DE102012221291A1

DE102012221291A1 - Multi-modales Netz und Verfahren zur Verteilung von Ressourcen in einem multi-modalen Netz

Info

Publication number: DE102012221291A1
Application number: DE102012221291.4A
Authority: DE
Inventors: Silvio Becher; Dr. Metzger Michael; Jochen Schäfer; Dr. Sollacher Rudolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-05-22
Also published as: CN104781838A; EP2904554A1; WO2014079605A1; US20150286973A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein multi-modales Netz zur Verteilung von Ressourcen, wobei das Netz mehrere Subnetze (SN1, SN2) umfasst, wobei zumindest zwei Subnetze (SN1, SN2) voneinander unterschiedliche Ressourcen verteilen und die Ressource eines jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) ausgewählt ist aus fossilem Brennstoff, elektrischer Energie, Wasser, Wärme und Kälte, wobei die Subnetze (SN1, SN2) eine Mehrzahl von Ressourcenverarbeitungseinheiten umfassen, wobei zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Umwandlungseinheiten (TU) sind, welche die Subnetze (SN1, SN2) untereinander koppeln und die Ressourcen eines oder mehrerer Subnetze (SN1, SN2) in eine oder mehrere andere Ressourcen eines oder mehrerer anderer Subnetze (SN1, SN2) wandeln, und wobei zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Ressourcenverbrauchs- und/oder Ressourcenbereitstellungseinheiten sind. Den Ressourcenverarbeitungseinheiten ist jeweils zumindest ein Agent (PA) zugeordnet, wobei die Agenten (PA) derart untereinander vernetzt sind, dass jeder Agent (PA) mit anderen Agenten (PA) im Netz kommunizieren kann. Das Netz ist dabei derart ausgestaltet, dass die Verteilung der Ressourcen im Netz zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten (PA) ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein multi-modales Netz zur Verteilung von Ressourcen und ein Verfahren zur Verteilung von Ressourcen in einem solchen multi-modalen Netz.
Multi-modale Netze bestehen aus mehreren Subnetzen, welche unterschiedliche Ressourcen in der Form von fossilem Brennstoff, elektrischer Energie, Wasser, Wärme und Kälte über Ressourcenverarbeitungseinheiten verteilen. Die Subnetze sind dabei über Umwandlungseinheiten miteinander gekoppelt, welche die verschiedenen Ressourcen der Subnetze ineinander wandeln. Dabei sind bis dato keine Mechanismen bekannt, wie die Ressourcenverteilung in einem multi-modalen Netz über die Subnetze hinweg einfach und effizient durchgeführt werden kann
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein multi-modales Netz zu schaffen, welches den obigen Anforderungen gerecht wird.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße multi-modale Netz umfasst mehrere Subnetze, wobei zumindest zwei Subnetze voneinander unterschiedliche Ressourcen verteilen und die Ressource eines jeweiligen Subnetzes ausgewählt ist aus fossilem Brennstoff, elektrischer Energie, Wasser, Wärme und Kälte. Die Subnetze umfassen eine Mehrzahl von Ressourcenverarbeitungseinheiten, wobei zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Umwandlungseinheiten sind, welche die Subnetze untereinander koppeln und die Ressourcen eines oder mehrerer Subnetze in eine oder mehrere andere Ressourcen eines oder mehrerer anderer Subnetze wandeln. Die Umwandlungseinheiten sind somit Einheiten, welche zu zumindest zwei Subnetzen gehören. Ferner sind zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Ressourcenverbrauchs- und/oder Ressourcenbereitstellungseinheiten. Eine Ressourcenverarbeitungseinheit kann dabei gegebenenfalls eine Kombination aus einer Umwandlungseinheit und einer Ressourcenverbrauchs- und/oder Ressourcenbereitstellungseinheit sein. Den Ressourcenverarbeitungseinheiten ist jeweils zumindest ein Agent zugeordnet, wobei die Agenten derart untereinander vernetzt sind, dass jeder Agent mit anderen Agenten im Netz kommunizieren kann. Das erfindungsgemäße Netz ist dabei derart ausgestaltet ist, dass die Verteilung der Ressourcen im Netz zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.
Erfindungsgemäß setzt jeder Wechsel des Ressourcenabgabe oder der Ressourcenaufnahme einen Handelsakt voraus, wodurch große Balancefehler vermieden werden. Um diese Kopplung zwischen Ressourcenabgabe bzw. Ressourcenaufnahme und monetärem Akt praktikabel zu machen, können zwischen Ressourcenverarbeitungseinheiten Verträge verschiedenster Art geschlossen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine geeignete Verteilung von Ressourcen basierend auf Marktmechanismen von Angebot und Nachfrage an Ressourcen erreicht. Die monetären Transaktionen stellen hierbei insbesondere ausgehandelte Verträge zwischen einzelnen Agenten dar, mit denen der Verkauf bzw. Kauf von bestimmten Mengen an Ressourcen festgelegt wird. Diese Verträge beinhalten somit auch den Preis, zu dem die Ressource von einem Agenten verkauft und vom anderen Agenten gekauft wird.
Gemäß der Erfindung wird die Ressourcenverteilung selbstorganisierend dadurch geregelt, dass die Agenten die Funktionalität des Aushandelns von monetären Transaktionen beinhalten. Hierdurch wird auf einfache Weise eine dezentral geregelte, selbstorganisierende Verteilung von verschiedenen Ressourcen in einem multi-modalen Netz erreicht.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung umfassen die Subnetze ein elektrisches Energienetz und/oder ein Wasserverteilnetz und/oder ein Gasverteilnetz und/oder ein Fernwärmenetz und/oder ein Fernkältenetz. Ferner umfassen in einer weiteren Ausführungsform zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten und insbesondere zumindest ein Teil der Umwandlungseinheiten einen oder mehrere Ressourcenspeicher. Auf diese Weise kann eine Zwischenspeicherung von bereitzustellenden bzw. bezogenen Ressourcen erreicht werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Netzes umfasst zumindest eine Umwandlungseinheit ein Blockheizkraftwerk zur Umwandlung der Ressource fossiler Brennstoff und insbesondere Gas in die Ressourcen Wärme und elektrische Energie. Ebenso kann zumindest eine Umwandlungseinheit eine Kältekompressionseinheit zur Umwandlung der Ressource fossiler Brennstoff und/oder elektrische Energie in die Ressource Kälte umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest eine Umwandlungseinheit eine Wasseraufbereitungseinheit zur Aufbereitung von Wasser (z.B. Meerwasser) unter Nutzung von elektrischer Energie und/oder Wärme und/oder eines fossilen Brennstoffs in aufbereitetes Wasser und insbesondere in Trinkwasser, wobei die Wasseraufbereitungseinheit vorzugsweise einen Speicher zur Speicherung von Wasser aus einem Wasserverteilnetz umfasst. Die Wasseraufbereitungseinheit koppelt somit ein oder mehrere Subnetze, welche die Ressourcen elektrische Energie und/oder Wärme und/oder fossiler Brennstoff verteilen, mit einem Subnetz, welches (bereits aufbereitetes) Wasser und insbesondere Trinkwasser verteilt. Vorzugsweise kann in dieser Variante basierend auf den Preisen für Trinkwasser bzw. elektrische Energie und/oder Wärme und/oder fossilen Brennstoff entschieden werden, ob Wasser aus dem Wasserverteilnetz bezogen wird oder über die Wasseraufbereitungsanlage erzeugt wird. In der Regel wird die preislich günstigere Variante gewählt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Netzes steuert der jeweilige Agent einer oder mehrerer der Umwandlungseinheiten die Umwandlung von einer oder mehreren Ressourcen in eine oder mehrere andere Ressourcen in Abhängigkeit von einem oder mehreren Optimierungskriterien, wobei das oder die Optimierungskriterien vorzugsweise variable Preise der bei der Umwandlung beteiligten Ressourcen berücksichtigt. Vorzugsweise umfassen das oder die Optimierungskriterien einen möglichst hohen monetären Gewinn für die entsprechende Umwandlungseinheit als Kriterium.
Zur Durchführung der obigen monetären Transaktionen weist jeder Agent im Netz vorzugsweise eine Transaktionseinheit auf, welche automatisch Preise mit anderen Agenten für das Bereitstellen und/oder den Bezug von Ressourcen aushandelt und entsprechende Verträge abschließt. Ein einer jeweiligen Ressourcenverarbeitungseinheit zugeordneter Agent umfasst vorzugsweise auch eine Ressourcenmess- und/oder Ressourcensteuereinheit zum Messen und/oder Steuern der von der jeweiligen Ressourcenverarbeitungseinheit gewandelten und/oder verbrauchten und/oder bereitgestellten Ressourcen, um hierdurch zu bestimmen, ob bzw. wie viel Ressourcen im Netz zum Verkauf angeboten werden können bzw. durch Kauf erworben werden sollten.
Jeder Agent umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen, insbesondere eine externe Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit anderen Agenten und/oder eine interne Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der oder den Ressourcenverarbeitungseinheiten, denen der jeweilige Agent zugeordnet ist.
