Ziele und Ergebnisse

Das Verbundvorhaben smartUSR: „Konzeptionierung und Realisierung eines Smart Grids mit Speicherkomponenten basierend auf erneuerbaren Energien“, wurde in einem Projektzeitraum von 36 Monaten von den Projektpartnern Bosse Consulting GmbH, Bethke et al. GmbH und der Steuerungsbau Hanswille GmbH durchgeführt.

Ziel des Verbundvorhabens war es, für eine zunehmend durch fluktuierende Energiequellen geprägte Energieversorgung Abnehmer so zu steuern, dass dadurch bestehende Freiheitsgrade für die Anpassung der Nachfrage an die momentane Erzeugung ausgenutzt werden (Lastmanagement). Insbesondere verfolgte das Verbundvorhaben das Ziel eine Technologie zu entwickeln, die so preiswert ist, dass damit Nachfrager in Haushalten in das energiewirtschaftliche Lastmanagement einbezogen werden können.

Für die technische Entwicklung konzentrierte sich das Vorhaben auf Wärmepumpen und kleine Blockheizkraftwerke als beispielhafte Anwendungen. Zum einen bieten diese Anlagen gute Steuerungsmöglichkeiten, zum anderen ist ihre Verbreitung so groß, dass praktisch verwertbare Vorhabenergebnisse unmittelbar energiewirtschaftliche Relevanz entfalten können. In drei Arbeitspaketen wurden zunächst in einer umfassenden Analyse die Potenziale für die Entwicklung eines Smart Grids entwickelt, welches den Einsatz erneuerbarer Energien in Speicherkomponenten wie Wärmepumpen ermöglichen soll. Dann wurden die einzelnen Komponenten des smartUSR entwickelt: Controller, Client und Server.

Wesentliche Ergebnisse des Verbundvorhabens sind die Entwicklung der Steuerungseinheit, des smartClients, der zugehörigen Serverplattform zur Steuerung beliebig vieler Steuerungseinheiten sowie der im Feldtest erbrachte Funktionsnachweis. smartUSR ermöglicht es, herstellerunabhängig und ohne Eingriff in die jeweilige Anlage durch von außen gegebene Impulse die betreffende Verbrauchseinheit zu steuern. Dabei konnte im Feldtest nachgewiesen werden, dass vorgegebene Betriebsparameter aus Sicht der Anlagennutzer (Komfort, Wärmeversorgung etc.) stets eingehalten werden. Sämtliche Ergebnisse des Projekts sind in dem ausführlichen Projektbericht zusammengefasst.

Verlauf und Methodik

Zunächst werden die Anbieter- und Abnehmerpotenziale für ein überregionales Netz dargestellt. Leitender Gedanke war, dass insbesondere regenerative Energien oft fluktuierend erzeugt werden. Die Verknüpfung von Regionen, die aufgrund unterschiedlicher Erzeugerstruktur (Wind-, Sonnenenergie) bzw. Wetters sich hinsichtlich der Energieversorgung ergänzen können wird bereits durchgeführt, findet ihre Grenzen aber in bestehenden Leitungskapazitäten.

SmartUSR beabsichtigt dagegen zum Zweck des Lastausgleichs, Anlagen nicht nur nach den unmittelbaren Anforderungen des Nutzers zu betreiben, sondern auch nach dem Angebot von elektrischer Energie. Da gleichzeitig der primäre Nutzen des Stromverbrauchers nicht eingeschränkt werden soll, kommen dafür insbesondere Anlagen in Frage, die mit einem elektrischen, thermischen oder sonstigen Speicher verbunden sind. Häufig sind solche Anlagen für vergleichsweise wenig Vollbenutzungsstunden ausgelegt, so dass erhebliche Freiheitsgerade darin bestehen, wann diese Anlagen betrieben werden. Diese Freiheitsgrade versucht SmartUSR optimal zu nutzen. Abnehmer, die nennenswerte flexible Energieaufnahmekapazitäten aufweisen, wurden unter Wärmepumpen, in Mühlen der landwirtschaftlichen Produktion und bei Elektrofahrzeugen identifiziert.

