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Informations- und Kommunikations­technik

Informations- und Kommunikationstechnik

Die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) bietet die daten- und kommunikationstechnischen Grundlagen für die automatisierte Nutzung und Vermarktung von Energieflexibilität in Produktionsprozessen und Produktionsinfrastruktur als Antwort auf volatile Energieangebote. Durch die entwickelte Energiesynchronisationsplattform, welche eine branchenübergreifende Lösung zum automatisierten und standardisierten Energieflexibilitätshandel darstellt, trägt die IKT zur Synchronisierung der industriellen Energienachfrage mit dem zunehmend fluktuierenden Energieangebot bei.

Fraunhofer IPA, Fraunhofer IGCV und FIM/FIT
Aufbau der Energiesynchronisationsplattform zur Automatisierung und Standardisierung des Energieflexibilitätshandels

Dabei müssen insbesondere die technologisch weit auseinanderliegenden Welten von Unternehmen auf der einen Seite und Markt- und Stromanbietersystemen auf der anderen Seite miteinander verbunden werden, wobei beide Seiten sowohl die Rolle des Lieferanten, als auch die des Kunden, einnehmen können. Unternehmen sind Energiekunden, aber auch Lieferanten von Flexibilitätspotenzialen. Akteure in Markt- und Stromsystemen sind u.a. Energielieferanten und Netzbetreiber, können aber auch Kunden für Flexibilitätspotenziale sein. Um die daraus resultierende Komplexität beherrschbar zu machen, ist die Energiesynchronisationsplattform aus aufeinander abgestimmten Unternehmensplattformen und einer Marktplattform zusammensetzt. Somit können Technologien und Methoden, die für jeweils nur eine Seite relevant sind, geschützt bleiben, ohne das Gesamtsystem in seiner Leistungsfähigkeit und Transparenz zu beeinträchtigen.

Die Aufgabe der Energiesynchronisationsplattform (siehe Abbildung zum Aufbau der Energiesynchronisationsplattform) besteht darin, die Möglichkeiten von energieflexiblen Fabriken effizient mit den aktuellen und zukünftigen Anforderungen und Bedarfen des Markt- und Stromsystems zu verknüpfen. Dabei gilt es, neben dem Angebot eines abrufbasierten, nachfrageseitigen Lastausgleichs eine effiziente Beschaffung über die unterschiedlichen Energiemärkte (Strombörse, Regelleistungsmarkt, lokale Märkte, etc.) in einem System mit einem hohen Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energieträger zu etablieren. Durch die enge Verbindung zwischen Produktionsunternehmen und Stromsystem wird die Generierung eines volkswirtschaftlichen Mehrwerts angestrebt, der die Herausforderungen der volatilen Einspeisung durch Informations- und Kommunikationstechnik unter ökonomischen Gesichtspunkten handhab- und beherrschbar macht.

Software AG
Demonstration der Energiesynchronisationsplattform auf der CeBIT
Fraunhofer IPA
Ziel und Vision der Energiesynchronisationsplattform
Fraunhofer IPA, FIM/FIT und TRIMET SE
Virtualisierung der Flexibilität ermöglicht verteilte Automatisierung durch Services
Fraunhofer IPA
Die Energiesynchronisationsplattform ermöglicht energetische Bewertungen von Produktionsalternativen

Ergebnisse

Das Konzept der Energiesynchronisationsplattform beschreibt die Architektur aus Komponenten, Schnittstellen und Datenmodellen zur Automatisierung und Standardisierung des Energieflexibilitätshandels sowie die Integration der relevanten Stakeholder. Umgesetzt wird das Konzept der Energiesynchronisationsplattform durch die Unternehmensplattform und Marktplattform.

Die Energiesynchronisationsplattform gliedert sich in zwei Teilplattformen, die Unternehmensplattform und die Marktplattform, die über eine Schnittstelle zum Datenaustausch und zur Interaktion befähigt sind. Die Energiesynchronisationsplattform beschreibt damit das Zusammenspiel mehrerer Unternehmensplattformen auf einer zentralen Marktplattform, um informationstechnisch unterstützten Energieflexibilitätshandel transparent durchzuführen. Eine Unternehmensplattform bietet hierfür in einer service-orientierten Infrastruktur die notwendigen Funktionalitäten für die informationstechnische Anbindung und die Ansteuerung von energieflexiblen Produktionsprozessen und -infrastruktur. Die Marktplattform ist eine Meta-Plattform für den Energieflexibilitätshandel durch eine Service-Broker-Architektur, die es ermöglicht, verschiedene Energieflexibilitätsmärkte und Services anzubinden und anzusteuern.

