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

Erneu­er­ba­re Ener­gien bie­ten ana­log zur bio­lo­gi­schen Betrach­tung Chan­cen zur Gestal­tung von soge­nann­ten Ener­gie­zel­len, auch im Rah­men natio­na­ler und euro­päi­scher Ver­bund­sys­te­me. Eine Ener­gie­zel­le umfasst Ener­gie­ge­win­nung, Spei­che­rung und Nut­zung in abge­grenz­ten Struk­tu­ren aller Lebens­be­rei­che in Bezug auf alle benö­tig­ten Enener­gie­ar­ten, wie zum Bei­spiel Strom, Wär­me oder auch Gas.

Dies führt zu neu­en Desi­gn­an­sät­zen für Gebäu­de, Stadt­quar­tie­re und Landschaften.

Die Umset­zung von Ener­gie­kreis­läu­fen im Wohn- und Arbeits­um­feld der Städ­te und länd­li­chen Regio­nen erbringt sowohl einen Bei­trag zur Erhö­hung der Wider­stands­fä­hig­keit als auch zu ihrer nach­hal­ti­gen Entwicklung.

Dezen­tra­le Gestal­tung und Viel­falt der For­men erhö­hen aber auch die Kom­ple­xi­tät der Rege­lung des Ener­gie­sys­tems im natio­na­len und euro­päi­schen Verbund.

Kon­zep­te zur Beherr­schung von Kom­ple­xi­tät umfas­sen die auto­no­me Rege­lung in Teil­be­rei­chen eines Gesamt­sys­tems bei gleich­zei­ti­ger Inte­gra­ti­on in den Gesamt­ver­bund. Ener­gie­zel­len benö­ti­gen des­halb ein auto­no­mes Ener­gie­ma­nage­ment in Ver­bin­dung mit der fle­xi­blen Steue­rung der Ener­gie­flüs­se an den Gren­zen der jewei­li­gen Zel­le — den Netz­an­schlüs­sen — hinaus.

Lösun­gen dafür wer­den in ver­schie­de­nen natio­na­len, euro­päi­schen und inter­na­tio­na­len Pro­jek­ten demonstriert.

Emp­foh­len wird ein dezen­tra­les Rege­lungs­kon­zept unter Mini­mie­rung der Daten­kom­mu­ni­ka­ti­on, so dass die auto­ma­ti­sier­te Rege­lung in Teil­be­rei­chen des Gesamt­sys­tems auch dann mög­lich ist, wenn die Ver­bin­dung zur Umge­bung aus­fällt. Gleich­zei­tig wird damit der Daten­schutz gewähr­leis­tet und die Wider­stands­fä­hi­ge­kit des Gesamt­sys­tems erhöht. Zur Umset­zung eines dezen­tra­len Ener­gie­ma­nage­ments ent­ste­hen Algo­rith­men auf Basis künst­li­cher Intelligenz.

Planung von Energiezellen in Gebäuden, Stadtquartieren, auf Arealen, in Städten und ländlichen Regionen

Die Spe­zi­fi­ka­ti­on des Ener­gie­sys­tems in einer rea­len Umge­bung erfolgt dabei aus ver­schie­de­nen Blick­win­keln, die jeweils eine inne­re und äuße­re Sicht beinhalten.

Aus­gangs­punkt ist in der Regel der Blick auf das eige­ne Objekt mit dem Ziel der Kon­zi­pie­rung eines Ener­gie­sys­tems mit eige­nen Erzeu­gungs- und Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten in Ver­bin­dung mit einem Ener­gie­ma­nage­ment­sys­tem. Die Ziel­stel­lung besteht in der Erhö­hung des Auto­no­mie­gra­des in Wohn­ge­bäu­den, im gewerb­li­chen und öffent­li­chen Objek­ten, auf Indus­trie­area­len, aber auch in Städ­ten und länd­li­chen Regio­nen, um wirt­schaft­li­che Vor­tei­le zu erzie­len, Eigen­ge­stal­tung zu über­neh­men, aber auch einen höhe­ren Grad an Ver­sor­gungs­si­cher­heit im Fal­le von exter­nen Strom­aus­fäl­len zu erreichen.

Gleich­zei­tig wird Ver­sor­gungs­si­cher­heit durch den Ver­bund gewähr­leis­tet. Ener­gie­ge­mein­schaf­ten sind also Mit­tel zum Aus­bau Erneu­er­ba­rer Ener­gien, zur Erhö­hung von Wirt­schaft­lich­keit und zur Soli­da­ri­tät in der Gemein­schaft. Dies kann wie­der­um auf ver­schie­de­nen Ebe­nen loka­len, regio­na­len, natio­na­len und glo­ba­len Han­delns geschehen.

