Das Zellulare Energiesystem (ZES) bzw. der zellulare Ansatz ist ein Organisationsmodell für die Energieversorgung. Im Zellularen Energiesystem wird nach dem Subsidiaritätsprinzip die physikalische Balance zwischen Energieangebot und -nachfrage so weit wie möglich bereits auf lokaler Ebene hergestellt und nur die Restlast mit der nächsthöheren Ebene ausgeglichen.

mini|hochkant=1.8|Übersicht über ein Zellulares Energiesystem Unabhängig von der zukünftigen Entwicklung des Bedarfs an Endenergie wird es für Energietransport und -speicherung unumgänglich, neben elektrischer Energie weitere Energieträger einzubeziehen. Angebot und Nachfrage müssen im Gegensatz zu den Energieträgern Gas und Wärme bei der Elektrizität zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen sein. Mit zunehmender Dargebotsabhängigkeit der Erzeugung auf Basis erneuerbarer Energien wachsen die Ausgleichs­anforderungen bei elektrischer Energie, die durch die Einbeziehung der Speicherfähigkeit von Gas und Wärme oder der zeitlich verschiebbaren Nutzung von disponiblen Lasten zu bewältigen sind.

Der zentrale Baustein dieses Modells ist die Energiezelle. Eine Energiezelle besteht aus der Infrastruktur zur Erzeugung bzw. dem Verbrauch, der Wandlung und der Verteilung für verschiedene Energieformen, in der durch ein Energiezellen­management der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch über alle vorhandenen Energieformen organisiert wird und in möglicher Koordination mit Nachbarzellen optimiert wird. In diesem interdisziplinären Modell werden technische und wirtschaftliche Belange berücksichtigt, wobei auch juristische, politische und gesellschaftliche Aspekte einfließen.

Definition Eine Energiezelle besteht aus der Infrastruktur für verschiedene Energieformen, in der durch ein Energiezellenmanagement in möglicher Koordination mit Nachbarzellen der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch über alle vorhandenen Energieformen organisiert wird.

Zur Infrastruktur werden alle Betriebsmittel gezählt, die zur Wandlung von Energie, zu deren Transport und Verteilung, sowie zur Speicherung eingesetzt werden. Die betrachteten Energieformen umfassen u. a. Elektrizität, Gas, Wärme sowie Treibstoffe für die Mobilität. Eine Zelle kann auch nur eine Energieform enthalten. Zum Energiezellenmanagement (EZM) zählen alle Einrichtungen der Leittechnik einschließlich der benötigten Kommunikationstechnik. Nachbarzellen können hierarchisch angeordnet sein. Es gibt somit Zellen auf der gleichen Ebene sowie auf überlagerten und unterlagerten Ebenen. Beim Ausgleich, der sowohl saisonal oder auch kurzfristig durchgeführt werden kann, können sich die drei Zustände: ausgeglichen, überversorgt oder unterversorgt über alle vorhandenen Energieformen ergeben.

Die Energiezellen werden genutzt, um das Energiesystem aufzubauen. Dabei wiederholt sich ihre selbstähnliche Struktur auf allen Netzebenen.

Herkunft und Modell Motivation Die elektrische Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen bringt besondere Herausforderungen mit sich. Dies betrifft insbesondere die notwendige Systemflexibilisierung im Sektorenverbund von elektrischer und thermischer Energie, aber auch leitungsgebundener chemischer Energie und Energieträger für Mobilität, um die Volatilität der Erzeugung zu beherrschen. Damit verbunden ist die Zunahme der Vielfalt aktiver Akteure und des Grades der Vernetzung. Zusätzlich entstehen neue Formen der Organisation zwischen den Akteuren (z. B. Sharing, virtuelle Kraftwerke). In der Folge wächst die Komplexität der Systemführung.

