Forschungsprojekt ENavi

Mit der Energiewende hat sich Deutschland zum Ziel gesetzt, das gegenwärtige Energiesystem in ein weitgehend CO₂-freies und auf erneuerbaren Energien basierendes System zu transformieren. Ein wirtschaftliches, umweltverträgliches, verlässliches und sozialverträgliches Energiesystem benötigt eine ganzheitliche Betrachtung auf Systemebene. Das Kopernikus-Projekt Systemintegration ENavi sieht die Energiewende daher als einen gesamtgesellschaftlichen Transformationsprozess und verknüpft wissenschaftliche Analysen mit politisch-gesellschaftlichen Anforderungen.

Was sind die Ziele des Kopernikus-Projekts ENavi?

Das Projekt ENavi zielt darauf ab:

• ein tieferes Verständnis des komplex vernetzten Energiesystems im Energiebereich und den damit verbundenen Bereichen wie Industrie und Konsum zu gewinnen
• Handlungsoptionen aufzuzeigen, wie die Komponenten des zukünftigen Energiesystems unter Berücksichtigung der energiepolitischen Ziele und (u. a. rechtlichen Rahmen-) und Randbedingungen systemisch integriert werden können
• so präzise wie möglich abzuschätzen, welche Folgen eine bestimmte Maßnahme kurz-, mittel- und langfristig auf das Energiesystem haben würde
• Optionen für wirksame Maßnahmen im transdisziplinären Diskurs zu generieren

Eines der zentralen Produkte des Projekts ist ein Navigationsinstrument, mit dem die Forscher die Wirkungen und Nebenwirkungen von wirtschaftlichen oder politischen Maßnahmen im Voraus abschätzen wollen. Es soll dabei helfen, die entscheidenden Fragen zu beantworten: Wie kann man dafür sorgen, dass die Energiewende die einkommensschwachen Gruppen in Deutschland nicht zu stark belastet? Mit welchen Maßnahmen kann man effektiv und effizient die Elektromobilität in Deutschland fördern? Oder: Wie können mehrere zehntausend Lieferanten von Solarstrom auf privaten Dächern sinnvoll synchronisiert werden?

Die Analyse von Maßnahmen über verschiedene Modellregionen hinweg unterstützt zusätzlich das bessere Verständnis der Erfolgsfaktoren für den Umbau des Energiesystems.

Beitrag zum Energiesystem

Das Projekt soll dazu beitragen, die Energiewende nachhaltig und mit größtmöglicher Akzeptanz voran zu treiben. Die potentiellen Erkenntnisse zu nachhaltigen Transformationspfaden sind von großem strategischem Interesse für die Abschätzung des Marktpotentials verschiedener Technologien. Im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung werden Stand und Perspektiven vor allem des Netzausbaus, der Speicherkapazitäten, der Nachfrageseite und der Erzeugung (zentral und dezentral) sowie die Wechselwirkungen dieser Dimensionen in den Blick genommen. Darüber hinaus liefert das Projekt auch konkrete, technische Konzepte, wie z. B. im Bereich der energiebezogenen Kommunikationsinfrastruktur (IKT), sowie rechtliche Analysen. Die Chancen der Energiewende betreffen sowohl technische Systemlösungen als auch die Entwicklung möglicher neuer Geschäftsmodelle und Dienstleistungen.

Eine Gestaltungsaufgabe des Kopernikus-Projektes ENavi liegt darin, die Expertise aus den unterschiedlichen Bereichen Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zu bündeln. Mit dem Start des Projektes wird auch ein Prozess verbunden, der konkrete Fragestellungen der unterschiedlichen Akteure sammelt und mit den Forschungsarbeiten verknüpft. Dabei spielen die Ergebnisse und Ziele anderer Kopernikus-Themenfelder eine besondere Rolle. Hierbei werden Elemente aus anderen Projektideen integriert.

Informations- und Kommunikationstechnik (IKT)

Das Fraunhofer IEE leitet das Arbeitspaket 9 „Digitalisierung und IKT“. Prozesse für die Digitalisierung der Energiewirtschaft und neue IKT-Technologien sehen vor, die neue Flexibilität hochautomatisiert in einen optimalen Betrieb des Energiesystems einzubinden. Die genaue Ausgestaltung der zu Grunde liegenden Kommunikationsstruktur gilt es jedoch noch zu untersuchen. Insbesondere die Sicherheit und Stabilität des Systems gegenüber Angriffen und Ausfällen sind von fundamentaler Bedeutung.

Smart Meter Gateways sind das Schlüsselelement für die zukünftige Erfassung von Energie-Messdaten. Das Fraunhofer IEE untersucht, welche neuen Geschäftsmodelle dank dieser Daten möglich werden, und wie Energieversorger und Netzbetreiber zu den neuen Geschäftsmodellen stehen. Smart Meter Gateways sind stark reguliert, und definieren so die Grundlagen einer standardisierten Kommunikation. Sie beinhalten außerdem Regeln zu IT-Sicherheit und Datenschutz sowie Mindestanforderungen an die gespeicherten Daten. Um die tatsächlichen Eigenschaften der auf den Markt kommenden Gateways besser zu verstehen, entsteht am IEE ein Testaufbau mit einem zertifizierten Smart Meter Gateway. Die Forschenden untersuchen seine technischen Eigenschaften und vergleichen sie mit den Anforderungen an die Bereitstellung von Regelleistung.

Kommunikationsstrukturen

Kleinere Stromverbraucher oder Stromerzeuger (Prosumer) müssen nach und nach an Strommärkte mit mindestens stündlicher Lieferzeit angebunden werden. Damit lassen sich Flexibilitäten der Sektorenkopplung über Marktmechanismen ins Stromsysten integrieren. Der Stromhandel wird dadurch aufwändiger. Deshalb ist es wichtig, dass die Technik der Marktplattformen und der Prosumer hoch automatisiert abläuft. Die Universität Kassel und das Fraunhofer IEE arbeiten an einem Marktdemonstrator, bei dem Anlagen auf einem hochfrequenten Markt miteinander Strommengen handeln. Damit wollen die Forschenden besser verstehen, wie die Abläufe in solchen hochautomatisierten Energiesystemen funktionieren.

Im Demonstrator wird jeder Prosumer durch einen Softwareagenten repräsentiert, der auf Basis heterogener Hardwarekonfigurationen und individueller Verhaltenspräferenzen („subjektive Merit-Order“) an der Stromhandelsplattform agiert. Ein wichtiger Baustein ist hier die automatisierte Beobachtung und Prognose der eigenen Erzeugung, des eigenen Verbrauchs und der relevanten Märkte. Die zu einem Prosumer gehörenden Erzeugungs- und Verbrauchskomponenten werden dabei hardwarenah simuliert. Der optimierte Stromhandel der Prosumer wird auf echten OGEMA-Energiemanagementsystemen implementiert. Ebenso werden im Realbetrieb verwendbare Kommunikationsstrukturen zwischen Marktteilnehmern und -plattform entwickelt. Neben der Analyse der technischen Umsetzbarkeit sollen insbesondere auch alternative Marktdesigns realisiert, deren Wirkung simuliert und die Resultate für weitergehende Analysen zugänglich gemacht werden.

Außerdem arbeitet das Fraunhofer IEE mit im Arbeitspaket 8 „Sektorkopplung - Systeme zusammenführen”.