Sektorenkopplung: Erneuerbare Energien werden grundlastfähig

Der Umbau der Energiemärkte auf Erneuerbare Energien stellt hohe Anforderung an alle Marktteilnehmer. Eine klimaneutrale Gesellschaft und Wirtschaft brauchen für Energieerzeugung und -verteilung sowie Nachfragesteuerung und Speicherung neue Konzepte und Strategien. Diese müssen Netzstabilität und hohe Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Versorgungssicherheit garantieren. Ein Schlüssel dafür liegt in der Sektorenkopplung. Technische Lösungen dafür bietet die Verwaltungsschale und Smart Standards, die DKE zusammen mit dem DIN erarbeiten.

Was ist die Sektorenkopplung?

Durch die Kopplung der fünf Sektoren Gebäude, Mobility, Infrastruktur, Energy sowie Industrie für Strom und Wärme sowie Gas- und Wasserstoffnetze aus Erneuerbaren Energien soll ein Energieverbundsystem entstehen, das Synergiepotenziale erschließt. Die Idee ist: Über innovative IT-Technologie werden die Sektoren künftig digital, automatisiert und weitgehend autonom Energieangebot und Nachfrage „aushandeln“.

Die Strom-, Wärme- und Gas- und Wasserstoffnetze sollen mit dem elektrifizierten Mobilitätssektor sowie Infrastruktur, Gebäuden und Industrie über Energieaustauschpfade miteinander verbunden werden. Dadurch sollen sie Nachfrage- und Angebotsschwankungen untereinander automatisch ausgleichen. Dafür muss jedoch die Nutzung und Speicherung von Überschussstrommengen aus den Erneuerbaren Energien effektiver organisiert werden.

Was sind die Ziele der Sektorenkopplung?

Die Sektorenkopplung könnte die lokalen und regionalen Verteilnetze sowie die nationalen Übertragungsnetze im Zusammenspiel mit den Versorgungsnetzbetreibern stabilisieren und sie auch, bei stark schwankenden Angebots- und Nachfragesituationen, resilienter machen.

Das Prinzip dabei: An windigen Sonnentagen füllt überschüssiger Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen die Speicher. Ob thermische oder chemische Verfahren mit Speicherbatterien sowie Wasserkraftwerke: Überschüssige Energie wird für eine spätere hohe Nachfrage erhalten und erst bei Dunkelflauten wieder eingespeist.

Die Sektorenkopplung soll also stets bedarfsgerecht die Nachfrage ohne Komfortverzicht oder Abregelung von Windkraftanlagen oder bei Energiemangel gar die Abschaltung energieintensiver Industrien abdecken.

Sektorenkopplung muss Millionen Akteure erfassen

Die Herausforderung der Sektorenkopplung liegt in den IT-Systemen, über die die Sektoren untereinander digital und möglichst autonom miteinander agieren können.

Schon mit dem Beginn des Ausbaus der Erneuerbaren Energien und dem Vorrang für die Einspeisung ihres Stroms, bauten die lokalen Versorgungsnetzbetreiber eine Einspeisestruktur mit Leistungsbilanzierung für die Vergütung auf. Seit 2016 sorgt das Messstellenbetriebsgesetz für einheitliche Regeln in der Leistungsbilanzierung zwischen Einspeisern und Netzbetreibern. Im Jahr 2000 mussten sie aber nur etwa 30.000 Bio-, Solar- und Windkraftanlagen integrieren. Bis 2018 stieg deren Zahl auf über 1,6 Millionen Anlagen mit unterschiedlichen Techniken, Leistungen, Normen und Kommunikationsprotokollen.

Mit der Sektorenkopplungen kommen nun aber Millionen weitere Akteure beziehungsweise Anlagen hinzu, die gleichzeitig Abnehmer als auch Bereitsteller (Prosumer) von Energie sind.

