Energiekosten senken im intelligenten Haus der Zukunft

Das energieautarke Energy Smart Home Lab (ESHL) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erlaubt einen Blick in die dezentrale Energiezukunft. In einer komplett mit vernetzten Geräten ausgestatteten Wohnung wird der gesamte Energieverbrauch erfasst und auf einem Tablet visualisiert. Dieses dient gleichzeitig als Benutzerschnittelle zum Energiemanagementsystem. Untersucht werden unter anderem das Nutzerverhalten bei entsprechenden Preisanreizen und die Rückwirkungen der dezentralen Energieerzeuger auf das Netz.

Bild 1: Grundriss des Energy Smart Home Lab

Bild 2: In dem unauffälligen Container verbirgt sich eine energieautarke, 60 m² große Wohnung, die mit allen üblichen Haushaltsgeräten ausgestattet und komplett vernetzt ist

Das Energy Smart Home Lab (ESHL, Bild 1) besteht aus einem Container mit einer 60 m² großen Wohnung, die zwei Schlafzimmer hat und mit allen üblichen Haushaltsgeräten ausgestattet ist. Sämtliche Haushaltsgeräte sind direkt oder mittels Adapter über ein Bussystem miteinander vernetzt. Die Stromversorgung übernehmen eine Photovoltaikanlage mit 4,8 kW auf dem Dach sowie ein Mikro-Blockheizkraftwerk im Keller.

Über eine Ladestation lässt sich auch ein Elektroauto an das Haus anschließen, das Energie sowohl speichern als auch zurück ins Stromnetz speisen kann. Zu Zeiten mit geringer Last und hoher Verfügbarkeit von Strom wird es geladen, zu Zeiten mit hoher Last gibt das Fahrzeug bei Bedarf die Energie an das Netz zurück. So dient das Elektroauto neben dem im ESHL fest installierten Heimspeicher auch als zusätzlicher Pufferspeicher (Bild 2).

Intelligente Preissysteme gefragt

Bild 3: Das ESHL verkörpert einen Haushalt mit modernen Netzteilnehmern als reale Testumgebung für ein Power-Hardware-in-the-Loop-System

Sämtliche Energieflüsse und der momentane Stromverbrauch aller angeschlossen Geräte werden im Energiemanagement-Panel (EMP) erfasst und auf Tablets visualisiert. Diese dienen darüber hinaus als Benutzerschnittstelle zu einem Energiemanagementsystem. Hier können die Bewohner beispielsweise festlegen, wann das Elektroauto aufgeladen sein muss oder wann die Wäsche fertig sein soll. Im Rahmen von Wohnphasen wird untersucht, wie Nutzer sich bei vorhandenen Preisanreizen verhalten (Bild 3, 4). Darüber hinaus kann das Energiemanagementsystem die Verbraucher automatisiert steuern, so dass der unter Verbrauchs- und Preisaspekten jeweils günstigste Zeitpunkt zum Laden und zum Waschen genutzt wird. So ist es möglich, auch in Privathaushalten Lastspitzen zu vermeiden und bei entsprechenden Preismodellen Energiekosten zu sparen.

Das ESHL dient darüber hinaus als Testumgebung für die Darstellung von Wechselwirkungen zwischen Netz und dezentralen Energieerzeugern. Bisher kam der Strom aus großen Kraftwerken und wurde über das Verteilnetz bedarfsgerecht an die Verbraucher weitergeleitet. Heute wächst der Anteil dezentraler Energieerzeuger. Mit Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerken, Heimspeichern oder Batterien in Elektroautos wird der Haushalt zum aktiven Netzteilnehmer, zum sogenannten Prosumer. Aufgrund der steigenden Anzahl solcher Anlagen nimmt ihr Einfluss auf das Versorgungsnetz und auf die Versorgungssicherheit zu. Je nach Wetterlage liefern dezentrale Energieerzeuger wie Photovoltaikanlagen oder Windräder schwankende Energiemengen. Dennoch müssen die für das Netz vorgegebene Spannung und Frequenz eingehalten sowie die Netzstabilität sichergestellt werden. Um die Auswirkungen dieser Netzteilnehmer auf das Stromnetz zu untersuchen und entsprechende Regelmechanismen zu entwickeln, betreibt das Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) am KIT ein Power-Hardware-in-the-Loop-System (PHIL).