Mittel zur Komplexitätsbeherrschung sind Zerlegbarkeit in autonome und verbundene Subsysteme, Sicherstellung von Interoperabilität, Digitalisierung als Basis für Massen-EDV, sowie Zuverlässigkeit, Informationssicherheit und Datenschutz im Umfeld der Digitalisierung

Die Vielfalt resultiert aus der Anwendbarkeit erneuerbarer Erzeugung in unterschiedlichster Skalierung vom Gebäude, über Stadtquartiere und Areale, über Ortschaften, Städte zu Regionen, bis zu nationalen und internationalen Strukturen. Die wachsende Komplexität kann bei Weiterführung der zentralen Steuerung zur Unbeherrschbarkeit des Gesamtsystems führen. Aber auch die Autonomie vielfältiger und verbundener Teilsysteme ohne Regeln der Interaktion kann zu chaotischen Verhalten führen. Die Kunst eines stabilen und gleichzeitig flexiblen sowie entwicklungsfähigen Systems besteht darin, lokal als eigenständiges System zu agieren, aber gleichzeitig die Synergien einer globalen Vernetzung zu erschließen.

Es ist ein Satz von Mechanismen innerhalb von Teilsystemen – den Energiezellen – zu entwickeln, die Autonomie ermöglichen können und die durch Energiemanagementsysteme innerhalb der Teilsysteme umgesetzt werden. Zu gestalten sind auch die Regeln an den Grenzen der Teilsysteme zur Nachbarzelle, die ein flexibles Gesamtsystem als eine Art selbstoptimierender Energieorganismus ermöglichen. Das bisher zentral gesteuerte Gesamtsystem wandelt sich damit zum Verbund von sich nebeneinander mitentwickelnden Teilsystemen mit geteilter Regelungsverantwortung um – dem zellularen Energiesystem.

Historie Das Bewusstsein bezüglich der aufgrund zunehmender Komplexität aufkommenden Herausforderungen reifte zunehmend mit dem beschleunigten Ausbau Erneuerbarer Energien im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts – zuerst in Europa, aber dann auch in den USA sowie in Asien, beispielsweise in China und Japan. Quelle der Untersuchungen waren Forschung und Entwicklung rund um die Begriffe Smart Grid und Microgrid.

Auf Basis des Förderprogrammes E-Energy konnten insbesondere Forschung und Entwicklung zu diesen Themen in Deutschland verstärkt werden. Insbesondere wurde in diesem Kontext erstmals der Vorschlag zum zellularen Ansatz im Energiesystem in formuliert, wobei hierzu ein Modell in eingeführt wurde. Die weitere Untersuchung von Anwendungsszenarien dieses Modells konnte mit der Spezifikation des Demonstrationsprojektes C/sells in ermöglicht werden. Die Studie kalkulierte Netzmaßnahmen auf Basis des zellularen Ansatzes. Ein Vergleich und die Optimierung von zentral und dezentral orientierten Ausbaupfaden zu einer Stromversorgung aus erneuerbaren Energien in Deutschland findet in der Studie statt. Der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) übernahm im Rahmen der VDE-Studien zum zellularen Ansatz [VDE, 2015, Der zellulare Ansatz] und [VDE, 2019, Zellulares Energiesystem] die Überführung des Konzeptes in einen breiten Diskussionsprozess der Fachwelt.

Um die Kommunikation in diesem Prozess auf Basis einer gemeinsamen Sprache zu ermöglichen, wird sowohl ein Systemmodell zu Beschreibung des Gesamtsystems sowie der Zusammensetzung von Teilsystemen als auch ein Flexibilitätsmodell benötigt. Mit Hilfe des Flexibilitätsmodells sind die Regeln an den Grenzen der durch das Systemmodell beschriebenen Teilsysteme zu definieren. Um die Vereinbarung entsprechender Modelle zu befördern, wurde vom Arbeitskreis „Terminologie Smart Energy“ bei der DKE eine öffentlich verfügbare Spezifikation unter gleichem Titel im Erstentwurf veröffentlicht.

