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Smart Grid: ein Thema für die Lehre?

Teil 1

1. Zielsetzung: Aktuelle Themen in der Lehre behandeln

Ein besonders wichtiger Aspekt der heutigen Lehre ist die Wahrnehmung der „Third Mission" der Hochschulen. Dahinter steckt der Anspruch an die Hochschullehre, einen direkten oder indirekten Beitrag zu gesamt¬gesellschaftlichen Problemstellungen und Entwicklungen zu leisten. Dieser spiegelt sich auch in aktuellen Projektausschreibungen wider, z.B. beim Projekt HUMUS plus der GHD (Geschäftsstelle der Studienkommission für Hochschuldidaktik der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft) [1].

Eine weitere Erkenntnis liefert eine aktuelle Studie des VDI vom April 2019 [2]: Dort ergab eine Umfrage bei Studierenden, dass 56% der befragten Studierenden als Hemmnis beim digitalen Wandel vor allem „konservativ eingestellte oder neuen Inhalten ablehnend gegenüberstehende Professorinnen und Professoren wahrnehmen".

Im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Medien stehen aktuell beide Aspekte im Vordergrund: es wird versucht, sowohl die Grundlagenlehre in technischen und naturwissenschaftlichen Bereichen anhand aktueller gesamtgesellschaftlichen Problemstellungen und Entwicklungen zu gestalten als auch den technologischen Wandel in Richtung digitaler Zukunft vorzuleben und voranzutreiben. Aktuell erfolgt dies mit dem Thema „Smart Grid". In den folgenden zwei Aufsätzen werden zunächst die wichtigsten Aspekte des Themas „Smart Grid" und anschließend laufende und künftige Ansätze der Einbindung dieses Themas in die Lehre vorgestellt.

2. Was ist Smart Grid?

In den USA wurde der Begriff Smart Grid bereits 2007 im Rahmen eines Gesetzes 2007 eingeführt, um mit Hilfe digitaler Techniken die Verfügbarkeit, Sicherheit und Effizienz des elektrischen Netzes zu erhöhen [3]. Die dort getroffene Charakterisierung eines Smart Grids enthält auch ein aktives Energiemanagement - sowohl auf Seiten der Netzbetreiber als auch auf Seiten der Haushalte und der Industrie.

Aus heutiger Sicht ist der Aspekt der Vernetzung von Stromverbrauchern und -erzeugern im Haushalt ein hoch aktuelles Thema, in das nicht nur große Unternehmen investieren, sondern das auch in den aktuellen Medien immer wieder aufgegriffen wird. Bei der Vernetzung von Haushalts- und Entertainmentgeräten stand bisher größtenteils der Komfort von Vernetzungslösungen und digitaler Steuerung im Vordergrund („Smart Home"). Inzwischen wandelt sich hier jedoch die Sichtweise und der Energiebedarf für den Betrieb der Haushaltsgeräte rückt in den Fokus der Betrachtungen. Vor allem private Haushalte erzeugen immer häufiger eigenen Strom und speisen immer mehr überschüssige Strommengen ins Netz, die von diesem verkraftet werden müssen. Hier stellt sich die Frage, ob durch eine intelligente Steuerung der Haushaltsgeräte die selbst erzeugte Energie so verteilt werden kann, dass sie größtenteils vom Erzeuger selbst verbraucht und die Einspeisung sowie der Energiebezug vom Netzbetreiber reduziert werden kann.

Diese Ansätze, bei denen versucht wird, den aus erneuerbaren Energien erzeugten Strom (z.B. aus einer privaten Solaranlage) so weit wie möglich selbst zu verbrauchen und dadurch bezüglich der Stromversorgung autark und CO2-neutral zu werden, bilden einen Schwerpunkt der Smart Grid Forschung.

Ziel von Smart Grid Haushaltslösungen ist es daher, eine Vernetzung von Energieverbrauchern und -erzeugern zu schaffen und mit einem Energiemanagementsystem (EMS) eine intelligente Strom¬zuteilung zu erreichen. Diese Zuteilung der solar erzeugten Energie wäre dann optimal, wenn sie direkt beim Erzeuger verbraucht oder gespeichert und der Energiebezug damit so weit wie möglich reduziert werden könnte (Abbildung 1).