Virtuelles Testnetz

Bild 4: Im Rahmen von Wohnphasen lässt sich untersuchen, wie Nutzer sich bei vorhandenen Preisanreizen verhalten

Sebastian Hubschneider, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IEH, erläutert: »Mit diesem System können wir Netzteilnehmer, also reale Hardwarekomponenten, in ein virtuelles Energienetz einbinden, von handelsüblichen Haushaltsgeräten bis hin zu komplexen Umrichtersystemen.« Dazu berechnet ein Echtzeit-Rechner den Ist-Zustand eines simulierten Niederspannungsnetzes. Die Spannung des Hausanschlusses stellt ein 4-Quadrantensteller bereit, hier ein Linearverstärker mit 30 kVA Leistung. Der von den Netzteilnehmern bezogene Strom wird in das simulierte Niederspannungsnetz zurückgeführt. In die Berechnung des neuen Netzzustandes fließen die Auswirkungen auf den Netzzustand ein. Die daraus resultierenden neuen Ist-Spannungen werden dann wieder an den 4-Quadrantensteller übertragen. So entsteht ein geschlossener Regelkreis. »Auf diese Weise lässt sich die Systemreaktion des Netzes und der angeschlossenen Hardwarekomponenten bei unterschiedlichen Betriebszuständen systematisch und reproduzierbar untersuchen«, führt Hubschneider weiter aus. »Treten Fehler im Netz auf, zum Beispiel eine zu niedrige Spannung oder eine zu hohe Frequenz, können Wechselrichter zum Ausgleich dieser Fehler beitragen.«

Der wesentliche Vorteil von PHIL besteht darin, dass das Verhalten komplexer Netzteilnehmer mit allen Regel- und Schutzalgorithmen sowie ihren jeweiligen Netzrückwirkungen schon vor der Installation realer Geräte im Netz untersucht werden kann. Auch die Interaktion zwischen verschiedenen Netzteilnehmern sowie das Verhalten in Fehlerfällen lassen sich auf diese Weise erproben.

Bild 5: Power-Hardware-in-the-Loop-Systeme erlauben es, Netzteilnehmer in ein virtuelles Energienetz einzubinden, wobei ein Emulationsumrichter die Nachbildung des elektrischen Energienetzes sowie der darin auftretenden Fehler ermöglicht

Das Energy Smart Home Lab verkörpert beispielhaft einen vorhandenen Haushalt mit modernen Netzteilnehmern als reale Laborumgebung (Bild 5). Im Energienetz der Zukunft mit zahlreichen dezentralen Energieerzeugern und Batteriespeichern sind Verbraucher auch aktive Netzteilnehmer und können ihren Beitrag zur Versorgungssicherheit und Netzstabilität leisten.

Forschungsprojekte für die Entwicklung des ESHL

»MeRegioMobil« hatte zum Ziel, Elektrofahrzeuge als mobile Stromspeicher und -verbraucher in das Energiesystem des Energy Smart Home Lab zu integrieren.
»iZEUS« (Intelligent Zero Emission Urban Systems) steht für die netzschonende Integration der Elektromobilität ins Energiesystem. Hinzu kamen Flottentests, die erstmals die Möglichkeiten von Vehicle-to-Grid aufzeigten.
Im Projekt »grid-control« wurde ein Gesamtkonzept für zukunftsfähige Verteilnetze entwickelt, das der wachsenden Zahl dezentraler Energieerzeuger Rechnung trägt.
»C/sells« beschreibt ein zukunftsgerichtetes Energiesystem, in dem verschiedene Einzelakteure (Zellen) zu einem breiten Verbund zusammengeschlossen werden können. Eine Zelle kann eine Stadt oder ein Stadtteil, ein Flughafen, eine Liegenschaft oder das ESHL sein. Erzeugung und Verbrauch von Energie innerhalb einer Zelle werden abgestimmt und bei Bedarf flexibel dem Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt.
Das Projekt »flexQgrid« untersucht, wie kritische Netzzustände verhindert werden können und welche Maßnahmen am wirkungsvollsten sind. In einem realen Netz können kritische Netzzustände nicht provoziert werden. Das ESHL eignet sich hier zusammen mit einem simulierten Niederspannungsnetz als reale Testumgebung, ohne negative Auswirkungen auf die Netzteilnehmer.