Virtuelle Steuerung als Energiemanagement-System Infrastruktur für Elektromobilität einfach optimieren

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Die Energiewende verändert Firmen-Energiesysteme: PV-Anlagen, E-Ladestationen, Speicher und Wärmepumpen müssen effizient gesteuert werden. Schwankungen und Lastspitzen erschweren das Management. Eine virtuelle Steuerung per Cloud zeigt an einem Planungsbüro eine flexible Lösung.

Das Planungsbüro Jansen ist seit über 20 Jahren Spezialist für Elektrofachplanung in Industrie, Gewerbe, öffentlichen Bauten und hochwertigen Wohngebäuden. Im vergangenen Jahr hat das Unternehmen aus Rheurdt am Niederrhein seine Dienstwagenflotte grösstenteils auf Elektrofahrzeuge umgestellt. Dank steuerlicher Vorteile ein Win-win für Unternehmen und Mitarbeitende, die das auch gerne angenommen haben. Ausserdem ist Projektleiter Niklas Jansen selbst überzeugt von Elektromobilität, kennt aber auch die Herausforderungen: «Wir wollen zeigen, dass es funktioniert. Gerade Unternehmen in unserer Grösse tun sich vielerorts immer noch schwer mit der Umstellung.» Grund dafür sind oft nicht die Fahrzeuge selbst, sondern die benötigte Infrastruktur. Auch die Elektroplaner mussten hier investieren: 23 neue Ladesäulen auf dem Firmengelände wurden installiert und waren der Auslöser, ein Energiemanagement-System (EMS) einzuführen.

Sicher laden, Lastspitzen vermeiden

Ein EMS wird schon deshalb benötigt, weil die Ladestationen in Summe einen stark schwankenden Grossverbraucher darstellen. Laden alle Fahrzeuge gleichzeitig mit voller Leistung, kommt es zu einer Überlastung, die aus Sicherheitsgründen vermieden werden muss. Aber auch wenn diese Leistung nicht erreicht wird, lohnt es sich, Lastspitzen im Auge zu behalten. Für Grosskunden setzt sich der Strompreis nämlich aus einem Arbeitspreis (pro kWh) und einem Leistungspreis, also der höchsten bezogenen Leistung, zusammen. Dieser Leistungspreis fällt auch dann an, wenn einmalig im Abrechnungszeitraum für 15 Minuten eine Lastspitze erreicht wird und ist ein erheblicher Kostenfaktor. Eine Lastverschiebung, die beispielsweise Fahrzeuge nacheinander lädt, lastet das Netz gleichmässiger aus und spart dem Stromkunden mitunter viel Geld. Ein unkontrolliertes Laden von Fahrzeugen sollte also aus wirtschaftlichen Gründen vermieden werden.

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Virtuelle Steuerung als schlanke Individual-Lösung

Als Elektroplaner kennt Niklas Jansen natürlich diese Problematik. Eine Lösung zu finden, war dennoch nicht einfach. «Wir haben uns einige Systeme am Markt angeschaut. Kommen jedoch individuelle Anforderungen dazu, stossen viele dieser Lösungen an ihre Grenzen. In unserem Fall war beispielsweise ein Wunsch, dass unsere Mitarbeiter individuell eingreifen und Ladeleistungen temporär erhöhen können. Zudem bestand die Anforderung, die Leistung zwischen zwei Gebäuden zu begrenzen. Die meisten Systeme gehen jedoch nur von einem Messpunkt aus», erinnert sich Jansen. Hier wurde klar, dass eine Lösung nach Mass individuell programmiert werden sollte.

Die Entscheidung fiel schlussendlich auf logiccloud, eine moderne «Software Defined Automation-Plattform», die es ermöglicht, solche Digital-Lösungen schnell und wirtschaftlich umzusetzen. Durch eine vollständige Virtualisierung von Steuerungs- und Regelungssystemen bietet die Plattform eine zukunftsorientierte Alternative zu traditionellen, kostspieligen SPS-Hardwarelösungen. Auf der Hardwareseite musste lediglich ein Kontron Pi-Tron 4 installiert werden, ein schlanker industrietauglicher Einplatinenrechner auf Basis eines Raspberry-PI, auf dem die virtuelle SPS läuft. Dieser kommuniziert über Modbus-TCP mit den Ladesäulen, den Wechselrichtern der PV-Anlage und der Wärmepumpe des Bürogebäudes. Alternativ könnte das System aber auch in einer Cloud wie beispielsweise Azure oder AWS laufen. In dieser Anwendung war aber eine lokale Instanz gefragt, um auch ohne Internetverbindung auf die Ladesäulen zugreifen zu können. Trotzdem profitiert auch diese Edge-Lösung von der Cloudplattform der virtuellen SPS.

