Forscher erproben automatisierte Steuerung von Photovoltaik, Wärmepumpen und Ladestationen in Verteilnetzen

Mit dem Ausbau von Photovoltaik, Elektromobilität und Wärmepumpen wächst in den Ortsnetzen das Potenzial für Lastmanagement. Werden Erzeugung und Verbrauch in Einklang gebracht, trägt dies zu einer besseren Auslastung des bestehenden Stromnetzes bei. Im Forschungsprojekt FLAIR² untersuchen LEW Verteilnetz, Stromnetz Berlin, die Hochschule München (Institut für Nachhaltige Energiesysteme ISES) und der Kommunikationstechnik-Anbieter e*Message derzeit, wie diese Potenziale mit einer autark arbeitenden Steuerung – dem FLAIR²-Modul – erschlossen werden können.

Das besondere an FLAIR²: Die Module arbeiten allein auf Basis der Netzspannung netzdienlich. Sie sind auf keine Kommunikation mit einer Netzleitstelle oder anderer Infrastruktur angewiesen. Seit Dezember 2021 läuft ein groß angelegter Feldversuch in rund 100 Haushalten in städtischen und ländlichen Gebieten. Nun liegen die Auswertungen der ersten Feldphase vor.

Datensatz definiert Einsatzmöglichkeiten des FLAIR²-Moduls

Im ersten FLAIR-Projekt 2018 haben die Experten zunächst die grundsätzliche Funktionalität des Moduls getestet sowie erste Verbrauchsdaten von fünf Haushalten gesammelt. In der Feldphase des Nachfolgeprojekts FLAIR² kommt das optimierte Steuerungsmodul nun bei etwa 100 Haushalten zum Einsatz. Die Testhaushalte verteilen sich zu etwa gleichen Teilen auf das städtisch geprägte Berliner Stromnetz sowie auf das eher ländliche LEW Verteilnetz im Südwesten Bayerns. Dabei sind nicht nur die Art und Anzahl der flexiblen Verbrauchseinrichtungen wie E-Ladesäulen oder Wärmepumpen, sondern auch die Nutzungsgewohnheiten der einzelnen Haushalte relevant.

Die Analyse, der in den letzten sechs Monaten im Feldversuch generierten Messdaten, zeigt folgende Ergebnisse:

• Große Unterschiede der aktuellen Netzsituation – selbst im gleichen Straßenzug: Die Messdaten zeigen, dass sich die Netzsituation – also das Verhältnis von Last zu Erzeugung – bereits in einem Straßenzug deutlich unterscheiden kann. Ein dezentrales Lastmanagement wie FLAIR² kann darauf situationsgerecht, diskriminierungsfrei und ohne Kommunikationsaufwand netzdienlich Einfluss nehmen und dabei vertraglich vereinbarten Freigabe- und Mindestladezeiten berücksichtigen.
• Haushalte effizient steuern: In den Haushalten gibt es unterschiedliche Kombinationen aus Verbrauchs- und Erzeugungsanlagen. Daraus ergeben sich individuelle Lastprofile, mit denen das FLAIR²-Modul umgehen muss. Je nach Art der Lasten beziehungsweise Erzeugungsanlagen im Haushalt und dem Nutzerverhalten variiert der Verbrauch zeitlich als auch in der Höhe stark. Das Lastprofil eines Haushalts mit Speicherheizung beispielsweise weicht deutlich von dem eines Haushalts mit Wärmepumpe und Photovoltaik-Anlage ab. Beide Haushaltstypen können mit dem FLAIR²-Modul unter Einhaltung der bestehenden vertraglichen und gesetzlichen Rahmenbedingungen netzdienlich gesteuert werden, so das Forscherteam.

Wann steuert das FLAIR²-Modul?

Aus der Menge von Lastprofilen, die der Feldversuch mit seinen fast 100 teilnehmenden Haushalten liefert, lassen sich zwei wesentliche Szenarien ableiten, in denen eine FLAIR²-Steuerung bestehende Netzkapazitäten optimal auslastet.

Verbrauch verlagern und Lastspitzen abmildern:

Es gibt Tageszeiten mit Energieüberschuss aus erneuerbaren Energien – bei Photovoltaik-Anlagen tendenziell zur Mittagszeit. Die Messdaten aus dem Feldtest zeigen den Forschern zufolge, dass Elektrofahrzeuge parallel zur Wärmepumpe häufig abends geladen werden. Laut Standardlastprofil ist dies der Zeitpunkt der abendlichen Hauptlast. Der Netzbetreiber kann die flexible Last Elektroauto nutzen, um das Laden auf Zeiten mit Energieüberschuss zu verschieben. Damit kann der regional erzeugte Strom direkt genutzt werden. Die Hauptlast am Abend kann nicht vollständig in Tagesperioden mit Energieüberschuss verlagert werden. Bei einer zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Wärmepumpen kann das abendliche ungesteuerte Laden durch die Überlagerung zu hohen Lastspitzen führen. Mithilfe der smarten Steuerung reagieren die FLAIR²-Module auf die aktiven Verbraucher und verhindern, dass lokale Netze überlasten.

