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18 Produkte und Entwicklungen Anwendungen 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
Produkte und Entwicklungen Anwendungen und Referenzen LonMark Deutschland und Unternehmen Abb 2: Fluktuation der täglichen Summenleistung aller regenerativen Energieerzeuger: Das linke Diagramm zeigt den 24 h Verlauf der Leistung mit einer 5 Sek.- und 5. Min.-Mittelung. In dem rechten Diagramm ist ein kleinerer Zeitabschnitt von 2 h dargestellt. Onlinesimulation mit LON/OPC Neben der Auswertung von historischen Daten kann über die OPC-Technologie auch direkt auf das LON-Netzwerk über die Simulationsumgebung MATLAB/Simulink ® zugegriffen werden. Im Rahmen von einer Master- und einer Diplomarbeit [4, 5] wurde ein Anlagenmodell erstellt, das über OPC mit dem realen LON-Netzwerk verbunden werden kann. Die Abbildung 3 illustriert den Simulationsaufbau. In MATLAB/Simulink ® wurden neben den realen Anlagen auch Modelle für Speicher (beispielsweise Eletrolyseur mit Gasflaschenlager) und Verbraucher (basierend auf dem VDEW-H0 Lastprofil) entwickelt. Ein Energiemanagement des Gesamtsystems wurde in Form von sog. „Zustandsautomaten“ in Simulink ® /Stateflow ® umgesetzt. Die Abbildung 4 zeigt z. B. den Zustandsautomaten des Wasserstoffspeichersystems. Die Flexibilität der Simulationsumgebung erlaubt zum einen die Nutzung der historischen Daten, und es können so unterschiedliche Versorgungsszenarien untersucht werden, aber zum anderen auch die Anbindung an die realen Anlagen. Dieser Ansatz ermöglicht die Entwicklung eines optimierten Managementalgorithmus mit direkter Interaktion mit dem zu regelnden System über die OPC/LON-Schnittstelle. Der hier vorgestellte Anlagenverbund bietet den Studierenden der Energie- und Gebäudetechnik des Fachbereichs eine hervorragende Möglichkeit, sich mit aktuellen versorgungstechnischen Fragestellungen auseinanderzusetzen. Der Einsatz von LON für die Messwerterfassung und Regelung des Systems schafft eine ideale Verbindung zur klassischen Gebäudetechnik. Literatur [1] Bundesministerium für Umwelt, Natur- Abb. 3: Simulationsaufbau Abb. 4: Zustandsautomat für den Wasserstoffspeicher schutz und Reaktorsicherheit; Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung, Dezember 2007, http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/ application/pdf/hintergrund_meseberg. pdf [2] EON-Avacon Netz <strong>GmbH</strong>, http://www.eon-avacon-netz.com/Default. aspx?id=89&ch=2 [3] Boggasch, E., Heiser, M.: „Busgestütztes Energiemanagement eines Verbundes regenerativer Energieanlagen“, Abschlussbericht AGIP-Forschungsvorhaben F.A.-Nr. 2003.525 der FH-Wolfenbüttel, März 2006 [4] Baumann, L.; „Untersuchungen an einem regenerativen Energieverbund“; Masterarbeit am Fachbereich Versorgungstechnik, April 2007 [5] Miehe, S.; „Energiemanagement eines regenerativen Energiesystems mit Matlab/ Simulink ® “; Diplomarbeit am Fachbereich Versorgungstechnik, Januar 2008 Prof. Dr. rer. nat. habil. Ekkehard Boggasch • Tel.: +49 5331-9394312 • e.boggasch@fh-wolfenbuettel.de Prof. Dr.-Ing. Manfred Heiser • Tel.: +49 5331-9394314 • m.heiser@fh-wolfenbuettel.de M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Lars Baumann • Tel. +49 5331-9394326 • lars.baumann@fh-wolfenbuettel.de Dipl.-Ing. (FH) Sarah Miehe • Tel. +49 511-3580936 • sarah.miehe@tuk-hannover.de 19
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