VPP (Virtuelles Kraftwerk) – Einführung: Bündelung verteilter Ressourcen und deren Verkauf als Kraftwerk

Einige wenige Kilowatt einer Photovoltaikanlage auf dem Dach oder eines Heimspeichers haben für einen Netzbetreiber als „Kraftwerk“ keinen Wert. Bündelt man jedoch Tausende oder Zehntausende solcher Anlagen und steuert sie gleichzeitig über Kommunikation und Software, kann die kombinierte Leistung mit der eines einzelnen Wärmekraftwerks mithalten. Das ist die Grundidee eines virtuellen Kraftwerks (VPP). Ein VPP ist keine neue Art der Stromerzeugung – es ist eine Informationsplattform, die bestehende dezentrale Ressourcen zu einer Einheit bündelt, die am Markt gehandelt werden kann. Die Kommunikations- und Messgrundlage für die Bündelung dezentraler Ressourcen wurde im Smart Grid Primer erläutert. Dieser Artikel konzentriert sich auf die darauf aufbauende Geschäftsstruktur sowie auf Japans institutionelle Rahmenbedingungen und konkrete Beispiele.

Das Wichtigste in 30 Sekunden

• Ein virtuelles Kraftwerk (VPP) ist ein Mechanismus, der verteilte Ressourcen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften – wie Solaranlagen auf Dächern, Heimspeicher, Elektrofahrzeuge und Lastmanagement (Demand Response, DR) in Fabriken – mittels Kommunikation und Software bündelt und sie wie ein einziges steuerbares Kraftwerk behandelt.

• In Japan basiert das System auf einer zweistufigen Struktur: „Ressourcenaggregatoren“, die direkt mit Verbrauchern Verträge abschließen und ihre Ressourcen steuern, und „Aggregationskoordinatoren“, die die von mehreren Ressourcenaggregatoren angebotene Leistung bündeln und den Großhandel abwickeln. Im April 2022 wurde das System der festgelegten Großhandelslieferanten eingeführt, und ENERES wurde der erste zertifizierte Aggregator in Japan im Rahmen dieses Systems.

• Die Ressourcen, die ein VPP nutzt, unterscheiden sich hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeit, Dauer und Vorhersagbarkeit. Speicher und Elektrofahrzeuge reagieren schnell; Solaranlagen sind schwer zu steuern; und Lastmanagement von Fabrik-Klimaanlagen und Produktionsanlagen ist zwar umfangreich, aber in seiner Flexibilität eingeschränkt.

Das Hauptkampffeld für japanische virtuelle Kraftwerke (VPPs) ist weniger der Stromgroßhandelsmarkt (JEPX) selbst als vielmehr der Regelenergiemarkt, auf dem die allgemeinen Übertragungs- und Verteilungsnetzbetreiber Regelenergie beschaffen. Dieser bietet verschiedene Produktkategorien, die sich nach Reaktionszeit und Dauer unterscheiden. Ein VPP wählt das Produkt, auf das es bietet, basierend auf den Eigenschaften seiner Ressourcen.

Ein praktisches Beispiel: Während der angespannten Stromsituation im Sommer 2022 setzten REXEV und ENERES V2G – die Nutzung der Batterien von Carsharing-Elektrofahrzeugen – zur Bereitstellung von Regelenergie ein. VPP ist eine Technologie, bei der institutionelle Gestaltung und realer Betrieb zunehmend parallel voranschreiten und die Demonstrationsphase hinter sich lassen.

1. Was ist ein VPP – die Bedeutung von „virtuell“

„Virtuell“ in VPP bedeutet, dass es kein eigenes physisches Kraftwerk besitzt. Solaranlagen, Heimspeicher, Bordbatterien von Elektrofahrzeugen und die Lastmanagementkapazität einer Fabrik sind jeweils physisch gesehen kleine Ressourcen an separaten Standorten. Durch die Vernetzung dieser Ressourcen erfasst eine zentrale Software den Zustand jeder einzelnen Ressource (Restladung, Erzeugungsprognose, Betriebsplan usw.) und sendet zum erforderlichen Zeitpunkt Befehle zur Leistungssteigerung oder -reduzierung. Aus Sicht eines Netzbetreibers oder des Strommarktes verhält sich dieser Verbund wie ein einzelnes Kraftwerk.