Spannungssprünge minimieren:

Schalten mehrere Verbrauchseinrichtungen in einem Ortsnetz zeitgleich ab – zum Beispiel Wärmepumpen oder Speicherheizungen –, können kurzfristig deutliche Spannungsänderungen auftreten. Dies liegt an Steuerungseinrichtungen mit festen Sperrzeiten, zum Beispiel Zeitschaltuhren. Ist die Durchdringung der Haushalte mit ähnlichen fest gesteuerten Verbrauchern in einem Netzabschnitt hoch, belastet dies die lokale Netzinfrastruktur. FLAIR² verhindert durch die flexible, der Netzsituation angepassten Steuerung das zeitgleiche Takten von Lasten und mildert somit Spannungssprünge.

Algorithmus lernt dazu

Die autark arbeitende FLAIR²-Steuerbox analysiert die Situation im lokalen Netz und erstellt individuelle Fahrpläne für die Verbrauchseinrichtungen in einem Haushalt. Je mehr Messdaten im Jahresverlauf des Feldversuchs gesammelt und analysiert werden, desto mehr lernt der Algorithmus dazu. In der Folge können flexible Verbrauchseinrichtungen effizienter und zielgerichteter gesperrt werden. Der Algorithmus ist so programmiert, dass er die jeweils vertraglich vereinbarten Freigabe- und Mindestladezeiten einhält.

Nach einem halben Jahr Datenerhebung ist das FLAIR²-Modul und der aktuelle Feldversuch in die nächste Projektphase gestartet: die stückweise Aktivierung aller verbauten FLAIR²-Module. Hatte man bisher nur simuliert, wie das Modul in den unterschiedlichen Lastsituationen reagieren würde, werden flexible Lasten in den 100 teilnehmenden Haushalten nun aktiv gesteuert.

Rechtlicher Rahmen bereits gegeben

Das Forscherteam verweist darauf, dass das FLAIR2 -Konzept bereits im heute bestehenden rechtlich-regulatorischem Rahmen eingesetzt werden kann. Die Grundlage für die Umsetzung des dezentralen Lastmanagementkonzepts ist in Deutschland bereits durch §14a EnWG gesetzlich ermöglicht. Damit können Verteilnetzbetreiber regelbare Lasten netzdienlich steuern und im Gegenzug erhalten Kunden reduzierte Netzentgelte. Vor allem bei den Wärmepumpen ist der vergünstige Wärmestromtarif deutschlandweit etabliert. Der FLAIR²-Algorithmus hält sich an diese Rahmenbedingungen, kann bei gesetzlichen Änderungen entsprechend angepasst werden und steuert die Lasten unter dem gegeben Rahmen bestmöglich für das Netz.

Neben den Vorteilen für Netzbetreiber bringt das Konzept auch einen Mehrwert für Kunden: Es ermöglicht eine optimierte Nutzung selbst erzeugten Stroms und erfüllt damit einen zentralen Wunsch der Anlagenbetreiberinnen und -betreiber: Den eigenen Photovoltaik-Strom nutzen, wenn er erzeugt wird. In dem es den Eigenverbrauch optimiert, übernimmt das FLAIR²-Modul damit Grundfunktionen einer Heimautomatisierung.

Engpässe vermeiden, Leistungsspitzen abmildern

„Neue Technologien können dazu beitragen, bestehende Infrastrukturen besser auszulasten und zusätzliche Lasten gut ins Netz zu integrieren. Wir wollen ein robustes Stromnetz, das auch bei Störungen klassischer Kommunikationswege – wie zum Beispiel einer Internetverbindung – stabil und funktionstüchtig bleibt“, erläutert Projektleiterin Sonja Baumgartner von LVN. FLAIR² biete hier einen vielversprechenden Ansatz, um die Effizienz einer dezentralen Steuerung mit einer autark arbeitenden Steuerbox als sichere Rückfallebene zu verbinden. „Wir können damit gleich mehrere Ziele erreichen: Engpässe vermeiden, Leistungsspitzen abmildern und das System insgesamt unempfindlicher machen“, sagt Baumgartner. Solche Lösungen nutzten bestehende Netzkapazitäten und könnten so dazu beitragen, Netzausbau zu verzögern.