Arbeitspakete

Die meteocontrol GmbH übernimmt für das Projekt iHEM die fachliche und administrative Koordination der Teilprojekte sowie die Repräsentation gegenüber dem Projektträger und beteiligten Institutionen. Auch die Öffentlichkeitsarbeit in Form von Veranstaltungs- und Messebesuchen, Publikationen und Internetauftritt sind Bestandteil dieses Arbeitspaketes. Des Weiteren werden der Fortschritt des Projekts festgehalten und regelmäßige Projekttreffen organisiert.

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes werden Energiepotenziale und Anlagentechnik umfassend analysiert und validiert. Darauf aufbauend wird ein Rahmenszenario festgelegt, das eine Wärmebedarfsanalyse verschiedener Gebäudetypen sowie eine Erhebung der elektrischen Lastgänge beinhaltet. Zusammen mit thermischen und elektrischen Einspeiseprofilen bilden diese Daten die Grundlage für ein intelligentes Heimenergiemanagement aus welcher die abschließenden Systemanforderungen und die Grobdimensionierung des Systems abgeleitet werden.

Für die Entwicklung eines Verfahrens zum intelligenten Heimenergiemanagement ist es zunächst notwendig, das zu optimierende System inklusive seiner Einzelkomponenten zu untersuchen, zentrale Eigenschaften, z.B. Freiheitsgrade in der Steuerbarkeit der Einzelkomponenten, festzuhalten und zu dokumentieren und in einer Simulationsumgebung nachzubilden. Aufgrund der integrierten Betrachtung der thermischen und elektrischen Heimenergieversorgung ist es dazu notwendig, zum einen spezialisierte Einzelmodelle zu entwickeln und weiterhin diese zu einer Systemsimulation zusammenzuführen. Ein wesentliches Ziel dieses Arbeitspaketes ist deshalb die Entwicklung einer Simulationsumgebung, die einzelne Anlagenmodelle (Photovoltaikanlage, Batteriespeicher, thermisches Gebäudesystem, KWK-System) zu einer Gesamtsystemsimulation koppelt. Dabei ist insbesondere der Tatsache Rechnung zu tragen, dass Einzelmodelle in unterschiedlichen Simulationssprachen (z.B. MATLAB/Simulink für elektrische Komponenten, TRNSYS für Komponenten der thermischen Energieversorgung) vorliegen können. Hierzu existieren bei OFFIS bereits Vorarbeiten in Form des Integrationsframeworks „mosaik“, das für die spezifische Anwendung im Rahmen dieses Projekts angepasst bzw. erweitert werden soll. Aufgrund der Abhängigkeit der Modellbildung und -evaluation von der Verfügbarkeit realer Messdaten erfolgt die Erstellung evaluierter Anlagenmodelle dabei durch die jeweiligen Experten der Projektpartner. Die integrierte Betrachtung erlaubt außerdem, Managementkonzepte für die jeweiligen Optimierungskriterien des Gesamtsystems aufzustellen sowie ein Konzept für den Laboraufbau herzuleiten. Ergebnisse aus der Laborphase fließen in die kontinuierliche Verfeinerung der Gesamtsystemsimulation ein.

Für die zentrale Steuerung wird ein Modul entwickelt, welches neben der Steuerung der Energieerzeuger, -speicher und -verbraucher auch als Schnittstelle zwischen Internet und Haushalt fungiert. Mittels Anbindung an das Internet können relevante Daten wie Wetterprognose und zeitvariable Tarife übermittelt und die Verknüpfung der einzelnen Haushalte zu einem virtuellen Großspeicher realisiert werden. Für die Kommunikation mit der Haustechnik werden geeignete Schnittstellen entwickelt, welche anschließend über intelligente Algorithmen optimal gesteuert werden. Dadurch lassen sich Solarthermie, Photovoltaik, Batterie mittels Leistungselektronik, Brennstoffzelle und Wärmespeicher regeln. Zur Darstellung und Bedienung für die Nutzer wird ein User-Interface entwickelt, wodurch es den Bewohnern möglich ist, Einstellungen und Restriktionen am intelligenten Heimenergiemanagement vorzunehmen. Als zusätzliche Komponente sollen zur möglichen Realisierung virtueller Häuserblocks Schnittstellen entwickelt werden, die es ermöglichen mehrere Häuser mit Steuereinheiten zusammenzufassen.

