Energiezellen

Zellulares Ansatz für das Energiesystem

Definition Energiezellen

Ener­gie­zel­lenTeil­sys­te­me im Netz­werk auto­no­mer Ener­gie­sys­te­me — zel­lu­la­rer Ansatz für das Ener­gie­ver­bund­sys­tem – die jeweils betrach­tet wer­den als

teil­wei­ser oder voll­stän­di­ger Zusam­men­schluss als Gan­zes, der von der Umwelt abge­grenzt als auch mit der Umwelt über Schnitt­stel­len inter­agie­rend betrach­tet wer­den kann, mit Ener­gie­sys­tem­kom­po­nen­ten als

  • Ener­gie­wand­ler (Erzeu­ger, Spei­cher, Ver­brau­cher) ver­schie­de­ner Sek­to­ren (z.B. Strom, Wär­me, Gas) sowie
  • Ener­gie­net­ze und zuge­hö­ri­ge Betriebs­mit­tel zum Ener­gie­trans­port

zu einem selbst­re­geln­den Ener­gie­sys­tem, wobei die­ser Zusam­men­schluss sowohl auto­no­me, inter­ne Funk­tio­nen zum Ener­gie­ma­nage­ment umfas­sen als auch über Schnitt­stel­len für

  • Ener­gie­flüs­se in Ener­gie­net­zen und
  • Infor­ma­ti­ons­flüs­se in Ener­gie­märk­ten zulas­sen.

Im Rah­men die­ses Modells kön­nen defi­niert wer­den

  • sowohl Netz­zel­len als über Ener­gie­flüs­se ver­bun­de­ne Struk­tu­ren inner­halb eines räum­li­chen Zusam­men­han­ges, die über eine Anzahl von ener­gie­tech­ni­schen Schnitt­stel­len zu umge­ben­den Netz­struk­tu­ren in Ver­bin­dung ste­hen oder auch trenn­bar sind,
  • aber auch Markt­zel­len als über Infor­ma­ti­ons­flüs­se ver­bun­de­ne Struk­tu­ren, die sowohl inner­halb von Netz­zel­len als auch über Gren­zen von Netz­zel­len belie­big hin­aus­rei­chend agie­ren.

Quelle

Quel­le: C/sells AP 2.2, in Dis­kus­si­on

Englisches Glossar

ener­gy cells

Abkürzung

kei­ne

Bemerkung

kei­ne

Beziehungen

  • Ener­gie­zel­len hat Ober­be­griff Ener­gie­sys­tem (hasH­y­per­o­nom)
  • Ener­gie­zel­len hat Syn­onym Zel­len (has­Syn­onym)

Weitere Erläuterungen zum Begriff

Hintergründe und Motivation

Bis­her wur­de das Ener­gie­sys­tem im glo­ba­len Ansatz über­re­gio­na­ler Ver­bund­net­ze mit getrenn­ten Trans­port­net­zen für Elek­tri­zi­tät, Gas und Öl, die durch regio­na­le Wär­me­net­ze ergänzt wur­den, betrie­ben. Die Füh­rung des Elek­tri­zi­täts­sys­tems erfolg­te dabei im Rah­men natio­na­ler Regel­zo­nen in Sys­tem­ver­ant­wor­tung der Über­tra­gungs­netz­be­trei­ber, wobei Ver­teil­netz­be­trei­ber die Ener­gie uni­di­rek­tio­nal zum Ener­gie­nut­zer als pas­si­ver Ver­brau­cher ver­teil­ten. Hohe Antei­le dezen­tra­ler und vola­ti­ler Ener­gie­wand­lung, bidi­rek­tio­na­le Ener­gie­flüs­se, Ener­gie­spei­che­rung sowie die Not­wen­dig­keit der Fle­xi­bi­li­sie­rung des Ener­gie­sys­tems durch Spar­ten­kopp­lung von Elek­tri­zi­tät, Gas, Wär­me und Ver­kehr erfor­dern auf­grund wach­sen­der Kom­ple­xi­tät neue Lösun­gen zur Sys­tem­ar­chi­tek­tur sowie die Sys­tem­mit­ver­ant­wor­tung der Ver­teil­netz­be­trei­ber. Eine Lösung zur Kom­ple­xi­täts­re­duk­ti­on besteht in der Zer­le­gung eines Sys­tems in selb­stän­dig regel­ba­re Teil­sys­te­me. Teil­sys­te­me des Ener­gie­ver­bund­sys­tems kön­nen als Ener­gie­zel­len (kurz Zel­len) betrach­tet wer­den, die als auto­no­mes Sys­tem mit Kom­po­nen­ten zur Ener­gie­ge­win­nung, Spei­che­rung und Ener­gie­nut­zung sowie Ener­gie­trans­port beschrie­ben wer­den. Anfor­de­run­gen zur Ver­sor­gungs­si­cher­heit, Fle­xi­bi­li­tät und Effek­ti­vi­tät für jede Zel­le begrün­den die Ver­bun­den­heit von Zel­len als ein Ener­gie­sys­tem aus Ener­gie­sys­te­men. Für die­se Ver­bin­dung von Zel­len als Ver­bund­sys­tem wird auch die Meta­pher Ener­gie­or­ga­nis­mus genutzt, in dem Pro­sumen­ten (Pro­du­zen­ten und Kon­su­men­ten) durch Eigen­ver­ant­wor­tung und Mit­wir­kung in der Gemein­schaft sowie akti­ve Ver­teil­netz­be­trei­ber im Zusam­men­wir­ken mit den glo­ba­len Akteu­ren der Fern­trans­port­net­ze agie­ren.

