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Titelbild Forschungsgebiet Smart Grids
Smart Grids

Smart Grids

Die Nutzung dezentraler Energiesysteme führt zu einem grundlegenden Wandel des Energieversorgungssystems. Mit der Einspeisung von Solar- und Windenergie in das Verteilnetz wechselt immer häufiger die Energieflussrichtung. Die Planung und der Betrieb der Energienetze muss sich an diese neuen Bedingungen anpassen. Die Energierückflüsse führen zu Überlastungen von Leitungen und Transformatoren und die Spannung an den Netzanschlusspunkten können die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Für den sicheren Betrieb sind deshalb in Zukunft in den Mittel- und Niederspannungsnetzen deutlich mehr Messwerte notwendig. Netzbetreiber benötigen direkten Zugriff auf die Millionen dezentraler Energiesysteme. Diese Weiterentwicklung des Stromnetzes wird als Smart Grid bezeichnet.

Die Hochschule Ulm wirkt seit 10 Jahren aktiv an der Entwicklung und Erprobung von Smart Grids mit. Im Smart Grids Labor steht eine Testumgebung für Software und Hardware in the Loop Analysen von Smart Grid Komponenten zur Verfügung. Das Zusammenspiel von Solarstrom, Batteriesystemen und flexiblen Lasten mit Smart Metern, Smart Meter Gateways (iMSys), Steuerboxen (Controllable Local Systems) und der Experimentellen Verteilnetz Leitwarte (SIEMENS SPECTRUM POWER 5) wird erforscht. Neben dem Stromnetz werden auch die Wechselwirkungen mit Wärme und Gasnetzen untersucht, und neue Geschäftsmodelle auf der Basis von Smart Grids entwickelt und erprobt.

Daneben befasst sich der Forschungsschwerpunkt mit Energiemeteorologie. Angesichts der stark zunehmenden Bedeutung von Wetter und Klima für die Energieversorgung durch erneuerbare Energiequellen wird eine möglichst vollständige Beschreibung der Wechselwirkungen des gesamten Energieversorgungssystems mit den meteorologischen Randbedingungen immer wichtiger. Hieraus entsteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung neuer Mess- und Vorhersagemethoden zur Bereitstellung von spezifisch für Energiesysteme angepassten meteorologischen Informationen. Dazu bedarf es einer hochgradig disziplinübergreifenden Zusammenarbeit von Meteorologie, Physik, Ökologie, Ingenieurwissenschaften, Informatik und Ökonomie, um den vielfältigen Aspekten und Zusammenhängen des gesamten Energiesystems gerecht zu werden.

Ansprechpartner:
Institut für Energie- und Antriebstechnik
Prof. Gerd Heilscher       Leitung Smart Grids Forschungsgruppe 

Aktuelle Projekte

C/sells – SINTEG-Förderprogramm „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende"

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.

Projektlaufzeit: 1.1.2017 – 31.12.2020

 

Projektbeschreibung:

C/sells basiert auf der Idee, vielfältige Infrastrukturzellen intelligent zu einem Organismus zu verbinden, in dem wirtschaftliche Chancen mit physikalischen Notwendigkeiten und dem Willen zu nachhaltigem Wirtschaft grenzübergreifend einander angeglichen werden. In einem „Sonnenbogen", der sich von Bayern, Hessen bis nach Baden-Württemberg erstreckt, sollen massentaugliche Musterlösungen von vornehmlich solarer Energieerzeugung zu einer robusten, gemeinschaftlichen Energieinfrastruktur führen. Im Rahmen der Digitalen Agenda werden praxistaugliche Lösungen für die Energiewende in Süddeutschland erarbeitet, demonstriert, vernetzt und in Einklang gebracht, um in der nahen Zukunft eine tragfähige Energieversorgung vermarkten zu können.

 


Quartierspeicher – unw

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.

Projektlaufzeit: 1.6.2017 – 31.5.2019

 

Projektbeschreibung:

Im Hinblick auf die zunehmend in den Fokus rückende Möglichkeit, Solarstrom für den eigenen Bedarf einzuspeichern, soll in diesem Projekt Batteriespeichern „auf den Zahn gefühlt" werden. Ulmer Bürger sollen verantwortlich mitentscheiden können, welche Rahmenbedingungen notwendig wären, damit ein Quartierspeicher attraktiv und sinnvoll wird. In enger Zusammenarbeit mit der Stadt Ulm sowie den Ulmer Stadtwerken wollen wir unsere bisherigen Erfahrungen mit weitergehenden Modellen wie Cloud-Speichern und Blockchain-Technologie analysieren und auf den Prüfstand stellen, um ein Gesamtkonzept für den Einsatz in einem Neubaugebiet vorzubereiten.