Sektorenkopplung integriert Energiekreisläufe und Umwandlungspfade

Energieabnehmer und Prosumer werden durch die Sektorenkopplung aktiv an den Energiekreisläufen teilnehmen und auch Umwandlungspfade (Power2X) nachfrageorientiert bedienen. So könnten Millionen Autobatterien Nachfragespitzen in den Morgenstunden abdecken. Neue Speichertechnologien auf regionaler Ebene werden sehr kleinteilig an der Netzstabilität mitarbeiten. Auf diese Weise würden regionale Elektrolyseanlagen beispielsweise Wasserstoff oder unter Zusatz von CO2 Methan aus überschüssigem Strom erzeugen (Power2Gas) und in die Gasnetze einspeisen. Nah- und Fernwärmenetze könnten untereinander Schwankungen ausgleichen und bei einem Überschuss Grünstrom in Wärme umwandeln (Power2Heat). Gebäude und ihre Photovoltaikanlagen würden mit Stromspeichern eine flächendeckende Ladeinfrastruktur darstellen. Im Verbund der Sektoren stünde durch eine smarte Informationstechnologie jederzeit für jeden Akteur die geforderte Energie bereit.

Datentechnische Herausforderung der Sektorenkopplung

Diese Energieverbraucher und Energieerzeugungsanlagen, -kreisläufe sowie Umwandlungspfade müssen mit ihren bisher getrennten IT-Standards, Kommunikationsmethoden und -protokollen, Logiken und vor allem ihren Normen nun vernetzt werden. Eine schier unlösbar anmutende Aufgabe. Bisher arbeitet jeder Sektor mit seinen eigenen Datenstrukturen und -modellen. Es besteht keine gemeinsame Architektur. Jeder Sektor hat zudem seine eigenen Datenräume und ist nicht in der Lage, mit den anderen Sektoren Daten auszutauschen. Allerdings zeigen einige Entwicklungen in der Industrie, dass es heute schon möglich wäre, die Sektoren zu koppeln.

Die Plattform Industrie 4.0 entwickelt seit zehn Jahren die Grundlagen und Strukturen für das Internet der Dinge. Mittlerweile gibt es mit der Verwaltungsschale (VWS) einen technischen Rahmen für den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen technischen Systemen. Diese Arbeit an diesem „Asset Administration Shell“ (AAS) genannten Standard hat mittlerweile einen Reifegrad erreicht, um den erforderlichen Architekturrahmen für die „vernetzte Welt“ der Sektorenkopplung bereitzustellen.

Verwaltungsschale bietet Rahmen für Sektorenkopplung

Die sektorübergreifende Vernetzung von Millionen „Dingen“ und technischen Systemen benötigt gemeinsam gültige Daten- und Informationsmodelle, Semantiken und Mechanismen, die eine Interoperabilität zwischen allen Sektoren ermöglichen. Ihre Kommunikation untereinander und ihren technischen Systemen können dadurch automatisiert und autonom die Energieflüsse gemäß Angebot und Nachfrage organisieren.

Die Verwaltungsschale arbeitet mit dem in der Industrie mittlerweile etablierten Modell des „Digitalen Zwilling“, der datentechnischen Repräsentanz von physischen und virtuellen „Dingen“ oder Prozessen. Im Rahmen der Plattform entstand das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0), das ein strukturiertes Metamodel des digitalen Zwillings darstellt. Darauf aufbauend entstand die Verwaltungsschale.

Ihre Architektur basiert auf Teilmodellen, mit denen jeder Akteur sektorspezifische Information und Normen integrieren kann. In den Teilmodellen der Verwaltungsschale können feste Produktdaten, dynamische Inhalte wie Prozessdaten und Normen bereitgestellt sowie Zustandsveränderungen gespeichert werden. Die Kommunikation der Verwaltungsschale basiert ebenfalls auf etablierten Standards und mit einheitlicher Semantik. Dadurch ist sie maschinenlesbar und international anwendbar. Über die Kommunikationsprotokolle OPC UA oder REST übernimmt sie Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen zum Austausch der Daten sowie Aufgaben für die Datensicherheit.

Für die Verwaltungsschale existiert mit der IEC 63278 mittlerweile eine erste internationale Norm.