Systemmodell Ausgehend vom Systembegriff wird das Energiesystem als Gesamtheit miteinander in Verbindung stehender Objekte in Form von Komponenten, die im Zusammenhang von Energiegewinnung, -speicherung, -nutzung, -transport als Ganzes gesehen und von ihrer Umwelt abgegrenzt betrachtet werden können, wobei die Interaktion mit der Umwelt über Schnittstellen stattfindet. Mittels der Interaktionen zur Umwelt ändert sich der Zustand des Systems. Im weiteren Kontext bei der Betrachtung von Energiesystemen werden insbesondere die Größen Energie und Information als in der Zeit veränderliche Attribute eines kybernetischen Systems betrachtet, die unter Nutzung der Schnittstellen zwischen dem System und Systemumgebung ausgetauscht werden.

Auf dieser Basis kann in kleinster räumlicher Ausdehnung ein Energiesystem beispielsweise innerhalb eines Gebäudes definiert werden. Hierzu werden die energietechnischen Komponenten von der Gewinnung bis zu Nutzung inklusive der Speicherung und des Transportes sowie die informationstechnischen Komponenten zum Monitoring, Management und Steuerung von Energieflüssen als auch die Schnittstellen zum Austausch von Energie und Information mit der Systemumgebung benötigt. Ein entsprechendes Modell mit attributiver Systembeschreibung auf Basis der Komponenten als Attribute nullter Stufe sowie der Funktionen, Eigenschaften und Relationen als Attribute erster Stufe wurde in eingeführt.

Werden zwei oder mehrere dieser Energiesysteme mit gleichen Attributen über Schnittstellen miteinander verbunden, entsteht ein Energiesystemverbund als Systemaggregat. Moderne Energiesysteme werden zunehmend unter Einsatz informationsverarbeitender Komponenten geführt, um den Herausforderungen einer erneuerbaren, fluktuierenden und dezentralen Energieerzeugung mit Energiegewinnung bis in die Liegenschaften im Niederspannungsbereich gerecht zu werden. Für diese Verbindung von Energie- und Informationsinfrastruktur wurde der Begriff intelligentes Energiesystem (Smart Energy System) geprägt.

Zur Umsetzung eines intelligenten Energiesystems einerseits als autonomes System und gleichzeitig als Teil einer verbundenen Struktur wird für diese Entität der Begriff Energiezelle eingeführt. Werden nun mehrere Energiezellen durch Schnittstellen in einer einbettenden Struktur miteinander verbunden, wobei mindestens eine neue, gemeinsame Komponente (Attribut) geschaffen wird, entsteht ein System aus Systemen. Zum Beispiel aggregiert eine Energiemanagementsystem eines Stadtquartiers alle Energieflüsse über die Managementsysteme der Gebäude hinaus. Auf dieser Basis entsteht ein Energiesystem aus der Integration von Energiesystemen, die damit Zellen eines Gesamtverbundes – Energieorganismus als Analogie – bilden. Für diese Struktur aus einzelnen Energiezellen wird der Begriff zellulares Energiesystem definiert.

Schlussendlich können Zellen in folgender Weise typisiert werden. Die Ausprägung kann als geschlossene, private Zellen oder als geschlossene Verteil- und Nahnetze beispielsweise als Wohnhäuser & kommerzielle Gebäude, Quartiere (Gebiete innerhalb einer Gemeinde potenziell als Mikro-Grid) Industrie- und Handelsgebiete (potenziell als Mikro-Grid betrieben)

oder auch als öffentliche Netzzellen wie Verteilungsnetze und sonstige Nahnetze Übertragungsnetze und sonst. Fernnetze Verbundnetz in Europa

erfolgen.

Diese Zellen interagieren in zwei Dimensionen als physikalische, energetisch direkt gekoppelte Zellen horizontal mit Zellen gleichen Typs (Wohngebäude zu Wohngebäude, Quartier zu Quartier, Verteilnetz zu Verteilnetz usw.) als auch vertikal mit Zellen anderen Typs (Wohngebäude mit Quartier, Quartier mit Verteilnetz, Verteilnetz mit Übertragungsnetz usw.). Ausgeprägt werden können aber auch virtuelle, informationstechnisch verbundene, Marktzellen, deren energetische Kopplung zu anderen Zellen indirekt über andere Zellen erfolgt, für Handlungsräume wie regionale Märkte, Energie-Communities oder virtuelle Kraftwerke.

Konzept