Die flexible Energiezelle im Energieorganismus

Blume als Energieorganismus
Blu­me als Ener­gie­or­ga­nis­mus (copy­right 2019 by Andre­as Kieß­ling)

Die Blu­me nimmt als auto­no­mes Sys­tem Solar­ener­gie aus der Umge­bung auf und wan­delt Strah­lungs­en­er­gie in gespei­cher­te che­mi­sche Ener­gie um. Der Inhalt des Ener­gie­spei­chers wird zur Auf­recht­erhal­tung der Lebens­pro­zes­se der Blu­me genutzt. Da der hier­bei frei­wer­den­de Sauer­stoff wie­der­um Grund­la­ge von Lebens­pro­zes­sen der Tier­welt ist, lässt sich der Ener­gie­fluss als zykli­scher Pro­zess beschrei­ben. Die fle­xi­ble Ener­gie­zel­le im Ener­gie­or­ga­nis­mus ist ein Bau­stein, in der eben­so auto­no­me Ener­gie­zy­klen von der Gewin­nung, über die Spei­che­rung bis zur Nut­zung ablau­fen. Rest­stof­fe und abge­ge­be­ne Ener­gie­men­gen bil­den den Aus­gangs­punkt ener­ge­ti­scher Pro­zes­se in ande­ren Ener­gie­zel­len.

Paradigmenwechsel im Energiesystem

Im Ener­gie­sys­tem nimmt die Viel­falt der Ener­gie­wand­ler und Spei­cher zur Wand­lung von Pri­mär­ener­gie in die Ener­gie­ar­ten Elek­tri­zi­tät, Wär­me und Gas expo­nen­ti­ell zu. Hier­bei erfolgt die Instal­la­ti­on die­ser Kom­po­nen­ten sowohl in zen­tra­len Struk­tu­ren als auch in Gebäu­den, Stadt­quar­tie­ren und Indus­trie­area­len. Jede die­ser Struk­tu­ren bil­det eine auto­no­me Ener­gie­zel­le. Gleich­zei­tig ent­ste­hen neue Orga­ni­sa­ti­ons­for­men und zusätz­li­che Wert­schöp­fungs­mög­lich­kei­ten. Hier­zu gehört die Umwand­lung zwi­schen den genann­ten Ener­gie­ar­ten als Mit­tel der Erhö­hung von Fle­xi­bi­li­tät und Ener­gie­ef­fi­zi­enz in loka­len und regio­na­len Umge­bun­gen. Das somit zuneh­mend dezen­tra­le Ener­gie­sys­tem benö­tigt ein Sys­tem­mo­dell, das wach­sen­de Kom­ple­xi­tät beherrscht und Fle­xi­bi­li­tät sichert.

Motivation

Die Ener­gie­ge­win­nung aus erneu­er­ba­ren Quel­len bringt neue Her­aus­for­de­run­gen mit sich. Dies betrifft ins­be­son­de­re die not­wen­di­ge Sys­tem­fle­xi­bi­li­sie­rung im Sek­to­ren­ver­bund Strom, Wär­me, Gas und Ener­gie­trä­ger für Mobi­li­tät, um die Vola­ti­li­tät der Erzeu­gung zu beherr­schen.

Damit ver­bun­den sind die Zunah­me der Viel­falt akti­ver Akteu­re und des Gra­des der Ver­net­zung. Dar­aus resul­tie­ren aber auch neue For­men der Orga­ni­sa­ti­on zwi­schen den Akteu­ren (z.B. Sharing, vir­tu­el­le Kraft­wer­ke). In der Fol­ge wächst die Kom­ple­xi­tät der Sys­tem­füh­rung.

Mit­tel zur Kom­pl­xi­täts­be­herr­schung sind

  • die Gestal­tung von Inter­ope­ra­bi­li­tät bei der Inter­ak­ti­on von Akteu­ren (Spra­che, Model­le, Metho­dik),
  • die Digi­ta­li­sie­rung als Basis der Mas­sen­fä­hig­keit,
  • die Zer­le­gung von Rege­lungs­me­cha­nis­men in auto­no­me und ver­bun­de­ne Sys­te­me sowie
  • IKT-Ver­läss­lich­keit, Infor­ma­ti­ons­si­cher­heit und Daten­schutz im Umfeld der Digi­ta­li­sie­rung

Die Viel­falt resul­tiert aus der Anwend­bar­keit der erneu­er­ba­ren Erzeu­gung in unter­schied­lichs­ter Ska­lie­rung vom Gebäu­de, über Stadt­quar­tie­re und Area­le, über Ort­schaf­ten, Städ­te zu Regio­nen, bis zu natio­na­len und inter­na­tio­na­len Struk­tu­ren.