Abbildung 1 – In einem virtuellen Kraftwerk (VPP) schließen Ressourcenaggregatoren direkt Verträge mit verteilten Ressourcen unterschiedlicher Eigenschaften ab und steuern diese. Ein Aggregationskoordinator bündelt diese Ressourcen, um mit dem Regelenergiemarkt, dem Großhandelsstrommarkt und den allgemeinen Übertragungs- und Verteilungsnetzbetreibern zu handeln – eine zweistufige Struktur.

2. Japans Aggregatorsystem – eine zweistufige Struktur

Japans VPP-System ist in zwei Rollen unterteilt: den Ressourcenaggregator und den Aggregationskoordinator. Ein Ressourcenaggregator schließt einen VPP-Dienstleistungsvertrag direkt mit einem Verbraucher (einem Haushalt oder einer Fabrik) ab und steuert dessen Solaranlagen, Batterien oder Demand-Response-Anlagen. Ein Aggregationskoordinator bündelt die von mehreren Ressourcenaggregatoren erfasste Leistung und handelt direkt mit allgemeinen Übertragungs- und Verteilungsnetzbetreibern oder Stromanbietern.

Untermauerung dieser Aussage Die institutionelle Struktur bildet das System der festgelegten Großhandelslieferanten (Aggregatoren), das im April 2022 eingeführt wurde. Es schafft eine rechtliche Grundlage für die Bündelung dezentraler Ressourcen und den Großhandel mit Strom, analog zu Erzeugungsunternehmen. ENERES wurde in Japan als erster Aggregator im Rahmen dieses Systems zertifiziert. Bereits vor der Institutionalisierung hatte das VPP-Demonstrationsprojekt des japanischen Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) (durchgeführt von 2016 bis 2020) die Rollenverteilung zwischen Ressourcenaggregatoren und Aggregationskoordinatoren validiert und die Kommunikationsschnittstellen zwischen ihnen standardisiert.

Ressourcenaggregator | Vertragsabschluss mit Verbrauchern, direkte Anlagensteuerung, Basislinienmanagement | Direkter Vertrag |

Aggregationskoordinator | Aggregation der Leistung mehrerer Ressourcenaggregatoren, Handel mit dem Markt und dem Netzbetreiber | Indirekt (ohne Vertrag) |

3. Arten und Eigenschaften der Ressourcen, die ein VPP bündelt

Die Ressourcen, auf die ein VPP abzielt, sind nicht Einheitlich. Reaktionsgeschwindigkeit, Dauer und Vorhersagbarkeit der Leistung variieren stark je nach Ressource. Aggregatoren gestalten daher die Eigenschaften der von ihnen bereitgestellten Regelleistung basierend auf der Art der Ressourcenkombination.

Da Solarenergie ohne Sonnenlicht nicht mehr Leistung erbringen kann, eignet sie sich schlecht als Quelle für Demand Response (DR). Batterien und Elektrofahrzeuge hingegen können sowohl zum Laden als auch zum Entladen genutzt werden und werden daher voraussichtlich zur zentralen Regelenergiequelle eines virtuellen Kraftwerks (VPP). V2G (Vehicle-to-Grid) mit Elektrofahrzeugen nutzt die Bordbatterie nicht nur als Energiequelle für den Transport, sondern auch zur Regelenergieversorgung, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.

4. Steuerungsarchitektur – Die Kommunikationsschichten

Damit ein VPP eine große Anzahl kleiner Ressourcen steuern kann, bilden die im Smart Grid Primer beschriebenen Kommunikationsschichten die Grundlage. ECHONET Lite wird häufig zur Steuerung von Haushaltsgeräten verwendet, OpenADR zur Automatisierung von Lastmanagementsignalen zwischen Unternehmen. Im Cloud-System des Aggregators wird der Status der einzelnen Ressourcen gespeichert. (Ladezustand, Betriebsplan, Erzeugungsprognose) werden aggregiert, und Marktaufträge werden empfangen und den einzelnen Ressourcen zugeordnet. Die Präzision und Geschwindigkeit dieses Zuordnungsalgorithmus bestimmen direkt die Qualität der Regelleistung, die ein virtuelles Kraftwerk (VPP) bereitstellen kann.