3. Vernetzung von Haushaltgeräten im Energiesektor

Während heute die Integration von Rollladenmotoren, Beleuchtung und Heizungsthermostaten ins eigene WLAN/LAN-Hausnetz mittels Bluetooth-, ZigBee- und anderen Gateways elegant gelingt, so gelingt dies im Energiesektor noch nicht ganz so leicht. Eine große Rolle spielt dabei die Tatsache, dass die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten, wie z.B. Solarwechselrichter, Batteriewechselrichter, Elektrofahrzeug-Ladestationen, Wärmepumpe und weißer Ware, wie z.B. Waschmaschinen oder Wäschetrockner, noch nicht hinreichend genug geöffnet wurden. Soll die Elektrofahrzeug-Ladestation mit den Solarwechselrichtern kommunizieren, um das Fahrzeug nur mit Solarstrom zu laden, so gelingt das nur mit bestimmten Paarungen weniger Hersteller, die wiederum Zusatzinstallationen wie herstellereigene Stromzähler notwendig machen, obwohl die häusliche Infrastruktur diese Informationen in Form der elektronischen Haushaltszähler schon zur Verfügung stellen kann. Damit entstehen dem Hausbesitzer nicht nur Zusatzkosten, sondern er bindet sich auf Jahre an ein System eines Herstellers. Wenn dieser auch noch ein cloudbasiertes Speicherkonzept für Daten verfolgt, ist der Hausbesitzer zusätzlich davon abhängig, welche Leistungen der Hersteller künftig eventuell nicht mehr oder nur noch gegen Gebühren anbieten wird.

Heutige Komponenten schöpfen die Transportschichten des ISO/OSI-Modells fast vollständig aus: TCP/IP, RS485, RS232, CAN, Bluethooth, Zigbee, KNX, Z-Wave, etc. . Auf den Anwendungsschichten finden sich bei einigen Herstellern Modbus-Protokolle, „verteilt" auf RS485, RS232 und TCP/IP, sowie proprietäre Protokolle ohne jegliche API-Beschreibung. Dies erschwert die Kommunikation zwischen den einzelnen Großverbrauchern und macht sie bei proprietären Lösungen oft unmöglich.

Hieran wird deutlich, wie wichtig offene Protokolle sind, wie sie zurzeit z.B. von der SunSpecAlliance [3] oder EEBus [4] vorangetrieben werden. Offene Protokolle haben nicht nur den Vorteil einer herstellerunabhängigen Vernetzung und Integration der Systeme, sondern erleichtern ebenfalls das Aufspüren von Fehlfunktionen innerhalb der Systeme, die ansonsten lange verborgen blieben und sich zum Nachteil des Hausbesitzers entwickeln könnten.

Ohne offene Protokolle wird auch eine simulative Bewertung des Energieverbrauchs durch Erweiterung mit weiteren Komponenten z.B. eines Batteriespeichers auf Basis eigener Daten erschwert, obwohl die dazu notwendigen Daten leicht erfasst werden könnten. Somit ist es heute noch sehr beschwerlich, ein intelligentes Energiemanagementsystem in einem Haushalt aufzubauen, das eine Smart Grid Lösung mit einem optimalen Verhältnis zwischen der Stromerzeugung und dem Stromverbrauch erzielt.

4. Realisierung eines Smart Grids in einem privaten Haushalt

Bei der Realisierung eines Smart Grids stellen sich heute ohne ausreichend offene Schnittstellen für den Privatanwender folgende Fragen:

Wie bekomme ich die aktuellen Leistungswerte meiner Wechselrichter?
Wie erfasse ich herstellerunabhängig die solare Überschussleistung, die ich nicht einspeisen, sondern selbst verbrauchen möchte?
Wie kann ich mein Elektrofahrzeug mit diesem solaren Überschuss laden?
Wann soll sich z.B. meinen Wäschetrockner einschalten, wenn schon andere Großverbraucher aktiv sind, diese aber abgeregelt werden könnten, so dass der Überschuss für alle Geräte reichen würde?

Können diese prinzipiellen Fragen beantwortet werden, so stellen sich die eigentlichen Detailfragen:

Wie schnell kann die Sonnenintensitätsschwankung von den einzelnen Komponenten ausgeregelt werden?
Wie schnell folgt denn der Elektrofahrzeug-Lader der Leistungsvorgabe des Energiemanagementsystems?
Wie können alle notwendigen Messgrößen erfasst werden, um wirklich zu wissen, wie das Elektrofahrzeug lädt und um weitere Verbraucher zuzulassen bzw. zu sperren?
Wie geht das Energiemanagementsystem mit unterschiedlichen Soll-Regelzeitkonstanten der Großverbraucher um?
Wie sehen geeignete Analysen aus, um z.B. eine Ladewirkungsgradberechnung für ein Elektrofahrzeug anzustellen? Wie sehen im Allgemeinen geeignete Energiemanagement-systeme für das Smart Grid aus und wie leicht können neue Geräte darin integriert werden?

