Wissenschaft und Forschung an der HdM

Portalbeitrag

Smart Grid: ein Thema für die Lehre?

Teil 2

1. Das Thema „Smart Grid" in der Lehre

Das Thema „Smart Grid", also die Vernetzung von Stromverbrauchern und -erzeugern im Haushalt, ist ein hoch aktuelles Thema, in das nicht nur große Unternehmen investieren, sondern das auch in den Medien immer wieder aufgegriffen wird: Vor allem private Haushalte erzeugen immer häufiger eigenen Strom und beziehen immer weniger Strom vom Netz bzw. speisen auch immer mehr überschüssige Strommengen ins Netz. Hier stellt sich schon bald die Frage, ob durch eine intelligente Steuerung der Haushaltsgeräte die selbst erzeugte Energiemenge so verteilt werden kann, dass sie größtenteils vom Erzeuger selbst und ohne zusätzlichen Bezug verbraucht werden kann. Als Smart Grid Lösungen bezeichnet man 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.

Gleichzeitig bietet das Thema Studierenden die Möglichkeit, an einem gesellschaftlich verantwortlichen Thema (erneuerbare Energien / Reduzierung des CO2-Ausstosses) mit zu arbeiten, dabei ihre Fachkenntnisse zu vertiefen und in die Praxis umzusetzen. Dies sollte die intrinsische Motivation in den Studierenden wecken. Die fachlichen Kompetenzen, die - neben dem eigentlichen Thema Smart Grid - durch die Beschäftigung mit diesem Thema entwickelt werden, sind u.a.:

1. Informatikthemen: Aufbau einer Simulationsumgebung (nur Software)
2. Informatikthemen: Aufbau eines Simulationslabors (verteiltes Hardware-/Softwaresystem)
3. Informatikthemen / Künstliche Intelligenz: Entwicklung intelligenter Algorithmen für das Energiemanagementsystem
4. Informatikthemen in Verbindung mit industrieller Standardisierung: Kommunikationswege mit Hilfe bekannter Standards wie SunSpecAlliance [1] oder EEBus [2]
5. Informatikthemen: Entwicklung generischer GUIs auf Basis der Spezifikationen von Erzeugern und Verbrauchern, z.B. in EEBus [2]
6. Entwicklung von Energiemanagement-Strategien unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte.

Im Folgenden werden zwei Beispiele von studentischen Projekten vorgestellt, die den oberen Sachverhalt verdeutlichen und die Möglichkeiten verdeutlichen, aktuelle Themen in die Lehre einzubinden.

2. Beispiel: Aufbau einer Simulationsumgebung

Im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Medien wird aktuell von der GHD das Projekt „Smart Grid" gefördert. Das Projekt hat zum Ziel, die theoretischen IT-Kenntnisse aus Vorlesungen in einem praxisnahen Projekt zu vertiefen und weiter auszubauen. Das Projekt, das hierfür ausgewählt wurde, ist mit Absicht nicht im Curriculum des Studiengangs verankert, sondern beschäftigt sich mit dem Wert von fossilen und erneuerbarer Energien sowie klimarelevanten Themen. Dadurch können Studierende ihre eigenen Möglichkeiten positiv einbringen, sich beim Thema Klimaschutz (z.B. Reduzierung des CO2-Ausstosses) zu beschäftigen.

Nach der erstmaligen Durchführung des Projektes in diesem Jahr sollten endgültige Randbedingungen geschaffen sein, um das Projekt in nachfolgenden Semestern mit ähnlichen oder erweiterten Fragestellungen durch weitere Studierende erneut bearbeiten zu lassen. Es wird ein Labor aufgebaut, mit dem künftig Studierende ohne Einstiegshürden gleiche oder weiterführende Fragestellungen in Eigenregie bearbeiten können.