Um einen einfachen Zugriff eines Benutzers auf die Einstellungen des Agenten zu ermöglichen, umfasst jeder Agent in einer bevorzugten Variante der Erfindung eine oder mehrere Benutzerschnittstellen zum Zugriff und zur Einstellung von Parametern des jeweiligen Agenten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders einfache Überprüfung der Parameter eines Agenten dadurch ermöglicht, dass ein jeweiliger Agent automatisch Berichte über seinen Zustand generiert. Diese Berichte können dann beispielsweise über entsprechende Benutzerschnittstellen von einem Benutzer eingesehen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Aushandeln der monetären Transaktionen durch eine zentrale Einheit in jedem Subnetz geregelt. Es handelt sich hierbei um eine lokale Ressourcen-Balance-Einheit, welche vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass sie Angebote und Anfragen der Agenten für die Ressource des jeweiligen Subnetzes sammelt und basierend auf den Angeboten und Anfragen Käufe und Verkäufe von Ressourcen zwischen den Agenten vermittelt. Auf diese Weise wird eine zentrale Handelsplattform nach Art einer Börse geschaffen, auf der die Ressource im jeweiligen Subnetz als Handelsgut gehandelt wird. Somit wird auf einfache Weise durch Marktmechanismen eine geeignete Verteilung der Ressourcen im jeweiligen Subnetz erreicht.
Um in dem Energienetz eine möglichst große Anzahl an Transaktionen zu einem bestimmten Zeitpunkt durchzuführen, ist die Ressourcen-Balance-Einheit in einer bevorzugten Ausführungsform derart ausgestaltet, dass sie einen Ressourcenpreis für die Ressource des jeweiligen Subnetzes berechnet, zu dem die größte Anzahl an monetären Transaktionen zwischen den Agenten des jeweiligen Subnetzes stattfindet. Dieser Preis wird als Markt-Clearing-Preis bezeichnet, wobei dessen Berechnung in der detaillierten Beschreibung näher erläutert ist. Basierend auf diesem Ressourcenpreis vermittelt die Ressourcen-Balance- Einheit dann die Käufe und Verkäufe von Energie.
Ferner ist die Ressourcen-Balance-Einheit vorzugsweise derart ausgestaltet, dass auf diese Einheit durch die Agenten des jeweiligen Subnetzes zugegriffen werden kann, um die durch die Ressourcen-Balance-Einheit vermittelten Transaktionen einzusehen. Um gegebenenfalls auch Transaktionen außerhalb des jeweiligen Subnetzes durchzuführen, ist die Ressourcen- Balance-Einheit in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung derart ausgestaltet, dass sie die Ressourcen-Balance-Einheiten von anderen Subnetzen kontaktieren kann, um Ressourcen den anderen Subnetzen bereitzustellen oder von diesen zu beziehen.
Um Missbräuche bei der Durchführung von Transaktionen zur Ressourcenverteilung und von monetären Transaktionen zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung ferner eine Überwachungseinheit in dem Netz vorgesehen. Diese Einheit überwacht die Durchführung der monetären Transaktionen und die darauf basierende Bereitstellung und den darauf basierenden Verbrauch und die darauf basierende Umwandlung von Ressourcen durch die Ressourcenverarbeitungseinheiten. Die Überwachungseinheit hat hierbei die Berechtigung, bei Vorliegen vorbestimmter Kriterien Gegenmaßnahmen einzuleiten. Solche Kriterien sind insbesondere erkannte Missbrauchsfälle oder Notfallsituationen. Beispielsweise muss bei Ressourcenknappheit sichergestellt werden, dass die noch zur Verfügung stehenden Ressourcen (z.B. elektrische Energie) zunächst an öffentliche Einheiten, wie z.B. Krankenhäuser, verteilt wird, bevor sie anderen industriellen Anlagen bereitgestellt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die von der Überwachungseinheit durchführbaren Gegenmaßnahmen die Verminderung und/oder Erhöhung der durch eine jeweilige Ressourcenverarbeitungseinheit bereitgestellten und/oder verbrauchten und/oder umgewandelten Ressource und/oder die Ausgabe eines entsprechenden Befehls zur Verminderung und/oder Erhöhung der durch eine jeweilige Ressourcenverarbeitungseinheit bereitgestellten und/oder verbrauchten und/oder umgewandelten Ressource, insbesondere kann die Gegenmaßnahme auch die komplette Abschaltung einer jeweiligen Ressourcenverarbeitungseinheit umfassen.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen die Agenten jeweils elektronische Siegel zur Vermeidung von Manipulationen der Agenten auf, wobei die Überwachungseinheit in diesem Fall vorzugsweise die Berechtigung hat, die elektronischen Siegel der Agenten zu überprüfen. Darüber hinaus hat in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Überwachungseinheit die Berechtigung, Anzeigen von vermuteten Missbräuchen entgegenzunehmen und Untersuchungen betreffend vermutete Missbräuche durchzuführen und/oder einzuleiten.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in jedem Subnetz ferner eine Verwaltungseinheit zur Verwaltung der zu dem jeweiligen Subnetz gehörenden Ressourcenverarbeitungseinheiten und deren Agenten vorgesehen. Die Verwaltungseinheit ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie Agenten im jeweiligen Subnetz registriert und/oder abmeldet. Auf diese Weise ist in der Verwaltungseinheit hinterlegt, wie viele und welche Ressourcenverarbeitungseinheiten an dem jeweiligen Subnetz beteiligt sind. Insbesondere ist die Verwaltungseinheit derart ausgestaltet, dass sie über eine Schnittstelle, insbesondere eine Webseite, Informationen über das jeweilige Subnetz bereitstellt und die Registrierung und/oder das Abmelden von Agenten ermöglicht.
Vorzugsweise ist eine Aufgabe der Verwaltungseinheit die Überwachung des Ressourcenverbrauchs und der Ressourcenerzeugung und der Ressourcenwandlung der Ressourcenverarbeitungseinheiten, wobei sie beim Auftreten von Ressourcenengpässen und/oder Betriebsmittelengpässen (d.h. von Engpässen bei anderen, zum Betrieb der Ressourcenverarbeitungseinheit benötigten Mitteln als die Ressource) und/oder Ungleichgewichten in der Ressourcenverteilung Gegenmaßnahmen bestimmt und entsprechende Anweisungen und/oder Vorschläge an die Agenten des jeweiligen Subnetzes ausgibt. Die Gegenmaßnahmen können insbesondere eine Entkopplung des Energienetzes von anderen Energienetzen und die Ausgabe von Anweisungen an die Agenten zur Erhöhung der Ressourcenerzeugung und/oder Verminderung des Ressourcenverbrauchs und/oder Veränderung der Umwandlung der Ressourcen der zu den jeweiligen Agenten gehörigen Ressourcenverarbeitungseinheiten umfassen. Die Verwaltungseinheit kann ferner gegebenenfalls Analysemittel zur Analyse der Ressourcenverteilung in dem jeweiligen Subnetz umfassen, wobei basierend auf der Analyse beispielsweise entsprechende Statistiken zur späteren Auswertung generiert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung können durch die Verwaltungseinheit Beratungsdienste und/oder Dienste zur Förderung der technischen Weiterentwicklung des Netzes bzw. des jeweiligen Subnetzes angeboten werden. Die Beratungsdienste können beispielsweise darin bestehen, dass auf eine Webseite zugegriffen werden kann, auf der entsprechende Informationen zur Beratung der Netzteilnehmer abgerufen werden können. Ein Dienst zur Förderung der technischen Weiterentwicklung kann darin bestehen, dass über die Verwaltungseinheit Programme definiert werden, welche beispielsweise über monetäre Belohnungen die Teilnehmer im Netz dazu veranlassen, bessere Algorithmen (beispielsweise für ein schnelles Entkoppeln eines Subnetzes) zu entwickeln und der Verwaltungseinheit bereitzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt die Verwaltungseinheit eines jeweiligen Subnetzes eine Schnittstelle zu anderen Subnetzen her, d.h. die Verwaltungseinheit ist derart ausgestaltet, dass sie mit anderen Subnetzen, insbesondere mit Verwaltungseinheiten von anderen Subnetzen, kommunizieren kann.
Neben dem oben beschriebenen multi-modalen Netz umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Verteilung von Ressourcen in einem solchen Netz, wobei die Verteilung der Ressourcen im Netz zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen multi-modalen Netzes; und
2 eine schematische Darstellung, welche den Aufbau einer Umwandlungseinheit aus dem Netz der 1 wiedergibt.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines multi-modalen Netzes beschrieben, welches basierend auf den Prinzipien der Selbstorganisation und Dezentralisierung Ressourcen verteilt. Das Netz umfasst ein erstes Subnetz SN1, welches ein Energienetz ist, das als Ressource elektrische Energie verteilt. Ferner ist ein zweites Subnetz SN2 vorgesehen, welches eine andere Ressource verteilt, wobei die Ressource in der hier beschriebenen Ausführungsform Erdgas ist, d.h. das zweite Subnetz SN2 stellt ein Gasverteilnetz dar. Beide Subnetze umfassen eine Mehrzahl von einzelnen Agenten PAs (PA = Private Agent), welche jeweils einer Ressourcenverarbeitungseinheit zugeordnet sind. Im Folgenden wird der Begriff des PAs in der Regel auch als Synonym für die dazugehörige Ressourcenverarbeitungseinheit verwendet. In den beiden Subnetzen sind als Ressourcenverarbeitungseinheiten Ressourcenverbrauchs- und/ oder Ressourcenbereitstellungseinheiten sowie Ressourcenumwandlungseinheiten vorgesehen. Beispielhaft ist eine Ressourcenumwandlungseinheit mit darin enthaltenem Blockheizkraftwerk mit dem Bezugszeichen TU angedeutet. Diese Einheit gehört sowohl zum Subnetz SN1 als auch zum Subnetz SN2 und koppelt somit beide Subnetze.
