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MS 1: 30.06.2016 Der erste Meilenstein war nach einem halben Jahr abgeschlossen und hatte eine ausreichende Datenlage für die Erstellung der datenbasierten Modelle im nächsten Schritt zum Ziel.
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MS 2: 30.06.2017 Nach der Hälfte des Projektes sollte die Messbox installiert sein und die Software für die Leistungsprognose und Verbraucherprognose einzeln entwickelt worden sein.
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MS 3: 31.12.2017 Die einzelnen Softwaremodule für Leistungs- und Verbrauchsprognose sollen zusammen mit der Optimierungssoftware zu einem Modell des Gesamtsystems zusammen gefasst werden.
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MS 4: 30.06.2018 Auf der hardwaretechnischen Seite soll die Steuerung in das System integriert werden. Auf Seiten der Software soll die optimale Steuerung umgesetzt sein und die datenbasierten Modelle sollen sich adaptiv an Veränderungen anpassen können.
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MS 5: 31.03.2019 (ursprünglich 31.12.2018) Der letzte Meilenstein hat die Entwicklung eines Geschäftsmodells zur Vermarktung des Systems als Ziel.
Meilenstein 1
Status: abgeschlossen
Ziel dieses Meilensteins war es, eine ausreichende Datengrundlage zu gewährleisten, auf deren Basis im weiteren Verlauf
die Modelle für die Leistungsprognosen erstellt werden.
Dafür wurde auf dem Laborhof die geplante Hardware, etwa eine Wärmepumpe und ein Batteriespeicher, installiert und
mit der notwendigen Messsensorik ausgestattet.
Nachfolgend ist ein Einblick in eine kleine Auswahl der gesammelten Daten möglich, die die Sensorik seither aufzeichnet und die in der Modellierung verwendet werden.
In der oberen Abbildung ist der Stromverbrauch und die Stromerzeugung für die erste Januarwoche im Jahr 2017 für den Demonstrationshof im Projekt SmartFarm dargestellt. Die Erzeugungsdaten sind in grün abgebildet und spiegeln die erzeugte Energie der PV-Anlage wider. Wie zu erwarten, gibt es zur Mittagszeit die meiste Erzeugung und von Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang gar keine. Im Januar sind diese Zeiträume besondern lang und am 03.01. sowie 07.01. und 08.01. hat die Sonne kaum geschienen (siehe Abbildung unten: Sonneneinstrahlung), sodass die Erzeugung nur minimal ist. Die rote Linie gibt den Gesamtverbrauch auf dem Hof wieder. Dieser setzt sich aus vielen verschiedenen Verbrauchern zusammen. Auf dem Beispielhof handelt es sich um alltägliche Gegenstände wie Waschmaschine, Trockner, Gefrierschrank, Kühlschrank, Spülmaschine und Teichpumpe. Prinzipiell verhalten sich diese aber genauso wie Großverbraucher auf einem KMLB, wie Kühlhaus, Güllepumpe oder Melkanlage. Auch der Verbrauch ist nachts nur sehr gering. Neben dem erhöhten Verbrauch in der Mittagszeit kommt meist eine erhöhte Aktivität von Nachmittags bis Abends hinzu. Die dritte Kurve (blau) zeigt die Stromabnahme am Netzeinspeisepunkt an. Ein positiver Wert bedeutet eine Entnahme aus dem Netz und ein negativer Wert eine Einspeisung in das Netz. Nur zu den Mittagszeiten kann in das Netz eingespeist werden, da dort die überschüssige Energie der PV-Anlagen zur Verfügung steht. Zu den restlichen Tageszeiten muss der Strombedarf immer zu 100% aus dem Netz gedeckt werden. Hier wird schon deutlich, dass man mit Hilfe von Energiespeichern und Lastenverschiebung der Tatsache entgegenwirken kann, dass die selbst erzeugte Energie der PV-Anlagen in das Netz eingespeist werden muss. Wenn die Waschmaschine mittags angeschaltet wird, dann kann ein Teil des erzeugten Stroms direkt selbst verbraucht werden. Nutzt man zudem Speichertechnologien, kann man den Strom zwischenspeichern und im Laufe des Abends selbst verbrauchen, anstatt den benötigten Strom für mehr Geld wieder einzukaufen als man den eigenen Strom zuvor verkauft hat.
Die dargestellten Daten in der unteren Abbildung veranschaulichen den zeitlichen Verlauf der Helligkeit je Himmelsrichtung und der Globalstrahlung, die einen wesentlichen Einfluss auf die Energieerzeugung einer Photovoltaik-Anlage ausüben, aber ihrerseits stark vom Wetter abhängig sind.
