komponenten der historisch gewachsenen Infrastruktur, Netze Gas, Wasser, Energie einer EVU) in einer sich dramatisch schnell ändernden Risikolandschaft, sowie unter dem Aspekt der zukünftig besonders relevanten Resilienz, Segregations- und Interaktionsfähigkeit über Sicherheitsgrenzen (Skalierende Multilevel IT).

Im Anschluss der vier Impulse war es den Teilnehmer möglich, Fragen an die Referenten zu stellen und Anregungen beziehungsweise Ausführungen zu diskutieren. Diese Gelegenheit wurde rege genutzt.

Wenn Sie als Leser auch Fragen oder eine Rückmeldung zu den Online – Foren haben, kontaktieren Sie uns gerne. Wir freuen uns immer darauf, unser Netzwerk zu vergrößern.