Gemeinsame Semantik und Aushandlung bei der Normenanwendung

Das Modell und die erste Normung für die Verwaltungsschale sind so offen angelegt, dass sie als Rahmen für die anderen Sektoren eine schnell einsetzbare Lösung bietet. Die Adaption für neue Teilmodelle und die Erweiterung bestehender Anwendungen ist jederzeit möglich, ohne dass bei Einhaltung der Grundkonventionen die Interoperabilität verloren geht. Jedes neue Teilmodell für die neben der Industrie vier anderen Sektoren nutzt dann die definierten Zugriffsschnittstellen und die Security Richtlinien.

Eine weitere Herausforderung der Sektorenkopplung ist, dass jeder Sektor eigene Normen definiert hat, die bisher nicht auf Interoperabilität mit den Normen anderer Sektoren ausgelegt sind. Zwar stehen die meisten Normen bereits als maschinenlesbare und ausführbare Inhalte zur Verfügung und können daher ihre Informationen in der Verwaltungsschale sektorübergreifend zur Verfügung stellen. Aber es fehlt noch ein entscheidender Kompetenzaspekt, der Normen selbst zu digitalen Akteuren macht. Denn bei der Normanwendung in der Sektorenkopplung müssen sich konkurrierende Normen darüber verständigen, was gilt. Kurzum: Sie müssen zu lernenden und kommunizierenden Normen weiterentwickelt werden.

Smart Standards: die kommunizierende und lernende Norm

An genau dieser Aufgabe arbeiten Experten von DKE mit dem DIN in der Initiative Digitale Standards (IDiS). Ihre Zielvorstellung der Smart Standards, wie die Digitale Norm auch bezeichnet wird, haben sie als „Vision“ formuliert: „Die Digitale Norm umfasst alle relevanten Informationen für eine Normungs- und Standardisierungsaufgabe und stellt diese in einer für die Anwendung passenden Weise und Umfang bereit. Sie kann sowohl von Menschen als auch von Maschinen initiiert, erstellt, aufbereitet, umgesetzt und angepasst werden.“

Smart Standards automatisieren Sektorenkopplung

Nach der Vorstellung der IDiS werden in den nächsten zwei Entwicklungsschritten aus Normen digitale Akteure. Angestrebt wird im nächsten Level, dass die Informationen einer Norm mit Ausführungs- und Anwendungsinformationen verknüpft sind, sodass diese von Maschinen direkt ausgeführt oder interpretiert und mit anderen Informationsquellen kombiniert werden, damit komplexe Handlungen und Entscheidungsprozesse automatisiert durchgeführt werden können.

Für die Sektorenkopplung würde dies bedeuten, dass beispielsweise als netzdienlich angemeldete Speicheranlagen von Verteilnetzbetreibern genutzt werden dürfen, um regionale Lastspitzen auszugleichen. Die in der Verwaltungsschale hinterlegten Daten und Normen des Speichers sowie des Netzes handeln aus, wie sie interagieren und dabei die Normen der jeweiligen Technik beachten.

Künstliche Intelligenz sorgt für Anpassung an neue Rahmenbedingungen

Im höchsten Level der Digitalen Norm sollen Inhalte einer Norm durch Maschinen selbstständig angepasst und durch automatisierte (verteilte) Entscheidungsprozesse verabschiedet werden. Die so verabschiedeten Inhalte werden automatisiert geprüft und über die Kanäle der Normungsorganisationen veröffentlicht.

In diesem höchsten Level soll eine Künstliche Intelligenz mit kognitiven Fähigkeiten dafür sorgen, dass sich Digitale Normen ständig an den aktuellen Wissenstand sowie neue technische und regulative Rahmenbedingungen weiter anpassen können. Normänderungen oder -erweiterungen sowie neue Technologien in einem Sektor könnten dann in anderen Sektoren automatisiert adaptiert und integriert werden.