Sind die Schnittstellen und Algorithmen des Energiemanagementsystems proprietär und geschlossen, so ist das System nur dann zukunftsfähig, wenn der Hersteller regelmäßig Updates zur Verfügung stellt, die dann auch neue Geräte berücksichtigen, die angeschafft wurden. Diese Probleme stellen sich bei offenen Schnittstellen nicht, da auch neue Geräte mittels dieser Protokolle beschrieben werden und damit leicht integrierbar sind. Nur offene Protokolle wie das der SunSpec-Alliance oder des EEBus ermöglichen die herstellerunabhängige Realisierung eines Smart Grids und die Realisierung einer Sektorenkopplung auch im privaten Haushalt.

5. Bedienung von Smart Grid-Lösungen im der Praxis

Ähnlich wie bei der Hardware-Vernetzung und uneinheitlichen Protokollen stellen heutige Smart-Grid-Konfigurationen auch in ihrer Bedienphilosophie den Benutzer vor größere Herausforderungen. Ein typisches Beispiel ist in Abbildung 2 und in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 2 zeigt eine typische Situation in einem gewachsenen Haushalt, in dem das Smart Grid erst im Laufe der Zeit eingeführt wurde. Manche älteren Geräte (in der Abbildung: Trockner) lassen sich nur manuell durch einen Benutzer bedienen. Für solche Geräte können jedoch Funksteckdosen benutzt werden, um sie mit dem Energiemanagementsystem zu verbinden. Andere, modernere Geräte bringen eventuell eine Bedien-App für ein mobiles Gerät mit - diese wurde jedoch meistens speziell für dieses Gerät entwickelt. Typische Energiemanagementsysteme werden heute über proprietäre Weboberflächen bedient.

In Abbildung 3 wird diese Problematik anhand zweier Komponenten verdeutlicht: das Energiemanagementsystem lädt ein Elektrofahrzeug über eine Wallbox auf. Nun können beide Systeme über die Fahrzeug-App oder die EMS-GUI bedient werden:

Die Fahrzeug-App zeigt fahrzeugspezifische Informationen wie z.B. den aktuellen Ladezustand oder eine Prognose über die verbleibende Zeit bis zur Vollladung an.
Über die Fahrzeug-App lässt sich das Ladeverhalten des Fahrzeugs teilweise steuern - dies allerdings nur für fahrzeugspezifische Anwendungsfälle, also unabhängig von den Vorgaben des Energiemanagementsystems. • Die Fahrzeug-App kann auch Nachrichten verschicken, wenn z.B. der gewünschte Ladezustand erreicht wurde.
Die Fahrzeug-App kann jedoch keine Fragen zum Energiemanagement beantworten, z.B. ob der erzeugte solare Strom für den Ladevorgang ausreicht.

Das Energiemanagementsystem kann wiederum über eine eigne webbasieret GUI bedient werden:

Die Momentanleistung (Stromerzeugung und -bezug) kann angezeigt werden.
Über das Energiemanagementsystem lässt sich das Ladeverhalten des Fahrzeugs ebenfalls teilweise steuern - dies allerdings nur für strombezugsspezifische Anwendungsfälle, z.B. kann die Lademenge für das Fahrzeug definiert werden.
Über das Energiemanagementsystem können jedoch keine fahrzeugspezifischen Informationen abgefragt werden, z.B. der Ladezustand oder die Prognose über die verbleibende Zeit bis zur Vollladung.

Im Alltag treten auch noch weitere Probleme in den heutigen Smart Grid Konfigurationen auf:

Viele der Apps arbeiten ausschließlich in der Cloud. Nicht alle Hersteller können garantieren, dass ihre Lösungen keine Sicherheitslücken haben. Dabei können gerade aus Strom¬verbrauchs-daten sehr viele Informationen über die alltäglichen Abläufe und An- sowie Abwesenheiten in einem Haushalt abgelesen werden. In Cloud-Lösungen haben Benutzer normalerweise auch keinen unbeschränkten Zugriff auf die eignen Daten, d.h., sie haben keinen Überblick darüber, wer ihre Daten zu welchem Zweck nutzt und auch nicht, was mit den Daten passiert, wenn ein Hersteller seine Dienste abschaltet. Weitere Probleme bereitet heute noch die ungenügende Performance der Lösungen, die sehr viele Daten über das Netz austauschen.
Jede App hat ihre eigene GUI und eine eigene Bedienlogik. Je mehr Geräte ein Benutzer von unterschiedlichen Herstellern hat, desto mehr unterschiedliche Apps muss er bedienen können, um einen Überblick zu behalten.
Zudem unterscheiden sich die Apps stark im Umfang und Art der Information und Steuerungs-möglichkeiten.
Viele der Apps sind heute auch noch unausgereift oder werden nur für ein Betriebssystem entwickelt.