5. Japans Marktstruktur – Regelenergiemarkt und JEPX

Die wichtigsten Einnahmequellen eines VPP lassen sich grob in zwei Bereiche unterteilen: den Großhandelsstrommarkt (JEPX), auf dem Strom gehandelt wird, und den Regelenergiemarkt, auf dem die allgemeinen Übertragungs- und Verteilungsnetzbetreiber Regelleistung beschaffen, um Frequenz und Angebots-Nachfrage-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Der Regelenergiemarkt wurde seit dem Geschäftsjahr 2021 schrittweise geöffnet und bietet Produkte von primärer bis tertiärer Regelleistung ② an – kategorisiert nach Reaktionszeit und Dauer (die detaillierten physikalischen Hintergründe dieser Klassifizierung werden im Grundlagen der Netzträgheit und Frequenzregelung erläutert). Schnell reagierende Batterien und Elektrofahrzeuge eignen sich für Produktkategorien mit kurzer Reaktionszeit, während relativ langsam reagierende Die werkseitige Laststeuerung eignet sich für Kategorien mit größerem Spielraum in der Reaktionszeit. Ein virtuelles Kraftwerk (VPP) wählt die Produktkategorie aus, in die es Gebote abgibt, indem es die Reaktionseigenschaften der gebündelten Ressourcen bewertet.

Darüber hinaus bestimmt die „Ertragsstapelung“ – die Kombination mehrerer Einnahmequellen, wie z. B. der Verkauf von Strom auf dem Großhandelsmarkt, die Bereitstellung von Regelleistung auf dem Regelenergiemarkt und die Senkung der Verbraucherkosten durch Lastspitzenkappung – die Wirtschaftlichkeit eines VPP. Selbst eine Ressource, die ihre Investition über einen einzelnen Markt nicht decken kann, kann sich durch die Kombination mehrerer Nutzungen rentieren.

6. Ein Praxisbeispiel – von der Demonstration zum praktischen V2G

Japans VPP-Sektor hat im Rahmen des VPP-Demonstrationsprojekts des japanischen Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) von 2016 bis 2020 mehrere Unternehmen als Ressourcenaggregatoren und -koordinatoren einbezogen, um Kommunikationsstandards und Betriebsregeln zu validieren. KDDI und ENERES haben eine VPP-Initiative mit 5G und MEC (Multi-Access Edge Computing) vorangetrieben, ein bekanntes Beispiel für den Versuch, die Latenz und Zuverlässigkeit der VPP-Steuerung zu verbessern. Aus Sicht der Kommunikationsinfrastruktur.

Ein konkretes Beispiel für eine praktische Anwendung ist die Umsetzung eines Systems, das REXEV und ENERES während der besonders angespannten Stromsituation im Sommer 2022 in der Region Odawara/Hakone implementiert haben. Dieses System entlädt die Bordbatterien von Elektrofahrzeugen, die in einem Carsharing-Unternehmen eingesetzt werden, per V2G (Fahrzeug-zu-Netz) außerhalb der Nutzungszeiten der Fahrzeuge und stellt den erzeugten Strom als Regelleistung für die Kanto-Region zur Verfügung. Es ist der Versuch, aus derselben Fahrzeugbatterie zwei Nutzen zu ziehen – die Nutzung als Transportmittel und die Bereitstellung von Regelleistung für das Stromnetz. Dies dient als Beispiel für die praktische Anwendung von V2G.

7. Beziehung von virtuellen Kraftwerken (VPP) zu Batterien und zum Smart Grid

Ein virtuelles Kraftwerk (VPP) ersetzt nicht die Technologie einer netzgekoppelten Batterie (Zellchemie, Batteriemanagementsystem, Wirkungsgrad usw.). Vielmehr stellt es eine „Geschäftsebene“ dar, die die einzelnen Batterien des [Power Battery] bündelt. Primer in eine handelbare Einheit. Ebenso ist ein virtuelles Kraftwerk (VPP) ein institutioneller und operativer Mechanismus, der auf Hardware-Infrastruktur wie intelligenten Zählern und Kommunikationsprotokollen aufbaut und ohne die im Smart Grid Primer beschriebene Mess- und Kommunikationsinfrastruktur nicht funktionieren kann. Es ist sinnvoll, VPP, Batterien und das intelligente Stromnetz nicht als konkurrierende Technologien, sondern als übereinanderliegende Schichten zu verstehen.