Erst­mals erwähnt wird der zel­lu­la­re Ansatz in [BKN2009], wobei des­sen begriff­li­che Defi­ni­ti­on in [Kies2015] und im Rah­men der Spe­zi­fi­ka­ti­on des Demons­tra­ti­ons­pro­jek­tes C/sells [Csells2015] wei­ter­ge­führt wur­de. Mit der Stu­die [PEF2016] wur­den Netz­maß­nah­men auf Basis des zel­lu­la­ren Ansat­zes so kal­ku­liert, dass der opti­ma­le volks­wirt­schaft­li­che Vor­teil in der Sum­me aller Akteu­re ent­steht.

Ener­gie­zel­len kön­nen auf ver­schie­de­nen Aggre­ga­ti­ons­ebe­nen defi­niert wer­den, wie zum Bei­spiel

  • Woh­nun­gen und Gewer­be­ein­hei­ten inner­halb von Gebäu­den,
  • Lie­gen­schaf­ten als Gebäu­de sowie Gewer­be- oder Indus­trie­area­le,
  • Stadt­quar­tie­re (inte­grier­ter Bereich einer Ort­schaft in gemisch­ter Bebau­ung bezüg­lich Woh­nen und Gewer­be mit gemein­sa­men Infra­struk­tu­ren),
  • Ort­schaft mit eige­nem Ver­tei­lungs­netz oder Regi­on mit Ver­bund von Ver­tei­lungs­net­zen,
  • Regi­on, Land und Staa­ten­ge­mein­schaft mit Regel­zo­nen im Über­tra­gungs­netz.

In die­sen Ebe­nen kön­nen sowohl hori­zon­ta­le Ver­bin­dun­gen als auch ver­ti­ka­le Struk­tu­ren bestehen, die sich auch teil­wei­se über­lap­pen. Die Zel­len bil­den auto­no­me Struk­tu­ren, die durch Ener­gie­ka­nä­le sowie Kom­mu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stel­len (Smart Grid Ver­bin­dungs­punkt) mit ihrer Umge­bung ver­bun­den sind. Die Schnitt­stel­len ver­bin­den ande­re Zel­len mit zell­in­ter­nen Kom­po­nen­ten, wobei ver­ein­bar­te Pro­zes­se und Pro­to­kol­le die Wirt­schaft­lich­keit für alle betei­lig­ten Akteu­re erhö­hen.

So ent­steht einer­seits die Ver­net­zung von Zel­len auf glei­cher Hier­ar­chie­ebe­ne mit regio­na­len Ener­gie­ex­port und -import und Infor­ma­ti­ons­flüs­sen über hori­zon­ta­le Ver­bin­dun­gen die­ser Ebe­ne. Es ent­steht aber auch eine Ver­net­zung über unter­schied­li­che Hier­ar­chie­stu­fen, wobei meh­re­re Zel­len einer ein­ge­bet­te­ten Ebe­ne zu einer Zel­le einer umfas­sen­de­ren Ebe­ne mit­tels ver­ti­ka­ler Ver­bin­dun­gen zusam­men­ge­führt wer­den. Die Zel­len die­ser neu­en Ebe­ne bil­den wie­der­um Ver­bün­de, die eben­so hori­zon­ta­le Ver­bin­dun­gen besit­zen.

Wäh­rend die hori­zon­ta­len und ver­ti­ka­len Ver­bin­dun­gen die bidi­rek­tio­na­len Ener­gie- und Infor­ma­ti­ons­flüs­se zwi­schen den Zel­len ermög­li­chen, sichert die Infor­ma­ti­ons­in­fra­struk­tur der Ener­gie­net­ze die Orga­ni­sa­ti­on der Ener­gie­flüs­se sowohl inner­halb von Zel­len sowie auch Zell­ver­bün­den als Gesamt­sys­tem.