Fazit: Verwaltungsschale und Smart Standards fördern Sektorenkopplung

Noch befindet sich die Sektorenkopplung am Anfang. Am weitesten sind sicherlich die Netzbetreiber, die bereits seit 2000 mit der Einführung von kleinen Photovoltaik- und Windkraftanlagen unterschiedliche technische Systeme integrieren mussten. Aber um die fünf Sektoren auf dem hier beschriebenen Niveau zu vernetzen, wird noch einige Zeit vergehen.

Die Akteure der Plattform Industrie 4.0, DKE und DIN haben aber mit der Verwaltungsschale und Smart Standards ein Angebot formuliert, dass die Sektorenkopplung nun sehr schnell voranbringen könnte. Mit diesen beiden Standards, dem Aufbau neuer Speichertechnologien und einer Wasserstoffwirtschaft könnten die Erneuerbare Energien schneller grundlastfähig werden. Die Zeit läuft: Ende 2022 schaltet Deutschland schließlich die letzten drei Atomkraftwerke ab und wird „idealerweise“ 2030 aus der Kohle aussteigen.

Herausforderung der Sektorenkopplung für die Netzstabilität

Sinkt die Netzfrequenz unter 50 Hertz, ist das Stromangebot im Netz geringer als die Nachfrage. Steigt die Stromnetzfrequenz, besteht ein Überangebot. Die Netzbetreiber reagieren darauf, in dem sie regelbare Energieerzeugungsanlagen ab- oder zuschalten. Sie kaufen oder verkaufen Strom an der Strombörse oder schalten Stromerzeuger bei einer geringeren Nachfrage ab. Dies alles passiert in wenigen Minuten.

Im Zeitalter von Atom-, Kohle- sowie Gas- und Wasserkraftwerken galt der vereinfachte Regelmechanismus: Atom- und Kohlekraftwerke decken die Grundlast, Gas- und Wasserkraftwerke sind regelbar und decken die Spitzenlast. Im Zeitalter der Erneuerbaren Energien kommen diese Regulierungsstrategien an ihr Ende.

Volatilität der Erneuerbaren Energien balancieren

In den letzten Jahren kam es vor, dass an windigen und sonnigen Tagen 100 Prozent der Nachfrage in Deutschland komplett aus Sonne- und Windkraft gedeckt wurde. Bei einem Überangebot wurden Windkraftanlagen abgeschaltet. Denn selbst an der Strombörse fand sich für Preise von nahe 0 Euro pro Megawattstunde kein Abnehmer mehr im europäischen Stromnetzverbund.

Bisher sind die Erneuerbaren Energien nicht grundlastfähig. Da Deutschland 2022 aus der Atomkraft und idealerweise bereits 2030 aus der Kohleverstromung aussteigen möchte, wird der Ausbau der Erneuerbaren forciert. Als Übergangstechnologien sollen Gaskraftwerke die Grundlast abdecken. Parallel arbeiten Forschende weltweit an neuen Technologien für die Umwandlung von Strom in chemische oder thermische Energie (Power2X). Im europäischen Stromverbund werden die Netze durch flexible Speicher gestärkt und ausgebaut, um Stromschwankungen auszubalancieren. Aber alle diese Maßnahmen werden für die Netzstabilität unter den Vorgaben der Energiewende nicht ausreichen.

Neben der Energieeffizienz sollen deshalb die fünf Hauptsektoren Gebäude, Mobility, Infrastruktur, Energy sowie Industrie miteinander gekoppelt werden. Dadurch sollen sie Energieflüsse untereinander automatisch organisieren.

Mehr zur Sektorenkopplung:

Dieser Fachbeitrag gehört zu einer Artikelserie zur Bedeutung der Sektorenkopplung für die Energiewende.

Die Artikelserie setzt sich mit der Frage auseinander, wie die hierfür erforderliche Flexibilität ins Energiesystem gebracht werden kann.

SMART Standards spielen hierbei eine zentrale Rolle und werden unter anderem die Kopplung der Sektoren Energy & Infrastructure und Gebäude & Mobilität sowie mit der Industrie ermöglichen.

Mehr Informationen erhalten Sie auf dem Innovation Campus am 28. Juni.
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