Durch die Energiewende haben sich Energiesysteme in Firmengebäuden in den letzten Jahren verändert. Heute gilt es, Photovoltaik-Anlagen, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Batteriespeicher und Wärmepumpen im Energiemanagement zu koordinieren. Energieerzeugung und -verbrauch unterliegen großen Schwankungen und müssen klug verteilt werden, um Lastspitzen zu vermeiden. Oft ist diese Infrastruktur ein Hemmnis für die Entscheidung, Dienstfahrzeuge auf Elektromobile umzustellen. Ein Anwendungsbeispiel bei einem Planungsbüro zeigt, wie eine Lösung aussehen kann, wenn die Anforderungen individuell sind.
Das Planungsbüro Jansen aus Rheurdt am Niederrhein ist seit über 20 Jahren Spezialist für Elektrofachplanung in Industrie, Gewerbe, öffentlichen Bauten und hochwertigen Wohngebäuden. Im vergangenen Jahr hat das Unternehmen seine Dienstwagenflotte größtenteils auf Elektrofahrzeuge umgestellt. Projektleiter Niklas Jansen kennt 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 investieren: 23 neue Ladesäulen auf dem Firmengelände wurden installiert und waren der Auslöser, ein Energiemanagement-System einzuführen.
Sicher laden, Lastspitzen vermeiden
Ein Energiemanagement-System 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 aus einem Arbeitspreis pro Kilowattstunde und einem Leistungspreis zusammen, der sich nach der höchsten bezogenen Leistung bemisst. 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 erhebliche Kosten. Ein unkontrolliertes Laden von Fahrzeugen sollte also aus wirtschaftlichen Gründen vermieden werden.
Virtuelle Steuerung als individuelle Lösung
Eine Lösung zu finden, war nicht so 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 individuell programmiert werden sollte. Warum Unternehmen mit Connected Engineering schneller, sicherer und wettbewerbsfähiger werden ‣ weiterlesen
Von Insellösungen zum vernetzten Engineering-Ökosystem
Die Entscheidung fiel auf Logiccloud, eine Software Defined Automation-Plattform, die es ermöglicht, solche Lösungen umzusetzen. Durch eine vollständige Virtualisierung von Steuerungs- und Regelungssystemen bietet die Plattform eine Alternative zu traditionellen SPS-Hardwarelösungen.
Auf der Hardwareseite musste lediglich ein Kontron Pi-Tron 4 installiert werden, ein industrietauglicher Einplatinenrechner auf Basis eines Raspberry Pi, auf dem die virtuelle SPS läuft. Dieser kommuniziert über Modbus-TCP mit den Ladesäulen, den Wechselrichtern der Photovoltaik-Anlage und der Wärmepumpe des Bürogebäudes. Alternativ könnte das System auch in einer Cloud wie 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 Cloud-Plattform der virtuellen SPS.
Vom Anforderungskatalog zur Softwarelösung
Die komplette Entwicklung von SPS-Logik, Visualisierung und Tests findet im Logiccloud-Portal in der Cloud statt. Dabei wird die virtuelle SPS in IEC61131-3 programmiert. Auch das HMI ist kein physisches Panel, sondern eine webbasierte Visualisierung. Dafür steht ein grafisches Tool zur Verfügung, mit dem responsive Layouts erstellt werden können, die sich im Betrieb der Bildschirmgröße von Smartphone, Tablet oder PC automatisch anpassen. In dieser Anwendung war die Möglichkeit, eigene Templates für die Ladesäulen zu erstellen, von Vorteil. Das erspart 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. Das macht auch nachträgliche Hardwareänderungen oder Austausch bei Defekt einfach.
Das System ist seit einem Jahr im Einsatz. Standardmäßig sind jetzt alle Ladepunkte auf 7A 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 Lastspitzen im Auge und sorgt für einen kostenoptimierten Betrieb des Firmenladeparks. Erste Datenanalysen bestätigen, dass alles zuverlässig funktioniert und kostspielige Lastspitzen vermieden werden. Das Unternehmen bietet auch seinen Kunden Konzepte in Sachen Elektromobilität an.
Erweiterungsmöglichkeiten durch EnergyOS
Die Anwendung zeigt, wie Automatisierungsprojekte mit Software Defined Automation umgesetzt werden können. In Sachen Energiemanagement ist die Lösung aber erst der Anfang, auch wenn sie dem Anwender bereits Kosten spart. Aktuell entsteht mit Logiccloud EnergyOS eine Plattform für die Analyse und Optimierung von individuellen und komplexen Energiesystemen. In der beschriebenen Anwendung spielte beispielsweise Photovoltaik-Überschussladen keine Rolle, da der Strom der 30kW-Peak-Anlage an Arbeitstagen ohnehin verbraucht wird. Bei größeren Photovoltaik-Anlagen ist das jedoch anders, hier kann der erzeugte Strom genutzt werden zum Laden von Elektrofahrzeugen oder als Puffer in Batteriespeichern zur Lastspitzenverschiebung. Dabei ist das Optimum nicht immer sofort ersichtlich. Hierbei fließen auch Prognosen über Sonnenstunden für den Photovoltaik-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 einfach einbinden, anders als bei den starren Strukturen einer klassischen SPS im Schaltschrank.
Denkt man diesen Verbund weiter, erkennt man, dass komplexe Szenarien entstehen, 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 Entscheidungen zu verbessern.