Mit die­ser Struk­tur ist durch Bil­dung von Zell­ver­bün­den über Sys­tem­ebe­nen die Ent­wick­lung eines Ver­bund­sys­tems mög­lich, in dem sich sub­si­diä­re Ener­gie­kon­zep­te in loka­len Wohn- und Arbeits­um­fel­dern sowie in städ­ti­schen und regio­na­len Lebens­räu­men mit den Bestre­bun­gen nach euro­päi­schen Lösun­gen zur umfas­sen­den Raum­ent­wick­lung in inter­kon­ti­nen­ta­ler Ver­bin­dung nach Nord­afri­ka und Asi­en inte­grie­ren.

Energiezelle, Energiesystem und Energieorganismus
Ener­gie­zel­le und Ener­gie­or­ga­nis­mus

Aufbau einer Energiezelle

Die prin­zi­pi­el­le Struk­tur einer der­ar­ti­gen Zel­le wur­de in [VDE2015] spe­zi­fi­ziert, wobei dort der Begriff des Wand­lers genutzt wur­de. Das Ener­gie­sys­tem einer Zel­le besteht grund­sätz­lich nur aus Ener­gie­wand­lern, Ener­gie­spei­chern und Netz­tech­nik. Um die Nut­zung der tech­ni­schen Kate­go­ri­sie­rung von Ener­gie in

  • Pri­mär­ener­gie (z.B. Solar, Wind, Bio, Was­ser, Öl, Holz, usw.),
  • End­ener­gie (Elek­tri­zi­tät, Wär­me, Gas wie Methan oder Was­ser­stoff) und
  • Nut­zen­er­gie (Antrie­be, Schall, Licht, Infor­ma­ti­ons­tech­nik, Küh­lung, hydrau­li­scher Druck)

abzu­bil­den, wer­den fol­gen­de Kate­go­ri­en zur Ein­ord­nung von Ener­gie­sys­tem­kom­po­nen­ten in der Ener­gie­zel­le genutzt.

  • Netz­tech­nik, die über Lei­tungs- und Rohr­net­ze gelie­fer­te oder in der Zel­le erzeug­te End­ener­gie in Form von Elek­tri­zi­tät, Gas und Wär­me inner­halb der Zel­le wei­ter­ver­teilt,
  • Erzeu­gungs­wand­ler (i.A. Erzeu­ger), die über Ver­kehrs­mit­tel ange­lie­fer­te oder über Strah­lung zuge­führ­te Pri­mär­ener­gie inner­halb der Zel­le in eine der genann­ten End­ener­gie­for­men umwan­delt,
  • End­ener­gie­wand­ler zur Umwand­lung zwi­schen den End­ener­gie­for­men Elek­tri­zi­tät, Wär­me und Gas, um Fle­xi­bi­li­tät im Gesamt­sys­tem unter Nut­zung der ver­schie­de­nen Spei­cher­po­ten­tia­le zu erhö­hen,
  • Ener­gie­spei­cher zur tem­po­rä­ren Auf­be­wah­rung der End­ener­gie­for­men bis zur Nut­zung,
  • Last­wand­ler (Last oder Ener­gie­nut­zer benannt), der End­ener­gie in benö­tig­te Nut­zen­er­gie wan­delt.

Zur Steue­rung der Ener­gie­flüs­se inner­halb der Zel­le dient ein Kom­mu­ni­ka­ti­ons­sys­tem. Damit ver­bun­den stellt ein Gate­way als Smart Grid Ver­bin­dungs­punkt die geschütz­te Inter­ak­ti­on mit der Umge­bung, also die Ver­bin­dung mit ande­ren Zel­len sicher. Gate­way und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­sys­tem ste­hen in Ver­bin­dung mit einer Inte­gra­ti­ons­platt­form als koor­di­nie­ren­de Struk­tur der Infor­ma­ti­ons­in­fra­struk­tur.

Komponenten der Energiezelle
Kom­po­nen­ten der Ener­gie­zel­le

Verweise

[BMWi2014] Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Ener­gie: „Moder­ne Ver­tei­ler­net­ze für Deutsch­land“ (Ver­tei­ler­netz­stu­die). Abschluss­be­richt. Stu­die im Auf­trag des BMWi. Ber­lin, 12. Sep­tem­ber 2014

[BKN2009] B. Buch­holz, A. Kiess­ling, D. Nest­le: Indi­vi­du­al custo­mers” influ­ence on the ope­ra­ti­on of vir­tu­al power plants. Power & Ener­gy Socie­ty Gene­ral Mee­ting 2009. PES ’09, IEEE, Cal­ga­ry, 26–30 July 2009. ISSN: 1944–9925; Print ISBN: 978–1-4244–4241-6. Digi­tal Object Iden­ti­fier: 10.1109/PES.2009.5275401