Environment for Simulation, Operation and Optimization of Smart Energy Grids ESOSEG

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 30.09.2018

Projektbeschreibung:
Die drei ESOSEG Projektpartner und die beiden am Vorhaben beteiligten Netzbetreiber haben sich zum Ziel gesetzt, ein flexibles und modular erweiterbares Analyseframework zu entwickeln, um bestehende Netzstrukturen zu analysieren, mögliche Schwachstellen zu identifizieren und Ausbaumöglichkeiten auf ihre Wirtschaftlichkeit zu überprüfen.

Das Framework unterstützt Netzbetreiber bei der Implementierung intelligenter Netze und Netzwerkmanagementsysteme (NMS) für Verteilnetze. Bereits in der Planungsphase kann die Bewertung der Wirtschaftlichkeit zukünftiger Maßnahmen durch den Einsatz von verschiedenen Analysen erfolgen. 

Das Framework benutzt für diese Analysen vorhandene Schnittstellen und Daten der Netzbetreiber und existierende Systeme zur Netzplanung, Netzsimulation oder Erzeugungsmanagement.

Dies ermöglicht eine einfache Integration des Frameworks in bereits bestehende IT Umgebungen. Ein zentrales Projektziel ist, von konkreten technischen Schnittstellen, Datenmodellen und Systemabläufen zu abstrahieren, um herstellerunabhängig eine Vielzahl von Systemen zu adressieren. Die Vielfalt an Schnittstellen, Datentypen und Systemen als auch der Netzstrukturen machen dazu eine strukturierte Analyse der Domäne des Verteilnetzes und eingesetzter Systeme nötig. Hierzu werden zwei Arten von Verteilnetzen als exemplarische Referenznetze in das Projekt eingebunden und untersucht.

Applikationen für Steuerboxen aus Baden Württemberg CLS APP BW

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc., Heiko Lorenz
Projektlaufzeit: 2016 - 31.12.2017

Projektbeschreibung:
Entwicklung, Erprobung und Feldtest fur 11 Applikationen f¨ür Steuerboxen als Bestandteil des sicheren Energie-Informations-Netzes. Integration der Steuerboxen in die BSI
zertifizierte Smart Meter Infrastruktur.

 

Abgeschlossene Projekte

Smart Solar Grid

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.12.2012 - 31.12.2014

Projektbeschreibung:
Das Ziel des Projekts Smart Solar Grid ist die Entwicklung und Erprobung einer Kommunikationseinheit für den Netzanschluss von dezentralen regenerativen Energiesystemen zur Verknüpfung der Funktionen - Abrechnung – Anlagen-Betriebsführung – Netzbetriebsführung.

Die Entwicklung erfolgt zweistufig. In der ersten Stufe werden im AP1 die Funktionen Abrechnung mit intelligenten Zählern und Betriebsführung Photovoltaik in einem intelligenten Zähler vereint, sowie im AP2 ein Photovoltaik-Datenlogger mit standardisierten Kommunikationsprotokollen aus der Netzleittechnik ausgerüstet um eine durchlässige und effiziente Kommunikation zwischen Einspeiser und Netzleitwarte zu ermöglichen.

Aufbauend auf den Ergebnissen aus der ersten Stufe und einer detaillierten Marktanalyse der drei Bereich - Intelligente Zähler, Photovoltaik-Monitoring und Netzbetriebsführung (AP3) - wird in der zweiten Stufe die Entwicklung der Rolle eines Kommunikationsdienstleisters betrachtet um daraus die Anforderungen für eine standardisierte Kommunikationseinheit abzuleiten (AP4). Mit diesem Anforderungsprofil des zukünftigen Marktumfelds sind der Aufbau und die Demonstration der Funktion eines Prototyps der standardisierten Kommunikationseinheit in einem Testumfeld für Kommunikationsdienstleister geplant.

Optimising Hybrid Energy grids for smart cities, ORPHEUS

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.09.2013 - 31.12.2016

Projektbeschreibung:
The global demand for energy will challenge energy supply directly impacting the productivity for future growth and prosperity of cities. Stability and efficiency across multi domain energy grids are crucial. Coupling technologies like Combined Heat and Power (CHP) allow theses multi-utility grids to be considered and operated as Hybrid Energy Network increasing even more efficiency levels and reducing overall CO2 footprint. Although multi-dimensional synergies are increasingly apparent, they neither have been comprehensively investigated so far.