Meilenstein 2
Status: abgeschlossen
Ziel dieses Meilensteins war, eine autonome Messbox zu entwickeln und auf dem Laborhof zu installieren, sowie die Entwicklung der Prognose-Software separat für Erzeuger und Verbraucher.
Auf Seiten der Softwareentwicklung wurde die Reihenfolge der Aufgaben etwas angepasst, sodass Mitte 2017 die einzelnen Prognosemodule noch nicht im letzten Detail fertig waren, dafür aber schon die Grundsteine für das gemeinsame Softwaremodul gelegt wurden. Es wurden im Detail die Schnittstellen ausgearbeitet und Integrationtests bezüglich der erwarteten Datentypen und -größen geschrieben, die das zu erwartende Verhalten des Zusammenspiels von Optimierung und Prognose der Verbraucher, Erzeuger sowie Speicher testen. Inzwischen sind auch die einzelnen Module mit allen notwendigen Anforderungen fertig gestellt. Anpassungen der Modelle an neue Erkenntnisse werden kontinuierlich notwendig sein. So werden beispielsweise erst in 2018 Modelle auf Basis von existierenden Stellgrößen erstellt und validiert werden können.
Das Messsystem ist auf dem Demonstrationshof installiert und liefert zuverlässig die aktuellen Messdaten, welche in einer Datenbank gespeichert und allen weiteren Softwaremodulen zur Verfügung gestellt werden.
Meilenstein 3
Status: abgeschlossen
Ziel dieses Meilensteins war, die bisher separat entwickelten Software-Lösungen zusammenzuführen um die Modellierung des Gesamtsystems KMLB zu ermöglichen.
- Batteriespeicher,
- Gefrierschrank,
- Waschmaschine und
- PV-Anlage.
Meilenstein 4
Status: abgeschlossen
Ziel dieses Meilensteins ist die praktische Erprobung der Gesamtsoftware auf dem Beispielhof in Grasberg.
- Fertigstellung des Mess- und Steuersystem inklusive erfolgreicher Erprobung auf dem Beispielhof
- Stellgrößenabhängige Modelle aller Verbraucher, Speicher und Erzeuger
- Fertigstellung der Optimierungs- und Steuerungssoftware
Desweiteren ist ein Milchhof in der Umgebung mit Sensorik ausgestattet worden. Auf Grundlage der gesammelten Messdaten konnten bereits erste Berechnungen durchgeführt werden, welche die generelle Möglichkeit zur Übertragung des Systems bestätigen.
Das Video zeigt Realdaten von der Erprobung des Energiemanagementsystems auf dem Demonstrationshof. Der sich entlang der Zeitachse bewegende Strich markiert jeweils den aktuell dargestellten Zeitpunkt. Links des Strichs sind die bis zu diesem Zeitpunkt aufgenommenen Messdaten dargestellt, d.h. das, was tatsächlich im Verlauf bis dahin im System umgesetzt wurde. Rechts des Strichs sind die Prognosen über den kommenden 24h-Zeitraum dargestellt, mit der die Fahrplanberechnung in diesem Zeitpunkt arbeitet, um die kommenden Stellgrößen zu bestimmen. Insgesamt verläuft die gezeigte Zeitachse über zwei Tage.
Im Verlauf des ersten Tages (20. März 00:00 Uhr bis 23:59 Uhr) ist zu erkennen, dass sich die Prognosen nach rechts regelmäßig (ca. alle 30 min) verlängern, sodass sie wieder 24h abdecken. Auch im Verlauf des zweiten Tages findet dies weiterhin statt, dargestellt wird davon jedoch nur der Zeitraum bis 00:00 Uhr am 22. März. Jede Verlängerung korrespondiert zu einem Update der 24h-Vorausprognosen. Da gleichzeitig damit auch immer eine Aktualisierung des vorausschauenden Fahrplans stattfindet, ändert sich zu diesen Zeitpunkten nicht nur die Länge, sondern auch der Verlauf aller gezeigten Prognosen.
