Energiewende vor Ort

Digitale Lösung ist der Schlüssel

Das Ziel der Energiewende ist klar: Weg von fossilen Brennstoffen und der Kernenergie hin zu erneuerbaren Energien wie Sonne und Windkraft. Nahezu unbeachtet ist bislang das Potenzial am Ende des Stromnetzes – bei den gewerblichen Stromkunden. Mit eigener Stromerzeugung durch Photovoltaik in Verbindung mit Batteriespeichern und einem intelligenten Energiemanagement ist die Energiewende auch vor Ort realisierbar. Ein Industrie-Router als Edge-Gateway bietet dafür die passende Plattform – mit der notwendigen Sicherheit und Konnektivität in alle Richtungen.

Die Energiewende ist nicht nur eine Sache der Energiekonzerne. Auch die Stromkunden können ihren Teil dazu beitragen, indem sie regenerative Energie selbst erzeugen – beispielsweise durch Photovoltaik, Wasserkraft oder Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, die mit Holz-Hackschnitzel oder Biogas betrieben werden. Große Batteriespeicher, die z.B. in Überseecontainern untergebracht sind, erlauben eine flexible Steuerung des gesamten Energiesystems und eine intelligente Optimierung im Betrieb. Dazu werden der voraussichtliche Strombedarf prognostiziert, der aktuelle Strombedarf gemessen sowie die Wettervorhersage mit Prognose der Sonnenscheindauer und -intensität mit einkalkuliert – und die aktuellen Strompreise an der Strombörse berücksichtigt. Das Ziel ist es, möglichst viel Energie selbst bereitzustellen und damit den Eigenverbrauch zu optimieren – beispielsweise um Lastspitzen zu kappen oder um den Strombezug aus dem Netz generell zu reduzieren. Dadurch werden die Kosten gesenkt und der individuelle CO2-Abdruck verringert.

 

Fotovoltaiksystem mit 750 kW Peak in Ost-West-Ausrichtung. Bild: EPS Energy Project Solutions)

Strom, Wärme und Mobilität

Dafür bietet Energy Project Solutions, kurz EPS, eine umfassende Lösung. EPS ist aus der 2015 als Joint Venture von den Firmen BMW und Viessmann gegründeten Digital Energy Solutions hervorgegangen. EPS nutzt die Potenziale der Digitalisierung und entwickelt ganzheitliche Energiemanagement- und Bewirtschaftungskonzepte für die Energiewende vor Ort – direkt bei Industrie- und Gewerbebetrieben. Die dafür entwickelte IoT-Plattform stellt ein umfassendes energiewirtschaftliches Portfolio bereit. Alle beteiligten technischen Systeme wie Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, Ladestationen und Wärmepumpen sind über die IoT-Plattform vernetzt und werden darüber optimal gesteuert. „Die Energiewende kann nur gelingen, wenn die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität zusammenwachsen und gleichzeitig der Anteil an erneuerbaren Energien signifikant gesteigert wird“, ist sich René Zerwes, zum Zeitpunkt der Implementierung Entwicklungsingenieur (IoT) bei EPS, sicher. Letztendlich ist die Dekarbonisierung, d. h. die endgültige Abkehr von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Erdgas für die Umsetzung der Klimaschutzziele entscheidend.

„Die Energiewende kann nur gelingen, wenn die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität zusammenwachsen und gleichzeitig der Anteil an erneuerbaren Energien signifikant gesteigert wird“

René Zerwes, Entwicklungsingenieur (IoT) bei EPS

Batteriespeichersystem in Containerbauweise (Bild: EPS Energy Project Solutions )

Entwicklungsingenieur (IoT) bei EPS

EPS plant und betreibt die Energiemanagement-Systeme (EMS) als Generalunternehmer. Am Anfang eines jeden Projekts steht eine genaue Bedarfsanalyse. In welcher Form benötigt ein Betrieb die Energie? Benötigt er Prozesswärme, kommt eventuell eine Wärmepumpe oder ein Blockheizkraftwerk infrage. Ist der Energiebedarf kontinuierlich oder müssen Lastspitzen abgefangen werden? Ist bereits eine Photovoltaikanlage vorhanden oder müssen noch Freiflächen oder Dächer gefunden werden? Zudem hat ein Fuhrpark mit E-Fahrzeugen, die über Nacht geladen werden sollen, andere Anforderungen wie etwa eine Gießerei, die mit ihren Schmelzöfen einen punktuell stark schwankenden Bedarf an elektrischer Energie hat. Je nach Anforderung vor Ort stellen die Experten von Energy Project Solutions die optimale Lösung aus ihrem Baukasten zusammen.

Dafür lassen sich folgende technischen Systemanforderungen ableiten:

  • Unterstützung der Schnittstellen und Protokolle zur Kommunikation mit Wechselrichtern, Stromzählern, Batteriespeichern und Anlagen zur Wärmeerzeugung
  • Datenerfassung und Alarmierung bei Grenzwertüberschreitung
  • Diagnosedaten der beteiligten Komponenten abrufen und Konfigurationen anpassen (Fernwartung)
  • Konnektivität zu Diensten im Internet wie Wettervorhersage, Strombörse und Cloud-Diensten für das Langzeitarchiv
  • Freie System-Ressourcen für das EMS

Nach Prüfung verschiedener Optionen hat sich EPS für die Industrie-Router mbNET mit der Erweiterung mbEDGE entschieden. Die Industrie-Router von MB connect line bieten über das Remote-Service-Portal mbConnect24 einen sicheren Zugang auf die dezentral verteilten Projekte über Internet. Die Kommunikation ist nach dem aktuellen TLS-Standard verschlüsselt und der Zugang kann mittels 2-Faktor-Authentifizierung zusätzlich gesichert werden.