Das Projekt besteht aus vier Phasen:

1. Phase

Hier steht zunächst das Erlernen und Erkennen der Zusammenhänge zwischen der Erzeugung elektrischer Energie aus fossilen Energiequellen (CO2-Ausstoß) und der volatilen Erzeugung elektrischer Energie aus alternativen Energiequellen im Vordergrund. Im nächsten Schritt soll Wissen über die zeitliche Abhängigkeit der elektrischen Energieflüsse im Haushalt bei Betrieb von Großverbrauchern wie Wärmepumpen, Elektrofahrzeugen, Waschmaschinen und Wäschetrocknern sowie über die zur Steuerung der Verbraucher benötigten Datenflüsse zur Koordination der alternativen Energieerzeuger und der Verbraucher vermittelt werden. Damit ist die Grundlage zur Unterscheidung zwischen zentraler und dezentraler Energieerzeugung gelegt und der Begriff „Smart Grid" kann definiert werden.

2. Phase

Nach der Vermittlung der physikalischen und digitalen Zusammenhänge soll in einer Simulationsumgebung eines Haushaltes mittels Algorithmen die solare Energie zwischen den Großverbrauchern (Waschmaschine, Wäschetrockner, Elektrofahrzeug, Wärmepumpe) intelligent verteilt werden, so dass der Bezug vom Energieversorger minimiert wird. Um vergleichbare und praxisnahe Ergebnisse zu erhalten, wird mit realen Erzeugungs- und Verbrauchsdaten eines Haushaltes gerechnet, die über einen Zeitraum der letzten fünf Jahre sekundengenau vorliegen. Bei der Entwicklung der Algorithmen sollen neben klassischen Methoden auch Methoden der KI eingesetzt werden. Durch den Wettbewerbscharakter dieser Phase soll die Selbstinitiierung des Lernprozesses motiviert werden, so dass sich die Studierenden selbst in neue Themen einarbeiten, deren Kenntnis sie zur Lösung ihres Problems benötigen. Durch das Ziel, die vom externen Energieerzeuger bezogene (fossile) Energie zu minimieren, sollen betriebswirtschaftliche Aspekte zur Anwendung kommen. Hier sollen die Studierenden lernen, ab wann sich Investitionen in alternative, erneuerbare Energien auch finanziell lohnen und ob eine Entlastung für die Umwelt durch alternative Energien überhaupt monetär fassbar ist. Durch die erlernten Zusammenhänge und die intelligente Ansteuerung der Verbraucher soll bei den Studierenden die Erkenntnis reifen, wie wertvoll Energie ist, um sie in die Lage zu versetzen, das Erlernte in ihr eigenes Leben einzubringen - und sei es nur den bewussten und sparsamen Umgang mit Energie.

3. Phase

In einer dritten Phase soll nun neben der reinen Simulation ein Labor aufgebaut werden, in dem Modelle der Großverbraucher wie Wasch- und Spülmaschine, Elektrofahrzeug, Wärmepumpe sowie Wäschetrockner stehen. Dazu sollen diese Modelle mit Kleincomputern bestückt werden, die die Ansteuerung der "Aktoren" übernehmen (Betriebsleuchten und das Ansteuern kleiner Elektromotoren). Die Hauptaufgabe der Kleincomputer wird aber sein, zum einen eine Bedienphilosophie der Geräte zu entwickeln. Zum anderen sollen sie benutzt werden, um einen TCP/IP-basierten Standard zum Ansteuern solcher Geräte (z.B. EEBus) zu implementieren. Damit sollen die Studierenden lernen, wie eine smarte Vernetzung im Gebäude aussehen kann, welchen Anforderungen sie genügen muss und wie künftige, offene Standards dies ermöglichen können. Der Vorteil des Einsatzes eines Kleincomputers wie dem Raspberry Pi besteht darin, dass die Studierenden im Internet viele Antworten auf ihre Fragen bekommen können, ohne durch den Realisierungs-Frust, der oft mit Hardwareprojekten verbunden ist, die Lust an der Aufgabe zu verlieren. Das aufgebaute Labor dient der Anschauung der entwickelten Algorithmen und soll auf der MediaNight der Hochschule anderen Studierenden und Besuchern vorgestellt werden.