Mit die­sen Ansät­zen ver­bin­den sich loka­les und glo­ba­les Han­deln auf ver­schie­de­nen Wir­kungs­ebe­nen. Zur Abgren­zung zwi­schen eige­ner Hand­lungs­ho­heit und der Umge­bung ist jeweils eines Sys­tem­gren­ze sowie das Wir­ken über die­se Gren­ze zu defi­nie­ren. Als Abbil­dungs­mit­tel für den eige­nen Wir­kungs­be­reich in Abgren­zung zur Umge­bung wur­de der Begriff Zel­le benutzt. Das ver­ti­ka­le Zusam­men­wir­ken der Zel­len visua­li­siert nach­fol­gen­de Abbil­dung beispielhaft.

Zelluläre Architektur und Digitalisierung

Zel­len wer­den gestal­tet im Rah­men pri­va­ter oder poli­ti­scher Struk­tu­ren als

  • Ein­zel­ge­bäu­de (Wohn­häu­ser und kom­mer­zi­el­le Gebäude),
  • Stadt­quar­tie­re,
  • Area­le der Indus­trie oder auch öffent­li­che Flä­chen wie Flughäfen,
  • länd­li­che Regionen.

Die Spe­zi­fi­ka­ti­on von Ener­gie­sys­te­men lässt sich eben­so an vor­han­de­nen Struk­tu­ren der Strom­net­ze pla­nen, wie zum Bei­spiel in

  • Ver­teil­netz­be­rei­chen,
  • Ver­teil­net­zen,
  • Regio­nal­net­zen,
  • Regel­zo­nen der Übertragungsnetzbetreiber.

Schluss­end­lich wir­ken in all die­sen phy­si­ka­lisch abgrenz­ba­ren Zel­len vir­tu­el­le, also nicht räum­lich defi­nier­te Markt­struk­tu­ren, z.B. als Bilanz­krei­se, vir­tu­el­le Kraft­wer­ke oder Energiegemeinschaften.

Definition des Begriffes Energiezelle

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.

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)

Komponenten der Energiezelle

Um bei der Viel­falt der Gestal­tungs­mög­lich­kei­ten im jewei­li­gen Umfeld der Inter­es­sen­trä­ger die zuge­hö­ri­gen Zie­le zu errei­chen, ist das jeweils benö­tig­te, kon­kre­te Sys­tem in einem Pla­nungs­pro­zess als Ener­gie­zel­le sowie die zuge­hö­ri­gen Anwen­dungs­fäl­le der Akteu­re im Rah­men einer ver­ein­bar­ten Metho­dik zu beschreiben.

Hier­für wur­den im Pro­jekt C/sells ins­be­son­de­re zu den Aspek­ten zel­lu­lä­re Archi­tek­tur und Digi­ta­li­sie­rung Archi­tek­tur­mo­del­le und Kom­po­nen­ten­schich­ten definiert.

Ent­spre­chend nach­fol­gen­der Dar­stel­lung stellt die­ses Sys­tem eine Struk­tur von benö­tig­ten phy­si­ka­li­schen Infra­struk­tur­kom­po­nen­ten – Assets — (A) dar, deren gemein­sa­me Funk­ti­on durch Betriebs­kom­po­nen­ten ( C ) gesi­chert und koor­di­niert wird, als auch ver­schie­de­nen Aus­tausch­kom­po­nen­ten (D — Mensch oder Maschi­nen) zur Ver­fü­gung steht.

Die mil­lio­nen­fa­che Viel­falt der­ar­ti­ger, poten­ti­el­ler Sys­te­me, der zuneh­men­de Grad ihrer Ver­net­zung und neue Orga­ni­sa­ti­ons­for­men zum Bei­spiel in Ener­gie­ge­mein­schaf­ten, des pri­va­ten Aus­tau­sches von Ener­gie, vir­tu­el­ler Kraft­wer­ke sowie die zuneh­men­de Anfor­de­rung, die Infra­struk­tu­ren der mensch­li­chen Gesell­schaft in die Ent­wick­lung der intel­li­gen­ten Stadt inte­grie­ren, erfor­dert die Digi­ta­li­sie­rung der Ener­gie­in­fra­struk­tur. Hier­zu wird die vier­te Schicht der Digi­ta­li­sie­rungs­kom­po­nen­ten (B) in der Ener­gie­zel­le definiert.

In Abhän­gig­keit vom jewei­li­gen Gebäu­de, dem Wohn­quar­tier, einem Stadt­ge­biet sowie einem gewerb­li­chen oder länd­li­chen Are­al sind im Pla­nungs­pro­zess die in der nach­fol­gen­den all­ge­mei­nen Sys­tem­dar­stel­lung einer Ener­gie­zel­le abge­bil­de­ten vier Kom­po­nen­ten­schich­ten als Infra­struk­tur zu planen.

Energiezelle

Ener­gie­zel­le: Gra­fik­ent­wurf copy­right 2019 by Andre­as Kießling

Die vier Kom­po­nen­ten­schich­ten umfassen:

  • 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