Um die Energiewende erfolgreich umzusetzen müssen der Energie- und der Industriesektor zusammen arbeiten. Nur so lässt sich das schwankende Stromangebot der Erneuerbaren Energien ausgleichen.

Um die Energiewende erfolgreich umzusetzen müssen der Energie- und der Industriesektor zusammen arbeiten. Nur so lässt sich das schwankende Stromangebot der Erneuerbaren Energien ausgleichen.HMS

Der Durchbruch der Erneuerbaren Energien im Strommix und das Gewicht der Industrie im gesamten Stromverbrauch zeigen, dass für das erfolgreiche Erreichen der Ziele der Energiewende die Zusammenarbeit der Energie- und Fertigungsnetze unerlässlich ist. Denn laut der Internationalen Energieagentur (IEA) verbraucht die Industrie weltweit 42,3 % des Stroms. Dementsprechend groß ist ihr Einfluss auf Aus- und Überlastung der Stromnetze. In einem elektrischen Energieversorgungssystem müssen Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie stets im Gleichgewicht gehalten werden, da sich Energie nur geringfügig im Stromnetz speichern lässt. Lastmanagement passt die Nachfrage an die aktuelle Erzeugungskapazität an.

Für den Ausgleich von Leistungsungleichgewichten sind die Übertragungsnetzbetreiber in ihren jeweiligen Regelzonen verantwortlich. Abweichungen zwischen Erzeugung und Entnahme muss der Einsatz von Regelenergie ausgleichen, damit die Systemstabilität nicht gefährdet wird. Mit Regelenergie oder Regelleistung bezeichnet man die Energie, die ein Netzbetreiber benötigt, um unvorhergesehene Leistungsschwankungen in seinem Stromnetz auszugleichen.

Das Gleichgewicht erhalten: Energie sparen oder verbrauchen

Es wird zwischen positiver und negativer Regelenergie unterschieden. Wenn die Erzeugung den aktuellen Energiebedarf nicht abdecken kann, ist positive Regelenergie erforderlich. Der Übertragungsnetzbetreiber schickt Signale an Demand-Response-Aggregatoren. Also an Firmen, die mehrere industrielle Lasten in einem virtuellen Pool oder Cluster vernetzen, damit sie die Last ihrer Kunden vom Netz nehmen. Dies geschieht entweder automatisch, wenn die Endanwender damit einverstanden sind, oder die Endanwender werden darüber informiert und entscheiden selbst. So wird das Gleichgewicht im System wiederhergestellt. Übersteigt die ins Netz eingespeiste Energie die zum selben Zeitpunkt entnommene Energie, liegt ein Leistungsüberschuss vor. In diesem Fall benötigt der Netzbetreiber negative Regelenergie durch Stromabnehmer, die kurzfristig dem Netz Strom entziehen.

EU-Richtlinie noch nicht überall umgesetzt

Lastmanagementanwendungen finden in Ländern Europas statt, die die EU-Richtlinie 2012/27/EU zur Energieeffizienz im nationalen Recht bereits umgesetzt haben. Gemäß des Jahresberichts 2014 von SEDC, einer Lobby-Gruppe für den Einsatz von Lastmanagementanwendungen, ist dies heutzutage barrierefrei nur in Belgien, Frankreich, Finland, Großbritanien, Irland und in der Schweiz möglich. Andere Länder Europas, darunter auch Deutschland, werden nach und nach folgen.

In Deutschland gilt zurzeit die Verordnung zu abschaltbaren Lasten (AbLastV). Sie gilt seit Dezember 2012 und soll die Nutzung von abschaltbaren Lasten in der Industrie fördern, um die Übertragungsnetze und somit die Versorgungssicherheit zu stabilisieren. Unter abschaltbaren Lasten versteht man stromintensive Industrieprozesse, die kurzfristig deaktiviert oder gedrosselt werden können, wenn die Netzfrequenz dies erfordert. Die abschaltbaren Lasten finden sich insbesondere in der verarbeitenden Industrie, zum Beispiel in Papierfabriken, Kläranlagen, Zement- oder Stahlwerken. Die Industrieanlagen, die den Stromnetzbetreibern diese Flexibilität und Anpassungsfähigkeit anbieten, profitieren von den im AbLastV definierten Prämien in Höhe von 19.000 Euro im Jahr pro Megawatt für bereitgestellte Abschaltleistung und bis zu 400 Euro pro Megawattstunde für die tatsächlich ersparte Energie.

Die Gateways ermöglichen das Fernwirken und Fernwarten elektrischer Systeme  sowie das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld.

Die Gateways ermöglichen das Fernwirken und Fernwarten elektrischer Systeme sowie das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld.HMS

IEC-Protokolle für die Kommunikation im Stromnetz, Feldbusse in der Fabrik

Selbst auch wenn in der Industrie theoretisch genug Potenzial zum Stromsparen oder Stromverbrauchen zur Verfügung steht, steht der Umsetzung oft ganz praktisch ein Problem im Weg: Energiebranche und Industrie kommunizieren auf unterschiedliche Art und Weise. Die Kommunikation im Stromnetz findet in der Regel mit dem Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 oder mit dem objektorientierten IEC 61850 statt. Diese Protokolle regeln die Kommunikation zwischen den Demand-Response-Gateways in der Fabrik und der Leitwarte. In den Fabriken läuft die Kommunikation aber weiterhin über Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netzwerke. Damit das Smart Grid mit der Fabrik reden kann, hat HMS die Labline-SG-Gateway-Familie entwickelt. Diese Fernwirk-Gateways ermöglichen das Fernwirken und Fernwarten elektrischer Systeme sowie das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld. Mit der Leitwarte kommunizieren die Gateways entweder über das Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 oder mit dem IEC-61850-Standard. Für die Kommunikation mit der lokalen Steuerung in der Fabrik bietet das Gateway eine Profinet-Schnittstelle mit dem Profienergy-Profil an. Mit der Anybus-Technologie kann diese Profinet-Schnittstelle durch jede beliebige Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Technologie getauscht werden, zum Beispiel Profibus, Ethercat oder Ethernet/IP.

Jetzt kommen die Signale zwar bis in der SPS an. Jedoch ist es nicht so einfach eine Anlage herunterzufahren. Damit dies geregelt passiert hat die Aida, die Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilhersteller Audi, BMW, Daimler und VW, das Profienergy-Profil für Profinet definiert. Die Integration der Energiemanagement-Funktionen in die SPS und das Übertragen der Steuerkommandos über das Profinet-Netzwerk ermöglicht es, die energiefressende Leistungselektronik der einzelnen Automatisierungsgeräte koordiniert und automatisiert ein- und auszuschalten. Die Fähigkeit von Profienergy, den Energieverbrauch einer Maschine an die Steuerung zu übertragen, ermöglicht das Implementieren einer lastabhängigen Regelung der gesamten Anlage, um Vertragsstrafen wegen Lastspitzen zu vermeiden.

Die aktuelle Version von Profienergy ermöglicht eine statische Regelung der Last anhand eines festen Soll-Wertes, der die aktuelle Situation des Stromnetzes aber nicht berücksichtigt. Wünschenswert stattdessen wäre eine dynamische Anpassung des Soll-Wertes anhand der aktuellen Lage im Stromnetz. Mit moderner Lastmanagementtechnike sind die Übertragungsnetzbetreiber in der Lage, die Signale für das Drosseln des Stromverbrauchs in der Fabrik zu verschicken. Diese Signale kommen heutzutage bis zum Demand-Response-Gateway, es gibt jedoch keinen standardisierten Weg bis zur Steuerung.

SPS IPC Drives 2015Halle 2, Halle 438