4. Phase

In der letzten und abschließenden vierten Phase werden alle gesammelten Erkenntnisse in die Entwicklung eines Energiemanagement-Systems fließen, das über eine zu entwickelnde Web-Oberflächen gesteuert werden kann. In diesem Projekt erwerben Studierende die folgenden - teilweise interdisziplinären - Kenntnisse:

• Verständnis für Abläufe und Zusammenhänge zwischen der Energieerzeugung und dem Energieverbrauch,
• Vertiefte Kenntnisse in der allgemeinen Softwareentwicklung und Problemlösungskompetenz mittels Software,
• Kenntnisse in der Entwicklung verteilter Systeme, • Umgang mit vielen Daten in IT-Systemen,
• Vernetzung von Komponenten (Software- und Hardwareaspekte)
• Entwicklung von Algorithmen,
• Kommunikationsstrukturen zwischen unterschiedlichen Hardwarekomponenten,
• Entwicklung von grafischen Benutzeroberflächen,
• Verständnis für weitere aktuelle Themen, z.B. IoT (Internet of Things) durch die Vernetzung und Umsetzung der Kommunikation zwischen Geräten,
• Verständnis für physikalischen Zusammenhänge (Energieflüsse),
• Präsentation der eigenen Konzepte im Rahmen von Vorträgen und Präsentationen auf der MediaNight.

3. Beispiel: Entwicklung generischer GUIs auf Basis der Spezifikationen von Erzeugern und Verbrauchern

Wie im ersten Teil dieses Aufsatzes erwähnt, sind viele Bedienoberflächen der heutigen Smart Grid Lösungen noch sehr proprietär und teilweise unausgereift. Im Alltag werden Benutzer mit folgenden Problemen konfrontiert:

1. Die Bedienoberflächen werden von jedem Hersteller speziell für seine Geräte entwickelt. Somit gibt es kaum Anwendungen, über welche sich die ganze Breite der Smart Grid Anwendungen in einer einheitlichen und standardisierten Form bedienen lässt
2. Viele der Apps arbeiten ausschließlich in der Cloud. Nicht alle Hersteller können jedoch garantieren, dass ihre Lösungen keine Sicherheitslücken haben, dabei können gerade aus Stromverbrauchsdaten 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.
3. 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.
4. Zudem unterscheiden sich die Apps stark im Umfang und Art der Information und Steuerungsmöglichkeiten.
5. Viele der Apps sind heute auch noch unausgereift oder werden nur für ein Betriebssystem entwickelt.

Eine Vision zur Lösung dieser Probleme ist ein „Single Point of Access" für alle Informationen und Eingriffsmöglichkeiten - unabhängig vom Gerät, das bedient werden soll. Da eine solche Lösung nicht herstellerspezifisch entwickelt werden kann, muss sie auf Standards basieren und auch standardisiert beschriebene Informationen benutzen. In einem Studentenprojekt soll dafür eine Lösung entwickelt werden, über die ein Single Point of Access für alle Geräte ermöglicht werden soll. Die Hauptmerkmale einer solchen Lösung sind

• Ein modularer Aufbau: über „Plug & Play"-Mechanismen sollen neue Komponenten in eine Bedienoberfläche integriert werden. Dies setzt ein Konzept voraus, bei dem alle beteiligten Komponenten mit ihren darzustellenden Informationen sowie ihren Funktionen auf eine standardisierte Art und Weise beschrieben sind.
• Gleiches Look & Feel: Für alle Geräte sollte das gleiches Look & Feel benutzt werden. Daher müssen die Bedienoberflächen soweit von einem konkreten Gerät abstrahiert werden, dass sie universell eingesetzt werden können. Zudem sollten sie nach Möglichkeit automatisch generiert werden, um Abweichungen durch eine manuelle Entwicklung zu vermeiden.
• Plattformunabhängigkeit: Die Bedienoberfläche sollte zudem unabhängig vom Betriebssystem der Steuer- und Displaygeräte funktionieren.
• Bedienkonzeptunabhängigkeit: Die Bedienoberfläche sollte zudem so flexibel sein, dass sie die Art der Bedienung ohne größere Änderungen angepasst werden kann, so dass unterschiedliche Bedienkonzepte eingebunden werden können:
  • Bedienung über eine grafische Bedienoberfläche,
  • Bedienung mit Hilfe von verbreiteten Sprachsteuerungstools wie das Amazon Echo oder Google Assistant,
  • Informationsanzeige auf Spezialhardware, z.B. Backofen-Display, Spiegel usw.
• Flexibles Nutzungsmodell: Wichtig ist eine potentielle Unabhängigkeit von Cloud-Diensten, d.h., das Bedienkonzept sollte so entwickelt werden, dass der Benutzer selbst entscheiden kann, ob er es cloud-basiert oder on-premise (auf einem eigenen Server) benutzt. In der Lehre können für solche Ansätze Studentenprojekte aufgesetzt werden, in denen Lösungen oder Teillösungen für die obigen Probleme konzipiert und entwickelt werden. Basis für solche Lösungen sind die Ideen, welche in Abbildung 1 bis Abbildung 5 dargestellt sind.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine generische Bedienoberfläche einer Smart Grid Konfiguration: die Idee hinter diesem Bedienkonzept sind Kacheln für die einzelnen Geräte der Konfiguration: Jedes neue Gerät in der Konfiguration erhält per Plug & Play eine eigene Kachel. Hinter jeder Kachel verbirgt sich eine geräte-spezifische, aber standardisierte Anzeige- und Bedienoberfläche, die sich wiederum aus Standard-GUI-Komponenten zusammensetzt. Im Studentenprojekt könnten dafür in einem ersten Schritt ein Konzept und anschließend die grafischen Komponenten entwickelt werden, welche für die gesamte Umsetzung notwendig sind.