 

Kontinuierliche Monitoring des Energiesystems

Mehr Edge als cloud

Statt einer klassischen Cloud Lösung mit zentralen Servern hat sich EPS bewusst für eine Edge-Architektur entschieden. Die Gründe dafür sind eine bessere Performance (keine Latenz) und eine Reduzierung der Komplexität. Auch die Optimierungsmodelle sind anlagenspezifisch und auf Edge-Ebene einfacher umsetzbar. Individuelle Zusatzfunktionen lassen sich leichter realisieren und standortabhängige Daten besser berücksichtigen.

Die Industrie-Router sind als Edge-Gateway mit allen Datenquellen des Projekts verbunden – etwa mit den Strommetern, den Wechselrichtern und mit der Steuerung des Batteriespeichers. Ein kontinuierliches Monitoring alle relevanten Daten und Parameter ist essenziell, um auf Abweichungen von den Soll- und Planwerten innerhalb des EMS sofort reagieren zu können. Der Vorteil des Industrie-Routers ist hier, dass er alle gängigen Schnittstellen und Protokolle unterstützt – wie etwa Modbus-TCP und TCP/IP. Das ermöglicht einen transparenten Zugriff auf alle Komponenten des Systems und die lokale IT – ohne zusätzliche Gateways und Umsetzer.

Sicherer Fernzugriff

Eine weitere wichtige Möglichkeit des Industrie-Routers ist die Fernwartung. „Unsere Anlagen sind dezentral weit verteilt, da sind wir auf eine zuverlässige Fernwartung angewiesen“, erläutert René Zerwes. Das fängt schon bei der Inbetriebnahme an. Häufig ist vor Ort nur jemand, der die Verdrahtung erledigt und die Leitungen verlegt. Die eigentliche Inbetriebnahme erfolgt aus der Ferne. Die Parametrierung der Wechselrichter und der Strommeter erfolgt jeweils über deren integrierten Webserver.

Dank der rollenbasierten Benutzerverwaltung des Remote-Service-Portals können die Zugriffsrechte auf Port- oder Geräteebene fein skaliert werden. Beispielsweise kann Service-Zugang nur für die Wechselrichter eingerichtet werden, sodass das betreffende Servicepersonal des Herstellers ausschließlich auf die freigegebenen Komponenten zugreifen kann – etwa um Firmware-Updates zu übertragen oder eine Diagnose durchzuführen.

IoT-Ökosystem

Die eingesetzten Industrie-Router mbNET bieten mit einem 1 GHz-Prozessor und 512 MB RAM eine leistungsfähige Hardware-Basis für anspruchsvolle Anwendungen wie das Energiemanagement-System von Energy Project Solutions. Dieses besteht aus mehreren Node-RED-Anwendungen, die in verschiedenen Docker-Containern getrennt voneinander ausgeführt werden. Sie sind untereinander und vom Betriebssystem isoliert, was für zusätzliche Sicherheit sorgt. Die Daten aus den Geräten werden in einem eigenen Container gesammelt, während in einem anderen Container die Cloud-Anbindung realisiert wurde, um verschiedene Cloudservices zu nutzen – beispielsweise für die Langzeitarchivierung der Daten, die Anbindung an die Strombörse oder die Abfrage der Wetterdaten.

Die Realisierung des EMS mit dem grafischen Entwicklungswerkzeug Node-RED war naheliegend. Das webbasierte System ist Open Source und bringt eine Vielzahl von Funktionsbausteinen (sogenannte Nodes) bereits mit – etwa zur Kommunikation per MQTT, zur Datenerfassung per Modbus-TCP oder zum Versand von E-Mail-Nachrichten. Für spezielle Funktionen lassen sich eigene Nodes erstellen und integrieren. Um eine Anwendung zu erstellen, zieht der Anwender einfach die Nodes per Drag & Drop auf die Programmieroberfläche, verbindet sie gemäß dem logischen Ablauf und konfiguriert sie entsprechend dem Anwendungskontext. Die Node-RED-Funktionen haben Zugriff auf alle Ressourcen im Edge-Gateway.

Der Fahrplan berücksichtigt die Prognose von Erzeugung, Strompreis und Verbrauch

Energiemanagement als Edge-Anwendung

Die Edge-Architektur bietet die Anbindung unterschiedlicher Messtechnik und Steuerungen auf Feldbusebene, die bidirektionale Anbindung von Clouddiensten und Datenbroker sowie die lokale Verarbeitung der Daten. Zur Visualisierung können die Anlagenbetreiber die Daten in eigenen webbasierten Dashboards visualisieren. Das erfolgt in Echtzeit, was hier eine Zeitverzögerung von maximal 5 Sekunden bedeutet. Auch die Netzmeister schauen gerne auf die Spannungen und Ströme, die aktuell anliegen und fließen – zumal Elektrizität sehr volatil ist.

Mit anwendungsspezifischen Kontrollstrukturen zur Steuerung und Regelung der Energieflüsse, der Ersatzwertbildung und selbstlernenden Algorithmen (Prognosen, Fahrpläne) können die Kernkompetenzen von EPS unmittelbar eingebracht werden. In der Praxis zeigt sich, dass jede Anlage ihre Besonderheiten hat – sie benötiget spezielle Funktionen und arbeitet mit standortabhängigen Daten.

Optimierungsmodelle, die vorher in der Cloud liefen, lassen sich nun als Edge-Lösung vor Ort sehr flexibel optimal an die anlagenspezifischen Gegebenheiten anpassen. Ein wichtiger Schritt zur ökonomischen und ökologischen Optimierung von Energiesystemen auf dem Weg zu einer gelungenen Energiewende.

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