Lastmanagement zur Steigerung der Energieeffizienz im Gebäude

Die Sonnenenergie übersteigt den Weltenergiebedarf erheblich und ist nahezu unerschöpflich. Auch die technischen Grundlagen sind vorhanden, um klimaneutral, regenerativ und umweltfreundlich generierte Elektrizität auf der Basis von Sonnenenergie zu decken. Das macht eine Welt denkbar, in der elektrischer Strom für alle Lebensbereiche ausschließlich CO₂-neutral aus regenerativen Quellen erzeugt wird. Eine »All Electric Society« bedeutet allerdings nicht, dass andere Energieträger in Zukunft keine Rolle mehr spielen. Denn aus Sonne oder Wind gewonnene Elektrizität steht nicht überall kontinuierlich zur Verfügung und ist lediglich schwer speicherbar. Darüber hinaus eignet sich Elektrizität nicht für sämtliche Anwendungen als Energieträger, etwa die Luft- und Seefahrt oder die Gebäudebeheizung.

Um hier praktikable Lösungen anzubieten, basiert die Idee der »All Electric Society« auf einem Paradigmenwechsel. Wurde elektrischer Strom in den vergangenen Jahrzehnten überwiegend aus den Primärenergieträgern Kohle, Öl und Gas generiert, wird künftig Elektrizität ihrerseits zur nachhaltig erzeugten Primärenergie, die sich bei Bedarf in andere, ebenfalls CO₂-neutrale flüssige oder gasförmige Energieträger umwandeln lässt. Der erwähnte Paradigmenwechsel begründet sich auf den Power-to-X-Technologien, die die Verfügbarkeit, Speicherung und Verwertung von elektrischer Energie technisch leisten können. Power-to-X macht als Elek­trizität gewonnene Energie durch Umwandlungsprozesse beispielsweise in Form von Wasserstoff, Methan oder Methanol nutzbar. Mit Elektrizität lassen sich also klima­neutrale Treibstoffe für Autos, Schiffe oder Flugzeuge herstellen. Die sogenannten »eFuels« ermöglichen dabei die Verwendung der bestehenden Infrastruktur, stellen eine gute Speicher- und Transportform für Energie dar und können über Blockheizkraftwerke in Elektrizität zurückgewandelt werden.

Steigerung der Energieeffizienz

Ein Problem ist aber der geringe Wirkungsgrad der Energieumwandlung bei den ­Power-to-X-Technologien. Nur durch eine deutliche Kostensenkung der regenerativen Energieerzeugung lassen sich eFuels wirtschaftlich produzieren. Langfristig hilft der massive globale Ausbau der dezentralen regenerativen Energiegewinnung. Für die aktuelle Übergangszeit ist jedoch entscheidend, die Energieeffizienz zu steigern. Mit der ­Sektorenkopplung gibt es eine technische Lösung, die sich auch ökonomisch rechnen kann. Hier geht es um die umfassende, ­smarte ­Vernetzung der Sektoren Energie, Industrie, Mobilität, Infrastruktur und Gebäude – im Sinne von Daten- und Energieflüssen (Bild 1).

Ziel ist ein effizientes und ausbalanciertes Gesamtsystem, in dem die überschüssige Energie stets dorthin fließt, wo sie benötigt wird. Die Grundlage dafür bildet eine möglichst weitreichende Elektrifizierung sowie anschließende Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren. Die ökonomische Umsetzung der Sektorenkopplung bedingt in den nächsten Jahren eine Konvergenz in der Elektro- und Informa­tionstechnik über die klassischen Domänen wie Gebäudeautomatisierung, Verkehrstechnik sowie Fabrik- und Prozessautomation hinweg. Die dazu notwendigen Basistechnologien liegen bereits vor: Von 5G über TSN (Time-Sensitive Networking) bis zu Single-Pair Ethernet lässt sich eine nahtlose Kommunikationsinfrastruktur zwischen den zahlreichen Geräten realisieren, die von der Sensor-Aktor-Ebene bis zum IT-System in­stalliert sind. Darauf aufbauend beschleu­nigen Übertragungsstandards wie OPC UA sowie offene Steuerungsplattformen wie die »PLCnext Technology« von Phoenix Contact die anstehenden Projekte und Anwendungen (Bild 2).

Ausbalancierung von Energieangebot und -nachfrage

Ein Beispiel aus dem Gebäude- und Last­management: Der Standort Bad Pyrmont von Phoenix Contact ist in den vergangenen 25 Jahren stark gewachsen. Die Netze der vier Produktions- und Bürogebäude sind miteinander verbunden: Strom, Wärme, Kälte, Druckluft, Stickstoff können somit verteilt werden. Zwei eigene erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke plus PV-Anlage erzeugen Strom und Wärme. Bei Bedarf wird zusätzlicher Strom aus dem Netz eingespeist, die Menge wird aber bewusst begrenzt.

Was ökologisch und ebenfalls wirtschaftlich Sinn ergibt, führt zu einer technischen Herausforderung, denn Energieangebot und -nachfrage müssen ständig ausbalanciert werden. Drei typische Szenarien:

Es wird zu wenig eigener Strom generiert: Der örtliche Energieversorger liefert hinzu, stellt allerdings nicht nur den absoluten Stromverbrauch in Rechnung, sondern ebenso eine Durchleitungsgebühr, die Lastwerte einbezieht. Überschreitet der Standort einen definierten Lastwert in ­einem 15-min-Intervall, werden dafür ­Extrakosten fällig.

