LONen - ELKA-Elektronik GmbH

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Entwicklungen
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und Referenzen
Regenerativer Energieverbund:
Energiemanagement mit LON
In einem hybriden Energieverbund an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
wird die LON-Technologie zur Steuerung und Messwerterfassung eingesetzt.
In Kombination mit der OPC-Technologie können die Anlagen in direkter Kopplung
mit der Simulationsumgebung MATLAB/Simulink ® betrieben werden.
Die Klimaschutzdebatte führt zu einem
Boom für regenerative Energiesysteme.
Starke Impulse kamen dabei von der Bundesregierung,
die durch die EEG-Novelle
gezielt den Ausbau an erneuerbaren Energien
forcierte. Der Anteil von erneuerbaren
Energien in der Stromversorgung soll von
derzeit 13 Prozent auf etwa 25-30 Prozent
in 2020 gesteigert werden, so die Zielvorgaben
der Bundesregierung [1].
Regenerative Energiequellen unterliegen
naturbedingt Fluktuationen im Energieangebot.
Dies ist insbesondere bei der
Umwandlung in elektrische Energie zu
berücksichtigen, da sich diese Energieform
im Verteilnetz nur begrenzt speichern lässt.
Daher muss zu jedem Zeitpunkt ein Gleichgewicht
zwischen Erzeugung und Verbrauch
bestehen. Die Schwankungen der regenerativen
Erzeuger wirken sich direkt auf das
Versorgungsnetz aus. In strukturschwachen
Regionen führt heute schon die dort vorhandene
installierte Windkraftleistung bei
hohem Windangebot zu Problemen in der
Netzführung, da die erzeugte Leistung nicht
in ausreichendem Maß abgeführt werden
kann [2].
Neben dem Aufbau von großen Windfarmen
ist auch ein Ausbau der regenerativen
Energiesysteme für den Wohngebäudesektor
zu beobachten. Zukunftsszenarien
wie eine auf regenerativen Energien
basierende energieautarke Siedlung sind
heute schon machbar, wie die Freiburger
Solarsiedlung zeigt. Ein wichtiger Aspekt
bei solchen Betrachtungen ist die oben
bereits angesprochene stochastische
Abhängigkeit des Energieangebots. Eine
Möglichkeit, die Schwankungen zu minimieren,
ist die Nutzung unterschiedlicher
Energiequellen durch sogenannte hybride
Kraftwerke und die Einbeziehung von elektrischen
Speichern. Dieser Verbundbetrieb
setzt allerdings eine informationstechnische
Vernetzung der Anlagen voraus.
Energieverbund an der FH
Wolfenbüttel
Am Institut für energieoptimierte Systeme
EOS des Fachbereichs Versorgungstechnik
der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
wurde in den vergangenen vier Jah-
ren ein hybrider Energieverbund errichtet.
Ermöglicht wurde der Aufbau durch eine
Förderung des Landes Niedersachsen [3]
und der DFG. Es handelt sich dabei um ein
System bestehend aus drei Fotovoltaikanlagen
(6 kWp), einer Kleinwindkraftanlage
(4 kW), einem Mini-BHKW (6 kW elektr.)
und einer Brennstoffzelle (1,2 kW). Bei
den Anlagen wurden bewusst sogenannte
Mikro-Energieerzeuger ausgewählt, die im
Wohngebäudebereich oder in kleineren
Gewerbegebäuden eingesetzt werden. In
diesem Jahr wird das System um einen
Elektrolyseur zur Wasserstoffgenerierung
erweitert. Überschüssige regenerative Energie
kann so in Form elektrolytisch erzeugten
Wasserstoffes gespeichert werden, die
Rückverstromung erfolgt geregelt über die
Brennstoffzelle.
LON als Protokoll für den
Energieverbund
Die einzelnen Energieanlagen sind informationstechnisch
vernetzt. Hier wurde die häufig
in der Gebäudetechnik eingesetzte LON-
Technologie eingesetzt. LON bietet den
Vorteil einer standardisierten und offenen
Kommunikation zwischen den Teilnehmern.
Zudem wird durch die Nutzung von LON
auch eine definierte Schnittstelle zu den
klassischen Gewerken der Gebäudetechnik
wie z. B. der Heizungs- und Lüftungstechnik
oder der Beleuchtungsteuerung geschaffen.
Die LON-Technologie erlaubt eine sehr gute
Integration der elektrischen Energieanlagen
in die Gebäudestruktur
und ermöglicht somit
eine integrale Betrachtung
des Gebäudes.
Ein weiteres Argument
für LON war die hohe
Übertragsrate, die eine
Aufnahme der Messwerte
im Millisekundenbereich
ermöglicht. In Abbildung
1 ist die momentane
Netzwerkstruktur der
Hybridanlage dargestellt.
An den jeweiligen Energiewandlern
sind LON-
Elektrizitätszähler der
Firma Gossen-Metrawatt
LonMark Deutschland
und Unternehmen
installiert. Die Elektrizitätszähler erfassen
neben der Wirkleistung auch die Blindleistung
sowie die Spannungs- und Strommesswerte
in einer hohen zeitlichen Auflösung
im Millisekundenbereich. Zusätzlich wurde
eine LON-Wetterstation integriert, sodass
passend zu den Messwerten der einzelnen
Anlagen auch die momentanen Wetterkonditionen
dokumentiert werden können. Die
Ansteuerung des BHKWs und der Brennstoffzelle
wird von zwei DDC-Systemen der
Firma TAC und WAGO ermöglicht.
OPC als Schnittstelle
Als zentrales Element wurde ein OPC-Server
in den Anlagenverbund integriert. Die standardisierte
OPC-Technologie schafft einen
einfachen Zugriff auf die SNVTs im LON-
Netzwerk. Ein am Institut EOS erstelltes
Visual Basic-Programm nutzt diese Schnittstelle,
erfasst die Messwerte und überträgt
die Daten in eine MySQL-Datenbank. Das
Programm arbeitet ereignisgesteuert nach
dem effizienten Change-of-Value Prinzip.
Im Laufe eines Monats wird eine enorme
Datenmenge von ca. 3 Millionen Messwerten
behandelt.
Diese zeitlich hochaufgelösten Daten stehen
über die SQL-Schnittstelle weiteren
Programmen, beispielsweise MATLAB/
Simulink ® zur Aufbereitung der Daten, zur
Verfügung. Die Abbildung 2 zeigt z. B.
einen gemittelten Verlauf der gesamten
elektrischen Leistung des Energieverbundes
an einem Tag. Aus dem rechten Diagramm
in Abb. 2 wird die hohe Dynamik in solch
einem System ersichtlich und welchen
Einfluss die Mittelwertbildung auf den
Verlauf nimmt. Die hohe Abtastrate im
LON-Netzwerk ermöglicht eine genauere
Betrachtung. Mit den üblichen 15 Minuten
Mittelwerten in der Elektrizitätswirtschaft,
werden die auftretenden Fluktuationen in
solch einem lokalen Energieverbundnetz
folglich vernachlässigt.
Abb. 1: Netztopologie des regenerativen Energieverbunds