Energiemanagementsysteme für umfangreiche Produktionsstätten und große Infrastrukturen berücksichtigen bislang nicht alle zur Verfügung stehenden Daten, um Energie möglichst günstig einzukaufen und effizient einzusetzen. Mit der Smart-Data-Plattform, die vom Fraunhofer IAO im Projekt SmartEnergyHub mitentwickelt wurde, ist es jetzt möglich, ganzheitliche Analysen auf Grundlage vielschichtiger Informationen durchzuführen. Damit lassen sich die Entwicklungen bei Energieerzeugung und -verbrauch deutlich genauer einplanen als bisher. Ein Anwendungsfall am Flughafen Stuttgart zeigt den Erfolg.

Gutes Management setzt grundlegendes Wissen voraus: Wann und woher kommt der Input? Wer macht wann was in der Organisation und wie groß ist der Aufwand dafür? Auch technische Steuerungssysteme funktionieren kaum anders. Energiemanagementsysteme beispielsweise kümmern sich um den Strombezug nach Bedarf und sie teilen die Energie zu, beziehungsweise überwachen den Verbrauch. Und sie versuchen, die Energie dann in ihr System zu leiten, wenn sie möglichst einfach, sprich: günstig zu haben ist. Die über einen intelligenten Energiemanager gesteuerte Waschmaschine, die dann arbeitet, wenn andere Verbraucher keinen Strom ziehen oder Solar- beziehungsweise Windkraftwerke besonders viel Strom erzeugen, ist das beste Beispiel dafür. Doch effektives (Energie-)Management verlässt spätestens dann den Bereich des genau Kalkulierten, wenn die Zahl der Variablen nicht oder kaum mehr überschaubar ist. Bei großen Unternehmen wie etwa dem Stuttgarter Flughafen ist dies der Fall. Über elf Millionen Passagiere werden hier jedes Jahr abgefertigt. Der Airport verbraucht fast 100 Gigawattstunden Energie. Rund ein Drittel der Privathaushalte in Baden-Württemberg könnte damit versorgt werden. Ein umfassendes Energiemanagementsystem muss mindestens 10.000 verschiedene Verbrauchsparameter im Blick behalten und den Energieinput von Aggregaten und Blockheizkraftwerken (inklusive Wartungszyklen), den Zukauf von Strom und unter Umständen auch den stark schwankenden Input von Photovoltaik- und Windkraftanlagen handhaben. Es muss außerdem so intelligent agieren, dass es Entwicklungen vorhersieht, um Strom eher dann einzukaufen und einzusetzen, wenn seine Produktion hoch und ein - wie auch immer gearteter - Vorab-Einsatz möglich ist. Beispielsweise um die Kühlung in einem bald stark frequentierten Bereich schon vorab einzusetzen.

»Bisherigen Energiemanagementsystemen etwa bei Flughäfen und im großen Umfang produzierenden Betrieben waren nicht zuletzt aufgrund der Komplexität der jeweiligen Infrastrukturen Grenzen gesetzt«, erklärt Dr. Daniel Stetter vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO. In der Regel würden deshalb verfügbare Informationen nur eingeschränkt verwendet. »Dabei lässt sich aus der Nutzung all dieser Daten ein deutlicher Mehrwert generieren«, so der Forscher. Zudem trage der Aufwand bei der Prognose von Energieerzeugung und Energieverbrauch dazu bei, dass entsprechende Systeme bislang nicht entwickelt wurden.

Plattform für das Energiemanagement

Stetter und sein Team haben nun gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS und Partnern aus Industrie und Forschung in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt »SmartEnergyHub« eine Smart-Data-Plattform entwickelt, mit der die Vielschichtigkeit eines umfassenden Energiemanagements erstmals so abgebildet und gesteuert werden kann, dass am Flughafen Stuttgart bedeutende Effizienzgewinne möglich sind. Das Fraunhofer IAO war dabei maßgeblich an der Entwicklung der Plattform und der Prognosealgorithmen beteiligt. Das Fraunhofer IAIS hingegen an einer Studie zu In-Memory-Systemen, mit denen sich die für den SmartEnergyHub nötigen, außerordentlich hohen Zugriffsgeschwindigkeiten gewährleisten lassen.

Prognosen zum Stromverbrauch

Der SmartEnergyHub setzt dabei auf eine gesamtheitliche Betrachtung aller in Erzeugung und Verbrauch involvierten Anlagen. Zudem werden externe Datenbanken wie beispielsweise Wetterdaten und der Strompreis mit einkalkuliert und die Leistung von Stromspeichern und Klimaanlagen berücksichtigt. »Die Verarbeitung der großen Datenmengen ist eine der größten Herausforderungen, die wir lösen mussten, bevor der SmartEnergyHub im vergangenen Jahr in Stuttgart in Betrieb genommen werden konnte«, betont Stetter. Denn alle Daten müssen in Echtzeit verarbeitet werden. Die Forscher entwickelten deshalb eine cloudbasierte IT-Lösung auf Grundlage einer hochperformanten skalierbaren Datenbank. Neben der Berechnung an sich bietet das System zusätzlich auch Visualisierungen an, um die Usability des Systems zu unterstützen. »Die Entscheider haben damit eine einfache Möglichkeit, sich einen Überblick zu verschaffen und ihre Anlagen situationsgerecht zu steuern«, sagt Stetter. Beispielsweise, wenn das System für den kommenden Tag einen erhöhten Strombedarf prognostiziert, weil angekündigtes heißes Wetter eine intensive Klimatisierung nötig machen wird. Um nicht erst dann zu handeln, wenn sich der Effekt am Folgetag eingestellt hat und untertags die Strompreise hoch sind, werden die Terminals nun schon »intelligent«, also nachts sehr stark heruntergekühlt und damit auf die Aufnahme der Flugreisenden vorbereitet. Wie viele das sind, sprich: wie intensiv einzelne Terminals frequentiert werden, errechnet das System anhand historischer Daten der vergangenen Jahre und aktueller Fluggastzahlen der Airlines. Der Flughafen umgeht durch diese »Glättung« der Leistungsspitzen beim Stromverbrauch auch das mögliche Erzeugen eines neuen jährlichen Maximums beim Leistungsbezug. Denn dieses hätte Zusatzkosten durch Netzentgelte und die EEG-Umlage zur Folge.

Der Einsatz des SmartEnergyHubs am Flughafen Stuttgart ist so erfolgreich, dass das Wissen und die Erfahrung nun auch in weitere Projekte einfließen. »Im Moment sind einzelne Bereiche unserer Arbeit und der der anderen Projektpartner in die Installation von Energiemanagern bei mehreren Industriebetrieben eingeflossen«, sagt Stetter. Wegen der jeweils individuellen Voraussetzungen und diverser Weiterentwickelungen sei man aber auch dort sicher, signifikante Mehrwerte für die Kunden zu erzielen.

(hen)

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