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Große Ziele fürs kleine Netz

12.05.2015

Auf dem Campus der Universität Genua in Savona hat Siemens gemeinsam mit den Forschern der Hochschule ein Energienetz aus konventionellen und erneuerbaren Erzeugern sowie Stromspeichern aufgebaut. Ziel war es, ein Microgrid-Konzept für Städte zu entwickeln. Mit Erfolg: Auf der kommenden Weltausstellung in Mailand präsentieren Siemens und der italienische Energieversorger Enel das Smart Grid, das schon heute die Stromkosten der Uni Genua deutlich senkt.

Wie eine überdimensionierte Satellitenschüssel streckt sich der Parabolspiegel aus Metall dem blauen Himmel entgegen. Aber statt Fernsehprogrammen aus aller Welt empfängt er umweltfreundliche Energie von der Sonne und konzentriert sie in seinem Brennpunkt, in dem eine zirkulierende Flüssigkeit erhitzt wird.


Neue Energiekonzepte: Auf dem Campus der Universität Genua in Savona hat Siemens gemeinsam mit den Forschern der Hochschule ein Energienetz aus konventionellen und erneuerbaren Erzeugern sowie Stromspeichern aufgebaut. Ziel war es, ein Microgrid-Konzept für Städte zu entwickeln.

„Concentrated Solar Power“ (CSP) nennt sich das Verfahren, das neben CO2-freier Wärme auch nachhaltigen Strom liefert. Große CSP-Anlagen mit vielen Megawatt Leistungen stehen beispielsweise in den sonnenreichen Regionen Spaniens und Kaliforniens, lassen sich aber auch in kleinerem Maßstab mitten in einer Stadt einsetzen.

So wie hier in Savona, rund 45 Kilometer vom norditalienischen Genua entfernt: Die drei Parabolspiegel liefern drei Kilowatt elektrische und neun Kilowatt thermische Leistung. Sie sind Teil eines einzigartigen Projektes – des ersten Microgrids in Italien, das Anfang 2014 in Betrieb genommen wurde und als Referenz für ähnliche Lösungen für ganze Städte und Gebiete dienen soll.

In Zukunft sollen solche intelligenten Stromverteilnetze verschiedene konventionelle und erneuerbare Energiequellen, Stromspeicher und steuerbare Verbraucher integrieren und so eine ebenso umweltfreundliche wie sichere Versorgung garantieren. Die autarken Micro-Grids erzeugen die Energie nahe beim den Endkunden und sind ein unverzichtbarer Bestandteil für das dezentrale Energiesystem der Zukunft.

Dank Microgrid kann die Universität Genua rund die Hälfte ihres jährlichen Energiebedarfs von einer Gigawattstunde selbst erzeugen

Siemens arbeitet mit Forschungspartnern wie der Universität Genua weltweit an neuen Lösungen für solche Micro Grids, die in den kommenden Jahren Gemeinden, Städte und Unternehmen versorgen sollen. Das „Smart Polygeneration Microgrid“ (SPM) ist ein gemeinsames Projekt der Universität Genua und des italienischen Forschungsministeriums, das die Kosten in Höhe von 2,4 Millionen Euro übernommen hat. Siemens erhielt den Auftrag, das komplette System aufzubauen.

In der Vergangenheit bezog der Campus seine elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz und betrieb parallel dazu eine große Erdgasheizung mit zwei Kesseln. Seit dem Start des Microgrids erzeugt die Außenstelle der Universität Genua rund die Hälfte ihres jährlichen Energiebedarfs von einer Gigawattstunde selbst – wozu neben den drei CSP-Parabolspiegeln auch eine Photovoltaik-Anlage mit 80 Kilowatt Spitzenleistung und drei Mikro-Gasturbinen mit 250 Kilowatt elektrischer und 300 Kilowatt thermischer Leistung beitragen. Weitere Bestandteile des Systems sind Absorptionskältemaschinen für die Wärme- und Kälteproduktion, zwei Ladestationen für Elektrofahrzeuge, zwei Speicher für Wärmeenergie sowie Natrium-Nickel-Batterien mit 100 Kilowattstunden Kapazität, die den Campus drei Stunden lang mit Strom versorgen können – etwa wenn Wind und Sonne keine Energie liefern und der aktuelle Gaspreis gerade vergleichsweise hoch ist.

Echtzeitüberwachung aller Energieflüsse dank DEMS von Siemens

Noch versorgt das SPM nur den Campus der Universität Genua in Savona. „Aber unser Campus ähnelt sehr einem kompletten Stadtbezirk, denn hier gibt es Wohnungen, Büros, eine Kantine und Werkstätten“, erklärt Professor Federico Delfino, Leiter des Projektes. „Insgesamt stehen auf unserem 60.000 Quadratmeter großen Gelände zehn Gebäude, die täglich von rund 1.700 Studenten genutzt werden.“

Herzstück des SPM ist der SICAM Microgrid Manager. Er führt das intelligente Energiemanagement (Decentral Energy Management System, DEMS) und die SCADA Lösung SICAM PAS zusammen. Das Dezentrale Energiemanagementsystem (DEMS) von Siemens überwacht mit Hilfe intelligenter Stromzähler (Smart Meter) alle Energieflüsse in Echtzeit und steuert den optimalen Betrieb aller Energieerzeuger.

Das System erstellt aus historischen Daten und aktuellen Informationen – etwa über einen bevorstehenden energieintensiven Versuch in einem der Labore – eine Voraussage über den Energieverbrauch. Gleichzeitig berechnet es mithilfe der Wettervorhersage eine in 80 Prozent der Fälle zutreffende Prognose über die Ausbeute der erneuerbaren Energiequellen und kann so den Einsatz der Gasturbinen rechtzeitig planen. Bei ausreichendem Angebot lädt das DEMS auch die Energiespeicher des SPM auf, um Energieverbrauch und -Kosten weiter zu verringern.

