eHome
Im Projekt eHome steht das vollständig elektrisch versorgte Haus im Fokus. Das zu entwickelnde Energiemanagement beinhaltet neue Konzepte für elektrische Heizsysteme und eine lokale Stromversorgung mittels Gleichspannungstechnologie auf niedriger Spannungsebene.
Ziele
Aufgrund stetig verbesserter Gebäudeisolierung sinkt der Heizbedarf der Gebäude, des Weiteren haben energieeffiziente Gebäude einen stark schwankenden Heizenergiebedarf. Aufgrund dieser Tatsache werden Heizsysteme oft im Teillastbetrieb gefahren, einhergehend mit Effizienzeinbußen. In dem hier beschriebenen Umfeld wird ersichtlich, dass schnell regelbare elektrische Heizsysteme vorteilhaft sind.
Ein vollständig elektrisches Haus wird aufgrund von fallenden Preisen für Photovoltaiksysteme (PV) und Batterien wirtschaftlich zunehmend interessanter, insbesondere in Hinsicht des Eigenverbrauchs lokaler PV Erzeugung. Die vor Ort produzierte elektrische Energie kann für neuartige Heizungslösungen genutzt werden oder auch in den Batterien gespeichert werden.
Aufgrund der Tatsache, dass die meisten elektrischen Verbraucher wie LED Leuchtmittel, Computer und elektrische Antriebe mit Drehzahlregelung Gleichstrom (direct current, DC) benötigen, ist die Auslegung eines vollständig elektrischen Gebäudes basierend auf einem Niederspannungs-Gleichspanungssystem und leistungselektronischen Wandlern eine durchaus attraktive Lösung.
Szenarien
Durch ein DC-basiertes Verteilungssystem leistungselektronischer Wandler wird eine effiziente Leistungsübertragung zu fast allen Verbrauchern eines Smart Homes erreicht. DC Systeme bieten eine erhöhte Effizienz, höhere Flexibilität und niedrigere Komponentenkosten im Vergleich zu konventionellen Wechselstrom (alternating current, AC) Systemen. Die Struktur der elektrischen Verteilung innerhalb eines Hauses mit AC bzw. mit DC wird in Bild 1 gezeigt. Natürlicherweise wird in einem DC Verteilungssystem die Gleichrichter-Einheit (in rot in Bild 1 dargestellt) nicht benötigt, was zu Vorteilen hinsichtlich kostengünstigerer Installation sowie erhöhter Effizienz führt.
Für das Heizungssystem wird ausschließlich direkte elektrische Heizung genutzt, mit dem Vorteil geringerer Verluste im Heizsystem und schnellerer Regelung der Komponenten.
Das Hausenergiesystem ist direkt mit dem PV System und der Hausbatterie verbunden. Intelligente leistungselektronische Wandler können alle weiteren AC Einheiten anbinden und regeln. Auf diese Art und Weise erlaubt das vollständig elektrische Haus eine neue Qualität des Energiemonitorings und der Regelung.
Das Institut ACS konzentriert sich auf die Entwicklung der verteilten Intelligenz zur optimalen Energienutzung innerhalb des eHomes. Hierfür wurde ein DC Nanogrid Aufbau zur DC Energieverteilung mittels leistungselektronischer Wandler (Bild 2) entwickelt, welcher eine Schnittstelle zu den thermischen Hauskomponenten bildet.
Die Regelungsarchitektur für dieses DC Nanogrid wird derzeit entwickelt und wird auf dem im Folgenden beschriebenen Konzept einer Struktur in zwei Ebenen basieren:
Ebene 1-> die Regelung der leistungselektronischen Wandler, und
Ebene 2-> ein Cloud-basiertes Multi-Agenten-System (MAS), welches die Optimierung des Leistungsbezugs durchführt und Sollwerte an Ebene 1 schickt.
Der vollständige Aufbau der leistungselektronischen Wandler wird in die Laboreinrichtungen des ACS integriert, um Hardware in the Loop Simulationen durchzuführen. Hierdurch können weitere Komponenten des Haussystems emuliert werden, welche nicht physikalisch im Labor vorhanden sind, ebenso wie die Wechselwirklungen mit dem lokalen Verteilungsnetz.
In 2014 wurde das Projekt eHome als Kooperation zwischen den Instituten ACS, EBC und PGS gestartet. Wir danken für die finanzielle Unterstützung der E.ON ERC gGmbH.