Modular energy management system : design of a theoretical model and verification using a proof of concept

Abstract

Die Innovationskurve und der Einsatz von Technologien in verschiedensten Sektoren und damit auch die Möglichkeiten zur Individualität steigt immer weiter. Diese Individualität basiert jedoch meistens auf elektronischen Geräten oder ausgelagerten Diensten und macht die Nutzung unterschiedlicher und manchmal auch einfacher Anwendungen abhängig von unbeeinflussbaren Faktoren. Darunter fallen auch die allgemeine Stromversorgung sowie die Steuerung und Automatisierung von Gebäuden. Ein immer instabiler werdendes öffentliches Stromnetz, bedingt durch ansteigenden Verbrauch und wechselseitigen Stromaustausch durch private Kleinkraftwerke, ist ebenfalls einer der unbeeinflussbaren Faktoren. Schutz und Unabhängigkeit vor Stromausfällen oder Energieengpässen kann durch diverse Gebäudeinstallationen verhindert werden. Photovoltaik-Anlagen, Windräder, Energiespeicher und Wärmepumpen sind Beispielkomponenten, um (teil-) unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zu werden. Kombiniert mit der Steuerung der Verbraucher und möglichen bidirektionalen Komponenten (z.B. Elektroauto) können Gebäude das Stromnetz entlasten und gleichzeitig Absicherung von kurz- und mittelfristigen Abhängigkeiten geschaffen werden. Die Kombination der erzeugenden und verbrauchenden Systeme stellt jedoch einige Herausforderungen dar, die es zu bewältigen gibt. Verschiedene Systeme, darunter analoge und digitale Komponenten mit keinen oder unterschiedlichen Kommunikationsnetzwerken, müssen miteinander verbunden und gemeinsam gesteuert werden. Damit können verschiedene Ziele wie Energieunabhängigkeit, Kosteneffizienz oder Umweltschutz erreicht werden. Zur Kombination und Steuerung dieser Systeme wird ein Energiemanagementsystem benötigt. Dieses kann zielgerichtet Befehle erteilen, um die einzelnen Komponenten an die aktuelle Situation anzupassen und die gewünschten Ziele zu erreichen. Unterschiedliche Energiemanagementsysteme werden auf dem Markt angeboten. Diese sind jedoch oftmals auf Hersteller, Kommunikationsnetzwerke oder Anwendungsgebiete limitiert oder abhängig von einer Verbindung mit der Außenwelt. Diese Diplomarbeit setzt sich zum Ziel ein Energiemanagementsystem zu entwerfen, das diesen Einschränkungen entgegenwirkt. Der Autor entwirft mehrere Modelle zur individuellen Erreichung von (Teil-)Unabhängigkeit, bewertet diese anhand verschiedener Parameter, die den gesamten Entwicklungs- und Verwendungszyklus abdecken, und evaluiert das gewählte Modell mittels Proof of Concept, genannt Modulares Energiemanagementsystem.

The innovation curve and the use of technologies in a wide range of sectors, and therefore the opportunities for individuality, are constantly increasing. However, this individuality is mostly based on electronic devices or outsourced services and makes the use of different and sometimes simple applications dependent on factors that cannot be influenced. This also includes the general power supply and the control and automation of buildings. An increasingly unstable public power grid, caused by rising consumption and the mutual exchange of electricity by small private power plants, is also one of the factors that cannot be influenced. Protection and independence from power outages or energy shortages can be prevented by various building installations. Photovoltaic systems, wind turbines, energy storage systems and heat pumps are examples of components that can be used to become (partially) independent of the public power grid. Combined with the control of consumers and possible bidirectional components (e.g. electric cars), buildings can relieve the load on the electricity grid and at the same time create protection against short and medium-term dependencies. However, the combination of generating and consuming systems poses a number of challenges that need to be overcome. Different systems, including analog and digital components with no or different communication networks, must be connected and controlled together. In this way, various goals such as energy independence, cost efficiency or sustainability can be achieved. An energy management system is required to combine and control these systems. This can issue targeted commands to adapt the individual components to the current situation and achieve the desired goals. Various energy management systems are available on the market. However, these are often limited to manufacturers, communication networks or areas of application or are dependent on a connection to the outside world. This diploma thesis aims to design an energy management system that counteracts these limitations. The author designs several models for the individual achievement of (partial) independence, evaluates these on the basis of various parameters covering the entire development and usage cycle, and evaluates the selected model by means of a proof of concept called a modular energy management system.