Es wird mehr Strom produziert als aktuell verbraucht wird: Die Blockheizkraftwerke fahren herunter, sobald die PV-Anlage genügend Strom erzeugt. Auf Gebäude 4 gibt es einen Stromspeicher, der überschüssige Energie aufnimmt. In einem smarten Gebäude können aber auch Lüftungsanlagen am Wochenende das Gebäude mit günstigem Strom kühlen, wenn dieses erkennt, dass es am nächsten Tag warm wird.

Die große Bandbreite an Temperaturen: Die klimatischen Bedingungen in der Fertigung für elektronische Baugruppen müssen stets stabil sein, selbst bei sommerlich-heißen Außentemperaturen. Dann kommen Kältemaschinen und Luftentfeuchter zum Einsatz – entsprechend hoch ist der Strombedarf. Wenn wiederum zu viel Prozesskälte verfügbar ist, kann diese in einen thermischen Energiespeicher geführt werden. Dabei handelt es sich um eine Brandschutzeinrichtung, die über 400 m³ Wasser speichert.

Wie gelingt also ein bestmögliches Last­management? Früher schalteten die Mitarbeiter auf der Grundlage von Erfahrungswerten Anlagen manuell ab oder hinzu. Die Entscheidungen basierten auf dem Know-how der jeweiligen Person. Das sorgte für unterschiedliche, persönliche Entscheidungen. Doch je komplexer das Gesamtsystem, desto fehleranfälliger wurde der Alltag und desto teurer zu langsame oder falsche Entscheidungen.

Digitalisierung des Energiemanagements

Deshalb lag es nahe, das manuelle Energiemanagement zu digitalisieren und zu automatisieren, beispielsweise um sicherzustellen, dass der Lastgrenzwert das 15-min-Intervall nicht überschreitet und gleichzeitig die Produktion zuverlässig durchläuft.

Schritt 1:

Das Facility Management vernetzte die Gebäude, die Fertigungsanlagen und die Energielieferanten auf der Datenebene. Im neuen Gebäude 4 laufen die Leitungen zusammen. Dort wurde 2016 erstmals das unternehmenseigene Softwaresystem »Emalytics« für das Gebäudemanagement verwendet, später auch in allen »alten« Immobilien. Das IoT-basierte Gebäudemanagement­system verbindet Integration, Engineering, Visualisierung, Reporting und Analyse miteinander. Dafür waren nicht nur rund 25 000 einzelne Datenpunkte aus über 50 Steuerungen einzubinden. Das Team musste die entsprechenden Anlagenbilder zur Überwachung und Bedienung der technischen Gewerke ebenfalls neu anlegen, verknüpfen und testen. Neben der reinen Datenübernahme wurden darüber hinaus mehr als 7 000 Datenaufzeichnungen (Historien) und etwa 130 automatische Zeitschaltprogramme übertragen. »Emalytics« umfasst damit am Standort Bad Pyrmont mehr als 61 000 Datenpunkte. 

Schritt 2:

Die Mitarbeiter dokumentierten ihr Know-how: Zunächst unterteilten sie sämtliche Stromverbraucher nach Prioritäten. Prio 1 haben produzierende Anlagen, die durchlaufen müssen. Prio 2 erhalten Verbraucher, die für eine kurze Zeit vom Netz gehen dürfen. Prio 3 sind Verbraucher, die auch für eine längere Zeitspanne wegfallen können. Dann definierten die Mitarbeiter für jeden Verbraucher, wie viel elektrische Leistung bei einer Abschaltung eingespart wird. Aus den Ergebnissen entwickelte das Team ein Stufensystem, nach dem Anlagen automatisiert an- und abgeschaltet werden. Das Hochfahren für den Betrieb erfolgt ebenso in einer bestimmten Reihenfolge. Kein völlig risikoloses Unterfangen: Bei einer so hohen Zahl von Eingriffen in ein komplexes System kann es zu ungeahnten Störungen kommen. Doch nach der Umstellung der bisherigen Gebäudeleittechnik Ende 2020 / Anfang 2021 auf »Emalytics« gab es keinen Ausfall von Fertigungsanlagen. Unabhängige Dritte belegen ferner, dass die Gebäude in Bad Pyrmont ungefähr 50 % günstiger als marktüblich betrieben werden (Bild 3).

Schritt 3:

Die Energiedaten lassen sich mittels eines übergeordneten Cloud-Services auf Basis von »Proficloud.io« erfassen. Hiermit kann nicht nur ein standortübergreifendes Energie- und KPI-Monitoring etabliert werden, vielmehr wird ebenso die Analyse der Daten mittels KI und Machine-Learning-Algorithmen ermöglicht, um beispielsweise präzisere Verbrauchsprognosen zu erstellen. Anwender, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen, können die Spezialisten von Phoenix Contact entsprechend unterstützen: von der Komponente – wie der Steuerung »ILC 2050 BI« – zur Erfassung der Daten innerhalb des Gebäudes sowie der Interaktion mit dem Gebäude über die intelligente Gebäudeleittechnik mittels des Managementsystems »Emalytics« bis zur standortübergreifenden Auswertung der Daten durch die Services von »Proficloud.io«.

QUELLE:

de – das elektrohandwerk

AUTOR:

Mathias Weßelmann, MBA, General Manager, Phoenix Contact Smart Business GmbH, Berlin