„Die Steuerung ist besonders anspruchsvoll, weil wir ein elektrisches und ein thermisches System gleichzeitig optimieren müssen“, sagt Delfino. „In dieser Hinsicht ist unser SPM sogar in internationalem Maßstab ein Pionierprojekt.“

SCADA-System überwacht, visualisiert und steuert ganze Anlagen

Zu den größten Herausforderungen des Projektes gehörte es, die Informationen aller Systemkomponenten zentral zusammenzuführen. Zwar definiert die Norm IEC 61850-7-420 ein Protokoll für die Kommunikation von Smart Grid-Bestandteilen – aber die Hersteller von Niederspannungskomponenten bevorzugen einfachere Standards, so dass die eingesetzten Geräte, Sensoren und Aktuatoren zunächst keine gemeinsame „Sprache“ hatten. Hinzu kam, dass sie für den Einsatz proprietärer Überwachungsprogramme ausgelegt waren und nicht ohne Weiteres mit einem zentralen SCADA-Programm zusammen arbeiten konnten – SCADA steht für „Supervisory Control and Data Acquisition“ und beschreibt Computersysteme, die gesamte Anlagen überwachen, visualisieren und steuern. In Savona kommt dafür SICAM PAS auf Basis der SIMATIC WinCC-Plattform von Siemens zum Einsatz, das alle Komponenten überwacht, steuert und ihren Zustand grafisch darstellt. „Um die Kommunikations-Probleme zu lösen, haben wir elektronische Schaltungen entwickelt und überall auf dem Campus installiert, die die unterschiedlichen Protokolle der einzelnen Geräte in den Standard IEC 61850-7-420 übersetzen“, berichtet Delfino. „Dadurch haben wir jetzt keine Verständigungsschwierigkeiten mehr.“

Universität Genua senkt Energiekosten von 300.000 auf 200.000 Euro pro Jahr

Nach einem knappen Jahr sind die Forscher mit den Ergebnissen des Projektes mehr als zufrieden. Und auch die Uni profitiert von dem Microgrid: „Wir können schon jetzt die Hälfte unserer Energie selbst produzieren, und das SPM ist so ausgelegt, dass wir in Zukunft noch mehr Erneuerbare integrieren und dann den Campus sogar komplett versorgen könnten – diese Autarkie ist vor allem dort wichtig, wo es kein oder nur ein schwaches öffentliches Netz gibt“, berichtet Delfino.

„Außerdem ist unsere Energierechnung von 300.000 Euro auf 200.000 Euro pro Jahr gesunken, und unsere CO2-Emissionen sind von 820 auf 700 Tonnen zurückgegangen.“ Aus seiner Sicht ist die Machbarkeit eines Microgrids damit erwiesen – jetzt komme es darauf an, neue Projekte in größerem Maßstab umzusetzen. Darum hat er bereits Kontakt mit italienischen Städten aufgenommen und empfängt regelmäßig Besucher aus aller Welt, unter anderem aus China, Saudi-Arabien und Südkorea.

Auch für Bernd Koch, bei Siemens verantwortlich für den Aufbau des Geschäftes mit Microgrids, steht dem kommerziellen Einsatz dieser intelligenten Energiesysteme nichts mehr im Weg: „In Savona haben wir nur Komponenten eingesetzt, die man heute schon kaufen kann“, betont er. „Die eingesetzten Algorithmen für den Betrieb der Anlage laufen sehr zuverlässig, und auch sonst hat das SPM unsere Erwartungen teilweise deutlich übertroffen.“ Um die neue Technologie möglichst schnell in den Markt zu bringen, beteiligt sich Siemens an weiteren Referenzprojekten – etwa am British Columbia Institute of Technology in Vancouver und an der University Newcastle. In Kanada besteht das Netz nur aus Solarzellen und Energiespeichern wie Batterien und E-Autos und kommt ganz ohne fossile Erzeuger aus. In Großbritannien stehen die Messdatenerfassung und Netzführung in Verteilnetzen im Vordergrund – sie ist die Basis, um neue Algorithmen für eine optimale Netzsteuerung zu verifizieren.

Expo Mailand präsentiert das intelligente Energienetz der Zukunft

Die breite Öffentlichkeit kann sich auf der kommenden Weltausstellung Expo 2015 in Mailand (1. Mai bis 31. Oktober) ein eigenes Bild von den intelligenten Energienetzen der Zukunft machen. Der italienische Energieversorger Enel wird auf dem Ausstellungsgelände mit Siemens-Technik ein Smart Grid aufbauen, das alle Pavillons, das Verteilnetz sowie Ladestationen für Elektrofahrzeuge umfasst. Smart Meter liefern in Echtzeit Informationen über den Stromverbrauch, ein SCADA-System kontrolliert und visualisiert das gesamte Netz, und das Siemens-Gebäudeautomationssystem DESIGO optimiert den Energieverbrauch aller Pavillons. Die Besucher können verfolgen, welche Energiequellen gerade zur Versorgung der Weltausstellung beitragen und wie intelligent steuerbare Verbraucher die Effizienz des gesamten Systems verbessern. Und ein „Smart City Control Centre“ zeigt, wie sich in Zukunft die Energieverteilung in ganzen Städten optimal steuern lässt.

Die Vorarbeiten dafür haben Siemens und die Forscher Genua bereits geleistet: „Unser Microgrid lässt sich relativ einfach auch für eine kleine Stadt oder einen großen Stadtbezirk einsetzen“, so Delfino.

www.siemens.com

Christian Buck | Siemens - Pictures of the Future

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