In unmittelbarer Nähe rechts des aktuellen Moments ist im Verlauf der orangen und grauen Kurven (PV-Anlage und Batteriespeicher) zu erkennen, dass sich diese sogar mit jedem Zeitpunkt verändern. Dies liegt darin begründet, dass die Prognosen der PV-Anlage über ein Kurzzeitupdate verfügen, d.h. mit jeder Minute durch Verwendung aktueller Messdaten verbessert werden. Auf Basis dieser Aktualisierung werden die Stellgrößen für den Batteriespeicher durch eine Kurzfristaktualisierung des Fahrplans ebenfalls korrigiert. Aus diesem Grund sind die Stellgrößen des Batteriespeichers, welche in der Vorausplanung noch grob als Blöcke bestimmt werden, in der Umsetzung letztlich deutlich feiner aufgelöst.
Im obersten Abschnitt ist der Gesamtverbrauch visualisiert. Die darin enthaltenen unterschiedlichen Anteile sind farblich markiert. Zu sehen sind die Wirkleistungsbedarfe der Wärmepumpe (rot), des Batteriespeichers beim Laden (grau), der Waschmaschine (blau) sowie des nicht gesteuerten Grundbedarfs (grün). Ebenfalls dargestellt ist der Eigenverbrauch aus PV-Anlage und Entladen des Batteriespeichers (durchscheinende weiße Überdeckung) sowie die Überschusseinspeisung aus der PV-Anlage (orange). Die Waschmaschine wird erst ab dem Zeitpunkt eingeplant, ab dem sie beladen und freigegeben ist und taucht daher nicht von Beginn an, sondern erst im Verlauf des ersten Tages in den Prognosen auf. Es ist deutlich zu sehen, dass die Eigenerzeugung aufgrund der Optimierung an beiden Tagen fast vollständig für den Eigenbedarf eingesetzt wird.
Der zweite Abschnitt zeigt die Gesamterzeugung, bestehend aus Anteilen der PV-Anlage (orange) und dem Batteriespeicher beim Entladen (grau). Der Kurvenverlauf entspricht genau dem Verlauf des Eigenverbrachs plus Überschusseinspeisung aus dem obersten Abschnitt, aber mit negativem Vorzeichen.
Im dritten Abschnitt ist der Ladezustand des Batteriespeichers in Prozent dargestellt, im untersten Abschnitt die zwei verfügbaren Temperaturen aus dem Tank der Kombi-Wärmepumpe. Als gelbe Linien sind hier die vorgegebenen Grenzen eingezeichnet. Während die Ladezustandsgrenzen insb. zum Schutz vor Tiefentladung beim Batteriespeicher streng einzuhalten sind, handelt es sich bei der Wärmepumpe um weiche Grenzen, deren Einhaltung in Konkurrenz zur Minimierung der Energiekosten steht. Zugunsten eines besseren Gesamtergebnisses kann es daher vorkommen, dass eine Verletzung der Temperaturgrenzen notfalls in Kauf genommen wird, wie in der ersten Tageshälfte des 20. März zu erkennen. Auf der anderen Seite kann es ebenso nötig sein, die Wärmepumpe auch außerhalb von Bereichen der Eigenerzeugung zu starten, um die Temperatur nicht zu weit absinken zu lassen, wie beispielsweise gegen 00:00 Uhr des 21. März.
Meilenstein 5
Status: abgeschlossen
Dieser Meilenstein markiert das Ende des Projekts, bis zu dem alle verbleibenden Arbeiten zum Abschluss geführt werden. Das Projekt ist bis Ende März verlängert worden, sodass sich auch der letzte Meilenstein entsprechend verschiebt.
Nach einem langwierigen und kostenintensiven Baugenehmigungs- und Bauverfahren ist im Oktober die Windenergieanlage (3 kW) aufgestellt worden. Die Kleinwindenergieanlage dient zur Demonstration des Vorteils einer weiteren Erzeugungsanlage, welche auch Nachts Strom produzieren kann. Das entwickelte EMS ist sehr allgemein ausgelegt und kann beliebig viele Erzeugeranlagen berücksichtigen und den erzeugten Strom optimal verteilen.
Zusammenfassend ist in dem Projekt ein Energiemanagementsystem entwickelt worden, welches:- alle notwendigen Leistungsflüsse auf dem Hof misst und die Daten in einer Datenbank ablegt,
- auf Grundlage von vorhandenen Messdaten und Wetterprognosen automatisiert Modelle erstellt, welche eine Leistungsprognose für Erzeuger, Speicher und Verbraucher bereitstellen,
- die Modelle für die Erzeuger und Speicher kontinuierlich an neue Daten anpasst,
- automatisiert optimale Fahrpläne bezüglich des Eigenverbrauchs berechnet, indem
- Ladestrategien von elektrischen und thermischen Speichern,
- Einschaltpunkte von verschiebbaren Verbrauchern und Erzeugern