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes werden Algorithmen für ein intelligentes, integriertes Heimenergiemanagement entwickelt, das auf den optimierten Betriebsstrategien der im Projekt betrachteten Einzelkomponenten beruht und eine erzeugungsnahe Nutzung dezentral eingespeister elektrischer Energie ermöglichen soll. Als eine wesentliche Voraussetzung für ein optimiertes Gesamtverhalten der Komponenten eines aktiven Haushaltes werden qualitativ hochwertige, zeitlich und örtlich fein aufgelöste Prognosen des zukünftigen Erzeugungs- oder Verbrauchsverhaltens entwickelt. Darüber hinaus sollen die Prognosen unter Inbezugnahme von Unsicherheiten, d. h. den erwarteten Zeitreihenvarianzen, optimiert werden, um den Betrieb der lokalen Speicher, KWK-Anlage und verschiebbare Lasten mit diesen Unsicherheiten abzustimmen. Des Weiteren wird das Potenzial eines jahreszeitlich differenzierten Anlagenbetriebs simulativ untersucht. So kann etwa die speichergekoppelte PV-Anlage im Sommer die aufgrund des thermischen Bedarfs deutlich verringerte Laufzeit der KWK-Anlage (teilweise) ausgleichen, während sich im Winter die Situation entgegengesetzt darstellt. Somit wird ein gleichmäßig hoher Eigenverbrauch angestrebt. Die im Rahmen dieses AP entwickelten Algorithmen werden in die im vorherigen Schritt entwickelte Hardware-Steuereinheit implementiert. Auch werden Algorithmen für den gemeinschaftlichen Betrieb von Häuserblocks entwickelt. Die Speicher sollen in der Lage sein, die Einspeisung z.B. mehrerer Photovoltaikanlagen gebündelt zwischen zu speichern und somit das elektrische Versorgungsnetz im Sinne der Spannungshaltung lokal zu entlasten.

Der elektrische Energiespeicher stellt heute noch eine der teuersten Komponenten in den Systemen dar. In einer ersten Teilaufgabe sollen daher die möglichen Technologien gegenüber gestellt werden und insbesondere auch Kombinationssysteme analysiert werden. Im Fokus der Integrationsarbeiten von elektrischen Energiespeichern in ein intelligentes Heimenergiemanagement stehen die Wirtschaftlichkeit und die Lebensdauer der Speicherzellen. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Verfeinerung des genutzten Batteriemodells ein. Die leistungselektronische Einbindung der Speicherzellen in das Energiemanagement wird anhand eines bidirektionalen Wechselrichters umgesetzt.

Es wird ein Warmwasserspeicher mit optimierter Dämmung, Einschichtung sowie einer Heizpatrone entwickelt und aufgebaut. Der Wärmeeintrag in den Pufferspeicher erfolgt durch die Solaranlage, KWK-Einheit und das Zusatzheizgerät bzw. die Heizpatrone (Heizstab). In Abhängigkeit von der Wärmequelle werden hohe Nutzungsgrade bei unterschiedlichen Temperaturniveaus erzielt. Dies wird durch den Eintrag über Schichtlanzen bewerkstelligt werden, um die erforderlichen Temperaturbereiche in getrennten Zonen des Speichers zur Verfügung zu stellen. Das Heizungssystem (Heizung und Trinkwarmwasser) wird mit dem Ziel simuliert, die optimale Betriebsweise und –strategie unter Berücksichtigung der meteorologischen Randbedingungen zu ermitteln. Des Weiteren wird die Ergänzung des Heizungssystems um ein Wärmepumpensystem, als Alternative zur ineffizienteren Heizpatrone, evaluiert. Die elektrische Antriebsenergie kann dabei vom KWK-System als auch von der Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellt werden. Prinzipiell werden zwei Szenarien zur thermischen Energiespeicherung untersucht. Zum einen wird die Kombination aus KWK, Solarthermie und Pufferspeicher, zum anderen aus KWK, PV und Pufferspeicher näher betrachtet. In erstem Szenario erfolgt der Haupteintrag in den Wärmespeicher durch die Solarthermie, im anderen durch das KWK und indirekt durch PV-Strom über den Heizstab. Als Alternativszenario wird für beide Varianten der Einsatz einer Wärmepumpe untersucht. Für die Optimierung der Heizungsregelung wird ein dynamisches Simulationsmodell in TRNSYS/ MatLab Simulink entwickelt, das neben der Solarstrahlungsprognose auch die zeitabhängigen Lastverläufe für Wärme und Strom, sowie die Behaglichkeit im Gebäude berücksichtigt. Ziel soll ein möglichst zeitnaher Verbrauch der regenerativ bereitgestellten Energieformen sein, durch Klima und Nutzer verursachte Überschüsse werden sinnvoll verwertet.