Die Ressourcenbereitstellungs- und/oder Ressourcenverbrauchseinheiten in dem Subnetz SN1 sind elektrische Energieerzeugungs- und/oder Energieverbrauchseinheiten. Die Energieerzeugungseinheiten sind dabei beispielsweise Photovoltaik-Anlagen, Windturbinen, Sterling-Motoren sowie sog. CHP-Anlagen (CHP = Combined Heat and Power), welche auch als Blockheizkraftwerke bezeichnet werden. Die CHP-Anlagen können Energie z.B. basierend auf der Verbrennung von Diesel bzw. basierend auf der Verbrennung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen in Brennstoffzellen generieren. Die Energieverbrauchseinheiten sind insbesondere private Haushalte, gewerbliche Verbraucher (wie Bürogebäude, öffentliche Bäder und dergleichen) sowie industrielle Verbraucher. Gegebenenfalls können die Energieverbrauchs- bzw. Energieerzeugungseinheiten kombinierte Einheiten sein, welche sowohl Energie verbrauchen als auch (überschüssige) erzeugte Energie in dem Netz bereitstellen können. Die Ressourcenbereitstellungs- und/oder Ressourcenverbrauchseinheiten in dem Subnetz SN2 sind Gaserzeugungseinheiten und/oder Gasverbrauchseinheiten und/oder Gasverteilknoten.
Das in 1 gezeigte Netz verteilt die bereitgestellten und verbrauchten Ressourcen möglichst gleichmäßig innerhalb der jeweiligen Subnetze, wobei gegebenenfalls überschüssige Ressourcen eines Subnetzes durch Wandlung in entsprechenden Umwandlungseinheiten auch anderen Netzen bereitgestellt werden können bzw. Ressourcen aus anderen Netzen über die Umwandlungseinheiten bezogen werden können.
In beiden Subnetzen SN1 und SN2 können die Agenten PA untereinander kommunizieren, was durch die Pfeile P1 angedeutet wird. Dabei ist auch eine Kommunikation der Agenten über die Netze hinweg mittels des Agenten möglich, der der Umwandlungseinheit TU zugeordnet ist. In jedem der beiden Subnetze sind ferner Ressourcen-Balance-Einheiten BM (BM = Balance- Master) vorgesehen, mit denen die Agenten des jeweiligen Subnetzes kommunizieren können, wie durch die Pfeile P2 angedeutet ist. Ferner enthält jedes Subnetz eine sog. Administrationseinheit IA (IA = Island Administration) und eine Überwachungseinheit RP (RP = Ressource Police). Die Funktion der einzelnen Komponenten der Subnetze wird weiter unten genauer beschrieben.
In 2 ist der Aufbau der Umwandlungseinheit TU aus dem Netz der 1 angedeutet. Die Umwandlungseinheit verarbeitet als Ressource bzw. eingehende Energie EI Erdgas, welches aus dem Subnetz SN2 stammt. Die eingehende Energie wird durch Verbrennung in einem Blockheizkraftwerk BHK in Wärme Q und elektrische Energie EL gewandelt. Optional kann ferner eine zusätzliche Heizeinheit HE vorgesehen sein, welche Erdgas durch Verbrennung in zusätzliche Wärme zur lokalen Verwendung in der Umwandlungseinheit wandelt. Die im Blockheizkraftwerk BHK erzeugte elektrische Energie EL wird dem elektrischen Energienetz SN1 zugeführt. Das Blockheizkraftwerk erzeugt ferner als weitere Ressource Wärme Q, die einem Wärmespeicher HS zugeführt wird, von dem die Wärme dann durch eine Wärmesenke SI entnommen werden kann. Die Wärmesenke kann dabei eine lokale Wärmesenke in der Umwandlungseinheit sein. Ggf. kann die Wärme Q aus dem Wärmespeicher auch einer Wärmesenke in der Form eines Fernwärmenetzes zugeführt werden, welches eine weitere Ausführungsform eines Subnetzes im Sinne der Ansprüche darstellt.
Wie in 1 angedeutet, ist der Umwandlungseinheit TU ein Agent PA zugeordnet. Dieser führt monetäre Transaktionen zum Bezug von Erdgas aus dem Subnetz SN2 bzw. zur Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Subnetz SN1 und ggf. zur Bereitstellung von Wärme in einem weiteren Subnetz durch. Die Wandlung der Ressource Erdgas in die Ressource elektrische Energie und ggf. Wärme wird dabei vorzugsweise basierend auf einem Optimierungsverfahren gesteuert, um beispielsweise den monetären Gewinn beim Verkauf von elektrischer Energie und ggf. Wärme zu maximieren. In das Optimierungsverfahren fließen dabei die Preise für Erdgas, elektrischen Strom und ggf. Wärme als Größen ein, welche sich verändern können. Zur Steuerung der Umwandlungseinheit kann beispielsweise das Optimierungsverfahren verwendet werden, welches im Artikel P. Wolfrum, M. Kautz, J. Schäfer, "Smart Operation of CHP Units" 8th Power Plant & Power System Control Symposium 2012, 2.–5. September 2012, Toulouse, beschrieben wird.
Im Folgenden werden am Beispiel des Energienetzes SN1 die Funktionen der darin enthaltenen Komponenten erläutert. Diese Funktionen sind analog auch auf das Subnetz SN2 und weitere Subnetze übertragbar, wobei in diesem Fall der Begriff der elektrischen Energie durch den Begriff der entsprechenden Ressource (d.h. für das Subnetz SN2 durch den Begriff Erdgas) zu ersetzen ist.
Das in 1 gezeigte Energienetz SN1 verteilt die erzeugte bzw. verbrauchte Energie möglichst gleichmäßig innerhalb des Subnetzes, wobei gegebenenfalls überschüssige Energie auch anderen Subnetzen bereitgestellt werden kann bzw. bei Energieengpässen auch Energie aus anderen Subnetzen bezogen werden kann. Die Randbedingungen dieser selbstorganisierenden Energieverteilung bestehen hierbei darin, dass zum einen die Spannung und die Frequenz der bereitgestellten elektrischen Energie konstant gehalten werden soll und zum anderen ein Betrieb des Subnetzes autonom, d.h. unabhängig von anderen Subnetzen, möglich sein soll. Um dies zu erreichen, sind die PAs untereinander derart vernetzt, dass jeder PA mit einem anderen PA kommunizieren kann, d.h. entsprechende Informationen austauschen kann. Darüber hinaus ist ferner eine zentrale lokale Ressourcen-Balance-Einheit BM vorgesehen, auf welche jeder PA zugreifen kann. Die Kommunikation der PAs untereinander ist hierbei mit entsprechenden Pfeilen P1 angedeutet, wohingegen die Kommunikation der einzelnen PAs mit der Ressourcen-Balance-Einheit BM mit entsprechenden Pfeilen P2 wiedergegeben ist. Die Kommunikation der PAs untereinander ist dabei nicht auf benachbarte PAs beschränkt, sondern jeder PA kann mit jedem PA kommunizieren.
Die Verteilung der Energie in dem Energienetz der 1 erfolgt im Wesentlichen marktbasiert dadurch, dass die einzelnen PAs untereinander bzw. unter Zwischenschaltung der lokalen Ressourcen-Balance-Einheit BM ihre benötigte bzw. überschüssige Energie als Handelsgut bereitstellen und basierend darauf monetäre Transaktionen durchführen. Die lokale Ressourcen-Balance-Einheit BM stellt somit im Wesentlichen eine Vermittlungseinheit von Angebot und Nachfrage der einzelnen PAs dar, welche Energie für Geld kaufen bzw. verkaufen. Da eine reine marktgesteuerte Verteilung der Energie in Notfällen bzw. bei Missbrauch durch die PAs unter Umständen zu einem starken Ungleichgewicht der Energieverteilung führen kann, sind in der Ausführungsform der 1 ferner eine Administrationseinheit IA (IA = Island Administration) und eine Überwachungseinheit RP (RP = Ressource Police) vorgesehen, durch welche bei Notfällen bzw. bei Missbrauch Steuerungsmechanismen zur Energieverteilung bereitgestellt werden, welche in die rein marktbasierte Verteilung der Energie eingreifen. Die Verwaltungseinheit IA und die Überwachungseinheit RP stellen dabei vorzugsweise öffentliche Institutionen dar, welche durch die zu dem Energienetz gehörenden PAs festgelegt wurden, um Aufgaben zu erfüllen, welche nicht optimal durch reine Marktregulierungsmechanismen gesteuert werden können, wie z.B. die Überwachung der rechtlichen Zulässigkeit eines Handelsakts zum Kauf bzw. Verkauf von Energie oder die Entkoppelung des in 1 dargestellten Energienetzes von anderen Netzen.
Im Folgenden werden die Aufgaben und die Funktionen der einzelnen Komponenten des Energienetzes SN1, d.h. der Agenten PAs, der Ressourcen-Balance-Einheit BM, der Verwaltungseinheit IA und der Überwachungseinheit RP, detailliert beschrieben.
Wie bereits erwähnt, handeln die PAs entweder untereinander oder unter Zwischenschaltung der Ressourcen-Balance-Einheit BM monetäre Transaktionen zur Bereitstellung bzw. Bezug von Energie aus. Die PAs können dabei beliebigen Energieerzeugungs- bzw. Energieverbrauchseinheiten bzw. Umwandlungseinheiten zugeordnet sein, wobei die PAs z.B. in drei Klassen eingeteilt werden. Die erste Klasse betrifft Mikro-PAs, welche Energieverbrauchs- und/oder Energieerzeugungseinheiten mit einer Verbrauchs- oder Generatorleistung von 5 kW und weniger zugeordnet sind. Die zweite Klasse betrifft Mini-PAs, welche Energieverbrauchs- und/oder Energieerzeugungseinheiten mit einer Verbrauchs- oder Generatorleistung von 30 kW und weniger zugeordnet sind. Die dritte Klasse umfasst industrielle PAs, welche Energieverbrauchs- und/oder Energieerzeugungseinheiten mit einer Verbrauchs- oder Generatorleistung von 30 kW und mehr zugeordnet sind. Die wichtigsten Funktionen eines jeweiligen PAs können in insgesamt sieben Funktionsklassen eingeteilt werden, welche wie folgt lauten:

– Messfunktionen,
– Funktionen zur Steuerung des Energieflusses,
– Benutzerschnittstellen-Funktionen,
– interne Kommunikation,
– externe Kommunikation,
– Berichtsfunktionen,
– finanzielle Funktionen.

Es kann dabei gegebenenfalls nur ein Teil der Funktionen in einem PA realisiert sein. Gemäß den Messfunktionen wird der zeitlich aufgelöste Fluss der Gesamtenergie und der Fluss der Energie für spezifische Lasten und Generatoren überwacht und gespeichert. Ferner werden statistische Funktionen implementiert, welche die durchschnittliche Energiekurve (Lastkurve, Energieerzeugungskurve) für einen „Durchschnittstag“ bzw. eine „Durchschnittswoche“ berechnen. Darüber hinaus werden durch die Messfunktionen Energiequalitätsfunktionen bereitgestellt, welche die Qualität der bereitgestellten Frequenz, Spannung, und dergleichen überwachen.
Die Funktionen des PAs zur Steuerung des Energieflusses ermöglichen, dass ein Benutzer des PAs bestimmte vorgeschriebene Lastkurven, welche in dem PA erfüllt sein sollen, parametrisieren kann. Darüber hinaus kann der Benutzer bestimmte Reaktionsmechanismen programmieren, welche festlegen, wie der PA auf signifikante Abweichungen von einem vorbestimmten Energieverbrauchsverhalten reagieren soll. Falls der PA eigene Energiegeneratoren (beispielsweise Windgeneratoren, Biomasse-Generatoren und dergleichen) umfasst, steuert der PA die Balance zwischen interner und externer Energieerzeugung und Energieverbrauch. Darüber hinaus besitzt ein PA unterschiedliche Energiereduktions- bzw. Energieabschaltszenarien, welche durch den PA bei Bedarf durchgeführt werden und welche z.B. von der Administrationseinheit IA oder der Überwachungseinheit RP von außen angestoßen werden können. Gegebenenfalls können diese Szenarien individuell programmiert sein.
Die Benutzerschnittstellen-Funktionen eines PAs werden beispielsweise durch einen internen Webserver implementiert, der die Parametrisierung des PAs mit Hilfe eines Computers, insbesondere eines handelsüblichen PCs, ermöglicht. Mit Hilfe der Benutzerschnittstellen-Funktionen wird ferner der Zugriff auf den PA von außerhalb gesteuert. Insbesondere kann die Parametrisierung des PAs an einen Serviceprovider delegiert werden, der die Verwaltung des PAs als Dienst anbietet. Die Benutzerschnittstellen-Funktionen beinhalten ferner Alarmmechanismen, welche programmiert werden können, um einen Benutzer des PAs darüber zu informieren, wenn signifikante Abweichungen von einem vorbestimmten Lastverhalten auftreten, welche beispielsweise zu sehr hohen Energiekosten aufgrund einer Abweichung von einem vorgegebenen Vertrag führen. Der Alarm kann akustisch, optisch, durch das Versenden einer SMS, Email oder auf beliebige andere Weise implementiert werden.
Basierend auf der Funktion der internen Kommunikation kommuniziert ein PA mit internen Generatoren und Lasten über eine standardisierte Schnittstelle, über die er beispielsweise Befehle zum Anschalten eines Generators ausgibt. Darüber hinaus kann der PA mit sog. „intelligenten“ Lasten kommunizieren, um seine Leistung zu reduzieren. Beispielsweise kann eine solche intelligente Last ein Herd sein, der verhindert, dass ein Benutzer eine weitere Herdplatte einschaltet, wenn bereits eine Herdplatte aktiv ist. Intelligente Lasten können auch in der Form eines intelligenten Haushaltes, eines intelligenten Gebäudemanagements oder in der Form von intelligenten industriellen Anlagen kleiner und mittlerer Größe realisiert werden.
Basierend auf der Funktion der externen Kommunikation kommuniziert ein jeweiliger PA mit der Ressourcen-Balance-Einheit BM, um einen entsprechenden Vertrag zum Kauf bzw. Verkauf von Energie zu schließen. Darüber hinaus kann die externe Kommunikation auch direkt zwischen einzelnen PAs stattfinden. Ferner weist jeder PA eine Kommunikationsschnittstelle zu der weiter unten beschriebenen Verwaltungseinheit IA auf, um beispielsweise eine Anweisung zur Reduzierung der Last zu empfangen. Jeder PA kommuniziert auch mit der weiter unten noch näher beschriebenen Überwachungseinheit RP. Ferner werden über die Funktion der externen Kommunikation entsprechende Sicherheitsfunktionen realisiert.
Gemäß den Berichtsfunktionen erzeugt ein PA Berichte über die Erzeugung und den Verbrauch von Energie, Berichte über einzelne Ereignisse, Berichte über finanzielle Statistiken und Berichte, welche Vorschläge zur Optimierung des PAs enthalten (z.B. Rekalibrierung der Lastkurve, flexible Handhabung des Aushandelns von Verträgen und dergleichen).
Gemäß den finanziellen Funktionen verhandelt ein jeweiliger PA mit anderen PAs, um entsprechend benötigte Energie zu kaufen bzw. einen Überschuss an Energie zu verkaufen. Die Energie stellt somit ein Handelsgut dar, wobei dieses Gut vorzugsweise über die Ressourcen-Balance-Einheit BM gehandelt wird. Eine weitere Funktion des PAs ist die autonome Realisation von Energieverträgen unter Vermittlung der Ressourcen- Balance-Einheit BM oder direkt mit anderen PAs. Darüber hinaus umfasst ein PA vorzugsweise Optimierungsalgorithmen, um die Kosten für den Einkauf von Energie zu reduzieren und die Einnahmen beim Verkauf von Energie zu maximieren. Ferner sind gegebenenfalls weitere Optimierungsmechanismen beim Aushandeln der Verträge vorgesehen. Die finanziellen Funktionen beinhalten ferner ein elektronisches Siegel, welche die für die monetären Handelsakte relevanten Daten sichern, so dass ein Benutzer sie nicht manipulieren kann. Darüber hinaus sind Sicherheitsfunktionen implementiert, um die Daten auf den PAs zu schützen und deren Ausspähen zu verhindern.
Wie oben erwähnt, soll durch einen PA insbesondere die autonome Realisation von Energieverträgen erreicht werden. Das bedeutet, dass ein PA in den meisten Fällen autonom handeln sollte. Unter bestimmten allgemeinen Regeln, die durch den Benutzer des PAs vorgegeben sind, soll er in der Lage sein, Standardsituationen zum Aushandeln von monetären Transaktionen betreffend den Kauf und Verkauf von Energie durchzuführen.
Falls solche Standardsituationen unter bestimmten Bedingungen von vorgegebenen Profilen abweichen, wird der Benutzer darüber informiert und kann manuell einschreiten. Um neben den elementaren Funktionalitäten eines PAs zu einem späteren Zeitpunkt auch noch weitere intelligente Funktionalitäten hinzuzufügen, sollte eine generische Plattform zur Implementierung des PAs verwendet werden.
Ein PA kann analog zu einem DSL-Router realisiert werden, wobei vorzugsweise ein Open-Source-Betriebssystem zum Betrieb des PAs, beispielsweise Linux, verwendet wird. Ein Standard- Benutzer verwendet dabei nur die Standard-Funktionalitäten des Routers. Benutzer mit mehr Erfahrung können basierend auf dem Open-Source-Betriebssystem weitere Funktionen implementieren und dynamisch anpassen.
Zur Realisation eines Energienetzes SN1 gemäß der 1 ist es notwendig, dass die Betreiber/Benutzer einzelner Energieverbrauchs- bzw. Energieerzeugungseinheiten bereit sind, einen entsprechenden PA zu erwerben. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die Energieerzeuger die Energieverbraucher zur Verwendung eines PAs dadurch veranlassen, dass sie verbilligte Energietarife bereitstellen, wenn ein PA von einem Verbraucher eingesetzt wird. Der Preis für die Anschaffung eines PAs sollte dabei zu den jährlichen Energieverbrauchskosten in einem Verhältnis von 1:1 bis zu 2:1 stehen.
Die Benutzerschnittstellen-Funktionalität des PAs sollte ausreichend komplex sein, um Berichtsfunktionalitäten, Steuerungsfunktionalitäten und dergleichen zu gewährleisten. Deshalb ist ein großer Bildschirm obligatorisch. Da dies möglicherweise zu einem nicht mehr akzeptablen Preis für den PA führt, sollte insbesondere auch die Möglichkeit bestehen, dass der PA mit einem handelsüblichen PC verbunden werden kann. Der PA sollte deshalb als Webserver implementiert sein.
Nachfolgend werden die Funktionalitäten der Ressourcen- Balance-Einheit BM beschrieben. Eine grundlegende Idee, auf der die Verwendung einer BM beruht, besteht darin, dass jedem Handelsakt ein Akt des Energieverbrauchs bzw. der Energieerzeugung zugeordnet ist. Der PA ist dabei ein Agent, der im Namen des entsprechenden Verbrauchers bzw. Generators handelt, dem der PA zugeordnet ist. Neben lokalen Funktionen betreffend das Messen und das Steuern der lokalen Nachfrage und des lokalen Angebots an Energie sollte eine BM auch außerhalb des, dem lokalen Energienetz zugeordneten Marktes agieren können, um Energie zu kaufen bzw. zu verkaufen. Die Hauptaufgabe der BM besteht jedoch in dem Bereitstellen einer Plattform für den lokalen Markt der einzelnen PAs des Energienetzes der 1. Die BM ist dabei vorzugsweise als Webserver implementiert, auf dem die PAs über standardisierte Protokolle zugreifen können. Die wichtigsten Funktionen der BM sind wie folgt:

– Sammeln von Angeboten und Anfragen,
– Berechnung eines sog. Markt-Clearing-Preises,
– Realisation von Verträgen,
– Anzeige von Handelsaktivitäten auf einer Webseite,
– Verhandeln mit anderen und größeren BMs, um eine Über- bzw. Unterversorgung an Energie zu berücksichtigen,
– Berichterstattung an Energieerzeuger und Energieverbraucher.

Es können dabei gegebenenfalls nur ein Teil der Funktionen in einer BM realisiert sein.
Zur Realisation der Funktionalität des Sammelns von Angeboten und Anfragen ist eine standardisierte Schnittstelle vorgesehen, über welche die PAs die BM kontaktieren. Sie können den aktuellen Markt-Clearing-Preis abfragen und Angebote betreffend den Kauf und Verkauf von Energie abgeben und den aktuellen Status von Handelsakten anfordern.
Gemäß der Funktionalität der Berechnung des Markt-Clearing- Preises wird durch die BM derjenige Preis berechnet, der gemäß den Angeboten und Nachfragen an Energie zu der größten Anzahl an monetären Transaktionen zum Kauf bzw. Verkauf von Energie führt. Dieser Markt-Clearing-Preis wird dabei wie folgt ermittelt:
Es wird angenommen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt t insgesamt N_i PAs eine Gesamtmenge von n_i Elektrizität (in kWh) zu einem Preis von p_i kaufen würden. Natürlich würden diese PAs auch die gleiche Menge an Energie/Elektrizität zu einem niedrigeren Preis kaufen. Deshalb würde bei einem vorgegebenen Preis p_k eine Gesamtmenge an Elektrizität gekauft werden, welche wie folgt lautet:
Hierbei wird über alle Preise summiert, welche größer als p_k sind, d.h. die Preise sind wie folgt geordnet: p_i−1 < p_i < p_i+1.
Umgekehrt gilt, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt t eine Anzahl A_j von PAs eine Gesamtmenge von Elektrizität a_j zu einem Preis p_j oder höher verkaufen würden. Die Gesamtmenge an Energie, die schließlich zu einem Preis p_k verkauft wird, lautet dann wie folgt:
Aus diesen aggregierten Angeboten und Anfragen kann schließlich der Markt-Clearing-Preis p_MCP berechnet werden, zu dem die größte Anzahl an Transaktionen durchgeführt wird. Geht man von einer kontinuierlichen Darstellung des Preises aus, ergibt sich dieser Markt-Clearing-Preis, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
Die Berechnung dieses Markt-Clearing-Preises wird durch die BM durchgeführt und basierend auf diesem Preis werden dann die monetären Transaktionen zwischen den einzelnen PAs vermittelt.
Damit die BM die entsprechenden monetären Transaktionen realisieren kann, beinhaltet die BM selbst eine Broker-Funktion, d.h. jeder PA kann auf die BM direkt zugreifen, ohne dass ein weiterer Händler dazwischengeschaltet ist. Die BM sollte somit Bankrechte haben und die entsprechenden Kaufverträge abschließen können sowie die Bankkonten der PAs verwalten können. Gegebenenfalls kann eine BM auch als interregionale Ressourcen-Balance-Einheit realisiert sein, um einen Energieaustausch zwischen einzelnen lokalen Energienetzen bzw. Subnetzen zu ermöglichen. Hierzu kann gegebenenfalls eine Zwischenschicht zwischen dem PA und der BM in der Form eines Energie- Händlers vorgesehen sein.
Um Handelsaktivitäten für PAs einsehbar zu machen, werden solche Aktivitäten auf einer Webseite wiedergegeben, welche von den einzelnen Verbrauchern bzw. Energieerzeugern besucht werden kann. Diese Seite kann somit eine Plattform sein, um neue Marktentwicklungen anzuregen, die Verbraucher zu informieren, und Trends und Schätzungen an die Verbraucher zu kommunizieren.
Eine BM kann ferner unter gewissen Umständen auch andere bzw. größere BM kontaktieren, insbesondere wenn ein lokaler Bedarf bzw. ein lokaler Überschuss an Energie besteht. Die BM kann dann den Energieüberschuss anderen BMs anbieten bzw. Energie von anderen BMs kaufen. Die BM vermittelt somit Verträge zwischen entfernt auseinander liegenden Vertragspartnern.
Die oben erwähnte Berichts-Funktionalität der BM ist besonders wichtig, da die PAs sehr autonom arbeiten. Dies liegt daran, dass ein Benutzer häufig einen hohen Grad an Automatisierung für ein Gut wie Elektrizität wünscht. Basierend auf der Berichts-Funktionalität kann ein Benutzer dann überprüfen, welche Energiemengen von wem gekauft wurden und welche Preise dafür bezahlt wurden.
Die BM kann darüber hinaus eine Sicherheits-Funktionalität aufweisen. Diese Sicherheits-Funktionalität sollte den Sicherheitsanforderungen der PAs entsprechen, da die BM ein Kommunikationspartner der PAs ist.
Nachfolgend werden die Funktionalitäten der Überwachungseinheit in der Form der Ressourcenpolizei RP erläutert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein Unterschied von elektrischer Energie als Handelsgut zu anderen Gütern darin besteht, dass elektrische Energie nicht unterscheidbar ist. Der Verkäufer von Elektrizität kann die übertragene Elektrizitätsmenge nicht mit entsprechenden Kennzeichnungen versehen, welche eindeutig den Ursprung der Energie angeben. Es gibt somit keine zwischengeschaltete Instanz, welche die Übertragung eines Energiepakets nachverfolgen kann. Jeder Verkäufer stellt vielmehr die verkaufte Energiemenge, die er erzeugt hat, in einen gemeinsamen Pool und der Verbraucher entnimmt eine entsprechende Energiemenge aus dem Pool gemäß dem Zertifikat, mit dem er die Energiemenge gekauft hat. Es treten somit im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Betrugsmöglichkeiten auf:

– Der Verkäufer verkauft Energie, welche er nicht in den Pool gestellt hat.
– Der Verbraucher entnimmt Energie aus dem Pool, für welche er nicht bezahlt hat.

Es besteht somit die Notwendigkeit für eine Kontrollinstanz, welche berechtigt ist, die Rechtmäßigkeit von Handelsakten zu überprüfen, und welche ferner die Berechtigung hat, bei entsprechenden Betrugsfällen einzuschreiten. Diese Institution ist die in 1 gezeigte Überwachungseinheit RP. Diese Überwachungseinheit kann beispielsweise als Webserver realisiert werden. Die grundlegenden Funktionalitäten dieser Einheit sind wie folgt:

– Überwachung von Handelsakten,
– Überprüfung der Erfüllung von Verträgen,
– Durchführung von Messungen zur Nachverfolgung von Energieengpässen,
– Zugriffsrecht auf die PAs,
– Überprüfung der Integrität des elektronischen Siegels eines PAs,
– Berechtigung, ein Abschalten bzw. eine Verminderung der Leistung eines Energieerzeugers oder eines Energieverbrauchers anzuweisen,
– Berechtigung, ein Abschalten oder eine Leistungsverminderung eines Energieerzeugers oder Energieverbrauchers zu erzwingen,
– Entgegennahme von Anzeigen bezüglich eines vermuteten Missbrauchs,
– Durchführung von Untersuchungen betreffend vermuteten Missbrauch.

Es können dabei gegebenenfalls nur ein Teil der Funktionalitäten in einer RP realisiert sein.
Durch die Funktionalität der Überwachung der Handelsakte wird die Rechtmäßigkeit jedes Handelsakts sichergestellt. Dies erfolgt dadurch, dass jeder Handelsakt an die Überwachungseinheit gemeldet wird, wobei die Meldung die gehandelte Energiemenge und die Zeit der Herstellung bzw. des Verbrauchs umfasst. Die Überwachungseinheit fügt diesen Handelsakt in ein Gesamtzeitschema ein. Wenn der Zeitpunkt der Realisation des Handelsakts erreicht ist, führt die Überwachungseinheit Messungen sowohl der Energieerzeugung als auch des Energieverbrauchs durch, um zu überprüfen, ob der Handelsakt korrekt durchgeführt wurde.
Die Funktionalität der Durchführung von Messungen, um Energieengpässe zu verfolgen, dient dazu, solche Energieengpässe zu ermitteln, deren Ursache nicht auf Missbrauch beruht. Solche Energieengpässe können ihre Ursache beispielsweise in einer falschen Eichung von Messeinrichtungen, Verlusten auf den Leitungen und dergleichen haben. Genaue Messungen an verschiedenen Stellen, insbesondere an Energieanlagen zum Balancieren der Energie, sind die Basis zur genauen Überprüfung des Systems und der Detektion von technischen Problemen jeder Art.
Gemäß der Funktionalität des Zugriffs auf die PAs hat die Überwachungseinheit das exklusive Recht, auf die PAs mit oder ohne entsprechende Gerichtsbeschlüsse in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation zuzugreifen. Zur Überwachung von Handelsakten gibt es einen Standardzugriff auf den jeweiligen PA. Dieser Zugriff ist durch einen kryptographischen Mechanismus gesichert, so dass nur die Überwachungseinheit auf diese Daten zugreifen kann.
Gemäß der Funktionalität der Überprüfung des elektronischen Siegels eines PAs wird es ermöglicht, dass die Überwachungseinheit auf den PA zugreifen kann, um die Unversehrtheit dieses Siegels zu überprüfen. Das Siegel schützt hierbei den Datenbereich des PAs, der handelsrelevante Informationen enthält.
Da die Überwachungseinheit eine Vielzahl von Messungen durchführt, kann sie Probleme bei der Bereitstellung bzw. bei der Nachfrage von elektrischer Energie schnell erkennen. Um Schäden zuvorzukommen, welche größere öffentliche Institutionen, wie Krankenhäuser, öffentliche Einrichtungen und dergleichen, betreffen, hat die Überwachungseinheit die Funktionalität, ein Abschalten oder eine Verminderung der Leistung von Energieverbrauchern bzw. Energieerzeugern anzuordnen. Hierbei implementieren die PAs Mechanismen, wie auf solche Kommandos zu reagieren ist. Ein solches Kommando kann Zeitverzögerungen beinhalten, es kann an Bedingungen geknüpft sein und es kann priorisiert sein.
In Notfällen, bei denen Schäden vermieden werden sollen, kann die Überwachungseinheit ferner einen nicht an eine Bedingung geknüpften Befehl ausgeben. Dieser Befehl umfasst unter anderem ein Heraufsetzen der Leistung oder ein differenziertes Heraufsetzen bzw. Herabsetzen der Leistung bzw. ein Abschalten der Leistung von einzelnen Verbrauchern bzw. Energieerzeugern. Beispielsweise kann das Abschalten von Fernsehern erzwungen werden, da ein schweres elektrisches Gerät einen Baum von Bahngleisen entfernen muss.
Gemäß einer weiteren Funktionalität dient die Überwachungseinheit auch zur Entgegennahme von Anzeigen betreffend vermutete Betrügereien.
Die Überwachungseinheit kann ferner bei vermuteten Betrugsfällen im Energienetz selbst dazu berechtigt sein, Untersuchungen durchzuführen. Die Untersuchungen können beispielsweise durch Webroboter eingeleitet werden. Die Verwaltungseinheit kann ferner auch nur zur Initialisierung von Untersuchungen dienen, wobei die Untersuchungen selbst durch menschliche Benutzer vorgenommen werden.
Bei der Implementierung der Überwachungseinheit sind verschiedene Sicherheitsaspekte zu beachten, um die Funktionalität einer polizeilichen Instanz zu realisieren. Diese Aspekte betreffen unter anderem die Nachweisbarkeit von Betrügereien, d.h. es müssen Mittel bereitgestellt werden, dass ein Agent im Netzwerk, der eine bestimmte Aktion ausgeführt hat, die Urheberschaft für diese Aktion nicht abstreiten kann.
Nachfolgend werden die Funktionalitäten der in 1 gezeigten Verwaltungseinheit IA erläutert. Gemäß dem in 1 dargestellten Energienetz bilden die daran beteiligten PAs eine Art von „Insel“, welche über die Verwaltungseinheit IA verwaltet wird. Die Bedeutung einer solchen Insel besteht darin, dass im Falle von Problemen, welche ihre Ursache an weit entfernten Orten der Insel haben, die „Einwohner der Insel“ (welche die PAs darstellen) die Möglichkeit haben, sich von dem „Rest der Welt“ zu entkoppeln und ihre Energieprobleme selbst zu lösen. Eine solche weit entfernte Ursache kann beispielsweise das Abschalten einer Hochspannungsleitung in einem anderen Land sein. Die Möglichkeit der Entkopplung impliziert, dass die Kapazitäten der Energieerzeugung und der Energienachfrage auf der Insel ausbalanciert sind. Das Prinzip der Insel ist „selbstähnlich“, d.h. Inseln von jeder möglichen Leistungsklasse bis hin zu einem einzelnen Haushalt können realisiert werden. Falls jeder Haushalt oder wenigstens ein größerer Teil eines Haushalts eine Art der Energieerzeugung besitzt (wie z.B. ein photovoltaisches Dach) ist zumindest für eine bestimmte Zeit die Operation der Insel auf diesem sehr kleinen Maßstab möglich.
Die Verwaltungseinheit IA stellt erfindungsgemäß eine Einheit dar, welche administrative Aufgaben für jede Insel aus PAs übernimmt und die erforderlichen administrativen Strukturen implementiert. Insbesondere umfasst eine solche Verwaltungseinheit folgende Funktionen:

– Registrieren und Abmeldung von PAs bei der Verwaltungseinheit,
– Verwalten einer Webseite mit Informationen über die Insel,
– Durchführen des Entkoppelns der Insel,
– Überwachen von Leistungsungleichgewichten,
– Beratungsleistungen,
– Analyse,
– technische Entwicklung der Insel,
– Kommunikation mit anderen Inseln.