Eine umfassende Analyse des Standes der Technik verdeutlicht, dass derzeit keine Systeme verfügbar sind, die sowohl eine Vernetzung kleiner Verbraucher ermöglichen, als auch die Steuerung dieser Verbraucher nach energiewirtschaftlichen Kriterien. Unter dem Begriff „Smart Grid“ subsumierte Technologien beschränken sich bislang auf das Messen und Kommunizieren an den Netzbetreiber. Teilweise werden dem betreffenden Verbraucher Verbrauchswerte in aufbereiteter Form verfügbar gemacht oder Informationen zum Energiesparen gegeben. Diese Techniken sind aber ohne Belang für das Lastmanagement auf Netzbetreiberebene. Ein Eingriff in die Nachfrage des gemessenen Verbrauchers ist durch Hausautomation oder Smart Meter ohnehin nicht vorgesehen. Zusätzlich fehlen Konzepte, die den Anforderungen des Datenschutzes entsprechen, hier also den unberechtigten Zugriff auf Energieanlagen von außen sicher ausschließen.

Darüber hinaus wurden relevante rechtliche Rahmenbedingungen aufbereitet. Hier sind die energierechtlichen Anforderungen sowie die erforderliche Sicherstellung des Datenschutzes maßgeblich. Im Rahmen des Vorhabens wurde ausschließlich der für Deutschland maßgebliche rechtliche Rahmen untersucht. Energierechtlich verlangt das Gesetz den Einsatz von „Smart Metern“, deren Funktion vom Gesetzgeber aber nicht genau definiert wird. Anforderungen, ein übergeordnetes Lastmanagement zu ermöglichen werden nicht gestellt, es existieren aber keine Hinweise darauf, dass einem solchen Ansatz rechtlich Wesentliches entgegenstünde. Unter den Aspekten des Datenschutzes können sämtliche Systeme, die auf Smart-Metern basieren, kritisch betrachtet werden. Das Vorhaben SmartUSR entwickelte vor diesem Hintergrund ein System mit hoher inhärenter Sicherheit. So werden Daten von den Clients grundsätzlich gesendet bzw. durch die Clients vom Server abgeholt. Personenspezifische Daten werden soweit möglich nur auf dem Client gespeichert.

Die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen einer breiten Umsetzung des Konzepts werden in einem eigenen Kapitel skizziert. Dabei können positive Effekte im Sinne ökologischer und ökonomischer Vorteile aufgezeigt werden, die durch das System SmartUSR erzielt werden können. Durch den effizienteren Einsatz von Energien und die bessere Ausnutzung/ Einbindung erneuerbarer Energien im Smart Grid wird zum einen eine Senkung der Gesamtstromkosten erreicht und zum anderen auch eine bessere Ökobilanz erzielt. Die erneuerbaren Energien können besser in den Gesamtstrommix einbezogen und ausgenutzt werden, so dass im Endeffekt eine Reduzierung des CO2 Ausstoßes erzielt werden kann. Des Weiteren ist die Schaffung von neuen Energiemärkten und Arbeitsplätzen sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter sozialen Gesichtspunkten ein nennenswerter positiver Effekt, da auch die soziale Ebene eine große Rolle auf dem Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung spielt. Im Allgemeinen ist eine effizientere Energienutzung anzustreben, so dass Investitionsoptimierungen durch eine bessere Ausnutzung der Strominfrastruktur (wie oben beschrieben) durchaus als positiv zu bewerten sind. Gesamt lassen sich ökonomische Vorteile im Smart Grid durchaus mit positiven ökologischen Effekten (Minderung des CO2-Ausstoßes, Erreichung von Klimazielen) kombinieren, so dass man in diesem Zusammenhang von einer ökologischen Ökonomik (nach Daly oder Constanza) sprechen kann. SmartUSR als Teilkomponente eines intelligenten Netzes trägt zu einigen oben genannten Nutzeneffekten bei und kann somit einen Teil zur ökoeffizienten Energienutzung beitragen.