Abbildung 2 zeigt den Ablauf, der für jedes Gerät notwendig ist, um dieses in die Konfiguration aufzunehmen und es dann zu betreiben:

1. Das Gerät muss sich zunächst im Gesamtsystem anmelden. Dafür kann es zwei Möglichkeiten geben: entweder wird das Gerät automatisch erkannt („Device discovery"), da es Broadcast-Nachrichten verschickt oder es bedient sich eines vordefinierten Mechanismus, um sich bei der zentralen Komponente, dem Energiemanagementsystem, anzumelden („Subscription").
2. Anschließend muss der Benutzer der Konfiguration die Möglichkeit haben, das Gerät zu konfigurieren. Hier werden Informationen wie der Lademodus, der optimale Betriebspunkt oder sonstige Informationen wie z.B. prinzipielle Angaben für die Einplanung bestimmter Tätigkeiten hinterlegt (Beispiel: Waschmaschine muss spätestens um 20:00Uhr fertig sein).
3. Während des Benutzung der Smart Grid Konfiguration muss der Benutzer lediglich zu den gewünschten Zeitpunkten die prinzipielle Bereitschaft der Geräte zur Benutzung melden.
4. Während die Geräte laufen, kann der Benutzer über die Bedienoberfläche den aktuellen Status des Gerätes ablesen, ggf. Push-Benachrichtigungen erhalten oder auch manuell in den Ablauf eingreifen.

Um einen solchen Ablauf für alle künftigen Geräte zu ermöglichen, muss sichergestellt werden, dass für alle Geräte über die Bedienoberfläche gleichartige Aktionen ausgelöst und gleichartige Informationen abgelesen werden können. Ein mögliches Vorgehen für die Entwicklung solcher Bedienkomponenten ist in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt: Voraussetzung dafür ist das Vorliegen der Gerätespezifikation in einer standardisierten Form, z.B. mit Hilfe des Ressourcenspezifikation-Standards EEBus SPINE [2]. Aus dieser - herstellerunabhängiger - Spezifikation in Form von XML- oder JSON-Files und aus den aktuellen Konfigurationsinformationen im Rahmen der Installation (IP-Adresse des Geräts) kann mit Hilfe einer Generierungsengine z.B. die graphische Bedienoberfläche oder eine Sprachsteuerung automatisch generiert werden. Für die Generierung einer graphische Bedienoberfläche müssen dafür Templates vorliegen, welche die XML-Vorgaben in passende HTML-Komponenten übersetzen. Zudem müssen CSS-Vorlagen vorliegen, um die generierten HTML-Komponenten zu layouten, sowie weitere - vorimplementierte - Funktionen, welche die Benutzeraktionen dann zur Laufzeit ausführen (gewünschte Informationen anzeigen, Steuerbefehle an die Geräte oder an das Energiemanagementsystem schicken, Vorgaben für die Zeitpläne ändern usw.). Analog müssen für die Generierung einer Sprachsteuerung entsprechende Schlagwörter, Templates für Sprachbefehle und vordefinierte Funktionen implementiert werden, die zur Generierungszeit nur noch angezogen werden müssen.