Es können dabei gegebenenfalls nur ein Teil der Funktionen in einer IA realisiert sein.
Gemäß der Funktionalität der Registrierung bzw. des Abmeldens kann sich ein neuer Verbraucher an einer Verwaltungseinheit registrieren. In einem vorgegebenen geographischen Bereich können gegebenenfalls mehrere Verwaltungseinheiten aktiv sein. Der Vorteil des Registrierens an einer Verwaltungseinheit besteht darin, dass im Falle eines weit entfernten Stromausfalls die individuelle, registrierte Einheit in einen größeren Zusammenhang eingebettet ist, so dass in geeigneter Weise der Betrieb der Einheit nach einem solchen Ereignis sichergestellt ist. Wettbewerb zwischen einzelnen Verwaltungseinheiten ist natürlich erwünscht und es besteht somit auch die Möglichkeit für die PAs, sich bei einer Verwaltungseinheit abzumelden.
Über eine Webseite informiert die Verwaltungseinheit über die Anzahl und die Kapazitäten der Energieverbraucher bzw. Energieerzeuger, welche zu einer Insel gehören. Die Webseite ermöglicht auch den Zugriff auf den Registrierungsvorgang. Darüber hinaus werden Informationen über die für die Insel vorgegebenen Regeln gegeben, beispielsweise welche Aktionen durchgeführt werden, falls sich eine Insel entkoppelt, wie die Verwaltungseinheit mit der marktbasierten Energieverteilung umgeht und dergleichen.
Der Vorgang des Entkoppelns der Insel wird von der Verwaltungseinheit insbesondere dann initialisiert, wenn ein weit entfernter Stromausfall auftritt, der Einfluss auf die Energieversorgung der PAs der Insel hat.
Zur Durchführung der Entkopplung der Insel hat die Verwaltungseinheit die Berechtigung, den Energieerzeugern und Energieverbrauchern Energiesteuerungen vorzugeben. Die Verwaltungseinheit beinhaltet eine Datenbank, in der Informationen bezüglich der Flexibilität der unterschiedlichen Energieerzeuger und Energieverbraucher enthalten sind. Diese Informationen können frühzeitig automatisch über eine Kommunikation zwischen der Verwaltungseinheit IA und den PAs gesammelt werden. Falls beispielsweise die externe Energieversorgung einen Pegel von 30% erreicht und dann plötzlich komplett ausfällt, weist die Verwaltungseinheit die Energieverbraucher an, ihren Energieverbrauch sofort entsprechend zu reduzieren. Dann bestimmt die Verwaltungseinheit die Energieerzeugungskapazitäten innerhalb der Insel und weist die Energieerzeuger an, die entsprechend notwendige Erzeugung von Energie zu übernehmen. Prinzipiell könnte ein solcher Ausfall einer externen Energieversorgung auch über den Markt gesteuert werden. Jedoch besteht dann die Gefahr, dass industrielle Anlagen bezüglich des Erwerbs von Energie mit Krankenhäusern konkurrieren. Deshalb ist es sinnvoll, die Mechanismen des freien Marktes auszubalancieren, was über die Verwaltungseinheit erreicht wird, welche nach allgemein anerkannten Aktionsplänen im Falle von Notfallsituationen arbeitet.
Um die Spannung und die Frequenz im Energienetz stabil zu halten, sind in herkömmlichen Energienetzen üblicherweise Energieausgleichs-Anlagen vorhanden, welche schlechte Abschätzungen von Leitungsverlusten, die falsche Durchführung von Verträgen, falsche Messungen oder ähnliches kompensieren. Solche Ausgleichs-Anlagen führen immer zu zusätzlichen Verlusten. Um die Verwendung solcher Energieausgleichs-Anlagen möglichst zu reduzieren, verfolgt die Verwaltungseinheit ungleichmäßige Energieverteilungen, beispielsweise unter Zuhilfenahme der Überwachungseinheit RP, welche deren Ursachen identifiziert. Die Verwaltungseinheit schlägt dann entsprechende Maßnahmen zur Behebung des Problems vor. Die Verwaltungseinheit bietet ferner Beratungsdienste für die einzelnen PAs bezüglich energiebezogener Produkte, Energiesparmöglichkeiten und dergleichen an.
Die Verwaltungseinheit führt ferner Analysen basierend auf den Daten durch, welche bei dem Betrieb des Energienetzes gemessen werden. Hieraus werden Statistiken generiert, welche es ermöglichen, entsprechende Maßnahmen zu definieren, um die Energieversorgungssituation des Gesamtnetzes bzw. einzelner Energieerzeuger und Energieverbraucher zu verbessern.
Die Verwaltungseinheit kann ferner die technische Entwicklung des Energienetzes durch die Festlegung entsprechender Programme unterstützen. Dies kann natürlich auch nur basierend auf dem Mechanismus des freien Marktes durchgeführt werden. Der Fokus der technischen Entwicklung liegt jedoch auf Merkmalen, welche nur die Verwaltungseinheit betreffen, beispielsweise die Entwicklung von besseren Algorithmen, um das schnelle Entkoppeln des Energienetzes durchzuführen.
Die Verwaltungseinheit ermöglicht ferner die Kommunikation mit anderen Energienetzen bzw. Subnetzen, wodurch entsprechende Mechanismen der Zusammenarbeit mit anderen Netzen implementiert werden können.
Die Sicherheitsanforderungen an die Verwaltungseinheit IA sind ähnlich zu den Sicherheitsanforderungen an die Überwachungseinheit RP, denn die Verwaltungseinheit stellt analog zur Überwachungseinheit eine öffentliche Instanz dar und besitzt bestimmte Ausführungsrechte. Es müssen somit gefährliche Aktionen, welche durch die Verwaltungseinheit möglicherweise durchführbar sind, verhindert werden, wie z.B., dass die Verwaltungseinheit fälschlicherweise eine industrielle Anlage von dem Energienetz trennt. Die Verwaltungseinheit kann ferner das Ziel von Angriffen von Hackern sein. Deshalb ist eine Zugangskontrolle in der Verwaltungseinheit eine wichtige Sicherheitsanforderung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

BHK erzeugte elektrische Energie EL wird dem elektrischen Energienetz SN [0036]
P. Wolfrum, M. Kautz, J. Schäfer, "Smart Operation of CHP Units" 8th Power Plant & Power System Control Symposium 2012, 2.–5. September 2012 [0037]