Die anfangs begonnenen grundlegenden Arbeiten zur Evaluation wirtschaftlich tragfähiger Betriebsführungskonzepte werden während der gesamten weiteren Projektlaufzeit fortgeführt und laufend angepasst und optimiert. Ziel dabei ist die Evaluation und Entwicklung geeigneter Geschäfts- und Betreibermodelle, um die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten. Die langjährige Erfahrung der Industriepartner zur Identifikation, Bewertung und Entwicklung innovativer Konzepte und Strategien wird hierbei genutzt. Auch sind Konzepte für Service- oder Wartungs- Arbeiten, die bei installiertem System über die Jahre laufende Kosten darstellen, Teil dieses Arbeitspaketes.

Um die Auslegung des Gesamtsystems zu evaluieren, wird zunächst ein Laborsystem in einer Testumgebung aufgebaut. Dafür können alle erforderlichen Erzeuger- und Verbraucherlastenprofile nachgestellt werden. Anhand der erarbeiteten Rahmenszenarien und Modellierungen können so erste Tests erfolgen, um einschätzen zu können, ich welche Richtung optimiert werden muss. Da keine mehrjährige Laufzeit im Labor möglich ist, werden mit Hilfe von Zeitraffertests eine hohe Anzahl von Messszenarien abgedeckt. Eine reproduzierbare Evaluierung ist somit gegeben. Das Gesamtsystem besteht aus den Kernkomponenten Wärmespeicher, Batteriespeicher mit Leistungselektronik, Brennstoffzellen-KWK-System, Zusatzheizgerät und der Steuereinheit. Während der Evaluation erfolgt ein umfangreiches Monitoring. Gleichzeitig werden in diesem Schritt Marktrelevanz und realistische Randbedingungen untersucht.

Die in den vorherigen Arbeitspaketen definierten Verfahren, Komponenten und Teilsysteme werden in Form einer Demonstrationsanlage vollständig umgesetzt. Zunächst werden die ersten Daten aus dem Gesamtaufbau zur Validierung der Systemfunktion und den angestrebten Anforderungen genutzt. Hieraus können Maßnahmen zur weiteren Entwicklung abgeleitet werden. Mit dem Demonstratorsystem sollen die Ergebnisse öffentlich präsentiert und der Nachweis der Funktionalität erbracht werden. Avisierter Installationsort ist Ulm.

Die Projektergebnisse der umfangreichen Tests werden aus wissenschaftlicher und praktischer Sicht insbesondere auch hinsichtlich der Erfüllung der Anforderungen evaluiert. Die erstellten Auslegungs- und Simulationsmodelle werden im praktischen Betrieb überprüft, gegebenenfalls angepasst und verfeinert. Notwendige konstruktive Optimierungsmaßnahmen werden in enger Zusammenarbeit der Partner fortlaufend umgesetzt. Die Auswertung der Testergebnisse erfolgt auch bzgl. der Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit zu weiteren Anwendungen und Leistungen des entwickelten Heimenergiemanagementsystems. Es sollen auch weitergehende technische Konzepte für die einzelnen Komponenten betrachtet und abschließende Maßnahmen zur Umsetzung des vorhandenen Optimierungspotenzials abgeleitet werden. Im Abschlussbericht werden die Ergebnisse zusammengefasst, kritisch im Vergleich zu anderen Verfahren technisch und wirtschaftlich bewertet. Die Präsentation der Ergebnisse in Berichts- und Vortragsformen erfolgt entsprechend in einschlägigen Journalen sowie auf Kongressen für die breite Öffentlichkeit.