Energieforschung

Anreize für einen systemdienlichen Netzanschluss von PV-Anlagen

Vom Anforderungskatalog zur Softwarelösung

Eine grosse Stärke zeigte die Lösung bereits im Entwicklungsprozess mit dem logiccloud Portal. Die komplette Entwicklung von SPS-Logik, Visualisierung und Tests finden dabei in der Cloud statt. Dabei wird die virtuelle SPS wie gewohnt in IEC 61131-3 programmiert. Auch das HMI ist natürlich kein physisches Panel, sondern eine webbasierte Visualisierung. Dafür steht ein intuitives grafisches Tool zur Verfügung, mit dem responsive Layouts erstellt werden können, die sich im Betrieb der Bildschirmgrösse von Handy, Tablet oder PC automatisch anpassen. Praktisch war in dieser Anwendung die Möglichkeit, eigene Templates für die Ladesäulen zu erstellen. Das ersparte dem Entwickler eine Menge Arbeit und macht es einfach, nachträgliche Änderungen einzubringen, wenn beispielsweise aktuelle Zusatzinformationen an jeder Säule angezeigt werden sollen. Nach erfolgreichen Simulationen und Tests wird die virtuelle Steuerung per Knopfdruck auf der Hardware bereitgestellt (deployed). Das macht auch nachträgliche Hardwareänderungen oder Austausch bei Defekt sehr einfach. Funfact: Der Entwickler selbst durfte nie an den Oberrhein reisen und hat die Anlage vor Ort nie gesehen.

Das System ist seit Februar im Einsatz und Niklas Jansen ist begeistert. Standardmässig sind jetzt alle Ladepunkte auf 7 A gedrosselt. Das reicht für die Ladung während eines Arbeitstags in der Regel aus. Hat es ein Mitarbeiter eilig, weil er zum Kunden muss, kann er die Leistung einfach selbst am PC erhöhen. Dabei behält das System automatisch aber auch immer Lastspitzen im Auge und sorgt für einen kostenoptimierten Betrieb des Firmenladeparks. Erste Datenanalysen bestätigen, dass alles zuverlässig funktioniert und kostspielige Lastspitzen vermieden werden. Die Elektroplaner freuen sich, einen kleinen Teil zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Zukunft beigetragen zu haben und nicht zuletzt bietet das Unternehmen auch seinen Kunden massgeschneiderte Konzepte in Sachen Elektromobilität an.

Erst ein Anfang

Die Anwendung zeigt, wie einfach Automatisierungsprojekte mit Software Defined Automation umgesetzt werden können. In Sachen Energiemanagement ist die Lösung aber erst der Anfang, auch wenn sie dem Anwender schon jetzt bares Geld spart. Aktuell entsteht mit dem logiccloud EnergyOS eine Plattform für die Analyse und Optimierung von individuellen und komplexen Energiesystemen. In der beschriebenen Anwendung spielte beispielsweise PV-Überschussladen keine Rolle, da der Strom der 30 kW-Peak-Anlage an Arbeitstagen ohnehin verbraucht wird. Bei grossen PV-Anlagen ist das jedoch anders, hier kann der erzeugte Strom genutzt werden zum Laden von E-Autos oder als Puffer in Batteriespeichern zur Lastspitzenverschiebung. Dabei ist das Optimum nicht immer sofort ersichtlich. Hierbei fliessen auch Prognosen über Sonnenstunden für den PV-Ertrag oder Temperaturen für die Planung des Energiebedarfs von Wärmepumpen ein. Ein weiteres Thema sind dynamische Strompreise, die in die Wirtschaftlichkeitsrechnung einbezogen werden können. Im logiccloud System lassen sich solche Daten über Connectoren mit einem Klick sehr einfach einbinden, ganz anders als bei den starren Strukturen einer klassischen SPS im Schaltschrank.

Denkt man diesen Verbund zu Ende, erkennt man schnell, dass sehr komplexe Szenarien entstehen werden, aus denen ein langfristiges Optimum eingestellt wird. Energieverbrauch, Lastverschiebungen und letztendlich die Stromkosten zu optimieren, hängt nicht nur von aktuellen Daten ab, sondern auch von Prognosen und nicht zuletzt dem individuellen Verhalten. EnergyOS wird daher auch KI nutzen, um dazuzulernen und die besten Entscheidungen zu treffen.

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