Claims

Multi-modales Netz zur Verteilung von Ressourcen, wobei das Netz mehrere Subnetze (SN1, SN2) umfasst, wobei zumindest zwei Subnetze (SN1, SN2) voneinander unterschiedliche Ressourcen verteilen und die Ressource eines jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) ausgewählt ist aus fossilem Brennstoff, elektrischer Energie, Wasser, Wärme und Kälte, wobei die Subnetze (SN1, SN2) eine Mehrzahl von Ressourcenverarbeitungseinheiten umfassen, wobei zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Umwandlungseinheiten (TU) sind, welche die Subnetze (SN1, SN2) untereinander koppeln und die Ressourcen eines oder mehrerer Subnetze (SN1, SN2) in eine oder mehrere andere Ressourcen eines oder mehrerer anderer Subnetze (SN1, SN2) wandeln, und wobei zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten Ressourcenverbrauchs- und/oder Ressourcenbereitstellungseinheiten sind, wobei den Ressourcenverarbeitungseinheiten jeweils zumindest ein Agent (PA) zugeordnet ist, wobei die Agenten (PA) derart untereinander vernetzt sind, dass jeder Agent (PA) mit anderen Agenten (PA) im Netz kommunizieren kann, und wobei das Netz derart ausgestaltet ist, dass die Verteilung der Ressourcen im Netz zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten (PA) ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.
Netz nach Anspruch 1, bei dem die Subnetze (SN1, SN2) ein elektrisches Energienetz und/oder ein Wasserverteilnetz und/oder ein Gasverteilnetz und/oder ein Fernwärmenetz und/oder ein Fernkältenetz umfassen.
Netz nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Teil der Ressourcenverarbeitungseinheiten und insbesondere zumindest ein Teil der Umwandlungseinheiten (TU) einen oder mehrere Ressourcenspeicher umfassen.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Umwandlungseinheit (TU) ein Blockheizkraftwerk zur Umwandlung der Ressource fossiler Brennstoff in die Ressourcen Wärme und elektrische Energie umfasst.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Umwandlungseinheit (TU) eine Kältekompressionseinheit zur Umwandlung der Ressource fossiler Brennstoff und/oder elektrische Energie in die Ressource Kälte umfasst.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Umwandlungseinheit (TU) eine Wasseraufbereitungseinheit zur Aufbereitung von Wasser unter Nutzung von elektrischer Energie und/oder Wärme und/oder eines fossilen Brennstoffs in aufbereitetes Wasser und insbesondere in Trinkwasser umfasst, wobei die Wasseraufbereitungseinheit vorzugsweise einen Speicher zur Speicherung von Wasser aus einem Wasserverteilnetz umfasst.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der jeweilige Agent (PA) einer oder mehrerer der Umwandlungseinheiten (TU) die Umwandlung von einer oder mehreren Ressourcen in eine oder mehrere andere Ressourcen in Abhängigkeit von einem oder mehreren Optimierungskriterien steuert, wobei das oder die Optimierungskriterien vorzugsweise variable Preise der bei der Umwandlung beteiligten Ressourcen berücksichtigt.
Netz nach Anspruch 7, bei dem das oder die Optimierungskriterien einen möglichst hohen monetären Gewinn für die entsprechende Umwandlungseinheit (TU) als Kriterium umfassen.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Agent (PA) eine Transaktionseinheit umfasst, welche automatisch Preise mit anderen Agenten (PA) für das Bereitstellen und/oder den Bezug von Ressourcen aushandelt und entsprechende Verträge abschließt.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein einer jeweiligen Ressourcenverarbeitungseinheit zugeordneter Agent (PA) eine Ressourcenmess- und/oder Ressourcensteuereinheit zum Messen und/oder Steuern der von der jeweiligen Ressourcenverarbeitungseinheit gewandelten und/oder verbrauchten und/oder bereitgestellten Ressourcen umfasst.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Agent (PA) eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen umfasst, insbesondere eine externe Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit anderen Agenten (PA) und/oder eine interne Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der oder den Ressourcenverarbeitungseinheiten, denen der Agent (PA) zugeordnet ist.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Agent (PA) eine oder mehrere Benutzerschnittstellen zum Zugriff und zur Einstellung von Parametern des jeweiligen Agenten (PA) umfasst.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein jeweiliger Agent (PA) derart ausgestaltet ist, dass er automatisch Berichte über seinen Zustand generiert.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Subnetz (SN1, SN2) eine lokale Ressourcen-Balance-Einheit (BM) umfasst, über welche die Agenten (PA) des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) im Betrieb des Netzes monetären Transaktionen aushandeln.
Netz nach Anspruch 14, bei dem die Ressourcen-Balance-Einheit (BM) derart ausgestaltet ist, dass sie Angebote und Anfragen der Agenten (PA) für die Ressource des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) sammelt und basierend auf den Angeboten und Anfragen Käufe und Verkäufe der Ressource zwischen den Agenten (PA) vermittelt.
Netz nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Ressourcen-Balance-Einheit (BM) derart ausgestaltet ist, dass sie einen Ressourcenpreis für die Ressource des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) berechnet, zu dem die größte Anzahl an monetären Transaktionen zwischen den Agenten (PA) des jeweiligen Subnetzes stattfindet, und basierend auf diesem Ressourcenpreis die Käufe und Verkäufe der Ressource vermittelt.
Netz nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem auf die Ressourcen-Balance-Einheit (BM) durch die Agenten (PA) des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) zugegriffen werden kann, um die durch die Ressourcen-Balance-Einheit (BM) vermittelten Transaktionen einzusehen.
Netz nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Ressourcen-Balance-Einheit (BM) eines jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) derart ausgestaltet ist, dass sie die Ressourcen-Balance-Einheiten (BM) von anderen Subnetzen (SN1, SN2) kontaktieren kann, um Ressourcen den anderen Subnetzen bereitzustellen oder von diesen zu beziehen.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Subnetz (SN1, SN2) eine Überwachungseinheit (RP) umfasst, welche im Betrieb des Netzes die Durchführung der monetären Transaktionen und die darauf basierende Bereitstellung und den darauf basierenden Verbrauch und die darauf basierende Umwandlung von Ressourcen durch die Ressourcenverarbeitungseinheiten überwacht und die Berechtigung hat, auf die jeweiligen Agenten (PA) des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) zuzugreifen und bei Vorliegen vorbestimmter Kriterien Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Netz nach Anspruch 19, bei dem die Gegenmaßnahmen die Verminderung und/oder Erhöhung der durch eine jeweilige Ressourcenverarbeitungseinheit bereitgestellten und/oder verbrauchten und/oder umgewandelten Ressource und/oder die Ausgabe eines entsprechenden Befehls zur Verminderung und/oder Erhöhung der durch eine jeweilige Ressourcenverarbeitungseinheit bereitgestellten und/oder verbrauchten und/oder umgewandelten Ressource umfassen.
Netz nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Agenten (PA) elektronische Siegel zur Vermeidung von Manipulationen der Agenten (PA) aufweisen und die Überwachungseinheit (RP) ferner die Berechtigung hat, die elektronischen Siegel der Agenten (PA) zu überprüfen.
Netz nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die Überwachungseinheit (RP) die Berechtigung hat, Anzeigen von vermuteten Missbräuchen entgegenzunehmen und Untersuchungen betreffend vermutete Missbräuche durchzuführen und/oder zu veranlassen.
Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Subnetz (SN1, SN2) eine Verwaltungseinheit (IA) zur Verwaltung der zu dem jeweiligen Subnetz (SN1, SN2) gehörenden Ressourcenverarbeitungseinheiten und deren Agenten (PA) umfasst.
Netz nach Anspruch 23, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) derart ausgestaltet ist, dass sie Agenten (PA) im jeweiligen Subnetz (SN1, SN2) registriert und abmeldet.
Netz nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) derart ausgestaltet ist, dass sie über eine Schnittstelle, insbesondere eine Webseite, Informationen über das jeweilige Subnetz (SN1, SN2) bereitstellt und die Registrierung und/oder das Abmelden von Agenten (PA) in dem jeweiligen Subnetz (SN1, SN2) ermöglicht.
Netz nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) den Ressourcenverbrauch und die Ressourcenerzeugung und die Ressourcenwandlung der Ressourcenverarbeitungseinheiten überwacht und beim Auftreten von Ressourcen- und/oder Betriebsmittelengpässen und/oder Ungleichgewichten in der Ressourcenverteilung Gegenmaßnahmen bestimmt und entsprechende Anweisungen und/oder Vorschläge an die Agenten (PA) des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) ausgibt.
Netz nach Anspruch 26, bei dem die Gegenmaßnahmen eine Entkopplung des jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) von anderen Subnetzen (SN1, SN2) und die Ausgabe von Anweisungen an die Agenten (PA) zur Erhöhung der Ressourcenerzeugung und/oder Verminderung des Ressourcenverbrauchs und/oder Veränderung der Umwandlung der Ressourcen der zu den jeweiligen Agenten (PA) gehörigen Ressourcenverarbeitungseinheiten umfassen.
Netz nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) Analysemittel zur Analyse der Ressourcenverteilung in dem jeweiligen Subnetz (SN1, SN2) umfasst.
Netz nach einem der Ansprüche 23 bis 28, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) derart ausgestaltet ist, dass sie Beratungsdienste und/oder Dienste zur Förderung der technischen Weiterentwicklung des Netzes anbietet.
Netz nach einem der Ansprüche 23 bis 29, bei dem die Verwaltungseinheit (IA) eines jeweiligen Subnetzes (SN1, SN2) derart ausgestaltet ist, dass sie mit anderen Subnetzen (SN1, SN2), insbesondere mit Verwaltungseinheiten (IA) von anderen Subnetzen, kommunizieren kann.
Verfahren zur Verteilung von Ressourcen in einem Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verteilung der Ressourcen zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten (PA) ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.