Die Konzeptionierung und Entwicklung der eigentlichen Steuerung begann parallel zu der Grundlagenanalyse und hatte zunächst die Entwicklung eines Prototypen zum Ziel. Die Funktionslogik wurde dabei mittels der Methode IDEF0 erarbeitet und dargestellt. IDEF0 ist ein in den achtziger Jahren entwickelter Modellierungstyp speziell für die funktionelle Beschreibung von Systemen und Organisationen. Basierend auf der „Structured Analysis and Design Technique“ (SADT), ist die zentrale Modellierungsfunktion die Umwandlung von Inputs zu Outputs mit Hilfe von Kontrollmechanismen und Ressourcen. Das vollständige IDEF-Modell wurde als Grundlage für die Entwicklung des smartUSR-Moduls eingesetzt, um eine strukturierte und effiziente Vorgehensweise sicherzustellen.

Vorrangiges technisches Ziel des F&E-Projektes ist es, Wärmepumpen nach den Gesichtspunkten der Eigen- und der Fremdoptimierung steuerbar zu machen. Eine wesentliche lokale Kernfunktionalität ist dabei das Ein- bzw. Ausschalten des Kompressors der Wärmepumpe sowie dazu die Ermittlung des Betriebszustandes des Kompressors der Wärmpumpe. Eine unverzichtbare Steuerungsgröße für das Ein- bzw. Ausschalten ist das lokale Temperatursignal des Gebäudeaußentemperaturfühlers. Für die Realisierung der daraus und aus dem Funktionsmodell skizzierten Anforderungen und der Aufteilung in dezentrale Aufgaben zur Steuerung der Verbrauchs- und Erzeugungseinrichtungen und in zentrale Aufgaben zur Koordination sowie der Kommunikation wurde eine Aufteilung in im wesentlichen drei Komponenten festgelegt:

  1. smartUSR-Server
  2. smartUSR-Client
  3. smartUSR-Controller

smartUSR-Server
Diese Komponente ist zentral bzw. verteilt unter vollständiger Kontrolle des Betreibers des virtuellen Stromnetzes organisiert. Die übrigen Komponenten sind jeweils vor Ort beim Nutzer bzw. Betreiber der Anlage installiert.

smartUSR-Controller
Der smartUSR-Controller umfasst eine spezielle parametrisierbare Signalschaltung, die sich auf einer gesonderten Platine befindet. Im Folgenden wird jedoch beides als Einheit angesehen und als der smartUSR-Controller bezeichnet.

smartUSR-Client
Bei dem smartUSR Client handelt es ich um einen SBC (Single Board Computer) mit einem eigenen Betriebssystem (angepasste Linux-Distribution), wobei Audio- und Videofunktionen ungenutzt bleiben, während die Netzwerkfunktion (Ethernet) und die Schnittstellenfunktionen (USB und GPIO) neben der Speichereinheit (SD-Karte) und natürlich der CPU genutzt werden. Die zeitgleiche Markteinführung des Mini-Computers Raspberry Pi ermöglichte eine frühe Umstellung des ursprünglich angedachten Steuerungskonzepts auf diese sehr wirtschaftliche und leistungsstarke Plattform. Entscheidend sind drei Funktionen des smartUSR-Clients, die über die Software des Clients abgebildet werden:

  1. Datenerfassung
  2. Vorgaben zur Signalveränderung
  3. lokale Information

Alle Testläufe begannen mit einer Analyse im Hardware-Labor. Dazu wurden alle Systeme an zwei unterschiedlichen Wärmepumpen und einer KWK-Einheit getestet. Softwaretests werden üblicherweise mittels Simulationen begonnen, bevor Anwendungen auf der Hardware erfolgen.

Im Feldtest wurden 5 Wärmepumpen und später in Zusammenhang mit der TU Braunschweig auch ein stromgeführtes BHKW mit der smartUSR-Steuerung angebunden. Die Möglichkeiten, über diese Steuerung ohne Komforteinbußen oder nennenswerten Einsatz des Heizungsbetreibers Wärmepumpen und BHKW anzusteuern, haben die Erwartungen mehr als erfüllt.

Vor allem die Einfachheit und Robustheit dieser Lösung, aber auch die gefundene Lösung für die Sicherheit von Datenübertragung und Datenschutz haben die Projektteilnehmer und Partner von vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Entwicklung überzeugt.