8. Aktuelle Herausforderungen und Forschungsschwerpunkte

• Kommunikationslatenz und -zuverlässigkeit: Es wird ein Mechanismus benötigt, um Befehle gleichzeitig an eine große Anzahl von Ressourcen zu senden und die Antwort innerhalb eines festgelegten Zeitfensters zu bestätigen. Die Nutzung von 5G und MEC ist eine Lösung für diese Herausforderung.

• Basisgenauigkeit: Die Messung der Wirkung von Demand Response (DR) erfordert den Vergleich mit der Differenz zu einem „geschätzten Verbrauch ohne Steuerung“ (dem Basiswert). Die Genauigkeit dieser Schätzung bestimmt direkt die Glaubwürdigkeit des Marktes.

• Cybersicherheit: Angesichts der Vielzahl vernetzter Haushaltsgeräte und Elektrofahrzeuge gewinnt die Minimierung der Angriffsfläche an Bedeutung.

• Diversifizierung der Ressourcen: Die Integration neuer Ressourcenarten wie Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, industrielle Wärmepumpen und Lastanpassung in Rechenzentren wird erforscht.

• Standardisierung: Die Entwicklung standardisierter Schnittstellen zur Steuerung von Geräten verschiedener Hersteller und einheitlicher Kommunikationsstandards beeinflusst den Markteintritt von Aggregatoren.

Zusammenfassung: Ein virtuelles Kraftwerk (VPP) ist kein „Kraftwerk“, sondern eine „Bündelungsschicht“

Ein VPP ist keine Technologie der neuen Generation, sondern ein Mechanismus, der bestehende verteilte Ressourcen wie Solaranlagen, Batteriespeicher, Elektrofahrzeuge und Lastmanagement (DR) mittels Kommunikation und Software zu einer handelbaren Einheit bündelt. Japan hat ein zweistufiges System aus Ressourcenaggregatoren und Aggregationskoordinatoren aufgebaut. Mit dem Ausgleichsmarkt als konkreter Handelsplattform schreitet die praktische Umsetzung von der Demonstrationsphase voran.

Bei der Bewertung einer VPP-Initiative ist Folgendes zu beachten: Prüfen Sie Folgendes:

1. Welche Ressourcen (Solar, Batterien, Elektrofahrzeuge, Demand Response) werden gebündelt und mit welcher Reaktionsgeschwindigkeit und -dauer?

2. Handelt es sich um einen Ressourcenaggregator oder einen Aggregationskoordinator, und wie ist die Rollenverteilung strukturiert?

3. Welche Kombination von Einnahmequellen – Großhandelsmarkt, Regelenergiemarkt, Kostenreduzierung – wird genutzt und wie?

4. Wie wird die Zuverlässigkeit der Basismessung bzw. der Kommunikation sichergestellt?

Wenn Sie diese vier Punkte berücksichtigen, können Sie eine VPP-Ankündigung als konkrete Struktur lesen – wie die verteilten Ressourcen gebündelt und wo sie gehandelt werden.

Referenzen

• [Agentur für natürliche Ressourcen und Energie] — Was sind VPP und DR?](https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/vpp_dr/about.html)
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie — Glossar der VPP/DR-Begriffe
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie — Nutzung von VPP/DR
• ENERES Co., Ltd. — Nutzung von Elektrofahrzeugstrom bei angespannter Stromversorgung
• REXEV Co., Ltd. — Nutzung von Elektrofahrzeugstrom bei angespannter Stromversorgung
• KDDI — Wie ENERES und KDDI eine dekarbonisierte Gesellschaft durch das virtuelle Kraftwerk (VPP) gestalten
• Elektrische Leistungsreservebörse (EPRX) — Was ist der Ausgleichsmarkt?
• Organisation für die regionenübergreifende Koordinierung der Übertragungsnetzbetreiber, Japan (OCCTO) ...