Das Ergebnis des Generierungsschrittes ist rechts in den beiden Abbildungen dargestellt: nicht nur eine neue Kachel wird in die Übersichtsseite hinzugefügt (Abbildung 1), sondern auch die Funktionalität wird automatisch generiert, welche dem Benutzer nach einem Klick auf diese Kachel dargestellt wird: er kann die Geräte bedienen, in dem er ihren Status abliest, Aktionen auslöst und Optionen definiert. Zudem kann er seine Seiten mit Hilfe vordefinierter CSS-Vorlagen personalisieren, gerätespezifische Planungsszenarien für das EMS definieren und Statistikdaten für das jeweilige Gerät ablesen.

Das hier beschriebene Vorgehensweise würde insgesamt zu einem System führen, das in Abbildung 5 dargestellt ist. Im Gegensatz zu vielen heutigen Lösungen, bei denen jedes Gerät seine eigene Bedienphilosophie und seine eigene GUI/Bedien-App mitbringt, entsteht mit Hilfe generierter Bedienoberflächen eine generische, geräteunabhängige Bedienlösung. Zudem bringt sie durch den generischen Ansatz noch weitere Vorteile: sie ist unabhängig vom Bedienkonzept (z.B. Bedienung über eine GUI oder mit Hilfe einer Sprachsteuerung).

In diesem Projekt erwerben Studierende die folgenden - teilweise interdisziplinären - Kenntnisse:

• Entwicklung von Bedienkonzepten,
• Implementierung grafischer Bedienkomponenten,
• Vertiefte Kenntnisse in Webentwicklung,
• Vertiefte Kenntnisse in XML-Technologien,
• Typische Vorgehensweisen bei einer Sprachsteuerung für eigene Anwendungen,
• Umgang mit Industriestandards wie dem EEBus SPINE,
• Verständnis für weitere aktuelle Themen, z.B. IoT (Internet of Things) durch die Vernetzung und Umsetzung der Kommunikation zwischen Geräten,
• Verständnis für physikalischen Zusammenhänge (Energieflüsse),
• Präsentation der eigenen Konzepte im Rahmen von Vorträgen und Präsentationen auf der MediaNight.

5. Fazit

In diesem Aufsatz sind Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen aktuelle Themen wie die klimaneutrale Energieversorgung auch interdisziplinär in die Lehre aufgenommen werden kann, um einerseits die intrinsische Motivation der Studierenden durch einen Bezug zu ihrem Alltag zu steigern, ihnen aber andererseits auch die Möglichkeit zu geben, sich mit den studiengangsspezifischen Aspekten der Fragestellung auseinanderzusetzen.

Für die obigen Beispiele wurde das Thema der klimaneutralen Energieversorgung gewählt, da es aktuell ist und viele Möglichkeiten bietet, fachspezifische Kenntnisse durch die Beschäftigung mit einem größeren gesellschaftlichen Problems aufzubauen. Die beiden Beispiele zeigen, dass es vielfältige Möglichkeiten gibt, Fachkenntnisse mit Hilfe aktueller Themen aufzubauen und zu vertiefen. Das erste genannte Beispiel wird gerade im Rahmen eines „Projektpraktikums" umgesetzt, die Umsetzung des zweiten Beispiels ist für das nächste Semester geplant. Die Auseinandersetzung mit den Details der Problemstellung zeigt aber auch, dass die Themen für die Studierenden entsprechend aufbereitet werden müssen: Ohne detaillierte Vorgaben für die Projektziele und -zwischenschritte kann eine Auseinandersetzung mit dem fachlichen Thema und eine gleichzeitige Auseinandersetzung mit dem Thema des betrachteten Anwendungsfalls die Studenten überfordern.

Referenzen

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

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

[3] 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].

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

 

 

Autoren

Eingetragen von

Mehr zu diesem Autor

Sie haben eine Frage oder einen Kommentar zu diesem Beitrag?

Ihr Name
E-Mail (optional)
Ihr Kommentar