6. Schlussfolgerung: Forschungsfelder im Bereich des Smart Grids

Die oben erläuterten Probleme heutiger Smart Grid Lösungen eröffnen ein breites Feld an notwendigen Studien- und Forschungsarbeiten. Viele dieser Themen lassen sich sehr gut mit der Lehre an Hochschulen angewandter Wissenschaften verbinden:

Informatikthemen: Aufbau einer softwarebasierten Simulationsumgebung: um ein besseres Verständnis für die Abläufe und potentielle Störgrößen zwischen Energieerzeugern, Energie-verbrauchern und Energiemanagementsystemen zu gewinnen, kann eine Simulations¬umgebung aufgebaut werden, in der die Energieflüsse und die Kommunikationswege zwischen beteiligten Komponenten simuliert werden können.
Informatikthemen: Aufbau eines Präsentationslabors mit verteilten Hardware- und Software-komponenten: die Erkenntnisse aus dem ersten Schritt können praxisnah in einem Labor aufgebaut werden, in dem Modelle der Großverbraucher wie Wasch- und Spülmaschine, Elektro¬fahrzeug, Wärmepumpe sowie Wäschetrockner stehen. Dazu können diese Modelle mit Kleincomputern bestückt werden, die die Ansteuerung der "Aktoren" übernehmen (Betriebsleuchten und das Ansteuern kleiner Elektromotoren), für welche auch ein TCP/IP-basierter Standard zum Ansteuern solcher Geräte implementiert wird.
Informatikthemen in Verbindung mit industrieller Standardisierung: Kommunikationswege mit Hilfe bekannter Standards wie SunSpecAlliance [3] oder EEBus [4]. In diesem Bereich könnte die Aufgabe in Vordergrund stehen, Industriestandards für eigene Anwendungsfälle einzusetzen.
Informatikthemen / Künstliche Intelligenz: Entwicklung intelligenter Algorithmen für das Energiemanagementsystem, um die Verteilung der Energieflüsse optimal zu steuern. In diesem Bereich können Studierende sich nicht nur in Thematik von Optimierungsproblemen auseinandersetzen, sondern auch aktuelle Themen, z.B. maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz anhand eines konkreten Anwendungsfalls kennenlernen.
Informatikthemen: Entwicklung generischer GUIs auf Basis der Spezifikationen von Erzeugern und Verbrauchern. Um das Problem proprietärer und anwendungsspezifischer Bedien-oberflächen und -logiken anzugehen, können Ansätze entwickelt werden, welche aus eine Standardbeschreibung elektrischer Verbraucher und Erzeuger, z.B. EEBus SPINE automatisch eine einheitliche, standardisierte graphische Oberfläche erzeugen.
Entwicklung von Energiemanagement-Strategien unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte: die in oberen Punkten erwähnte standardisierte Simulationsumgebung (Hardware und Softwarekomponenten) inklusive der intelligenten Energieverteilungs-algorithmen und graphischen Oberflächen können benutzt werden, um nicht nur einen Status Quo zu simulieren, sondern auch künftige Konfigurationen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten zu untersuchen und Fragen wie „Lohnt sich der Kauf eines Energiespeichers?" oder „Wie groß muss ein sinnvoller Energiespeicher sein?" zu beantworten.

Im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Medien läuft aktuell ein erstes Projekt zum Thema Smart Grid - der Aufbau einer Simulationsumgebung und eines intelligenten Energiemanagementsystems. Dieses und weitere geplante Projekte werden im zweiten Teil dieses Aufsatzes beschrieben.

7. Referenzen

[1] GHD, „HUMUS plus," 2019. [Online]. Available: http://www.hochschuldidaktik.net/index.php?lg=de&main=Foerderung_inno&site=08:01:00. [Zugriff am 15 April 2019].

[2] A. Gottburgsen, K. Wannemacher, J. Wernz und J. Willige, „INGENIEURAUSBILDUNG FÜR DIE DIGITALE TRANSFORMATION: Zukunft durch Veränderung, VDI-Studie," VDI, 2019.

[3] „Smart grid," Wikipedia, 7 Mai 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid. [Zugriff am 12 Mai 2019].

[4] SunSpec Alliance, „SunSpec Specification," [Online]. Available: https://sunspec.org/. [Zugriff am 09 04 2019].

[5] EEBus Initiative, „EEBus SPINE Protocol," [Online]. Available: https://www.eebus.org/. [Zugriff am 09 04 2019].

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Autoren

Eingetragen von

Name:: Prof. Dr. Barbara Dörsam

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