Im aus­schließ­lich zen­tral gesteu­er­ten Sys­tem im Umfeld der Viel­falt dezen­tra­ler, akti­ver Akteu­re — Ener­gie­ge­win­nung auf allen genann­ten Betrach­tungs­ebe­nen — kann Kom­ple­xi­tät zur Unbe­herrsch­bar­keit des Sys­tems füh­ren. Aus Auto­no­mie viel­fäl­ti­ger und ver­bun­de­ner Teil­sys­te­me ohne Regeln der Inter­ak­ti­on kann chao­ti­schen Ver­hal­ten resul­tie­ren. Die Kunst eines sta­bi­len und gleich­zei­tig fle­xi­blen sowie ent­wick­lungs­fä­hi­gen Sys­tems besteht dar­in, lokal als eigen­stän­di­ges Sys­tem zu agie­ren, aber gleich­zei­tig die Syn­er­gi­en einer glo­ba­len Ver­net­zung zu erschlie­ßen – han­del lokal und den­ke glo­bal.

Es sind also der Satz der Mecha­nis­men inner­halb von Teil­sys­te­men als auch die Regeln an den Gren­zen zwi­schen den Teil­sys­te­men zu defi­nie­ren. Die Regeln sol­len Auto­no­mie ermög­li­chen und gleich­zei­tig ein fle­xi­bles Gesamt­sys­tem beför­dern.

Systemmodell

Aus­ge­hend vom Sys­tem­be­griff wird das Ener­gie­sys­tem als Gesamt­heit mit­ein­an­der in Ver­bin­dung ste­hen­der Objek­te in Form von Kom­po­nen­ten, die im Zusam­men­hang von Ener­gie­ge­win­nung, ‑spei­che­rung, ‑nut­zung, ‑trans­port als Gan­zes gese­hen und von ihrer Umwelt abge­grenzt betrach­tet wer­den kön­nen, wobei die Inter­ak­ti­on mit der Umwelt über Schnitt­stel­len statt­fin­det. Mit­tels der Inter­ak­tio­nen zur Umwelt ändert sich der Zustand des Sys­tems. Im wei­te­ren Kon­text bei der Betrach­tung von Ener­gie­sys­te­men wer­den ins­be­son­de­re die Grö­ßen Ener­gie und Infor­ma­ti­on als in der Zeit ver­än­der­li­che Attri­bu­te eines kyber­ne­ti­schen Sys­tems betrach­tet. Als wesent­li­che Grö­ßen des Ener­gie­sys­tems wer­den Ener­gie und Infor­ma­ti­on betrach­tet, die unter Nut­zung der Schnitt­stel­len zwi­schen dem Sys­tem und Sys­tem­um­ge­bung aus­ge­tauscht wer­den.

Auf die­ser Basis kann in kleins­ter räum­li­cher Aus­deh­nung ein Ener­gie­sys­tem bei­spiels­wei­se inner­halb eines Gebäu­des defi­niert wer­den. Hier­zu wer­den die ener­gie­tech­ni­schen Kom­po­nen­ten von der Gewin­nung bis zu Nut­zung inklu­si­ve der Spei­che­rung und des Trans­por­tes sowie die infor­ma­ti­ons­tech­ni­schen Kom­po­nen­ten zum Moni­to­ring, Manage­ment und Steue­rung von Ener­gie­flüs­sen als auch die Schnit­sttel­len zum Aus­tausch von Ener­gie und Infor­ma­ti­on mit der Sys­tem­um­ge­bung benö­tigt. Ein ent­spre­chen­des Modell mit attri­bu­ti­ver Sys­tem­be­schrei­bung auf Basis der Kom­po­nen­ten als Attri­bu­te null­ter Stu­fe sowie der Funk­tio­nen, Eigen­schaf­ten und Rela­tio­nen als Attri­bu­te ers­ter Stu­fe wur­de ein­ge­führt.

Moder­ne Ener­gie­sys­te­me wer­den zuneh­mend unter Ein­satz infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­ten­der Kom­po­nen­ten geführt, um den Her­aus­for­de­run­gen einer erneu­er­ba­ren, fluk­tu­ie­ren­den und dezen­tra­len Ener­gie­er­zeu­gung mit Ener­gie­ge­win­nung bis in die Lie­gen­schaf­ten im Nie­der­span­nungs­be­reich gerecht zu wer­den. Für die­se Ver­bin­dung von Ener­gie- und Infor­ma­ti­ons­in­fra­struk­tur wur­de der Begriff intel­li­gen­tes Ener­gie­sys­tem (Smart Ener­gy Sys­tem) geprägt.