[Csells2015] Smart Grids-Platt­form Baden-Würt­tem­berg e.V. (Ver­bund­ko­or­di­na­ti­on): C/sells — Groß­flä­chi­ges Schau­fens­ter im Solar­bo­gen Süd­deutsch­lands. Pro­jekt­skiz­ze im Rah­men der För­der­initia­ti­ve „Schau­fens­ter Intel­li­gen­te Ener­gie – Digi­ta­le Agen­da für die Ener­gie­wen­de“ (SINTEG) des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie (BMWi). Stutt­gart, Mai 2015

[DIGR2016] Digi­tal Grid — The “Inter­net of Ener­gy”: http://www.digitalgrid.org/en/ abge­ru­fen am 23.11.2016

[EY2013] Ernst & Young: Kos­ten-Nut­zen-Ana­ly­se für einen flä­chen­de­cken­den Ein­satz intel­li­gen­ter Zäh­ler. End­be­richt. Stu­die im Auf­trag des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Tech­no­lo­gie. Ber­lin, Juli 2013

[IZES2009] Ver­ant­wort­li­cher Kon­sor­ti­al­part­ner: IZES, Mit­wir­ken­de Kon­sor­ti­al­part­ner: Prof. U. Leprich, Gün­ther Frey, Eva Hau­ser (IZES); Prof. A. Jun­ker; C. Hell (Dorn­bach & Part­ner), U. Rosen (BET): Ergeb­nis­stu­die E-Ener­gy-Pro­jekt Modell­stadt Mann­heim (moma), Arbeits­schritt 1.4 – Geschäfts­mo­del­le und Vor­schlä­ge zu aus­ge­wähl­ten Busi­ness Cases. erschie­nen in moma. Mann­heim 15.12.2009

[Kies2015] Kieß­ling, Andre­as (Hrsg.); Hart­mann, Gun­nar: Ener­gie zyklisch den­ken. Etwa 130 S., E-Book (Ama­zon). Lei­men ISBN 978–3-00–047441-5. https://www.amazon.de/Energie-zyklisch-denken-Andr…

[OLEV2016] Effek­ti­vi­tät, Effi­zi­enz. Online-Ver­wal­tungs­le­xi­kon: http://www.olev.de/e/effekt.htm abge­ru­fen am 15.11.2016

[moma1201] Ver­ant­wort­li­cher Kon­sor­ti­al­part­ner: IZES; Mit­wir­ken­de Kon­sor­ti­al­part­ner: IZES: Klann, Uwe; Leprich, Uwe; PPC: Begas­se, Simon; Mül­ler, Chris­ti­ne; Wol­ski, Tho­mas; MVV: Kieß­ling, Andre­as; IWUS: Jun­ker, A.; Dorn­bach & Part­ner: Hell, C.; E-Ener­gy-Pro­jekt Modell­stadt Mann­heim (moma), Arbeits­schritt 1.8 – Stu­die zu Wirt­schafts­per­spek­ti­ven, 10.01.2012

[PEF2016] Pro­gnos, Ener­gie Cam­pus Nürn­berg, Fried­rich-Alex­an­der Uni­ver­si­tät Erlan­gen-Nürn­berg: Dezen­tra­li­tät und zel­lu­la­re Opti­mie­rung – Aus­wir­kun­gen auf den Netz­aus­bau­be­darf. Stu­die im Auf­trag der N-ERGIE Akti­en­ge­sell­schaft. Ber­lin und Nürn­berg. 7. Okto­ber 2016

[RELE2013] Rei­ner Lemoi­ne Insti­tut: Ver­gleich und Opti­mie­rung von zen­tral und dezen­tral ori­en­tier­ten Aus­baupfa­den zu einer Strom­ver­sor­gung aus Erneu­er­ba­ren Ener­gi­en in Deutsch­land. Stu­die im Auf­trag von Haleaka­la Stif­tung, 100 Pro­zent Erneu­er­bar Stif­tung, Bun­des­ver­band mit­tel­stän­di­sche Wirt­schaft. Ber­lin. 21. Okto­ber 2013

[VDE2015] VDEETG Task Force Grund­sätz­li­che Aus­le­gung neu­er Net­ze: Posi­ti­ons­pa­pier – Der zel­lu­la­re Ansatz, Grund­la­ge einer erfolg­rei­chen, regio­nen­über­grei­fen­den Ener­gie­wen­de. VDE-ETG-Stu­die. Hrsg. vom VDE-Ver­lag. Frank­furt 06/2015

[AA-Tem­pla­te] Mus­ter für Begriffs­de­fi­ni­tio­nen im WikiEn­ergy für den Blog “Ener­gie­zel­len — Doku­men­ta­ti­on der Ener­gie­wen­de” von Andre­as Kieß­ling
Andreas Kießling
Über Andreas Kießling 42 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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