Die Aufteilung der Energiesynchronisationsplattform in zwei logische Plattformtypen ist notwendig, um deren spezifisches Domänenwissen sowie die Technologien und Methoden sicher zu kapseln, ohne den Betrieb und die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu beeinträchtigen. Die Energiesynchronisationsplattform stellt dabei den übergeordneten Rahmen für die Zusammenarbeit der Unternehmensplattform und der Marktplattform dar. In diesem globalen Rahmen werden Stakeholder, technische Schnittstellen, Datenflüsse und Regularien für eine erfolgreiche Interaktion und Integration der eigentlichen Softwareplattformen, namentlich der Unternehmensplattform und Marktplattform, definiert.

Die Energiesynchronisationsplattform sieht mehrere parallel existierende Unternehmensplattformen vor, welche z. B. die Flexibilität von angeschlossenen energieflexiblen Anlagen und Prozessen bereitstellen. Für die Bereitstellung und Orchestrierung sind verschiedene Services auf der Unternehmensplattform notwendig. Demgegenüber steht als Intermediär eine mit allen Unternehmensplattformen über eine uniforme Schnittstelle kommunizierende Marktplattform. Durch den Aufbau der Marktplattform als Meta-Plattform wird für Unternehmen der Zugriff auf eine Vielzahl existierender und zukünftiger Märkte sowie Plattformen und unterstützender Services ermöglicht. Damit Unternehmen Flexibilität vermarkten können, werden auch über die Marktplattform verschiedene Services bereitgestellt und ausgeführt. Diese unterstützen die Unternehmen in verschiedenen Aspekten der Flexibilitätsbereitstellung, der Flexibilitätsbewertung und des Energieflexibilitätshandels.

Das Energieflexibilitätsdatenmodell stellt die Grundlage für die Kommunikation von Flexibilitäten zwischen Unternehmen und Energiemärkten dar. Es bildet durch seine standardisierte Form den zentralen Dreh- und Angelpunkt der Energiesynchronisationsplattform (siehe Abbildung). Aufgebaut ist das Energieflexibiliätsdatenmodell aus diversen Kennzahlen, um den Lastgang bzw. die Flexibilität energieflexibler Produktionsanlagen zu beschreiben.

Ein Energieflexibilitätsdatenmodell (kurz EFDM) beschreibt generisch mit Hilfe von Kennzahlen und technischen Parametern die potentiellen Möglichkeiten eines energieflexiblen Systems seine Leistung vom Referenzbetrieb zu variieren. Dieses technische energieflexible System wird mit den Klassen „flexible Leistung“, „Energiespeicher“ und „Abhängigkeit“ modelliert. Über die Ausprägung der Kennzahlen der genannten Klassen werden die Freiheitsgrade der Energieflexibilität beschrieben und eingeschränkt. Damit werden die zulässigen Möglichkeiten des technischen Systems seine Leistung zu variieren als Flexibilitätsraum beschrieben. Neben den drei genannten Klassen zur Beschreibung des Flexibilitätsraums eines Systems, gibt es im EFDM auch die Klasse „Energieflexibilitätsmaßnahme“, die eine konkrete Leistungsänderung des Systems innerhalb seines Flexibilitätsraums beschreibt. Das EFDM besteht in Summe aus 35 Kennzahlen, zu denen beispielsweise die möglichen Leistungszustände, die nutzbare Speicherkapazität eines Speichers, Reaktionszeiten, Kosten oder die temporäre Gültigkeit zählen. Die Kennzahlen des EFDMs können je nach IT-Systemen und Digitalisierungsgrad der Fabrik manuell oder (halb-)automatisch bestimmt werden. Durch die generische Modellierung von Energieflexibilitäten ist das EFDM unabhängig von marktseitigen oder regulatorischen Änderungen und damit für das zukünftige Strom- und Marktsystem gerüstet.

