Energiemanagement auf Gebäude-Ebene Was Stromnetze flexibler und stabiler macht

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Schneider Electric GmbH

Schneider Digital Josef J. Schneider e.K.

G&W Software AG

Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben einen vorausschauenden Kontrollalgorithmus entwickelt, der das Energiemanagement auf Ebene des Gebäudes optimiert.

Um die Versorgungssicherheit des künftigen Energiesystems zu gewährleisten, braucht es nicht nur einen Ausbau erneuerbarer Energien, sondern auch ausgeklügelte Kontrollmechanismen, die Produktion, Einspeisung und Verbrauch effizient steuern. Empa-Forschende haben deshalb einen vorausschauenden Kontrollalgorithmus entwickelt, der das Energiemanagement auf Ebene des Gebäudes optimiert – ohne dabei den Komfort der Nutzer einzuschränken.

Mit zunehmender Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt auch die Bedeutung von Gebäuden, geht es um ein nachhaltiges Energiesystem. Wo Photovoltaik-Anlagen ihr Potenzial im kleinen Rahmen – für ein Einfamilienhaus etwa – längst bewiesen haben, stellen sich immer noch Fragen, wie es um die Versorgungssicherheit unseres Gesamtenergiesystems bestellt ist. Reichen die Potenziale erneuerbarer Energien wirklich aus, um über das ganze Jahr hinweg genügend Energie zu haben? Oder droht plötzlich wieder eine Energiemangellage wie im Winter 2023?

Energiemanagement: Logistik ist zentral

Das primäre Problem ist dabei jedoch nicht die Produktion erneuerbarer Energie, sondern die Logistik in Zusammenhang mit unserem Verteilsystem. Dieses war bislang auf Produktionsanlagen ausgerichtet, die permanent eine gewisse Menge Energie ins Stromnetz einspeisen. Damit man den Energiebedarf künftig durch erneuerbare Quellen decken kann, braucht man daher sowohl einen Ausbau der Produktionsanlagen als auch smarte Technologien, die fortwährend die Netzstabilität gewährleisten. Denn im Gegensatz zu traditionellen Energieträgern wie Kohle oder Uran, produziert eine Solaranlage eben nicht durchgehend die gleiche Menge Strom: Sie unterliegt den Wetterbedingungen und vor allem dem Tag-Nacht-Rhythmus.

Einerseits muss also der Energiebedarf dann minimiert werden, wenn die Produktion gering ist – etwa nachts – andererseits müssen sogenannte Produktionsspitzen lokal verbraucht werden, um das Stromnetz nicht zu überladen.

Automatisierte Systeme

Um diese komplexe Logistik bewältigen zu können, bieten sich automatisierte Systeme an. Diese können auf der Basis von lokaler Produktion, den vorhandenen Speichermedien und der Verfügbarkeit im Netz den Stromverbrauch dahingehend optimieren, dass sowohl Netzstabilität als auch Flexibilität der Verbraucher stets gewährleistet sind. Das heißt: Durch die vorausschauende Energieplanung stellt das Gebäudesystem sicher, dass man auch dann heiß duschen oder kochen kann, wenn gerade zu wenig Strom produziert wird, um den tatsächlichen Bedarf zu decken. Gleichzeitig wird überproduzierte Energie nicht zwangsläufig lokal gespeichert, sondern nach Möglichkeit ins Stromnetz eingespeist, so dass sich die Nachfrage jederzeit decken lässt.

Von der Theorie in die Praxis

Um zu demonstrieren, dass solch automatisierten Systeme praxistauglich sind, haben Forschende der Abteilung «Urban Energy Systems» der Empa im NEST untersucht, inwiefern ein bewohntes Gebäude verschiedene flexible Nachfragekriterien unter einem Dach vereinen kann. Im Fokus standen dabei die Reduktion der CO2-Emissionen, die Flexibilität der Energienachfrage sowie der Komfort der Bewohner. Mittels eines prädiktiven Kontrollalgorithmus gelang es dem Team, das Energiemanagement innerhalb des Gebäudes mit folgendem Set-up zu optimieren: 

• einer Photovoltaik-Anlage zur Stromproduktion;
• einem Batteriespeicher;
• einer Wärmepumpe;
• einer bidirektionalen Ladestation für E-Fahrzeuge.

Wichtigstes Ziel war es, die CO2-Emissionen während des Betriebs zu minimieren – und zwar, indem Strom vom Netz bevorzugt dann bezogen wurde, wenn er aus erneuerbaren Quellen verfügbar war. Zudem waren Mindesttemperaturen für die Innenräume und den Warmwasserspeicher vorgegeben. Über das Verhalten der Bewohner lernte der Algorithmus in kurzer Zeit, Nutzerflexibilität und Energieaustausch mit dem Stromnetz zu optimieren.

Wie das Gebäude im Energiesystem agiert

Zunächst konnten die Forschenden zeigen, dass ihr System den CO2-Ausstoß eines Gebäudes um mehr als zehn Prozent senken konnte. Mindestens genauso wichtig war die Erkenntnis, dass das Gebäude in der Lage war, vorausschauend zu kommunizieren, wann es wieviel Strom vom Netz beziehen bzw. in dieses einspeisen kann. Dies ist vor allem dann relevant, wenn zu Spitzenzeiten (zu) viel Strom produziert oder nachgefragt wird. Das Experiment hat also gezeigt, dass die flexible Verfügbarkeit erneuerbarer Energien nicht a priori ein Problem darstellt. Allerdings sind unter diesen Umständen verlässliche Angaben zur Nachfrage und eine vorausschauende Planung essenziell – zwei Aufgaben, die ein selbstlernender Algorithmus besser und konsistenter bewältigen kann, als es ein Mensch je könnte.

Digitalisierung hilft, Ergebnisse skalierbar zu machen

Um die Ergebnisse in entsprechenden Anwendungen skalierbar zu machen, müssen Gebäude daher künftig konsequent digitalisiert werden. Damit die dafür notwendige IT-Infrastruktur aber nicht selbst wieder große Mengen an CO2 verursacht, hat sich Empa-Forscher Hanmin Cai bereits in einer anderen Studie mit dem Einsatz wiederverwendeter Hardware, namentlich alter Smartphones, für die Gebäudeautomation auseinandergesetzt.

Via Start-up in den Markt

Bereits heute arbeiten Cai und seine Kollegin, Federica Bellizio, daran, ihre Technologie im Rahmen des Start-ups «Kuafu» auf den Markt zu bringen. Bellizio wurde erst kürzlich mit dem «Empa Entrepreneur Fellowship» ausgezeichnet, ein Stipendium für Forschende, die ihr eigenes Unternehmen gründen wollen. Mit ihrem datengetriebenen System wollen sie eine Brückenfunktion zwischen Netzbetreibern und Energieanbietern einnehmen und so ganz konkret zu Energieoptimierung und Dekarbonisierung im Gebäudebereich sowie in der Elektromobilität beitragen.

Weitere Informationen: https://www.empa.ch/

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