A House that Can Think and Calculate

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 1/2020. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

Kam der Strom bisher aus großen Kraftwerken und wurde über das Stromverteilnetz an die Verbraucher weitergeleitet, kommen heute immer mehr dezentrale Energieerzeuger hinzu. Windräder oder Photovoltaikanlagen verringern zwar die CO2 -Emmissionen, stellen aber Energieversorger und Netzbetreiber vor neue Herausforderungen. Power-Hardwarein-the-Loop-Systeme (PHiL) erlauben eine realistische Simulation des Energienetzes bei Einbettung realer Hardwarekomponenten. Am KIT dient unter anderem das Energy Smart Home Lab (ESHL) als Testumgebung, ein Wohncontainer mit dezentraler Energieerzeugung und realer Haushaltsausstattung. So lassen sich Wechselwirkungen zwischen Netz, dezentralen Energieerzeugern und Nutzerverhalten darstellen sowie Regelstrategien erarbeiten, die Netzstabilität und Versorgungssicherheit erhöhen.

Das Energy Smart Home Lab wurde am KIT in den Projekten MeRegioMobil (2009-2011), iZeus (2012-2014), grid-control (2015-2018), C/sells (2017-2020) und flexQgrid (2019- 2022) entwickelt und an immer neue Forschungsfragen angepasst. Es zeigt, wie dezentrale Energiequellen durch geschicktes Energiemanagement optimal genutzt werden können, um Wohnen (Smart Home), Verkehr (Elektromobilität) und Energie (Smart Grid) so miteinander zu verbinden, dass die Energie optimal genutzt wird. MeRegioMobil hatte zum Ziel, Elektrofahrzeuge als mobile Stromspeicher und -verbraucher in das Energiesystem des Energy Smart Home Lab zu integrieren. iZEUS (Intelligent Zero Emmission UrbanSystems) steht für die netzschonende Integration der Elektromobilität ins Energiesystem. Hinzu kamen Flottentests, die durch die Entwicklung und Bereitstellung einer Diensteplattform realisiert wurden und 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 viele verschiedene Einzelakteure (Zellen) zu einem breiten Verbund zusammengeschlossen werden können. Das Projekt basiert auf drei Eigenschaften zukünftiger Energienetze: Zellularität, Partizipation und Vielfältigkeit. Als Zelle bezeichnet man beispielsweise eine Stadt oder einen Stadtteil, ein einzelnes Objekt, wie einen Flughafen, eine Liegenschaft oder eben das Energy SmartHome Lab. Erzeugung und Verbrauch von Energie innerhalb einer Zelle werden abgestimmt und bei Bedarf flexibel dem Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt. C/sells strebt an, die Energiewende unter aktiver Beteiligung der Bevölkerung zu realisieren. Vielfältigkeit heißt, dass C/sells aus vielen einzelnen Zellen besteht, die sich inhaltlich und organisatorisch unterscheiden. Dabei gibt es zahlreiche unterschiedliche Lösungen, um allen Bedürfnissen gerecht zu werden. 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.

Das Energy Smart Home Lab besteht aus einem Container mit einer 60 Quadratmeter großen Wohnung, die zwei Schlafzimmer hat und mit allen üblichen Haushaltsgeräten wie Waschmaschine, Trockner, Spülmaschine sowie Kühlgeräten ausgestattet ist. Sämtliche Haushaltsgeräte sind direkt oder mittels Adapter über ein Bus-System miteinander vernetzt. Den Strom erzeugt das Smart Home selbst, über eine 4,8-kW-Photovoltaikanlage auf dem Dach sowie ein μ-Blockheizkraftwerk, das dank Kraft-Wärme-Kopplung neben Strom auch Wärme bereitstellt. 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 Fahrzeug neben dem im ESHL fest installierten Heimspeicher als zusätzlicher Pufferspeicher.Sämtliche Energieflüsse und der momentane Stromverbrauch aller angeschlossenen Geräte werden im Energy Management Panel (EMP) erfasst und auf Tablets visualisiert. Diese dienen darüber hinaus als Benutzerschnittstelle zu einem Energie-Management-System, über das die Bewohnerinnen und Bewohner beispielsweise festlegen können, wann das Elektroauto aufgeladen sein muss oder wann die Wäsche fertig sein soll. Auf diese Weise lässt sich im Rahmen von Wohnphasen untersuchen, wie Nutzer sich bei vorhandenen Preisanreizen verhalten. Darüber hinaus kann das Energie Management System (EMS) die Verbraucher automatisiert steuern, sodass der unter Verbrauchsund 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.

Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerke, Heimspeicher oder Batterien in Elektroautos – sie sind die Netzteilnehmer der Zukunft, der Haushalt wird zum sogenannten Prosumer. Aufgrund der steigenden Anzahl solcher Anlagen nimmt ihr Einfluss auf das Versorgungsnetz und auf die Versorgungssicherheit zu. Dezentrale Energieerzeuger wie Photovoltaikanlagen oder Windräder liefern allerdings je nach Wetterlage schwankende Energiemengen. Dennoch müssen die für das Netz vorgegebene Spannung und Frequenz eingehalten und die Netzstabilität sichergestellt werden. Um die Auswirkungen dieser Netzteilnehmer auf das Stromnetz zu untersuchen und entsprechende Regelmechanismen zu entwickeln und zu testen, betreibt das Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) des KIT ein Power-Hardware-in-the-Loop-System.

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 leistungsfähiger Echtzeit-Rechner den Ist-Zustand eines simulierten Niederspannungsnetzes; ein 4-Quadrantensteller, hier ein Linearverstärker mit 30 kVA Leistung, stellt die Spannung eines beliebigen Hausanschlusses bereit. Der von den Netzteilnehmern bezogene Strom wird in das simulierte Niederspannungsnetz zurückgeführt. Dabei werden die Auswirkungen auf den Netzzustand in der folgenden Berechnung des neuen Netzzustandes berücksichtigt. Die neuen Ist-Spannungen werden dann wieder an den 4-Quadrantensteller übertragen. Es entsteht ein geschlossener Regelkreis. „Auf diese Weise lässt sich die Systemreaktion des Netzes und der daran 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 liegt darin, dass das Verhalten komplexer Netzteilnehmer, beispielsweise rückspeisefähige Ladestationen für Elektrofahrzeuge, mit allen Regelund Schutzalgorithmen sowie ihren jeweiligen Netzrückwirkungen 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. Das Energy Smart Home Lab am KIT verkörpert beispielhaft einen vorhandenen Haushalt mit modernen Netzteilnehmern als reale Laborumgebung. Im Energienetz der Zukunft mit zahlreichen dezentralen Energieerzeugern und Batteriespeichern sind Verbraucher auch aktive Netzteilnehmer und können ihren Beitrag zur Versorgungssicherheit und Netzstabilität leisten. Stromausfälle, wie sie beim letzten Sturm Sabine auftraten, lassen sich zum Beispiel im Nachbarschaftsverbund mithilfe eines lokalen Inselnetzes überbrücken. Im Alltag profitieren Verbraucher durch ein optimiertes Energiemanagement.

Das Energy Smart Home Lab am Campus Süd ist eine Art Satellit des am Campus Nord angesiedelten Großprojektes Energy Lab 2.0, das kurz vor der Eröffnung steht und in einer der nächsten lookKIT-Ausgaben ausführlich vorgestellt wird.

Kontakt: sebastian hubschneider ∂does-not-exist.kit edu

Excerpt in English

The Energy Smart Home Lab Adapts to New Research Issues

Translation: Maike Schröder

In the past, electric power was produced by big power plants and transmitted to consumers via the distribution grid. Today, the number of decentralized energy producers is increasing. So-called power-hardware-in-the-loop systems (PHiL) are used to realistically model the power grid with embedded real hardware components. At KIT, the Energy Smart Home Lab (ESHL) serves as a test environment to represent interactions between the grid, decentralized energy producers, and user behavior. The Energy Smart Home Lab was developed within the projects MeRegioMobil (2009–2011), iZeus (2012–2014), grid-control (2015–2018), C/sells (2017–2020), and flexQgrid (2019–2022) and continuously adapted to address new research issues. It shows how decentralized energy sources can be used optimally by smart energy management for living (smart home), transport (electric mobility), and energy supply (smart grid). ESHL consists of a container accommodating an apartment 60 m2 in size. It has two bedrooms and is equipped with all conventional appliances. Power is generated by a 4.8 kW photovoltaic system on the roof of the smart home as well as by a μ-cogeneration system that produces heat in addition to power. Via a charging station, an electric car can be connected to the house for storing energy or feeding it back into the grid. All energy flows and current power consumption are recorded by the energy management panel (EMP) and visualized on tablets. These tablets are also used as interfaces to an energy management system, through which inhabitants can specify when the electric car has to be fully charged or when the washing is to be completed. In this way, user behavior in response to price incentives can be studied.

The Energy Smart Home Lab on Campus South is a branch of the Energy Lab 2.0 on Campus North that will be opened soon and presented in detail in an upcoming issue of lookKIT.

Contact: sebastian.hubschneider