Das EFDM wird mittels Services auf der Unternehmensplattform generiert und stellt die Grundlage für die Modellierung und Kommunikation von Energieflexibilität dar. Durch die Standardisierung ist eine durchgängige Kommunikation von der Anlage/Maschine über die Marktplattform bis zum (Flexibilitäts-)Markt möglich. Zudem können verschiedene Services der beiden Plattformen mit dem EFDM interagieren, um die Fertigung ohne Einschränkungen energieflexibel zu gestalten. Beispielsweise ist es mit dem Service „Flexibilitätseinsatzplanungstool“ auf der Marktplattform möglich, eine marktseitige Optimierung auf der Marktplattform möglich, um den Einsatz von Flexibilitäten zu optimieren. Das EFDM wird in der Praxis in verschiedenen Demonstratoren und der energieflexiblen Fabriken der Modellregion Augsburg erprobt und auf Herz und Nieren getestet.

Abhängig vom Anwendungsfall sind verschiedene Services notwendig, die individuell zusammengestellt und verknüpft werden können. Erste Services für die Markt- und Unternehmensplattform wurden bereits konzipiert und entwickelt sowie über die Servicekataloge der beiden Plattformen bereitgestellt.

Je nach Komplexität des Anwendungsfalls muss auch die Komplexität der genutzten Services sowie deren Zusammenstellung angepasst werden. Dabei werden Services aus diversen Kategorien genutzt, um produzierenden Unternehmen den Handel von Energieflexibilität zu ermöglichen (siehe Abbildung):

  • Verwaltend (z.B. Management von Energieflexibilität im Unternehmen)
  • Planend (z.B. Berücksichtigung von Energieflexibilität bei der Produktionsplanung und –steuerung)
  • Optimierend (z.B. Einsatz einer Energieflexibilität auf dem idealen Markt)
  • Prognostizierend (z.B. Prognose von Strommarktpreisen)

Letztlich ermöglicht die Virtualisierung der Flexibilität, also die Abbildung über das Energieflexibilitätsdatenmodell und die anschließende Verarbeitung in Services, eine verteilte Automatisierung.

Die ETA-Fabrik ist eine Lern- und Forschungsfabrik am PTW der TU Darmstadt. Energieflexible Anlagen der Produktionsinfrastruktur wurden mittels des smarten Konnektors an die Unternehmensplattform angebunden. Diese Integration ermöglicht eine Interaktion mit diversen Optimierungsservices sowie die Vorbereitung der Vermarktung der Energieflexibilität.

Um den Einsatz der Unternehmensplattform in vollem Funktionsumfang an den realen Anlagen der ETA Fabrik testen zu können, wurde eine Kommunikationsarchitektur etabliert, die alle bisher im Projekt entwickelten Komponenten beinhaltet. Damit ist es anschließend möglich, die funktionale Interaktion zwischen den Komponenten zu überprüfen.

Die Abbildung zeigt das Schema für die konkrete Umsetzung in der ETA Fabrik. Auf der Feldebene werden die Zustandsdaten der Anlagen über das im Arbeitsgebiet Produktionsinfrastruktur entwickelte Energieflexibilitätsgateway oder bestehende Steuerungen der Gebäudeautomation aufgenommen und an den Smarten Konnektor gesendet. Die Übertragung von Sensordaten der Gebäudeautomation wurde über OPC UA realisiert, während die Daten des Energieflexibilitätsgateways über MQTT an den Smarten Konnektor verschickt werden. Der Smarte Konnektor arbeitet dabei auf einer gekapselten und extra gesicherten Umgebung am PTW in Darmstadt, um zu verhindern, dass Maschinen und Anlagen der ETA-Fabrik unkontrolliert von außerhalb gesteuert werden können. Ähnliche Bedenken können auch Industrieunternehmen bei der Integration von externen Optimierungsservices haben, weshalb dieses Problem explizit im SynErgie Projekt adressiert wurde.

Hierbei wird ein schaltender Zugriff allerdings nicht kategorisch ausgeschlossen, sondern lediglich limitiert. So sind nur freigegebene Variablen überschreibbar und auch dieser Schreibzugang kann bei Bedarf unterbrochen werden. Für den externen Zugriff wurden Systemvariablen in der Gebäudeautomation der ETA-Fabrik angelegt, um die anlageninternen Sicherheitsfunktionen nichtaußer Kraft zu setzen.
Auf dem Smarten Konnektor werden die Energieflexibilitätskennzahlen für die unterschiedlichen Use Cases der ETA-Fabrik berechnet. Hierfür wurde in enger Abstimmung mit dem Fraunhofer IPA eine Logik zur Berechnung einzelner Kennzahlen aus den Maschinendaten implementiert. Die Kennzahlen werden anschließend über eine Remoteverbindung an die Unternehmensplattform übertragen, wo anschließend eine Betriebsstrategieoptimierung erfolgen kann.