Zur Umset­zung eines intel­li­gen­ten Ener­gie­sys­tems einer­seits als auto­no­mes Sys­tem und gleich­zei­tig als Teil einer ver­bun­de­nen Struk­tur wird für die­se Enti­tät der Begriff Ener­gie­zel­le oder zu Ver­all­ge­mei­ne­rung einer zel­lu­lä­ren Infra­struk­tur auch der Begriff der Infra­struk­tur­zel­le ein­ge­führt.

Begriffsanalogie zwischen Zelle sowie Energiezelle und Infrastrukturzelle

Defi­ni­ti­on: von der Umge­bung abge­grenz­tes und gleich­zei­tig über Schnitt­stel­len ver­bun­de­nes Sys­tem aus Kom­po­nen­ten einer Ener­gie­in­fra­struk­tur1) ver­schie­de­ner Ener­gie­for­men2)  sowie auch wei­te­rer Infra­struk­tu­ren der Kom­mu­ni­ka­ti­on und Logis­tik, deren Funk­tio­nen ein auto­no­mes Zel­len­ma­nage­ment3)  mit Opti­mie­rung von Ange­bot und Nach­fra­ge im Sys­tem über alle vor­han­de­nen Ener­gie­for­men in Ver­bin­dung mit dem Aus­tausch von Pro­duk­ten und Dienst­leis­tun­gen über bidi­rek­tio­na­le Flüs­se von Ener­gie, Stof­fen und Infor­ma­ti­on zu phy­si­ka­li­schen Nach­bar­zel­len sowie zu nicht lokal defi­nier­ten vir­tu­el­len Markt­zel­len4)  ermög­li­chen

Quel­le: C/sells, von VDE ETG/ITG AK Ener­gie­ver­sor­gung 4.0 abge­lei­te­te und erwei­ter­te Defi­ni­ti­on,

Bemer­kung:

1) z.B. zur Ener­gie­in­fra­struk­tur zäh­len alle Kom­po­nen­ten (Assets: Schicht A), die zur Wand­lung von Ener­gie, zu Trans­port und Ver­tei­lung sowie zur Spei­che­rung ein­ge­setzt wer­den.

2) Ener­gie­for­men umfas­sen u.a. Elek­tri­zi­tät, Gas, Wär­me und Ener­gie­trä­ger für Mobi­li­tät.

3) Zum Zel­len­ma­nage­ment zäh­len Anwen­dungs­kom­po­nen­ten der Sys­tem­nut­zer (Schicht D), Betriebs­füh­rung- und Leit­tech­nik­kom­po­nen­ten (Schicht C) sowie Digi­ta­li­sie­rungs­kom­po­nen­ten (Schicht B) mit Infor­ma­ti­ons- und Unter­stüt­zungs­funk­tio­nen (Basis­kom­po­nen­ten), Mess- und Steu­er­ein­rich­tun­gen (Zugriffs­kom­po­nen­ten) sowie gesi­cher­te Kom­mu­ni­ka­ti­ons­kom­po­nen­ten

4) Infra­struk­tur­zel­len kön­nen zu umfas­sen­de­ren Infra­struk­tur­zel­len ver­bun­den wer­den. Es gibt somit Zel­len auf der glei­chen Stu­fe sowie auf über­ge­la­ger­ten und unter­la­ger­ten Stu­fen.

(sie­he auch Begriffs­ein­trag zum WIKIENERGY)

Ener­gie­zel­le: Gra­fik­ent­wurf copy­right 2019 by Andre­as Kieß­ling

Komponenten der Energiezelle

  • D: Kom­po­nen­ten Mensch / Maschi­ne für Markt­funk­tio­nen und Aus­tausch Pro­duk­ten / Dienst­leis­tun­gen (inkl. Daten)
  • C: Leit- und Manage­ment­kom­po­nen­ten (Betrieb, Sta­ti­on, Feld) als Zell-Mana­ger
  • B: Infor­ma­ti­ons­kom­po­nen­ten (Digi­ta­li­sie­rung mit IIS-Kom­po­nen­ten)
    • B3: Basis­kom­po­nen­ten (Platt­for­men mit infor­ma­ti­ons- und kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­ni­schen Unter­stüt­zungs­funk­tio­nen)
    • B2: Kom­mu­ni­ka­ti­ons­kom­po­nen­ten (Umset­zung und Siche­rung des Infor­ma­ti­ons­trans­por­tes)
    • B1: Zugrif­fe auf Infra­struk­tur­kom­po­nen­ten über Sen­so­rik (Mess­ein­rich­tun­gen) und Akto­rik (Steu­er­ein­rich­tun­gen)
  • A: Infra­struk­tur­kom­po­nen­ten (Assets wie z.B. End­ener­gie­er­zeu­ger, ‑wand­ler, ‑spei­cher, ‑nut­zer)

Andre­as Kieß­ling, 28. März 2019, Lei­men