In this project, a Hybrid Energy network control system for Smart Cities will be elaborated implementing novel Cooperative Control Strategies for the optimal interactions between multiple in Coexistence operated energy grids. This will improve the existing hybrid network. Exploiting higher levels of ICT in all energy systems, methods for enabling simultaneous optimization for individual response requirements, energy efficiencies and energy savings as well as coupled operational, economic and social impacts will be developed by Enhanced realization of today’s market by enhancing grid systems with physical coupling options and enhanced control strategies exploited by increasing level of “smart” infrastructure (metering, sensors, ICT infrastructure) for operation control including grid coupling devices, and adaptation of the monitoring systems advances available in the ICT Machine-to-Machine field, and incorporation sophisticated meteorological data for different time resolutions needs; Concept realizations in future markets through definition of cooperative algorithms for cross-grid control decisions capable of load balancing by optimizing multiple utilities demand, supply and storage preferences to integrate “prosumers” and utilizing respective control strategies in decision support system design for an energy control platform based on different new business models.

The demonstration targets will be two cities, Ulm in Germany and Skellefteå in Sweden. The outcomes of the project, namely the Cooperative control Strategies for the Cooperative Coexistence of Hybrid Energy Networks will be integrated in the existing ICT infrastructure of the demo sites at the city of Ulm and the city of Skellefteå. The results of the evaluation will be concluded and highlight the lessons learnt throughout the different processes. All activities planned for the dissemination will facilitate the take-up of the results, in particular targeting ICT Providers, municipal authorities, representatives from distributor and energy system operators and stakeholders of the smart cities and communities to ensure the replication of the Cooperative Control strategy for the Cooperative Coexistence of Hybrid Energy Networks.

NETCHECK-PV


Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.07.2015 - 30.09.2016

Projektbeschreibung:
Das Plusenergie Projekthaus Ulm für nachhaltige Energienutzung kombiniert heute verfügbare Technologien, u.a. wie Photovoltaik, Batteriespeicher, Pellet- und Wärmepumpenheizung sowie eine Lüftung mit Wärme- und Feuchterückgewinnung. Das Ziel ist den Eigenverbauch nachhaltig zu erhöhen und damit die Energiekosten zu senken, und gleichzeitig auch den Einfluss auf das Stromnetz und damit auch den Ausbaubedarf zu reduzieren.

 

NATHAN PV

Projektleiter: Prof. Gerd Heilscher, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.12.2013 - 30.11.2017

Projektbeschreibung: 
Das Projekt NATHAN-PV dient der Entwicklung eines Planungsverfahrens für den Netzausbau von Verteilnetzen mit großen Anteilen dezentraler PV-Anlagen. Dazu werden Analysedaten einer Dachpotentialanalyse und die Einstrahlungsinformationen aus dem Forschungsprojektes ENDORSE des 7. Europäischen Forschungsrahmenprogramms als Grundlage genutzt. Mit Hilfe dieser Daten lassen sich die Abschattungen durch benachbarte Gebäude, Bäume oder auch Dachaufbauten auf den Gebäuden im untersuchten Gebiet berechnen. Diese Abschattungswerte sind zusammen mit den Kenndaten der installierten PV-Anlagen, die von den lokalen Stadtwerken Ulm/Neu-Ulm (SWU) zur Verfügung gestellt werden, und den lokalen Wetterdaten, welche von der hochschuleigenen Wetterstation und vom Deutschen Wetterdienst stammen, Eingangsgrößen für die Berechnung der abgegebenen elektrischen Leistung. Mit Hilfe der Netzstruktur und aufgezeichneter Wetterdaten bzw. Wetterstatistikdaten lassen sich in der Netzsimulation die Parameter Spannung und Lastfluss, sowie die Auswirkung des Einspeisemanagements ermitteln. Die Projektergebnisse unterstützen eine vorausschauende Netzplanung und einen effizienten Betrieb von Verteilnetzen mit hohem Anteil an Solarstromanlagen.

Versorgungssicherheit und Netzstabilität durch intelligente Regelung dezentraler Anlagen in Ulm, VuNdieRd

Projektleiter: Prof.Dr. Georg Kleiser, David Stakic
Projektlaufzeit: 07.02.2015 - 31.03.2016

Projektbeschreibung:
Im Projekt soll erforscht werden, welche Stromerzeugungsanlagen im Stadtgebiet Ulm vorhanden sind und welche technischen Potenziale vorliegen, diese Stromerzeugungsanlagen zentral zu schalten und als virtuelles Kraftwerk zu betreiben.


Veröffentlichungen


Quicklinks